钾、钠对焦炭劣化作用

为了研究碱金属钾、钠对焦炭劣化作用的区别,首先将焦炭置于不同含量的钾、钠气氛下进行吸附实验,然后对吸附碱金属后的焦炭进行扫描电镜观察、能谱及X射线衍射分析和热态性能测试.由于钠更加容易以表面吸附的形式覆盖在焦炭表面,所以在碱蒸气质量比相同的气氛下,钠的吸附量要高于钾.表面吸附的碱金属对焦炭溶损反应有阻碍作用.在相同吸附量情况下,吸附钾后的焦炭中与碳化学结合的钾居多,反应性更高.另外,钾金属本身对焦炭破坏作用就很大,钾原子会插入碳层引起微晶多维膨胀,使焦炭微观组织产生破裂,并且这些新生的裂纹导致吸附钾焦炭与吸附钠焦炭在溶损方式上的不同.     

碱金属对焦炭质量的影响及焦炭抗碱性的研究

本试验研完了碱金属对焦炭高温反应性能的影响。金属钾及其氧化物对焦炭与CO_2反应具有强烈的催化作用,它使焦炭反应性增加,反应后强度降低,焦炭质量劣化、同时还研究了硼族元素化合物硼酸对焦炭与CO_2碳素溶解反应的抑制作用,它提高了焦炭的抗碱性能,因而使焦炭的反应性降低,反应后强度增加,焦炭的高温性能得到改善。     

高炉碱金属富集区域钾、钠加剧焦炭劣化新认识及其量化控制模型

碱金属对高炉内焦炭的破坏大多通过研究碱金属碳酸盐对焦炭气化反应的影响,从而得出钾、钠破坏性相近,在控制碱金属入炉时也基本不对二者进行区分;但高炉调研表明在碱金属富集明显加剧的区域碱金属碳酸盐已分解且焦炭中钾含量均大于钠.本文通过热力学计算得知在碱富集区域碱金属主要以单质蒸气而非碳酸盐或氧化物形式存在,据此设计了模拟此区域有无CO2时钾、钠单质蒸气在焦炭上的自主吸附和破坏实验,结合原子吸收光谱法、X射线衍射法和扫描电镜-能谱分析发现钾蒸气和焦炭中灰分大量结合形成钾霞石后体积膨胀、裂纹扩展导致碱金属富集区域钾在焦炭上的吸附和破坏能力均远大于钠,因此建议尽量采用低灰分焦炭并严格控制入炉钾负荷.进一步研究体系中不同钾蒸气含量对气化反应的影响规律,得出当钾蒸气与焦炭的气固质量比率超过3%后焦炭反应性陡升.依据碱金属富集区域钾、钠在焦炭上的不同吸附和破坏性,建立了钾、钠各自入炉上限及总量上限的量化控制模型.     

不同反应性焦炭溶损劣化行为

为了研究不同反应性焦炭的溶损劣化行为与孔隙结构变化的关系,以不同温度下溶损反应前后焦炭气孔结构变化为主要研究对象,采用自主研发的焦炭综合热性质检测装置,对6种焦炭进行国标实验以及1 050、1 100、1 150、1 200、1 250和1 300℃恒温等溶损率为25%的溶损实验,通过I型转鼓检测焦炭溶损后强度,采用低温N2吸附法检测溶损反应前后气孔结构。结果表明:国标法评价焦炭的热性质值得商榷,应采用等溶损率为25%,且通过调整溶损温度来改变溶损速率的方法,模拟焦炭在高炉内实际溶损过程。通过焦炭溶损-转鼓后比表面积变化得到焦炭在不同温度下溶损反应模型存在差异,相同溶损温度下高反应性焦炭溶损区域较大,低反应性焦炭溶损反应区域较小。     

超临界CO2吸附诱发煤力学性质劣化的双重损伤效应分析

将CO_2注入到深部不可采煤层中提高煤层气采收率和CO_2长期地质封存,CO_2吸附将会诱使煤微观结构及力学性质发生显著改变。深部煤层赋存环境下CO_2将会相变为超临界CO_2,诱发煤微观结构发生更大程度改变,强度和变形特性变化更显著。大量实验结果表明,不同压力下的饱和CO_2煤样强度和弹性模量发生不同程度的劣化,煤样峰值强度和峰值应变演化不协调。基于此,引入双重损伤本构关系用以描述超临界CO_2吸附诱发煤强度和变形特性变化,并构建了裂隙中游离CO_2流体的有效应力和吸附诱发的膨胀应力耦合分析模型。通过对比验证,数值模拟结果与实验结果具有较好的一致性。数值模拟结果表明,饱和CO_2压力越大诱发的煤损伤越大;特别是,超临界CO_2诱发煤单轴抗压强度和弹性模量劣化更显著。     

碱金属对焦炭反应性和反应后强度的影响

作者通过焦炭的浸碱试验，阐述了碱金属对焦炭反应性和反应后强度的影响，认为碱金属加速了焦炭的气化反应。显微组织研究表明，气化后的焦炭有明显的烧蚀现象。由此产生裂隙，形成许多脆弱薄壁的连通孔，导致焦炭强度下降，块度变小     

二氧化碳对页岩力学性质劣化规律的影响

针对目前缺少不同相态CO_2对页岩微观结构及力学参数影响规律研究的现状,通过室内岩石-压裂液浸泡测试系统,对不同相态CO_2浸泡后岩石矿物组分、微观结构及力学参数进行了测试。研究结果表明:液态、超临界态CO_2相比较滑溜水对矿物颗粒微观结构的影响更为明显,矿物颗粒之间的孔隙增大4%～15%,易导致页岩宏观力学性质受到劣化影响;不同介质浸泡后页岩力学参数劣化受影响程度排序为:抗拉强度泊松比峰值强度弹性模量,滑溜水浸泡后页岩脆性特征变化不明显,而液态、超临界态CO_2浸泡后页岩脆性增强40%～50%。液态CO_2有利于改善岩石微观孔隙和降低岩石抗拉强度,超临界态CO_2有利于提高微孔隙/裂隙穿透性,提高岩石脆性和降低破裂压力。研究结果为页岩气CO_2干法压裂工艺优化提供了一定的实验支撑和理论依据。     

N-杂环功能化的UIO-67的合成及其对CO_2的选择性吸附研究

CO_2作为温室气体是导致全球变暖的主要原因之一,利用多孔材料吸附封存CO_2被认为是一种可行的CO_2减排方案。文章通过对配体修饰合成出氨甲基四氮唑功能化的UIO-67材料(UIO-67-Tetra),并研究了功能化前后UIO-67对CO_2/N_2的吸附性能。结果表明功能化不但能明显增强UIO-67材料在低压区对CO_2的吸附量,而且能降低相同条件下对N_2的吸附,明显提高了材料对CO_2/N_2的吸附选择性。     

O2/CO2气氛下煤粉燃烧热重分析及动力学特性

在综合热分析仪上进行了3种煤粉在O_2/N_2及O_2/CO_2气氛下的非等温燃烧试验,研究了不同气氛下煤粉燃烧特性参数的变化,并计算出各工况下的动力学参数.结果表明:在相同O_2浓度下,煤粉在O_2/N_2和O_2/CO_2气氛下燃烧特性有所不同,用CO_2代替N_2后煤粉着火温度和燃尽温度均升高,燃烧时间延长,综合燃烧特性指数下降;O_2/CO_2气氛下,增加O_2浓度后,燃烧热重曲线向低温区域移动,着火提前,燃尽温度降低,燃烧时间缩短,综合燃烧指数明显提高,燃烧性能得到改善;煤粉燃烧反应低温段的活化能和频率因子较高温段低,反应级数较小;不同工况下,煤粉2个阶段的反应活化能和频率因子之间存在动力学补偿效应.     

功能化多孔芳香骨架中CO_2/N_2吸附与分离特性的分子模拟研究

碳捕获与封存技术是一种较有前景的策略,用来缓解大气中CO_2的过度排放问题,进而使得化石燃料可以持续使用.基于这种策略,涌现了大量具有高CO_2吸附与分离能力的吸附剂材料.多孔芳香骨架材料是比表面积和孔隙度较高的多孔有机聚合物材料之一,其中具有类金刚石结构的PAFs_303呈现出较好的热力学稳定性.因此我们采用巨正则蒙特卡罗模拟计算探究功能化对多孔芳香骨架材料PAFs_303结构中CO_2/N_2吸附与分离性能的影响.研究结果表明:在低压下,官能团修饰可以有效地提高CO_2/N_2的吸附能力,尤其是303_DHF;高压下,由于孔隙结构的差异, PAFs_303表现出最好的气体吸附能力.对于单组分吸附来说,温度的增加不利于气体吸附.同时官能团的引入有效地提高了气体的选择吸附比(CO_2 vs N_2),且选择性顺序遵循:303_DHF303_NH_2303_OHPAF_303.吸附热和径向分布函数证实了功能化可以有效地提高CO_2/N_2与骨架的相互作用.综上所述,本文强调了功能化效应对CO_2/N_2吸附与分离性的影响,同时也为碳捕获与封存技术中吸附剂材料的设计与筛选提供了理论指导.