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工业锅炉已经成为大气污染的重要源头,实现燃煤工业锅炉低NOx排放迫在眉睫。前期研究发现,采用高温半焦循环技术可以有效降低NOx原始排放。但长时间的高温环境使煤焦碳结构向着石墨化方向发展,导致煤焦反应活性逐渐变差。考虑到煤焦内部含有极性基团以及类石墨微晶结构,本文提出了借鉴石墨插层、膨胀及微波化学的相关方法来调控煤焦物化结构的技术设想,按插层焦制备、膨化,理化表征,反应能力评价与分析三个方面开展了研究。首先利用竖直管式炉制备了不同热解温度的宁夏无烟煤焦,以高锰酸钾为氧化剂、浓硫酸为插层剂制备了氧化插层焦,分别对氧化插层焦进行了不同条件的高温或微波膨化处理。利用氮吸附、Raman以及FTIR对各样品的孔隙结构、杂化碳结构类型及表面官能团分布进行测试,结果表明:经过不同条件的高温膨化或微波膨化后,煤焦的原有孔隙结构均得到进一步扩展,各样品比表面积和孔容积均会增加,平均孔径减小,并且微波膨化可以新产生大量2~12nm的孔结构;同时煤焦有序碳结构相对含量下降,各种缺陷结构增多。但膨化温度、膨化功率、膨化时间持续增加均会造成煤焦孔隙的烧蚀坍塌,碳结构有序性重新增加,使得改性效果变差。氧化处理可以在煤焦表面形成共轭C=O等极性基团,经微波膨化后,C-O-C、C=O振荡断裂,形成大量芳烃C=C不饱和碳原子,增加煤焦表面活性点位数量,从而提高煤焦反应活性。煤焦程序升温还原NO实验结果表明:制焦温度越高,高温膨化对煤焦的改性效果越显著;经不同方式的高温或微波膨化后,煤焦的NO反应性均明显强于原焦;高温膨化的最佳温度为800℃,最佳膨化时间为90s;微波膨化的最佳功率为960W,最佳膨化时间为90s。样品分析结果表明煤焦孔隙结构的发达程度及缺陷结构的相对含量是影响煤焦-NO反应性的主要因素。煤焦恒温还原NO实验结果表明:原焦及微波膨化焦对NO的还原率会随NO入口浓度的增加而降低,同时随CO添加浓度的增加而增加,但微波膨化焦还原能力更强。煤焦在炉内循环过程中,不可避免地要经历高温氧化性气氛,本文开展了煤焦恒温燃烧实验,结果表明:相比于原焦,微波膨化焦燃烧时间缩短,NO释放更加迅速且释放峰值升高,焦炭N向NO的转化率增加,但膨化处理对炉内循环半焦的整体降氮效果具有正面影响。低温(600℃)施加微波场能够提高煤焦燃烧速率,但不会影响焦炭N向NO的转化率;高温(900℃)施加微波场能够降低NO释放峰值及焦炭N向NO的转化率,功率越高,降幅越大,但施加微波场无法使燃烧时间进一步缩短,NO释放时间基本不变。