第三代煤气化技术研究开发进展

$’- CD!+,$X$%5#- )*!+,$X!!5#- Y>!+,$ 和 M$5#-;CD!+,$X; $45#-; )*!+,$X!#-I!+,$ 的 催 化 活 性 最 好 ! 而 二 元 催 化
剂 中 !’-Y>!+,$XZ4-I!+,$ 为 最 佳 * TQPU;L@=Q@ 的 研 究 表明" 对于煤的水蒸气气化" 三元熔融盐催化剂 # M$5#-;CD!+,$X$45#-;)*!+,$X!#- I!+,$ ( 的 活 化 能 仅
为 煤 催 化 气 化 催 化 剂 的 主 要 来 源 "研 究 者 们 已 达 成 共 识 $ 其 中 " 碱 金 属 的 催 化 活 性 最 好 $ 例 如 " 张 济 宇 等 I#J 利用碱复合催化剂对福建无烟煤进行了催化气化研 究"实 验 研 究 显 示 &碱 金 属 催 化 剂 对 低 活 性 无 烟 煤 的 催 化 气 化 具 有 明 显 作 用 "在 温 和 的 气 化 温 度 条 件 下 即
和 9*:;<5; 9=>?*@ 等 对 熔 融 盐 催 化 剂
进 行 了 大 量 研 究 * 9*:; <5; 9=>?*@ 的 研 究 结 果 显 示 " 熔 融盐催化剂的催化活性明显高于单组 分 催 化 剂 "具 体 为 & 三 元V二 元W单 组 分 * 在 三 元 熔 融 盐 催 化 剂 中 "
文 章 编 号 & $..*/0*0%,’..*&/.!/..’$/.1-- 中 图 分 类 号 & 23*1+-- 文 献 标 识 码 & 4
-我 国 一 次 能 源 消 费 结 构 中 " 煤 炭 占 据 主 导 地 位 "
而 国 内 煤 炭 利 用 技 术 普 遍 落 后 "引 起 的 环 境 污 染 非 常 严 重 $ 因 此 "大 力 发 展 煤 炭 洁 净 %高 效 和 综 合 利 用 技 术 "实 行 全 过 程 污 染 控 制 "是 保 证 社 会 经 济 快 速 发 展 " 使大气环境得到有效改善和能源利用效率有效提高 的唯一选择$ 煤气化技术是煤炭洁 净 %高 效 和 综 合 利 用 的 基 础 技 术 和 关 键 技 术 "其 应 用 领 域 极 为 广 泛 $ 煤 气 化 技 术 的 研 发 已 有 ’.. 多 年 的 历 史 " 大 致 经 历 了 三 个 发 展 阶 段&第 一 代 是 已 工 业 化 的 早 期 煤 气 化 技 术 "如 各 种 常 压 固 定 床 气 化 炉 %流 化 床 气 化 炉 (温 克 勒 炉 #和 气 流 床 气 化 炉 ( 8/2 炉 # 等 气 化 方 法 ) 第 二 代 是 目 前 正 处 于 小 试 %中 式 %示 范 工 程 阶 段 或 实 现 工 业 应 用 的 各 种 加 压 新 气 化 方 法 " 如 29:;<= 法 % >?9@@ 法 和 液 态 排 渣 鲁 奇 炉 气 化 等 )第 三 代 是 仍 处 于 实 验 室 研 究 阶 段 的 催 化 气 化 %等 离 子 体 气 化 和 太 阳 能 气 化 等 $ 目前已实现工业化应用的煤气化技术尽管各有 优 势 "但 存 在 的 缺 点 和 不 足 也 相 当 明 显 $ 如 普 遍 存 在 反 应 温 度 高 "对 生 成 气 的 净 化 困 难 %能 耗 大 "对 设 备 要 求 高 "环 境 污 染 严 重 等 不 利 因 素 $ 这 也 直 接 促 使 了 以 煤的催化气化为代表的第三代煤气化技术的研究$目 前 "国 内 外 学 者 正 在 积 极 进 行 煤 的 催 化 气 化 %煤 的 等 离 子 体 气 化 %煤 的 太 阳 能 气 化 和 煤 的 核 能 余 热 气 化 等
件 下 " 水 蒸 气 气 化 的 产 气 率 为 ! .$/$012 于 无 催 化 剂 时 # ! 34567$812
煤 煤 "大 大 高
!"#
催化机理的研究 在催 化 剂 作 用 下 "煤 的 催 化 气 化 与 非 催 化 气 化 在
$% 此 外 " 9*:;<59=>?*@
等 A!B 通 过 大 量 的 实 验 研 究 " 对 常 见 单 组 分 碱 性 金 属 盐 催 化 剂 的 催 化 活 性 进 行 了 排 序 & CD!+,$ E+F!+,$;G
+F),$H I),$JI!+,$KI!L,MN)*!+,$O+*L,M %
过 渡 金 属 方 面 " 日 本 学 者 9*LP?;,@QFP1* 等
A$B
的
研 究发现 ")D 催化剂用于褐煤水蒸气气化 " 在较低温度 下 ’#""R 左右 ( 表现出非常高的催化活性 " 在 加 压 流 化 床气化炉中可直接生成 +SM" 利用氨浸提法可回收 ’%的 )D % 但 )D 作 催 化 剂 代 价 太 高 " 且 在 %""I!’""I 时 很 容易因硫中毒而失活% 为了寻求活性更好) 气化温度更低的新型催化 剂 " TQPU; L@=Q@
展 $ 针 对 我 国 能 源 消 费 结 构 以 煤 炭 为 主 的 状 况 "论 述 了 我 国 大 力 发 展 以 煤 气 化 为 核 心 的 煤 炭 高 效 %洁 净 和 综 合 利 用 技 术 的 重 要 意 义 "并 对 我 国 煤 气 化 技 术 的 发 展 方 向 进 行 了 展 望 $ 关键词 煤 煤气化 发展
AMB
I!+,$ 催 化 煤 的 水 蒸 气 气 化 反 应 机 理 为 & I!+,$f!+ ! !If$+,; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; g4h ; ; ; ; ; ; ; ; !If!_+ ! !+_I; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; g!h ; ; ; ; ; ; ; ; !+_If!S!, ! !_+f!I,SfS!; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; g$h ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; gMh ; ; ; ; ; ; ; ; !I,Sf+, ! I!+,$fS!; ; ; ; ; ; ; ; ;谢 克 昌 等 认 为 " 石 灰 石 的 催 化 机 理 在 于 +*!f 分 布
方面的研究$
!
煤的 催化 气化 技术
煤 的 催 化 气 化 是 煤 在 固 体 状 态 下 进 行 的 "催 化 剂
与煤 的 粉 粒 按 照 一 定 的 比 例 均 匀 地 混 合 在 一 起 "煤 表 面 分 布 的 催 化 剂 通 过 侵 蚀 开 槽 作 用 "使 煤 与 气 化 剂 更 好地接触并加快气化反应$ 与传统煤气化技术相比" 煤 的 催 化 气 化 技 术 具 有 诸 多 突 出 优 点 & ,#A 添 加 的 催 化 剂 可 显 著 提 高 气 化 速 率 ) ,’A 煤 的 催 化 气 化 实 现 了 煤 的 温 和 气 化 ( 气 化 温 度 降 低 ’))B @!))C #" 显 著 降 低 了 煤 气 化 过 程 的 能 耗 及 对 设 备 材 料 方 面 的 要 求 "并 且 对 脱 硫 % 除 尘 % 环 保 等 都 非 常 有 利 ) ,!A 可 同 时 进 行 许 多 合 成 过 程 "在 催 化 剂 作 用 下 "可 在 煤 气 化 的 同 时 合 成 甲 醇 %甲 烷 %氨 等 化 工 原 料 "缩 短 工 业 流 程 "提 高 工 业 生 产 的 经 济 性 $ 可 以 预 见 "煤 的 催 化 气 化 技 术 取 得突破性进展后必将为煤化工业带来革命性的转变$ 煤的催化气化研究约有 #*) 多年的历史 D 深入研 究始于 ’) 世纪 E) 年代末 " 大致经历了三个阶 段 & 早 期 主要针对单一金属 " 无机盐或某矿物质对煤气化速 率 的影响及作用进行研究 ) 中期主要针对碱金属盐类 对 煤气化的催化作用和催化机理进行研究 ) 目前对复 合 催化剂 % 可弃催化剂 % 熔融盐催化剂的研究比较广泛 $
X !! X
煤 化 工
!""# 年 第 $ 期
可获得较高的煤气产率与煤气热值! 在反应温度为
提 高 % 倍 左 右 "显 示 出 良 好 的 应 用 前 景 "生 物 质 可 作 为未来廉价煤气化催化剂的来源*
%#"& !’""( 的 流 化 床 内 " )*!+,$ 催 化 剂 添 加 量 %- 条
于 煤 焦 表 面 后 增 加 了 煤 焦 表 面 的 活 性 位 "形 成 活 性 中 间 体 , 具 体 进 程 & g4h+*, 细 粒 均 布 在 煤 焦 表 面 ! g!h 气 化剂 S!, 与煤焦表面及 +*, 表面碰撞 !g$hS!, 在 +*, 表 面吸附时 ",SX 定位于 +*!f 上 "Sf 位于相邻的 ,!X" 因而 使 表 面 有 两 个 电 子 态 不 同 的 X,S ! gMh 相 邻 X,S 压 缩 脱 附 S!, 并 提 供 一 个 ,!X ! g#h 在 产 生 +*,-, 这 样 的 不 稳 定 活 性 中 间 体 后 按 照 氧 传 递 机 理 进 行 反 应 "即 &
第 ! 期 " 总 第 #$% 期 & ’()* 年 + 月
煤 化 工
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4"56, 7"1+$8%9"5::;& </-5=>>?
第三代煤气化技术研究开发进展
张占涛 王 黎 孙雪莲
! 西安交通大学 " 西安 !"##$% #
---- 摘
要 回顾了煤气化技术发展历程" 重点分析了煤的催化气化及其他新型煤气化技术的研究开发进
反 应 速 率 +反 应 温 度 及 生 成 气 体 成 分 等 方 面 均 有 很 大 的 不 同 , 因 此 "搞 清 催 化 作 用 机 理 "不 仅 有 利 于 对 现 有 活性 好 的 催 化 剂 加 深 理 解 "更 有 益 于 新 型 催 化 剂 的 开 发 , 目 前 "金 属 催 化 剂 催 化 作 用 机 理 有 电 子 转 移 理 论 ) 中间体理论和氧转移理论" 比较公认的是氧转移理 论 , 氧 转 移 理 论 认 为 "金 属 催 化 剂 可 能 形 成 金 属 氧 化 物 的 中 间 体 "该 中 间 体 作 为 氧 转 移 的 载 体 使 氧 从 气 相 转 移 到 固 相 " 再 由 固 相 转 移 到 气 相 , 例 如 " e=_ A%B 提 出
!"!
催化Leabharlann Baidu的研究 将 碱 金 属 % 碱 土 金 属 和 F9 % GH % 5= 等 过 渡 金 属 作
基 金 项 目 &国 家 重 大 基 础 研 究 发 展 计 划 项 目’ ’’ 利 用 太 阳 能 规 模 制 氢 的 基 础 研 究 " 项 目 号 为 & ’..!56’$1*)) ! 收 稿 日 期 & ’))*7.$/.! 作 者 简 介 & 张占涛 ($0%$ ’ #" 男 "$000 年 毕 业 于 西 安 交 通 大 学 " 在读硕士研究生 " 现研究方向为煤及生物质气化制氢 $
’%1[87?U " 远 低 于 二 元 熔 融 盐 催 化 剂 的 !"41[87?U 和
单 组 分 I!+,$ 的 4Z"1[87?U " 作 者 认 为 其 原 因 是 三 元 熔 融 盐 催 化 剂 熔 点 低"在 气 化 温 度 下 为 液 状 "而 二 元 混 合 物 催 化 剂 为 固 态 "三 元 催 化 剂 更 容 易 扩 散 于 反 应 体 系 "且 活 性 点 更 多 "因 此 "其 催 化 活 性 更 好 * 上述 催 化 剂 虽 然 表 现 出 很 好 的 催 化 活 性 "但 总 的 来 说 都 比 较 昂 贵 "且 其 回 收 和 再 利 用 比 较 麻 烦 * 近 来 不少学者积极进行更廉价" 甚至可弃催化剂的研究* 福州大学的洪诗捷等