CH4与CO2重整制合成气研究的研究报告

CH4与CO2重整制合成气研究的研究报告

杨真一 1 ，胡莹梦2，徐艳 3 ，郑先坤4

（1：2009级化学工程与工艺四班，学号：0943084137

2：:2009级化学工程与工艺三班，学号：0943084141

3：2009级化学工程与工艺三班，学号：0943084136

4：2009级化学工程与工艺三班，学号：0943084008）

摘要：二氧化碳和甲烷既是温室气体的主要组成，又是丰富的碳资源。在石油资源日益匮乏以及环境问题日益严重的今天，二氧化碳的资源化利用已受到了广泛的关注，二氧化碳与甲烷重整制合成气的方法也越来越多，从传统的催化重整反应到现今受到更多研究的等离子体重整CH4-CO2技术，还有等离子体协同催化剂重整技术，都有大量的研究基础，本文就目前常用的几种甲烷-二氧化碳重整技术进行了调研研究并对热等离子体重整制合成气的实验方法进行了简要说明与探讨。

关键词：甲烷二氧化碳重整合成气

研究二氧化碳和甲烷的化学转化和利用对于降低甲烷使用量、消除温室气体等具有重大意义；而合成气又是合成众多化工产品以及环境友好型清洁能源的重要原料。以天然气和CO

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为原料制备合成气，与其他方法相比较，在获得同量碳

值的合成气情况下，不仅可以减少天然气消耗量50%，还有利于减排CO

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。目前利用二氧化碳和甲烷重整制备合成气的方法主要有三种：（1）利用催化剂催化重

整制合成气；（2）利用等离子体技术重整CH

4-CO

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；（3）前两种方法的综合利用。

一、催化重整反应

在催化剂的作用下，发生CH4与CO2重整的反应。而其使用的催化剂则为重点研究对象。

（1）活性组分第ⅤⅢ族过渡金属除Os 外均具有重整活性,其中贵金属催化剂具有较高的活性和抗积炭性能，但贵金属具有资源有限、价格昂贵和需要回收的缺点，因此国内研究的大多为非贵金属催化剂，特别是负载型Ni基催化剂和Co 基催化剂，或是Ni-Co双金属催化剂，且研究结果表明：双金属催化剂的催化活

性和抗积碳性能更优越于单金属催化剂。同时也有研究表明：即使是同样的活性组分,由于担载量和前驱体的不同,制成催化剂的活性也不尽相同。近来也有研究者发现Mo、W的硫化物和Co、W的碳化物也具有较好的反应活性和抗积碳性能，但该催化剂在常压下失活较快，因此需提高反应压力。【1】

（2）载体 CH4与CO2重整反应的催化剂主要是负载型催化剂，且因为该反应是在高温下进行，所以其选用的载体应有良好的热稳定性。目前,重整催化剂使用的载体包括Al2O3 、MgO、SiO2 、TiO2 、CaO、ZrO2 、稀土金属氧化物以及一些复合金属氧化物(如Al2O3 - MgO、Al2O3 - CaO - TiO2 、Al2O3 - CaO -MgO) 和分子筛等。研究者们对载体的酸碱性和氧化还原性质对重整反应的影响做了大量研究，结果表明：载体的酸碱性影响反应性能主要在于其对CO2的吸附性能的改变；具有氧化还原性能的氧化物为载体制备的催化剂CO 和H2 的收率较低。当然载体的制备方法也会导致催化剂的性能差异，因此载体的选择需要综合考虑。【1】

（3）助剂在CH4-CO2的催化重整反应中，助剂的作用主要在以下几个方面：①调节催化剂表面酸碱性；②提高活性组分的分散度；③调节活性组分的电子性质。目前常用的助剂有碱金属、碱土金属和稀土金属氧化物。【1】

甲烷与二氧化碳的重整反应对于工业发展和环境治理都具有重大意义，但也有着催化剂“积炭”和“烧结”这两个因素和反应温度高困扰着研究者们将其工业化，积炭与烧结都会导致催化剂失活，因此制备新型、廉价和具有较高催化活性及稳定性的催化剂,是急需解决的问题之一。【4】

二、等离子体技术重整

等离子体是由电子、离子、原子、分子或自由基等高活泼性粒子组成的电离气体,在等离子体的作用下，可以实现甲烷和二氧化碳的重整。如今等离子体重整CH4-CO2的技术日益成熟，可分为以下几种方法：①冷等离子体重整CH4-CO2；

②热等离子体重整CH4-CO2。

（一）冷等离子体重整CH4-CO2

热力学非平衡态等离子体中的轻粒子的温度远高于重粒子的温度，而等离子体的温度接近室温，因而也称为冷等离子体。由于产生冷等离子体所需能量很少，并且气体温度与反应器温度上升也很低，避免了反应器材料选择和冷却问题，因

此，冷等离子体在重整反应中应用比较广泛。【3】早期用于CH4-CO2重整的冷等离子体主要有电晕放电、介质阻挡放电、微波放电、大气压辉光放电和滑动弧放电。，从成本方面考虑，人们通常避免真空放电而选择大气压下的电晕放电等离子体和介质阻挡放电等离子体。但由于这些放电技术存在放电不均匀、平均电子密度低和反应器难以放大等问题，均没有实现工业化的生产。【7】

（二）热等离子体重整CH4-CO2

由电弧产生的热等离子体是一种持续均匀的等离子体，其高热焓值、高温度、高电子密度的特点使得其具有热效应和化学效应双重效应，因而有着广泛的工业应用。目前常用的热等离子体重整装置有：直流电弧等离子体炬（DC）、交流电弧等离子体炬（AC）、射频等离子体炬（RF）和高频等离子体炬等，其中直流电弧炬应用最多。近年来，大量研究者运用多种装置对CH4-CO2重整反应就行了研究，如①白玫瑰等采用大功率双阳极热等离子体装置，对CH4-CO2 重整制合成气进行了实验研究。实验采用两种不同的原料气输入方式：一种是使原料气（CH4 和CO2 的混合气体）作为等离子体放电气体全部通入第1 阳极与第2 阳极间的放电区，直接参与放电；另一种是保持前述状态，再附加另一部分原料气通入从等离子体发生器喷出的等离子体射流区；②兰天石等利用15 kW 的实验室装置，进行了天然气和二氧化碳在氢等离子体射流作用下重整制合成气研究。实验中考察了输入功率、原料气流量和原料配比对反应转化率、产物选择性的影响。结果表明：转化率主要由输入功率和原料气流量决定，产品的选择性与原料气的配比密切相关；③Yan 等利用直流电弧等离子体进行了甲烷二氧化碳重整制合成气的实验研究。在直流电弧等离子体提供的高温环境中，同时得到了高的原料转化率和产物合成气的选择性，并且实验发现，增加输入功率可以提高原料的转化率。【3】当然，现今的等离子体技术重整甲烷-二氧化碳还有待提高，在开发高效率等离子体发生器和合理设计反应器上，还需投入更多的研究，争取早日实现等离子体重整技术的工业化。

三、等离子体协同催化剂重整CH4-CO2技术

等离子体协同催化剂作用于甲烷和二氧化碳重整制合成气，不仅可以提高能量利用率，还可以提高催化剂的选择性活化以提高产物的分布。研究者们分别就冷等离子体催化耦合CH4-CO2和热等离子体催化耦合CH4-CO2做了部分研究。