膜反应器中甲烷制合成气Ni-Ru/ZrO2催化剂积炭的研究

在膜反应器中,用Ni-Ru/ZrO_2催化甲烷部分氧化制合成气,并通过对反应平衡常数分析催化剂积炭反应机理,得出高温下催化剂积炭主要为CH_4分解积炭所致。分析了不同反应温度下催化剂的热重曲线、SEM和比表面积。TG表明,不同反应温度下催化剂都有积炭现象,且温度越高积炭现象越严重。SEM观察得出,温度为850～875℃时,积炭形状是丝状炭,900℃时积炭的形状是包容炭,丝状炭对催化剂的活性影响不大,而包容炭覆盖了催化剂的活性中心致催化剂活性下降。比表面积数据分析得知,900℃时催化剂具有比较大的比表面积,积炭导致反应后催化剂的比表面增大。     

焙烧温度对甲烷部分氧化反应Ni/SiC催化剂催化行为的影响

考察了不同焙烧温度下的Ni/SiC催化剂在甲烷部分氧化反应中的催化行为。反应结果表明,700℃下焙烧的催化剂具有稳定的高活性,而900℃下焙烧的催化剂活性下降很快。提高焙烧温度可以增强活性组分与载体的相互作用,同时也容易使催化剂活性组份颗粒变大。900℃下焙烧的催化剂在反应中容易积炭,而且积炭的形貌与低温下焙烧的催化剂不同。     

重整催化剂Ni2P/Al2O3-SAPO-11积炭失活规律研究

Ni2P/Al2O3 SAPO 11催化剂用于催化重整过程易于积炭失活。通过与Ni2P/Al2O3、Pt/Al2O3 SAPO 11及Ni/Al2O3 SAPO 11催化剂表面积炭行为对比,研究了该催化剂表面的积炭规律。以甲基环戊烷为积炭前驱物,在不同温度下进行加速积炭实验,采用热重 差示热分析表征催化剂表面积炭位置,并以环己烷、正庚烷为模型化合物对积炭前后催化剂进行脱氢 异构反应催化性能评价。结果表明,由于P原子的作用,Ni2P/Al2O3 SAPO 11重整催化剂具备一定的抗积炭性能,其积炭形成速率介于Pt/Al2O3 SAPO 11和Ni/Al2O3 SAPO 11催化剂之间;积炭在Ni2P/Al2O3 SAPO 11重整催化剂金属活性中心上形成后,逐步迁移到酸性载体上形成聚合度更高的积炭,并且酸性载体上的积炭是催化剂失活的主导因素。     

二甲醚在两种催化剂上裂解制低碳烯烃的反应

分别对ZSM-5分子筛催化剂和HPWO杂多酸催化剂在二甲醚催化裂解制低碳烯烃反应中的性能进行了研究。对ZSM-5分子筛催化剂,考察发现具有优良的二甲醚催化裂解活性,且在450℃时催化反应性能最优,二甲醚转化率大于90%,产物中低碳烯烃的摩尔含量也高于50%,但在该温度下催化剂易于积炭失活。对HPWO杂多酸催化剂,考察发现虽然二甲醚最优转化率较低(10%),但适宜的反应温度也较低(为300℃),且在该温度下催化剂不易发生积炭。     

催化裂解待生催化剂上焦炭的构成研究

在小型固定流化床催化裂化装置上,模拟催化裂解（DCC）工艺条件,考察质量空速、催化剂老化时间及催化剂上Ni含量对待生催化剂上积炭构成的影响。结果表明：在反应温度、剂油质量比不变的条件下,随质量空速的增大,待生催化剂上的焦炭量呈减少趋势,最终趋于定值（极限焦炭量）,极限焦炭量为该反应温度下可汽提焦与附加焦量之和;附加焦与原料的残炭相关,在反应温度为565 ℃的条件下,有86.7%的原料残炭转化为焦炭;随着催化剂老化时间的增加,催化剂比表面积减小,附加焦与可汽提焦量之和减小,可汽提焦的量与催化剂的比表面积呈二次函数关系;在相同的质量空速下,随着催化剂上Ni含量的增加,待生催化剂上生焦量增加,且质量空速较低时,Ni含量的影响加大;在反应温度为565 ℃、剂油质量比为8、质量空速为4 h-1的条件下,可汽提焦占待生剂上焦炭总量的42.64%,比前期工作者得出的值提高约30百分点。     

Ca基固体碱制备及其重油裂解气化性能

采用固相合成法制备Ca基固体碱催化剂,并利用N2吸附技术、XRD、FT IR及Hammett指示剂法对催化剂进行表征。采用双管反应器进行常压渣油催化裂解和气化再生实验,考察了反应温度、水/油质量比、剂/油质量比等对裂解产物中烯烃分布的影响,并考察了不同积炭量对待生剂气化性能的影响。结果表明,铝酸钙催化剂具有较强的碱强度和总碱量、较小的比表面积和孔容积。在反应温度750℃、水/油质量比10、剂/油质量比70时,催化裂解性能最优,乙烯质量产率达到214%,总烯烃质量产率为296%。积炭量对待生剂气化性能影响不明显。再生剂的总碱量略有减小,合成气以H2和CO2为主且含量达到89%（体积分数）。将催化裂解和气化再生整合,实现了热量耦合,达到综合利用重油的目标。     

镍铁双金属催化剂的制备及其催化甲烷裂解性能评价

催化甲烷裂解(CMD)可产出不含CO_x的氢气和高附加值的炭材料,是一种潜在的环境友好型制氢工艺。为了开发一种高效的CMD催化剂,以泡沫镍和Fe(NO₃)₃·9H₂O为前驱体、MgO粉末作为载体,采用熔融法制备了镍铁双金属催化剂。考察了双金属负载比例、焙烧温度(550～850℃)和CMD反应温度(600～850℃)对镍铁双金属催化剂的CMD反应催化性能的影响。结果表明,当镍和铁的负载量(质量分数)分别为11%和25%,焙烧温度为600℃时,所得催化剂在850℃下的CMD反应中表现出良好的催化活性和稳定性,甲烷转化率达94%以上。采用塔曼温度分析了镍铁双金属催化剂的形成过程及镍铁双金属之间的潜在协同作用,并利用柯肯达尔效应解释了形成的积炭形态和催化剂的潜在失活原因。     

甲烷在Ni-Nb2O5和Ni-TiO2催化剂上催化裂解制氢

考察了不同载体负载的Ni催化剂催化甲烷裂解制氢的性能.结果表明,Ni-TiO2和Ni-Nb2O5具有优良的催化裂解甲烷制氢性能,其单位产氢量和Ni的负载量相关.TEM结果显示,Ni-TiO2和Ni-Nb2O5催化剂裂解甲烷产生纤维碳.     

轻烃在积炭催化剂上的裂解反应性能研究

为了减少多产低碳烯烃的催化裂化过程中轻烃二次反应的氢气、甲烷和焦炭等副产物产率,以炼油厂轻烃和2-甲基-2-丁烯为原料,在小型固定流化床装置上考察了反应温度和催化剂床层密度对轻烃裂解反应性能的影响,探讨轻烃反应条件与副产物的关系;并以回炼油或常压渣油为积炭前体,将其与再生剂反应,形成一系列不同积炭覆盖程度的积炭催化剂,进一步考察轻烃在积炭催化剂上的裂解反应性能。结果表明：提高反应温度和催化剂床层密度都能使丙烯收率提高,但是提高反应温度会引起氢气和甲烷产率快速增长,而提高催化剂床层密度则会引起焦炭产率快速增长;轻烃在积炭催化剂上反应时氢气、甲烷和焦炭的总产率明显降低,而丙烯收率基本不变;积炭催化剂经多次循环使用后,仍可保持较好的轻烃裂解反应性能,具有良好的活性稳定性;以回炼油为前体的积炭催化剂的性能优于以常压渣油为前体的积炭催化剂。     

高积炭连续重整催化剂的烧焦与结焦分析

在实验室进行了连续重整装置死区高积炭催化剂的烧焦实验,同时对死区高积炭再生催化剂的物性进行了表征。结果表明：死区高积炭催化剂含有石墨炭;在低氧含量（体积分数为1.0%）的条件下,烧焦温度达到540 ℃以上时,死区催化剂上的积炭可以被引燃;在高氧含量（体积分数为21%）的条件下,烧焦温度为480 ℃时,死区催化剂上的积炭可以被烧尽。     

甲烷水蒸气重整和部分氧化反应制合成气

研究了Ni担载量大小，CeO₂、La₂O₃ 和ZrO₂助剂及反应条件对Ni/γ-Al₂O₃作为催化剂的甲烷水蒸气重整和部分氧化制合成气反应的影响。实验表明：在反应温度为850 ℃，甲烷空速为1.2×10⁴mL/g·h，V（CH₄）∶V（O₂）∶V（水蒸气）=2∶1∶1时，催化剂Ni含量在9％时反应性能最佳，甲烷的转化率和CO的选择性分别为97％和94％，反应3小时后有积炭存在。向Ni/γ-Al₂O₃催化剂中添加CeO₂、La₂O₃、ZrO₂助剂后发现，添加6％CeO₂对改善催化剂的活性和抗积炭能力有显著的效果，CH₄的转化率和CO的选择性分别提高到98.2％和96.4％，而且反应3小时后催化剂活性没有降低。XRD测试结果表明，添加CeO₂后的催化剂生成了NiAl₂O₄尖晶石，这有助于催化剂的抗积炭性能。     

甲烷、二氧化碳转化制合成气的研究——Ⅰ.催化剂及其催化性能

采用固定床流动反应装置研究了金属负载型催化剂对甲烷二氧化碳转化制合成气的催化活性,考察了催化剂活性组份、载体及反应条件等对合成气生成量的影响。发现负载型Ni/Al_2O_3催化剂对甲烷二氧化碳转化具有高催化活性,其合成气生成量随反应温度升高或压力降低而增加。通过测定发现,当镍负载量低于13.15w％时,即使在热力学积炭区使用Ni/Al_2O_3催化剂,它也具有高抗积炭性能。考察了Ni/Al_2O_3-5催化剂在700℃下连续运行120小时的瞬间活性,发现产物合成气摩尔含量一直保持在91％左右,催化剂活性无任何降低趋势。     

Ni/BaTiO_3/γ-Al_2O_3催化剂的结构及其甲烷二氧化碳重整性能研究

以溶胶-凝胶法将BaTiO3负载于γ-Al2O3表面,合成出不同BaTiO3质量百分比的复合载体BaTiO3/γ-Al2O3。采用XRD、IR技术对复合载体BaTiO3/γ-Al2O3的结构进行了研究,考察了复合载体负载的镍基催化剂Ni/BaTiO3/γ-Al2O3在CH4-CO2重整反应中的抗积炭和稳定性能。结果表明:BaTiO3粒子以不连续的方式分散在γ-Al2O3的表面,致使原位氢还原后Ni/Ba-TiO3/γ-Al2O3催化剂的供电子强度相对削弱,抑制了CH4-CO2重整过程一氧化碳的歧化反应。Ni/25.4%BaTiO3/γ-Al2O3催化剂在700℃较低重整反应温度下的抗积炭和稳定性能明显优于Ni/BaTiO3和Ni/γ-Al2O3催化剂。     

甲烷催化部分氧化制取合成气的研究Ⅱ．添加贵金属Pt的Ni／Al_2O_3催化剂的研究

采用固定床流动反应装置研究了添加贵金属Ｐｔ的Ｎｉ／α－Ａｌ２Ｏ３催化剂对甲烷部分氧化制取合成气的催化活性；考察了不同Ｐｔ添加量、ＣＨ４／Ｏ２配比、反应温度、空速等因素对催化剂性能的影响。结果表明，Ｎｉ／Ａｌ２Ｏ３添加Ｐｔ后其活性和ＣＯ及Ｈ２的选择性明显提高     

镍催化剂制备条件对羰化性能的影响

研究了催化剂制备因素对Ni/AC催化剂的甲醇气相羰化活性的影响。结果表明,水洗能明显增大载体比表面积,载体经0.4mol/L酸洗后制得的催化剂羰化活性较高。甲醇的转化率和羰化产物的总收率在催化剂w(Ni)为8%时达到最高。低温焙烧几乎无醋酸生成,适宜的焙烧温度为450℃、还原温度为550℃;还原温度过高,会导致少量活性中心聚集,影响催化活性。     

Ni基催化剂管式固定床甲烷重整反应器中积炭效应的数值模拟

在综合考虑积炭效应对催化剂孔隙率以及催化剂活性影响的基础上,通过建立包含动量、能量、质量传递以及化学反应动力学方程的多物理场耦合数值模型,从热质传递的角度,计算了Ni基催化剂管式固定床甲烷重整反应器中的积炭效应,阐明了包含多孔介质催化剂段的反应通道中的速度、温度及压力场分布,并指出了在通道中随气体流动扩散的可移动炭以及催化剂表面沉积炭浓度分布规律,分析了积炭对催化剂孔隙率、活性以及反应通道压降的影响,并进一步讨论了甲烷浓度以及温度对积炭产生的影响,最后提出了消减积炭的方法。     

甲烷水蒸气重整的Ni基整体式催化剂的制备和表征

以堇青石为基体制备了不同MgO改性的Ni基整体式催化剂,并对催化剂的结构和甲烷水蒸气催化重整反应性能进行了测试。XRD和H2-TPR结果表明,添加MgO不仅促进了催化剂上的NiO分散性能,而且增强了NiO与载体之间的相互作用。XPS结果表明,过量MgO的添加明显地降低了催化剂表面的Ni原子浓度,这是高MgO含量催化剂活性下降的主要原因。10%Ni/5%MgO/Si-Al/D催化剂具有较好的甲烷水蒸气催化重整催化性能,在反应温度800℃,空速27000mL/(g·h),V(H2O)/V(CH4)为2时,甲烷转化率为98.3%,CO的选择性为78.6%,n(H2)/n(CO)为3.6。     

甲烷部分氧化制合成气的研究——不同Ni担载量催化剂的反应活性考察

在微型固定床反应器中,考察了不同担载量的镍系催化剂对甲烷部分氧化制合成气的催化反应行为的影响。结果表明：ｗ（Ｎｉ） ＝ ５ ％ 催化剂上的甲烷部分氧化的活性和ＣＯ 选择性最佳,在８２０ ℃时,该体系能获得９１－３ ％ 的ＣＨ４ 转化率,９７－２ ％ 的ＣＯ 选择性。在实验温度７５０ ～８７０ ℃内,随着反应温度的升高,该催化剂上的催化活性和ＣＯ 选择性均增加。在８７０ ℃时,ＣＨ４ 转化率为９４－３ ％ ,ＣＯ 选择性为９７－６ ％ 。用ＴＰＲ、ＸＲＤ 表征该系列催化剂的物化特性,将ＴＰＲ 和ＸＲＤ 的表征结果（ ｗ（Ｎｉ） ＝ ５ ％ 的催化剂没有ＮｉＯ 晶相,而 ｗ（Ｎｉ） ＝ ８ ％ ～１８ ％ 的催化剂有该晶相） 及反应温度与Ｎｉ 担载量进行关联,可解释反应结果。     

Ni/La-BaTiO3催化剂的低温CH4/CO2重整性能研究

镧液相掺杂合成了不同镧含量的La-BaTiO3载体,再通过浸渍负载活性组分制备出Ni/La-BaTiO3催化剂。通过CH4/CO2连续重整制合成气反应,考察常压下、700℃和750℃温度的Ni/La-BaTiO3催化剂稳定性和积炭性能;采用CO2脉冲反应评价了700℃低温重整条件下各Ni/La-BaTiO3催化剂上一氧化碳的歧化反应程度。结果表明,一氧化碳的歧化反应程度对催化剂低温CH4/CO2重整的稳定性和积炭性能影响显著,Ni/1.05%La-BaTiO3是最佳的低温CH4/CO2重整催化剂。