小型高溫高壓反應器及加壓炭催化CH-,4--CO-,2-重整研究.pdf

1、CH4-CO2重整技術有效地將甲烷利用和二氧化碳轉化結合在一起，獲得適合費托、甲醇和羰基合成的原料氣，近年來，相關研究受到廣泛關注。尤其是筆者所在課題組開展的焦爐煤氣中CH4和氣化煤氣中CO2重整制合成氣技術，該技術作為“雙氣頭”多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的關鍵技術之一，2005年獲得了國家重大基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)的支持。技術經(jīng)濟分析表明，如果甲烷二氧化碳重整反應能在加壓(2～4MPa)下進行，可以降低過程的能耗。盡管增加壓力不利于體積增大的

2、CH4-CO2重整反應，但是在課題組承擔的“973” 項目《炭催化CH4-CO2重整研究》中期評估會上，評估專家經(jīng)過認真、深入的討論，提出“增加開展加壓炭催化CH4-CO2重整研究”的要求。本文根據(jù)專家要求開展了常壓和加壓炭催化CH4-CO2重整實驗研究。首先研究開發(fā)了小型高溫高壓反應器，以該小型反應器為核心搭建了一套高溫高壓反應系統(tǒng)，然后在小型高溫高壓反應裝置上系統(tǒng)地研究了反應壓力、反應溫度、原料氣配比、停留時間等因素對炭催化CH4-

3、CO2重整反應的影響。采用BET、紅外光譜和SEM等現(xiàn)代儀器分析手段對炭催化劑進行積碳、比表面積、孔徑、吸附量、含氧官能團等分析，探討了炭催化劑結構和催化特性。獲得的主要結果和研究結論如下：
　　 1. 采用高溫區(qū)平衡壓力，高壓區(qū)降低溫度的原理，研究開發(fā)出一種內(nèi)加熱式小型高溫(1200℃)高壓(12MPa)反應器，其加熱段長度為400mm；石英反應管的內(nèi)徑為30mm；反應器不同位置留有四個測溫孔。
　　 2. 建立了小型

4、反應器基本傳熱方程，反應器溫度分布模型，用傳熱方程確定了保溫材料厚度120mm；確定了反應器主體圓筒、封頭和小法蘭厚度分別為40mm、23.2mm和75mm；反應器軸向溫度呈梯型分布，加熱段存在長度為25cm的恒溫區(qū)；在給定反應壓力的條件下，反應器外表面的溫度基本不變；小型反應器完全符合設計和實驗要求。
　　 3. 炭催化劑對CH4裂解和CH4-CO2重整反應都具有明顯的催化作用。在950℃，停留時間6s條件下，非催化CH4裂解

5、中甲烷的轉化率小于5.0[％]，炭催化CH4裂解中甲烷轉化率達到20.6[％]；非催化CH4-CO2重整反應中CH4和CO2轉化率都小于5.0[％]，炭催化條件下CH4和CO2轉化率分別為50.0[％]和72.3[％]，充分證明了炭催化劑在甲烷裂解和CH4-CO2重整反應中的催化作用。
　　 4. 炭催化CH4-CO2重整反應中，隨著溫度的提高CH4和CO2的轉化率迅速增大；升高反應壓力，CH4和CO2的轉化率降低；停留時間的延

6、長，有利于甲烷和二氧化碳重整反應的進行，提高甲烷二氧化碳轉化率。
　　 5. 炭催化條件下CH4和CO2的轉化率開始較高，一段時間后逐漸降低并趨于穩(wěn)定，這主要是由炭催化劑中活性物質(zhì)逐漸被消耗或者活性中心被積炭覆蓋而導致的催化劑活性降低所引起的。
　　 6. 采用SEM、BET和FITR等分析手段對炭催化劑進行了表征。分析表明，原樣炭催化劑中的炭可分為邊沿炭和本體炭兩類。邊沿炭有較高的催化活性和氣化反應性，但很快被消耗；本