基于热解过程结构演变的焦炭还原N2O研究

作     者：吴紫华 

作者单位：长沙理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：尹艳山

授予年度：2022年

学科分类：080702[工学-热能工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：焦炭 反应动力学 N2O还原 催化剂 温度 

摘      要：N2O是一种强温室气体,会恶化臭氧层,影响生态环境。流化床锅炉较低的燃烧温度条件导致N2O排放浓度居高不下,由此引发的N2O排放控制亟待解决。本文选用两种烟煤制备不同温度的焦炭,使用Raman光谱、XRD和XPS技术表征焦样的碳结构、微晶结构和表面官能团。在焦炭表面负载Na、Fe催化剂,并进行了焦炭(催化)还原N2O的热重实验;利用原位漫反射红外光谱(In-situ DRIFTS)分析焦炭还原N2O反应过程中焦炭表面官能团的变化。利用固定床反应器系统进行焦炭还原N2O的实验,测定了反应器出口 NOx浓度,研究热解温度和焦化学结构变化对N2O转化率的影响,并分析了反应后残余焦炭的结构变化。Raman光谱结果表明,A焦炭在500～800℃区间结构有序度降低,800℃以后有序度增加,B焦炭在500～900℃有序度是逐渐降低。XRD结果表明,A、B焦炭微晶结构随温度升高在横向生长较为发达,石墨化程度逐渐加剧。热重分析结果表明,焦炭吸附和还原N2O主要发生在98～680℃。负载NaCl和FeCl3后,焦炭的失重率均降低,表明Na和Fe对焦炭-N2O反应有催化作用,但添加Fe后焦炭的失重率低于添加Na后焦炭的失重率。Na和Fe催化剂均能降低A焦炭还原N2O反应的活化能,在10℃/min和30℃/min升温速率时,活化能变化不大。Na和Fe催化剂对B焦炭还原N2O反应的催化效果不同,在10℃/min、20℃/min和30℃/min升温速率下,添加Na后反应活化能有所升高,添加Fe后反应活化能降低,但变化不大。焦炭还原N2O的原位红外光谱(DRIFTs)表明,负载催化剂前后焦炭A和焦炭B表面主要官能团包括高岭石、芳香族C=C、COOH、酚类C-OH、芳族CH、脂肪族CH、NH3和N2O。添加Fe和Na催化剂后焦炭对N2O的吸附能力都增强,Fe在400～650℃范围内的催化活性较强,Na在低温段(40-400℃)的催化活性较强。焦炭-N2O反应的固定床实验结果表明,在焦炭还原N2O的反应中焦炭被气化CO和CO2。焦炭结构演变会影响焦炭对N2O的还原能力,高温热解的焦炭虽然有序度低,但反应活性降低,其还原N2O的能力也降低。对固定床实验还原后残余焦炭进行XRD光谱和粒径分布分析。XRD谱图显示,还原N2O反应后残余的A焦炭中主要矿物有石英、陨硫钙石、磁铁矿、方解石、赤铁矿、锐钛矿、硬石膏、钠长石、镁铁尖晶石、硅灰石、钙铝黄长石等矿物,还原N2O反应后残余的B焦炭中主要矿物有石英、磁铁矿、方解石、赤铁矿、硬石膏、钠长石、钙铝黄长石和陨硫钙石等矿物。粒径分布表明,还原反应后,还原后残余A焦炭中A800的平均粒径最小,A500的平均粒径最大,而还原后残余B焦炭中B500的平均粒径最小,B800的平均粒径最大。