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        Mg、La助劑對Ni基甲烷化催化劑性能影響的研究

        2020-07-17 07:27:52史俊高
        煉油與化工 2020年2期
        關鍵詞:助劑甲烷轉(zhuǎn)化率

        史俊高

        (山東恒力新能源工程有限公司,山東濟南250101)

        隨著世界石油重質(zhì)化、劣質(zhì)化及其資源日益枯竭,尋找石油的替代能源勢在必行。我國富煤、缺油、少氣,只有通過煤的高效清潔利用才能改變依賴石油的現(xiàn)狀。而CO 甲烷化技術憑借天然氣燃燒完全,且燃燒時無煙無渣、產(chǎn)熱量大等優(yōu)點成為現(xiàn)代化工發(fā)展的重點[1,2]。

        CO 甲烷化催化劑的活性組分主要有Ni、Fe、Ru和Co等。Fe基催化劑易積碳,且在加壓條件下有生成液態(tài)烴的傾向,對高溫合成甲烷不利;Ru是1 種價格昂貴的金屬,且在高溫反應過程中與CO形成的絡合物Ru(CO)x易升華,造成活性組分Ru的流失,導致催化劑成本大大提高,不適合工業(yè)生產(chǎn);Co基催化劑易因積碳而失活,且能加長碳鏈反應,對甲烷的選擇性較差[3,4]。甲烷化催化劑助劑的研究主要有堿土金屬、稀土金屬和過渡金屬3大類,助劑Mg 和La 能再一定程度上相互促進,提高CO 的轉(zhuǎn)化率和選擇性[5]。該實驗以氧化鋁為載體,添加不同量的助劑Mg 和助劑La,考察助劑Mg和La對Ni基甲烷化催化劑催化性能影響。

        1 實驗部分

        1.1 催化劑的制備

        實驗所用催化劑均采用等體積浸漬方法制備,首先測定載體γ-Al2O3的飽和吸水率,并計算出所配制硝酸鹽溶液的體積;將γ-Al2O3置于已知濃度的硝酸鹽溶液中進行等體積浸漬,浸漬時間為12 h;在鼓風干燥箱內(nèi)105 ℃干燥10 h;在設有程序升溫的箱式電阻爐內(nèi)400 ℃焙燒4 h,制得實驗所需催化劑[6,7]。實驗所需主要試劑見表1。

        表1 甲烷化催化劑制備實驗所需主要試劑

        1.2 催化劑的性能評價

        催化劑性能評價是在固定床微型反應裝置中進行的。將制備的催化劑經(jīng)破碎篩分出40~60 目1 mL 與同粒度的石英砂等體積混合后裝填至固定床微反裝置中,見圖1。

        圖1 催化劑裝填

        催化劑還原所用固定床加熱爐采用三段式均勻加熱,升溫速率為2 ℃/min,升至200℃時通入H2進行還原,繼續(xù)升溫至400 ℃并維持還原狀態(tài)4 h,后用N2吹掃降溫至所需溫度,反應器見圖2。

        圖2 固定床反應器結(jié)構(gòu)

        催化劑性能評價時,首先通入反應原料高純氣體CO 和H2進行不同實驗條件(VH2∶VCO體積比,反應溫度,不同組分催化劑等)的反應,產(chǎn)物經(jīng)GC-450 氣相色譜儀進行在線采集檢測,產(chǎn)物經(jīng)面積校正歸一法進行計算各組分含量。其流程見圖3。

        圖3 催化劑性能評價流程

        1.3 催化劑表征方法

        催化劑比表面積(BET)的測定是采用北京Builder 電子技術有限公司SSA-4300 孔徑比表面積分析儀,以測定催化劑的比表面積。先將待測樣品在105 ℃進行真空干燥4 h 進行樣品預處理,之后放入液氮浴條件下進行吸附、脫附,以測定樣品的比表面積和孔徑[8~12]。

        催化劑X 射線衍射(XRD)的測定采用日本理學D/max2500PC 全自動粉末X 射線衍射儀以測定樣品中的晶相。以CoKα 作為輻射源,工作電流為40 mA,工作電壓為30 kV,掃描范圍為10 ~80o,掃描步長為0.02o,掃描速率為8o/min。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 VH2∶VCO體積比的影響

        在溫度為420 ℃,體積空速為5 000 h-1,反應壓力為0.8 MPa 下進行催化劑性能評價得到的曲線見圖4。

        圖4 VH2∶VCO體積比的影響

        由圖4 可以看出,隨著VH2∶VCO體積比的提高CO 的轉(zhuǎn)化率和CH4的選擇性都呈明顯上升趨勢。當 VH2:VCO< 3 時,CO 過量發(fā)生歧化反應產(chǎn)生了CO2,CH4的選擇性差;當 VH2∶VCO>4 時 CO 幾乎完全轉(zhuǎn)化,產(chǎn)物CH4的選擇性達到90 以上,有了明顯提高,但仍有少量CO2產(chǎn)生。

        2.2 助劑Mg的影響

        在反應體積比VH2∶VCO=4∶1,空速 5 000 h-1,反應壓力0.8 MPa進行的實驗,見圖5。

        圖5 助劑Mg對催化劑活性的影響

        由圖5 可知,添加Mg 后催化劑的起活溫度較之前有所升高,且催化劑的活性有所提高。當T<360 ℃時催化劑的活性隨溫度的升高變化不大;當Mg 含量為2%時,催化活性高于其他催化劑。添加助劑Mg之后,提高了Ni的分散度和催化活性。

        2.3 助劑La的影響

        在反應體積比VH2∶VCO=4∶1,空速 5 000 h-1,反應壓力0.8 MPa,添加不同含量La得到曲線見圖6。

        圖6 助劑La對催化劑活性的影響

        由圖6 可以看出,在添加了助劑La 之后CO 的轉(zhuǎn)化率都有所提高,可見La對CO甲烷化有促進作用,助劑La 的加入抑制了NiO 與Al2O3的相互作用,使NiA12O4等化合物的量減少。

        2.4 助劑Mg、La的共同影響

        當添加助劑Mg 和La 以后,在反應體積比為VH2∶VCO=4∶1,反應空速5 000 h-1,反應壓力0.8 MPa進行了反應,得到的曲線見圖7。

        圖7 助劑Mg、La對催化劑活性的影響

        由圖7可見,添加2種助劑之后在300~600 ℃溫度范圍內(nèi)CO 轉(zhuǎn)化率均大于85%,比單獨加一種助劑時的轉(zhuǎn)化率均高,且在400~450 ℃的溫度范圍內(nèi)CO 幾乎完全轉(zhuǎn)化,催化劑的高活性溫度范圍變寬,這是助劑之間協(xié)作作用的結(jié)果。

        2.4 催化劑的表征

        2.4.1 比表面積通過SSA-4300 孔徑比表面積分析儀測定了系列催化劑Ni-Mg/γ-Al2O3的孔容積和比表面積,見表2。

        表2 催化劑BET測定

        由表2 可以看出,載體γ-Al2O3最大,隨著活性組分和助劑的提高比表面積逐漸降低,主要是活性組分和助劑的加入堵塞了部分載體的孔道所致,但催化劑的比表面積相差不大,可見少量的Mg對載體孔道的堵塞影響很小,且能夠提高催化劑的活性。

        2.4.2 XRD催化劑的XRD譜圖見圖8。

        圖8 催化劑的XRD譜圖

        由圖8 可以看出,未添加助劑La 的樣品只有NiAl2O4和NiO 的衍射峰,且較其它3 個樣品強;添加助劑La之后,依然存在NiO和NiAl2O4的衍射峰,且NiAl2O4的響應值降低,但出現(xiàn)了La2O2CO3的衍射峰,說明助劑La 抑制了NiAl2O4的生成,3 個樣品中并沒有La2O3的衍射峰,說明La2O3可能在載體上呈現(xiàn)高度分散狀態(tài)。

        3 結(jié)論

        (1)對于不同體積比的反應,CO 的轉(zhuǎn)化率和CH4的選擇性隨著體積比的增大而有所提高;

        (2)添加助劑Mg 后,粒徑相當?shù)腗gO 和NiO形成了合金有利于Ni 在載體上分散,提高了催化劑的活性;

        (3)添加助劑La 后,抑制了 NiO 與 Al2O3的相互作用,提高了催化劑的反應溫度;

        (4)添加助劑Mg 和La 后起到了協(xié)助作用,催化劑高活性溫度區(qū)域變寬。

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