試論天然氣--二氧化碳干重整制合成氣工藝

黃澤祎

摘 要：本文將立足天然氣、二氧化碳，探討天然氣--二氧化碳干重整制合成氣的工藝，以期為有識之士提供參考，匯總天然氣--二氧化碳干重整制合成氣的探索結(jié)果，發(fā)揮其應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：天然氣;二氧化碳;合成氣

我國的經(jīng)濟社會不斷發(fā)展，科學技術(shù)水平顯著提升。我國學者對天然氣、二氧化碳展開探索，研討了天然氣--二氧化碳干重整制合成氣工藝，最終測試發(fā)現(xiàn)，天然氣--二氧化碳干重整制合成氣工藝收獲了較好的應(yīng)用效果，具有非常廣泛的應(yīng)用前景。

1 天然氣--二氧化碳干重整制合成氣工藝的誕生背景

進入新世紀以來，我國國民經(jīng)濟實現(xiàn)跨越式發(fā)展，對資源和環(huán)境造成了更大壓力。當前我國環(huán)境污染問題更加嚴峻，溫室效應(yīng)更加明顯，全球變暖加劇，冰川融化速度加快。究其原因，發(fā)現(xiàn)世界范圍內(nèi)排放的二氧化碳量過多，使全球氣候不斷惡化。經(jīng)濟發(fā)展導(dǎo)致二氧化碳排放量逐年增加，如何協(xié)調(diào)工業(yè)發(fā)展與二氧化碳合理排放，成為世界關(guān)注的重要問題。為了穩(wěn)定二氧化碳排放量，需要對其進行有效利用。從整體上來看，化石能源正在減少，天然氣的應(yīng)用成為熱門話題，天然氣轉(zhuǎn)化為合成氣，合成高附加值的化工產(chǎn)品，能夠提升天然氣的應(yīng)用價值，擴展天然氣的應(yīng)用領(lǐng)域。在環(huán)境污染、能源破壞的大背景下，天然氣--二氧化碳干重整制合成氣工藝的出現(xiàn)具有重大意義：第一，天然氣--二氧化碳干重整制合成氣工藝能夠有效減少二氧化碳的排放量，治理大氣污染問題。第二，天然氣--二氧化碳干重整制合成氣工藝能夠形成價值較高的化工產(chǎn)品，發(fā)揮天然氣的利用價值。在我國科技開發(fā)部的大力支持下，我國很多地方都對天然氣--二氧化碳干重整制合成氣工藝展開了探索，研究了高性能催化劑的制備技術(shù)，以期拓展天然氣--二氧化碳干重整制合成氣工藝的應(yīng)用范圍，推動我國工業(yè)化社會的可持續(xù)發(fā)展。經(jīng)過試驗表明，鎳基催化劑在重整反應(yīng)中的實效性較強，其可以獲得高一氧化碳含量較高的合成氣。

2 天然氣--二氧化碳干重整制合成氣工藝

2.1 試驗思路

天然氣中有大量的甲烷分子，甲烷分子的立體結(jié)構(gòu)比較對稱，因此在熱力學上比較穩(wěn)定。如何活化甲烷分子，打破甲烷分子的穩(wěn)定狀態(tài)，成為催化領(lǐng)域關(guān)注的重中之重。對二氧化碳分子進行分析，發(fā)現(xiàn)其中的碳原子為最高氧化價態(tài)，在熱力學上能量較少。為了實現(xiàn)二氧化碳的轉(zhuǎn)化，需要提供能量，并對其進行活化?；罨^程中，可以應(yīng)用電子輸入的方法。二氧化碳分子具有特殊性，因此需要構(gòu)建催化劑體系。具體而言，天然氣--二氧化碳合成氣主要有以下三種制取方法，第一可以進行蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)，即使天然氣中的甲烷分子和H2O發(fā)生反應(yīng);第二可以進行部分氧化反應(yīng)，即使天然氣中的甲烷分子和O2發(fā)生反應(yīng);第三可以進行重整反應(yīng)，即使天然氣中的甲烷分子和CO2發(fā)生反應(yīng)。所應(yīng)用的方法不同，制取的合成氣也呈現(xiàn)出較大的差異性。以第一種方法為例，第一種制取方法會耗費大量能源，催化劑的作用容易實效，且操作難度比較大，對設(shè)備提出了較高的精度要求，試驗者需要投入較多成本;以第二種方法為例，第二種制取方法同樣對設(shè)備提出了較高的精度要求，試驗者同樣需要投入較多成本，并采購一些回收設(shè)備、除塵設(shè)備等;以第三種方法為例，第三種制取方法所發(fā)生的的化學反應(yīng)比較復(fù)雜，除了甲烷分子和CO2發(fā)生反應(yīng)外，CO2可能會和H2發(fā)生反應(yīng)等。但是從整體上來看，第三種方法的應(yīng)用效果較好，可以實現(xiàn)成本效益的最大化。在應(yīng)用第三種方法制取合成氣時，需要對反應(yīng)溫度進行控制，使反應(yīng)溫度達到800℃。就目前來看，二氧化碳重整反應(yīng)的催化劑仍然不夠穩(wěn)定，在未來的工業(yè)發(fā)展過程中，還需要提升催化劑穩(wěn)定性，解決催化劑的積碳問題。

天然氣--二氧化碳干重整研究的活性組分包括貴金屬和非貴金屬兩類，前者包括Pt、Pd等等，后者包括Ni、Co等等。前者催化劑的活性比較強，而且積碳問題并不嚴重，但是其耗費的成本較多，資源并不容易獲取。在分析試驗結(jié)果時，可以詳細參考國外報道。后者催化劑的活性比較弱，而且積碳問題比較嚴重，但是成本相對較低，得到了國內(nèi)學者的普遍應(yīng)用。我國主要應(yīng)用了鎳基催化劑和Co基催化劑，以超過2000℃的耐火金屬氧化物作為主料，制取了鎳基催化劑。

2.2 結(jié)果與討論

經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)，天然氣中的甲烷分子在高溫狀態(tài)下會出現(xiàn)熱裂解的情況，當溫度在500到600℃之間，并沒有出現(xiàn)積碳;當溫度在650到700℃之間，出現(xiàn)了輕微積碳;當溫度在750到800℃之間，出現(xiàn)了較為明顯的積碳。這些數(shù)據(jù)說明，天然氣--二氧化碳干重整試驗會出現(xiàn)熱裂解積碳。此外，根據(jù)試驗發(fā)現(xiàn)，甲烷空速和催化活性存在密切關(guān)系：甲烷的空速越高，催化的活性越差。這是因為空速提高后，反應(yīng)物與催化劑的接觸減少，催化活性相應(yīng)變差;反應(yīng)溫度和催化活性存在密切關(guān)系：反應(yīng)溫度越高，催化活性越好。這是因此反應(yīng)溫度提高后，平衡轉(zhuǎn)化率提高，催化活性增強;反應(yīng)壓力和催化活性存在密切關(guān)系：反應(yīng)壓力越大，催化活性越差。這是因為壓力增高后，氣體分子與催化劑接觸更多，后者表面碳濃度增加，導(dǎo)致催化活性被削弱。

3 結(jié)論

綜上所述，我國的工業(yè)社會不斷發(fā)展，對環(huán)境能源造成的壓力越來越大，二氧化碳排放量過高、天然氣能源量減少，這些都對現(xiàn)代工藝提出要求。天然氣--二氧化碳干重整制合成氣工藝能夠有效解決上述兩個問題，因此應(yīng)該把握其應(yīng)用路徑。

參考文獻：

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