天然气绝热转化制氢催化剂及催化工艺研究

【摘要】：氢既是重要的工业原料，又是今后主要的二次能源。随着世界范围内环保法规的日益严格以及社会对洁净氢能关注的加深，氢气的需求量正稳步增长。为尽快满足世界对氢资源的需求，解决目前天然气水蒸汽重整制氢工艺能耗高、生产成本高及设备投资大等问题，有必要开展以天然气为原料制氢催化剂及新工艺研究。 本课题是研制一种以天然气为制氢原料的转化催化剂，采用廉价的空气作氧源，在固定床反应气中设置一氧分布器，使氧气沿轴向的氧分布器径向分布进入催化剂床层进行催化反应。氧气与天然气分开进料，不仅保证了反应体系的安全，而且解决了催化剂床层热点问题及能量合理分配问题。这种装置的特点是使大部分原料反应本质为部分氧化反应，控制步骤已成为快速部分氧化反应，能较大幅度地提高天然气制氢的能力。由于反应过程可实现自热，无需外界提供热量，因此不仅可以明显降低制氢过程能耗，提高单位装置的产量，而且反应器可采用廉价耐火材料制造，避免了昂贵的耐高温管做反应器，装置投资也将明显降低。 本课题主要对催化剂及工艺进行研究。在催化剂研究中，进行了载体筛选、助剂确定、活性组分含量确定及催化剂制备方法考察等工作。在工艺研究中，主要进行了反应器结构和天然气绝热转化制氢工艺条件优化工作。反应器结构主要考察了反应器形式、氧分布器分布状态及反应器内径对催化性能及催化剂床层温度分布的影响。工艺条件优化主要考察空气分配比、反应温度、反应压力、空速、原料气中H_2O／CH_4比等工艺条件对催化性能及床层温度分布的影响，并进行500小时催化剂稳定性试验。 经大量实验，最终确定采用以耐高温的MgAl_2O_4尖晶石为载体，添加2％La_2O_3的含8％Ni的镍基催化剂作为天然气绝热催化转化催化剂。研究结果表明，该催化剂对于天然气、空气和水蒸汽转化制氢具有高的活性、选择性和稳定性。 实验表明，在绝热固定床反应器中进行的天然气催化转化制氢反应，适宜的工艺条件为：温度830℃、压力0.8MPa、空速2400h~(-1)、CH_4／Air／H_2O=1／2.4／2。在适宜条件下进行的催化剂500小时稳定性试验中，CH_4转化率基 【关键词】：天然气 空气 绝热 制氢 催化剂
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：TQ116.2
【目录】：

• 第1章 绪论10-24
• 1.1 课题背景及其意义10-12
• 1.1.1 氢的应用与市场10-11
• 1.1.2 制氢工业存在的问题11-12
• 1.1.3 开发制氢新工艺研究的意义12
• 1.2 制氢工业现状及工艺技术进展12-22
• 1.2.1 传统制氢工艺方法13-15
• 1.2.2 制氢催化剂15-17
• 1.2.3 天然气转化制氢技术进展17-22
• 1.3 本课题主要工作内容22-24
• 第2章 实验部分24-33
• 2.1 原料及仪器24
• 2.1.1 实验原料24
• 2.1.2 实验仪器24
• 2.2 催化剂制备24-26
• 2.2.1 催化剂制备方法24-25
• 2.2.2 催化剂载体、助剂25-26
• 2.2.3 催化剂活性组分26
• 2.3 催化剂评价26-29
• 2.3.1 催化原理26-27
• 2.3.2 催化剂评价装置及方法27-28
• 2.3.3 温度考察28
• 2.3.4 压力考察28
• 2.3.5 空速考察28-29
• 2.3.6 H_2O/CH_4考察29
• 2.4 反应器研究29-31
• 2.4.1 常规固定床反应器29
• 2.4.2 径向氧分布绝热固定床反应器29-31
• 2.5 催化剂表征31-32
• 2.6 本章小结32-33
• 第3章 结果与讨论33-56
• 3.1 催化剂性能评价33-45
• 3.1.1 载体筛选33-35
• 3.1.2 助剂确定35-36
• 3.1.3 活性组分Ni含量的确定36-39
• 3.1.4 催化剂制备方法对催化性能的影响39
• 3.1.5 反应温度对床层温度及催化性能的影响39-41
• 3.1.6 反应压力对床层温度及催化性能的影响41-42
• 3.1.7 空速对床层温度及催化性能的影响42-44
• 3.1.8 原料气H_2O/CH_4对床层温度及催化性能的影响44-45
• 3.2 反应器性能评价45-52
• 3.2.1 反应器形式对床层温度及催化性能的影响45-48
• 3.2.2 氧分布状态对床层温度及催化性能的影响48-49
• 3.2.3 反应器内径对床层温度及催化性能的影响49-51
• 3.2.4 空气分配比对床层温度及催化性能的影响51-52
• 3.3 催化剂稳定性试验52-54
• 3.4 本章小结54-56
• 结论56-58
• 参考文献58-63
• 攻读学位期间发表的论文63-64
• 致谢64

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