机械工程学报

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刘鹏, 周扬, 鲁锡兰, 王岚岚, 潘铁英, 张德祥

2016, 44(2): 129-137.

[摘要](168) [HTML全文] (200) [PDF 1119KB](0)

摘要:
以先锋褐煤 (XF) 为原料, 在高压反应釜中考察了水热处理过程中褐煤的结构变化, 通过¹³C固体核磁共振 (NMR) 和傅里叶变换红外光谱进行了分析表征。结果表明, 在低于240℃的水热处理条件下, 煤有机分子结构中的弱化学键有一定断裂, 含氧官能团逐步减少; 水中氢以离子形态迁移至褐煤中, 处理后褐煤结构中甲基比例先增加后减少, 次甲基比例由原煤的4.80%增加至XF-240的13.16%;释放的气体中主要是CO₂, 烃类气体组分随处理温度的升高略有增加。当水热处理温度高于240℃时, 褐煤中部分共价键开始断裂, 释放的烃类气体 (C_1-4) 由240℃时的2.13%增加至300℃时的8.59%, 脂肪碳比例由XF-240的44.83%降低至XF-300的39.49%, 与氧连接的碳比例由XF-240的12.57%降低至XF-300的1.49%。水热处理对褐煤的脱氧提质效果显著, 300℃时氧含量降低约30%, 芳香碳比例增加至60.50%, 比原煤提高19%。

FLASHCHAIN模型应用于汪清油页岩热解研究

王擎, 杨乾坤, 许祥成, 崔达, 张宏喜, 王一帆

2016, 44(2): 138-145.

[摘要](104) [HTML全文] (122) [PDF 676KB](0)

摘要:
采用¹³C-NMR技术表征出汪清三个矿区油页岩的碳原子化学结构, 并获得碳骨架结构的12个重要参数。利用热重和傅里叶红外联用技术 (TG-FTIR) 得出了在50℃/min升温速率和热解终温600℃下油页岩热解时轻质气体的生成规律。采用基于燃料化学结构的FLASHCHAIN模型对热解产物的析出进行了模拟, 并与实验结果相比较。结果表明, FLASHCHAIN模型用来模拟汪清油页岩热解时, 在520℃之前有较好的效果, 当温度高于520℃时, 由于二次热解反应及页岩中矿物质分解对热解过程的影响, 导致模型的预测值与实验值存在一定的误差, 且随着温度的升高两者之间的误差也随之加大。

神府煤热解-活化耦合反应产物特性及机制研究

刘源, 贺新福, 张亚刚, 杨伏生, 任秀彬, 周安宁

2016, 44(2): 146-153.

[摘要](173) [HTML全文] (99) [PDF 5546KB](0)

摘要:
利用两段式固定床反应装置, 研究了神府煤热解-活化耦合产物的特性, 探讨了热解温度及活化剂 (H₂O (g)、CO₂和H₂O (g)/CO₂) 对产物性能的影响, 揭示了热解-活化耦合反应机制。结果表明, 热解温度对半焦的CO₂化学反应性影响较小; 采用热解-活化两段耦合工艺, 可使神府煤热解的焦油产率明显提高, 产率最高为17.8%;不同活化剂对两段耦合过程产生的混合煤气 (mixture coal gases, MCG) 和焦油产率影响为H₂O (g)>H₂O (g)/CO₂>CO₂, 其焦油组分均以饱和分和芳香分为主; 采用H₂O (g)/CO₂(1:1) 活化剂, 可有效提高活性炭的比表面积, 其BET比表面积为845.37 m²/g。热解-活化耦合机制主要为活化段产生的合成气 (synthesis gases, SG) 为热解段煤的加氢热解提供了氢源, 丰富的氢自由基促进了煤的加氢热解反应, 改变了耦合过程的产物分布和特性。

外加铁矿石对哈密低阶煤热解特性影响

赵洪宇, 李玉环, 宋强, 吕俊鑫, 舒元锋, 王子民, 阎杰, 曾鸣, 舒新前

2016, 44(2): 154-161.

[摘要](130) [HTML全文] (107) [PDF 1537KB](0)

摘要:
为探讨铁矿石对哈密低阶煤热解特性影响, 采用热重分析仪 (thermal gravity analysis/differential thermal gravity, TG/DTG) 和实验室固定床反应器 (fixed bed) 对哈密低阶煤进行热解实验, 研究了两种铁矿石对哈密煤热解反应性、热解气和焦油分布规律的影响。利用傅里叶红外光谱 (FT-IR) 和色谱-质谱分析仪 (GC-MS) 对焦油中官能团的变化以及焦油中物质组成进行了分析对比。结果表明, 当热解温度从室温升高至150℃时, 原煤中添加铁矿石的煤样失重速率峰逐渐向高温阶段推移; 当热解温度高于450℃时, 不同铁矿石对原煤热解的催化作用差异更加明显, 且镜铁矿>原生矿物质>赤铁矿; 当两种铁矿石添加量分别为20%时, 热解焦油和热解气都能得到较高的收率; 对于煤样HM-JT来说, 此时焦油产率为7.88%, 热解气相产物H₂、CO₂、CH₄、CO产率与未添加镜铁矿的原煤煤样相比分别提高了4.27%、3.76%、4.39%、3.61%。对于煤样HM-CT来说, 焦油催化裂解效果一直受到铁矿石添加量的影响。在镜铁矿和赤铁矿添加量分别增加到20%的过程中, 煤样热解生成焦油的产率逐渐下降, 而轻质焦油产率和轻质焦油分数逐渐增大到6.37%、58.48%、5.34%、56.22%, 焦油中氧脱除率分别达到43.16%、36.89%。随着铁矿石的加入, 焦油中二甲苯相对含量由4.32%分别降低至3.78%、3.93%, 而甲苯相对含量由1.11%升高至1.32%、1.45%;焦油中邻甲酚和二甲酚中分子中的甲基取代基被脱除生成苯酚或甲酚, 且镜铁矿对焦油中苯系物和酚类化合物的脱甲基作用强于赤铁矿。

不同预处理方法对准东高碱煤中碱金属含量测定的影响

宋维健, 宋国良, 齐晓宾, 吕清刚

2016, 44(2): 162-167.

[摘要](207) [HTML全文] (215) [PDF 567KB](0)

摘要:
以四种不同的准东高碱煤及气化飞灰为研究对象,对高碱煤及气化飞灰中碱金属(Na、K)的赋存形态,以及不同预处理方法(低温灰化法、直接消解法、中国国标法、萃取法及氧弹燃烧法)对准东高碱煤及气化飞灰中碱金属(Na、K)含量测定的影响进行了测试分析。结果表明,准东高碱煤中碱金属Na主要以水溶态形式存在,碱金属K主要以水不溶态形式存在;不同的预处理方法对准东高碱煤中碱金属(Na、K)含量的测定结果影响显著,对于准东高碱煤及气化飞灰中碱金属(Na、K)含量测定,建议采用氧弹燃烧法,萃取法也可以相对准确地反映煤中碱金属Na的含量。

煤焦油馏分油对辽河稠油热生焦性能的影响

贾倩倩, 杨建丽, 蒋兴家, 侯沛东, 李英, 郭强, 杨勇

2016, 44(2): 168-176.

[摘要](108) [HTML全文] (134) [PDF 804KB](0)

摘要:
从煤焦油馏分油自身及与辽河稠油共炼生焦规律出发,利用元素分析、核磁共振氢谱、同步荧光光谱及族组成分析等方法对馏分油进行表征,研究了煤焦油馏分油对辽河稠油热生焦性能的影响。结果表明,辽河稠油掺炼煤焦油馏分油可以改善辽河稠油的热生焦性能。实验条件下,掺炼体系加权生焦率为3.3%-6.4%,实验生焦率为0.5%-5.9%,表现出良好的协同效果。不同馏分油的协同作用程度取决于馏分油的化学组成和含量。饱和烃、单环芳烃和缩合四环芳烃会促进生焦,而双环芳烃、三环芳烃和缩合双环芳烃有减缓生焦的作用。

沙特常压渣油超临界流体萃取分馏宽馏分中含硫化合物的分子表征

刘美, 赵海玲, 孙琦, 赵德智

2016, 44(2): 177-183.

[摘要](125) [HTML全文] (111) [PDF 1452KB](0)

摘要:
采用超临界流体萃取分馏 (SFEF) 装置, 将沙特中质原油常压渣油 (SZAR) 按照分子大小和极性强弱进行多级萃取分馏, 得到四个宽馏分和一个萃余残渣。考察了四个宽馏分沸程分布、密度、残炭值、黏度、相对分子质量、硫和氮含量以及结构族组成等基本性质均随萃取压力的变化趋势。采用甲基衍生化作用使含硫化合物转化为含有极性的甲基硫盐, 结合正离子模式下的电喷雾 (ESI) 电离源的傅里叶变换离子回旋共振质谱 (FT-ICR MS) 分析各馏分中所包含的含硫化合物的分子组成。结果表明, 超临界萃取分馏技术可以将馏分按照分子大小进行分离, 且对于非烃类化合物具有富集作用。各个馏分中含量最高的均为包含一个硫原子的S₁类化合物, 且二苯并噻吩 (DBE=6) 类含量最高。馏分越重, S₁、S₂类化合物含量越高、种类越繁多、且缩合程度更高, 包含的更多的大分子含硫化合物。

天然铁矿石为载氧体的准东煤化学链燃烧特性

葛晖骏, 沈来宏, 顾海明, 宋涛, 蒋守席

2016, 44(2): 184-191.

[摘要](117) [HTML全文] (49) [PDF 883KB](0)

摘要:
采用煤化学链燃烧方式可望抑制高钠准东煤燃烧结渣问题、提高其利用效率。为此, 选择天然铁矿石作为载氧体, 在小型流化床反应器内对准东煤燃烧性能及钠的迁移特性进行了研究。结果表明, 在850-1 000℃下, 准东煤的碳转化率和转化速率明显高于其他煤种; 同时, 钠以高熔点Na₂O·Al₂O₃·6SiO₂的形式存在于飞灰中, 从而达到抑制结渣的目的。在循环10次实验中, 随着循环次数的增加, 铁矿石反应活性提高而钠在飞灰中的含量减少。

旋转滑动弧氩等离子体裂解甲烷制氢

张浩, 朱凤森, 李晓东, 吴昂键, 薄拯, 岑可法

2016, 44(2): 192-200.

[摘要](105) [HTML全文] (97) [PDF 1519KB](0)

摘要:
采用切向气流和磁场协同驱动的旋转滑动弧氩等离子体, 先通过光谱分析法计算了其电子温度和电子密度, 了解其物理特性, 将其应用于甲烷裂解制氢, 研究了进气流量和CH₄/Ar比对反应效果的影响。结果表明, 该滑动弧系统电子温度为1.0-2.0 eV, 电子密度高达10¹⁵ cm^-3, 是介于热与低温等离子体之间的一种等离子体形式, 具有独特的物理特性, 可以在达到较高反应效率的同时, 保持较大的处理量; 在CH₄裂解制氢实验中, CH₄转化率可达22.1%-70.2%, 并随进气流量和CH₄/Ar比的增大均逐渐降低; H₂选择性为21.2%-61.2%, 并随进气流量的增大先基本不变后有所增大, 随CH₄/Ar比的增大逐渐降低; 与应用于甲烷裂解的不同形式的低温等离子体对比 (如微波、射频、介质阻挡放电等) 可以发现, 旋转滑动弧在获得较高甲烷转化率、较高H₂选择性和较低制氢能耗的同时, 还可以保持较大的处理量, 即进气流量可达6-20 L/min。

沉淀法回收生物油高温馏分中的酚类物质

赵欣, 李凯, 李明, 马善为, 朱锡锋

2016, 44(2): 201-208.

[摘要](67) [HTML全文] (100) [PDF 723KB](0)

摘要:
为了研究金属离子沉淀法对生物油高温馏分中酚类物质的回收, 提高生物油中化学物质的利用率, 利用气相色谱-质谱联用仪 (GC-MS) 从NaOH试剂浓度、反应温度和反应时间三个方面研究了镁离子对生物油中酚类物质的回收效果。结果表明, 镁离子与酚类物质形成了不溶物, 而且不同浓度的氢氧化钠溶液 (1.0-4.0 mol/L)、不同的反应温度 (25-85℃) 以及不同的反应时间 (5-35 min) 对实验结果有着不同程度的影响。结果表明, 在反应温度为25℃、氢氧化钠浓度为2.5 mol/L, 反应时间在20 min时为最佳反应条件。在此条件下, 对生物油高温馏分中对乙基苯酚的回收率可达34.97%。

新型碳基固体酸SO₄^2-/Nd₂O₃/C制备及催化油酸与甲醇酯化反应合成生物柴油研究

舒庆, 侯小鹏, 朱丽华, 申邦坡, 马飞, 王金福

2016, 44(2): 209-216.

[摘要](112) [HTML全文] (132) [PDF 2256KB](0)

摘要:
在流化床管式炉中, 通过对废山茶油壳进行高温炭化处理制备了一种碳基材料。以该碳基材料为载体, 并对其进行稀土金属离子钕和硫酸磺化改性, 合成了一种新型碳基固体酸催化剂SO₄^2-/Nd₂O₃/C。对制备而成的催化剂进行了多种物理化学表征分析, 并以其为经甲醇和油酸酯化反应来合成生物柴油的催化剂, 对其催化活性和稳定性进行了研究。结果表明, 当甲醇和油酸物质的量比为2:1, 催化剂与反应物质量比为2%, 反应时间为120 min, 反应温度为90℃, 油酸的转化率为96.70%。催化剂经循环使用三次后, 油酸的转化率仍高达86.74%。高催化活性可归因如下:由于Nd、O、S元素的电负性分别为1.14、3.44和2.58, 因而Nd易向O和S元素的2p空轨道提供孤对电子, 使Nd³⁺与SO₄^2-之间形成稳定的配位键。并且, 由于S=O键具有强吸电子作用, 而导致了与SO₄^2-配位的Nd³⁺所产生的静电场增大, 当有水 (强配体) 存在时, 可使SO₄^2-/Nd₂O₃/C催化剂呈现出强Br nsted酸性。

CuFe@SiO₂催化剂的制备及其在CO加氢合成低碳醇中的应用

侯宾, 韩信有, 林明桂, 房克功

2016, 44(2): 217-224.

[摘要](109) [HTML全文] (163) [PDF 5176KB](0)

摘要:
采用共还原-原位包覆法制备一系列SiO₂包覆铜铁双金属纳米颗粒的催化剂 (CuFe@SiO₂), 借助N₂物理吸附、XRD、TEM、SEM-EDS、XPS和H₂-TPR等手段对不同Cu/Fe物质的量比的CuFe@SiO₂催化剂的物理化学性质进行了表征, 并考察了催化剂在CO加氢合成低碳醇中的催化反应性能。结果表明, 所制得的催化剂均为孔分布处于介孔范围的SiO₂包覆的铜铁纳米颗粒。随着Cu/Fe物质的量比降低, 铜铁以复合氧化物存在的比例、总醇及C₂₊OH选择性先增大后减小。其中, 总醇及C₂₊OH选择性在Cu/Fe物质的量比为1时达到最大, 这是由于此时催化剂存在较多的CuFe₂O₄复合氧化物, 铜铁协同作用较强, 同时催化剂也呈现较大的比表面积及孔容, 有利于所生成的醇更快扩散至催化剂表面而避免二次加氢生产烃类。

水相法制备Ce-W@TiO₂催化剂的氨选择性催化还原NO (NH₃-SCR) 活性和抗SO₂性能研究

刘昕, 宁平, 李昊, 宋忠贤, 王燕彩, 张金辉, 唐小苏, 王明智, 张秋林

2016, 44(2): 225-231.

[摘要](110) [HTML全文] (170) [PDF 721KB](0)

摘要:
采用水相法制备了Ce、W、Ti复合氧化物催化剂并用于氨选择性催化还原NO (NH₃-SCR) 过程。TiO₂包裹型Ce-W@TiO₂催化剂表现出最佳的催化活性。205-515℃ NO转化率超过90%。SO₂的存在造成所有催化剂低温段NO催化转化率的降低和高温段 (425-540℃) NO催化转化率的升高, TiO₂@Ce-W表现出优越的低温抗SO₂性能。通过普通共沉淀法向Ce-W复合氧化物中引入Ti会导致催化剂表面W丰度、酸性位点的减少和低温NO转化率、耐SO₂性能的降低。通过水相法制备的TiO₂包裹型的Ce-W@TiO₂型催化剂, 有利于表面W丰度、酸性位点、低温抗SO₂性能和催化活性的提高。

SO₂对Mn-Ce/TiO₂低温SCR催化剂的毒化作用研究

闫东杰, 玉亚, 黄学敏, 刘树军, 刘颖慧

2016, 44(2): 232-238.

[摘要](139) [HTML全文] (97) [PDF 2675KB](0)

摘要:
考察了SO₂对Mn-Ce/TiO₂低温脱硝催化剂活性的影响, 利用XRD、BET、SEM和XPS对其毒化作用的原因进行分析。结果表明, SO₂对催化剂活性有明显的抑制作用, 使NO_x去除率由84%降至42%左右。主要是SO₂的加入造成催化剂比表面积减小, 孔径为5-10 nm的孔数量减少, 且催化剂晶相由锐钛矿型转化成金红石型结构, 活性组分MnO_x发生晶化现象, 破坏了Mn-Ti间的强相互作用。催化剂理化性质的变化造成吸附态氧转化为晶格氧的路径受阻、MnO₂含量减少和CeO_x储氧功能减弱, 并且产生氧阻效应而使NO吸附和解吸受阻, 造成催化剂活性降低。同时生成的硫酸铵盐在催化剂表面沉积, 覆盖了催化剂表面的Lewis酸性位, 使其对NH₃吸附能力减弱。

醋酸钯和四氯对苯醌催化氧化低浓度煤矿瓦斯制甲醇

徐锋, 李创, 贾韶洋, 吴扬, 朱丽华

2016, 44(2): 239-243.

[摘要](106) [HTML全文] (49) [PDF 694KB](0)

摘要:
利用自制的实验系统进行了醋酸溶液中低浓度瓦斯催化氧化制甲醇研究。实验结果表明, 以Pd(OAc)₂为催化剂, 反应体系中添加对苯醌或四氯对苯醌可改善甲烷活化环境, 四氯对苯醌对瓦斯催化氧化过程的作用效果好于对苯醌。四氯对苯醌用量、反应压力和反应温度对瓦斯催化氧化具有重要影响。甲醇生成量随四氯对苯醌用量、反应压力和反应温度升高而增加。CH₃OH是通过反应过程中产生的H₂O₂与CH₄相互作用形成的。CH₃COOCH₃一部分是由Pd²⁺直接氧化CH₄得到的;另一部分是由CH₃OH与反应溶剂CH₃COOH通过酯化反应形成的。

封装型Pt/SOD分子筛的合成及表征

刘红蕾, 刘帆, 薛达, 李福祥

2016, 44(2): 244-250.

[摘要](166) [HTML全文] (187) [PDF 10243KB](0)

摘要:
基于封装型贵金属分子筛的合成, 充分利用其择形性和氢溢流特性构建新型加氢催化剂, 选定Pt作为活性组分, 方钠石作为载体, 通过水热合成法直接将金属前驱体Pt (NH₃)₄Cl₂引进SOD合成母液中进行晶化, 合成了不同封装量的Pt/SOD分子筛。采用苯加氢反应测试样品的催化活性, 并运用XRD、SEM、TEM和H₂-TPD对样品进行表征。结果表明, 合成的不同封装量的Pt/SOD样品均具有良好的催化活性, 与溢流氢受体HZSM-5间均具有良好的氢溢流效应。其中, 当金属前驱体Pt (NH₃)₄Cl₂的用量为 (Pt (NH₃)₄Cl₂):(Si-Al gel) 比为0.030 g/g时, 所合成的Pt/SOD样品最佳, 催化苯加氢反应的苯转化率可达54.38%。

Cr³⁺改性NaY分子筛的吸附脱氮性能

洪新, 唐克

2016, 44(2): 251-256.

[摘要](178) [HTML全文] (130) [PDF 643KB](0)

摘要:
对Cr³⁺离子改性NaY分子筛的实验条件进行了研究, 通过XRD、FT-IR、N₂吸附-脱附等方法对改性后的CrY分子筛进行表征, 确定最佳改性条件为温度40℃, Cr³⁺浓度0.5 mol/L, 改性两次。FT-IR谱图表明, CrY分子筛波数1 147 cm^-1处峰明显消失, 且波数1 024 cm^-1峰与标准的NaY分子筛相比发生了蓝移现象, 可以判定Cr³⁺交换到分子筛骨架上。考察了吸附时间和温度对CrY分子筛吸附脱除模拟燃料中喹啉的影响。结果表明, 吸附温度对吸附影响不大, 可在室温下进行。CrY对喹啉的吸附主要为化学吸附, 且吸附类型为配位吸附和π络合吸附, 最佳吸附时间为30 min, 吸附等温线线性回归表明, CrY分子筛对喹啉吸附动力学模型为L型和F型混合吸附。

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