煤中活性矿物质对脱硫活性焦理化结构的影响及调控机制

Efficiently control gas pollutants is the key to solve the atmospheric pollution, the activated coke is currently the only method can be used to simultaneously removal multiple pollutants, the performance of activated coke is the main cause limited the widely used. During activation process, with carbon loss, the behavior of active minerals(Na, Fe, Ca) and its effect and regulation on functional and structural stability is one of the keys to produce high-performance activated coke. This project, using Taixi, Datong, Zhundong coal as raw materials, combining the method of sequential chemical extract and low temperature ashing, focus on the active minerals’ behavior, the synergistic effect, the mechanics of micropore and mesopore formation and the spatial relationship with carbon crystallite structure during activation process; Clarify the control factor of pore structure with active minerals presents at different burn-off stages; Establish the relationship between active minerals and pore structure characteristics, the amount of C=O; Propose the principle and method of control the active coke desulfurization performance based on the active minerals composition. This project will provide a reference for the function control and design of activated coke, and will be beneficial to high performance activated coke preparation.

气体污染物的高效控制是缓解我国大气污染的关键，活性焦法是目前唯一能同时脱除烟气中多种污染物的方法，而活性焦性能是影响其广泛应用的主要原因。在活化过程中，活性矿物质（Na、Fe、Ca）赋存、演化以及对官能团及结构稳定性的影响及调控是高性能活性焦制备的关键之一，然而在这方面还缺乏深入系统研究。本项目以太西无烟煤、大同弱粘煤和准东弱粘煤制备的前驱体为原料，采用逐级化学提取和低温灰化相结合的方法，探究煤中活性矿物质在前驱体活化制备活性焦过程中演化规律、协同催化作用、以及与碳微晶结构的空间位置关系；阐明不同烧失阶段活性矿物质对微孔和中孔形成的影响和机理，以及对无规则碳及类石墨微晶的刻蚀行为和机制，建立活性矿物组成与C=O数量间的匹配关系；提出基于活性矿物组成的活性焦脱硫性能调控的策略。本项目可为高性能活性焦的功能调控与设计提供理论指导。

本项目探究了煤中活性矿物质在前驱体活化制备活性焦过程中演化规律、协同催化作用、以及与碳微晶结构的空间位置关系；阐明了不同烧失阶段活性矿物质对微孔和中孔的形成的影响和机理，以及对无规则碳及类石墨微晶的刻蚀行为和机制提出基于活性矿物组成的活性焦脱硫性能调控的策略。研究发现，煤中活性矿物质方解石、黄铁矿、碱金属钠在活性焦制备过程中均对活性焦的理化结构与性能产生明显的影响。如方解石在制备过程中发生分解并且在水蒸气的参与下最终转化为生石灰（CaO），且对活性焦的孔结构、微晶结构和表面化学性质等理化结构的形成起调控作用，使制备得到的活性焦有良好的吸附性能。方解石进一步促进了活性焦介孔的发育，过量的方解石使得煤焦的碳结构的无序性增加、石墨化程度降低以及孔结构坍塌。以2%方解石含量的煤制备的活性炭表现出最佳的脱硫能力（84.00 mg/g），比未负载方解石的活性炭上升了39.9 %（60.08 mg/g）。同样，黄铁矿在活性炭制备过程通过矿相的转化促进了活性炭孔结构的发育和表面化学性质的增强。随着煤中黄铁矿的增加，活性炭对SO2的吸附能力呈先增大后减小的趋势。2%FeS2/AC的2h硫容量达到了65.2 mg/g，比AC（54.9 mg/g）提高了18.8%，并提出来相关机理解释。煤中碱金属钠的存在能够降低活性炭的硫容。在上述工作的基础上，基于多元分析方法，建立了基于煤中活性矿物质与活性焦的硫容的预测模型，且拟合度均大于0.90。这些基础数据可以为活性炭的低成本、高性能脱硫活性焦的制备提供基础数据和理论支撑。