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Ni/Al2O3催化剂上甲烷自热重整制合成气反应

2017-01-18刘红梅徐向亚张明森姜健准

石油化工 2016年2期
关键词:合成气负载量重整

刘红梅,徐向亚,冯 静,张明森,姜健准

(中国石化 北京化工研究院,北京 100013)

Ni/Al2O3催化剂上甲烷自热重整制合成气反应

刘红梅,徐向亚,冯 静,张明森,姜健准

(中国石化 北京化工研究院,北京 100013)

以Al2O3为载体制备了Ni/Al2O3催化剂,利用XRD和N2吸附等方法对催化剂进行了表征,考察了催化剂在甲烷自热重整制合成气反应中的催化性能,并研究了反应过程及再生过程中催化剂结构的变化规律。表征结果显示,随Ni负载量的增加,还原态Ni/Al2O3催化剂的比表面积和孔体积均逐渐减小。平均孔径则随Ni负载量的增大呈先增大后减小的趋势。实验结果表明,Ni/Al2O3催化剂进行甲烷自热重整反应时,当催化剂上Ni负载量较低,反应达到稳定状态所需的过渡期较长。在甲烷自热重整反应开始初期,催化剂上Ni粒子会发生一定程度的聚集,但反应3 h后,Ni粒子的结构趋于稳定。Ni/Al2O3催化剂经5次再生后,性能未发生明显变化,但随再生次数的增多,反应达到稳定状态所需时间逐渐延长。Ni/Al2O3催化剂较适宜的Ni负载量(w)为5%~11%。

镍基催化剂;甲烷;自热重整;合成气

甲烷重整制合成气反应是甲烷化工利用的主要路线,广泛应用于合成氨、甲醇和H2等的生产过程[1]。其中,甲烷水蒸汽重整技术目前在工业应用中最广泛,但该技术为强吸热反应,且要求水汽投料比很高以避免积碳生成,因此该技术能耗高、反应条件苛刻、设备投资大且生产能力低。另外,甲烷水蒸汽重整所制得的合成气中H2/CO摩尔比较高,适合用于合成氨及制H2,但不适合用于甲醇合成和费托合成等过程[2-3]。为了节约能源和抑制催化剂积碳,研究者近年来开发了新型高效用于生产廉价合成气的天然气转化工艺。其中,甲烷自热重整是以甲烷、水和氧气为主要原料生产H2和CO的技术。该技术耦合了吸热的水蒸气重整反应和放热的部分氧化反应,同时解决了甲烷水蒸汽重整高能耗的缺点和甲烷部分氧化的爆炸隐患,在技术和经济角度上均为制备合成气的一种先进方法[4-5]。

甲烷自热重整制合成气催化剂主要为贵金属催化剂[6-9]和掺杂了贵金属的镍基催化剂[10]。但由于贵金属价格昂贵、资源稀缺,催化剂成本增加,可能会阻碍其大规模的工业应用。

本工作以Al2O3为载体制备了Ni/Al2O3催化剂,利用XRD和N2吸附等方法对催化剂进行了表征,考察了Ni/Al2O3催化剂在甲烷自热重整制合成气反应中的催化性能,并研究了反应过程及再生过程中催化剂结构的变化规律。

1 实验部分

1.1 主要试剂

Ni(NO3)2·6H2O:分析纯,天津市津科精细化工研究所;Al2O3:球型载体,比表面积286 m2/ g,青岛海浪硅胶干燥剂厂。

1.2 催化剂的制备

称取一定量的Ni(NO3)2·6H2O配成水溶液,并加入10 g Al2O3载体。室温下连续搅拌5 h,保持水浴温度在50 ℃,用旋转蒸发仪蒸发1 h以使水分基本脱除。旋蒸后的试样移入烘箱中,在110 ℃下干燥2 h,然后移入马弗炉中在650 ℃下焙烧5 h,所制备的催化剂记为xNi/Al2O3(x表示催化剂中Ni的质量分数)。

1.3 催化剂的表征

XRD 测试在Philips公司X’Pert MPD型X 射线粉末衍射仪上进行,CuKα,λ=0.154 178 nm,扫描范围 2θ=5 °~70°,扫描速率0.02(°)/s。晶粒粒径利用Scherrer公式d=Kλ/[B(2θ)cosθ]计算。其中,d为晶粒粒径,nm;λ为X-射线波长,nm;B为衍射峰的半峰宽,nm;K为Scherrer常数,计算Ni的粒径时其值为0.90。

比表面积和孔分布在Micromeritics公司ASAP2020-M+C型吸附仪上测试,BET法,低温(77 K)氮气吸附法测定,测定之前试样在573 K下真空脱气5 h,N2分子横截面积取0.162 nm2。

1.4 催化剂性能的评价

甲烷自热重整制合成气反应在固定床气体连续流动石英反应器中进行,反应管内径10 mm,催化剂用量0.2 g。反应评价开始前的催化剂呈氧化态,氧化态催化剂在700 ℃ H2气氛中还原预处理0.5 h得到还原态催化剂。之后在Ar中升温至反应温度800 ℃,切换原料气开始反应。反应压力为0.1 MPa,CH4空速为12 000 mL/(g·h)。产物冷凝除水后经TDX-01分子筛柱分离并直接进入配有热导检测器的安捷伦公司6890型气相色谱仪进行在线分析。

1.5 催化剂的再生

催化剂在原位条件下进行再生处理。甲烷自热重整制合成气反应结束后,在Ar保护下催化剂自然降温至600 ℃,切换流量为60 mL/min的20%(φ)O2/80%(φ)Ar混合气。再生处理1 h后重新切换Ar气,升温至反应温度。切换原料气进行下一周期甲烷自热重整反应。

2 结果与讨论

2.1 催化剂的表征

Al2O3载体和氧化态Ni/Al2O3催化剂的XRD谱图见图1。从图1可看出,Al2O3载体的主要衍射峰2θ分别为37.6°,39.5°,45.8°,67.0°,属于典型的γ-Al2O3衍射谱图[11],即载体的主要晶相为γ-Al2O3。氧化态Ni/Al2O3催化剂的衍射峰位置和强度相比Al2O3载体均无明显变化,说明负载、干燥和焙烧过程未破坏和改变载体的主要晶相结构。当Ni负载量低于13%(w)时,XRD谱图中仅出现与载体Al2O3相关的衍射峰,未出现与Ni相关的衍射信号,说明Ni负载量相对较低时,Ni物种在载体表面的分散度很高,NiO晶粒的尺寸较小,不易被X射线检测出。当Ni负载量达到13%(w)时,XRD谱图中开始出现NiO的特征衍射峰,2θ=42.9°(200),62.3°(311),说明随Ni负载量的增大,NiO晶粒的尺寸逐渐增大到了X射线的检测范围。

图1 Al2O3载体和氧化态Ni/Al2O3催化剂的XRD谱图Fig.1 XRD patterns of Al2O3and oxidized Ni/Al2O3catalysts.(a) Al2O3;(b) 3%Ni/Al2O3;(c) 7%Ni/Al2O3;(d) 11%Ni/Al2O3;(e) 13%Ni/Al2O3xNi/Al2O3:xwas the mass content of Ni in catalyst.

还原态Ni/Al2O3催化剂的XRD谱图见图2。从图2可看出,经H2700 ℃下还原0.5 h后,还原态3%Ni/Al2O3催化剂的谱图中出现了3个归属于Ni的新衍射信号,2θ分别为44.8°(111),52.1°(200),76.3°(022),且随Ni负载量的增大,衍射峰强度增强。对比氧化态Ni/Al2O3催化剂(见图1)可发现,当Ni负载量为13%(w)时,氧化态催化剂的谱图上才出现归属于NiO的衍射峰;而Ni负载量仅为3%(w)的还原态催化剂的谱图中就出现了归属于Ni的衍射峰。说明还原后催化剂上的Ni粒子的尺寸明显大于还原前NiO的尺寸,这是因为还原过程造成Ni的团聚,使Ni的分散度明显下降。

还原态Ni/Al2O3催化剂的结构参数见表1。从表1可看出,随Ni负载量(w)从3%增至13%,催化剂上Ni粒子的直径从10.8 nm增至16.5 nm。还原态Ni/Al2O3催化剂的XRD谱图中,归属Al2O3载体的衍射峰均无明显变化,即H2还原对载体γ-Al2O3的基本晶相结构未造成显著影响。从表1还可看出,随Ni负载量的增加,还原态Ni/Al2O3催化剂的比表面积和孔体积均逐渐减小。平均孔径则随Ni负载量的增大呈先增大后减小的趋势,平均孔径最大的催化剂为7%Ni/Al2O3催化剂。

图2 还原态Ni/Al2O3催化剂的XRD谱图Fig.2 XRD patterns of the reduced Ni/Al2O3catalysts.(a) 3%Ni/Al2O3;(b) 5%Ni/Al2O3;(c) 7%Ni/Al2O3;(d) 9%Ni/Al2O3;(e) 11%Ni/Al2O3;(f) 13%Ni/Al2O3

表1 还原态Ni/Al2O3催化剂的结构参数Table 1 Textural properties of the reduced Ni/Al2O3catalysts

2.2 催化剂的反应性能

Ni/Al2O3催化剂的甲烷自热重整反应性能见图3。反应物为甲烷、氧气和水,目标产物为H2和CO,副产物为CO2。产物中除H2外不含其他含氢物种,因此H2的选择性视为100%。O2的转化率均保持在100%;由于该反应过程中积碳沉积量极少,可认为反应转化的C主要生成了CO和CO2(即CO和CO2的选择性之和为100%)。由图3可看出,还原态5%Ni/Al2O3催化剂的反应物转化率、产物选择性和产物分布仅在反应初期有变化;反应1 h后即进入平稳期。但还原态3%Ni/Al2O3催化剂在5 h的反应期间,除O2转化率和 H2选择性外,反应物转化率、产物选择性和产物分布等均在变化,且逐渐接近还原态5%Ni/Al2O3催化剂的评价结果。实验结果表明,对于Ni/Al2O3催化剂,反应开始后催化剂上的活性金属组分会发生位置移动或结构改变,该过程构成了反应的诱导期,诱导期的长短取决于Ni在载体表面的分散程度和存在状态,当催化剂的Ni负载量较低时,反应达到稳定状态所需的过渡期较长。

Ni负载量对Ni/Al2O3催化剂性能的影响见表2。从表2可看出,当催化剂上Ni负载量(w)在5%~13%之间时,在原料配比相同的情况下,Ni负载量对Ni/Al2O3催化剂的性能影响不大。

2.3 反应后的催化剂表征结果

反应后7%Ni/Al2O3催化剂的XRD谱图见图4。从图4可看出,与还原态7%Ni/Al2O3催化剂相比,反应1 h后的催化剂中Ni的衍射峰变高变窄,说明甲烷自热重整反应开始后,催化剂上的Ni粒子的尺寸会增大;随反应时间的继续延长,Ni的衍射峰变得更强。

图3 Ni/Al2O3催化剂的甲烷自热重整反应性能Fig.3 Catalytic performances of the Ni/Al2O3catalysts in methane autothermal reforming reaction.Reaction conditions:800 ℃,atmospheric pressure,n(CH4):n(O2):n(H2O)=1:0.375:0.5,GHSV =12 000 mL/(g·h),5 h.■ 3%Ni/Al2O3;● 5%Ni/Al2O3

表2 Ni负载量对Ni/Al2O3催化剂性能的影响Table 2 Efects of Ni loading on the performances of the Ni/Al2O3catalysts

根据XRD数据计算的Ni粒子尺寸见表3。从表3可看出,还原态7%Ni/Al2O3催化剂上的Ni粒子直径为13.9 nm;反应1 h后Ni粒子长大至15.4 nm;反应3 h后Ni粒子继续长大至17.0 nm;进一步延长反应时间至5 h,催化剂上Ni粒子的尺寸不再增大,维持在17.1 nm。这是因为,在甲烷自热重整反应开始初期,催化剂上Ni粒子会发生一定程度的聚集;但反应3 h后,反应活性物种Ni的结构趋于稳定。Takenaka等[12]考察Ni/ SiO2,Ni/TiO2,Ni/Al2O3催化剂的甲烷活化性能时也发现,在反应过程中,催化剂上的Ni粒子均逐渐长大。

图4 还原态和反应后7%Ni/Al2O3催化剂的XRD谱图Fig.4 XRD patterns of the reduced and used 7%Ni/Al2O3catalysts.Reaction conditions:800 ℃,atmospheric pressure,n(CH4):n(O2):n(H2O)=1:0.25:1,GHSV=12 000 mL/(g·h),5 h.a Reduced catalyst;b Catalyst after reaction 1 h;c Catalyst after reaction 3 h;d Catalyst after reaction 5 h

表3 根据XRD数据计算的Ni粒子尺寸Table 3 Sizes of Ni particles calculated based on the XRD results

2.4 催化剂的再生性能

7%Ni/Al2O3催化剂的再生性能见图5。

图5 7%Ni/Al2O3催化剂的再生性能Fig.5 Catalytic performance of the regenerated(reg.) 7%Ni/Al2O3catalyst(cat.).Reaction conditions:800 ℃,atmospheric pressure,n(CH4):n(O2):n(H2O) = 1:0.25:1,GHSV=12 000 mL/(g·h),5 h;Regeneration conditions:600 ℃,atmospheric pressure,20%(φ)O2/80%(φ)Ar,60 mL/min,1 h.■ CH4conversion;● H2O conversion;▲ O2conversion;○ H2selectivity;□ CO selectivity;△n(H2):n(CO)

从图5可看出,经5次再生后,催化剂的性能未发生明显变化。稳定反应期的原料转化率、产物选择性和H2/CO摩尔比均无明显变化。但随再生次数的增多,从反应开始至达到稳定反应期所需要的时间逐渐延长。这可能是由于,在反应和再生过程中,催化剂上的活性组分结构发生了变化,进行下一周期的反应时,活性金属组分需要在原料气氛中重新调整结构或位置。

2.5 再生催化剂的表征

再生催化剂的XRD谱图见图6。从图6可看出,还原态7%Ni/Al2O3催化剂的谱图中未出现归属于NiO的特征衍射峰,但经一次再生后催化剂的谱图中出现了2个新的衍射峰,2θ=42.9°,62.3°分别归属于NiO晶相的(200)晶面和(311)晶面。说明经过一次甲烷自热重整反应及再生处理,催化剂表面的Ni结构发生了变化,NiO颗粒直径增大。经过3次和5次再生之后,上述2个衍射峰的强度逐渐增大,说明再生次数越多,Ni物种团聚越严重,Ni粒子尺寸也越大。还原态13%Ni/Al2O3催化剂中归属于NiO的2个特征衍射峰强度较弱,经一次再生后,衍射峰强度大幅增加,同时峰形变窄。对比图6(d)和图6(f)可发现,经5次再生的还原态7%Ni/ Al2O3催化剂的NiO衍射峰强度远远小于经1次再生的还原态13%Ni/Al2O3催化剂。表征结果显示,在催化反应及再生过程中,Ni负载量较高的催化剂上的Ni物种颗粒团聚速度较快。

Snoeck等[13-14]研究Ni基催化剂表面上的甲烷裂解反应动力学时发现,甲烷在Ni的(100)晶面和(110)晶面进行吸附和裂解;生成的碳原子可能会溶解在Ni粒子中并扩散,导致Ni粒子的结构改变。因此,Ni基催化剂的结构(包括粒子的形状、尺寸及金属与载体间的相互作用)对其催化转化甲烷性能有决定性影响。大多学者认为Ni基催化剂裂解甲烷的活性由Ni粒子的尺寸决定。Otsuka等[15]选用惰性碳载体研究时发现,Ni粒子大小为20 nm左右较适合用于甲烷裂解反应。综合可知,能引起Ni基催化剂在甲烷活化反应中失活的原因主要为:1)非纤维状惰性积碳物种覆盖在Ni粒子的活性位上,阻碍了甲烷与Ni的接触;2)Ni粒子大小不合适,不利于甲烷裂解。

图6 再生催化剂的XRD谱图Fig.6 XRD patterns of the regenerated catalysts.(a) Reduced 7%Ni/Al2O3catalyst;(b) 7%Ni/Al2O3after 1stregeneration;(c) 7%Ni/Al2O3after 3rdregeneration;(d) 7%Ni/ Al2O3after 5thregeneration;(e) Reduced 13%Ni/Al2O3catalyst;(f) 13%Ni/Al2O3after 1stregeneration

由于在甲烷自热重整反应中,本工作所用Ni/ Al2O3催化剂上的积碳量均极少,基本可排除积碳物种导致催化剂性能较差或失活的因素。对于一个Ni负载量确定的Ni/Al2O3催化剂,氧化态、还原态、催化反应进行过程中及再生后各个不同状态下催化剂上Ni物种粒子尺寸均有明显差异。对于Ni负载量不同的Ni/Al2O3催化剂,在相同状态下各个催化剂上活性Ni粒子的尺寸也有明显差异,并且在反应及再生过程中Ni粒子的团聚程度也不同。因此Ni粒子尺寸极可能是影响Ni/Al2O3催化剂在甲烷自热重整反应中催化性能的主要原因。

对于3%Ni/Al2O3催化剂,由于负载量较低,Ni的分散度较高,无论是氧化态还是还原态,其Ni粒子尺寸均为系列催化剂中最小的。但在甲烷自热重整反应过程中,该催化剂需较长时间才能达到稳定反应期。说明并不是Ni粒子最小的催化剂具有最佳的催化性能,Ni粒子尺寸过小也不适合甲烷转化反应。在甲烷自热重整反应初期,Ni/Al2O3催化剂上金属Ni粒子尺寸逐渐长大,当增大至达到适合甲烷转化的程度,反应诱导期结束。该实验现象与Otsuka等[15]的结论吻合。

13%Ni/Al2O3催化剂的负载量较高,Ni的分散度较低,无论氧化态还是还原态,其Ni粒子尺寸均为系列催化剂中最大的。在短时间(5 h以内)的甲烷自热重整反应过程中,该催化剂与负载量较低(5%~11%)的其他Ni/Al2O3催化剂相比并未表现出明显的差异。说明在反应初始,13%Ni/Al2O3催化剂上的Ni粒子尺寸符合甲烷转化要求。但与负载量较低的其他催化剂相比,13%Ni/Al2O3催化剂在反应和再生过程中Ni粒子团聚速度较快。随反应时间的延长或再生次数的增加,Ni粒子尺寸将很快超出甲烷转化的要求,催化剂随之失活。

综上所述,Ni/Al2O3催化剂上的Ni粒子在H2还原过程、催化反应过程和再生过程中均会发生不同程度的团聚。对于甲烷自热重整反应,适宜尺寸的Ni粒子可对甲烷转化起到良好的催化作用,过小和过大的Ni粒子对甲烷自热重整反应均不利。对于Ni/Al2O3催化剂,较适宜的Ni负载量(w)为5%~11%。

3 结论

1)氧化态Ni/Al2O3催化剂中Ni负载量达到13%(w)时,其XRD谱图中开始出现NiO的特征衍射峰。Ni负载量仅为3%(w)的Ni/Al2O3还原态催化剂的谱图中就出现了归属于Ni的衍射峰。随Ni负载量的增加,还原态Ni/Al2O3催化剂的比表面积和孔体积均逐渐减小。平均孔径则随Ni负载量的增大呈先增大后减小的趋势。

2)Ni/Al2O3催化剂进行甲烷自热重整反应,当催化剂的Ni负载量较低时,反应达到稳定状态所需的过渡期较长。当催化剂上Ni负载量(w)在5%~13%之间时,在原料配比相同的情况下,Ni负载量对Ni/Al2O3催化剂的性能影响不大。

3)在甲烷自热重整反应开始初期,催化剂上Ni粒子会发生一定程度的聚集;但反应3 h后,反应活性物种Ni粒子的结构趋于稳定。

4)经5次再生后,Ni/Al2O3催化剂的性能未发生明显变化。但随再生次数的增多,反应达到稳定状态所需时间逐渐延长。

5)在催化反应及再生过程中,Ni负载量较高的催化剂上的Ni物种粒子团聚速度较快,适宜尺寸的Ni粒子可对甲烷转化起到良好的催化作用,过小和过大的Ni粒子对甲烷自热重整反应均不利。对于Ni/Al2O3催化剂,较适宜的Ni负载量(w)为5%~11%。

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(编辑 邓晓音)

Luxus 公司推出含60%再生成分的高性能聚合物系列

PRW,2015 - 11 - 10

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Plast Technol,2015 - 11

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相比以前任何标准的玻璃纤维增强PP复合材料,XP复合物拥有更高的强度、弹性模量以及抗冲击性能,并且具有较大性能优势。例如,它们表现出最多高出20%的模量值和两倍的抗冲击性能。 RTP公司表示,XP复合物的强度、刚度和抗冲击性能非常接近VLF复合物,兼有更轻的质量和标准PP复合材料的耐化学性。可得到含有10%~50%的玻璃纤维含量配方的标准粒料,并且可以很容易地注塑成或大或小的复杂几何结构。

日本可乐丽公司开发出优良的光固化性弹性体

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日本可乐丽公司开发出新型光固化性弹性体。公司采用专有的高分子技术,通过控制弹性体部分和光固化性部分的相对分子质量及其排序,产品可实现以往光固化性树脂所不具备的优良固化性及柔软性,可作为黏结剂、涂层材料及成型材料使用。这种新材料在紫外线照射下能马上固化成光固化性树脂,它的加工性良好,主要作为黏结剂和涂层材料使用,也可作为显示器、电子部件及3D打印机的材料使用。与普通的光固化性树脂相比,这种新材料不仅固化时间短,而且固化后还能保持材料的柔软性,新材料通过设计还可具备黏结性。另外,固化时材料不易收缩变形,产品的尺寸稳定性也很好。这种新材料可通过调整弹性体部分的长度任意控制产品的柔软性和强度。该材料具备透明性、耐候性及黏结性等丙烯酸类树脂原有的特点。

Study on Ni/Al2O3catalysts for methane autothermal reforming to syngas

Liu Hongmei,Xu Xiangya,Feng Jing,Zhang Mingsen,Jiang Jianzhun
(SINOPEC Beijing Research Institute of Chemical Industry,Beijing 100013,China)

Ni/Al2O3catalysts were prepared and characterized by means of XRD and N2adsorption. Their catalytic performances in methane autothermal reforming reaction to syngas were investigated. The effects of the reduction,reaction and regeneration of the catalysts on their structure were researched. The results showed that,with increasing the Ni loading,both the specif c surface area and the pore volume of the reduced Ni/Al2O3catalysts gradually decreased,but their average pore size f rst increased and then decreased. The reaction results indicated that,the induction period of the methane autothermal reforming reaction was prolonged when the Ni/Al2O3catalysts with low Ni loading was used. The metallic Ni particles grew during the initial reaction stage and then stabilized 3 h later. The catalytic performances of the Ni/Al2O3catalysts did not evidently change after regeneration 5 times but the induction period was gradually prolonged with increasing the regeneration times. The optimum Ni loading for the Ni/Al2O3catalysts is in the range of 5%-11%(w).

nickel catalyst;methane;autothermal reforming;synthesis gas

1000 - 8144(2016)02 - 0149 - 07

TQ 426.8

A

10.3969/j.issn.1000-8144.2016.02.005

2015 - 09 - 07;[修改稿日期]2015 - 12 - 09。

刘红梅(1976―),女,辽宁省葫芦岛市人,博士,高级工程师,电话 010 - 59202709,电邮 liuhm.bjhy@sinopec.com。

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