煤沥青球的氧化不熔化过程特性

氧化不熔化过程是煤沥青基球状活性炭制备中的核心工艺,对其过程特性和动力学机理的认识是实现氧化过程工艺优化的关键。本文以煤沥青萃取球为原料,通过实验研究,重点探讨了粒径范围、升温速率和氧化温度对其氧化不熔化过程的影响,并确定氧化动力学参数及其反应机理函数。结果表明:氧化不熔化过程可分为轻组分热解、初步氧化、氧化增重和恒温氧化失重4个阶段。煤沥青球经过氧化不熔化后,C、H含量减少,O含量增加,表面光滑平整。减小粒径并选取合适的升温速率(0.25~0.5℃·min-1)以及氧化温度(275~325℃),更有利于氧化不熔化快速稳定地进行。粒径范围为0.3~0.6 mm的煤沥青球在升温速率为0.5℃·min-1、氧化温度为300℃的条件下活化能最小,各个阶段的值分别为83.34、293.19、302.25和357.05 k J·mol-1。     

沥青球在流化床反应器中氧化不熔化及后续炭化行为的研究

用流化床反应器对沥青球进行了氧化不熔化处理,考察了不同温度下沥青球的氧化行为及其后续炭化行为。采用热重分析仪、傅里叶变换红外光谱仪、元素分析仪及扫描显微镜对氧化沥青球和炭化球进行了表征。结果表明:流化床反应器强化了沥青球氧化不熔化的传热和传质过程,在0.21 m/s的临界流态化气速下,以0.5℃/min快速升温至300℃进行沥青球的不熔化处理,得到具有良好表面形貌和球形度的氧化沥青球及其炭化球,极大改善了沥青球制备过程中氧化不熔化的耗时、耗能问题。     

生活垃圾主要组分在回转窑内不同热解阶段的传热特性

采用外热式回转窑,对生活垃圾主要组分[纸类、织物、生物质类(含厨余)]及除去惰性成分的垃圾在不同的升温速率和不同转速下热解过程中的传热特性进行研究,获得物料和内壁面之间的表观传热系数.根据相近升温速率下热重分析结果将热解过程分为干燥阶段、热解预备阶段、剧烈热解阶段以及热解完成阶段4个阶段.研究结果表明:在干燥阶段的表观传热系数最大,并随着温度升高而迅速减小,到水分蒸发完、进入热解预备阶段时降至最低.在热解预备阶段的升温过程中,各物料表观传热系数随温度升高基本不变,具备最低稳定传热系数特征;在剧烈热解阶段,表观传热系数随温度升高而逐渐增大;在热解完成阶段,表观传热系数再次减小.回转窑转速和升温速率对表观传热系数的影响复杂,对不同物料的影响也不相同.总体上在较低的加热速率(22±2)℃·min^-1条件下,更高的回转窑转速(3 r·min^-1)对干燥末段和热解预备阶段的传热有抑制效果;当升温速率增加到(32±2)℃·min^-1时,各种物料在对应热解段的表观传热系数均有增大的趋势,且热解总时间缩短;除生物质外,转速越高,在热解的不同阶段表观传热系数越大,在3 r·min^-1条件下热解预备阶段消失.本研究为回转窑热解反应器的针对性设计提供参考.     

储运含油污泥慢速热解特性分析

采用精确控温的固定床反应装置研究了罐底油泥和清罐油泥在不同升温速率下热解产物特性。结果发现当升温速率为5℃·min^-1和2℃·min^-1时,两种油泥样品的油品回收率均高于65%。提高升温速率有利于促进气相产物的生成,同时得到的油相产物中环状有机物含量提高而链状有机物含量减少,这说明提高升温速率有助于C-H键断裂和环化反应的发生。借助于TG分析和Doyle方程得到两种油泥的热解反应动力学参数。发现随着升温速率加快,表观反应活化能增大了20%~37%。     

离子液体空气采样管的应用

离子液体能够富集空气中的半挥发性有机污染物。然而, 在采样管的研制过程中, 离子液体空气采样管出现了白雾和变黑的现象, 同时出现本底高、杂质多的现象, 严重妨碍了采样管的实际应用。为了弄清楚这些现象产生的原因, 实验采用自合成的1-乙酸甲酯基-3-甲基咪唑双三氟甲烷黄酰亚铵盐[CH₂COOCH₃MIM][NTF₂], 制成改进的空气采样管, 进行了一系列的研究。在保证离子液体采样管重复利用的基础上, 通过设计正交实验优化了二级脱附的条件:二阶段脱附模式, 脱附气体为氦气;第一阶段样品管脱附, 脱附温度220℃, 脱附时间15 min, 脱附流速50 ml·min^-1;冷阱捕集温度0℃, 第二阶段冷阱脱附, 脱附温度280℃, 脱附时间10 min, 升温速率40℃·s^-1, 阱前阱后均无分流;六通阀温度250℃, 传输线温度250℃;气相色谱质谱的条件为:初始温度为100℃保持1 min, 以10℃·min^-1的速率升至200℃, 再以5℃·min^-1的速率升至250℃, 保持4 min。并采用不锈钢网替代玻璃棉, 取得了很好的实际效果。     

微型流化床与热重测定煤焦非等温气化反应动力学对比

利用微型流化床反应分析仪(MFBRA)和热重分析仪(TGA)比较煤焦与CO₂的非等温气化反应特性,并利用单一升温速率法和组合升温速率法计算反应动力学数据。结果表明:升温速率对半焦非等温气化过程有重要影响,随着升温速率的增大,起始反应温度和最大反应速率对应的气化温度增加,同一气化温度下的碳转化率降低,而且利用单一升温速率法求取气化反应的活化能逐渐减小。与TGA相比,同一升温速率下,MFBRA中半焦气化反应的起始反应温度和最大反应速率对应的反应温度明显较小,而且升温速率越大差异越显著。无论是单一升温速率法(升温速率≥5℃·min^-1)还是组合升温速率法,TGA测得的动力学数据均明显小于MFBRA测得的动力学数据。高升温速率下(升温速率≥5℃·min^-1)半焦在TGA和MFBRA中非等温气化行为和动力学数据的差异很可能与MFBRA内较好的热量传递和受扩散的抑制作用较小有关。     

对二甲苯降膜结晶动力学

降膜结晶是工业生产对二甲苯的重要方法。以多孔介质分形理论为基础开展对二甲苯降膜结晶动力学的研究。通过动力学模型优化实验条件,结晶条件为进料速度为60 ml·min^-1、结晶温度-15℃、原料预冷温度25℃,发汗条件为升温速率1℃·min^-1、发汗终温5℃。在此条件下测定降膜结晶过程中对二甲苯结晶量以及液相夹带量,建立了晶体生长速率方程和液相夹带速率方程,相关系数分别为0.967和0.977,模型可靠。结果表明随着过饱和度的增加,液相夹带速率增长更快,晶层中夹带液相体积分数越大,晶层孔隙率越大。晶体生长速率方程和液相夹带速率方程的建立对工业降膜结晶生产对二甲苯过程中,通过调节液膜过饱和度控制晶层生长具有重要参考意义。     

超级球形活性炭制备的研究

以煤沥青为主要原料采用悬浮法制备含致孔剂的煤沥青球后进行预氧化、炭化和活化，最终得到沥青基球形活性炭（PSAC）。借助扫描电子显微镜（SEM）和BET测试，所制得的PSAC球形度好、孔径分布范围窄，是一种高性能的炭质吸附材料。探讨了煤沥青球的预氧化、炭化和活化等工艺条件对PSAC的碘、苯和亚甲基蓝吸附值影响规律。结果表明：当分散荆、水溶液和沥青的吡啶溶液体积比为0．1：0．8：1时，适宜的成球温度为90℃、搅拌速度为200rpm及搅拌时间为20min，由此可制备出平均球形度大于0．9和平均粒径为25μm的煤沥青球；将所制备的煤沥青球经过预氧化温度280℃、预氧化时间6小时和炭化温度700℃、炭化时间40min及升温速率5℃／min，KOH与煤沥青的质量比为3：1的条件下，制备出煤沥青基球形活性炭的比表面积为3365m^2／g，碘、苯和亚甲基蓝吸附值分别达到2256mg／g、1068mg／g和390mg／g，微孔径主要集中分布在2～3nm左右的球形活性炭。     

调控炭化过程优化煤基硬炭负极储钠性能

我国煤炭资源丰富多样、价格低廉、分布广泛,将煤转化为新材料,是提高其附加价值和技术含量的有效途径。煤含碳量高、芳环结构丰富,热解炭化可制备钠离子电池硬炭负极材料。以新疆烟煤为碳源,采用低温热解复合高温炭化的两步过程,并调控相应工艺条件,研究了烟煤中间相的发展过程对硬炭结构及其储钠行为的影响。经研究发现,改变低温热解的温度区间、载气流速和升温速率,可以调节胶质体生成阶段内的分解和解聚反应,调节挥发分生成和逸出以及胶质体固化等过程进行的程度,从而调控硬炭的比表面积和石墨化程度等。在温度区间为350~550℃、载气流速为60 ml·min^-1、升温速率为1℃·min^-1条件下,炭化得到的硬炭负极可逆比容量和首周库仑效率最佳,在0.02 A·g^-1的电流密度下分别达到314.3 mA·h·g^-1和82.8%,良好的性能归因于煤基硬炭材料中有序结构和缺陷结构的协调和平衡。     

反应结晶过程中二水硫酸钙晶粒性能

设计了CaHPO₄·2H₂O-H₂SO₄-H₃PO₄-H₂O体系结晶温度、液相SO₄^2-含量、液相P₂O₅含量、搅拌速率和结晶时间的五因素四水平正交实验,通过测量晶体平均粒径优化出平均粒径最大的工艺参数:结晶温度80℃、液相SO₄^2-含量50g·L^-1、液相P₂O₅含量260g·L^-1、搅拌速率50r·min^-1和结晶时间2h。在该工艺参数下进行结晶过程研究,通过分析液相SO₄^2-浓度和P₂O₅浓度,XRD、SEM、EDS和激光粒度分析仪表征晶体,研究发现:0~40min为反应阶段,平均粒径减小;40min之后结晶过程遵从Ostwald递变法则,从CaSO₄·0.5H₂O过渡到CaSO₄·2H₂O,平均粒径几乎不变。     

阻燃HIPS塑料热解动力学模型

采用热重法进行了含阻燃添加剂的高抗冲聚苯乙烯塑料（flame retarded high impact polystyrene,Br-Sb-HIPS）在不同升温速率下的热解实验,建立了包含3个连续反应的阻燃HIPS热解动力学模型。通过Flynn-Wall-Ozawa法得到阻燃HIPS热解过程的活化能为103～307 kJ·mol^-1,利用多元非线性无约束最优化方法求得模型参数。研究表明,Br-Sb-HIPS 3个反应的活化能和指前因子分别为191.632、213.263、238.331 kJ·mol^-1和11.641、12.772、11.666 min^-1。动力学模型能够很好地预测阻燃HIPS热解过程。     

炭化工艺对酚醛树脂基碳分子筛性能的影响

以工业酚醛树脂为碳源,三嵌段聚合物F127为模板剂,制备碳分子筛。采用N_2吸附-脱附对制备的碳分子筛进行表征,研究炭化制备工艺对碳分子筛孔径分布的影响。结果表明,炭化温度、炭化时间和炭化升温速率对碳分子筛孔径分布影响较大。在炭化升温速率为1℃·min~(-1)、炭化温度800℃和炭化时间1 h条件下制备的碳分子筛孔径分布最为集中,BET比表面积716.59 m~2·g~(-1),单点总孔容0.557 75 cm~3·g~(-1),单点吸附微孔孔容0.301 81 cm~3·g~(-1)。     

水热法合成纳米CdWO_4及其光催化性能研究

通过水热法合成光催化性能良好的纳米CdWO_4。采用粉末X射线衍射、扫描电子显微镜研究溶液pH值及水热温度对CdWO_4微观形貌、晶体结构的影响。在紫外线光照下甲基橙降解实验中测试制备的CdWO_4纳米颗粒的光催化活性。结果表明,合成的催化剂为单斜晶系CdWO_4晶体,不含其他杂质。水热反应温度150℃时,随着溶液pH值的降低(10.0→9.20→8.60),CdWO_4颗粒逐渐减小,紫外光照射90 min后,甲基橙降解率分别为20%、 26%和40%,其降解动力学参数k分别为0.002 3 min^(-1)、0.003 3 min^(-1)、0.005 7 min^(-1)。水热反应温度升高至180℃,pH为8.60时,合成的CdWO_4催化剂呈细针状,具有最高的光催化活性,光照90 min后,甲基橙降解率70%,降解动力学参数k=0.026 2 min^(-1)。     

Simulation study on the gasification process of Ningdong coal with iron-based oxygen carrier

Chemical looping gasification (CLG) of Ningdong coal by using Fe₂O₃ as the oxygen carriers (OCs) was studied, and the gasification characteristics were obtained. A computation fluid dynamics (CFD) model based on Eulerian‐-Lagrangian multiphase framework was established, and a numerical simulation the coal chemical looping gasification processes in fuel reactor (FR) was investigated. In addition, the heterogeneous reactions, homogeneous reactions and Fe₂O₃ oxygen carriers' reduction reactions were considered in the gasification process. The characteristics of gas flow and gasification in the FR were analyzed and it was found that the experiment results were consistent with the simulation values. The results show that when the O/C mole rate was 0.5:1, the gasification temperature was 900 ℃ and the water vapor volume flow rate was 2.2 ml·min^-1, the mole fraction of syngas reached a maximum value of the experimental result and simulation value were 71.5% and 70.2%, respectively. When the O/C mole rate was 0.5:1, the gasification temperature was 900 ℃, and the water vapor volume flow was 1.8 ml·min^-1; the gasification efficiency reached the maximum value was 62.2%, and the maximum carbon conversion rate was 84.0%.