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基于生物质合成气的焦油模型组分甲苯二氧化碳催化重整转化研究

孔猛  
【摘要】:生物质热化学气化制可燃气(生物质基合成气)是目前极具发展前景的生物质利用技术,所制可燃气可用于燃气发电或合成清洁液体燃料。然而,生物质基合成气中含有较多的焦油副产物,其存在能够堵塞气化管道、损害内燃气设备、破坏生态环境、威胁人体健康,成为制约生物质基合成气利用的关键因素。在众多焦油脱除技术中,将焦油定向转化为可被后续过程利用的合成气成为最佳的研究方案。鉴于生物质合成气中同时含有10v.%以上的二氧化碳,本论文提出通过二氧化碳与焦油进行催化重整的方式,将焦油定向转化合成气,与此同时也减少了温室气体CO2的排放量。该重整反应的一个关键问题就是如何获得高效稳定的实用型催化剂。本论文以甲苯为焦油模型组分,流化床为重整反应器,研究了影响镍催化剂重整活性的关键性因素,主要研究结果如下: 采用浸渍法制备了SiO2、ZrO2、α-Al2O3、γ-Al2O3和MgO载体负载镍的催化剂,在甲苯二氧化碳重整反应中,获得了在650℃较低反应温度下甲苯的转化可达100%的高活性Ni/MgO催化剂,达到了目前文献报道中甲苯转化效果的最高水平。研究发现,载体与活性组分Ni之间的相互作用程度和载体的性质是影响催化剂的重整性能的关键性因素。在载体与Ni物种弱相互作用的Ni/SiO2和Ni/ZrO2催化剂上,Ni物种主要以游离NiO形式存在,虽然Ni物种的可还原程度高,但还原后金属Ni晶粒大并容易产生不易被二氧化碳消除的积碳,造成催化剂的反应活性低和稳定性差。在载体与Ni强相互作用的Ni/Al2O3和Ni/MgO催化剂上,Ni物种与载体发生化学反应,主要的Ni物种分别是NiAl2O4尖晶石和NiO-MgO固溶体结构。这导致Ni物种的还原程度降低,但还原后有利于获得高分散和小颗粒尺寸的金属Ni物种,从而促进甲苯的转化。载体的酸碱性对积碳也有明显的影响。酸性γ-Al2O3载体负载的催化剂上,容易形成覆盖Ni活性位点的积碳,因而导致催化剂迅速失活;而碱性的MgO载体因可以吸附酸性的CO2气体而能够抑制积碳的产生,使Ni/MgO催化剂具有较高的稳定性。 通过改变还原温度、反应温度以及反应物中组分比例等,研究了Ni/MgO催化剂及其在甲苯二氧化碳重整反应中的特性。重整反应结果表明:Ni/MgO催化剂的初始反应活性与催化剂表面活性Ni物种的数量之间具有良好的线性关系。通过H2-TPR和H2脉冲吸附表征发现,高温还原虽然一方面有利于提高Ni物种的还原程度,但是另一方面却导致了金属Ni物种的烧结,造成活性Ni物种数量减少,因此催化剂活性降低。根据不同重整温度和反应中二氧化碳与甲苯的摩尔进料比下,催化剂的活性和积碳情况,发现甲苯的二氧化碳重整反应包含两步反应,一是甲苯的催化裂解反应(产生积碳中间物种),二是裂解产物与活化了的CO2进行的氧化反应,当氧化反应速率低于裂解反应速率时,催化剂表面产生积碳。降低重整温度、减少反应体系中CO2的含量和增加甲苯进样量时发现,甲苯转化率都会下降,同时催化剂表面的积碳量增多,表明裂解产物与CO2之间的氧化反应是重整过程的决速步骤。 通过提高Ni的负载量、改变焙烧温度和制备方法,详细研究了Ni/MgO催化剂中Ni组分分布及其与MgO载体作用程度的控制方法。XPS、Raman和H2-TPR分析结果显示,Ni/MgO催化剂上Ni物种的还原程度低,仅催化剂的表面的Ni物种能够被还原,而体相NiO-MgO固溶体结构难以被还原;在还原温度为700℃时,可还原性的Ni物种由游离NiO和表层NiO-MgO固溶体组成,其中由游离NiO还原产生的金属Ni物种易烧结、颗粒大,不利于甲苯的转化。因此,增加Ni/MgO催化剂中可还原Ni物种数量,尤其是由催化剂表面非游离NiO还原产生的活性Ni物种数量,是获得较高重整活性的关键。 采用不同方法添加Mn助催化剂,研究了Mn对Ni/MgO催化剂中Ni物种和MgO之间作用的影响。XRD、H2-TPR、Raman和H2脉冲吸附结果显示,Mn物种的添加方式可以显著影响Ni/MgO催化剂中可还原Ni物种的数量。采用浸渍法和沉积法添加Mn的MgO载体上,载体表面形成了Mg6MnO8复合氧化物,负载Ni组分后,该复合氧化物仍存在于催化剂表面。在还原过程中其还原产物MnO可覆盖金属Ni物种,使得催化剂中表面可被利用的活性Ni物种数量减少、重整活性差。而采用机械混合MnO2和MgO再焙烧的载体上,Mn物种以Mn2O3存在,其对MgO的覆盖程度低。浸渍Ni的过程中,Mn物种可作为载体负载部分Ni物种,使得还原后获得更多的表面活性Ni物种。H2脉冲吸附结果显示,在上述方法制备Ni/MnO-MgO催化剂上,活性Ni物种数量比Ni/MgO催化剂增加了近80%,570℃时甲苯转化率可提高到90%,而Ni/MgO催化剂在同等条件下转化率为72%。 通过浸渍法制备了Co和Co-Ni为活性金属组分的催化剂,研究了Co/MgO和Co-Ni/MgO催化剂的甲苯二氧化碳重整性能。XRD、H2-TPR和H2脉冲吸附结果表明,Co/MgO催化剂中存在CoO-MgO固溶体结构;相比于Ni/MgO中的Ni物种,Co物种的还原程度度更低,但是还原后的金属的表面积更大,因此在反应中Co/MgO的催化活性高于Ni/MgO催化剂。但是Co/MgO催化剂在Co含量较低(12%)时失活迅速。原位还原实验表明,金属Co物种被氧化是主要的失活原因,这与Ni基催化剂的失活原因明显不同。H2-TPR和H2脉冲吸附结果表明,在双金属Co-Ni/MgO催化剂中Ni与Co物种之间存在协同作用,可促进彼此的还原,增加金属活性中心数量,因此催化剂活性高于相同金属含量时的Ni/MgO催化剂。


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