合成氣完全甲烷化催化劑技術研究

張曉飛，馬小龍，許　磊，樊金龍

(1 中國石油烏魯木齊石化公司研究院，新疆　烏魯木齊　830019;2 中國石油烏魯木齊石化公司化肥廠，新疆　烏魯木齊　830019)

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合成氣完全甲烷化催化劑技術研究

張曉飛1，馬小龍2，許磊1，樊金龍1

(1 中國石油烏魯木齊石化公司研究院，新疆烏魯木齊830019;2 中國石油烏魯木齊石化公司化肥廠，新疆烏魯木齊830019)

通過載體的制備、助劑及活性組分的加入，最終得到擔載型NiO·La2O3·MgO/Al2O3甲烷化催化劑。在10 mL兩段反應裝置中進行了甲烷化催化劑1000 h穩定性評價試驗，反應條件為：反應溫度610 ℃(一段)和313 ℃(二段)，反應壓力3.0 MPa，平均空速6500 h-1，原料氣H2/CO=3.03。試驗結果表明催化劑活性基本沒有下降，CO轉化率平均為99.97%，CH4選擇性平均為98.44%。

載體制備；助劑；活性組分；擔載型；甲烷化催化劑

新型煤化工重點發展煤制天然氣已經成為行業的共識。2015年我國天然氣消費量在2600億m3左右，2020年在4000億m3左右，供需缺口將達到1800億m3，而國內產量遠不能滿足。根據預測，到2020-2030年中國天然氣的進口依存度將達到40%～50%[1-2]。煤制天然氣技術利用褐煤等劣質煤炭，通過煤氣化、一氧化碳變換、酸性氣體脫除、高溫甲烷化工藝生產代用天然氣。但長期以來，甲烷合成技術和甲烷化催化劑合成技術均掌握在發達國家手中。由于國內甲烷化技術及催化劑尚沒有大規模工業化的運行經驗，因此，國內煤制天然氣項目只能高價位引進國外技術、工藝包和催化劑。但是國內煤制天然氣的工藝流程從空分到最后的環保環節，除了甲烷化工藝技術尚未取得突破外，其他部分國內技術和設備均沒有問題。因此本文將著重介紹在甲烷化催化劑制備技術方面的研究進展[3-8]。

1　實　驗

1.1試驗原料

擬薄水鋁石，田箐粉，甲基纖維素，硝酸鎳，硝酸鎂，均為工業品；氫氣，一氧化碳，氮氣，二氧化碳，均為高純氣(99.999%)；還原氣(H2/N2，20% H2)。

1.2試驗儀器設備

表1　實驗儀器設備一覽表

續表1

電加熱搪玻璃反應釜設計溫度:200℃;設計壓力:罐內0.43MPa、夾套內:常壓;規格:罐內Dg=600mm、夾套內Dg=800mm;容積:100L;工作介質:罐內非易燃輕度危害介質、夾套:導熱油;電熱功率:6×2kW;攪拌型式:錨式;攪拌轉速:85.63r/min;總重:340kg浸漬槽120L規格:1200×500×200,材質:工程塑料電熱干燥箱ZK-025工作室尺寸:600mm×700mm×600mm(L×W×h)箱式烘干機RXL/D-72爐膛尺寸:800mm×600mm×500mm(L×W×h),最高溫度:900℃

1.3催化劑的制備[9]

1.3.1Al2O3載體的制備

稱取擬薄水鋁石(氫氧化鋁)、助擠劑田箐粉、擴孔劑甲基纖維素和一定量的稀硝酸溶液充分混合。捏合均勻后擠成φ3 mm 的條狀，空氣中干燥12 h，然后在烘箱中于110 ℃條件下干燥4 h。將干燥后的樣品置于馬弗爐中程序升溫至700 ℃焙燒4 h后得到Al2O3載體。

1.3.2堿土金屬的加入

稱取一定量的Mg(NO3)2·6H2O，溶于適量去離子水中，攪拌溶解后制得浸漬溶液。稱取步驟a制備的Al2O3載體，并將其倒入浸漬溶液中，在室溫條件下浸漬一定時間，期間不斷進行攪拌使其浸漬均勻。浸漬完成后去掉多余浸漬液，然后將浸漬好的樣品放入烘箱中于120 ℃條件下干燥8 h。隨后在馬弗爐中程序升溫至600 ℃焙燒4 h得到催化劑中間體。

1.3.3稀土助劑的加入

稱取一定量的La(NO3)3·6H2O，溶于適量去離子水中，攪拌溶解后制得浸漬溶液。將步驟b中得到的催化劑中間體倒入配置好的浸漬溶液中，在室溫條件下浸漬一定時間，期間不斷進行攪拌使其浸漬均勻。浸漬完成后去掉多余浸漬液，然后將浸漬好的樣品放入烘箱中于120 ℃條件下干燥8 h。隨后在馬弗爐中程序升溫至600 ℃焙燒4 h得到催化劑中間體。

1.3.4活性組分的加入

稱取一定量的Ni(NO3)2·6H2Og，溶于適量去離子水中，攪拌溶解后制得浸漬溶液。將步驟c中得到的催化劑中間體倒入配置好的浸漬溶液中，然后在室溫條件下浸漬一定時間，期間不斷進行攪拌使其浸漬均勻。浸漬完成后去掉多余浸漬液，然后將浸漬好的樣品放入烘箱中于120 ℃條件下干燥8 h。隨后在馬弗爐中程序升溫至600 ℃焙燒4 h得到催化劑NiO·La2O3·MgO/Al2O3。

1.4催化劑的表征

圖1　催化劑樣品的XRD譜圖

催化劑的晶體結構在日本Rigaku D/Max 2550VB/PC型X射線衍射儀(XRD)上進行分析，以Cu Kα(λ=0.15406 nm)為輻射源，管電壓40 kV，電流100 mA，掃描速率0.02 °/s，掃描范圍10°～80°。由圖2可知，添加鎳鹽制備的催化劑主要物相為γ-Al2O3，無NiO的衍射峰，說明鎳物種高度分散。

圖2　催化劑樣品的TPR譜圖

催化劑(200 mg)用高純氮氣在573～773 K吹掃1 h，降溫至室溫，H2+Ar混合氣中H2含量為5%，氣體流速30 mL/min，程序升溫速率為10 K/min。從圖3可以看出，所制備催化劑有三個還原峰，分別位于380 ℃、490 ℃和710 ℃。說明催化劑上的NiO金屬組分與Al2O3載體之間有三種強度不同的相互作用。

2　結果與討論

2.1催化劑活性評價試驗

原料氣通過甲醇裂解制得，經配氣將H2/CO調至3.0后進入反應器進行反應。催化劑評價在內徑為10 mm的不銹鋼反應管中進行。催化劑裝填量1～10 mL，催化劑20～35目。在進行反應前，先將催化劑在氫氣氣氛下程序升溫至550 ℃進行還原，還原氣體積空速為2000 h-1。還原結束后將反應器溫度降至300 ℃，隨后切換H2/CO比為3:1的原料氣進行反應。原料氣經質量流量計計量后，先經預熱器加熱至300 ℃再進入反應器。產品氣用濕式流量計計量。待反應達到穩態，由尾氣的色譜分析數據求算反應結果。

2.2分析及計算

原料氣和產品氣組成均采用離線氣相色譜分析(上海安捷倫1790型氣相色譜儀)。用熱導檢測器(TCD)檢測氣體中的CO、CO2、H2、CH4的體積含量，色譜柱為2 m的碳分子篩，柱溫為100 ℃。氣體中的碳氫化合物由氫火焰離子檢測器檢測，其色譜柱為2 m的Porapak Q填充柱。通過甲烷為中間物進行關聯歸一計算。

反應轉化率定義為原料氣中CO(或H2)的摩爾轉化率。CO2選擇性定義為產物中形成的CO2與轉化的CO的摩爾比。CH4選擇性定義為產物中形成的CH4與轉化的CO的摩爾比。

其中：XCO——一氧化碳轉化率

SCH4——甲烷選擇性

SSO2——二氧化碳選擇性

2.3催化劑實驗室評價結果及分析

實驗條件：一段反應器催化劑裝量：10 mL，二段反應器催化劑裝量：10 mL； 平均反應溫度：610 ℃(一段)和313 ℃(二段)，反應壓力：3.0 MPa，平均空速：6500 h-1，原料氣H2/CO: 3.03。

圖3　甲烷化反應參數隨時間的變化情況

由圖4和圖5可見，經過兩段甲烷化反應后CO和H2轉化率均接近100%，CH4選擇性大于98%。尾氣中已經沒有CO，CH4平均含量大于95%，脫除尾氣中CO2后CH4含量可高達99%以上，在催化劑評價時間1000 h時間內，催化劑活性基本沒有下降。試驗結果表明，甲烷化催化劑性能優異。

圖4　甲烷化反應結果隨時間變化情況

圖5　反應后氣體組成隨時間變化情況

3　結　論

(1)通過添加助劑(MgO和La2O3)，采用分步浸漬法提高活性組分NiO的負載量，從而提高了鎳基催化劑的催化活性和穩定性。

(2)經過兩段甲烷化反應后，催化劑評價時間1000 h時間內，催化劑活性基本沒有下降，CO轉化率平均為99.97%，CH4選擇性平均為98.44%。

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Study on Catalyst for Completely Methanation of Syngas

ZHANGXiao-fei1,MAXiao-long2,XULei1,FANJin-long1

(1 Research Institute of Urumqi Petrochemical Company, PetroChina， Xinjiang Urumqi 830019;2 Fertelizer Plant of Urumqi Petrochemical Company, PetroChina, Xinjiang Urumqi 830019, China)

Through carrier preparation, auxiliary agent and the addition of active component, a NiO·La2O3·MgO/Al2O3methanation catalyst methanation catalyst was got. In of 1000 h methanation catalyst stability evaluation test was run in 10 mL two pieces reaction device, reaction conditions were studied as follows: reaction temperature was 610 ℃ (1 section) and 313 ℃ (2 section), reaction pressure was 3.0 MPa, the average airspeed was 6500 h-1，feed gas H2/CO=3.03. Experimental results showed that the catalyst activity did not drop, CO conversion rate was 99.97% on average, CH4selectivity was 98.44% on average.

carrier preparation; auxiliary; active component; supported catalyst; methanation catalyst

張曉飛(1982-)，男，工學碩士，工程師，從事碳-化工方向的研究。

TE646

A

1001-9677(2016)010-0131-03