李 波,楊 武,張 浩,徐 龍,馬曉迅
(西北大學(xué)化工學(xué)院,碳?xì)滟Y源清潔利用國(guó)際科技合作基地,陜西省潔凈煤轉(zhuǎn)化工程技術(shù)研究中心,陜西西安 710069)
CH4-CO2重整反應(yīng)消耗了CH4和CO2兩種溫室氣體,對(duì)降低溫室效應(yīng)具有重要影響,而且生成合成氣的氫碳比(n(H2)/n(CO))為1,適用于費(fèi)托合成,因此CH4-CO2重整反應(yīng)成為近年來(lái)相關(guān)學(xué)者的研究熱點(diǎn)之一[1-2]。目前據(jù)文獻(xiàn)中報(bào)道廣泛用于CH4-CO2重整反應(yīng)的催化劑可以分為兩類(lèi):貴金屬催化劑和非貴金屬催化劑,貴金屬催化劑如Ru,Rh,Ir,Pt,Pd等,催化活性高,穩(wěn)定性好,但價(jià)格昂貴[3-8]。非貴金屬例如Co,Ni,Cu,F(xiàn)e等,其中鎳基催化劑在CH4-CO2重整反應(yīng)中表現(xiàn)出較好的催化活性[9-12]。 1928年Fischer和Tropsch[13]首次對(duì)CH4-CO2重整進(jìn)行了研究,采用等體積浸漬法將Fe、Co、Ni等金屬負(fù)載在不同載體上,考察了不同載體和活性組分對(duì)CH4-CO2重整反應(yīng)性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,以γ-Al2O3為載體負(fù)載Ni和Co之后催化劑具有較好的反應(yīng)活性。蘇愛(ài)廷[14]以炭材料為載體,考察了不同酸堿性對(duì)催化劑的改性,并在固定床反應(yīng)器上考察了改性后催化劑對(duì)CH4-CO2重整反應(yīng)活性的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:用硝酸和高錳酸鉀改性后,催化劑CH4轉(zhuǎn)化率分別提高了10.84%和7.45%,CO2轉(zhuǎn)化率提高了16.14%和20.28%。金保升等[15]采用機(jī)械混合法向焦炭體系中加入CaO,在固定床試驗(yàn)裝置上考察了CaO添加量對(duì)CH4-CO2重整反應(yīng)的影響,結(jié)果表明:添加CaO明顯提高了焦炭的催化活性,其最佳添加量為15%~20%。
以炭材料為催化劑催化CH4-CO2重整反應(yīng)成為近年來(lái)的一個(gè)新的研究熱點(diǎn)[16-20]。張國(guó)杰[21]通過(guò)對(duì)炭材料改性用于催化CH4-CO2重整反應(yīng),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)反應(yīng)溫度為1050℃時(shí),CH4的轉(zhuǎn)化率達(dá)到97.3%,表明炭材料對(duì)CH4-CO2重整有顯著的催化作用。炭基催化劑不僅對(duì)CH4-CO2重整反應(yīng)具有較高的催化活性,同時(shí)還具有較大的比表面積和發(fā)達(dá)的孔結(jié)構(gòu)等特點(diǎn),因此成為相關(guān)學(xué)者的研究重點(diǎn)之一[22,23]
本文綜合炭材料和氧化鋁兩者的優(yōu)點(diǎn),采用機(jī)械混合法制備了AC-Al2O3載體,并在氣固相固定床催化反應(yīng)裝置上考察了負(fù)載鎳的AC-Al2O3催化劑對(duì)重整反應(yīng)的催化活性。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用BET、SEM、TG等表征手段對(duì)反應(yīng)前后的催化劑進(jìn)行表征,以此來(lái)指導(dǎo)催化劑的制備。

表1 甲烷二氧化碳重整體系中的主要反應(yīng)Table 1 M ain reactions in CO2 reform ing of methane
CH4-CO2重整反應(yīng)機(jī)理比較復(fù)雜,反應(yīng)過(guò)程中往往伴隨著一系列副反應(yīng)的發(fā)生如:CH4裂解、CH4-CO2重整反應(yīng)等[24-25]。將其歸納如表1所示。
采用化學(xué)計(jì)量系數(shù)矩陣法計(jì)算出上述反應(yīng)方程式的獨(dú)立反應(yīng)數(shù),其化學(xué)計(jì)量系數(shù)矩陣如下:

通過(guò)計(jì)算可知該矩陣的秩為3,因此我們選取逆水煤氣反應(yīng) (CO2+H2=CO+H2O)、CH4-CO2重整反應(yīng)(CH4+CO2=2CO+2H2)以及CH4裂解反應(yīng)(CH4=C+2H2)作為獨(dú)立反應(yīng)方程,獨(dú)立反應(yīng)方程的確定對(duì)CH4-CO2重整反應(yīng)的特性研究具有重要的指導(dǎo)意義。
目前關(guān)于CH4-CO2重整反應(yīng)體系中熱力學(xué)分析的文獻(xiàn)相對(duì)較多[26-29],通常采用平衡常數(shù)計(jì)算法和吉布斯自由能最小法對(duì)重整反應(yīng)體系進(jìn)行熱力學(xué)分析[30]。因?yàn)镃H4-CO2重整反應(yīng)體系中的獨(dú)立反應(yīng)方程已經(jīng)確定,我們借助MATLAB,計(jì)算出各反應(yīng)在不同溫度下的吉布斯自由能,制得圖1。由圖1可知:反應(yīng)體系中的吸熱反應(yīng)有1、2、3、4,當(dāng)反應(yīng)溫度處于高溫區(qū)時(shí),其吉布斯自由能小于0,為熱力學(xué)可行范圍,高溫條件下有利于反應(yīng)的正向進(jìn)行。反應(yīng)體系中屬于放熱反應(yīng)的有5、6、7、8,當(dāng)反應(yīng)溫度處于低溫區(qū)時(shí),其吉布斯自由能小于0,低溫條件下有利于反應(yīng)的正向進(jìn)行。而當(dāng)溫度處于高溫區(qū)時(shí)其逆反應(yīng)吉布斯自由能小于0,為熱力學(xué)可行范圍。因此當(dāng)反應(yīng)處于高溫區(qū)時(shí),有利于反應(yīng)5、6、7、8的逆向進(jìn)行。

圖1 CH4-CO2重整體系各反應(yīng)△r G m-T關(guān)系圖Fig.1 Relationship diagram of△r G m-T in CH4-CO2 reform ing
CH4-CO2重整的主要反應(yīng)是:CH4+CO2=2CO+2H2,△=247.3kJ/mol。 由反應(yīng)方程式可知,此反應(yīng)是一個(gè)體積增大的強(qiáng)吸熱反應(yīng),因此高溫低壓條件下更有利于反應(yīng)的正向進(jìn)行生成CO和H2。從圖1可知,CH4-CO2重整反應(yīng)的熱力學(xué)可行溫度為922K。當(dāng)反應(yīng)溫度>1050K時(shí),CH4-CO2重整反應(yīng)體系中最容易發(fā)生的反應(yīng)為CH4裂解反應(yīng)、C與CO2的氣化反應(yīng)、逆水煤氣反應(yīng)。CH4裂解產(chǎn)生的積炭會(huì)覆蓋催化劑表面的活性位點(diǎn),導(dǎo)致催化劑失活,但積炭與CO2的反應(yīng)會(huì)消耗一定量的積炭。逆水煤氣反應(yīng)有利于調(diào)控產(chǎn)物氣中的氫碳比,為下游化工產(chǎn)品提供合適的原料氣。當(dāng)反應(yīng)溫度相對(duì)較高時(shí),有利于反應(yīng)5、6、7、8的逆向進(jìn)行,但這四個(gè)逆反應(yīng)的發(fā)生都需水的參與,而在CH4-CO2重整體系中只有逆水煤氣反應(yīng)生成水,因此在高溫條件下反應(yīng)5、6、7、8對(duì)CH4-CO2重整反應(yīng)體系的影響相對(duì)較小[31]。當(dāng)反應(yīng)處于高溫區(qū)時(shí),CH4-CO2重整反應(yīng)體系中最容易進(jìn)行的反應(yīng)是1、3、4。
2.1.1 γ-Al2O3載體的制備
采用機(jī)械混合法制備γ-Al2O3載體,按比例稱(chēng)取一定量的擬薄水鋁石和田菁粉(質(zhì)量比為20:1)并將其置于干燥的擠條機(jī)中緩慢攪拌,同時(shí)緩慢滴加適量的硝酸溶液,繼續(xù)攪拌1h后,捏合成型。將成型后的樣品移入坩堝中,放入馬弗爐中焙燒,從20℃升到550℃,升溫速率3℃/min,550℃下焙燒2h,然后取出壓片,篩分成30~60目,得到實(shí)驗(yàn)樣品(無(wú)特殊標(biāo)注均簡(jiǎn)稱(chēng)為Al2O3)。
2.1.2 不同Ni負(fù)載量的Ni/Al2O3催化劑的制備
采用等體積浸漬法制備N(xiāo)i/Al2O3催化劑(其中Ni負(fù)載質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%、5%、7%、10%),按比例稱(chēng)取一定量的Ni(NO3)2·6H2O將其溶于去離子水中,繼續(xù)稱(chēng)取1g Al2O3催化劑浸漬于上述水溶液中,超聲20min后,用保鮮膜密封室溫靜置18h,然后在110℃烘箱中干燥6h,取出后置于馬弗爐中550℃焙燒2h,分別記為2Ni/Al2O3、5Ni/Al2O3、7Ni/Al2O3和10Ni/Al2O3。
2.1.3 AC-Al2O3載體的制備
采用機(jī)械混合法制備AC-Al2O3載體,按比例稱(chēng)取一定量的擬薄水鋁石、活性炭和田菁粉(質(zhì)量比為18:2:1)并將其置于干燥的擠條機(jī)中,其他制備過(guò)程和Al2O3載體的制備過(guò)程完全相同,具體制備過(guò)程參照2.1.1。
2.1.4 不同Ni負(fù)載量的Ni/AC-Al2O3催化劑的制備
采用等體積浸漬法制備N(xiāo)i/AC-Al2O3催化劑(其中Ni負(fù)載質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%、5%、7%、10%),分別記為2Ni/AC-Al2O3、5Ni/AC-Al2O3、7Ni/AC-Al2O3、10Ni/ACAl2O3。按比例稱(chēng)取一定量的 Ni(NO3)2·6H2O將其溶于去離子水中,繼續(xù)稱(chēng)取1g AC-Al2O3催化劑浸漬于上述水溶液中,其他制備過(guò)程和Ni/Al2O3催化劑的制備過(guò)程完全相同,具體制備過(guò)程參照2.1.2。
催化劑的活性評(píng)價(jià)在加壓固定床氣固相催化反應(yīng)裝置(天津鵬翔科技有限公司)上進(jìn)行。
催化劑活性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)在加壓固定床氣固相催化反應(yīng)裝置上進(jìn)行,反應(yīng)時(shí)氣體總流量為30mL/min, 其中CH4流量為5mL/min,CO2流量為5mL/min,Ar流量為20mL/min。取0.1g催化劑樣品置于石英管中,裝入氣固相固定床催化反應(yīng)裝置,反應(yīng)前通入Ar吹掃,以10℃/min的升溫速率從室溫升至反應(yīng)溫度,溫度穩(wěn)定之后通入CH4和CO2進(jìn)行反應(yīng)。反應(yīng)后的氣體由質(zhì)譜進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢測(cè)。
2.3.1 氮?dú)馕锢砦?脫附表征
采用美國(guó)康塔全自動(dòng)比表面儀(Quantachrome,Autosorb0 1B)對(duì)催化劑的比表面積和孔徑分布進(jìn)行測(cè)定。在液氮溫度條件下進(jìn)行氮?dú)馕?脫附實(shí)驗(yàn)。測(cè)試前催化劑在70℃預(yù)熱30 min,將溫度升至300℃下脫氣4h。測(cè)試過(guò)程取40個(gè)測(cè)試點(diǎn),催化劑的孔徑分布采用BJH模型法計(jì)算,比表面積采用BET模型法計(jì)算。
2.3.2 掃描電鏡(SEM)表征
使用日立TM3000臺(tái)式掃描電子顯微鏡對(duì)催化劑的形貌進(jìn)行分析。測(cè)試電壓為15V,低真空度為10Pa,分辨率為30nm。
2.3.3 熱重(TG/DTG)表征
使用德國(guó)耐馳 (Mettler-Toledo TGA/SDTA851)對(duì)催化劑進(jìn)行熱失重分析。實(shí)驗(yàn)過(guò)程在CO2氣氛下進(jìn)行,CO2氣體流量為80mL/min,催化劑樣品質(zhì)量10mg,以10℃/min升溫速率,從室溫上升至1000℃。
重整反應(yīng)條件:5Ni/Al2O3催化劑用量為0.1g,n(CH4):n(CO2)為1:1,空速GHSV為24000mL/(h·g),反應(yīng)溫度為600℃、700℃、800℃、900℃。 圖2為不同反應(yīng)溫度下催化劑CH4和CO2轉(zhuǎn)化率曲線圖。如圖所示: 當(dāng)反應(yīng)溫度為500℃、600℃、700℃、800℃、900℃時(shí),CH4轉(zhuǎn)化率分別為5.8%、19.7%、54.2%、90.8%、98.2%,CO2轉(zhuǎn)化率分別6.2%、30.4%、67.1%、94.4%、98.7%。由此可知,隨著反應(yīng)溫度的升高,CH4和CO2的轉(zhuǎn)化率逐漸升高,催化劑在高溫下具有較好的反應(yīng)活性,當(dāng)反應(yīng)溫度從600℃提高到800℃時(shí),CH4和CO2的轉(zhuǎn)化率分別從19.7%和30.4%提高到90.8%和94.4%,這說(shuō)明反應(yīng)溫度對(duì)重整反應(yīng)的影響較大。由圖2可知,在整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中CO2轉(zhuǎn)化率一直高于CH4轉(zhuǎn)化率,這是因?yàn)樵谥卣磻?yīng)過(guò)程中,發(fā)生了逆水煤氣反應(yīng)消耗了一定量的CO2[32]。綜合考慮,選取700℃作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)溫度。

圖2 反應(yīng)溫度對(duì)催化劑反應(yīng)活性的影響Fig.2 Effect of reaction temperature on activity of catalyst
圖3為不同鎳負(fù)載質(zhì)量分?jǐn)?shù)(2%、5%、7%、10%)催化劑在700℃反應(yīng)時(shí)CH4和CO2轉(zhuǎn)化率曲線。由圖中可以看到,當(dāng)鎳負(fù)載質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí),催化劑的反應(yīng)活性相對(duì)較低,CH4和CO2轉(zhuǎn)化率分別為25.1%和33.0%。鎳負(fù)載質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%和7%時(shí),催化劑CH4和CO2轉(zhuǎn)化率基本一致,分別約為55%和67%。當(dāng)鎳負(fù)載質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí),催化劑的反應(yīng)活性最高,CH4和CO2轉(zhuǎn)化率分別為74.5%和81.8%。從圖中可以看到,催化劑CH4轉(zhuǎn)化率和CO2轉(zhuǎn)化率隨著鎳負(fù)載量的增加而增加,這是因?yàn)殡S著鎳負(fù)載量的增加,催化劑經(jīng)還原后表面負(fù)載的活性鎳也相對(duì)增加[33]。雖然負(fù)載鎳之后提高了催化劑的催化活性,但過(guò)量的鎳會(huì)在高溫下燒結(jié)導(dǎo)致催化劑失活,綜合考慮鎳負(fù)載質(zhì)量分?jǐn)?shù)選為5%。

圖3 Ni負(fù)載量對(duì)催化劑反應(yīng)活性的影響Fig.3 Effect of Ni content on activity of catalyst
劉锫[34]選用焦炭作為重整反應(yīng)的催化劑,并對(duì)負(fù)載活性組分鎳的焦炭進(jìn)行熱失重分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:采用焦炭作為催化劑時(shí),焦炭不僅可以作為載體,還能在高溫下將NiO還原為重整反應(yīng)所需的活性組分Ni,無(wú)需在反應(yīng)前將催化劑還原。為了考察AC-Al2O3催化劑是否具有相類(lèi)似的作用,我們對(duì)5Ni/Al2O3和5Ni/AC-Al2O3催化劑進(jìn)行熱失重分析。實(shí)驗(yàn)條件:氮?dú)鈿怏w流量10mL/min,升溫速率10℃/min,從室溫升至800℃。
圖4為5Ni/Al2O3和5Ni/AC-Al2O3催化劑的TGDTG曲線圖。從圖4a中可以看到5Ni/Al2O3催化劑在100~200℃之間出現(xiàn)了一個(gè)較大的失重峰,歸屬為5Ni/Al2O3催化劑中吸附水的失重峰。由此可知,Al2O3載體不能將催化劑中氧化鎳還原為活性組分金屬鎳。由圖4b所示,5Ni/AC-Al2O3催化劑在100~200℃之間也出現(xiàn)一個(gè)較大失重峰,此失重峰歸屬為5Ni/AC-Al2O3催化劑中吸附水的失重峰,在550~700℃區(qū)間內(nèi)還出現(xiàn)一個(gè)失重峰,歸屬為氧化鎳的失重峰。由此可知5Ni/AC-Al2O3催化劑在反應(yīng)過(guò)程中可以將氧化鎳還原為活性組分單質(zhì)鎳。

圖4 5Ni/Al2O3和5Ni/AC-Al2O3催化劑的TG-DTG圖Fig.4 TG-DTG diagrams of 5Ni/Al2O3 and 5Ni/AC-Al2O3 catalysts
圖5為5Ni/Al2O3、未還原的5NiO/AC-Al2O3、還原后的5Ni/AC-Al2O3三種催化劑對(duì)應(yīng)的CH4和CO2轉(zhuǎn)化率隨時(shí)間變化的曲線圖。由圖可知,活性順序?yàn)椋哼€原后的5Ni/AC-Al2O3>未還原的5NiO/AC-Al2O3>5Ni/Al2O3。 從圖中可以看到,反應(yīng)初期,還原后的5Ni/AC-Al2O3、未還原的5NiO/AC-Al2O3、5Ni/Al2O3三種催化劑CH4和CO2轉(zhuǎn)化率分別為82.3%、69.5%、66.0%和90.0%、82.1%、79.2%。當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到120min時(shí),還原后的5Ni/ACAl2O3催化劑CH4轉(zhuǎn)化率為78.3%,CO2轉(zhuǎn)化率為88.7%;未還原的5NiO/AC-Al2O3催化劑CH4轉(zhuǎn)化率為72.4%,CO2轉(zhuǎn)化率為84.8%;5Ni/Al2O3催化劑CH4轉(zhuǎn)化率為62.3%,CO2轉(zhuǎn)化率為78.8%。從圖中可以看到,在整個(gè)反應(yīng)階段還原后的5Ni/AC-Al2O3、未還原的5NiO/ACAl2O3均提高了催化劑CH4和CO2轉(zhuǎn)化率,提高了重整反應(yīng)的催化活性。由此可知,催化劑中的活性炭在反應(yīng)過(guò)程中可以將氧化鎳還原為活性組分單質(zhì)Ni,活性炭的加入可以提高催化劑的催化活性。這是因?yàn)榇呋瘎┲械幕钚蕴繉O2解離為CO和活性位氧,活性位氧可以加快CH4的裂解,提高CH4的轉(zhuǎn)化率[14]。

圖5 不同條件下催化劑催化CH4和CO2轉(zhuǎn)化率曲線圖Fig.5 Conversion of CH4 and CO2 over the catalysts under different conditions
圖6為5Ni/AC-Al2O3催化劑在700℃反應(yīng)前后的掃描電鏡圖。從圖6(a)中可以看到,反應(yīng)前摻雜的活性炭被嵌在催化劑表面。從圖6(b)中可以看到,反應(yīng)4h后催化劑表面的活性炭已經(jīng)消失,說(shuō)明在反應(yīng)過(guò)程中,活性炭參與了重整反應(yīng)。

圖6 5Ni/AC-Al2O3催化加反應(yīng)前后SEM圖Fig.6 SEM diagrams of catalyst 5Ni/AC-Al2O3 before and after reaction
表2為γ-Al2O3、AC-Al2O3和5Ni/AC-Al2O3的BET分析結(jié)果。

表2 γ-Al2O3、AC-Al2O3和5Ni/AC-Al2O3的BET分析結(jié)果Table 2 BET results of γ-A l2O3,AC-Al2O3 and 5Ni/AC-A l2O3
由表2可知,與Al2O3載體相比,添加活性炭和鎳后Al2O3載體的比表面積都減小,說(shuō)明在制備過(guò)程中,活性炭和鎳進(jìn)入了Al2O3載體的孔道中。
圖7為Al2O3和AC-Al2O3載體氮?dú)馕?脫附等溫曲線圖。由圖可知,Al2O3和AC-Al2O3載體的氮?dú)馕?脫附等溫曲線相似,都屬于Langmuir IV型等溫線,兩者的滯回環(huán)都屬于典型的H2型滯回環(huán),這說(shuō)明Al2O3和AC-Al2O3載體的孔徑為介孔。對(duì)比Al2O3和AC-Al2O3載體的脫附曲線可知,AC-Al2O3載體的脫附壓力低于Al2O3載體,這是因?yàn)榛钚蕴康募尤敫淖兞溯d體的孔道結(jié)構(gòu)。

圖7 Al2O3和AC-Al2O3載體的氮?dú)馕?脫附等溫線Fig.7 Nitrogen adsorption-desorption isotherms of A l2O3 and AC-Al2O3 supports
圖8為Al2O3和AC-Al2O3載體的孔徑分布圖,由圖可知Al2O3和AC-Al2O3載體的孔徑分布都主要只集中在7nm左右,與Al2O3載體相比,添加活性炭后ACAl2O3載體的孔徑分布更寬。

圖8 Al2O3和AC-Al2O3載體的孔徑分布圖Fig.8 Pore size distribution of A l2O3 and AC-Al2O3 supports
本文將活性炭和擬薄水鋁石通過(guò)機(jī)械混合制備了Al2O3和AC-Al2O3載體,分別以Al2O3和AC-Al2O3為載體制備鎳基催化劑,通過(guò)對(duì)催化劑進(jìn)行表征和活性考察,得到以下結(jié)論:
(1)對(duì)5Ni/AC-Al2O3催化劑的熱重分析結(jié)果表明,在550~700℃間出現(xiàn)一個(gè)NiO的失重峰,證明ACAl2O3載體可以將催化劑中的高價(jià)態(tài)的NiO還原為CH4-CO2重整反應(yīng)所需的活性組分單質(zhì)Ni。
(2)對(duì)還原后5Ni/AC-Al2O3、未還原5NiO/ACAl2O3、還原后5Ni/Al2O3三種催化劑的催化活性進(jìn)行考察,反應(yīng)2h后,還原后5Ni/AC-Al2O3、未還原5NiO/AC-Al2O3、還原后5Ni/Al2O3三者對(duì)應(yīng)的CH4轉(zhuǎn)化率分別為78.3%、72.4%、62.3%,CO2轉(zhuǎn)化率分別為88.7%、84.8%、78.8%。說(shuō)明以AC-Al2O3為載體制備的鎳基催化劑在反應(yīng)前無(wú)需經(jīng)過(guò)H2還原處理也具有較好催化活性,摻雜在載體中的活性炭在反應(yīng)過(guò)程中可以將高價(jià)態(tài)的NiO還原為單質(zhì)Ni,活性炭的加入可以改善催化劑的催化活性。
(3)對(duì)Al2O3和AC-Al2O3兩種載體進(jìn)行BET表征分析后發(fā)現(xiàn),兩種載體的孔徑屬于介孔,比較適合作為催化劑載體。