RDF热解前后表面结构变化的研究

对城市生活垃圾衍生燃料(RDF)及其在不同温度及时间下快速热解生成半焦的比表面积和孔容积的变化进行了分析研究。实验结果发现RDF热解时比表面积及孔容积先随热解温度升高而降低,然后随反应程度的加深而增大,在约550℃时出现极大值,而后由于产生结焦等原因再次降低。研究表明RDF热解半焦孔结构与煤焦孔结构变化有一定的相似性。此外对RDF及半焦孔结构分布的分形特征进行了初步分析。     

焦化过程半焦孔隙结构时空变化规律的实验研究——孔结构的分形特征及其变化

应用分形理论的概念，结合压汞法测得的半焦孔隙结构数据，建立孔结构分形特征模型，考察了焦化过程中不同焦化温度、不同横向空间位置半焦孔隙结构分形特征及其变化规律。结果表明，孔径大于5μm 的孔不具有分形特征，孔径为20nm～5μm孔的孔隙结构具有分形特征，其分形维数为2.45～2.83，可以用分形维数定量表征孔隙结构；相同空间位置下，半焦孔结构分形维数低温时较高，随温度逐渐升高先减小，然后增大再减小；同一空间位置不同温度下分形维数的变化量较小(< 0.15)，表明温度对半焦孔隙结构复杂程度的影响不明显；相同焦化温度下，半焦中心和边缘处的孔结构分形维数大于中间部位，表明中心位置和边缘位置处的孔隙结构要比中间位置处的复杂。     

高温下热解温度对煤焦孔隙结构的影响

利用高温沉降炉在1500K～1800K制备京西无烟煤煤焦，使用化学吸附法测定不同热解温度下煤焦比表面积及孔容积与孔径的分布特征，并采用SEM观察煤焦颗粒表面的形态，分析了高温下热解温度对煤焦孔隙结构的影响规律。结果表明，煤焦的比表面积主要由孔径小于10nm的微孔和中孔构成，而其孔容积则主要由孔径为2nm~50nm的中孔构成。高温下煤焦比表面积和孔容积随热解温度的升高，呈现先增大后减小的非单调变化现象，转折温度约为1600K。出现这种变化的主要原因是煤焦在热解温度超过1600K后开始烧结，产生较为光滑致密的表面结构，部分孔隙封闭。     

晋城无烟煤加压快速热解特性及其对气化反应的影响

利用自行设计的加压热重固定床反应器进行了晋城无烟煤加压快速热解特性的研究,并结合热天平半焦等温热失重分析,考察了热解温度、停留时间和热解压力等外部操作条件对煤焦快速热解半焦特性的影响。结果表明,随热解温度的提高、停留时间的延长和热解压力的增大,所得到的半焦产率降低,气化反应性减弱,活化能提高;高温产生较小的比表面积,而停留时间的延长和压力的提高产生较大的比表面积,比表面积与气化反应速率无明显的依存关系。水蒸气气化速率是CO2的四倍左右。     

污泥热解过程中焦的表面孔隙结构分形生长

主要对污水污泥在高温热解和低温热解条件下热解焦炭的表面孔隙结构特性进行了研究。结果表明,污泥热解过程中随着挥发分的析出,污泥热解焦炭的孔隙结构逐渐发达。低温和高温热解过程中挥发分的析出,使得孔径为3.75 nm的孔得到了极大的发展。通过对污泥热解焦炭的N2吸附过程进行的分形分析发现,不同停留时间低温和高温热解焦炭的表面分形维数可以分为FD-1和FD-2。其中,FD-1主要表征了较大孔(0.86 nm)的表面分形维数,FD-2则主要表征了超微孔(0.86 nm)的表面分形维数。随着热解停留时间的延长,FD-1和FD-2逐渐增大并趋于稳定。与高温热解焦炭的超微孔表面分形维数相比低温热解焦炭出现了较大的增加,而较大孔的表面分形维数则相对低温热解焦炭未见有较大的改变。     

褐煤半焦直接加氢制甲烷反应特性及其孔结构和表面形态变化

在高温高压(1 000 ℃、12 MPa)固定床反应器上对内蒙古褐煤半焦的加氢甲烷化反应特性进行了研究,采用氮吸附和扫描电镜(SEM)对甲烷化残渣比表面积、孔结构和表面形态进行了表征。结果表明,半焦加氢甲烷化可分为加氢热解、快速加氢和慢速加氢等三个反应阶段,每阶段分别发生含氧官能团和烷基侧链加氢反应、芳环结构加氢反应以及贫氢骨架碳结构加氢反应。半焦加氢甲烷化最优反应温度为800 ℃,反应压力为3.0~4.0 MPa;提高升温速率可以缩短前段(碳转化率低于46%)反应过程时间,对后段(碳转化率高于46%)反应过程影响较小。半焦甲烷化残渣的吸附-脱附等温线呈反S型,滞后环呈H3回线形状;在甲烷化反应过程中,半焦平均孔径先减小后增大,总孔容积和介孔容积逐渐增大,微孔容积和比表面积先增大后减小。     

热解压力对生物质焦结构及气化反应性能的影响

利用加压固定床反应器、吸附仪、X射线衍射仪、元素分析仪、电感耦合等离子原子发射光谱仪等考察了热解压力对生物质半焦(以下简称半焦)产率、物化结构、元素组成的影响规律。同时,利用热天平对不同热解压力下所制半焦的气化行为进行了考察。结果表明,随热解压力升高,半焦产率增大,当压力升至1.0 MPa后,半焦产率基本不变;半焦中C元素含量随热解压力的升高而增加,而H元素含量和BET比表面积则减小;此外,随热解压力升高,玉米秸秆焦和锯末焦的石墨化程度增强,而稻壳焦的石墨化程度则基本不受热解压力影响。气化反应的研究表明,玉米秸秆焦及锯末焦的平均气化反应速率随热解压力的提高而减小,而稻壳焦的平均气化反应速率基本不受热解压力的影响。热解压力对半焦BET比表面积及碳微晶结构的影响规律与气化反应速率变化规律的对比研究表明,热解压力引起半焦微晶结构的变化是造成热解压力对半焦气化反应速率影响的主要原因。     

褐煤与煤直接液化残渣共热解产物半焦性能研究

为使煤直接液化残渣得到清洁高效再利用,采用常压固定床反应器,对神东煤直接液化残渣与呼伦贝尔褐煤共热解制取的半焦进行了研究。结合扫描电镜、N₂-吸附、X射线衍射、拉曼光谱以及热重分析发现,共热解过程中存在的软化熔融现象导致液化残渣与褐煤相互黏结,共热解半焦比表面积与孔体积减小,半焦结构有序化程度增加。与褐煤单独热解半焦相比,共热解半焦CO₂气化反应性能低。     

高温下煤焦的碳微晶及孔结构的演变行为

以贵州煤为原料,在热解温度950℃~1400℃制备了各种慢速和快速热解焦,主要对高温热解过程中煤焦的碳微晶和孔结构的演变行为进行了研究,同时也研究了高温气化过程中煤焦的孔结构变化规律。结果表明,慢速热解焦和快速热解焦的C和H含量明显不同;随热解温度的升高,煤焦的碳微晶结构向有序化方向发展,但慢速热解煤焦比快速热解煤焦的"石墨化"程度大;快速热解煤焦的微孔比表面积和微孔容积明显高于慢速热解煤焦,即快速热解煤焦的孔隙结构明显比慢速热解煤焦发达;在气化反应初期,煤焦的微孔比表面积下降,微中孔比表面积增加,反应后期煤焦的总比表面积快速下降。     

废轮胎流化床热解形变过程研究

利用压汞仪和扫描电镜（SEM）对废轮胎在鼓泡流化床热解反应器中热解的形变学进行了研究。结果表明：400℃时热解半焦有局部的熔融现象；随温度的升高由于热解半焦的刚性变弱使孔总表面积和孔隙度降低；在不同温度下热解半焦的孔径分布相似，主要集中在20nm-200nm和1μm-10μm，随热解温度的升高20nm-200nm的中孔所占比例提高；热解温度的升高导致废轮胎热解半焦的弯曲度变大、孔结构变的更加复杂。     

滴管炉内新疆后峡煤挥发分释放和形态变化

对新疆后峡煤和滴管炉内的快速热解焦的比表面积、平均孔径、粒径和表面结构进行了分析,研究快速热解过程中原煤的形态变化。将热解焦在热重分析仪上进行气化实验,研究形态变化对气化反应的影响。结果表明,随热解温度的升高,煤焦比表面积与平均孔径变化趋势不同;快速热解过程中煤颗粒除破碎外,还会发生膨胀及凝聚形态变化;不同热解碎片气化趋势不一样,1200℃热解温度下的热解焦气化稳定性最好。     

RDF pyrolysis by TG-FTIR and Py-GC/MS and combustion in a double furnaces reactor

With the increasing depletion of fossil energy, the refuse-derived fuel (RDF) as an unavoidable by-product of human activities has been used as an alternative fuel in the precalciner cement kilns. Since the RDF combustion also brings the problems of NOx pollution, it is quite important to find ways to lower the NOx emission during RDF combustion in the precalciner. The pyrolysis characteristics and products of RDF were studied by TG-FTIR and Py-GC/MS. From TG-FITR and Py-GC/MS tests, various carboxylic acids and alkenes formed with NOx released at the RDF pyrolysis process at 200–550 °C. By simulating the temperature (700 °C, 800 °C and 900 °C) and O₂ (12%, 14%, 16%, 18% and 21%) environment of the precalciner using a double furnaces reactor, the combustion processes and NOx formation characteristics of RDF combustion were studied. The results showed that the volatile-N was the dominant reactant source of fuel NOx during RDF combustion. The fuel-N conversion and NOx emission yield showed a continuous decreasing trend with temperature increasing from 700 to 900 °C. The fuel-N conversion and NOx emission yield showed a slight increasing trend with the oxygen concentration increase, and the optimum oxygen concentration for RDF combustion was 14%. In this study, the optimum temperature was 900 °C and oxygen concentration was 14% for de-NOx in the precalciner.

     

垃圾衍生燃料等温快速热解和燃烧反应特性

利用热天平和管式炉对RDF(Refuse Derived Fuel)等温快速热解和燃烧反应特性进行了研究。实验发现，在等温快速升温的条件下，RDF热解和燃烧的反应速率都非常快，从受热开始到反应结束需60 s～80 s;从开始失重到完成反应为20 s。RDF热解和燃烧热重反应曲线非常类似，都只有一个反应失重区;RDF组成对其燃烧和热解反应性有重要影响，含有橡胶的RDF的热解和燃烧反应速率较小。在650 ℃～800 ℃RDF快速热解产物中气、液产物的产率可达80%～90%，而固体产物的产率只有10%～20%，热解气体的热值为20kJ/m3，RDF较适合进行热解处理。     

离子液体溶胀对煤直接液化残渣结构及热解性能的影响

采用四种相同阴离子不同有机链长阳离子的离子液体([EMIM][MeSO_4]、[BMIM][MeSO_4]、[HMIM][MeSO_4]和[OMIM][MeSO_4])对煤直接液化残渣(DCLR)进行溶胀处理,通过SEM、FT-IR和TG-DTG表征,分析了各离子液体溶胀对煤直接液化残渣溶胀效果、表面形貌、官能团分布、主体结构和热解性能的影响。溶胀结果表明,不同链长离子液体对煤直接液化残渣具有不同的溶胀效果,[HMIM][MeSO_4]对残渣溶胀效果最好,其溶胀度高达1.78。FT-IR表明,不同链长离子液体会不同程度地破坏煤中C-H键,使得脂肪族和芳香族类化合物的相对含量有所差异。由TG-DTG可知,不同链长离子液体溶胀对残渣热解性能的影响具有较大差异,其中,以离子液体[OMIM][MeSO_4]溶胀对残渣的热解最为有利,失重率高达47.5%;而离子液体[BMIM][MeSO_4]溶胀在一定程度上抑制了残渣的热解,其失重率低于未经溶胀处理的残渣。基于Coats-Redfern法的热解动力学分析表明,煤直接液化残渣及其溶胀残渣在低温段(180-480℃)的热解过程均符合二级反应动力学,高温段(480-825℃)均以三级和四级反应动力学为宜。另外,不同链长离子液体溶胀处理明显改变了残渣的热解活化能,其链越长残渣的热解活化能越高。     

甲醇处理煤的微孔性质及反应性研究

在低于临界温度下,用甲醇处理了三种不同变质程度的煤,以研究其比表面积及微孔容积等表面特性的变化。结果表明,用甲醇处理后煤的微孔性质发生了较大变化,其变化的大小顺序是:沈北褐煤>大同烟煤>晋城无烟煤。随甲醇处理温度或干馏温度升高,煤及半焦的孔径均向小的方向偏移。煤的平均孔径为8.2—8.6A;半焦的平均孔径为6.3—7.5A。煤经甲醇处理后其半焦的反应性均比未处理的高。     

O－烷基化对煤中氢键的调控及对热解特性的影响

采用O－烷基化的方法对霍林河褐煤进行预处理，用原位漫反射红外光谱结合热重研究了处理前后煤中氢键的变化规律及热解特性。提出采用煤中高岭土、伊利石等在3690cm－1附近的红外吸收峰作为标准，校正煤的漫反射红外谱图的方法。结果表明，采用O-烷基化方法处理霍林河原煤后，其中的氢键数量有明显的减少，但均不能完全消除煤中的氢键；对于各种氢键调控幅度的大小随氢键强度的增大而逐渐减少；调控后煤中的氢键在高温区的热解稳定性增加；经O-烷基化后，煤的热解转化率增加，初始温度降低，热解温区加宽，失重速率加快。     

快速热处理石油焦与煤的微观结构变化及气化活性分析

为了研究在接近工业气化条件下石油焦和煤的结构和气化活性变化规律的差异,在滴管炉装置内,800~1 400℃对两种石油焦和一种烟煤进行快速热处理。用比表面积孔隙分析仪、XRD分析仪考察快速热处理对石油焦和煤的孔隙结构、碳微晶结构的影响,用热重分析仪考察不同温度快速热处理后石油焦和煤的CO₂气化活性。结果表明,石油焦与煤相比,孔隙结构主要由微孔组成,随快速热处理温度的升高,石油焦和煤微孔比表面积和孔容均先增大后逐渐减小;快速热处理降低了石油焦和煤的石墨化程度,石油焦碳微晶结构变化主要表现在堆垛高度的变化,而煤的碳微晶结构变化在衍射峰对应的2θ₀₀₂值、晶面间距和堆垛高度上均有体现;石油焦和煤的气化活性随快速热处理温度升高的变化趋势不同,但均与碳微晶结构参数(石墨化程度)的变化紧密相关。     

Characterization and Artificial Neural Networks Modelling of methylene blue adsorption of biochar derived from agricultural residues: Effect of biomass type,pyrolysis temperature,particle size

Biochar has been explored as a sorbent for contaminants, soil amendment and climate change mitigation tool through carbon sequestration. Through the optimization of the pyrolysis process, biochar can be designed with qualities to suit the intended uses. Biochar samples were prepared from four particle sizes (100–2000 µm) of three different feedstocks (oak acorn shells, jift and deseeded carob pods) at different pyrolysis temperatures (300–600 °C). The effect of these combinations on the properties of the produced biochar was studied. Biochar yield decreased with increasing pyrolysis temperature for all particle sizes of the three feedstocks. Ash content, fixed carbon, thermal stability, pH, electrical conductivity (EC), specific surface area (SSA) of biochar increased with increasing pyrolysis temperature. Volatile matter and pH value at the point of zero charge (pH_pzc) of biochar decreased with increasing pyrolysis temperature. Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) analysis indicated that the surface of the biochar was rich with hydroxyl, phenolic, carbonyl and aliphatic groups. Methylene blue (MB) adsorption capacity was used as an indicator of the quality of the biochar. Artificial neural networks (ANN) model was developed to predict the quality of the biochar based on operational conditions of biochar production (parent biomass type, particle size, pyrolysis temperature). The model successfully predicted the MB adsorption capacity of the biochar. The model is a very useful tool to predict the performance of biochar for water treatment purposes or assessing the general quality of a design biochar for specific application.     

煤焦分形维数及其对比热容的影响研究

比热容是煤炭热物理性质之一，在煤矿的矿井防火、防止煤与瓦斯突出、井下降温设计及煤炭加工利用(如煤炭的燃烧、气化、焦化、液化等)等方面是关键参数之一，对提高煤炭热能利用率、提高经济效益、减少环境污染等，具有非常重要的意义。比热容的影响因素很多，如煤化程度、水分质量分数、热解温度等，煤焦微观结构的影响也是其中很重要的一方面。分形几何由Mandelbrot 1982年创立，是定量描述自相似或自相关等不规则形体的工具。研究表明，煤焦微观结构具有分形特征。在煤焦分形的研究中，常用的实验技术方法为吸附法、小角度X射线散射法和孔度法，采用扫描电子显微镜和数字图象处理方法研究煤焦的分形结构，能更加深入地理解其分形维数与性能的关系。