活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　固體燃料(例如生物質，廢物或煤)的氣化會產生由一些主要化合物(當使用空氣作為氣化劑時，CO，H 2，CH 4，CO 2，H 2 O和N 2)組成的合成氣。以及程度較小的無機和有機污染物。該燃料氣體可以燃燒產生電力，或者進一步處理以生產化學品或第二代燃料。活性炭是焦油裂解的好用催化劑，適用于熱凈化生物質和廢物轉化為能源的氣化過程中產生的合成氣。這項研究調查了由煤制成的活性炭催化萘轉化為焦油化合物的參考。

　　活性炭在高溫下與氣體反應，有時在碳化過程中或之后添加化學物質以增加其孔隙率。因此，其物理化學性質主要取決于母體材料的組成，活化劑的類型和活化過程的溫度。蒸汽活化產生具有較高中孔體積的炭，而二氧化碳活化產生較高的中孔體積。蒸汽還提高了活性炭表面上催化元素(主要是K和Ca)的濃度。然而，焦油轉化的炭改變原有的特性，與其活性增加。這是由于孔尺寸分布和表面活性基團濃度的演變所致，這也影響了碳轉化率和煙灰沉積速率之間的平衡。所有活性炭在其結構內均包含微孔(內徑小于2 nm)，中孔(內徑2 nm至50 nm)和大孔，但相對比例根據原料和活化過程而有很大差異。焦油分子必須從大量氣體移動到催化劑外表面，然后擴散到孔中并在內表面上反應。

　　萘轉化用的實驗儀器

　　萘轉化試驗已在圖1所示的實驗設備中進行，該設備顯示了其主要部分：進料系統，反應器，采樣/清潔裝置和氣體分析儀。進料系統由用于調節氮氣流量的轉子流量計和萘飽和器組成，以獲取摻有焦油的物流。飽和器和反應器之間的管道應保持在150°C以上，以免萘發生冷凝。所使用的反應器是內徑為14 mm，總高度為600 mm的立式管狀石英反應器。將活性炭床放在反應器內部的玻璃粉上方，該玻璃粉位于距頂部430毫米處。床的溫度通過K型熱電偶在床的中央進行測定。在焦油采樣期間，通過切換三通閥，將反應器出口處的氣體導入采樣裝置，并在其余時間內導入清潔裝置。采樣裝置由三個撞擊器組成，在0°C時充滿異丙醇。專用實驗表明，在本研究分析的條件下，該設備的捕獲效率超過99%。借助帶有熱導檢測器(TCD)的微型氣相色譜儀分析清潔區出口處的氣體，以在線測定短鏈烴(從乙炔到苯)和分子氫。實驗裝置的更多詳細信息可以在其他地方找到。

　　圖1：用于萘轉化測試的實驗設備示意圖。

　　實驗條件和步驟

　　每個測試已重復三遍，并在3 cm的活性炭床高度和0.11 s的有效氣體停留時間下進行。后者是通過在運行溫度下將床高除以有效氣體速度而得出的。這些停留時間之間的差異非常小(0.107 s–0.110 s，取決于活性炭的顆粒大小和氮氣流量)，不會影響所獲得的轉化效率。第1組研究了萘的初始轉化。將裝有炭床的反應器在純氮氣氛圍中加熱至所需溫度。第2組研究了所測試的不同催化劑的萘轉化率隨時間的變化。

　　實驗結果分析

　　通過使用三種不同尺寸的活性炭，在750°C和900°C之間的溫度下，以及焦油載氣在炭床中的氣體停留時間，研究了萘轉化過程中粒徑對活性炭的影響。圖2的直方圖描述了萘的初始轉化。在750°C和800°C的溫度下，活性炭的大小對萘的轉化率有明顯影響：較細的材料提高了萘的轉化效率，在750°C時，其從顆粒的79%增加到粉末的97%。在800°C下，從顆粒的81%到粉末的100%。

　　圖2：用活性炭球型、顆粒和粉末在750°C，800°C，900°C下獲得的萘轉化率以百分比表示，并帶有標準偏差的表示。

　　圖3報告了在測試過程中三種粒徑的活性炭萘轉化的時間演變，表明轉化效率的連續降低與有效表面積的逐漸減小有關。結果用誤差條表示，表明標準偏差，表明活性炭顆粒和粉末的行為相當相似，而活性炭顆粒始終顯示出較低的轉化效率，達到10%或更高。這表明較小的顆粒意味著降低的擴散阻力。

　　圖3：在750°C時，活性炭球型、顆粒和粉末的萘轉化時間。

　　可以通過掃描電子顯微鏡，通過分析每個測試開始和結束時材料的圖像來進一步研究此方面。注意孔徑。測試后(圖4的底部)不再存在新鮮材料大量孔隙的大部分(圖4的頂部)。在測試結束時，萘碳化產生的碳沉積物主要以小晶粒的形式存在于活性炭表面，通常集中在表面的特定區域周圍，可能對應于活性部位。在煤或椰子殼上的活性炭上已經觀察到類似的碳粒和細絲，并且在這些情況下，它們的形成與鐵和堿物種的催化活性有關。在活性炭球團的SEM圖像中，也可以區分深裂縫，這可能是熱應力的結果。

　　圖4：在750°C下萘轉化率測試之前(頂部)和測試之后(底部)的活性炭顆粒和活性炭粉末的SEM圖像。

　　該研究調查了在固定床配置下，萘在市場上可購得的煤質活性炭催化下的轉化情況。注意力集中在活性炭尺寸和反應器溫度可能對裂解效率的影響上。在每次測試之前和之后，都要測量被測活性炭的內部結構(孔徑分布和總表面積)。反應器溫度的升高和活性炭尺寸的減小總是導致萘轉化率的提高。在750°C下，當顆粒尺寸從顆粒(直徑3 mm，長度在5到7 mm之間)減小到粉末(0.3-0.4 mm)時，其裂解效率從79%提高到97%。這些效率表明活性炭顆粒具有更高的抗孔擴散性，而粉末活性炭能夠利用全部可用的多孔體積。在實際應用中，應考慮與利用催化劑粉末有關的高壓降。

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