3D结构取向分子筛膜从高炉煤气中分离CO2和N2的机理研究

With increasing energy problems,efficient and comprehensive utilization of blast furnace gas in secondary energy has important scientific significance and practical value. But loss rate of blast furnace gas is above 15% and gas production is up to three hundred billion cubic meters per year in China's iron and steel enterprises.How to more efficient use of blast furnace gas is the issue of long term. To solve above probloms,firstly 3D structure oriented molecular sieve membrane was prepared, systematicly syudy on identification characteristics of molecular sieve membrane for the target gas and interaction mechanism; secondly the online real-time monitoring system was built for detection of gas separation effect; finally applied Fluent software to understand the impact of blast furnace gas without target gas for ironmaking process. Elucidate identification characteristics of molecular sieve membrane for the target gas and interaction mechanism. Establish quantitative function relations and the prediction model among coefficient of gas separation, gas flux and the physical properties of molecular sieve membrane.The above contents provide important theoretical significance and practical application potential for second reutilization of blast furnace gas.

随着能源问题的日益突出，研发二次能源中高炉煤气的高效综合利用具有重要的科学意义和实用价值。但目前中国钢铁企业中高炉煤气放散率达15%以上，并且每年高炉煤气产量更是高达三千亿立方米，如何更高效利用高炉煤气是长期困扰人们的问题。为了解决上述问题，本项目首先进行3D结构取向分子筛膜的制备，系统地研究分子筛膜对目标气体的识别特性、相互作用机理；其次采用在线实时高炉煤气的监测体系检测气体分离的效果；最后利用专业Fluent软件深入研究去除目标气体后的高炉煤气对高炉炼铁产生的影响。阐明分子筛膜对目标气体的识别特性、相互作用机理，建立气体分离系数、气体通量与分子筛膜、高炉煤气的物理属性之间的定量函数关系及预测模型。上述内容的研究为高炉煤气的二次利用提供重要的理论意义和实际应用潜能。

本项目依照国家自然科学基金计划书开展研究工作，以钢铁工业的高炉煤气 为研究对象，制备出一系列新型三维结构的分子筛膜。运用物理﹑化学等多学科交叉的 知识，在高炉煤气中分离CO2和 N2方面进行深入系统的研究。结果表明：随着温度的升高，单一气体和混合气体的渗透系数均有所下降。随着进气压的增大，气体渗透系数增大。不管是单一气体还是混合气体，CO2的渗透系数均大于N2的。当混合气体分离时，CO2渗透系数最高达到1976Barrer。揭示气体与分子筛膜相互作用的机理，全面解决分子筛膜孔道分布不均匀、宽尺寸、稳定性差等问题并建立统一的实验验证三维结构取向分子筛膜能够从高炉煤气中高效分离出二氧化碳和氮气，同时具有高通量、高分离系数；并从相互作用的机理出发提出最佳条件及对分子筛的孔道的均匀性、尺寸等提出指导性建议。确立分子筛膜制备的新方法，获得一系列从高炉煤气中高效分离出 CO2和N2的分子筛膜。项目共计发表文章18篇（SCI收录14篇），申请发明专利4项（1项已授权），参加高炉炼铁方面的学术会议5次，培养硕士研究生6名，博士后1名。