临CO2气氛下钼基催化剂耐硫甲烷化性能研究

李振花 曲江磊 王玮涵 王保伟 马新宾

引用本文: 李振花, 曲江磊, 王玮涵, 王保伟, 马新宾. 临CO2气氛下钼基催化剂耐硫甲烷化性能研究[J]. 燃料化学学报, 2016, 44(8): 985-992. shu
Citation:  LI Zhen-hua, QU Jiang-lei, WANG Wei-han, WANG Bao-wei, MA Xin-bin. Effect of CO2 in syngas on methanation performance of Mo-based catalyst[J]. Journal of Fuel Chemistry and Technology, 2016, 44(8): 985-992. shu

临CO2气氛下钼基催化剂耐硫甲烷化性能研究

    通讯作者: 王玮涵, wangwh@tju.edu.cn; 马新宾, xbma@tju.edu.cn
  • 基金项目:

    国家高技术研究发展计划 863计划,2015AA050504

    国家自然科学基金 21576203

    天津市应用基础与前沿技术研究计划重点项目资助 14JCZDJC37500

摘要: 在反应温度550℃、空速5000h-1和1.2% H2S浓度下,考察了反应气中添加CO2对负载型Mo基催化剂甲烷化活性的影响。结果表明,添加CO2会促进逆水煤气变换反应,从而降低MoO3/Al2O3催化剂的耐硫甲烷化活性。与MoO3/Al2O3催化剂相比,添加CO2对铈铝复合载体负载的Co-Mo双组分催化剂的影响较小。通过表征发现,添加CO2引起催化剂活性下降的主要原因是由于其增强了逆水煤气变换反应过程,使甲烷化过程可用氢气量减小。另外,逆水煤气变换反应生成的水会影响催化剂表面结构和组成。在连续加入10% CO2 20h后停止加入CO2,催化剂的耐硫甲烷化活性可以得到恢复,因此,认为CO2加入量低于10%时,对催化剂及甲烷化反应的影响是可逆的;但CO2加入量大于10%后由于生成的水量增大会破坏催化剂的结构并减少活性位,从而造成催化剂的不可逆失活。

English

  • 

    目前,中国天然气市场已经进入快速发展期,天然气产销增长迅速,占一次能源的比例上升[1]。预计2016年中国天然气发电装机量将超过6×107 kW,车用天然气消费将达到1.3×1010-1.6×1010 m3,天然气进口量将超过3×1010 m3。天然气供需缺口激发了人们对从相对便宜且更丰富的煤炭资源制造代用天然气的兴趣[2]。1902年,Sabatier等[3, 4]发现H2与CO能够发生甲烷化反应合成天然气,自此甲烷化技术被广泛应用于煤气化合成天然气技术领域[5]。煤制天然气是指以煤为原料,经过煤气化、合成气变换、合成气净化和甲烷化等工艺过程最终生产出能够进入天然气管道进行输送的天然气。

    煤气化和甲烷化工艺是煤制天然气的核心技术。与甲烷化技术相比,煤气化技术比较成熟。当前世界范围内大约有十几种相对成熟且应用较多的煤气化技术,不同气化炉所得产品气的组成各不相同,主要有H2、CO、CO2、H2O、CH4和一些硫物种的杂质[6],其中,H2/CO物质的量比通常为0.3~2.0。中国引进的煤气化技术中,GE、Shell和Lurgi三种气化炉的总气化能力在中国排前三位,其产品组成见表 1。甲烷化技术可使用生物质热解气[7]、煤热解气或焦炉气[8]作为原料,应用方面可用于合成氨[9]和燃料电池[10]等工业中去除富H2体系中少量CO杂质以防止催化剂中毒。相比较而言,虽然甲烷化技术具有原料来源广及应用广泛的特点,但是甲烷化技术还不是很成熟,这限制了其进一步的应用。20世纪70年代的石油危机使美国更加重视能源自主供应问题,进而加快了煤气化及甲烷化技术的研究,并在North Dakota州大平原上建成了大平原合成燃料厂。该厂采用Lurgi加压固定床煤气化和甲烷化技术,以褐煤为原料,年产合成天然气1.5×109 m3。此外,德国和英国也介入这项研究并开发了相关工艺,建立了少数示范项目和中试装置。丹麦Topsoe公司开发了甲烷化循环工艺技术,获得了中试试验成功,可生产200-3 000 m3/h的SNG产品。英国Davy公司也开发了甲烷化循环工艺技术并通过了中试实验验证。中国一些单位如中国科学院大连化学物理研究所、中国科技大学也进行了甲烷化技术研究。但是以上工艺的催化剂均使用Ni系甲烷化催化剂[11],该催化剂易中毒失活,在甲烷化反应前必须进行精脱硫过程,使合成气中硫含量控制在1×10-6 g/m3以下。另外,Ni系催化剂要求原料气的氢碳比为3:1,因此,甲烷化反应之前需要预先进行水气变换以调整氢碳比。基于此,中国开发了耐硫甲烷化技术[12]。耐硫甲烷化过程主要采用钴钼系催化剂。由于钴钼系催化剂具有良好的耐硫水气变换性能和加氢活性,而且与Ni系催化剂相比,可在较宽氢碳比范围及硫含量条件下具有良好的催化性能,从而适应不同炉型及煤种气化产生的合成气,因此,可省去水气变换和精脱硫过程,具有效率高、能耗低、投资省、流程简单、运行成本低等优点。

    表 1  Lurgi炉、GE (Texaco) 炉、Shell炉气化产品对比[9] Table 1.  Comparion of gas composition from Lurgi, GE (Texaco) and Shell gasifier
    Gasifier typeComposition of gas φ/%H2COCO2CH4Lurgi38-4117-2128-3210-12Shell26-3065-692-4<0.01
    GE (Texaco)36-3943-4616-18<0.01
    表 1  Lurgi炉、GE (Texaco) 炉、Shell炉气化产品对比[9]
    Table 1.  Comparion of gas composition from Lurgi, GE (Texaco) and Shell gasifier

    考虑粗煤气中含有大量的CO2,而工业上粗煤气是甲烷化反应的主要原料气,同时CO2也是耐硫甲烷化反应的反应产物之一[13],因此,有必要考察CO2对甲烷化反应体系的影响。一方面,CO2会发生甲烷化反应[12, 14-19]。研究认为,Ni系催化剂上的CO2甲烷化主要分为两个过程,CO2首先在催化剂表面吸附解离为CO,之后进行CO甲烷化反应[14, 15]。另一方面,CO2会促进逆水气变换反应,从而影响甲烷化反应。对贵金属催化剂在CO-CO2共存体系中甲烷化活性的研究表明,CO2的存在会抑制甲烷化反应的进行[16-18]。Jiménez等[16]通过对Ru系催化剂上甲烷化反应的研究发现,原料气中加入CO2后催化剂的CO转化率下降,且随着反应温度的升高,CO转化率下降幅度增大。当反应温度为275 ℃时,CO转化率为负值,说明此时经逆水气变换反应生成的CO量高于甲烷化反应消耗的CO量。王二东等[20]对MoO3/Al2O3催化剂在不同工艺条件下进行耐硫甲烷化活性考察,结果表明,原料气中的CO2对MoO3/Al2O3催化剂活性有较强的抑制作用。鉴于文献中关于CO2对Mo基催化剂耐硫甲烷化反应性能及催化剂结构的影响研究报道较少,有必要研究CO2对Mo基催化剂耐硫甲烷化活性的影响。

    研究考察了反应气中添加CO2对不同Mo基催化剂甲烷化反应性能的影响,首先研究了反应气中添加10%CO2对不同载体负载的Mo基催化剂耐硫甲烷化性能的影响,然后考察了反应气中添加10%、20%、30%CO2对5%CoO-15%MoO3/CeO2-Al2O3催化剂耐硫甲烷化性能的影响。结合BET、XRD、TEM等表征手段,探讨了CO2影响催化剂性能的原因。

    1   实验部分

    1.1   催化剂的制备

    实验所采用的Al2O3载体由宜兴市千叶非金属材料有限公司提供,含质量分数25% CeO2的CeO2-Al2O3载体以共沉淀方法制备,详见文献[20]

    催化剂的制备采用等体积浸渍法。将计算量的仲钼酸铵或仲钼酸铵 (A.R.,天津市科密欧化学试剂有限公司) 与硝酸钴 (A.R.,天津市科密欧化学试剂有限公司) 的混合物室温下溶于适量蒸馏水中,等体积浸渍Al2O3载体 (或CeO2-Al2O3复合载体),室温放置24 h,120 ℃烘干,随后600 ℃焙烧4 h,即可得到相应组成的催化剂15%MoO3/Al2O3、5%CoO-15%MoO3/Al2O3、15%MoO3/CeO2-Al2O3以及5%CoO-15%MoO3/CeO2-Al2O3,其中,各百分含量均为质量分数。将所得催化剂压片并破碎至20-40目备用,分别简写为Mo/Al、Co-Mo/Al、Mo/CeAl、Co-Mo/CeAl。

    1.2   催化剂的评价

    催化剂的耐硫甲烷化活性评价在加压固定床反应装置 (天津大学北洋化工实验设备有限公司) 上进行,不锈钢反应器内径为11 mm,催化剂的装填量为3 mL。反应活性测定前催化剂需进行活化处理,采用体积分数3%H2S/H2混合气原位硫化还原。催化剂常规评价条件:反应气中H2/CO物质的量比为1:1,H2S浓度1.2%,N2浓度20%,反应测温550 ℃,压力3 MPa,空速5 000 h-1

    反应产物的定量分析采用Agilent7890A气相色谱仪 (Agilent Technologies) 在线分析,色谱配备2路热导检测器 (TCD) 和1路氢火焰离子化检测器 (FID) 检测系统,采用外标法定量测定各组分含量。

    合成气的耐硫甲烷化过程中主要存在以下反应:

    催化剂活性的各指标计算公式如下:

    式 (4) 和式 (5) 中,x为反应气的转化率;s为产物的选择性;n为摩尔流量,单位mol/min;in表示反应器入口;out表示反应器出口。

    1.3   催化剂的表征

    采用美国Micromeritcs公司生产的TriStar 3000型吸附仪进行N2物理吸附表征。操作方法为:称量一定质量的待测样品。在真空脱气条件下于90 ℃干燥1 h后升温至300 ℃烘干4 h。记录脱气后的样品质量,将样品置于样品管中装于吸附仪进行分析测定,分析温度为液氮温度 (-195.8 ℃)。在N2分压为0-0.3 MPa下测定N2的吸附量,再于室温下进行N2吸附-脱附实验。由BET (Brunauer-Emmett-Teller) 方程计算样品比表面积。

    采用日本理学RigakuD/max2500v/pc型X射线衍射仪,Cu Kα辐射源 (λ=0.154 056 nm),工作电压40 kV,工作电流100 mA。石墨单色滤光片,狭缝SS1°,RS0.15 mm,记数器SC,5°-90°扫描,实验中采用粉末X射线衍射 (XRD) 分析方法,通过分析催化剂的XRD谱图,采用Jade5.0中的PDF-2004卡片比照衍射峰对应的晶体。

    采用荷兰Philips公司的TecnaiG2F20型场发射透射电子显微镜 (TEM),点分辨率0.248 nm,线分辨率0.102 nm,放大倍数可达105万倍。将少量样品置于盛有适量无水乙醇的小烧杯中,放入超声波震荡器中进行超声波震荡,待样品分散均匀后,取少量悬浮液滴于铜网上,干燥后再进行观测。

    2   结果与讨论

    2.1   反应气中添加CO2对Mo基甲烷化催化剂活性的影响

    2.2   催化剂的表征

    2.1.2   反应气中添加10% CO2对Mo/CeAl催化剂的影响

    图 2为反应气中添加10%的CO2对Mo/CeAl催化剂耐硫甲烷化反应的评价结果。由图 2可知,与Al2O3载体相比,CeO2-Al2O3载体负载的Mo基催化剂稳定性得到了明显的改善[24]。反应气中添加10%CO2后,Mo/CeAl催化剂上CO的转化率下降10%左右,CH4的选择性略有增大,这与Al2O3载体负载的Mo基催化剂影响规律基本一致。在停止加入CO2之后催化剂的CO转化率仍不能完全恢复至原水平 (减少约2.5%)。说明反应气中添加CO2对CeO2-Al2O3载体负载的Mo基催化剂的活性也有一定影响。

    图 2  10% CO2对Mo/CeAl催化剂的影响 Figure 2.  Effect of 10% CO2 on the activity of Mo/CeAl catalyst

    当反应气中CO和H2的物质的量比为1:1时,反应是按照总反应式 (3) 进行的,Mo基催化剂上的水气变换反应速率较甲烷化反应速率快,但是水气变换所需的水需要由反应 (1) 产生,因此,总反应速率的控制步骤为反应 (1)。在CO和H2物质的量比为1:1的反应气中添加CO2后,会发生逆水气变换反应[17],而逆水气变换反应使得甲烷化反应可用的氢气量减少,从而降低了CO转化率。另外,逆水气变换反应生成的水对催化剂的结构会有不同程度的影响,后面的催化剂表征结果进一步说明了这一点。

    2.1.3   反应气中添加不同含量CO2对Co-Mo/CeAl催化剂的影响

    图 3为反应气中添加不同含量CO2对Co-Mo/CeAl催化剂甲烷化性能的影响。

    图 3  不同含量CO2对Co-Mo/CeAl催化活性的影响 Figure 3.  Effect of various CO2 concentrations on Co-Mo/CeAl catalyst activity

    图 3可知,添加不同含量CO2对Co-Mo/CeAl催化剂上甲烷化反应的转化率和产物选择性的影响趋势与前述催化剂一致,且随着CO2含量的增大CO转化率下降幅度增大,CH4选择性基本不变。而添加20%及30%CO2的反应过程中CO转化率下降趋势明显,并且在含有CO2气氛下的结果表明, 催化剂稳定性随CO2含量的增大而明显变差,停止通入CO2之后催化剂活性不能得到完全恢复,这说明反应过程中大量CO2的存在造成了催化剂失活。当CO2的加入量低于10%时,对催化剂影响不大,且在20 h内去除CO2后CO转化率能完全恢复;但随着CO2含量的增加,造成了催化剂的不可逆失活,去除CO2后CO转化率也不能完全恢复:添加20%CO2导致CO转化率损失约3%,添加30%CO2导致CO转化率损失约7%。

    图 4为CO2的浓度变化对CO平衡转化率的影响[25, 26]。由图 4可知,随着CO2浓度增大,CO平衡转化率会有所下降,因此,从热力学平衡方面考虑,添加CO2也不利于甲烷化反应的进行。

    图 4  CO2浓度对CO平衡转化率的影响 Figure 4.  Effect of CO2 concentrations on CO equilibrium conversion

    2.1.1   反应气中添加10%CO2对Al2O3载体负载Mo基催化剂的影响

    图 1为反应气中添加10%的CO2对Al2O3载体负载的Mo基催化剂耐硫甲烷化反应的评价结果。由图 1可知,在添加10%的CO2后,Mo/Al催化剂的CO转化率有所下降 (7%左右),CH4的选择性略有增大。分析认为,由于实验中加入CO2,促进了逆水煤气变换反应,进而加速了H2的消耗并且生成了CO,使得甲烷化反应可用的氢气量减少,引起H2/CO物质的量比减小,因此,CO转化率降低[17]。在Co-Mo/Al催化剂上反应气中添加10%CO2的影响规律与Mo/Al催化剂上一致,添加CO2后CO转化率下降10%左右。

    图 1  10% CO2对Al2O3负载催化剂耐硫甲烷化活性的影响 Figure 1.  Effect of 10% CO2 on the activity of Mo-based catalysts

    为了进一步确定加入CO2之后引起的甲烷化活性下降是否为不可逆失活,在连续20 h通入10%CO2之后,停止加入CO2,继续考察了两个催化剂上的甲烷化活性,结果见图 1。由图 1可知,停止加入CO2之后,CO转化率有所升高,而CH4的选择性基本保持不变。虽然与添加CO2之前的CO转化率相比,Mo/Al催化剂上CO转化率下降约6.5%,Co-Mo/Al催化剂上CO转化率下降了约4%,但这一差别并不说明催化剂的活性受到了不可逆损失。因为在之前的研究中发现[22],Al2O3负载的Mo基催化剂稳定性较差,在活性评价过程中CO转化率随时间的延长缓慢下降,添加Co后催化剂稳定性略有提高[23]。考虑这些因素,认为添加10%CO2并未引起催化剂的不可逆失活。

    2.2.2   催化剂XRD表征

    对不同载体制备的Mo基催化剂临CO2气氛下甲烷化反应后的样品进行XRD表征,其结果见图 5。由图 5可知,相同载体负载的催化剂其XRD谱图趋于一致。Al2O3负载的催化剂上可明显检测到Al2O3晶型结构 (33.4°、45.7°、59.1°、66.8°),CeAl载体负载的催化剂可明显检测到CeO2的晶型 (28.6°、33.1°、47.5°、56.3°)。添加Co助剂的催化剂出现了微弱的MoS2晶型 (14.1°)。比较不同CO2含量下Co-Mo/CeAl催化剂的XRD谱图可以看出,增大反应气中CO2的含量会导致CeO2晶型明显变差以及MoS2峰变弱至消失。CeO2为载体的主要组分,其晶型变差会导致催化剂表面织构性质变化,这与N2物理吸附的结果一致。MoS2作为耐硫甲烷化的活性组分,其衍射峰减弱说明MoS2晶型变差或者含量减少,进而导致催化剂活性下降。

    图 5  添加CO2反应后Mo基催化剂的XRD谱图 Figure 5.  XRD patterns of Mo-based catalysts after reaction

    2.2.1   催化剂N2吸附-脱附表征

    对反应前后的催化剂进行了N2物理吸附-脱附表征,表 2为反应前后Mo/Al、Co-Mo/Al、Mo/CeAl和Co-Mo/CeAl催化剂的织构性质。与不添加CO2反应后的催化剂对比发现,除了Co-Mo/CeAl催化剂在添加10%CO2反应后的织构性质基本保持不变外,其他三种催化剂在添加10%CO2反应后的比表面积、孔容及孔径均有不同程度的减小。分析认为,添加CO2后促进了逆水气变换反应的进行,生成的H2O可能会引起催化剂孔道的坍塌,导致催化剂比表面积、孔容及孔径减小。助剂Co和Ce的同时引入可以削弱这种影响,有利于维持其孔容和孔径等织构性质,采用铈铝复合载体对维持催化剂表面结构稳定有一定的促进作用。表 3为添加不同CO2反应后Co-Mo/CeAl催化剂的织构性质。由表 3可知,添加CO2反应后的催化剂较不添加CO2反应后的催化剂的比表面积、孔容及孔径均有所增大。说明反应过程中CO2会对Co-Mo/CeAl催化剂起到一定的扩孔作用,影响催化剂的孔道结构,并且随着CO2添加量越大,这种影响更为明显。

    表 2  甲烷化反应前后Mo基催化剂的织构性质 Table 2.  Textural properties of Mo-based catalysts before and after reaction
    Mo-based catalystBET surface area A/(m2·g-1)Pore volume v/(cm3·g-1)Pore size d/nmBRARNARBRARNARBRARNARMo/Al2041541560.250.260.146.06.04.4Co-Mo/CeAl1251151110.180.190.195.45.96.0
    Co-Mo/Al1651331350.270.200.195.06.05.3
    Mo/CeAl118102880.280.350.167.813.05.8
    BR: before reaciton; ARN: after reaction without CO2; AR: after reaction at 10% CO2 concentration
    表 2  甲烷化反应前后Mo基催化剂的织构性质
    Table 2.  Textural properties of Mo-based catalysts before and after reaction
    表 3  添加不同含量CO2经甲烷化反应前后Co-Mo/CeAl催化剂的织构性质 Table 3.  Textural properties of Co-Mo/CeAl catalyst before and after reaction with CO2 added
    Co-Mo/CeAl catalystBET surface area A/(m2·g-1)Pore volume v/(cm3·g-1)Pore size d/nmARN1150.195.9AR301030.288.3
    AR101110.196.0
    AR201000.268.2
    ARN:after reaction without CO2; AR10:after reaction at 10% CO2 concentration; AR20:after reaction at 20% CO2 concentration; AR30:after reaction at 30% CO2 concentration
    表 3  添加不同含量CO2经甲烷化反应前后Co-Mo/CeAl催化剂的织构性质
    Table 3.  Textural properties of Co-Mo/CeAl catalyst before and after reaction with CO2 added

    2.2.3   催化剂TEM表征

    将Mo基催化剂上添加10%CO2反应后的样品进行TEM表征,其结果见图 6。由图 6可知,各样品中均能明显看到黑色MoS2条纹,添加Co助剂之后的催化剂呈现出更多层数的MoS2条纹,而更多层的MoS2条纹堆垛结构保证了催化剂的活性和稳定性。对于铈铝载体负载的Mo基催化剂,TEM照片中无明显的六边形CeO2晶型结构。

    图 6  10%CO2对Mo基催化剂影响的TEM照片 Figure 6.  TEM image of Mo-based catalysts with 10% CO2 added

    图 7为不同CO2含量对Co-Mo/CeAl催化剂影响的TEM照片。由图 7可知,增大CO2的含量,Mo基催化剂的MoS2条纹长度减小且分布散乱,说明催化剂的活性组分MoS2的结构尺寸发生了改变,这与XRD表征结果一致。由于在较高温度下水气变换反应的平衡常数小,反应气中存在大量CO2时,逆水气变换反应会促进H2O的生成。研究表明,在Mo基催化剂反应体系中进行的水煤气变换反应[27]、加氢脱氧反应[28]等,H2O的存在会导致MoS2的脱硫和失活,导致活性组分减少,从而导致催化剂活性的不可逆损失。研究的实验现象和表征结果也证明了这一结论。

    图 7  不同CO2含量对Co-Mo/CeAl催化剂影响的TEM照片 Figure 7.  TEM image of Co-Mo/CeAl catalysts with different CO2 contents

    3   结论

    在反应气中添加10%CO2对Al2O3载体及铈铝复合载体负载的Mo基催化剂甲烷化性能均有一定影响,会使CO转化率下降,CH4选择性升高。停止加入CO2后,催化剂的转化率和选择性并不能完全恢复至原有水平。添加助剂Co的催化剂与铈铝复合载体负载的催化剂在反应中的稳定性有所提高,其中,Co-Mo/CeAl催化剂在连续20 h加入10%CO2之后停止加入CO2可以使得催化剂的转化率和选择性恢复至加入CO2之前的水平。

    在Co-Mo/CeAl催化剂上改变反应气中CO2含量 (10%、20%、30%),随着CO2浓度增大,CO转化率明显下降且催化剂稳定性变差。当加入CO2浓度为20%和30%时,停止加入CO2后,催化剂的转化率不能完全恢复至原有水平。结合催化剂表征分析结果认为,添加10%CO2造成的催化剂活性下降主要受热力学平衡影响导致甲烷化过程受到抑制,此时由于逆水煤气变换反应生成的水量较小,不会破坏催化剂结构和活性位。但是当CO2的浓度为20%和30%时,由于逆水煤气变换反应生成的水量较多,会破坏催化剂的结构并导致活性组分减少,从而导致催化剂稳定性下降及不可逆失活。

    1. [1]

      张东柯. 面对人类社会可持续发展的能源选择[J]. 燃料化学学报, 2005,33,(4): 399-406. ZHANG Dong-ke. Energy options in sustainable development[J]. J Fuel Chem Technol, 2005, 33(4):  399-406.

    2. [2]

      胡亮华, 冯再南, 姚泽龙, 刘维, 申屠梁, 王俊峰. 焦炉煤气甲烷化工艺过程的Aspen Plus模拟[J]. 天然气化工, 2013,38,(3): 53-57. HU Liang-hua, FENG Zai-nan, YAO Ze-long, LIU Wei, SHEN Tu-liang, WANG Jun-feng. Aspen Plus simulation of coke oven gas methanation process[J]. Nat Gas Ind, 2013, 38(3):  53-57.

    3. [3]

      SABATIER P, SENDERENS J B. New synthesis of methane[J]. CR Acad Sci Paris, 1902, 134:  514-516.

    4. [4]

      SABATIER P, SENDERENS J B. Hydrogenation of CO over nickel to produce methane[J]. J Soc Chim Ind, 1902, 21:  504-506.

    5. [5]

      黄国宝, 王志青, 李庆峰, 黄戒介, 房倚天. 液相中镍催化剂催化合成气甲烷化的初步研究[J]. 燃料化学学报, 2014,42,(8): 952-957. HUANG Guo-bao, WANG Zhi-qing, LI Qing-feng, HUANG Jie-jie, FANG Yi-tian. Syngas methanation over nickel catalyst in liquid-phase[J]. J Fuel Chem Technol, 2014, 42(8):  952-957.

    6. [6]

      MINCHENER A J. Coal gasification for advanced power generation[J]. Fuel, 2005, 84(17):  2222-2235. doi: 10.1016/j.fuel.2005.08.035

    7. [7]

      SCHILDHAUER T J, SEEMANN M C, BIOLLAZ S M A. Fluidized bed methanation of wood-derived producer gas for the production of synthetic natural gas[J]. Ind Eng Chem Res, 2010, 49(15):  7034-7038. doi: 10.1021/ie100510m

    8. [8]

      吴且毅, 卿涛, 颜智.一种利用焦炉气合成甲烷的方法:中国, 101391935 A[P].2009-03-25.WU Qie-yi, QIN Tao, YAN Zhi.Method for synthesizing methane by using coke-oven gas:CN, 101391935 A[P].2009-03-25.

    9. [9]

      黄明金, 郭成宇, 尹明大.一种合成氨原料气甲烷化工艺:中国, 1313241 A[P].2001-09-19.HUANG Ming-jin, GUO Cheng-yu, YIN Ming-da.Methanation process for raw gas of synthetic ammonia:CN, 1313241 A[P].2001-09-19.

    10. [10]

      GALLETTI C, SPECCHIAS , SARACCO G, SPECCHIA V. CO-selective methanation over Ru/γ-Al2O3 catalysts in H2-rich gas for PEMFC applications[J]. Chem Eng Sci, 2010, 65(1):  590-596. doi: 10.1016/j.ces.2009.06.052

    11. [11]

      徐超, 王兴军, 胡贤辉, 陈雪莉, 王辅臣. 镍基催化剂用于合成气甲烷化的实验研究[J]. 燃料化学学报, 2012,40,(2): 216-220. XU Chao, WANG Xing-jun, HU Xian-hui, CHEN Xue-li, WANG Fu-chen. Study on the syngas methanation of nickel-based catalyst[J]. J Fuel Chem Technol, 2012, 40(2):  216-220.

    12. [12]

      GAO J J, LIU Q, GU F N, LIU B, ZHONG Z Y, SU F B. Recent advances in methanation catalysts for the production of synthetic natural gas[J]. RSC Adv, 2015, 5(29):  22759-22776. doi: 10.1039/C4RA16114A

    13. [13]

      高聚忠. 煤气化技术的应用与发展[J]. 洁净煤技术, 2013(1): 65-71. GAO Ju-zhong. Application and development of coal gasification technologies[J]. Clean Coal Technol, 2013, (1):  65-71.

    14. [14]

      袁勇天, 尹燕华, 周旭, 周军成. CO、CO2及其共存体系的甲烷化反应[J]. 化工进展, 2014,33,(1): 173-180. YUAN Yong-tian, YIN Yan-hua, ZHOU Xu, ZHOU Jun-cheng. Methanation of thoree diffenent reaction systems of carbon oxides[J]. Chem Ind Eng Process, 2014, 33(1):  173-180.

    15. [15]

      易丽丽, 马磊, 卢春山, 李小年. CO2催化加氢甲烷化研究进展[J]. 化工生产与技术, 2004,11,(5): 33-35. YI Li-li, MA Lei, LU Chun-shan, LI Xiao-nian. Study on the catalytic hydrogenation of carbon dioxide for methanation[J]. Chem Prod Technol, 2004, 11(5):  33-35.

    16. [16]

      JIMÉNEZ V, SANCHEZ P, PANAGIOTOPOULOU P, VALVERDE J, ROMERO A. Methanation of CO, CO2 and selective methanation of CO, in mixtures of CO and CO2, over ruthenium carbon nanofibers catalysts[J]. Appl Catal A:Gen, 2010, 390(1/2):  35-44.

    17. [17]

      PANAGIOTOPOULOU P, KONDARIDES D, VERKIOS X. Selective methanation of CO over supported noble metal catalysts:Effects of the nature of the metallic phase on catalytic performance[J]. Appl Catal A:Gen, 2008, 344(1/2):  45-54.

    18. [18]

      ECKLE S, ANFANG H, BEHM R. What drives the selectivity for CO methanation in the methanation of CO2-rich reformate gases on supported Ru catalysts[J]. Appl Catal A:Gen, 2011, 391(1):  325-333.

    19. [19]

      王承学, 龚杰. 二氧化碳加氢甲烷化镍锰基催化剂的研究[J]. 天然气化工, 2011,36,(1): 4-15. WANG Cheng-xue, GONG Jie. Study on Ni-Mn-based catalysts for methanation of carbon dioxide[J]. Nat Gas Ind, 2011, 36(1):  4-15.

    20. [20]

      王二东, 王海洋, 丁国忠, 尚玉光, 李振花, 王保伟, 马新宾, 秦绍东, 孙琦. 不同工艺条件下耐硫甲烷化催化剂的反应活性研究[J]. 化学反应工程与工艺, 2012,28,(1): 75-81. WANG Er-dong, WANG Hai-yang, DING Guo-zhong, SHANG Yu-guang, LI Zhen-hua, WANG Bao-wei, MA Xin-bin, QIN Shao-dong, SUN Qi. Effect of reaction parameters on the activity of sulfur-resistant methanation catalyst[J]. Chem React Eng Technol, 2012, 28(1):  75-81.

    21. [21]

      LI Z H, WANG H Y, WANG E D, LV J, SHANG Y G, DING G Z, WANG B W, MA X B, QIN S D, SU Q. The main factors controlling generation of synthetic natural gas by methanation of synthesis gas in the presence of sulphur-resistant Mo-based catalysts[J]. Kinet Catal, 2013, 54(3):  338-343. doi: 10.1134/S0023158413030117

    22. [22]

      WANG B W, DING G Z, SHANG Y G, LV J, WANG H Y, WANG E D, LI Z H, MA X B, QIN S D, SUN Q. Effects of MoO3 loading and calcination temperature on the activity of the sulphur-resistant methanation catalyst MoO3/γ-Al2O3[J]. Appl Catal A:Gen, 2012, 431-432(1):  144-150.

    23. [23]

      LIN C, WANG H Y, LI Z H, WANG B W, MA X B, QIN S D, SUN Q. Effect of a promoter on the methanation activity of Mo-based sulfur-resistant catalyst[J]. Front Chem Sci Eng, 2013, 7(1):  88-94. doi: 10.1007/s11705-013-1301-1

    24. [24]

      王保伟, 尚玉光, 丁国忠, 王海洋, 王二东, 李振花, 马新宾, 秦绍东, 孙琦. 铈铝复合载体对钼基催化剂耐硫甲烷化催化性能的研究[J]. 燃料化学学报, 2012,40,(11): 1390-1396. WANG Bao-wei, SHANG Yu-guang, DING Guo-zhong, WANG Hai-yang, WANG Er-dong, LI Zhen-hua, MA Xin-bin, QIN Shao-dong, SUN Qi. Ceria-alumina composite support on the sulfur-resistant methanation activity of Mo-based catalyst[J]. J Fuel Chem Technol, 2012, 40(11):  1390-1396.

    25. [25]

      崔晓曦, 曹会博, 孟凡会, 李忠. 合成气甲烷化热力学计算分析[J]. 天然气化工, 2012,37,(5): 15-19. CUI Xiao-xi, CAO Hui-bo, MENG Fan-hui, LI Zhong. Thermodynamic analysis for methanation of syngas[J]. Nat Gas Ind, 2012, 37(5):  15-19.

    26. [26]

      陈宏刚, 王腾达, 张锴, 牛玉广, 杨勇平. 合成气甲烷化反应积碳过程的热力学分析[J]. 燃料化学学报, 2013,41,(8): 978-984. CHENG Hong-gang, WANG Teng-da, ZHANG Kai, NIU Yu-guang, YANG Yong-ping. Thermodynamic analysis of carbon deposition on catalyst for the production of substitute natural gas[J]. J Fuel Chem Technol, 2013, 41(8):  978-984.

    27. [27]

      窦伯生, 谢筱帆, 王玉杰, 石新. Co-Mo-K/Al2O3水煤气变换催化剂的失硫与活性[J]. 石油化工, 1990(6): 387-389. DOU Bo-sheng, XIE Xiao-fan, WANG Yu-jie, SHI Xin. Sulfer loss and activity of Co-Mo-K/Al2O3 water gas shift catalyst[J]. Petrochem Technol, 1990, (6):  387-389.

    28. [28]

      LAURENT E, DELMON B. Influence of water in the deactivation of a sulfided NiMo/γ-Al2O3 catalyst during hydrodeoxygenation[J]. J Catal, 1994, 146(1):  281-285. doi: 10.1016/0021-9517(94)90032-9

  • 图 1  10% CO2对Al2O3负载催化剂耐硫甲烷化活性的影响

    Figure 1  Effect of 10% CO2 on the activity of Mo-based catalysts

    (a): Mo/Al; (b): Co-Mo/Al

    图 2  10% CO2对Mo/CeAl催化剂的影响

    Figure 2  Effect of 10% CO2 on the activity of Mo/CeAl catalyst

    图 3  不同含量CO2对Co-Mo/CeAl催化活性的影响

    Figure 3  Effect of various CO2 concentrations on Co-Mo/CeAl catalyst activity

    (a): 10%CO2; (b): 20%CO2; (c): 30%CO2
    ■: x(CO); ○: s(CH4)

    图 4  CO2浓度对CO平衡转化率的影响

    Figure 4  Effect of CO2 concentrations on CO equilibrium conversion

    图 5  添加CO2反应后Mo基催化剂的XRD谱图

    Figure 5  XRD patterns of Mo-based catalysts after reaction

    (a): different catalysts with 10% CO2 added; (b): Co-Mo/CeAl catalyst at different CO2 concentrations

    图 6  10%CO2对Mo基催化剂影响的TEM照片

    Figure 6  TEM image of Mo-based catalysts with 10% CO2 added

    (a): Mo/Al; (b): Co-Mo/Al; (c): Mo/CeAl; (d): Co-Mo/CeAl

    图 7  不同CO2含量对Co-Mo/CeAl催化剂影响的TEM照片

    Figure 7  TEM image of Co-Mo/CeAl catalysts with different CO2 contents

    (a): 10% CO2; (b): 20% CO2; (c): 30% CO2

    表 1  Lurgi炉、GE (Texaco) 炉、Shell炉气化产品对比[9]

    Table 1.  Comparion of gas composition from Lurgi, GE (Texaco) and Shell gasifier

    Gasifier typeComposition of gas φ/%H2COCO2CH4Lurgi38-4117-2128-3210-12Shell26-3065-692-4<0.01
    GE (Texaco)36-3943-4616-18<0.01
    下载: 导出CSV

    表 2  甲烷化反应前后Mo基催化剂的织构性质

    Table 2.  Textural properties of Mo-based catalysts before and after reaction

    Mo-based catalystBET surface area A/(m2·g-1)Pore volume v/(cm3·g-1)Pore size d/nmBRARNARBRARNARBRARNARMo/Al2041541560.250.260.146.06.04.4Co-Mo/CeAl1251151110.180.190.195.45.96.0
    Co-Mo/Al1651331350.270.200.195.06.05.3
    Mo/CeAl118102880.280.350.167.813.05.8
    BR: before reaciton; ARN: after reaction without CO2; AR: after reaction at 10% CO2 concentration
    下载: 导出CSV

    表 3  添加不同含量CO2经甲烷化反应前后Co-Mo/CeAl催化剂的织构性质

    Table 3.  Textural properties of Co-Mo/CeAl catalyst before and after reaction with CO2 added

    Co-Mo/CeAl catalystBET surface area A/(m2·g-1)Pore volume v/(cm3·g-1)Pore size d/nmARN1150.195.9AR301030.288.3
    AR101110.196.0
    AR201000.268.2
    ARN:after reaction without CO2; AR10:after reaction at 10% CO2 concentration; AR20:after reaction at 20% CO2 concentration; AR30:after reaction at 30% CO2 concentration
    下载: 导出CSV
  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  7
  • 文章访问数:  4567
  • HTML全文浏览量:  1226
文章相关
  • 收稿日期:  2016-02-29
  • 修回日期:  2016-04-23
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章