丙烷甲烷在金属铁表面还原no的研究-热能工程专业论文.docx

摘要 摘要 万方数据 万方数据 丙烷/甲烷在金属铁表面还原 NO 的研究 摘 要 能源与环境问题已成为当今世界各国所关注的重点问题，在我国煤炭作为主 要一次能源仍占据能源消费的主导地位，燃煤过程中生成的氮氧化物（NOx）是 大气的主要污染物之一，对人类的健康及生存环境造成巨大危害，严格控制燃煤 过程中 NO 排放已成为一项十分紧迫的任务，因此对 NOx 的控制技术进行研究具 有重要的学术价值和现实的工程实践参考价值。 本文在前期研究的基础上，在程序控温电加热水平陶瓷管反应器中对丙烷在 金属铁丝卷作用下对 NO 的还原特性进行了实验研究，烟气中 NO 体积百分比约 为 0.05%，N2 配平，反应温度为 300-1100℃，对比了丙烷与甲烷作用下金属铁对 NO 的还原效果。在此基础上，进一步实验研究了水蒸气对丙烷与甲烷在铁表面 还原 NO 的影响，并分析了不同条件下 SO2 的影响。同时采用工业废铁替代铁丝 卷并考察了甲烷在其表面的脱硝效果。为深入研究有关反应机理，分别采用 SEM、 XRD 和 EDS 对实验前后铁样品进行分析，并采用了原位红外表征手段对微观反 应机理进行了初步研究，得到如下结论： （1）通过进行丙烷在金属铁表面脱硝的实验，结果表明丙烷能够在金属铁 表面高效地还原 NO，在 N2 气氛下，NO 的还原效率随着反应温度的升高而不断 升高，在温度超过 900℃后能达到 95%的脱硝效率，反应生成大量的 CO,并且丙 烷的用量对 NO 还原效率影响不大。丙烷能够被 Fe2O3/Fe3O4 所提供的晶格氧部 分氧化脱氢生成丙烯，同时铁的氧化物被还原成为金属铁，保持金属铁持续还原 NO 的能力，随着一系列反应丙烷最终被氧化成 CO2 或 CO。 （2）丙烷作用下铁在模拟烟气氛围下还原 NO 的效率与反应段空气过量系 数 SR1 密切相关，当 SR11.0 时，过量的丙烷可以通过再燃机理直接有效地还原 NO，同时能够还原被氧化的铁，在温度超过 900℃后能够取得相当高的脱硝效 率，并且有无燃尽对还原 NO 的效率无影响。而当 SR11.0 时，NO 还原效率明 显下降，此时丙烷被过量的氧气所消耗，无法有效地还原 NO 及氧化铁。烟气中 的 SO2 对丙烷作用下金属铁脱硝效率的影响较小。 （3）比较丙烷与甲烷在金属铁表面还原 NO 的性能，发现丙烷能够更好地 在金属铁表面还原 NO，相同条件下下丙烷在 700-900℃温度范围内的脱硝效率 显著高于甲烷，并且用量要小于甲烷；丙烷在反应中被晶格氧氧化脱氢生成丙烯， 而丙烯属于不饱和烃，其化学键能比较低，容易破裂，因此能够以比 CH4 更高 I 的活性在金属铁表面进行还原 NO 的反应。 （4）实验研究了水蒸气对丙烷与甲烷在金属铁表面还原 NO 的影响，结果 表明当烟气中加入水蒸气时会对金属铁进行氧化，形成 Fe2O3、Fe3O4 等氧化物， 一定程度上影响了铁还原 NO 的能力，使得在 600-900℃温度范围内与无水蒸气 时相比，丙烷与甲烷对 NO 的还原效率显著降低。另一方面由于铁被氧化形成疏 松多孔的结构，使 NO 能够向内部渗透与新鲜的铁反应，从而随着温度升高 NO 还原效率有所回升。 （5）水蒸气存在时，不同的反应段过量空气系数条件下丙烷与甲烷作用下 金属铁还原模拟烟气中 NO 的效率较无水蒸气工况下均有一定程度的增加，特别 是在 SR11 时，有水蒸气工况下 NO 还原效率的提高非常显著。而在湿烟气氛围 中加入 SO2 会使丙烷与甲烷在铁表面脱硝效率发生一定变化或使脱硝曲线平移。 （6）采用工业废铁代替金属铁丝卷，实验结果显示甲烷能够高效地在工业 废铁表面还原 NO。在 N2 气氛中，在温度超过 1050℃后工业废铁的脱硝效率与 铁丝卷的差距很小，达到了 95%以上。模拟烟气条件下，当过量空气系数 SR1 小于 1 时相同条件下工业废铁的脱硝效率要高于铁丝卷。烟气中的水蒸气以及 SO2 对甲烷在工业废铁表面的脱硝效率并没有起到抑制的作用。通过研究表明， 以工业废铁代替金属铁丝卷脱硝有着可靠的可行性以及实际应用前景。 （7）原位红外和程序升温脱附实验结果表明，氧化铁对 NO 的吸附能力远 远高于金属铁，NO 以不同的桥式硝酸盐与硝基的形式吸附于氧化铁表面，这些 吸附物种的形成对进一步与还原剂发生选择性催化反应有着重要的作用。 （8）在氧化铁催化甲烷与丙烷还原 NO 的微观反应过程中，NO 首先以各 种硝酸盐或硝基的形式吸附于氧化铁的表面，随后还原剂吸附于铁表面并与硝酸 盐与硝基发生反应生成反应中间物种，在氧气存在的情况下，O2 会参与碳氢还 原剂与含氮吸附物种的竞争反应，促进反应并形成 R-COO-、CH3COO-等更多活 性中间物种，这些活性