《煤直接液化殘渣催化甲烷裂解製備富氫氣體研究》是依託大連理工大學,由靳立軍擔任醒目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：煤直接液化殘渣催化甲烷裂解製備富氫氣體研究
- 依託單位：大連理工大學
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：靳立軍
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
煤炭直接液化是煤制油的重要工藝，其中約占原煤30%的液化殘渣高效利用和液化用氫生產成本是影響煤直接液化工藝經濟性的重要因素。本項目基於液化殘渣中含有高分散的鐵催化劑以及Fe/炭作為甲烷裂解制氫用催化劑的特點，提出以煤直接液化殘渣為催化劑，用於甲烷催化裂解製備富氫氣體的構思，並得到初步實驗的驗證。本項目將通過對煤種、液化工藝條件和液化產品分離及預處理方法選擇，製備具有不同性質的液化殘渣，並用於催化甲烷裂解制氫，考察殘渣中有機質、礦物質、液化催化劑Fe以及工藝參數等在甲烷裂解制氫過程中的作用，獲得煤直接液化殘渣催化甲烷裂解制氫的一般性規律和作用機理。研究工作對深入理解Fe/炭催化甲烷裂解制氫機理及液化殘渣的高值化利用，開發由煤直接液化殘渣催化甲烷裂解制氫工藝，降低直接液化工藝成本具有重要的理論意義和實際套用價值。此外通過研究甲烷中部分氧氣存在時的催化裂解行為，可為煤層氣的利用提供方法。
結題摘要
項目以不同液化條件下得到的液化殘渣為原料製備用於甲烷催化裂解的多孔炭，研究了殘渣組成及製備工藝（高溫炭化和KOH活化法）等對多孔炭結構和甲烷催化裂解制氫性能的影響。取得以下結果： (1)發明了一種通過殘渣中自身礦物、外加無機礦物質和有機化合物等實現液化殘渣基多孔炭製備及孔結構調控的方法，研究了炭材料的催化和電化學性能。 (2)原料煤和液化條件（溫度、壓力和時間）會顯著影響液化殘渣的組成和製得炭材料結構，進而影響甲烷裂解的反應活性和穩定性。炭化方式會影響液化殘渣基多孔炭的催化性能，KOH活化法製得的炭材料具有較高的催化活性。 (3)以0.1t/d連續液化實驗得到的殘渣為碳源，通過KOH活化法可直接製得孔徑集中分布在3.5nm的介孔炭，明顯不同於以煤為碳源的微孔活性炭，殘渣中的礦物質本身或其與KOH反應形成的可溶性鹽可充當介孔炭的模板劑。相對於公認的具有高活性的煤基活性炭和高穩定性的商業炭黑，該介孔炭具有更加優異的催化性能。在KOH活化法製備液化殘渣基多孔炭過程中，添加一定量的無機物（SiO2、Al2O3或MgO）可改變所得炭材料的孔結構，甲烷裂解性能得到進一步改進，並首次發現以活性炭為催化劑催化甲烷裂解可得到纖維炭。通過添加一定量的有機化合物（十六烷基三甲基溴化銨、蔗糖和尿素）同樣可調變液化殘渣基多孔炭的孔結構、催化與電化學性能。改性後的液化殘渣基多孔炭電極具有較低等量電阻和較高的電容值。 (4) 利用高溫下炭具有還原性的特點，在KOH活化法製備多孔炭過程中，通過在液化殘渣中添加Fe(NO3)3和Ni(NO3)2可製備出摻雜Fe和Ni的多孔炭。該催化劑在甲烷裂解方面表現出優異的催化性能，甲烷轉化率隨反應時間呈現出明顯增加的趨勢。表徵結果顯示：甲烷在催化劑表面上形成了纖維炭，並且促使較大Ni顆粒發生裂解，形成了負載於炭纖維上的高分散、小顆粒Ni顆粒；以裂解生成的炭為催化劑，同樣顯示出較高的催化活性和穩定性。 (5) 液化殘渣基多孔炭孔結構的調控方法同樣適用於煤基多孔炭的孔結構調節，可改善多孔炭的電化學性能，具有一定的普適性。 上述成果為液化殘渣的高值化利用提供一種新途徑。部分成果發表在Carbon等本學科國際主流期刊上，目前已發表SCI刊源論文8篇、國際會議論文7篇、國內會議論文1篇，申請國家發明專利2項，培養博士研究生1人，碩士研究生3人，獲得學術成果獎1項。
