甲烷化反應器催化劑積炭過程的模擬研究

沈文豪, 張亞新, 趙 玲

(1. 新疆大學 化學化工學院, 新疆 烏魯木齊 830046;2. 華東理工大學 化學工程聯合國家重點實驗室, 上海 200237)

1 前 言

我國煤炭資源豐富，國家多項政策指明了煤炭行業供給側改革的發展方向是清潔高效利用[1]。大規模煤制天然氣項目已在新疆、內蒙古等富煤地區投產，該工藝中甲烷化反應段對甲烷產率影響最大。副反應中甲烷吸熱會產生絲狀炭附著在催化劑內孔道表面，長時間的積累會導致催化劑內孔道嚴重堵塞[2-3]。張沛等[4]采用掃描電子顯微鏡(SEM)等表征方法，對商用選擇性催化還原(SCR)脫硝催化劑的失活和再生進行研究，發現砷和硫酸鹽嚴重堵塞了催化劑微孔道，酸洗再生能有效脫除砷和硫酸鹽，提高SCR 脫硝催化劑活性。KOO 等[5]采用不同Mg/Al 混合比控制的載體，提高了甲烷重整制合成氣催化劑的抗結焦能力。DEMICHELI 等[6-7]在實驗中測定了甲烷在Ni/Al2O3催化劑上形成積炭的反應動力學方程，使數值模擬方法研究甲烷化反應積炭過程成為可能。

采用 CFD 方法對固定床反應器內“三傳一反”(動量傳遞、質量傳遞、熱量傳遞、化學反應過程[8])規律進行研究能夠節省大量的實驗和人工成本，并獲得反應器內部更詳細的特征參數[9-10]。CHEIN 等[11]采用數值模擬方法研究了固定床管式反應器中甲烷化反應的影響因素，發現CO 甲烷化反應對溫度最敏感，提高反應壓力和降低空速能提高甲烷產率。SON 等[12]采用數值模擬方法研究了操作條件對積炭效應的影響，但模擬也僅停留在反應器宏觀尺度和催化劑-流體域介觀尺度。……