纳米助燃添加剂脱硫脱硝的实验研究

【摘要】： 采用溶胶一凝胶法制备的纳米TiO_2作为添加剂,实验研究了纳米TiO_2添加量、Ca/S摩尔比、燃烧温度对煤燃烧和脱硫脱硝效果的影响。对反应产物进行了X射线衍射、红外光谱、扫描电镜和离子色谱分析,探讨了纳米材料催化燃烧、同时催化脱硫脱硝的机理。全面系统地研究了添加剂的添加所涉及到脱硫、脱硝、结渣、燃烧效率等各个方面的问题。研究成果为提高循环流化床锅炉燃烧效率及实现炉内同时脱硫脱硝提供了借鉴和参考,为揭示纳米材料的尺度效应和边界效应提供了科学依据,对实现节能减排具有理论及现实的意义。 实验结果表明,纳米TiO_2与CaO共同作用时,纳米TiO_2最佳的添加量为8%;在Ca/S摩尔比为2、燃烧温度为850℃时纳米TiO_2催化脱硫脱硝效率达87.8%和36.0%,比不添加纳米TiO_2时分别增加13.4%和36.0%;纳米TiO_2对煤燃烧有明显的促进作用,降低煤的着火温度,增加发热量强化燃烧,提高煤灰的熔融温度,降低煤的结渣程度。 纳米TiO_2导致碳晶格的扭曲,增加表面活性部位,加快氧气的吸附速度,使添加剂周围燃烧速度加快,煤灰孔隙增大从而促进燃烧完全,促进二氧化硫向氧化钙内部的扩散从而提高脱硫效果,由强化燃烧产生的多孔煤焦有利于煤燃烧生成的NOx渗透扩散到焦炭内表面反应,提高煤焦对NOx的异相还原作用,另外TiO_2作为催化剂强化了CO同相还原NOx的作用,从而提高了氮氧化物的脱除效率。 脱硫脱硝反应动力学的研究表明,CaO的脱硫反应对SO_2浓度是准一级反应,对氧气浓度属于零级反应;煤焦还原NO反应对NO浓度是准一级反应;脱硫脱硝反应过程分为两个阶段,反应初期为表面化学反应控制阶段,反应后期为产物层扩散控制阶段;脱硫过程中产物层扩散阶段是慢反应因而是速控步骤,脱硝过程中表面化学反应阶段是速控步骤;纳米TiO_2的催化作用主要体现在加快了脱硫脱硝过程中慢反应阶段的反应速率,降低了反应过程的活化能,促进了脱硫脱硝反应的进行,提高了氧化钙硫酸盐化和煤焦还原的转化率;利用未反应收缩核模型对氧化钙脱硫反应和煤焦还原NO反应的过程进行了模拟计算,该模型能较好地模拟脱硫脱硝反应过程;计算结果与实验结果非常吻合。