煤催化氣化技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望

趙哲+莊成成+王海娟

【摘 要】煤催化氣化技術(shù)是第三代煤氣化技術(shù)，其氣化溫度降低到200至300℃，而且能夠調(diào)節(jié)煤氣化成分，有利于氨、甲烷、甲醇等化工產(chǎn)品的合成?，F(xiàn)階段，在煤催化氣化技術(shù)體系中，可使用的催化劑有一元催化劑、復(fù)合催化劑、廉價(jià)可棄催化劑等多種，除了催化劑外，煤種、催化劑的負(fù)載過程以及氣化條件都會(huì)影響到技術(shù)應(yīng)用效果，要想進(jìn)一步完善其技術(shù)體系，還需要進(jìn)一步研究。在工業(yè)生產(chǎn)中，應(yīng)用了該技術(shù)的工藝有合成天然氣甲烷工藝和催化器制氫工藝，展現(xiàn)出了酶催化氣化技術(shù)的優(yōu)越性。

【關(guān)鍵詞】煤催化氣化技術(shù)；研究現(xiàn)狀；展望

煤炭是一種固體燃料，作為我國最豐富的不可再生能源，被廣泛應(yīng)用于我國居民的日常生活以及社會(huì)工業(yè)的生產(chǎn)制造。由于煤炭中含有大量硫、氮元素，直接燃燒會(huì)產(chǎn)生大量的污染性氣體，而且能量轉(zhuǎn)化率較低，利用煤氣化技術(shù)，將煤轉(zhuǎn)化為合成氣等氣體燃料，能夠?qū)崿F(xiàn)煤的高效清潔利用，但是由于氣化溫度過高的緣故，該技術(shù)在生產(chǎn)實(shí)踐中的可利用性不強(qiáng)。煤催化氣化技術(shù)，是第三代煤氣化技術(shù)，利用催化劑，能夠降低煤氣化溫度，調(diào)節(jié)煤氣化成分，相比于傳統(tǒng)的煤氣化技術(shù)，優(yōu)勢(shì)顯著，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中[1]。

一、煤催化氣化技術(shù)研究現(xiàn)狀

（一）催化劑

煤催化氣化技術(shù)的優(yōu)越性，在于催化劑的使用，使得煤氣化的溫度能夠降低，提高煤氣化反應(yīng)速率，因此，現(xiàn)階段，煤催化氣化技術(shù)的主要研究內(nèi)容就是催化劑。目前，該技術(shù)體系中可用的催化劑主要有以下三種：①一元催化劑。比如說K2CO3，該物質(zhì)作為催化劑具有制作成本低、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，但是回收利用率低，且在煤氣化過程中易產(chǎn)生KAlSiO4；再比如說FeNO3，常用作于制作Fe基催化劑，對(duì)于褐焦煤的氣化率可達(dá)到50%，而且在眾多過渡金屬中，F(xiàn)e是最廉價(jià)的，用作催化劑能夠有效降低技術(shù)應(yīng)用成本；②復(fù)合催化劑。與一元催化劑相比，多元催化劑效率更高，因?yàn)槎嘣呋瘎┤埸c(diǎn)更低，在氣化條件下具有較強(qiáng)的流動(dòng)性和潤濕性，與煤表面接觸棉結(jié)更大，因此催化活性更高。目前，工業(yè)中常用的復(fù)合催化劑有KOH與Ni（OH）2組成的催化劑，以及鐵氧化物、錳氧化物組成的堿土金屬等。復(fù)合催化劑不僅催化活性高，而且可回收并再次利用；③廉價(jià)可棄催化劑。在煤催化氣化技術(shù)中，成本、利用率、環(huán)保性能等因素都是衡量催化劑性能的指標(biāo)，廉價(jià)可棄催化劑一直是研究人員的目標(biāo)。目前有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，石灰石在700℃是對(duì)于任意煤種有較強(qiáng)的催化活性，可用于煤催化氣化技術(shù)中，此外，還有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，紙漿黑液對(duì)于無煙煤的氣化反應(yīng)具有較強(qiáng)的催化作用，上述物質(zhì)價(jià)格低廉，無需回收利用節(jié)省成本，是催化劑研究開發(fā)的主要方向[2]。

（二）技術(shù)影響因素

在煤催化氣化技術(shù)體系中，除了催化劑之外，還有一些會(huì)影響到技術(shù)應(yīng)用效果的因素，這些因素也是該技術(shù)研究的主要內(nèi)容。具體來說，煤催化氣化技術(shù)的影響因素有：①催化劑。是該技術(shù)的主要研究內(nèi)容，目前已知可用的催化劑有多種，相關(guān)企業(yè)應(yīng)該根據(jù)生產(chǎn)需求合理選擇；②煤種。不同的煤種，有著不同的特點(diǎn)，在媒階、煤表面積、礦物質(zhì)種類等因素上都有著一定的區(qū)別，對(duì)于催化劑也有著不同的反應(yīng)；③催化劑的負(fù)載過程。催化劑負(fù)載會(huì)影響到催化劑、氣化劑與煤表面的接觸面積，繼而影響到氣化反應(yīng)路徑及反應(yīng)速率，目前常用的負(fù)載方式有干混法，干磨法、物理浸漬法、離子交換法，可根據(jù)煤種及催化劑種類合理選擇；④氣化條件。溫度是對(duì)煤催化氣化影響最大條件因素，溫度升高可使得煤氣化速率提升，但是溫度過高會(huì)引發(fā)燒結(jié)現(xiàn)象，反而使得碳轉(zhuǎn)化速率Ian第，因此，需要根據(jù)生產(chǎn)工藝合理管控氣化溫度。

二、煤催化氣化技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用

煤催化氣化技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)煤炭資源的高效清潔利用，技術(shù)優(yōu)勢(shì)顯著，但是由于催化劑成本高且難以回收利用的問題，目前該技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用仍處于試驗(yàn)階段?，F(xiàn)階段，煤催化氣化技術(shù)的工業(yè)化試驗(yàn)成果有：①合成天然氣甲烷工藝。1979年美國埃克森公司建立了水蒸氣催化氣化制取甲烷的而公益裝置，使用了KOH、K2CO3復(fù)合催化劑，但由投資成本過高其工業(yè)化生產(chǎn)計(jì)劃被迫停止。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新奧科技有限公司研發(fā)出了一個(gè)催化氣化甲烷合成流化床，采用了多區(qū)耦合氣化的生產(chǎn)工藝，實(shí)現(xiàn)了對(duì)生產(chǎn)能源的高效利用；②催化氣化制氫工藝。由日本研發(fā)，以NaOH、Na2CO3作為催化劑，實(shí)現(xiàn)了褐煤、次煙煤、煙煤的氣化制氫。

三、結(jié)語

煤氣化技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用，使得煤炭的利用進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)代，實(shí)現(xiàn)了煤炭資源的高效利用，同時(shí)保證了生產(chǎn)過程的生態(tài)環(huán)保。但是在傳統(tǒng)的煤氣化生產(chǎn)工藝中，氣化溫度需高達(dá)1100至1700℃，維持這一高溫氣化狀態(tài)需要消耗大量的能源，同時(shí)還存在粗煤氣凈化困難等問題，技術(shù)應(yīng)用成本較高[3]。煤催化氣化技術(shù)的開發(fā)，有效消除了傳統(tǒng)煤氣化技術(shù)的弊端，實(shí)現(xiàn)了200至300℃的溫和化氣，且氣化反應(yīng)速率顯著降低，而且在氨、甲烷、甲醇等化工產(chǎn)品合成中更為便捷，在提高煤利用率的同時(shí)，有效提升了技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)用前景廣闊。

【參考文獻(xiàn)】

[1]毛燕東，金亞丹，王會(huì)芳，鄭巖，李克忠，畢繼誠，李金來，辛峰.煤催化氣化工藝中堿金屬腐蝕剛玉質(zhì)耐火材料的實(shí)驗(yàn)研究[J].燃料化學(xué)學(xué)報(bào)，2014，42：1332-1339.

[2]方夢(mèng)祥，厲文榜，岑建孟，王勤輝，駱仲泱.煤催化氣化技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望[J].化工進(jìn)展，2015，34：3656-3664.

[3]李偉偉，李克忠，康守國，祖靜茹，張榮，畢繼誠.加壓射流流化床煤催化氣化制天然氣的模擬研究[J].化學(xué)反應(yīng)工程與工藝，2014，30：79-90.