一步法煤制天然氣催化劑設(shè)計(jì)及工藝研究.pdf

1、能源是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，鑒于我國(guó)富煤貧氣的基本國(guó)情，大力發(fā)展清潔煤技術(shù)是實(shí)現(xiàn)我國(guó)能源安全的重要保證。一步法煤制天然氣技術(shù)是指在催化劑的作用下，煤粉顆粒與通入的水蒸氣發(fā)生反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)在一個(gè)反應(yīng)器中同時(shí)發(fā)生煤氣化和甲烷化反應(yīng)生成天然氣的技術(shù)。在該技術(shù)中甲烷化反應(yīng)釋放的熱量可為煤氣化反應(yīng)提供部分所需熱量，從而降低能耗。與傳統(tǒng)的煤氣化轉(zhuǎn)化技術(shù)（兩步法）相比，一步法煤制天然氣技術(shù)設(shè)備少，投資小，能耗低，因此成為新的研究熱點(diǎn)。本文利用固定床反應(yīng)器對(duì)

2、制備的一步法煤制天然氣催化劑進(jìn)行了研究，詳細(xì)的考察了工藝參數(shù)對(duì)反應(yīng)的影響，并建立了動(dòng)力學(xué)模型，最后對(duì)催化劑的回收和工藝改進(jìn)做了初步探究，具體工作如下:
　　1、采用浸漬法制備了K-Ni復(fù)合催化劑，在固定床反應(yīng)器中，考察了不同活性組分含量的催化劑的催化性能以及煤種對(duì)催化劑性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明K-Ni復(fù)合催化劑中活性組分K和Ni具有協(xié)同效應(yīng)，可生成具有高活性的K2NiO2和K3Ni2O4使反應(yīng)速率加快;當(dāng)K∶Ni=2∶1時(shí)，其催化

3、效果是單組份K2SO4的2-3倍;引入CaO可有效吸收反應(yīng)生成的CO2，促進(jìn)反應(yīng)向生成CH4的方向進(jìn)行;在K∶Ni∶C=2∶1∶1.5時(shí)，甲烷含量較未加CaO均提高40％左右。
　　2、考察了溫度、壓力、催化劑負(fù)載量和初始水碳比等工藝參數(shù)對(duì)反應(yīng)的影響，并確定了最佳工藝條件。結(jié)果表明:升高溫度可使碳轉(zhuǎn)化率明顯增加，低于700℃時(shí)，甲烷化反應(yīng)未達(dá)到平衡，氣體生成受動(dòng)力學(xué)控制，適宜的反應(yīng)溫度為600-700℃;升高壓力對(duì)CH4產(chǎn)率促進(jìn)明

4、顯，合適的反應(yīng)壓力為2.0 MPa;碳轉(zhuǎn)化率隨著H2O流量增加而增加，在初始水碳比達(dá)到1∶1時(shí)，顆粒表面水蒸氣接近飽和，繼續(xù)增大水碳比，碳轉(zhuǎn)率增加緩慢，而CH4產(chǎn)率呈先增大后減小的趨勢(shì)，在水碳比為1.0附近存在最大值。添加催化劑可明顯提高CH4產(chǎn)量，K-Ni二元復(fù)合催化劑的負(fù)載飽和度為10％。
　　3、采用三種動(dòng)力學(xué)模型（均相反應(yīng)模型，縮核模型及修正隨機(jī)孔模型）對(duì)煤-水蒸氣催化氣化動(dòng)力學(xué)曲線進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果表明，修正隨機(jī)孔模型效

5、果最好。采用K-Ni-Ca三元復(fù)合催化劑可使神木煤焦顆粒的活化能下降101.88kJ·mol-1，使氣化反應(yīng)在更溫和的條件下快速進(jìn)行。
　　4、對(duì)催化劑的回收進(jìn)行了初步研究，采用逐級(jí)水洗和水渣分離的方法將盡可能多的催化劑富集到溶液當(dāng)中，然后再負(fù)載在新鮮待反應(yīng)的煤焦上，進(jìn)行催化氣化“一步法”煤制天然氣研究。研究表明當(dāng)洗滌時(shí)間4h，水渣比20∶1，洗滌次數(shù)為4次，攪拌速率400 r·min-1，催化劑可回收80％左右。最后對(duì)煤-水蒸氣