煤催化氣化技術的研究現狀與展望

趙哲+莊成成+王海娟

【摘 要】煤催化氣化技術是第三代煤氣化技術，其氣化溫度降低到200至300℃，而且能夠調節煤氣化成分，有利于氨、甲烷、甲醇等化工產品的合成?，F階段，在煤催化氣化技術體系中，可使用的催化劑有一元催化劑、復合催化劑、廉價可棄催化劑等多種，除了催化劑外，煤種、催化劑的負載過程以及氣化條件都會影響到技術應用效果，要想進一步完善其技術體系，還需要進一步研究。在工業生產中，應用了該技術的工藝有合成天然氣甲烷工藝和催化器制氫工藝，展現出了酶催化氣化技術的優越性。

【關鍵詞】煤催化氣化技術；研究現狀；展望

煤炭是一種固體燃料，作為我國最豐富的不可再生能源，被廣泛應用于我國居民的日常生活以及社會工業的生產制造。由于煤炭中含有大量硫、氮元素，直接燃燒會產生大量的污染性氣體，而且能量轉化率較低，利用煤氣化技術，將煤轉化為合成氣等氣體燃料，能夠實現煤的高效清潔利用，但是由于氣化溫度過高的緣故，該技術在生產實踐中的可利用性不強。煤催化氣化技術，是第三代煤氣化技術，利用催化劑，能夠降低煤氣化溫度，調節煤氣化成分，相比于傳統的煤氣化技術，優勢顯著，被廣泛應用于工業生產中[1]。

一、煤催化氣化技術研究現狀

（一）催化劑

煤催化氣化技術的優越性，在于催化劑的使用，使得煤氣化的溫度能夠降低，提高煤氣化反應速率，因此，現階段，煤催化氣化技術的主要研究內容就是催化劑。目前，該技術體系中可用的催化劑主要有以下三種：①一元催化劑。比如說K2CO3，該物質作為催化劑具有制作成本低、穩定性好的優點，但是回收利用率低，且在煤氣化過程中易產生KAlSiO4；再比如說FeNO3，常用作于制作Fe基催化劑，對于褐焦煤的氣化率可達到50%，而且在眾多過渡金屬中，Fe是最廉價的，用作催化劑能夠有效降低技術應用成本；②復合催化劑。與一元催化劑相比，多元催化劑效率更高，因為多元催化劑熔點更低，在氣化條件下具有較強的流動性和潤濕性，與煤表面接觸棉結更大，因此催化活性更高。目前，工業中常用的復合催化劑有KOH與Ni（OH）2組成的催化劑，以及鐵氧化物、錳氧化物組成的堿土金屬等。復合催化劑不僅催化活性高，而且可回收并再次利用；③廉價可棄催化劑。在煤催化氣化技術中，成本、利用率、環保性能等因素都是衡量催化劑性能的指標，廉價可棄催化劑一直是研究人員的目標。目前有學者研究發現，石灰石在700℃是對于任意煤種有較強的催化活性，可用于煤催化氣化技術中，此外，還有學者發現，紙漿黑液對于無煙煤的氣化反應具有較強的催化作用，上述物質價格低廉，無需回收利用節省成本，是催化劑研究開發的主要方向[2]。

（二）技術影響因素

在煤催化氣化技術體系中，除了催化劑之外，還有一些會影響到技術應用效果的因素，這些因素也是該技術研究的主要內容。具體來說，煤催化氣化技術的影響因素有：①催化劑。是該技術的主要研究內容，目前已知可用的催化劑有多種，相關企業應該根據生產需求合理選擇；②煤種。不同的煤種，有著不同的特點，在媒階、煤表面積、礦物質種類等因素上都有著一定的區別，對于催化劑也有著不同的反應；③催化劑的負載過程。催化劑負載會影響到催化劑、氣化劑與煤表面的接觸面積，繼而影響到氣化反應路徑及反應速率，目前常用的負載方式有干混法，干磨法、物理浸漬法、離子交換法，可根據煤種及催化劑種類合理選擇；④氣化條件。溫度是對煤催化氣化影響最大條件因素，溫度升高可使得煤氣化速率提升，但是溫度過高會引發燒結現象，反而使得碳轉化速率Ian第，因此，需要根據生產工藝合理管控氣化溫度。

二、煤催化氣化技術在工業中的應用

煤催化氣化技術能夠實現煤炭資源的高效清潔利用，技術優勢顯著，但是由于催化劑成本高且難以回收利用的問題，目前該技術的工業化應用仍處于試驗階段?，F階段，煤催化氣化技術的工業化試驗成果有：①合成天然氣甲烷工藝。1979年美國埃克森公司建立了水蒸氣催化氣化制取甲烷的而公益裝置，使用了KOH、K2CO3復合催化劑，但由投資成本過高其工業化生產計劃被迫停止。隨著科學技術的發展，新奧科技有限公司研發出了一個催化氣化甲烷合成流化床，采用了多區耦合氣化的生產工藝，實現了對生產能源的高效利用；②催化氣化制氫工藝。由日本研發，以NaOH、Na2CO3作為催化劑，實現了褐煤、次煙煤、煙煤的氣化制氫。

三、結語

煤氣化技術的研發應用，使得煤炭的利用進入了一個新的時代，實現了煤炭資源的高效利用，同時保證了生產過程的生態環保。但是在傳統的煤氣化生產工藝中，氣化溫度需高達1100至1700℃，維持這一高溫氣化狀態需要消耗大量的能源，同時還存在粗煤氣凈化困難等問題，技術應用成本較高[3]。煤催化氣化技術的開發，有效消除了傳統煤氣化技術的弊端，實現了200至300℃的溫和化氣，且氣化反應速率顯著降低，而且在氨、甲烷、甲醇等化工產品合成中更為便捷，在提高煤利用率的同時，有效提升了技術的經濟性，應用前景廣闊。

【參考文獻】

[1]毛燕東，金亞丹，王會芳，鄭巖，李克忠，畢繼誠，李金來，辛峰.煤催化氣化工藝中堿金屬腐蝕剛玉質耐火材料的實驗研究[J].燃料化學學報，2014，42：1332-1339.

[2]方夢祥，厲文榜，岑建孟，王勤輝，駱仲泱.煤催化氣化技術的研究現狀與展望[J].化工進展，2015，34：3656-3664.

[3]李偉偉，李克忠，康守國，祖靜茹，張榮，畢繼誠.加壓射流流化床煤催化氣化制天然氣的模擬研究[J].化學反應工程與工藝，2014，30：79-90.