本文關(guān)鍵詞：煤焦油化學(xué)鏈熱解制備炭黑的實(shí)驗(yàn)研究

  更多相關(guān)文章： 化學(xué)鏈熱解 補(bǔ)強(qiáng)炭黑 載氧體 熱力學(xué)分析 多循環(huán)性能

【摘要】：炭黑是一種應(yīng)用廣泛的碳材料,主要用作橡膠補(bǔ)強(qiáng)劑,在橡膠工業(yè)中的消耗量約占總產(chǎn)量的89.5%。油爐法生產(chǎn)的炭黑占總產(chǎn)量95%以上,為當(dāng)前最主要的生產(chǎn)技術(shù),然而其生產(chǎn)過程中反應(yīng)溫度較高(通常1800℃),能耗較大,尾氣中包含大量NOx和SO2等污染氣體�；瘜W(xué)鏈技術(shù)是一種新型的燃料清潔高效利用技術(shù),其利用金屬或非金屬氧化物向燃料供給反應(yīng)所需的氧,通過控制晶格氧/燃料比例來制備目標(biāo)產(chǎn)物,具有廣闊的應(yīng)用前景。本文即基于化學(xué)鏈原理,對(duì)煤焦油熱解制取炭黑進(jìn)行了創(chuàng)新性的探索,主要研究內(nèi)容及結(jié)果如下:首先,基于Gibbs自由能最小原理對(duì)焦油化學(xué)鏈熱解制備炭黑過程進(jìn)行了熱力學(xué)分析,考察了反應(yīng)溫度及載氧體/焦油摩爾比對(duì)炭黑產(chǎn)率的影響。結(jié)果表明,Fe2O3及CaSO4兩種常用載氧體用于化學(xué)鏈熱解過程均具有可行性,900℃下當(dāng)Fe2O3、CaSO4與焦油摩爾比分別為2和1.5時(shí),其炭黑產(chǎn)率達(dá)到極值;在此比例下,當(dāng)反應(yīng)溫度超過900℃,焦油組分更易被氧化為氣相,炭黑產(chǎn)率下降。根據(jù)上述理論參數(shù),基于赤鐵礦和硫酸鈣兩種天然載氧體,在流化床中進(jìn)行了焦油化學(xué)鏈熱解制炭黑的實(shí)驗(yàn)研究。發(fā)現(xiàn)炭黑產(chǎn)率隨載氧體粒徑減小而提高,但雜質(zhì)含量也會(huì)增加,采用0.5mm粒徑較為適宜;隨溫度上升,炭黑粒徑更小,空間結(jié)構(gòu)更發(fā)達(dá);Fe2O3作用下炭黑產(chǎn)率更高,粒徑更小且較均勻、鏈枝狀結(jié)構(gòu)更發(fā)達(dá),而CaSO4炭黑粒徑較大且不均勻,結(jié)構(gòu)性較低;兩類載氧體均能協(xié)同減排NOx,且Fe2O3載氧體作用更明顯,但對(duì)SO2并無抑制作用,CaSO4因高溫分解會(huì)釋放更多SO2。此外,通過在赤鐵礦中機(jī)械混合添加γ-Al2O3、NiO制備出Fe/Al、Fe/Ni復(fù)合載氧體。TGA分析表明,Fe/Ni載氧體還原/氧化性能最好,Fe/Al載氧體次之,NiO及γ-Al2O3均能提高載氧體活性。焦油化學(xué)鏈熱解實(shí)驗(yàn)表明,Fe/Al載氧體下炭黑產(chǎn)率最高,焦油組分基本均參與了反應(yīng),其炭黑粒徑更小,聚集體空間結(jié)構(gòu)更發(fā)達(dá);而Fe/Ni載氧體因NiO活性過高,整體反應(yīng)趨向于化學(xué)鏈燃燒,炭黑產(chǎn)率較赤鐵礦工況還低,且炭黑粒徑較大,結(jié)構(gòu)性較差。相對(duì)于NiO而言,γ-Al2O3是一種較理想的添加物。為了考察各類載氧體的多循環(huán)性能,在單流化床內(nèi)交替進(jìn)行了載氧體/焦油共熱解以及載氧體氧化再生的循環(huán)反應(yīng)實(shí)驗(yàn)。通過TGA-DSC聯(lián)用,對(duì)3個(gè)循環(huán)后的赤鐵礦、Fe/Al、Fe/Ni載氧體還原產(chǎn)物進(jìn)行了測試,結(jié)果表明,γ-Al2O3有助于抑制積碳生成,而NiO會(huì)使得載氧體積碳量增加;從積碳灼燒溫度來看,其類型為“硬積碳”,即類石墨的碳。XRD物相分析表明,在較低載氧體/焦油摻混比下,復(fù)合載氧體中Fe2O3主要轉(zhuǎn)化為FeO和Fe,實(shí)現(xiàn)深度還原,NiO對(duì)Fe2O3活性的提高具有協(xié)同促進(jìn)作用。SEM表征顯示,γ-Al2O3有助于提高載氧體孔隙率,并顯著緩解燒結(jié),維持其多孔特性;而Fe/Ni載氧體在反應(yīng)后發(fā)生了龜裂,裂縫中附著有大量積碳,表面燒結(jié)較嚴(yán)重。
【關(guān)鍵詞】：化學(xué)鏈熱解 補(bǔ)強(qiáng)炭黑 載氧體 熱力學(xué)分析 多循環(huán)性能
【學(xué)位授予單位】：青島大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TQ522.6;TQ127.11
【目錄】：

• 摘要2-4
• Abstract4-6
• 符號(hào)說明6-10
• 引言10-22
• 0.1 研究背景及意義10-11
• 0.2 炭黑國內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述11-16
• 0.2.1 炭黑特性概述11-13
• 0.2.2 炭黑生產(chǎn)工藝及特點(diǎn)概述13-16
• 0.3 化學(xué)鏈技術(shù)的研究現(xiàn)狀16-21
• 0.3.1 化學(xué)鏈技術(shù)概述16-19
• 0.3.2 載氧體的研究現(xiàn)狀19-21
• 0.4 本文主要研究內(nèi)容21-22
• 第1章 基于天然載氧體的焦油化學(xué)鏈熱解熱力學(xué)分析22-38
• 1.1 引言22
• 1.2 平衡態(tài)熱力學(xué)分析方法22-23
• 1.3 HSC Chemistry化學(xué)熱力學(xué)模擬23-26
• 1.3.1 Gibbs自由能變23-24
• 1.3.2 熱力學(xué)平衡常數(shù)24
• 1.3.3 平衡組分計(jì)算原理24-26
• 1.4 焦油化學(xué)鏈熱解過程中競爭反應(yīng)分析26-31
• 1.4.1 基于鐵基載氧體的化學(xué)熱力學(xué)分析26-29
• 1.4.2 基于鈣基載氧體的熱力學(xué)分析29-31
• 1.5 實(shí)驗(yàn)參數(shù)的熱力學(xué)探析31-36
• 1.5.1 反應(yīng)溫度的影響31-33
• 1.5.2 載氧體摻加比例的影響33-36
• 1.6 本章小結(jié)36-38
• 第2章 天然載氧體/焦油共熱解制備炭黑的實(shí)驗(yàn)研究38-52
• 2.1 引言38
• 2.2 實(shí)驗(yàn)部分38-43
• 2.2.1 實(shí)驗(yàn)材料38-40
• 2.2.2 實(shí)驗(yàn)裝置與方法40-41
• 2.2.3 實(shí)驗(yàn)工況與數(shù)據(jù)處理41-43
• 2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析43-51
• 2.3.1 溫度及載氧體粒徑的影響43-45
• 2.3.2 炭黑補(bǔ)強(qiáng)特性分析45-48
• 2.3.3 X射線衍射分析48-49
• 2.3.4 煙氣分析49-51
• 2.4 本章小結(jié)51-52
• 第3章 基于鐵基復(fù)合載氧體的焦油化學(xué)鏈熱解制炭黑實(shí)驗(yàn)52-68
• 3.1 引言52
• 3.2 鐵基復(fù)合載氧體反應(yīng)性能測試52-60
• 3.2.1 樣品制備及分析52-54
• 3.2.2 實(shí)驗(yàn)裝置與步驟54-55
• 3.2.3 數(shù)據(jù)處理55
• 3.2.4 結(jié)果及分析55-60
• 3.3 復(fù)合載氧體/焦油共熱解制炭黑實(shí)驗(yàn)60-66
• 3.3.1 實(shí)驗(yàn)裝置及步驟60-61
• 3.3.2 實(shí)驗(yàn)工況與數(shù)據(jù)處理61-62
• 3.3.3 炭黑產(chǎn)率及煙氣組分分析62-63
• 3.3.4 能量有效轉(zhuǎn)化分析63-64
• 3.3.5 炭黑補(bǔ)強(qiáng)特性分析64-66
• 3.4 本章小結(jié)66-68
• 第4章 焦油化學(xué)鏈熱解過程中載氧體多循環(huán)特性研究68-80
• 4.1 引言68
• 4.2 樣品測試及表征68-70
• 4.2.1 樣品制備69
• 4.2.2 裝置及流程69-70
• 4.3 結(jié)果及分析70-79
• 4.3.1 TGA-DSC聯(lián)用分析70-73
• 4.3.2 XRD物相分析73-76
• 4.3.3 掃描電鏡SEM表征76-79
• 4.4 本章小結(jié)79-80
• 第5章 結(jié)論與展望80-82
• 參考文獻(xiàn)82-87
• 攻讀學(xué)位期間的研究成果87-88
• 致謝88-89

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