镍系催化剂的制备、表征及其甲烷化活性的测试

【摘要】：随着人民生活水平的提高和工业化的快速发展，天然气需求量逐渐增大，但传统煤化工技术存在能源利用率低、环境污染严重等问题。合成天然气技术（SNG）是一种由煤制取天然气的技术，其产品不仅可以解决我国天然气供应不足的问题，而且对我国资源充分利用、节能减排、绿色化工具有重要意义。目前，我国尚未完全掌握SNG工艺技术，其技术还处于低温甲烷化研究开发阶段，因此高性能高温甲烷化镍催化剂的研究开发迫在眉睫。本文主要进行两方面的研究：一是采用共沉淀法制备镍催化剂载体，加入不同质量的MgO、CeO_2等金属氧化物进行负载，制备出不同配比的催化剂样品。对其进行了机械强度、S_(BET)、H_2-TPR、NH_3-TPD、TG、XRD、SEM、XPS等表征,并通过正交试验在固定床反应器中评价其甲烷化催化反应性能。结果表明,CO转化率和选择性的最佳配比为5%MgO、1%、4%CeO_2;CO转化率达98.4%,CH_4选择性达96.9%。MgO的加入使得镍在高温焙烧条件下形成镁尖晶石,降低了催化剂烧结的可能性;有助于催化剂样品的还原,减弱催化剂的酸性,同时也防止了催化剂的积碳;CeO_2的加入增加了催化剂的孔径,提高了催化剂的CO转化率,CeO_2产生的电子效应提高了Ni物种的还原能力,也降低了催化剂积碳的概率。另一方面，通过对照实验对镍基催化剂的反应条件进行优化筛选，发现样品催化反应适宜的还原温度为500℃、还原压力为2MPa、还原空速为2000h~(-1)；样品催化反应适宜的反应温度为450℃、反应压力为2MPa、反应气空速为6000h~(-1)；催化反应适宜的原料工艺气中氢碳比为3:1。在此条件下催化剂具有良好的催化活性和CH_4选择性。利用热力学计算了甲烷化的平衡常数和平衡转化率，并与实验结果进行了对比，得出了镍基催化剂较高的催化性能。最后对选定的催化剂样品进行了72小时稳定性试验，发现样品的CO转化率和CH_4选择性变化很小，表明催化剂在此操作条件下可以使用。