進(jìn)入21世紀(jì)后,中國(guó)面臨著能源供應(yīng)嚴(yán)重不足的問(wèn)題,針對(duì)中國(guó)能源結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),通過(guò)合理利用相對(duì)豐富的煤炭資源生產(chǎn)和替代石油化工產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)日漸明顯,發(fā)展煤制天然氣是非石油路線生產(chǎn)替代石油產(chǎn)品以及解決中國(guó)天然氣供求矛盾的有效途徑。經(jīng)過(guò)十余年的示范建設(shè),中國(guó)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)煤制天然氣產(chǎn)業(yè)化,年產(chǎn)氣量可達(dá)3.1×109m3。2017年1月,《煤制合成天然氣》(GB /T33445-2016)中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)獲得批準(zhǔn),該標(biāo)準(zhǔn)有利于促進(jìn)中國(guó)煤制合成天然氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。煤制天然氣的關(guān)鍵步驟是合成氣甲烷化反應(yīng)??傮w來(lái)說(shuō),要想在甲烷化技術(shù)方面有所超越,重點(diǎn)是甲烷化催化劑的研制開(kāi)發(fā)。耐硫甲烷化工藝使用的催化劑以Mo基催化劑為主。雖然 Mo基催化劑比Ni基催化劑活性低,但是該催化劑具有低H2 /CO體積比的耐受性,且耐硫甲烷化工藝中無(wú)需對(duì)氣化爐出口氣體脫硫,其經(jīng)濟(jì)性將在合成天然氣生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)揮重要作用。在合成氣耐硫甲烷化過(guò)程中主要存在以下反應(yīng):
甲烷化反應(yīng): CO + 3H2→ CH4+ H2O (1)
水汽變換反應(yīng):CO + H2O CO2+ H2 (2)
同時(shí),由于煤氣化爐中大多采用水作為氣化劑,不同的氣化過(guò)程將導(dǎo)致生成氣中水蒸氣含量有所不同。因此,有必要考察不同 H2O含量下催化劑活性變化的規(guī)律。
本研究考察了反應(yīng)氣中添加10%水蒸氣對(duì)催化劑的影響,并在停止通入水蒸氣后繼續(xù)考察其活性,討論整個(gè)過(guò)程中催化劑活性和穩(wěn)定性的變化。首先研究了反應(yīng)氣中添加10%的 H2O對(duì)不同載體負(fù)載的Mo基催化劑的影響,然后考察了反應(yīng)氣中添加10%、20%、30%的H2O對(duì)5%CoO-15% MoO3/CeO2-Al2O3催化劑的影響。結(jié)合BET、XRD、TEM等表征手段,探討了H2O對(duì)催化劑性能影響的原因。
1 實(shí)驗(yàn)部分
1.1 催化劑的制備
本研究所采用的 Al2O3 載體為市售( 宜興市千葉非金屬材料有限公司) , 含質(zhì)量分?jǐn)?shù) 25%CeO2 的CeO2-Al2O3載體以共沉淀方法制備, 詳見(jiàn)文獻(xiàn)。
催化劑的制備采用等體積浸漬法。將計(jì)算量的仲鉬酸銨( 或仲鉬酸銨與硝酸鈷的混合物) 室溫下溶于適量蒸餾水中, 等體積浸漬Al2O3載體( 或鈰鋁復(fù)合載體) ,室溫放置24 h,120 ℃ 烘干, 隨后600 ℃焙燒 4 h, 即可得到相應(yīng)組成的催化劑25% MoO3/Al2O3、5%CoO-25% MoO3/Al2O3、15%MoO3/CeO2-Al2O3以及5%CoO-15%MoO3 /CeO2-Al2O3,其中,各百分含量均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)。將所得催化劑壓片并破碎至20-40目備用, 下文中分別簡(jiǎn)寫(xiě)為 Mo/Al、Co-Mo/Al、Mo/CeAl 和 Co-Mo/CeAl。
1.2 催化劑的評(píng)價(jià)
催化劑的耐硫甲烷化活性評(píng)價(jià)在加壓固定床反應(yīng)裝置( 天津大學(xué)北洋化工實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司) 上進(jìn)行,不銹鋼反應(yīng)器內(nèi)徑為12mm,長(zhǎng)度為700mm,催化劑的裝填量為 3mL。反應(yīng)活性測(cè)定前催化劑需進(jìn)行活化處理, 在400℃下采用體積分?jǐn)?shù)3%H2S /H2混合氣原位硫化還原 4h。催化劑常規(guī)評(píng)價(jià)條件:反應(yīng)氣中 H2 /CO 體積比為 1,H2S 體積分?jǐn)?shù)1.2%,反應(yīng)測(cè)溫550℃,壓力3MPa,空速5500 h-1。
反應(yīng)產(chǎn)物的定量分析采用Agilent 7890 A氣相色譜儀( Agilent Technologies) 在線分析,色譜配備兩路熱導(dǎo)檢測(cè)器( TCD) 和一路氫火焰離子化檢測(cè)器( FID) 檢測(cè)系統(tǒng),采用外標(biāo)法定量測(cè)定各組分含量。催化劑性能的各指標(biāo)計(jì)算公式如下:
式中,x為反應(yīng)氣的轉(zhuǎn)化率;s為產(chǎn)物的選擇性;CB為反應(yīng)前后的碳平衡;φ為氣體流量,單位mL/min;in表示氣體進(jìn)入反應(yīng)器;out表示氣體離開(kāi)反應(yīng)器。
1.3 催化劑的表征
采用美國(guó) Micromeritcs公司生產(chǎn)的TriStar 3000型吸附儀進(jìn)行N2物理吸附表征。操作方法為:稱(chēng)量一定質(zhì)量的待測(cè)樣品,在真空脫氣條件下于90℃干燥 1h 后升溫至300℃ 烘干 4h。記錄脫氣后的樣品質(zhì)量,將樣品置于樣品管中裝于吸附儀進(jìn)行分析測(cè)定,分析溫度為液氮溫度(-195.8℃) 。在 N2分壓為0-0.3MPa 下測(cè)定N2的吸附量,再于室溫下進(jìn)行N2吸附-脫附實(shí)驗(yàn)。由BET ( Brunauer-EmmettTeller) 方程計(jì)算樣品比表面積。
采用日本理學(xué) Rigaku D/max 2500 v/pc X型射線衍射儀進(jìn)行XRD表征,Cu Kα 輻射源 (λ=0.154 056nm),工作電壓40kV,工作電流100mA。石墨單色濾光片,狹縫 SS 1°,RS 0.15mm,記數(shù)器SC,5°-90°掃描,實(shí)驗(yàn)中采用粉末X 射線衍射分析方法,通過(guò)分析催化劑的XRD譜圖,采用Jade 5.0中的PDF-2004 卡片比照衍射峰對(duì)應(yīng)的晶體。
采用荷蘭 Philips公司的 Tecnai G2 F20 型場(chǎng)發(fā)射透射電鏡進(jìn)行 TEM 表征, 點(diǎn)分辨率 0.248nm, 線分辨率 0.102nm,放大倍數(shù)可達(dá) 1.05×106 倍。將少量樣品置于盛有適量無(wú)水乙醇的小燒杯中,放入超聲波震蕩器中進(jìn)行超聲波震蕩,待樣品分散均勻后,取少量懸浮液滴于銅網(wǎng)上, 干燥后再進(jìn)行觀測(cè)。
2 結(jié)果與討論
2.1 反應(yīng)氣中 H2O 對(duì) Al2O3負(fù)載 Mo 基催化劑反應(yīng)性能的影響
2.1.1 反應(yīng)中添加 10% H2O對(duì)催化劑活性的影響
在體積分?jǐn)?shù) 1.2%的 H2S 濃度下,H2O對(duì)催化劑性能的影響見(jiàn)圖1。由圖1 可知,由于水的添加促進(jìn)了水汽變換過(guò)程,消耗了CO 并生成 H2,導(dǎo)致結(jié)果中 CO 轉(zhuǎn)化率變化不大,而 H2 轉(zhuǎn)化率明顯降低。并且抑制了甲烷化反應(yīng)的進(jìn)行, 使得 CH4 選擇性下降, 而 CO2選擇性相應(yīng)增大。對(duì)比發(fā)現(xiàn), 在添加水的過(guò)程中, 催化劑 Co-Mo/Al上轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物選擇性的變化規(guī)律與 Mo/Al催化劑是一致的。
在停止通 H2O以后,催化劑的活性不能恢復(fù)到原來(lái)不加水時(shí)的反應(yīng)活性, Mo/Al 催化劑上CO轉(zhuǎn)化率下降約7.5%, 而Co-Mo/Al催化劑受到的影響稍小, CO 轉(zhuǎn)化率下降約為 6%。說(shuō)明Co的添加在一定程度上減弱了H2O對(duì)催化劑活性的影響, 推測(cè)Co促進(jìn)劑的添加形成了Co-Mo-S物相,使得催化劑的穩(wěn)定性有所增強(qiáng)。
圖1 反應(yīng)氣中含有10%H2O對(duì)Al2O3負(fù)載Mo基催化劑活性的影響
分析認(rèn)為,H2O 對(duì)催化劑造成了不可逆失活。以往的研究表明,Mo 和 Co-Mo 催化劑中的硫化物在加水后嚴(yán)重減少,停止加水后,Co 修飾的 CoMo-S 位點(diǎn)能夠再生而沒(méi)有促進(jìn)劑原子的位點(diǎn)不能再生。這說(shuō)明水蒸氣的引入改變了催化劑表面形態(tài)結(jié)構(gòu)或者造成了部分活性位的不可逆損失。
2.1.2 反應(yīng)中的 H 2O 對(duì)催化劑結(jié)構(gòu)和組成的影響
對(duì)反應(yīng)后的各催化劑樣品進(jìn)行表征,其中,干氣反應(yīng)樣品取自課題組之前的研究。
催化劑 Mo/Al 和 Co-Mo/Al 的 BET 表征結(jié)果見(jiàn)表1,兩種催化劑之間的差異可以歸因于添加的Co可以堵塞催化劑的微孔,使得平均孔徑和比表面積數(shù)據(jù)變小。結(jié)合兩種催化劑的活性評(píng)價(jià)結(jié)果,催化劑的比表面積和孔徑等不是影響甲烷化活性的關(guān)鍵因素。
添加水蒸氣失活的催化劑 Mo/Al 上,孔體積和平均孔徑表現(xiàn)出減小的趨勢(shì), 這可能是由于大量水的存在,催化劑上形成覆蓋活性物相的硫酸鹽或者氧化鋁載體的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。然而, Co-Mo/Al催化劑的孔體積和孔徑并無(wú)明顯的變化。表明Co促進(jìn)劑能夠改變活性相和載體的相互作用,在 H2O 添加到系統(tǒng)中時(shí)催化劑能保持原來(lái)的結(jié)構(gòu)特征。
表1 Al2O3負(fù)載Mo基催化劑反應(yīng)后的織構(gòu)性質(zhì)
硫化的和活性評(píng)價(jià)后的 Mo/Al 和 Co-Mo/Al催化劑樣品的X射線衍射譜圖見(jiàn)圖 2。由圖2可知,所有催化劑的譜圖上呈現(xiàn)對(duì)應(yīng)γ-Al2O3的( 33.4°、37.5°、45.7°、59.1°、66.8°) 寬峰,催化劑Mo/Al上觀察到的峰都?xì)w于載體γ-Al2O3的, 這表明Mo物種在載體γ-Al2O3上高度分散。至于CoMo/Al催化劑,MoS2( 14.1°) 出現(xiàn)在不加 H2O 反應(yīng)的樣品中。但在添加 H2O甲烷化反應(yīng)的樣品中沒(méi)有檢測(cè)到 MoS2相,這種現(xiàn)象表明,在 H2O 的影響下,活性評(píng)價(jià)過(guò)程中形成的 MoS2 晶體缺陷導(dǎo)致了MoS2部分解體。
Co9S8( 29.9°、52.0°) 的衍射峰在Co-Mo/Al 樣品中都能觀察到,結(jié)合催化劑活性的數(shù)據(jù)結(jié)果,說(shuō)明Co9S8的結(jié)構(gòu)有利于甲烷化。硫化物相如 MoS2和Co9S8的減少可能是由于反應(yīng)過(guò)程中 H2O 的存在而被氧化。此外,一些文獻(xiàn)也指出 Co9S8可以提高催化劑加氫反應(yīng)的穩(wěn)定性,Co-Mo-S催化劑的活性相是高度分散的硫化鈷( Co9S8) 與 MoS2 作為一個(gè)物相起作用。
圖2 Al2O3載體負(fù)載催化劑的XRD譜圖
在高分辨透射電子顯微鏡研究中,Mo/Al 和Co-Mo/Al 催化劑的 TEM 照片中觀察到屬于 MoS2層的黑色線狀條紋,具體見(jiàn)圖 3。
圖3 催化劑的TEM照片
由圖 3 可知,Co-Mo催化劑上較長(zhǎng)的板層和多層堆疊對(duì)應(yīng)其較高的甲烷化活性。與干氣反應(yīng)樣品相比,催化劑 Mo/Al上加H2O甲烷化反應(yīng)的樣品上, MoS2的堆積層數(shù)顯著減少,片層長(zhǎng)度也略有減小。減少的原因可能是硫化物堆疊物相的最外層上,由于H2O 的作用發(fā)生了S-O交換,外層氧硫化物的形成導(dǎo)致硫化物最外部片層的晶型損失,伴隨這樣的變化引起了 MoS2的顆粒粒徑的減小,最外層的衍射條紋消失。邊緣硫化物位點(diǎn)的減少導(dǎo)致在催化劑上 CO 的吸附減少, 甲烷化活性降低。
據(jù)報(bào)道,采用浸漬法制備的Co-Mo 催化劑始終表現(xiàn)出一種沒(méi)有完全被Co修飾的 MoS2片層。因此,在催化劑表面,H2O能吸附于配位不飽和的Mo上并阻礙CO的吸附,或?qū)е卤砻?S-edge 的變化。比較加H2O和不加H2O的反應(yīng)樣品,Co-Mo/Al 催化劑上MoS2 的片層長(zhǎng)度和堆垛分布都很接近,說(shuō)明反應(yīng)氣中的 H2O對(duì)添加Co的催化劑影響較小。
2.2反應(yīng)氣中 H2O 對(duì)鈰鋁復(fù)合載體負(fù)載 Mo 基催化劑反應(yīng)性能的影響
由于 Al2O3負(fù)載的催化劑穩(wěn)定性普遍較差, 在考察 H2O對(duì)催化劑性能影響的過(guò)程中,一方面,有H2O 對(duì)催化劑組成結(jié)構(gòu)的影響而導(dǎo)致的失活;另一方面,催化劑自身活性不穩(wěn)定也造成一部分失活,而這兩部分的影響難以分開(kāi)。而 CeO2-Al2O3 制備的催化劑表現(xiàn)出了較好的甲烷化反應(yīng)活性, 并具有良好的穩(wěn)定性。因此,對(duì)復(fù)合載體 CeO2-Al2O3對(duì)于耐硫甲烷化反應(yīng)體系中 H2O 的影響是否具有改善作用需要進(jìn)一步考察,并確定反應(yīng)氣中 H2O 帶來(lái)的不可逆失活。
2.2.1反應(yīng)中添加 10% H2O 對(duì)催化劑活性的影響
考察反應(yīng)氣中添加 10% H2O 對(duì)催化劑 Mo/CeAl 和 Co-Mo/CeAl 甲烷化活性的影響,具體見(jiàn)圖 4。由圖4可知,CeO2-Al2O3 復(fù)合載體制備的催化劑穩(wěn)定性好于 Al2O3 載體制備的催化劑,各段反應(yīng)過(guò)程中催化劑的活性變化很小。同時(shí),CeO2-Al2O3復(fù)合載體催化劑上添加 H2O 的影響與 Al2O3載體上添加 H2O 的影響規(guī)律一致,主要是 H2O 促進(jìn)了水汽變換反應(yīng), 抑制了甲烷化反應(yīng)的進(jìn)行。反應(yīng)氣中去除 H2O 之后,催化劑的活性不能完全恢復(fù)到原來(lái)不加水時(shí)的反應(yīng)活性。Mo/CeAl 催化劑上CO 轉(zhuǎn)化率損失約4%,而Co-Mo/CeAl催化劑受到的影響較小( 下降約 2%) 。
圖4 反應(yīng)氣中含10%H2O對(duì)鈰鋁復(fù)合載體負(fù)載Mo基催化劑活性的影響
2.2.2 反應(yīng)中的 H2O 對(duì)催化劑結(jié)構(gòu)和組成的影響
對(duì)反應(yīng)后的各催化劑進(jìn)行表征,其中,干氣反應(yīng)取自課題組之前的研究。
催化劑 Mo/CeAl 和 Co-Mo/CeAl 的 BET 表征結(jié)果見(jiàn)表 2。由表 2可知,兩種催化劑之間沒(méi)有明顯差異,可以歸因 Mo 的負(fù)載量還沒(méi)有到達(dá)單層閥值,添加的 Mo 和 Co 可以均勻分散在催化劑表面。不同條件下評(píng)價(jià)的樣品之間沒(méi)有明顯差別。結(jié)合活性結(jié)果,催化劑比表面積和孔徑等的變化不是影響甲烷化活性的關(guān)鍵因素。
對(duì)鈰鋁載體上負(fù)載的 Mo/CeAl 催化劑和 CoMo/CeAl 催化劑進(jìn)行 X 射線衍射表征分析,具體見(jiàn)圖5。由圖5可以分別看出,Al2O3( 59.1°、66.8°) 和CeO2( 28.5°、33.3°、47.5°、56.4°) 的特征衍射峰。對(duì)比發(fā)現(xiàn),干氣反應(yīng)的 Mo/CeAl催化劑出現(xiàn)了很明顯的 MoS2的峰,而加水反應(yīng)的樣品卻無(wú) MoS2 峰出現(xiàn),說(shuō)明反應(yīng)氣中 H2O 的存在破壞了 MoS2 物相。在反應(yīng)后的 Co-Mo/CeAl催化劑上均能看到 MoS2的峰,另外Co 助劑的添加形成 Co9S8物相保護(hù)催化劑的活性位,減輕了因反應(yīng)氣中水造成的催化劑活性損失。
a:無(wú)水甲烷化反應(yīng)后的催化劑;b:有水甲烷化反應(yīng)后的催化劑
2.3 反應(yīng)氣中添加不同含量 H2O 對(duì)Co-Mo/CeAl催化劑反應(yīng)性能的影響
2.3.1反應(yīng)中添加不同含量 H2O對(duì)催化劑活性的影響
圖6 反應(yīng)氣中添加20%、30%的H2O對(duì)Co-Mo/CeAl催化劑的影響
x(CO); x(H2); s(CH4); s(CO2); s(C2H6); CB
圖 6 中所呈現(xiàn)出來(lái)的規(guī)律與添加 10% 的 H2O進(jìn)行反應(yīng)的 Co-Mo /CeAl 催化劑一致,CO 的轉(zhuǎn)化率隨著加水時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸下降,且加入20% 或30%的水之后催化劑的活性較加入 10%的水之后降低地更加明顯。反應(yīng)氣中水含量增大對(duì)催化劑造成的不可逆失活也更大, 在停止加水之后不能恢復(fù)至未加水之前,CO的轉(zhuǎn)化率分別下降了約4%( 20% H2O) 、約 9% ( 30%H2O) 。H2 和 CO 轉(zhuǎn)化率的變化規(guī)律與加入10%的水時(shí)是一致的,且在添30%的水時(shí)水汽變換反應(yīng)占主導(dǎo),反應(yīng)生成的 H2量明顯大于消耗的 H2 量,使得 H2 轉(zhuǎn)化率小于 -20%( 圖 6 中未給出) 。加水反應(yīng)過(guò)程中CH4選擇性有較大下降,而 CO2選擇性明顯增大, 停止加水后各產(chǎn)物的選擇性都能恢復(fù)至加水反應(yīng)前的數(shù)值。
2.3.2 反應(yīng)中的 H2O 對(duì)催化劑結(jié)構(gòu)和組成的影響
圖 7 為添加不同含量 H2O 反應(yīng)之后的 Co-Mo/CeAl催化劑的XRD表征結(jié)果。
圖7 添加不同含量H2O反應(yīng)后Co-Mo/CeAl催化劑的XRD譜圖
MoS2; Co9S8; CoMoO4; CeO2; Al2O3
由圖7可知,隨著反應(yīng)氣中水含量的增加,Al2O3和 CeO2的衍射峰沒(méi)有明顯差別,而 MoS2的峰和Co9S8的峰有一定程度的弱化, 并且出現(xiàn)了新物相CoMoO4的衍射峰( 26.4°) 。在添加30%水反應(yīng)后樣品中可以看到CoMoO4 的衍射峰,說(shuō)明在大量的水影響下,反應(yīng)過(guò)程中催化劑的活性組分被部分氧化,催化劑中的硫流失嚴(yán)重,MoS2活性組分減少。結(jié)合活性數(shù)據(jù)也可以說(shuō)明, CoMoO4 占據(jù)了一部分的活性位,導(dǎo)致活性組分減少。隨著反應(yīng)氣中水含量的增大,催化劑中的硫流失嚴(yán)重程度加劇,從而導(dǎo)致在加水過(guò)程中甲烷選擇性很低。
圖 8 為添加不同含量 H2O( 10%、20%、30%) 反應(yīng)后的 Co-Mo/CeAl 催化劑的 TEM 照片。由圖8可知, 在 10% H2O 的條件下反應(yīng)的催化劑樣品MoS2條紋明顯且層狀結(jié)構(gòu)較多,這也說(shuō)明,在 10%H2O 含量的情況下反應(yīng),水對(duì)催化劑活性組分破壞較少,催化劑的活性和穩(wěn)定性都較好。而增大反應(yīng)氣中水含量, 對(duì)催化劑活性組分的破壞程度逐漸增大,在20%H2O含量下反應(yīng)的樣品中 MoS2 層狀結(jié)構(gòu)不夠明顯,層數(shù)迅速減少。增大到 30%H2O 含量下反應(yīng)的樣品中 MoS2的條紋量更少,且條紋長(zhǎng)度明顯變短。結(jié)合活性評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)說(shuō)明,由于水含量的增大引起的 MoS2量減少,導(dǎo)致了催化劑的不可逆失活。
圖8 添加不同含量H2O反應(yīng)后Co-Mo/CeAl催化劑的TEM照片
(a)10% H2O; (b)20%H2O; (c)30%H2O
3 結(jié)論
在反應(yīng)氣中添加10%H2O對(duì)Al2O3載體負(fù)載的Mo基催化劑造成了不可逆失活, 去掉水之后催化劑的活性不能恢復(fù)至原水平。對(duì)于添加Co助劑的催化劑以及 Ce-Al 復(fù)合載體負(fù)載的催化劑,其轉(zhuǎn)化率和選擇性在加水條件下與Mo/Al催化劑的變化規(guī)律一致,但催化劑的穩(wěn)定性、活性得到改善和提高,耐水失活性能有所提高。Co-Mo/CeAl 催化劑的耐水失活性能較強(qiáng),在反應(yīng)氣中添加 10%H2O 的情況下活性損失不明顯。而當(dāng)水含量達(dá)到 30%時(shí),催化劑上主要發(fā)生水汽變換反應(yīng),而且反應(yīng)氣中水含量的增大影響了催化劑的活性和穩(wěn)定性。
助劑Co的添加能保護(hù)Mo基催化劑上的MoS2層狀結(jié)構(gòu),Co9S8和Co修飾的 MoS2 形成良好的穩(wěn)定性結(jié)構(gòu),使得大量的活性位未受到反應(yīng)氣中水的影響, 抑制了添加水導(dǎo)致的不可逆失活。
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