煤炭燃烧产生的氮氧化物(NOx)会引起大气污染、酸雨等灾害,目前使用的氨法脱硝存在氨气泄露、堵塞烟道等缺点,因此这几年氨法脱硝的替代技术成为了研究热点。在之前的研究中,本课题组提出的回转式反应器使用CO脱硝,将装置分成吸附区和还原区可解决烟气中过量氧气的问题,但总体NOx的脱除效率并不高,原因在于大多数吸附的NOx又在还原区解吸,所以本文提出了二次反应器以进一步脱除解吸的NOx,并提供CO。使用活性半焦脱除氮氧化物一方面是由于原料价廉易得、活性效果好,另一方面半焦也可以与烟气中的氧气反应生成CO,为回转式提供原料,形成CO循环系统。本研究基于以上目的,主要研究了活性半焦用于脱除NOx及生成CO的可行性、烟气中的成分与半焦的相互作用及活性半焦脱硝的反应机理等,同时利用第一性原理从理论上解释和证实活性半焦脱硝的反应路径,最后进行CO循环系统的设计计算。采用活性半焦既作还原材料,又作催化剂,发现在中等温度下其脱除NOx的效率并不高。又加入铁粉,将其与半焦充分机械混合,可以提高NO转化率。总之,活性半焦在与铁粉混合后,600℃可以获得较高的NO转化率。同时,脱硝反应会受到多种因素的影响,研究烟气中的成分,如O2、CO、CO2、H2O和SO2,与活性半焦之间的相互作用。本研究发现,通入氧气会明显增强NO的转化率与CO生成量,在氧气浓度为2%、600℃时NO完全转化;当氧浓度为5%时,CO产量显着提高至8000ppm。当通入CO时,NO转化率也得到增强,并且效率随CO浓度的增加而明显提高。CO2和H2O会对NO的转化产生抑制作用,SO2正相反;添加H2O和SO2会略微降低CO产率,CO2正相反;当存在氧气时,可以减轻CO2,H2O和SO2对NO转化的不利影响。此外,进行了多种表征,并提出反应机理。NO先被吸附到半焦表面碳上以形成单齿硝酸盐和硝基化合物,其在氧空位处被氧化成N2O或N2。C和表面氧空位形成碳-氧络合物,其不稳定并迅速分解成CO或被氧化成CO2。加入氧气后,O2被吸附到半焦表面形成大量的氧空位;加入铁后,Fe在NO还原过程中形成氧化铁(FexOy),并被CO还原成金属铁。为进一步说明活性半焦脱除NO及生成CO的机理,使用DFT分析方法,系统地研究NO、Fe的吸附方式,对比分析反应前后分子结构、吸附能的改变。通过优化可能的中间体结构,找到可行的反应路径,从而解释说明实验结果及猜测。计算过程中发现,NO首先被吸附到半焦碳位点以形成NCO;中间体NCO进一步形成N2O,生成的N2O结构不稳定,容易变成N2。加入Fe之后,NO的吸附产生了变化:NO首先被吸附到半焦碳位点与Fe原子形成Fe-N-O分子。加入氧气后,氧气分子会促进NO的吸附,同时C与氧气反应生成CO,CO再与NO反应,将其脱除;然后,CO分子接近O ad并获得CO2。本章模拟计算的结果可由半焦活性测试及表征的结果相互验证。为推进CO循环系统的实际应用,对其重要参数进行了设计计算,主要包括:活性半焦脱硝产生的热量、每小时需要引入的半焦铁粉量、每小时消耗的CO量、回转式装置的漏风量、循环回路的引出量。同时,为深入研究CO循环系统,整个系统的设计计算根据是否考虑回转式反应器的漏风问题、二次反应器中是否加入活性半焦这两方面内容为区分,将系统计算分成三种情况:第一种是不考虑漏风问题,且在二次装置中不添加活性半焦,替换成同等效率的其他催化剂(不产生CO),系统所需的CO全部由外界提供;第二种是考虑回转式的漏风问题,并设置不同的漏风比例,同样地,在二次反应器中不加入活性半焦,仅加入不生成CO的催化剂,这种情况会消耗更多的CO,原因是漏风中的氧气会与NO发生竞争反应;第三种最贴合实验情况,既考虑回转式的漏风问题,又在二次反应器中添加半焦以生成CO,该情况需要计算半焦氧化产生的热量是否足够维持二次反应器的最佳反应温度(600℃)。此外,对回转式反应器、二次反应器的基本参数进行设计,如体积、截面尺寸、运行温度等;对实验用催化剂的运行参数、床层压降以及烟气管道进行设计计算等。综上,本文提出了利用活性半焦脱除NO及生成CO的二次脱硝工艺,研究了其可行性、烟气成分的影响等,同时利用DFT方法对整个实验过程进行了模拟计算,证实了反应机理,最后对CO循环系统的重要参数进行设计和计算。