甲烷二氧化碳重整工艺研究及经济性分析

甲烷二氧化碳重整以天然气和二氧化碳为原料,可有效实现二氧化碳的减排,具有良好的经济和社会意义。分别对甲烷二氧化碳重整、甲烷二氧化碳自热重整及三重整工艺进行了模拟计算与工艺研究。结果表明:(1)温度升高、n(CO_2)/n(CH_4)配比增加,甲烷转化率提高;(2)同样温度下,n(CO_2)/n(CH_4)配比增加,产品气中n(H_2)/n(CO)配比下降;(3)对自热重整和三重整工艺来说,进料配比对原料转化率、n(H_2)/n(CO)、反应体系积炭量以及热耦合有较大的影响;(4)在适当的进料配比下,反应体系可实现积炭量为零且系统自热,其中甲烷二氧化碳自热重整工艺较优的进料配比为n(CH_4)/n(CO_2)/n(O_2)=1:0.9:0.6,甲烷三重整工艺较优的进料配比为n(CH_4)/n(CO_2)/n(H_2O)/n(O_2)=1:0.4:0.9:0.6;(5)三种工艺的能耗大小依次为甲烷二氧化碳自热重整<甲烷三重整<甲烷二氧化碳重整,基于单位体积合成气的能耗比值为0.93:0.97:1。     

氧气/甲烷比对Mo/Al_2O_3催化剂上甲烷二氧化碳重整反应的影响

实验研究了进料CO_2/CH_4、O_2/CH_4比对Mo/Al_2O_3催化剂上甲烷二氧化碳重整反应的影响,并利用XRD、H_2-TPR等技术对催化剂和载体进行表征。结果表明,当n(CO_2)/n(CH_4)从1提高到1.5时,可以明显提高甲烷转化率和催化剂的稳定性。CO_2含量的降低会使甲烷的转化率降低,且在n(CO_2)/n(CH_4)比降低为0.125时会使催化剂的活性快速下降。当n(O_2)/n(CH_4)比为0.1时,会明显提高甲烷二氧化碳的转化率和H_2、CO的生成速率。但是当n(O_2)/n(CH_4)从0.4提高到0.6时,甲烷会与氧气发生部分氧化反应和完全氧化反应,从而抑制甲烷二氧化碳重整。     

基于Aspen Plus的甲烷三重整热力学模拟

为了优化反应条件及提高催化剂的反应效率,从热力学角度对甲烷三重整的反应过程进行了分析,求出了平衡常数与温度的关系式,据此对重整过程中各反应的竞争能力进行了比较。研究了反应温度、压力对重整结果的影响。利用Aspen Plus软件采用排列组合的方法,求出了1 331种不同进料比下CH_4、CO_2转化率、n(H_2)/n(CO)、积碳量及反应器热负荷的值,并进行了筛选。结果表明,升温有利于CH_4和CO_2的转化,但压力升高不利于反应的正向进行,从而确定了最佳反应温度和压力分别为1123.15 K和101.325 kPa。在此条件下,当n(CH_4):n(CO_2):n(H_2O):n(O_2)为1:0.2:0.1:0.5时,积碳量为零且系统能够实现自热。此时,CH_4和CO_2的转化率分別为99.35%和46.98%,n(H_2)/n(CO)=1.73。     

乙酸甲酯水蒸气重整制合成气热化学平衡分析

采用Gibbs自由能最小化法对乙酸甲酯(MC)水蒸气重整制合成气反应进行热化学平衡计算,考察了温度、水酯比(n(H_2O)∶n(MC))和压力等因素对MC水蒸气重整制合成气反应产物的影响。实验结果表明,随温度升高,合成气含量明显增大,氢碳比(n(H_2)∶n(CO))、CH_4和CO_2含量则减小,在800~1 000℃时,合成气含量达最大,氢碳比较稳定,有利于合成气的制备;在温度大于800℃时,随水酯比的增加,合成气含量先增大后减小,在水酯比为4时较为适宜;随压力增加,合成气含量减小,CH_4和CO_2含量增加,低压有利于合成气的制备。在800~1 000℃、水酯比为4、常压条件下,MC水蒸气重整制合成气含量可达86%(φ)。     

甲烷二氧化碳重整热力学分析

为了优化反应条件及提高催化剂的反应效率,采用平衡常数法对甲烷二氧化碳重整制合成气进行了热力学分析,计算出该反应发生的最低可行温度为914K。研究了反应温度、压力及反应原料进气组成对重整特性的影响。结果表明,温度在1 123K和常压下,CH4和CO2的转化率可分别达到94.47%和97.31%,且温度升高有利于转化率的提高,而压力升高却不利于反应正向进行。随着原料气中n(CH4)/n(CO2)比值的增加,CH4和CO2转化率呈现单调但相反的变化趋势,当n(CH4)/n(CO2)=1.2时,CO2的转化率可达99.29%,n(H2)/n(CO)为0.99。O2含量增加,使CH4和CO2转化率分别升高和降低,且使n(H2)/n(CO)的值增加;当n(CH4)∶n(CO2)∶n(O2)=1.2∶1∶0.575时,能使反应实现自热。     

甲烷二氧化碳重整制合成气催化材料及工艺探索研究

介绍齐鲁研究院在甲烷二氧化碳重整制合成气催化材料及工艺研究方面的探索成果。试验结果表明:在压力0.5 MPa、甲烷空速1 500~2 000 h-1、n(CO_2)∶n(H_2O)∶n(CH_4)=1.5∶1.2∶1、入口温度620~650℃、出口温度800~950℃条件下,催化剂均具有良好的活性和稳定性,可获得高一氧化碳含量的合成气,具有广泛的应用前景。     

MgO改性Ni/γ-Al_2O_3催化剂用于甲烷重整制取合成气研究

采用分步浸渍法制备了不同MgO含量改性的γ-Al2O3载体Ni基催化剂,并利用XRD、H2-TPR对催化剂进行表征。在γ-Al2O3中添加适量的MgO,使得γ-Al2O3表面形成MgAl2O4尖晶石,改善催化剂的反应性能。考察了催化剂MgO添加量,反应温度和压力对甲烷蒸汽重整以及甲烷二氧化碳重整反应的影响,以及原料气CO2/CH4比对甲烷-二氧化碳-水蒸汽三重整制得的合成气的H2/CO比的影响。催化剂最佳的MgO添加量为10%质量分数。在甲烷-水蒸汽-二氧化碳混合重整反应中,当n(H2O)/n(CH4)为1时,n(CO2)/n(CH4)在0.4~0.5之间能得到n(H2)/n(CO)约为2的合成气。     

甲烷干重整制CO全流程模拟及工艺优化研究

提出了一种甲烷干重整制CO新工艺,在重整产物H_2和CO分离后,将H_2循环到甲烷燃烧系统,为重整反应提供所需的热量,并采用RPlug和RGibbs反应器模型对新工艺进行了全流程模拟,在此基础上对该工艺的操作条件和能量回用进行了优化。研究结果表明最佳的进料配比CH_4/O_2/CO_2物质的量比为4/2/1,此时CH_4的转化率达到93%,CO和焦炭的选择性分别为98%和2%;水蒸气的加入会降低CO_2的转化率,但是能够促进消碳反应的进行,抑制催化剂反应活性的下降;随着循环H_2流率的增加,CO_2的转化率逐渐上升,同时CO的选择性也随之提高;而当操作压力增加时,CH_4的转化率会逐渐下降。     

二氧化碳甲烷自热重整计算分析与中试

运用Gibbs自由能最小化方法和耦合详细反应动力学的计算流体力学(CFD)方法对CO_2-CH_4自热重整进行了相关的计算分析。结合自主研发的反应器和催化剂,在山西省潞安集团煤制油低碳循环经济园区进行了原料气处理量10 000m~3/h、运行压力2MPa、新型镍基催化剂装填量约5t的中试实验,获得合成气中甲烷摩尔分数小于1%、n(H_2)/n(CO)=1.1、有效气摩尔分数为60.7%的合成气。其中,CO_2-CH_4自热重整反应器设计主要尺寸为:内径1.6m,燃烧高度3.0m,催化剂装填高度2.8m,反应器总体高度约13.8m。     

不同原料气甲烷化制天然气的热力学分析

由于不同原料气组成不同,会对甲烷化过程造成不同影响。通过建立基于吉布斯自由能最小法的热力学模型,利用ASPEN Plus软件对合成气、焦炉煤气和煤热解气三种原料气CO甲烷化体系进行热力学分析,探讨了温度和压力及原料气组成(O_2、CH_4、CO_2和C_2H_4)对CO转化率、CH_4选择性和产率及积炭的影响,寻找出每种原料气甲烷化过程中的主导因素,确定出合适的工艺条件,优化甲烷化工艺。研究表明:低温高压有利于甲烷化反应的进行。合成气中CH_4对CH_4选择性和收率影响较小,所以可采用产品气循环工艺;但高温下CH_4和CO_2都导致积炭增加,应采用低温反应且严格控制CO_2含量。而对焦炉煤气来说采用较高压力即可消除甲烷对反应的影响;CO_2和C_2H_4对反应造成影响较小,可采用补碳工艺来平衡原料气中过量氢气。煤热解气本身含碳量高,CH_4、CO_2和C_2H_4均导致积炭加剧,因此不建议采用产品气循环工艺且要严格控制CO_2含量,并脱除C_2H_4等气态烃类化合物。从安全和催化剂失活方面考虑,焦炉煤气和热解气中应尽可能减少O_2含量。