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“先进碳材料“专题

来源：洁净煤技术

行业视野: 新能源
类别; 58个
关键词; 69位
专家; 16篇
论文; 8262IP
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活性焦烟气净化反应器研究进展

作者(Author)：张云雷, 孙仲超, 梁大明, 熊银伍, 李艳芳

摘要：活性焦干法烟气净化技术具有耗水量少、无二次污染以及吸附剂可循环利用的应用优势，发展前景广阔。作为工艺的核心，反应器研究成为了制约该项技术发展的关键。各行业排放烟气特点不同且污染物排放限值也有所差异，根据烟气特点精准选择反应器类型并对反应器结构进行优化，是提高系统烟气净化效率的有效手段。介绍了目前活性焦烟气净化领域所应用的各类反应器的优缺点及适用范围，论述了反应器内不同类型内构件对气固两相运动状态的影响，最后提出了未来活性焦烟气净化反应器研究及优化的技术方向。反应器床型方面，总结了固定床反应器、移动床反应器、流化床反应器3类反应器的技术优势以及存在的短板。其中，固定床反应器结构简单，通常被应用于活性焦单独脱硫工艺中，烟气处理量小时灵活性较强，随烟气处理量增大，其净化效果降低且需多个反应器并联操作，占地面积大，投入成本高；流化床反应器气固通量大，自动性高，传质传热性能优越，但对内部颗粒磨损作用强，不适合颗粒活性焦，对粉状活性焦有较好的适用性；移动床反应器目前在活性焦烟气净化领域应用最为广泛，具有连续性强、烟气处理量大、对颗粒机械强度要求不高的优点，但其内部结构复杂，物料容易出现异常流动。反应器内构件方面，重点讨论了烟气导流构件、喷氨混合构件、下料构件对系统烟气净化效率的影响。针对反应器内气相流动紊乱的情况，可通过添加导流板或整流层的方式提高反应器内烟气均布性；为了提高喷氨均匀性可在喷氨区设置喷氨构件，提高系统的脱硝效率，较为常见的喷氨构件有静态混合器、喷氨格栅以及涡流构件等，其中静态混合器调控精准，但成本较高且处理能力有限，喷氨格栅能够实现分区控制但易出现管路堵塞问题，涡流构件改造成本低但调控灵活性较差，在工业生产中需根据喷氨量及烟气排放指标灵活选择喷氨构件；为防止固体物料在反应器内运动过程中出现“漏斗流”等异常流动，可在反应器内部添加下料构件，下料构件可有效改善固体物料在反应器内的流动状态。添加内构件后反应器内气固接触增强，系统净化效率明显提升，改造成本降低。最后，明确了未来活性焦烟气净化反应器将向着创新反应器床型，增强行业匹配性，优化反应器结构，降低运行及维护成本的方向发展。

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2020年第04期

533

348
FeCl3添加剂作用下煤基压块活性炭的孔结构调控

作者(Author)：姚鑫, 杨乾, 赵学松, 叶鹏涛, 王帅帅, 邱丽君

摘要：为了调节煤基压块破碎颗粒活性炭的孔结构，分别以大同烟煤和灵武烟煤为原料，FeCl3为金属添加剂，采用压块工艺制备活性炭，重点考察混合法、浸渍法和离子交换法引入Fe元素对活性炭孔结构和磁性能的影响。利用热重分析了煤的炭化过程和炭化料的活化过程，采用X射线衍射分析了炭化料样品的微晶结构和无机矿物质组成，采用振动样品磁强计和低温N2吸脱附表征了活性炭的磁性能和孔结构。结果表明：混合法和浸渍法引入Fe后，煤在350 ℃前的质量变化速率增大，350～600 ℃ 质量变化速率减小，形成的炭化料石墨化度降低，气化反应性增强，活性炭的比表面积增大，浸渍法使得大同煤基活性炭和灵武煤基活性炭的比表面积分别由672.4 m2/g和498.9 m2/g增至704.6 m2/g和774.1 m2/g。混合法和浸渍法会显著增强活性炭样品的磁性能，其中混合法使大同煤基活性炭和灵武煤基活性炭样品的饱和磁化强度分别由1.343 0 emu/g和2.639 9 emu/g增至4.417 5 emu/g和9.146 5 emu/g。由于原料煤较弱的离子交换能力，离子交换法未能成功引入Fe元素，反而由于溶液呈酸性，降低了原料煤中Ca、Fe系原生矿物质含量，限制了活性炭孔结构发育。

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2020年第04期

447

284
活性焦低温催化氧化NO脱除性能评价及热再生试验

作者(Author)：李婷, 潘冠福

摘要：活性焦是一种高性价比的炭基催化脱硝材料，为研究其在低温无氨条件下的脱硝性能及热再生情况，采用固定床试验装置，进行低温脱除NO性能评价及原位热再生试验；并对2种试验用活性焦的比表面积、孔径分布和表面官能团等进行表征分析，研究表面特性对去除NO性能的影响；初步探讨活性焦对NO的低温脱除及热再生机理。结果表明：在进口NO体积浓度100×10-6、O2体积浓度6%、反应温度70 ℃、空速1 000 h-1的NO脱除试验条件下，出口NO浓度随时间增加逐渐上升，脱硝率则直线下降。结合红外表征，定性说明活性焦脱除NO过程中存在催化氧化及吸附，可能的机理是活性焦中活性官能团将NO氧化为NO2，并以吸附态NO2形式赋存于活性焦孔隙表面，部分化学吸附态NO2又在活性焦表面发生歧化反应，形成吸附态NO3。O2体积浓度6%、再生温度70～400 ℃、升温速率2 ℃/min的热再生试验条件下，NO浓度先快速上升，100～150 ℃达到平台，210 ℃左右达到脱附量峰值，此时NO脱附折算浓度约85 mg/m3，之后NO浓度逐渐下降至0；模拟烟气在250 ℃以上时，CO开始析出，CO生成量与再生温度成正比。脱硝后的活性焦在原位热再生过程中，吸附态NO2又分解为NO释放出来。2种试验用活性焦样品的微观孔隙结构较为相似，活性焦样AC1和AC2的等温曲线都属于IV型等温曲线，迟滞回线属H4型，这说明2种样品的微观结构多为狭缝状孔道；AC2在吸附脱附曲线低P/P0区拐点处的吸附量、孔容、BET比表面积比AC1略大，说明前者样品中的微孔相对更多；活性焦样AC1和AC2的最可几孔径分别为1.76和1.57 nm。XPS和脱硝性能评价发现含有更多含氧/氮官能团的活性焦样品，脱硝活性更强。

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洁净煤技术

2020年第04期

419

231
有机/无机酸改性兰炭基活性炭及其对焦化废水的吸附研究

作者(Author)：辛莹娟, 蒋绪, 张昭, 冯伟帅

摘要：兰炭因其固定碳和化学活性高，且保留了低变质煤丰富的微孔结构，是一种优质且廉价的活性炭原料。但兰炭末制成的兰炭基活性炭具有孔径分布无序、表面化学性质局限等缺点，限制了其应用效果，而化学法改性可以弥补这一不足。笔者研究对比了无机酸和有机酸改性对兰炭基活性炭孔隙结构和表面化学性质的影响。常温下，分别用硝酸、磷酸、草酸和乙酸溶液对水蒸气活化制备的兰炭基活性炭进行改性，采用碘吸附试验、N2吸附/脱附试验、扫描电子显微镜和Boehm滴定等方法考察改性过程对活性炭孔隙结构和表面化学性质的影响，并对焦化废水进行吸附，分别研究了吸附剂投加量、吸附时间和转速对吸附效果的影响，用Langmuir和Freundlich模型模拟等温吸附过程。结果表明：改性后的兰炭基活性炭表面亲和力大的活性点由于受到酸的刻蚀发生了扩孔作用，导致其碘吸附值、比表面积和孔结构参数均降低，又因为活性炭边缘的高活性碳原子遇酸氧化后会结合氧原子形成含氧官能团，故表面含氧官能团含量升高，且氧化性越强的酸，结合的氧原子越多，硝酸改性后含氧官能团升高最明显，含量是改性前的2.41倍。焦化废水吸附试验表明，经酸改性后的兰炭基活性炭对焦化废水的吸附效果明显优于改性前，其中无机酸改性较有机酸更好，硝酸改性效果最佳，COD去除率比改性前最多可提升31.34%。这是因为焦化废水中污染物的主要是有较大分子量和分子直径的有机污染物，而酸改性使兰炭基活性炭平均孔径增加，中大孔比例提升，这有利于大分子有机污染物被吸附，而且改性后活性炭表面所增加的含氧官能团也提高了对污染物的亲水性和对极性有机物的亲和力。等温吸附试验表明，318 K条件下，50 mL焦化废水中加入4 g硝酸改性兰炭基活性炭吸附90 min后，COD去除率可达86.79%，吸附过程符合Langmuir模型。

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2020年第04期

219

175
碳材料对燃煤烟气硫脱除及资源化研究进展

作者(Author)：曲智斌, 孙飞, 皮信信, 郄志鹏, 高继慧

摘要：中国发电煤耗每年近20亿t，虽然传统湿法脱硫工艺能够实现燃煤污染物SO2的有效控制，但由于存在水耗高、副产劣质石膏量大难用等缺点，面临可持续发展困境。相比之下，基于多孔碳材料的SO2脱除技术由于具备水耗少、无二次污染、污染物可资源化回收、吸附剂可再生利用等优点，是重要的发展方向。笔者综述了目前基于碳材料吸附、催化过程的燃煤烟气硫脱除及资源化研究进展，论述了碳材料资源化脱硫工艺的关键技术环节，最后提出了燃煤烟气硫脱除及资源化的未来科学和技术方向。碳材料内SO2吸附-催化反应机制及产物迁移路径，重点讨论了碳材料孔结构、官能团、金属氧化物负载对SO2吸附转化及副产物迁移的影响。研究表明，碳材料分级孔结构内存在SO2吸附转化以及产物硫酸的迁移过程；在碳材料中掺杂以氮和氧为代表的非碳元素能改变碳平面的电子结构，调控SO2在碳材料中的吸附和催化氧化过程。因此，碳材料孔隙与功能性官能团的协同定向构筑是强化碳材料吸附转化SO2、提升脱硫性能的有效方式。脱硫饱和碳材料再生及硫资源化回收技术路径，重点讨论了碳热还原方法将SO2资源化转化为硫磺的影响因素。热再生能耗高、活性焦质量损失严重；水洗再生效率低，活性焦循环脱硫能力差，高效再生需要活性焦不同尺度孔隙结构的有效配组，以强化物质输运扩散；在各种脱硫副产物中，硫磺物质量小、价值高、便利储运，是理想的资源化回收目标；碳基还原剂活性与选择性的调控是实现高效硫磺生成的关键。论述了高性能煤基活性焦的低成本宏量制备方法，重点讨论了强化脱硫过程的分级孔活性焦低成本制备方法。传统柱状活性焦制备工艺复杂、成本高且孔隙结构呈微孔分布，存在内扩散阻力大、内表面利用率低、SO2脱除及再生脱附性能差等问题。破碎或颗粒状活性焦有望降低活性焦制备成本且实现活性焦孔隙的深度调控，但结构稳定性（强度）的提升是关键。通过催化活化、配煤、催化石墨化方法，可望实现兼具高活性和高结构稳定性的脱硫活性焦制备。

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洁净煤技术

2020年第01期

873

655
煤基碳纳米管制备技术和生长机理研究进展

作者(Author)：张天开, 王琪, 张永发

摘要：我国煤炭资源丰富，但现阶段以燃烧、热解和气化等为主的传统利用方式存在资源浪费、环境污染和经济效益低等问题，且我国以煤炭资源为主题的能源结构在短期内不会发生改变，因此，清洁、高效利用是新时期煤炭资源的立足点和首要任务。另一方面，碳纳米管因其独特的一维结构在力学、电学和热学等方面具有优异的特性，使其在复合材料、电子材料和能源材料等领域具有广泛的应用，但是碳纳米管制备成本偏高的问题较为突出，严重限制了其大规模的应用，现阶段急需开发新型、环境友好的碳纳米管制备技术。宏量、低成本的煤基碳纳米管制备技术可以同时较好地解决上述2个问题。笔者基于文献重点分析了反应原料、放电气氛和催化剂等因素对电弧放电法和等离子体射流法2种煤基直接制备碳纳米管技术的影响，讨论了原料种类、催化剂、反应温度、升温速率和反应气氛等因素对化学气相沉积法-煤基间接碳纳米管制备技术的影响过程。分析发现，在电弧放电法和等离子体射流法中，原料种类对碳纳米管产物的产量具有重要作用，放电气氛对碳纳米管产物的类型具有重要影响，催化剂对碳纳米管产物产量和类型均具有重要影响；在化学气相沉积法中，原料种类对碳纳米管产物形貌、长径比和有序度等性质具有重要影响，催化剂对碳纳米管产物的生长过程具有重要影响，反应温度和升温速率对碳纳米管产物的管径变化和类型具有重要影响，反应气氛可改变催化剂的催化效果。此外，总结了煤基碳纳米管直接和间接制备技术中碳纳米管的生长机理的类型及特点：其中，直接制备技术中碳纳米管生长过程符合碎片式生长机理，而间接制备技术中碳纳米管生长过程可分为气-液-固（VLS）、气-固-固（VSS）、气相成核（VPN）和阶梯式等类型。分析认为应当深入开展以下工作：探究煤、煤热解气和商业煤气等廉价原料制备碳纳米管的过程，进而建立和完善原料与碳纳米管产物之间的关系体系；开发新型、高效的煤基碳纳米管催化剂制备技术；建立新的碳纳米管生长模型，进一步丰富和完善碳纳米管生长模型体系。

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洁净煤技术

2020年第01期

646

345
中间相炭微球在锂离子电池负极材料的应用进展

作者(Author)：杜俊涛, 聂毅, 吕家贺, 马江凯, 郏慧娜, 张敏鑫, 孙一凯, 郑双双, 白璐

摘要：中间相炭微球（MCMB）具有良好锂离子扩散性、导电性和机械稳定性等优势，是目前应用广泛、综合性能优异的锂离子电池负极材料，但较低理论比容量是制约其发展的关键因素。为了获得性能优良的MCMB基锂离子电池负极材料，改性修饰和复合材料已然成为目前研发重点。笔者论述了碳结构、表界面和复合材料等微观结构设计对MCMB负极材料电化学性能的影响。从碳堆积结构类型、有序性、层间距以及球体粒径大小等方面，论述了碳结构微观设计对MCMB电化学性能的影响。发现具有乱层结构的MCMB在充放电过程中内部产生应力较小，且碳结构较稳定，具有优异循环稳定性；内部具有大量微孔或碳层间距较大的MCMB，在充放电过程中可提高锂离子在电极中的迁移速率，并提供更多的储锂空间，一般具有优良的充放电比容量和倍率性能；小粒径MCMB具有较短的锂离子迁移路径和随之增加的比表面积，通常具有较好倍率性能，伴随着可逆比容量和充放电效率的衰减。从表界面碳层改性、包覆和掺杂改性等方面，论述了表界面改性对MCMB电化学性能的影响。表面碳层修饰可增加MCMB与电解液的相容性及其比表面积，提高了与电解液的接触面积及贮锂容量，改善了锂离子电池负极材料的电化学性能；另外，MCMB表面包覆一层无定型碳，可避免其表面与电解液直接接触，减少电化学副反应的产生，提升其可逆比容量。从碳活性物质复合材料、非碳活性物质复合材料等方面，论述了复合材料微观结构设计对MCMB电化学性能的影响。碳活性物质可降低MCMB内部碳层结构的有序性，减少锂离子嵌入过程中的内部应力，提升MCMB循环稳定性。非碳活性物质诱导MCMB生成更加有序的碳层结构，提高MCMB的比表面积，从而改善MCMB表面与电解液分子的接触能力及其嵌锂性能，有利于提升MCMB负极材料可逆比容量、循环性能和倍率性能。MCMB具有高碳层间距和多缺陷位点等结构特征，有利于钠离子自由脱嵌，应用于钠离子电池时具有良好的可逆比容量、循环稳定性和倍率性能。MCMB的不规则定向层状结构经活化等处理具有较高比表面积，可应用于超级电容器电极材料。最后提出在高性能锂离子电池电极材料快速发展的需求下，从微观结构角度设计MCMB纳米复合材料将是MCMB负极材料的研究重点。

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洁净煤技术

2020年第01期

1582

341
Ni(OH)2与不同碳质材料复合制备超级电容器电极材料研究进展

作者(Author)：李双双, 秦志宏, 杨小芹, 陈强

摘要：超级电容器具有功率密度大、寿命长、生产成本低等优点，被认为是最有发展前途的储能系统之一。然而，超级电容器的低能量密度阻碍了其实际应用。由于存储的能量与CV2成正比,可以通过增加材料的电容“C”或操作电压窗口“V”或两者同时增加来提高超级电容器的能量密度。然而具有宽电位窗口的有机电解质离子往往电导率差，成本高，容易引起环境问题。因此为改善能量密度，应采用高比电容的电极材料，故而设计出具有高比电容的适合电极材料就成为研究热点。Ni(OH)2作为超级电容器电极材料，具有理论容量大、成本低、天然丰富、易于合成等优点，近年来备受关注。但由于Ni(OH)2导电率低、比表面积小，其容量劣化严重。碳质材料作为双电层超级电容器的电极材料，其能量存储机制取决于电极表面的电解质离子吸附和解离，具有导电率好、原料丰富、成本较低、电化学稳定性高等优点而应用广泛。因此，有必要将高导电碳质材料引入Ni(OH)2组成复合材料以提高电容性能。笔者综述了Ni(OH)2基材料的合成方法，特别是与碳质材料复合来提高Ni(OH)2基材料的循环稳定性和倍率性能方面的研究新进展。

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2020年第01期

565

390

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