不定型煤基活性炭结构演变机制及调控方法研究

发布时间：2018-06-03 04:15

本文选题：煤基活性炭 + 物理活化　；参考：《哈尔滨工业大学》2017年博士论文

【摘要】：我国煤炭消耗量逐年递增,其中70%以上用于直接燃烧,导致燃煤SO2污染与硫资源短缺形成了尖锐对比。根据燃煤电厂实际情况,分别以煤粉和锅炉高温热烟气为原料和活化气体,制备出煤基活性炭为吸附材料的干法脱硫技术可有效吸附污染物SO2并进行资源化利用,具有广阔发展前景。因此,研究低成本、高性能煤基活性炭材料的制备对该技术的发展和工程应用具有重要价值。性能优异的脱硫活性炭应同时具有分级孔结构和高比表面积。但在活化阶段为提高比表面积而充分发展孔隙时,则会造成颗粒表面严重损失,降低成孔效率,从而增加制备成本,而仅通过改变活化工况不能解决以上问题。因此,本文通过调控热解过程煤焦结构演变,制备适宜后续活化的前驱体煤焦,从而改变活化过程孔隙生成及碳损失位置。针对“热解过程煤焦结构演变机制”、“空气预氧化对煤焦结构调控机制”、“铁基催化剂对煤焦结构调控机制”三个关键问题开展研究。在此基础上,明确活化过程典型煤焦结构与孔隙发展和碳损失的关系,并提出了煤焦结构协同调控方法,提高了成孔效率。以霍林河褐煤、鸡西烟煤、大同烟煤和晋城无烟煤为原料,在较宽温度区间(≤1600℃)和慢速升温条件下(8℃/min),首先研究煤阶对煤焦结构演变的影响。研究表明,在热解低温段(≤1000℃),煤焦理化结构受煤种差异的影响较大,其中物理结构主要受热解过程中液相焦油的析出及挥发分的释放影响,而化学结构主要与塑性流动及交联、有序缩聚有关。在热解高温段(1000~1600℃),不同煤焦结构变化规律相似。然后以便于调控结构的鸡西烟煤为原料,以不同升温速率、热解终温和停留时间为影响因素,研究了热处理条件对典型煤种结构演变的影响。研究发现,热解终温为800℃时,热解速率升高减弱了交联缩聚反应,使颗粒孔隙增多,延长停留时间强化了交联缩聚行为并生成更多微孔。在800℃下,慢速热解焦活化后比表面积与烧失率的比值为12.37m2/(g·%),快速热解焦经活化后其比值为34.09 m2/(g·%),提高了成孔效率。在200℃空气气氛下对鸡西脱灰煤进行预处理,通过改变氧化时间研究空气预氧化对煤焦结构的调控机制。研究发现,随着氧化时间的增加,煤中脂肪结构被选择性烧失,生成更多稳定的含氧结构,使煤大分子结构更为开放。在氧化煤热解过程中相比于塑性特征的减弱,含氧官能团的断裂与重组对煤焦理化结构影响更显著。不同热稳定性含氧官能团促进了氧化煤焦孔隙和大量活性位生成。在活化初期,氧化煤焦的丰富活性位强化了活化气体对碳网平面的刻蚀,促进了孔隙生成,但无法从根本上改变活化气体与活性位的反应路径。48 h预氧化再热解制备的煤焦,在活化后比表面积与烧失率比值为23.78 m2/(g·%)。通过负载不同含量Fe Cl3分析催化剂两种催化路径的竞争,研究铁基催化剂在不同阶段对煤焦结构的调控机制。研究发现,热解过程中催化剂在颗粒内分布形态影响其催化反应。随着负载量增加,催化剂由分散态转变为团聚态,使催化裂解能力减弱,增强了催化石墨化能力。铁基催化剂可改变活化气体与原活性位的反应路径,持续促进碳结构无序转变及碳网平面刻蚀生孔。负载3wt%Fe Cl3的热解焦,经活化后比表面积与烧失率比值为18.05 m2/(g·%)。在此基础上,探究了煤焦结构与孔隙演变及碳损失的关系。研究发现,煤焦孔隙影响活化气体在颗粒内扩散从而改变孔结构生成;煤焦碳结构的转变影响活化气体对微晶刻蚀成孔,颗粒碳损失位置受以上两个因素共同影响。基于以上结果,提出空气预氧化同时负载铁基催化剂协同调控煤焦结构的方法。研究表明,热解阶段含氧官能团改善FeCl3在颗粒内的分布形态,阻碍其向团聚态的发展。活化阶段铁基化合物的存在抑制了原活性位的快速消耗,增强了活化气体对微晶的刻蚀成孔能力。200℃空气氧化15 h、负载3 wt%FeCl3的热解煤焦,在活化烧失率为22.5%时,比表面积已达到1274.64 m2/g,而比表面积与烧失率比值为56.65 m2/(g·%),脱硫性能实验表明,该活性炭具有较高的高脱硫性能。
[Abstract]:According to the actual situation of coal - fired power plant , coal - based activated carbon is used as raw material and activated gas to produce coal - based activated carbon . In this paper , the influence of coal rank on the evolution of coal char structure is studied . The effect of coal rank on the evolution of coal char structure is studied . In this paper , the relationship between the specific surface area and the burning loss ratio is 18.05 m2 / ( g 路 % ) . Based on the above results , the relationship between coal char structure and pore evolution and carbon loss is studied .
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ424.11

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