【摘 要】
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中国“富煤、贫油、少气”的基本能源结构,使得通过煤气化技术对煤炭进行高效、清洁的转化具有重要意义。尽管国内煤气化技术已经相当成熟,但煤气化过程中的两个主要问题（废水和能源浪费）尚未解决,是严重制约其效益的主要障碍。为解决污水、能量损失以及热煤气脱硫等问题,本文提出了一种残余蒸汽/CH4重整的新策略,并首次制备出一系列由松木衍生的新型催化剂,用于工业煤气化的粗合成气的余热利用及后续的原位脱硫。研究表
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中国“富煤、贫油、少气”的基本能源结构,使得通过煤气化技术对煤炭进行高效、清洁的转化具有重要意义。尽管国内煤气化技术已经相当成熟,但煤气化过程中的两个主要问题（废水和能源浪费）尚未解决,是严重制约其效益的主要障碍。为解决污水、能量损失以及热煤气脱硫等问题,本文提出了一种残余蒸汽/CH4重整的新策略,并首次制备出一系列由松木衍生的新型催化剂,用于工业煤气化的粗合成气的余热利用及后续的原位脱硫。研究表明在新型催化剂的帮助下,借助甲烷蒸汽重整反应可以除去煤气化尾气中大部分水蒸气,从而有效利用尾气余热、显著减少废水的产生。本文首先在大量合成气存在的条件下,对热蒸气/CH4重整反应的可行性进行了详细的热力学分析。计算结果表明,在模拟尾气条件下,甲烷热力学平衡转化率可以超过96.1%,充分说明通过甲烷重整反应去除残余水蒸气的策略是可行的。同时,首次使用溶胶凝胶法制备了一系列新型松木衍生的钴掺杂镍基催化剂,并在模拟工业煤气化的粗合成气的条件下,对催化剂上的残余蒸汽/CH4重整反应活性进行了评估。相比较传统商用Ni/Al2O3催化剂,新型催化剂表现出极其优异的活性和稳定性,证明松木衍生的有序的直通道结构不仅有效改善了气体扩散行为,而且在850oC的甲烷水蒸气重整反应中保持良好的完整性。XRD和TG结果显示适量钴掺杂提高了催化剂表面Ni粒子的分散性,并提高了催化剂对甲烷的脱氢能力,其中Ni9Co1/Al2O3-S表现出最高活性（81.6%）。采用湿浸渍法制备了松木衍生镍基催化剂,并研究了Nb和Ca掺杂对催化剂活性和稳定性的影响。结果表明,相比溶胶凝胶法,湿浸渍法制备出的催化剂有更高的活性位点,从而表现出更高活性。尤其是10Ni-1Nb2O5-1Ca O/Al2O3-I催化剂表现出最高的甲烷转化率（93.4%）,远高于Ni9Co1/Al2O3-S,并且在88 h的长时间段测试中,其甲烷转化率一直稳定在89.8%且没有下降,非常接近热力学平衡计算的结果。同时,去除残留蒸汽后的热煤气脱硫效率提高了303.1%（从62 mg/g增加到249.9 mg/g）。此外,XRD,UV-Vis DRS和TG结果证明,适量的Nb和Ca掺杂通过纳米粒子之间的隔离和插层作用提高了镍纳米颗粒的分散性和耐焦炭/烧结性,从而抑制了Ni~0活性位上的碳沉积物的形成。总之,上述研究内容提出了一种制备各向异性松木衍生催化剂的新颖方法,并为去除工业煤气化的粗合成气中的残留H2O提供了新的策略。
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