污染物NOx的排放日益严重地影响着环境、气候和人类的健康,成为一个迫切需要解决的问题。火电厂燃煤产生的NOx是排放的主要来源。为了解决电站锅炉排放的NOx对环境的污染问题,许多控制NOx排放的技术应运而生。其中燃料再燃是一种很有效的方法。本文针对煤粉再燃中的热解和燃烧过程、煤焦吸附NO气体、煤粉再燃的异相还原NO的机理等关键问题,提出了超细煤粉再燃降低NOx排放的技术,并对此进行了一系列探索性的研究。本文首先对超细煤粉的物理、表面、热解、燃烧特性进行了试验研究,通过煤粉粒度的测定、孔隙结构、红外光谱的分析以及热重分析等试验,得到了煤粉粒径变化后煤粉特性的变化趋势,为超细煤粉再燃降低NOx排放的试验研究奠定理论基础。试验结果表明:随着煤粉颗粒粒径的减小,BET比表面积和孔容积增大,铁法烟煤表面羟基、C-H、C=C,C=O双键,C-O单键等官能团含量增大。煤粉热解反应分两个阶段进行(低温热解和高温热解阶段),这两阶段反应活性不一样,机理也不一样。随着颗粒粒度的减小,挥发分析出就越快,反应进行的越快,DTG峰值有所减小,TG曲线、DTG曲线和峰值都表现出一定的滞后,即粒度减小,则失重提前。随着升温速率增大,TG曲线表现得越平滑,并且煤粉析出挥发分的起始温度偏高,DTG曲线峰值向后推移,并且峰值有所增大。对煤样的燃烧过程进行热重分析,煤粉颗粒粒度减小,煤粉更容易着火、燃尽,对不同粒度下的TG、DTG曲线分高低温段进行处理,发现煤粉颗粒粒径越小,煤粉燃烧高、低温度段的活化能就越小,其减小的程度与煤种及其表面结构有关。同时对同一粒度下不同升温速率下的TG、DTG曲线进行分析,得到随着升温速率的增大,煤粉燃烧反应的活化能减小,更易着火,但燃尽变得更加困难。本文建立了固定床煤焦吸附NO实验台和系统,在此试验台上研究颗粒粒径和温度对煤焦对NO吸附特性的影响;得出随着颗粒粒径增大,吸附曲线较快达到平衡,吸附效率降低,较小的颗粒粒径对煤焦颗粒化学吸附NO的进行更有利;温度对煤焦化学吸附NO的能力影响较大,在本文工况下,吸附能力随温度升高而升高。同时建立了基于固定床煤焦化学吸附NO气体试验系统的数学模型。该模型考虑了吸附过程中颗粒传质控制过程和表面反应过程,建立了由传质过程和吸附剂表面反应过程综合决定的吸附动力学模型,通过模型计算,选取基本工况,对煤焦颗粒化学吸附NO过程进行了模拟,结果基本吻合。本文经过大量的调研和仔细的设计、完善,建成了一个能够较好地模拟煤粉再燃过程的携带炉实验台,炉内温度可控制,可以模拟煤粉炉内NOx的生成和还原过程,为超细粉再燃的研究提供了试验基础。利用上述的一维热态试验系统,本文进行了试验炉NOx排放特性研究。通过大量的试验,得出了煤粉粒度、炉膛温度和过量空气系数、入口氧浓度等因素对NOx排放的影响趋势;并在此基础上研究了超细粉再燃对脱氮效果,试验结果表明煤粉越细,NO的还原效率越高;随着再燃燃料比的增大,再燃还原NO效率增大;在保证一定的NO排放浓度水平的情况下,使用较细的煤粉作为再燃燃料时,可以减少再燃燃料的投入量;再燃区初始氧浓度对NO还原率有显著的影响,随着氧浓度的增大,再燃还原NO效率减小;再燃区温度对还原NO效率影响较大。在本文工况下,随着再燃区温度的增加,再燃还原NO效率增大。本文利用XPS(光电子能谱)表面分析技术对上述经固定床和携带炉反应后的试验样品进行官能团结构变化的化学分析,得出随着平均粒径的减小,煤焦的化学吸附NO分子后表面的硝基-NO2、亚硝基-NO以及N-5, N-6和N-X官能团含量增大,表明粒径减小有利于煤焦化学吸附NO和煤焦异相还原NO气体。同时利用量子化学理论和计算软件Gaussian03对煤焦吸附NO和煤粉再燃还原NO过程的异相还原反应进行基于分子水平的化学反应机理计算和分析,研究得出含N官能团的形成机理和揭示了异相还原中N2的两种形成过程,一种是吸附在焦炭上NO分子与随后的NO分子发生反应形成N2,另外一种是NO分子与焦炭表面N-6官能团发生反应生成N2,进而得到了煤焦的异相还原NO的反应机理,总结出煤粉再燃异相还原的主要路径。本文以量子化学理论以及有机反应理论为基础,将量子化学计算应用于煤粉再燃反应机理的研究,希望能为煤粉再燃机理奠定理论基础。