类水滑石基锌铝氧化物的制备及其脱硫性能的研究

发布时间：2020-10-13 21:32

　　 随着经济的高速发展,人们对能源的需求急剧增长。在三大化石能源(煤、石油、天然气)中,煤炭依旧占领着主要能源的位置,为人们的衣食住行提供了保障。在煤炭燃烧过程中,会产生大量SO_2,危害环境。因此,推广洁净煤技术势在必行。煤气化技术是洁净煤技术中至关重要的一步。煤中的硫(0.1%-1.5%)在气化过程中会产生H_2S、SO_2、COS以及各种有机硫化物。其中,H_2S占90%以上。若不处理,这些H_2S进入煤气中,会对机械设备产生很强的腐蚀性,还会毒害催化剂,而且燃烧后产生的SO_2也会污染环境。因此,煤气在燃烧前必须对其进行脱硫。氧化锌是目前国内外公认的脱硫精度最好的脱硫剂,然而当硫化温度高于600 ~oC时,ZnO在还原性气氛中会被还原为单质锌而蒸发,导致活性组分的流失。因此,本文选用热稳定性良好的类水滑石基锌铝氧化物(ZnAl LDO)来脱除中高温煤气中的H_2S。本论文首先考察了锌铝摩尔比为1-4的锌铝类水滑石(ZnAl LDHs)及类水滑石基锌铝氧化物(ZnAl LDO)的物理化学性质,并探讨了ZnAl LDO的硫化性能,选出最佳锌铝摩尔比。然后,通过TG-DSC、TG-MS、XRD、FTIR、SEM等表征手段研究了ZnAl LDHs的热分解行为,并计算出ZnAl LDHs热分解过程的活化能。最后,考察了ZnAl LDO最佳硫化反应、再生反应条件,并对ZnAl LDO脱硫剂的硫化-再生循环性能进行了评价。得出的结论主要如下:(1)ZnAl LDO的最佳锌铝摩尔比为3,此时脱硫剂在简单气氛(2000ppm H_2S,N_2作平衡气)、500 ~oC下硫化的硫容为28.51 g S/100 g脱硫剂。ZnAl LDHs和ZnAl LDO的形貌均呈六边形层片状结构。(2)ZnAl LDHs的热分解过程大体分为2个阶段:阶段I为物理吸附水和层间水的脱除,并产生了一小部分CO_2,在DSC曲线上196°C处有一强烈的吸热峰;阶段II为碳酸盐的分解过程,伴随着一些羟基的脱除,在DSC曲线上220-340°C有一较宽的吸热峰。由Kissinger和FWO法计算得出阶段I的活化能分别为110.7和112.8 KJ mol~(-1),阶段II的活化能分别为94.3和98.1 KJ mol~(-1)。(3)ZnAl LDO脱硫剂在模拟煤气(2000 ppm H_2S,18%CO,10.5%H_2,5%CO_2,N_2作平衡气)中的最佳硫化温度为600 ~oC,此时硫容为26.06 g S/100 g脱硫剂。(4)ZnAl LDO脱硫剂的最佳再生条件为再生温度650 ~oC,再生空速12000 h~(-1),O_2浓度6 vol%,此时脱硫剂再生率为98.29%。(5)Zn Al LDO脱硫剂五次硫化-再生循环实验结果显示,第一次再生后样品的硫容最高,达到33.68 g S/100 g脱硫剂。之后随着硫化-再生循环次数的增加,再生后脱硫剂的硫容逐步降低,但都高于新鲜ZnAl LDO脱硫剂的硫容。
【学位单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ546.5
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 研究背景
    1.2 高温煤气脱硫剂的发展现状
        1.2.1 铁基脱硫剂
        1.2.2 锌基脱硫剂
        1.2.3 稀土金属脱硫剂
        1.2.4 其他金属脱硫剂
        1.2.5 复合金属氧化物脱硫剂
    1.3 类水滑石及其氧化物的研究概况
        1.3.1 类水滑石（LDHs）的结构与性质
        1.3.2 类水滑石（LDHs）的制备方法
        1.3.3 类水滑石基复合金属氧化物的性质
        1.3.4 类水滑石及其复合金属氧化物的应用
    1.4 本论文的主要研究内容
第二章 实验部分
    2.1 实验试剂与仪器
        2.1.1 实验仪器
        2.1.2 实验试剂
    2.2 表征方法
        2.2.1 物相结构分析（XRD）
        2.2.2 比表面和孔结构分析（BET）
        2.2.3 扫描电子显微镜（SEM/EDS/Elementalmapping）
        2.2.4 热重-差热分析（TG-DTA）
        2.2.5 傅里叶红外光谱仪（FT-IR）
        2.2.6 定硫仪
    2.3 硫化性能评价方法
        2.3.1 实验方法
        2.3.2 评价指标
    2.4 再生条件考察方法
        2.4.1 实验方法及装置
2浓度测量方法'>        2.4.2 SO₂浓度测量方法
第三章 类水滑石基锌铝氧化物的制备
    3.1 制备方法
    3.2 确定最优锌铝配比
        3.2.1 不同锌铝配比脱硫剂XRD分析
        3.2.2 不同锌铝配比脱硫剂SEM分析
        3.2.3 不同锌铝配比脱硫剂BET分析
        3.2.4 不同锌铝配比脱硫剂的硫化性能评价
    3.3 本章小结
第四章 热分解动力学研究
    4.1 热分析
    4.2 ZnAlLDHs及其焙烧产物的表征
        4.2.1 X射线衍射表征（XRD）
        4.2.2 傅里叶红外光谱仪分析（FTIR）
        4.2.3 形貌分析
    4.3 热分解动力学
    4.4 本章小结
第五章 脱硫剂硫化-再生性能评价
    5.1 硫化性能评价
        5.1.1 简单气氛下脱硫剂的硫化性能
        5.1.2 模拟煤气下脱硫剂的硫化性能
2气氛下脱硫剂再生条件考察'>    5.2 O₂气氛下脱硫剂再生条件考察
        5.2.1 再生温度对脱硫剂再生性能的影响
        5.2.2 再生空速对脱硫剂再生性能的影响
2浓度对脱硫剂再生性能的影响'>        5.2.3 O₂浓度对脱硫剂再生性能的影响
    5.3 ZnAlLDO脱硫剂的硫化-再生循环行为
        5.3.1 ZnAlLDO脱硫剂的硫化-再生循环实验
        5.3.2 ZnAlLDO脱硫剂的晶型结构分析
        5.3.3 ZnAlLDO脱硫剂的比表面积及孔结构分析
        5.3.4 ZnAlLDO脱硫剂的形貌及元素分布分析
    5.4 本章小结
第六章 结论与展望
    6.1 结论
    6.2 论文创新点
    6.3 展望
参考文献
致谢
攻读硕士学位期间主要科研成果

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本文编号：2839726