高有机硫煤可控制备金属硫化物/活性炭复合材料及其脱汞性能研究

Sulfur pollution during the energy utilization of high organic coal is a key issue in Shanxi province and the rest of China, In this project, the targeted conversion of sulfur element of coal into metal sulfide/actived carbon (MeSx@C) composites by adding transition metal is proposed. At first, the active components of metal sulfides with high effective mercury removal will be screened by means of Density Functional Theory (DFT) electronically at the atomic scale. On this base, MeSx@C will be controllably prepared using high sulfur coal as raw materials with preimpregnation of transition metal through using catalytic pyrolysis method. The performance of the as-prepared adsorbents will be investigated using gas phase mercury removal as probe reaction. The highlight of this project is to reveal the oriented migrations and transformation of sulfur in the process of pyrolysis, the mechanisms of the thermal conversion between the sulfur in coal and transition metals and of the elemental mercury removal of MeSx@C composites. The interaction between metals and sulfur in high sulfur coal, the physicochemical property of MeSx@C composites, and the performance of mercury removal will be investigated. The results from this project will set a firm theoretical foundation and provide scientific guidance to further development of the large-scale controllable synthesis of MeSx@C and the efficient and clean utilization of high sulfur coals.

针对山西乃至全国高有机硫煤以能源形式利用过程中硫污染的问题，项目提出将煤中硫元素定向迁移到焦炭中，并通过添加过渡金属与硫反应将其转化为金属硫化物/（活性）炭复合材料。首先借助密度泛函理论在电子和原子水平上筛选高效脱汞金属硫化物，从而确定要添加的活性金属组分。然后以预浸渍过渡金属的高有机硫煤为原料催化热解可控制备金属硫化物/炭复合材料。最后以气相汞为探针反应，研究制得的复合材料的脱汞性能。本项目的核心在于揭示热解过程中硫的定向迁移规律、煤中硫与过渡金属在热转化中的反应规律以及金属硫化物脱除单质汞的机理。阐明高硫煤中硫形态—金属硫化物/炭复合材料—脱汞性能之间的内在联系，研究结果为金属硫化物/炭复合材料规模化可控制备，为高硫煤的高效清洁利用将奠定坚实的理论基础和科学依据。

煤炭是我国主要能源的局面在短时间内无法扭转。随着开采深度的增加，高硫煤的产量将会与日俱增。汞作为硫的伴生物种，在煤利用过程中产生的汞污染也必将上升。载硫活性炭是目前最有应用前景的脱汞吸附剂之一。若能以高硫煤为原料，将煤中的硫转变成脱汞的活性组分，将会降低脱汞吸附剂的制备成本。针对项目申请书中的研究目标，本项目围绕将煤中硫元素定向迁移到吸附剂中展开研究，通过考察煤中硫的形态对吸附剂的影响，调控过渡金属的种类、热解反应条件（终温和时间）和活化条件（活化剂种类）等，利用现代仪器分析手段，明晰了MeSx@C吸附材料结构与脱汞性能的构效关系，获得了MeSx@C吸附材料的可控制备工艺。与此同时，借助密度泛函理论在电子和原子水平上剖析金属硫化物（CuS）的脱汞机理，探究了CuS表面对Hg、HgCl、HgCl2、Hg、H2O和SO2的吸附情况，并探索了CuS的插层性质以及表面可生成多硫化物的性质对Hg吸附的影响。在进行高硫石油焦、高硫煤和液化油渣基MeSx@C吸附剂脱汞性能和再生性能评价过程中发现，吸附剂在高空速下仍可以保持高效的脱汞活性，并且吸附剂表现出良好NOx、H2O、H2S和SO2耐受性能。经过系统研究，揭示了高硫煤中硫形态、MeSx@C复合材料以及脱汞性能三者之间的联系，从电子和原子水平剖析了CuS高脱汞性能的原因，对高硫煤的高效清洁高附加值利用和MeSx@C复合材料制备具有重要科学意义和研究价值。依托基金及研究结果，发表相关研究成果学术论文7篇，其中SCI/EI期刊5篇、中文核心期刊2篇；申请公开相关专利3项；培养博士/硕士研究生6名，其中1名已毕业获取硕士学位，参加国际学术会议9次，承办国内高端学术会议1次。在项目执行期间获山西省自然科学二等奖一项，获得2018年年度山西省“三晋英才”支持计划拔尖骨干人才荣誉称号1名，入选“第七批山西省学术技术带头人”1名，获批山西省研究生创新项目3项。