中国煤层气资源丰富,但利用率较低,大部分未经利用而直接排放到大气中,既造成资源的巨大浪费,又污染环境。因此,寻找开发利用煤层气的有效途径显得非常迫切。　　 根据我国煤矿采掘抽排煤层气甲烷含量较低,无法直接利用而直接排放造成资源浪费及环境污染的现状,本论文提出直接以含有一定量空气的煤层气为原料,并配入一定量的CO2和水蒸气,通过甲烷耦合重整反应制备低成本的合成气。本过程主要有以下优点:直接以含氧煤层气为原料,资源利用效率高;不需要空分装置,经济性好;吸热反应和放热反应的耦合,能量利用率高;产物可以根据后续合成单元对合成气的需求自由调控H2/CO的比例。　　 目前,甲烷重整反应催化剂的研究主要集中在贵金属催化剂(Rh、Ru、Ir、Pt等)和过渡金属Ni基催化剂。其中,贵金属催化剂活性高,抗积碳能力强,但是价格昂贵和极度稀缺,不适宜大规模的应用。Ni基催化剂具有较高的反应活性和选择性,且成本低廉,是甲烷重整反应大规模工业生产合适的催化体系。但其在反应过程中容易积炭失活,因此,研究开发具有良好反应活性和稳定性能的Ni基催化剂是甲烷耦合重整制备合成气的核心问题。　　 本论文基于碱性助剂和各组分之间的强相互作用有利于提高催化剂的抗烧结和耐积炭能力的原则,制备了Ce、Mg改性的Ni-ZrO2催化剂,通过催化剂的表征和筛选,制备条件和反应条件的优化、反应机理探索等方面的工作,系统研究了催化剂在甲烷耦合重整中的反应性能和反应机理。主要工作如下:　　 (1)共沉淀法制备了Ce改性的Ni-ZrO2催化剂,并考察了Ni-Ce-ZrO2催化剂在甲烷耦合重整中的反应性能。研究发现,与Ni-ZrO2催化剂相比,Ni-Ce-ZrO2催化剂在甲烷耦合重整反应中表现出较好的催化性能。　　 (2)研究了不同制备方法、MgO含量、NiO含量和不同NiO前驱体对Ni-Mg-ZrO2催化剂在甲烷耦合重整中的反应性能的影响。实验结果表明,共沉淀方法制备、以硝酸镍为NiO前驱体、NiO含量为15wt％,Mg-ZrO2复合物中MgO/(MgO+ZrO2)质量比为30wt％的催化剂具有较高的反应活性和稳定性。其中,在常压、反应温度为800℃、空速为52200mlg-1h-1、CH4/CO2/O2/N2=1/0.8/0.2/0.8的条件下,在反应的100h内,CH4转化率为94.8％以上,CO2的转化率为82.1％左右,H2/CO比保持在0.8。　　 (3)考察了反应条件对Ni-Mg-ZrO2催化剂的甲烷耦合重整反应性能的影响。高温有利于CH4和CO2的转化;高空速降低CH4和CO2的转化率;调节不同原料气之间的摩尔比,可以得到H2/CO比在0.8-1.8之间可调的合成气。　　 (4)通过各种手段对反应前后的催化剂进行表征,结果发现,催化剂中金属与载体的强相互作用、催化剂的强碱性及其较好的热稳定性,对Ni-Mg-ZrO2催化剂在甲烷耦合重整反应中的高反应活性和稳定性起着重要的作用。　　 (5)设计实验对甲烷耦合重整反应机理进行了初步的探究和验证。实验结果表明,在Ni-Mg-ZrO2催化剂上甲烷耦合重整反应遵循燃烧重整反应机理,即首先发生甲烷的燃烧反应生成CO2和H2O,然后发生甲烷的水蒸气重整和二氧化碳重整生成H2和CO。