多功能煤催化气化催化剂的研究
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇多功能煤催化气化催化剂的研究范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
摘 要：本文根据气化反应的条件和催化剂本身性质，研究一种催化剂，在反应上不仅起到催化作用，而且参与反应，在反应物上提高碳转化率，其本身还能在反应中起到助熔作用。
1 煤气化的影响因素
根据以往对于煤的气化研究，煤气化反应的影响因素有：①煤化程度，煤气化反应性随原煤煤化程度的升高而降低；②煤的孔系结构，煤的孔越丰富，内表面积越大，其反应活性也就越高；③比表面积，煤或煤焦的孔越丰富，内表面积越大，其反应性也越高；④内在矿物质，煤中存在的矿物质或灰分中含有的碱金属、碱土金属和过渡金属等均具有催化作用；⑤制焦的工艺过程，煤的气化温度、制焦温度、升温速率、停留时间以及反应器等不同，对煤气化反应影响也很大；⑥预处理条件，对煤进行低温热解和预氧化处理有利于煤焦反应性的提高。
2 目前研究的催化剂主要存在的缺点
（1）单体催化剂的研究实用性较差，在工业应用中，其经济性难以保证，且受添加方式影响。由于煤气化反应反应温度高，单体催化剂在进行催化气化时易在高温下蒸发而流失；（2）工业废弃物中含有重金属等，将引起副反应和气化炉腐蚀等问题，且会带来环境污染；（3）煤中含有的有效催化元素含量低，在添加量多的情况下，直接影响煤的灰熔点，从而影响整个煤气化过程。
3 对比各种煤气化催化剂的作用
众所周知，煤催化气化催化剂的研究是由单组分碱金属开始，1921年，Taylor发现碳酸钠和碳酸钾具有促进煤气化反应作用。20世纪80～90年代，众多研究人员对煤气化催化剂进行了大量研究。Wang等研究发现，在煤焦进行水蒸气气化制氢过程中，在700～750℃反应温度条件下，碳酸钾在煤焦中质量分数达到10.0%～17.5%时，催化剂碳酸钾（K2CO3）的催化效果显著，添加催化剂比没有添加催化剂的煤焦水蒸气气化对H2有较好的选择性。
有些工业废料也是很好的煤气化催化剂，在对平朔气煤、晋城无烟煤和西曲焦煤洗中煤进行催化气化研究中发现，硫铁矿渣等在二氧化碳气氛下，对西曲焦煤洗中煤具有比K2CO3更好的催化活性。洪诗捷等用工业废碱液作为催化剂，对无烟煤进行水蒸气催化气化研究，研究发现，工业废碱液对煤气化也有很强的催化活性。
3.1 单体金属盐类催化剂
研究人员对焦作无烟煤的水蒸气气化进行研究时，发现以钾和钠的碳酸盐、硝酸盐及氢氧化物作为催化剂的催化活性从大到小的顺序依次为：KOH（NaOH）、K2CO3、KNO3（NaNO3）、Na2CO3。Wood等通过研究发现，对煤和焦炭催化气化而言，碱金属碳酸盐催化剂的相对催化活性随碱金属的相对原子质量的增加而降低，其催化活性从大到小的顺序依次为：Cs2CO3、K2CO3、Na2CO3、Li2CO3。
碱土金属作为煤气化催化剂，国内外学者也进行了大量的研究。Franklin等发现，钙对煤中的羟基具有催化裂解作用，含钙矿物质的煤气化催化剂可以降低产物中焦油的含量。朱廷钰等对煤气化催化剂氧化钙（CaO）进行了研究，发现添加氧化钙后，可以大大降低煤裂解活化能和裂解温度，煤裂解活化能降到65.5%，裂解温度降低约60℃。CaO粒子不仅可以催化裂解煤气化过程中生成的焦油，同时还具固硫和固CO2作用。冯杰等研究发现，石灰石在经过氯化钠或碳酸钠溶液浸泡后，其催化气化性能将有所提高。
研究人员对过渡金属作为煤气化催化剂进行了研究。Tomita和Ohtsuka等对镍（Ni）盐研究发现，镍在500℃左右具有非常高的催化活性；Silva等以氧化钼作为催化剂，在富二氧化碳（CO2）条件进行煤气化研究，发现氧化钼在500℃左右也具有较好的催化活性，但Ni和Mo在500～600℃时容易因硫中毒而失活，且Ni和Mo价格昂贵，将其作为催化剂成本高，难以推广。铁是一种良好的过渡金属催化剂，Asamil等用其对褐煤的催化进行了大量研究，其结果显示，铁催化剂不仅可以降低煤气化的温度，而且可以快速的使褐煤完全气化；同时，铁作为催化剂对设备腐蚀性小，且添加量少（铁在煤中的质量分数小于1%）等优点；但是铁催化剂的缺点是：气化反应温度要求高，一般不低于800℃，并且容易产生硫中毒。
早期进行的煤气化催化剂研究主要集中在单体催化剂，发现除了钾盐催化剂外，其他催化剂的实用性很差，如用稀有金属镍和钼作为煤气化催化剂，因其价格昂贵，回收率低，回收成本高，大大影响了它们作为催化剂在工业中的应用。单体催化剂作为煤催化气化反应时，催化剂与煤的接触受添加方式的影响其应用，由于在进行催化气化时，反应温度高，催化剂很容易在高温下蒸发流失。对于单体催化剂，关键在于催化剂的回收和重复利用率，目前研究得最多的单体催化剂是碳酸钾K2CO3），主要是其成本低，制备方法简单，稳定性较好。它也是目前唯一一种成功应用于工业化的的单体催化剂。当然，由于碳酸钾中一部分钾与煤灰中硅酸铝反应，其水洗法回收率也只有60%～80%。
3.2 工业废弃物类催化剂
工业废弃物为作为一种加速煤气化反应的有效和廉价催化剂逐渐受到研究人员的关注，它们在催化气化过程中，一次性使用，不需要回收，可有效降低生产成本。工业废弃物作为煤气化催化剂也是资源综合利用的有效途径。目前，研究较多的工业废弃物主要包括生物质灰、工业废碱和硫铁矿渣等。洪诗捷等研究发现，当工业废碱液在无烟煤中质量分数达到3%～12%时，碳转化率比无催化剂时增加2.55～3.93倍，比以碳酸钠（Na2CO3）为催化剂还好。同时，废碱液在煤气化中还可以提高煤气化的产气量和煤气热值，改善煤气组成。陈欣等用无烟粉煤在流化床中进行混合气（空气、水蒸气）的催化气化研究，研究了工业固碱和粘胶废碱液作在煤气化中的催化性能。结果显示，在相同的反应时间（约40分钟）、催化气化温度（约900℃）和催化剂添加量（约8%）条件下，在没有添加催化剂时，其气化产气量为2.57m3/kg；添加工业固碱时，其气化产气量为3.62m3/kg；添加粘胶废碱液时，其气化产气量为3.97m3/kg；同时发现，用粘胶废碱液作催化剂气化时，其煤气热值比用工业固碱作为催化剂时的气化煤气热值提高了0.66倍，比没有添加催化剂时提高了2.78倍。
纸浆黑液是碱法制浆造纸行业中产生的废液，其含有的固形物中66.67%为有机物，主要为木质素、纤维素、半纤维素的碱性降解产物，另外33.33%为无机物，主要是有机钠盐、残碱（氢氧化钠）。Kuang等对纸浆黑液煤浆（CBLS）和水煤浆（CWS）进行了气化研究。结果显示，黑液煤浆焦和水煤浆焦的气化最大转化率分别为98.73%和94.72%，两者之间的差距主要是纸浆黑液中钠盐所具有的催化特性造成的。经X射线衍射光谱（XRD）和傅里叶变换红外分析（FT-IR）对气化残留物进行表征显示，黑液水煤浆（CBLS）的表面特性比普通水煤浆（CWS）高出了40倍，且黑液水煤浆（CBLS）的平均孔径仅为普通水煤浆（CWS）的20%。黑液煤浆（CBLS）气化残留物表面存在大量的微孔、中孔和锯齿面。表面特性（表面积、微、中孔径）对黑液水煤浆（CBLS）的气化性能影响很大。用纸浆黑液作为煤气化催化剂，在煤气化过程中，纸浆黑液中有机组分与煤共同生产燃料气，纸浆黑液中的无机组分可用作煤气化的催化剂，这样的共气化有可能实现煤的高效气化。
4 研究思路流程图
5 结束语
通过此次研究，预期能够达到以下成果：
（1）能显著提高低活性煤及高硫石油焦的气化反应性，提高碳转化率；（2）能降低气化反应温度，实现温和气化；（3）在反应中催化剂还能起到助熔作用。
参考文献
[1]宋燕，李开喜，杨常玲，等.石油焦制备高比表面积活性炭的研究[J].石油化工，2002（6）.
[2]冯娜，田原宇，刘芳，等.石油焦后处理技术及其应用[J].石油与天然气化工，2008，37（2）：136.
[3]Heeven D L.Prospect of Active Carbon[J].Chemical Marketing Reporter，1999，（4）：9.
[4]贾嘉，展秀丽，周志杰，等.几种金属催化石油焦CO2气化的实验研究[J].化学世界，2010：85.