不同热解过程产物炭的理化性质及石油焦催化气化反应特性研究

论文摘要

由于不同的形成过程,不同热解过程产物炭的理化性质不同,导致其气化反应特性也应该有所区别。为此,研究不同热解过程产物炭的理化性质及气化反应性,不仅可加深对它们的基本性质及碳的气化反应机理的认识,而且对进一步丰富炭素学科理论具有重要的现实意义。此外,我国石油焦的产量与日俱增,其合理有效利用成为急需解决的重要问题。为此,开展石油焦/水蒸气催化气化特性的研究,不仅可以丰富碳/水蒸气催化气化反应规律的认识,而且可以为石油焦用作气化原料提供基础数据和理论参考。本文的主要研究内容和结果如下：（1）在气相、液相和固相热解温度分别为1000～1200℃、350-500℃和1000-1600℃条件下,以各种气相、液相和固相含碳物料为原料制备了三种不同种类炭,使用SEM、XRD、FTIR、GC/MS和孔结构及比表面积测试仪等分析手段,对它们的理化性质进行了分析,并采用等温热重法对其C02气化反应性进行了研究,取得了一些新的认识：①气相炭和液相炭都含有一定量的可溶有机质,其中液相炭含有的可溶有机质相当多,这也是导致其气化活性低的最主要因素；②气相炭、液相炭和固相炭的碳微晶结构有序化程度都不高,但总体上三者之间有如下的顺序,即液相炭>气相炭>固相炭；③这三种炭的气化活性顺序总体上为气相炭>液相炭>固相炭。（2）在慢速升温及高温热解（950-1400℃）和快速升温和加压（0.1～3 MP）热解条件下,以工业延迟焦（石油焦和沥青焦）和煤（神华煤和兖州煤）为原料,分别采用高温马弗炉和自制的快速加压热解装置制备了各种慢速高温热解焦和快速加压热解焦,使用SEM、XRD和孔结构及比表面积测试仪等分析手段对各种焦的理化性质进行了分析,并采用等温热重法考察了各种热解焦的C02气化反应特性,结果发现：①煤焦和工业延迟焦在热解过程中比表面积的变化呈现相反的趋势；②高温热解总体上有利于提高工业延迟焦的气化反应性；③热解压力增加导致煤焦的气化活性增加,而导致工业延迟焦的气化活性下降；④工业延迟焦的气化活性远低于煤焦的气化活性,甚至低于天然石墨的气化活性。（3）以三种典型的农作物秸秆（稻草、麦草和棉花）灰为研究对象,采用XRF、XRD和SEM/EDS等分析手段对它们的理化性质进行了分析,并在自建的固定床气化反应装置上考察了这三种秸秆灰及K金属盐对石油焦/水蒸气气化的催化作用,结果发现：①高温下矿物质之间相互作用形成低共熔体,导致秸秆灰中具有催化作用的金属元素失去活性；②本文提出的计算CO和C02气化选择性的方法,可用于了解碳/水蒸气气化行为；③在各种钾盐和各种秸秆灰中,催化活性最好的分别是K2CO3和棉花秸秆灰,但其添加量几乎不影响气化产物的分布及CO和CO2的选择性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 前言
• 第1章 文献综述
• 1.1 含碳物料的热解机理研究
• 1.1.1 气相热解机理
• 1.1.2 液相热解机理
• 1.1.3 固相热解机理
• 1.2 不同热解过程产物炭的理化性质及气化反应特性研究
• 1.2.1 气相炭的理化性质及气化反应特性研究
• 1.2.1.1 碳黑的理化性质
• 1.2.1.2 碳黑的气化反应特性
• 1.2.2 液相炭的理化性质及气化反应特性研究
• 1.2.2.1 石油焦的理化性质
• 1.2.2.2 石油焦的气化反应特性
• 1.2.3 固相炭的理化性质及气化反应特性研究
• 1.2.3.1 煤阶
• 1.2.3.2 显微岩相组分
• 1.2.3.3 热解条件
• 1.3 催化气化研究
• 1.3.1 催化气化技术特点
• 1.3.2 催化气化机理
• 1.3.2.1 氧传递机理
• 1.3.2.2 电化学机理
• 1.3.2.3 反应中间体机理
• 1.3.3 催化剂的研究进展
• 1.3.3.1 碱金属催化剂
• 1.3.3.2 碱土金属催化剂
• 1.3.3.3 过渡金属催化剂
• 1.3.3.4 复合催化剂
• 1.3.3.5 可弃催化剂
• 1.4 本文研究目的和意义
• 2气化反应特性研究'>第2章 不同热解过程产物炭的理化性质及CO₂气化反应特性研究
• 2.1 主要试验装置与仪器
• 2.2 试验部分
• 2.2.1 原料
• 2.2.1.1 气相炭的原料
• 2.2.1.2 液相炭的原料
• 2.2.1.3 固相炭的原料
• 2.2.2 气相炭、液相炭和固相炭的制备
• 2.2.2.1 气相炭的制备
• 2.2.2.2 液相炭的制备
• 2.2.2.3 固相炭的制备
• 2萃取'>2.2.3 热解炭的CS₂萃取
• 2气化反应性测试'>2.2.4 CO₂气化反应性测试
• 2.2.5 测试和分析
• 2.2.5.1 工业分析和元素分析
• 2.2.5.2 SEM分析
• 2.2.5.3 XRD分析
• 2.2.5.4 FTIR分析
• 2.2.5.5 孔结构与表面积分析
• 2.2.5.6 GC分析
• 2.2.5.7 GC/MS分析
• 2.3 试验结果与讨论
• 2气化反应特性研究'>2.3.1 气相炭的理化性质及CO₂气化反应特性研究
• 2.3.1.1 气相炭的元素组成
• 2.3.1.2 气相炭的碳微晶结构
• 2.3.1.3 气相炭的表面官能团
• 2.3.1.4 气相炭的表面形态
• 2.3.1.5 气相炭的表面积和孔结构
• 2萃取分析'>2.3.1.6 气相炭的CS₂萃取分析
• 2.3.1.7 气相热解过程分析
• 2气化反应性及其影响因素分析'>2.3.1.8 气相炭的CO₂气化反应性及其影响因素分析
• 2气化反应性研究'>2.3.2 液相炭的理化性质及CO₂气化反应性研究
• 2.3.2.1 液相热解过程中产生的液相产物的化学特征
• 2.3.2.2 液相炭的元素组成
• 2.3.2.3 液相炭的碳微晶结构
• 2.3.2.4 液相炭的表面形态
• 2萃取分析'>2.3.2.5 液相炭的CS₂萃取分析
• 2气化反应性及其影响因素分析'>2.3.2.6 液相炭的CO₂气化反应性及其影响因素分析
• 2气化反应特性研究'>2.3.3 固相炭的理化性质及CO₂气化反应特性研究
• 2.3.3.1 固相炭的元素组成
• 2.3.3.2 固相炭的微晶结构
• 2.3.3.3 固相炭的表面形态
• 2气化反应性及其影响因素分析'>2.3.3.4 固相炭的CO₂气化反应性及其影响因素分析
• 2.3.4 不同热解过程产物炭的碳微晶结构比较
• 2气化活性比较'>2.3.5 不同热解过程产物炭的CO₂气化活性比较
• 2.4 本章小结
• 2气化特性的比较研究'>第3章 工业延迟焦与煤焦理化性质及CO₂气化特性的比较研究
• 3.1 主要试验装置及仪器
• 3.2 试验部分
• 3.2.1 原料
• 3.2.2 热解焦的制备
• 3.2.2.1 慢速高温热解焦的制备
• 3.2.2.2 快速加压热解焦的制备
• 2气化反应性测试'>3.2.3 CO₂气化反应性测试
• 3.2.4 测试和分析
• 3.2.4.1 工业分析和元素分析
• 3.2.4.2 SEM/EDS分析
• 3.2.4.3 XRD分析
• 3.2.4.4 BET比表面积分析
• 3.3 试验结果与讨论
• 3.3.1 慢速高温热解条件下工业延迟焦与煤焦理化性质及气化反应性的比较研究
• 3.3.1.1 工业分析和元素分析
• 3.3.1.2 碳微晶结构
• 3.3.1.3 BET比表面积
• 2气化反应性的影响'>3.3.1.4 热解温度对慢速高温热解焦/CO₂气化反应性的影响
• 3.3.2 快速加压热解条件下工业延迟焦与煤焦理化性质及气化反应性的比较研究
• 3.3.2.1 表面结构形态
• 3.3.2.2 原料挥发份析出
• 3.3.2.3 BET比表面积
• 3.3.2.4 碳微晶结构
• 2气化反应性的影响'>3.3.2.5 热解压力和热解停留时间对热解焦/CO₂气化反应性的影响
• 2气化过程比较研究'>3.3.3 工业延迟焦与煤焦的高温CO₂气化过程比较研究
• 2气化活性比较研究'>3.3.4 工业延迟焦与煤焦的CO₂气化活性比较研究
• 3.4 本章小结
• 第4章 钾金属催化的石油焦/水蒸气气化反应特性研究
• 4.1 主要试验装置与仪器
• 4.2 试验部分
• 4.2.1 原料
• 4.2.2 原料的工业分析和元素分析
• 4.2.3 试验样品的制备
• 4.2.4 水蒸气气化反应试验
• 4.2.5 数据处理
• 2的气化选择性理论及计算'>4.3 CO和CO₂的气化选择性理论及计算
• 4.4 试验结果与讨论
• 4.4.1 石油焦/水蒸气非催化与催化气化特性的比较研究
• 4.4.1.1 气化反应性
• 4.4.1.2 气体产物释放及分布
• 2气化选择性'>4.4.1.3 CO和CO₂气化选择性
• 2特性'>4.4.1.4 石油焦/水蒸气催化气化产H₂特性
• 4.4.2 催化剂含量对石油焦/水蒸气催化气化特性的影响研究
• 4.4.2.1 气化反应性
• 4.4.2.2 气体产物释放及分布
• 2气化选择性'>4.4.2.3 CO和CO₂气化选择性
• 4.4.3 不同钾盐催化剂对石油焦/水蒸气催化气化反应特性的影响
• 4.4.3.1 气化反应性
• 4.4.3.2 气体产物分布
• 2气化选择性'>4.4.3.3 CO和CO₂气化选择性
• 4.5 本章小结
• 第5章 秸秆灰的化学特性及其对石油焦/水蒸气气化的催化作用研究
• 5.1 主要试验装置和仪器
• 5.2 试验部分
• 5.2.1 原料
• 5.2.2 秸秆原料的灰化
• 5.2.3 水蒸气气化样品的制备
• 5.2.4 水蒸气气化反应性测试及数据处理
• 5.2.5 分析与表征
• 5.2.5.1 秸秆的工业和元素分析
• 5.2.5.2 灰熔融性表征与测试
• 5.2.5.3 灰的结渣/结垢性表征
• 5.2.5.4 XRF分析
• 5.2.5.5 SEM/EDS分析
• 5.2.5.6 XRD分析
• 5.3 试验结果与讨论
• 5.3.1 秸秆灰的元素组成分析
• 5.3.2 秸秆灰的熔融特征分析
• 5.3.3 秸秆灰颗粒的表面特征分析
• 5.3.4 秸秆灰中熔融颗粒的形态和元素组成分析
• 5.3.5 秸秆灰的矿物质组成分析
• 5.3.6 秸秆灰中矿物质的演变行为研究
• 5.3.7 秸秆灰对石油焦/水蒸气气化的催化作用研究
• 5.3.7.1 不同秸秆灰条件下石油焦/水蒸气的气化特征
• 5.3.7.2 秸秆灰含量对石油焦/水蒸气催化气化的影响
• 5.4 本章小结
• 第6章 全文总结
• 参考文献
• 致谢
• 附件一 博士期间发表的论文情况
• 附件二 本文创新点和不足之处