用气相色谱法研究煤与半焦的特性 Ⅲ.半焦与水蒸汽和二氧化碳的反应活性

应用脉冲进样的微型反应器与色谱系统联用技术,对前两报在N_2、H_2气氛下、于620—850℃热解制成的半焦进行了水蒸汽和CO_2反应活性的研究。半焦与水蒸汽和CO_2的反应活性顺序与所用原煤的变质程度有很好的相关性,即褐煤>烟煤>贫煤。在同一气化温度下,反应活性均是有规律地随制备半焦的热解温度增高而降低,且一般与微孔变化规律相吻合。对同一半焦,活性随气化温度增加而增加。同时测得了这三种煤的半焦与水蒸气反应的表观活化能(E_(H_2O))约为63kJ/mol。褐煤半焦与CO_2反应的表观活化能(E_(CO_2))约为121kJ/mol。并探讨了半焦与水蒸汽反应过程中初次产物的生成机理。     

褐煤热解过程中半焦重整催化剂性质的变化

为降低焦油产率,提高褐煤气化效率,采用胜利褐煤热解所得的半焦作为催化剂,在二阶石英反应器中对煤热解的焦油进行原位催化重整,分析和讨论了反应前后半焦催化剂的性质变化。结果表明,反应后半焦质量较反应前普遍有所下降,半焦是一种消耗性催化剂;反应后半焦的比表面积由422 m~2/g降到231.8 m~2/g;Raman分析结果表明,反应后半焦含氧官能团、小环(3-5个缩合芳环)与大环(大于5个缩合芳环)体系之比均有所降低。在半焦-挥发分作用过程中,快速热解制得半焦主要将挥发分裂解为小分子气体,慢速热解制得的半焦则主要使挥发分缩聚结焦脱除。     

不同煤阶热解半焦的FT-Raman光谱研究

在热天平上采用慢速升温制备了褐煤、高挥发分烟煤和低挥发分烟煤的半焦。采用FT-Raman光谱对半焦进行了分析。半焦800cm^-1至1800cm^-1的Raman光谱可分解为10个谱带,以表征高度无序炭材料中的典型结构。光谱和谱带的强度比都可用来描述半焦的结构特征。在600℃低温热解时,三种煤半焦的结构差异明显。随热解温度升至800℃或900℃,这种差别消失。褐煤中可交换的钠离子影响热解过程中的成焦反应。     

褐煤快速热解半焦的孔结构特性

本文以CO_2、N_2为吸附质,采用经典的静态法和色谱法对两种褐煤快速热解半焦的孔结构特性进行了研究,考察了矿物质对其半焦表面积的影响及它们在气化过程中的变化。1.实验部分(1)样品制备选取粒度为40—60目的宝日锡勒和扎赉诺尔褐煤用于快速热解。其工业分析、元素分析数据见表1。     

氧气对褐煤水蒸气气化半焦的活化及机理

以胜利褐煤为原料,利用一段流化床/固定床石英反应器,进行N_2/O_2/H_2O/H_2O+O_2气氛的褐煤热解/气化实验。采用BET、Raman、FT-IR、微波消解ICP-AES、TGA等技术表征半焦。研究氧气添加对气化反应以及半焦结构和反应性的影响,解析了氧气对气化半焦的活化机理。结果表明,氧气添加可以改变半焦结构,活化半焦,从而促进转化率、H_2产率和CO_2产率的提高。氧气对气化半焦的活化作用主要包括两个方面,一是芳核与氧气发生氧化分解反应,破坏了芳环大π键,形成了新的官能团,从而促进了反应(C+H_2O→H_2+CO)的发生;二是随反应的进行,芳香大环(≥6)结构解聚为芳香小环(3-5)结构,同时氧原子进入芳核,形成缺陷位C-O-C,从而导致半焦微晶结构的缺陷程度提高、缩聚程度降低,进而导致半焦反应性和表面吸附作用提高,促进反应(CO+H_2O→H_2+CO_2)的发生。     

不同水蒸气浓度下褐煤气化半焦的活化及机理

以胜利褐煤为原料,利用流化床/固定床石英反应器,进行褐煤气化实验,采用BET、Raman、FT-IR、微波消解ICPAES、TGA等技术表征半焦。结果表明,在800℃水蒸气气氛中,醚基裂解造成芳环间短链或无定形碳含量减少,从而削弱石墨化进程,进而提高芳香结构的缺陷程度,是半焦活化的内在原因。提高水蒸气浓度(10%-25%),半焦的反应性降低,是因为气化过程中半焦的活性位再生能力变弱,而反应(Ar,R-CO-Ar,R+2H_2O→Ar,R-O-Ar,R+2H_2+CO_2)增强,导致醚基含量增加,是半焦活性位再生能力变弱的内在原因。继续提高水蒸气浓度(25%-40%),半焦的反应性略有提高,是因为芳香小环(3-5环)缺陷结构含量增加,而反应(Ar,R-CH=CH_2+H_2O→Ar,R-CO-CH_3+H_2)和反应(Ar,R-+H-→Ar,R-H)增强是芳香小环缺陷结构含量增加的内在原因。     

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。     

热态半焦和冷态半焦催化裂解煤焦油研究

对比研究了热态半焦(原位热解半焦)和冷态半焦(热解后温度降至常温的半焦)对煤焦油的催化裂解特性。结果表明,相同条件下,热态煤半焦比冷态煤半焦具有更高的催化裂解焦油能力。当裂解温度为1 100 ℃,热解气体在热态半焦层中的停留时间为1.2 s时,催化裂解后燃气中焦油含量可降至100 mg/m³。BET分析结果表明,热态半焦比冷态半焦具有更大的比表面积和更发达的微孔结构。同时,在不可避免经历相对明显的高温过程中,冷态半焦的碳微晶结构有序度增加,进而导致其活性有所降低。随着气体停留时间的延长或催化裂解温度的提高,燃气中焦油含量迅速降低,但热态半焦与冷态半焦催化裂解焦油的活性差异也变小。半焦催化裂解焦油后,活性明显降低,但使这种半焦与水蒸气发生部分气化反应后,其活性基本得到恢复。     

神府煤热解-活化耦合反应产物特性及机制研究

利用两段式固定床反应装置,研究了神府煤热解-活化耦合产物的特性,探讨了热解温度及活化剂(H_2O(g)、CO_2和H_2O(g)/CO_2)对产物性能的影响,揭示了热解-活化耦合反应机制。结果表明,热解温度对半焦的CO_2化学反应性影响较小;采用热解-活化两段耦合工艺,可使神府煤热解的焦油产率明显提高,产率最高为17.8%;不同活化剂对两段耦合过程产生的混合煤气(mixture coal gases,MCG)和焦油产率影响为H_2O(g)H_2O(g)/CO_2CO_2,其焦油组分均以饱和分和芳香分为主;采用H_2O(g)/CO_2(1∶1)活化剂,可有效提高活性炭的比表面积,其BET比表面积为845.37 m~2/g。热解-活化耦合机制主要为活化段产生的合成气(synthesis gases,SG)为热解段煤的加氢热解提供了氢源,丰富的氢自由基促进了煤的加氢热解反应,改变了耦合过程的产物分布和特性。     

一种经济环保地合成共价三嗪骨架的方法（英文）

近年来,共价有机骨架材料(COFs)由于具有非常好的热化学稳定性、高的孔隙率和比表面积以及可控的表面功能化,因而在气体存储、分离以及催化等领域拥有潜在的应用价值.共价三嗪骨架材料(CTFs)是一种特殊的新型共价有机骨架材料,它是采用廉价的芳香腈为原料,在熔融的ZnCl_2作用下,通过离子热聚合反应制成.本文选择不同的二溴代芳烃化合物,在无毒的K_4[Fe(CN)_6]·3H_2O和微量Pd(OAc)_2的作用下,通过氰基化反应合成相应的二氰基单体,二氰基单体再聚合获得共价三嗪骨架.溴代芳烃氰基化转化为芳香氰基化合物的反应中,我们避免使用有毒的金属氰化物,用廉价无毒的K_4[Fe(CN)_6]·3H_2O来代替,并不作任何处理直接使用.同时,以Pd(OAc)_2为催化剂,不采用任何昂贵的配体,避免增加实验成本.我们选择1,4-二溴苯为底物,探索最佳的反应条件,包括催化剂用量、溶剂以及反应时间,以得到最高的转化率和产率,整个反应过程用GC-MS监测.然后,扩展底物有芳香杂环化合物2,6-二溴吡啶和多环芳烃1,4-二溴萘.上述三种溴代芳烃氰基化后分别得到对应的二氰基单体1,4-二氰基苯(DCB),2,6-二氰基吡啶(DCP)和1,4-二氰基萘(DCN).二氰基单体再聚合获得共价三嗪骨架,依次为CTFDCB,CTFDCP和CTFDCN.对三种CTF的氮气吸附性能进行了测试,测得三种聚合物CTFDCB,CTFDCP和CTFDCN的BET比表面积依次为2404,1650和780 m~2/g.其中,比表面积最大的CTFDCB拥有最大的微孔体积0.85 m~3/g,比表面积最小的CTFDCN的微孔体积也有0.52m~3/g.三种聚合物的孔径分别为0.57,0.45和0.54 nm.三种材料的CO_2吸附性能测试结果表明,拥有最高N_2吸附量的CTFDCB在25和0°C下CO_2吸附量分别仅为148和99 mg/g,而N_2吸附量较小的CTFDCP的CO_2吸附量反而高达225和154 mg/g,CTFDCN为129和97 mg/g.这表明该类多孔材料的CO_2吸附性能不仅与孔体积和比表面积有关,也与材料中氮原子含量有很大关系.与其它CO_2吸附材料相比,这三种多孔材料的CO_2吸附处于一个较高水平.     

浸渍法制备钾基半焦在烟气脱硫中的循环再生

采用碳酸钾(K_2CO_3)与活化半焦通过浸渍法制备用于除去烟气SO_2的催化脱硫材料(K/ASC)。研究表明,将活化半焦(ASC)通过10%(质量分数)K_2CO_3改性获得钾基半焦(K10),其在120℃时具有良好的SO_2脱除效率,而且随着再生温度的升高(400～700℃),再生后K10的脱硫活性明显提高。K10(K10-R-600-n)的循环再生测试表明,样品在4次再生循环(K10-R-600-4)后具有最佳的脱硫性能,其硫容量为68.9 mg·g-1,比K10(55.4 mg·g-1)高24.37%。再生分析脱硫产物为物理吸附的SO_2,H_2SO_4和硫酸盐,再生后未分解的硫酸盐沉积会降低样品的脱硫活性。经过10次循环再生(K10-R-600-10),样品的硫容量为初始钾基半焦K10的70%。     

低阶煤半焦利用热重在O_2/CO_2、O_2/N_2和O_2/Ar气氛下燃烧特性研究（英文）

利用热重研究了两种中国西北典型低阶煤半焦的燃烧特性。探究了不同气氛(O_2/CO_2、O_2/N_2和O_2/Ar)和不同氧气浓度对其燃烧特性的影响。实验结果表明,无论是反应气氛还是氧气浓度都会对低阶煤半焦的燃烧产生影响。相比于N_2和Ar,CO_2明显有利于燃烧反应进行:当反应气氛由O_2/CO_2变为O_2/Ar时,两种不同低阶煤半焦的燃尽温度分别升高了63.7和68.8℃;而当反应气氛由O_2/CO_2变为O_2/N_2时,两种不同低阶煤半焦的燃尽温度分别升高了135.9和129.6℃。在研究范围内,氧气浓度的提高也能明显提高半焦的燃烧性能。与此同时,半焦燃烧特性的动力学分析表明,随着氧气浓度提高,两种半焦燃烧反应的表观活化能E和指前因子A均呈增大趋势。通过对E和A两者关系的分析结果表明,半焦富氧燃烧的活化能和指前因子存在动力学补偿效应。     

氨基修饰的金属有机框架Cu_3(BTC)_2的制备及其CO_2吸附性能研究

首先制备了嫁接氨基的均苯三甲酸,同时以其为原料通过溶剂热法合成了金属有机框架材料Cu_3(NH_2BTC)_2,利用XRD、N_2吸附-脱附、热重、红外、原位红外分析等表征手段对吸附剂进行了表征,并通过固定床测量穿透曲线的方法研究其CO_2吸附性能。结果表明,氨基被成功引入Cu_3(BTC)_2骨架中。氨基修饰的Cu_3(BTC)_2对CO_2有着较高的吸附容量,在10 kPa,50℃的条件下CO_2吸附量为1.41 mmol/g,这源于材料对于CO_2同时存在着物理吸附和化学吸附。     

钾和一氧化碳对松木屑快速热解半焦特性的影响

利用固定床反应器、红外光谱仪、吸附仪、X射线衍射仪、电感耦合等离子原子发射光谱仪、偏光显微镜等对比研究了原生生物质(原生物质)及水洗脱钾生物质(脱钾生物质)在N_2及富一氧化碳(CO)气氛下所得半焦的产率、官能团及其他物化结构的变化规律。研究表明,与脱钾生物质相比,热解温度低于750℃时,原生物质的半焦产率降低、比表面积增大、芳环结构减少而烷基、脂肪族结构等增加;与N_2相比,富CO气氛下所得半焦产率降低、比表面积增大,芳香结构、脂肪族结构、烷基减小。而热解温度高于750℃时,生物质中的钾和热解气氛中的CO均使生物质半焦产率增加、官能团数量和比表面积减少。利用偏光显微镜对生物质半焦表面矿物质的研究表明,热解温度低于750℃时,所得半焦表面矿物组分较少且高度分散;热解温度高于750℃时,所得半焦表面矿物组分较多,分布密集且熔融团聚现象随温度升高而增多。而对于半焦石墨化程度的研究表明,半焦石墨化程度随温度升高而增加,但低热解温度所得半焦的石墨化程度较差。温度高于750℃时,CO气氛使石墨化程度增加,而钾使石墨化程度降低。     

水对采空区遗煤吸附电厂烟气影响的理论计算

为研究电厂烟气注入采空区时,煤中含水率和烟气中水分对于封存温室气体CO_2和抑制煤自燃的影响,建立干煤和湿煤结构模型,采用巨正则系综蒙特卡洛方法,计算了不同水分含量的烟气组分CO_2/O_2/N2/H_2O在干煤以及不同含水率的湿煤中的吸附行为。结果表明,烟气中CO_2竞争性最强吸附量最大,O_2的物理吸附量极小,烟气中H_2O含量不影响CO_2、N2和O_2的吸附量,可不进行干燥处理直接将电厂烟气注入采空区。随着煤中含水率增加,水分占据孔隙空间,范德华作用减弱,H_2O-H_2O之间的氢键作用增强且提供了额外吸附位。H_2O的等量吸附热升高,吸附位移向吸附作用更强的低相互作用能区域,吸附大量水形成水团簇,与CO_2竞争吸附位,并且占据吸附空间抑制CO_2、O_2、N2的吸附,使其吸附量降低50%以上,因此,注入烟气时应充分考虑采空区煤体的含水率问题。     

半焦的多循环气化活性及微观结构分析

为了研究工业流化床气化条件下多循环过程中半焦的气化活性及微观结构变化规律,在快速反应固定床装置上,对三种不同煤阶的半焦进行了模拟多循环气化.通过残焦质量计算得到了循环次数对半焦碳转化率的影响,并利用孔隙分析仪和XRD分析仪考察了半焦的微观结构变化.结果表明,随循环次数的增加,低阶霍林河褐煤半焦的转化率增加,而神木烟煤和晋城无烟煤半焦的转化率降低.多循环过程中"冷淬"效应的存在使得半焦的BET比表面积和微孔比表面积随循环次数呈"山形"趋势变化,而石墨化结构与转化率的变化趋势一致,是决定碳转化率变化的决定性因素.     

升温速率对神木煤热解半焦结构性能的影响

利用管式炉和微波材料工作站分别对神木煤煤样进行终温为750 ℃的慢速(3和5 ℃/min)、中速(10和15 ℃/min)及快速(50、100、225、350和750 ℃/min)热解,基于热解半焦X射线衍射谱图解析热解半焦的微晶结构参数,采用傅里叶变换红外光谱表征热解半焦的表面化学,并借助热重分析仪、选用气化活性参数R_T评价热解半焦的气化反应活性。结果表明,随着升温速率的增大,神木煤热解半焦总体上呈现的趋势是:表面含氧官能团含量降低,半焦的微晶层片尺寸L_a和石墨化度明显提高,层间距d₀₀₂和堆积高度L_c略微减小,说明神木煤半焦结构随升温速率的提高变得规整;随着升温速率的增大,半焦的气化活性R_T从0.178 2降低至0.103 6。热解终温为750 ℃的神木煤热解过程中,快速热解有利于获得易石墨化、表面非极性化、气化反应性低的产物。     

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。     

煤中负载氢氧化钙对催化气化和甲烷化反应的影响

以不连沟次烟煤为研究对象,在加压固定床中研究Ca(OH)_2对煤气化及负载Ca(OH)_2煤热解半焦的甲烷化反应活性。结果表明,煤中添加Ca(OH)_2能够明显促进气化反应的进行和甲烷的生成,随着气化温度的升高和负载量的增加,碳转化率增加,但负载量存在饱和点。不同的催化剂负载方式对Ca的分散有一定的影响,进而影响其催化性能。含有Ca的半焦能够明显促进甲烷化的进行,出口气甲烷含量随甲烷化温度和催化剂负载量的升高而增强。采用红外光谱分析揭示了煤负载Ca(OH)_2的离子交换机理和扩散过程,这一过程影响煤气化反应性能。     

烟煤快速加氢热解的研究Ⅵ．煤和半焦中氮化学形态剖析

采用电子能谱(XPS)测定了我国以烟煤为主的10种煤样以及对应快速加氢热解半焦中氮的化学形态。研究结果表明我国煤的XPS谱图在398.8(±0.1)和400.2(±0.1)eV的位置上出现氮峰,其相应氮化合物是吡啶和吡咯,随煤种不同氮的形态不尽一致,但主要是吡啶和吡咯,且多数煤以吡咯氮为主。快速加氢热解半焦与煤有相同的氮出峰位置,即半焦与煤有相同的氮化学形态,加氢热解过程总体为吡咯氮相对含量的增加和吡啶氮的减少。