【摘 要】
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焦化烟气作为一种低温、低硫、高氮烟气,其中的NOX脱除一直是净化的重点和难点,而活性焦烟气净化技术作为一种清洁、高效的干法工艺,在焦化烟气脱硫脱硝方面有着巨大的发展潜力。目前脱硫脱硝活性焦普遍采用煤化程度较高的烟煤、无烟煤制备,对优质煤资源的消耗较大,同时活性焦的脱硝效率偏低。因此为了节约煤资源,改善脱硝性能,本课题以白杨木与1/3焦煤为原料,KOH为活化剂,开展了煤-生物质活性焦的制备研究,并对
【基金项目】
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国家自然科学基金(项目号:51474042及51774061); 中央高校基本科研业务费前沿交叉学科培育专项(项目号:106112017CDJQJ138801);
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焦化烟气作为一种低温、低硫、高氮烟气,其中的NOX脱除一直是净化的重点和难点,而活性焦烟气净化技术作为一种清洁、高效的干法工艺,在焦化烟气脱硫脱硝方面有着巨大的发展潜力。目前脱硫脱硝活性焦普遍采用煤化程度较高的烟煤、无烟煤制备,对优质煤资源的消耗较大,同时活性焦的脱硝效率偏低。因此为了节约煤资源,改善脱硝性能,本课题以白杨木与1/3焦煤为原料,KOH为活化剂,开展了煤-生物质活性焦的制备研究,并对煤与生物质的共活化行为、活性焦的理化结构及生物质对活性焦脱硝性能的影响行为进行了研究。首先,本文利用热重法(TG)、X射线衍射分析(XRD)等对活性焦制备过程的热解、活化行为,无机矿物相的演变及活性焦在焦化烟气条件下的适用性进行了分析。结果表明:白杨木在225℃开始热解,先于1/3焦煤(350℃)。而浸渍KOH后,由于在200℃左右原料中的脂肪侧链、羟基、羧基等与KOH的反应而被分解,热解开始温度提前,并且在650℃左右TG曲线出现拐点,失重速率加快,表明活化反应(碳素溶损)开始进行;同时原料中的Si O2、Al PO4类矿物,会被KOH侵蚀,并在后续的酸洗过程中被脱除,进而降低了活性焦中的灰分含量;所制备的煤-生物质活性焦具有以微孔为主的孔隙结构特征,适合于气相吸附,且平均强度可达94.4%,满足对脱硫脱硝活性焦强度指标(>94.0%),具有用于焦化烟气脱硫脱硝的潜在可能性。其次,通过SEM、BET、XRD、XPS等手段进一步对煤生物质活性焦的形貌特征、孔隙结构、官能团分布等理化结构及其随料碱比、煤木比、活化温度的演化行为进行了表征分析。结果表明:木质相与煤质相形貌存在明显差异,其中木质相具有大量的大孔(d>50nm)及中孔(2<d<50nm)结构,而煤质相颗粒表面平滑,无显微孔隙,孔结构以微孔(d<2nm)为主,所以随着白杨木相对含量增加,活性焦的微孔体积减小。而随着温度与料碱比增加,活性焦的烧蚀程度逐渐增大,微孔会先后经历形成、增量、扩孔等变化阶段。通过对微晶结构的分析发现,在活化过程中碳微晶有序化与层片的烧蚀同时进行,即随着温度增加,层片的方向定向与平行定向度增加,Lc增大,同时由于部分层片被烧蚀,d002增加,微晶中出现不同宽度的狭缝孔隙。此外,白杨木的加入对活性焦的官能团分布产生了影响,其中以C-O结构(羟基、醚等)变化最为显著,当白杨木与1/3焦煤的比例从0:1增加至2:3,C-O结构增加了15.9%。最后,对煤-生物质活性焦的脱硝性能进行了测试,并采用第一性原理对各官能团的活性进行了分析。结果表明:在脱硝过程中,NH3分子会以静电势互补的方式吸附于官能团上,吸附态的NH3再与NO分子发生作用,即按照E-R机理进行SCR催化脱硝。酸性含氧官能团羟基、醚基是NH3主要吸附活性位点,由于随白杨木相对含量增加,含C-O结构的羟基、醚基大量增加。因此当煤木比从1:0调整至3:1时,脱硝率从45%增加至57%,但与此同时微孔体积减小,有效吸附场所减小,在减小到一定程度后,脱硝性能下降,因此当煤木比从3:1调整至3:2时,脱硝率从57%下降至47%。
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