长焰煤 太原理工大学研究团队通过两步法控制 NOX 排放的创新成果

创新点（1）通过一步引入铁基添加剂，采用“热解氮还原-燃烧脱硝”两步法控制NOX排放。

（2）阐明了铁基添加剂在热解和燃烧阶段实现NOX减排的机理。

作者

闫志忠 1,4, 张开霞 2,4, 刘月华 2,4, 刘守军 2,3,4, 杨松 3,4, 杜文光 1,2,4

单元

1.山西太原理工大学资产经营有限公司；2.太原理工大学煤科学与技术教育部和山西省重点实验室；3.太原理工大学化工学院；4.山西省民用清洁燃料工程研究中心

研究背景

我国以煤为主的能源结构在未来相当长一段时间内难以改变，同时70%的NOx排放来自于煤炭燃烧，对大气环境造成了严重的破坏。NOx按其形成机理分为热力型NOx、快速NOx和燃料型NOx三种形式。民用散煤由于燃烧温度低，在燃烧过程中生成的NOx主要为燃料型NOx，占NOx总排放量的75%～90%。因此，如何降低民用燃料中的氮含量，减少其燃烧过程中的NOx排放量，是控制民用散煤燃烧NOx排放的关键。

目前的研究多集中于末端治理（低氮燃烧器、分级燃烧、预热燃烧等低氮技术以及SCR、SCNR技术），由于其成本高、设备复杂、运行成本高，并不适合控制散煤的NOx排放。因此作者提出了源头控制方案，即在原煤中引入功能添加剂后，通过热解制备清洁燃料（民用清洁焦）替代散煤原煤。民用清洁焦在燃烧过程中会发生原位脱硝，通过“热解氮还原+燃烧脱硝”两步耦合，在煤热解中预先引入金属添加剂，使煤中的氮定向迁移到气相中，降低热解产物中燃料型氮和挥发性氮的含量，获得民用清洁燃料。 在清洁燃料的燃烧过程中，利用金属添加剂的催化作用，完成NOx向N2的原位转化，最终实现超低NOx排放。

概括

煤炭燃烧产生大量氮氧化物（NOx），严重破坏生态环境，民用散煤燃烧排放的NOx是燃煤发电的2倍，因此研究民用散煤NOx排放控制具有重要意义。基于此长焰煤，提出通过原煤干馏制备民用清洁燃料，利用“热解氮还原+燃烧脱硝”两步耦合机理，实现清洁燃料直接燃烧过程中的超低NOx排放。

具体研究内容：在管式炉中，先将煤与金属添加剂（FeCl3）热解制备清洁燃料，然后进行清洁燃料燃烧实验过程中的NOx排放研究。系统研究铁负载率、热解温度、燃烧温度等因素对“热解-燃烧”过程中氮迁移的影响，并探讨铁添加剂的作用机理。

结果表明：铁添加剂负载率为0.5%、热解温度为1000℃时脱氮效果最好，脱氮率为93.6%。高温热解后焦炭中的铁主要以Fe2O3、Fe3O4、α-Fe等形式存在，这些铁相可以催化更多的含氮化合物转化为无污染的N2；同时温度的升高也有利于清洁燃料燃烧过程中NOx的脱除，燃烧温度为1000℃、添加剂负载率为0.5%时，NOx排放量为116.68mg/m3，比原煤燃烧降低46.7%。

燃烧过程中生成的Fe2O3对NOx及CO、C的还原反应有一定的催化作用，能催化燃烧过程中生成的NO转化为N2。进一步引入铁类添加剂，借助“热解氮还原-燃烧脱硝”机理，达到清洁燃料燃烧超低NOx排放的效果。

一些图片

煤热解实验装置示意图

燃烧实验反应系统示意图

900℃热解温度下铁负载率对脱氮率的影响

不同热解温度下DEM及DEM-0.5Fe对脱氮效果的影响

1000℃下DEM及DEM-0.5Fe热解产物气固液分布

DEM-1000 的 XRD 图谱

不同热解温度下DEM-0.5Fe的XRD谱

不同煤（焦）样1000℃燃烧时NOx排放曲线

不同燃烧温度下DEM-1000与DEM-0.5Fe-1000的NOx排放量比较

DEM-0.5Fe-1000完全燃烧后产物相变规律

脱灰煤与载铁煤1 000℃热解燃烧过程中的氮平衡

铁添加剂对长焰煤热解燃烧过程中NOx的控制机理

关于作者

闫志忠，男，1971年9月24日出生，山西文水人。现任太原理工大学资产公司党委委员、副董事长、总经理，太原理工大学大成工程有限公司总经理，讲师，工程师。参与编写教材3部，获山西省教学成果一等奖1项、山西省科技进步三等奖2项，发表论文10余篇，发明专利2项，获“山西省青年科技奖”、“青年管理能手”称号，个人二等功1项。

研究方向

煤炭能源和可再生资源清洁高效利用

主要结果

致力于煤炭能源及可再生资源清洁高效利用研究，成功研发出民用洁净焦生产关键技术，制备出民用洁净焦，替代散装原煤，累计推广70余万吨。经太原市环保局测试，烟尘排放量减少96%，二氧化硫、氮氧化物排放量减少70%，生态效益显著。

闫志忠, 张开霞, 刘月华, 等. 铁添加剂对长焰煤热解燃烧过程中氮还原脱硝的影响[J]. 煤炭学报, 2021, 46(4): 1155-1163.

闫张刘等. 长焰煤中铁含量及影响因素分析[J]. 煤炭学报,2021,46(4):1155-1163.