颗粒床用于煤热解挥发分除尘、改质一体化研究

本项目利用活性颗粒床作为深层过滤介质和煤热解挥发分催化反应介质，合理利用煤气的物理显热，在高温状态下实现煤热解挥发分除尘、改质一步完成，即在除尘的同时将挥发分中的焦油组分转化为轻烃和富氢气体。在前期研究的基础上，考察煤热解挥发分自身携带的粉尘在颗粒床中的存在形态、分布规律及对催化反应的影响，揭示催化剂积炭失活和粉尘沉积相互作用规律，并与催化剂活性、稳定性相关联，阐明催化剂失活机理。考察活性氧化铝和天然矿石为载体催化剂的"除尘、改质一体化"工艺特性，明确颗粒床操作条件对催化反应性能和除尘效率的影响，研究失活催化剂的再生方式及污染物变迁规律，实现消除积炭和清灰再生同步完成，开发适用于该工艺的高效催化剂。本项目的研究成果对于煤炭热加工过程中煤气净化、提高煤焦油综合利用水平具有理论和实际指导意义。

本项目以煤热解挥发分除尘为应用背景，利用活性颗粒床作为深层过滤介质和煤热解挥发分催化反应介质，合理利用煤气的物理显热，开发高温状态下实现煤热解挥发分除尘、改质一步完成的新工艺，即在除尘的同时将挥发分中的焦油组分转化为轻烃和富氢气体。实验以焦油模型化合物为研究对象，在煤热解挥发分除尘、改质一体化反应装置上进行评价实验，考察了助剂Mg、K、Ce、Zr等对以γ-Al2O3为载体的镍基催化剂性能的影响。重点研究了Ni–Al2O3、Ni/MgO-Al2O3、Ni/K-Al2O3、Ni/CeO2-Al2O3、Ni/Ce/ZrO2-Al2O3等五个系列催化剂的活性、稳定性及再生性能。结果表明助剂Mg、K、Zr均具有较好的抗积碳性能，但助剂K在反应过程中存在较为严重的流失现象，不适用于该除尘/改质催化反应。1%NiO/0.1%MgO-Al2O3催化剂反应30h未出现明显的失活现象，以空气为再生剂，再生时间20min，再生温度600-700℃，经10次再生未发现失活现象。2%NiO/1%CeO2/2%ZrO2-Al2O3催化剂也表现出较高活性和良好的再生性。开展了以白云石为载体的天然矿石类催化剂研究，重点考察了Co/白云石、Ni/白云石、Ni/La2O3/白云石、Ni/MgO/白云石、Ni/Fe2O3/白云石催化剂的催化性能。结果表明10%Ni/1%La2O3/白云石催化剂、2%Ni/5%MgO/白云石催化剂、10%Ni/3%Fe2O3/白云石催化剂的催化活性相对较好。10%Ni/1%La2O3/白云石催化剂最佳操作条件为反应温度800℃、反应空速为600ml/h/g、水料比为2:1。粉尘中SiO2具有促进催化剂表面积炭的作用，而粉尘中的MgO、Fe2O3等组分对积碳的产生具有一定的阻滞作用。在实验考察范围内，随着引入粉尘量的增加，粉尘中MgO、Fe2O3等组分的催化活性及抗积碳性能逐渐显现，抵消了部分催化剂失活的影响。适当降低空速可以减弱粉尘沉积对催化活性的负面作用。在实际应用中，煤热解挥发分中的粉尘组成将会对催化剂活性和稳定性产生显著影响。本项目的研究成果对于煤炭热加工过程中煤气净化、提高煤焦油综合利用水平具有理论和实际指导意义。