一种煤制天然气催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术属于煤催化气化催化剂技术领域，提供了一种将碱金属盐制备为高效煤催化气化催化剂的方法及其用途。该催化剂以碱金属盐为催化剂的前驱体，采用加入表面活性剂的方法，利用表面活性剂组分自身的亲水-疏水结构特点，改善了煤颗粒表面的润湿性能，通过传统的浸渍法将有效金属组分均匀担载于煤基上，有效组分以原子级进行分散。在煤催化气化制天然气的固定床反应器中应用本发明专利技术所制备出的催化剂，不但能够有效提高煤炭转变为气相产物的转化率，并且能够调变煤气的组成，提高了甲烷的含量，极大地提高了煤炭的利用率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种催化剂及其制备方法和用途，特别是涉及一种用于煤催化气化的催化剂及其制备方法和用途。
技术介绍
中国的能源结构特征是煤多气少，煤炭对我国国民经济的发展起着极其重要的作用，但随着经济的发展和人民生活水平的提高，煤直接作为燃料，不仅能效低，且排放的气体增加了空气中PM2.5含量，致使环境受到危害。利用煤气化技术，将煤转化为气体燃料是煤清洁高效利用的一种重要途径。利用煤气化技术将煤转变为合成气，再利用合成气生产氨、甲醇等多种重要的化工产品。工业化生产的煤气化技术为不添加催化剂的煤气化技术。只有当气化温度在1100~1700℃时，气化反应速率才可达到工业化生产需求。但是煤气化温度越高，需要消耗更多的煤来维持高温气化状态，且出口气的温度较高，增加了降温过程的能量损失。因此相对传统的煤气化，煤催化气化有诸多优势，其主要原因在于，在催化剂的作用下可显著降低煤气化温度，保持在较低温度下进行，同时还能够调节煤气成分，被称之为第三代煤气化技术。碱金属、碱土金属、过渡金属（Fe、Co、Ni）的盐类及其混合物对煤催化气化具有显著的促进效果。这些催化剂多为固体颗粒，通过分布在煤粒表面加速气化反应的进行，因此催化剂与煤的混合方式对煤催化气化的效果有很大影响。常用的混合方式有机械混合和浸渍法混合。机械混合虽然操作简易，但由于混合不均匀且催化剂与煤粉之间的结合力不强，结果影响了催化效果；浸渍法混合虽然在一定程度上能够使得催化剂组分较好地分布于煤基材料上，但当煤与浸渍液接触时，由于浸渍溶液和煤表面性质以及液-固表面性质的不同，溶液对煤的润湿情况也不同，且煤的表面含有大量疏水基团，随着煤化程度的加深，变得比较难湿润，因此催化剂组分在煤基材料上的分散效果也不是太理想，这在一定程度上也制约了催化活性的提高。水溶液的表面张力较大，不能有效润湿煤颗粒，而表面活性剂的加入可使水溶液的表面张力和润湿角减小。表面活性剂分子结构的特点是它具有不对称性，是由具有亲水性的极性基团和具有疏水性的非极性基团所组成的有机化合物，根据剩余力场理论，煤表面的疏水基团与表面活性剂的疏水基团相互作用较强，这使得表面活性剂的亲水基团伸向溶液，从而增大其对煤颗粒的润湿性能。因此，针对目前煤催化气化的催化剂制备过程中存在的局限性，开发出催化剂组分在煤基材料上有较好的分散效果且制备过程不耗时的新工艺，具有重要的理论研究意义和实际应用价值。
技术实现思路
本专利技术依据煤的表面含有大量疏水基团，催化剂溶液对煤颗粒表面润湿不理想，从而导致现有煤催化气化催化剂制备工艺存在催化剂组分不能有效分散于煤基材料上等缺点，提供了一种利用表面活性剂组分具有亲水性的极性基团和疏水性的非极性基团所组成的一类有机化合物的固有结构特点，以期改善煤颗粒表面的润湿性能，将催化剂组分简易快速地分布于煤基材料上的方法，大大加速了制样的进程，且避免了常规机械法和浸渍法不能均匀地将催化剂和煤基材料之间有效混合的问题。在固定床反应器进行煤催化气化反应中，活性结果表明利用本专利技术所提供的催化剂制备工艺，该催化剂表现出更加优异的煤转化率和甲烷生成量。本专利技术提供了一种用于煤催化气化制天然气的催化剂制备方法，其特征是将可溶性的碱金属盐、表面活性剂溶于水中，搅拌使其溶解，然后再将煤基材料加入到上述溶液中，充分搅拌使其混合均匀，将有效组分担载于煤基材料上，通过离心、洗涤和干燥等过程，得到催化剂与煤基材料的混合物，该混合物的粒径为60目-100目，活性组分的担载量为金属质量与煤基材料质量比，担载量为6%-30%。一般地，本专利技术制备方法是：将可溶性的碱金属盐、表面活性剂和煤基材料置于去离子水中，充分搅拌将有效组分担载于煤基材料上，离心、洗涤及干燥处理，压片后破碎过筛，备用。所述煤基材料为褐煤，次烟煤，泥炭，烟煤，焦炭，石油焦或无烟煤。所述碱金属盐为Na2CO3、K2CO3、KCl、NaCl、邻苯二甲酸氢钾（KHP）中的一种、两种或两种以上的组合。所述表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠（SDBS）、十二烷基硫酸钠（SDS）、聚乙二醇系列（PEG）中的一种、两种或两种以上的组合。本专利技术一种典型的实验室制备过程如下：将0.2-15g可溶性碱金属盐、0.1-6g表面活性剂溶于去离子水中，搅拌溶解后，将1-20g煤基材料加入到上述溶液中，充分搅拌使其混匀，离心、洗涤，然后转至烘箱中进行干燥处理，压片后破碎过筛至60目-100目。本专利技术所呈现出的显著优势表现为：本专利技术技术在传统的煤催化气化催化剂浸渍法制备工艺中，加入少量的表面活性剂，利用表面活性剂组分自身的亲水-疏水结构特点，改善了煤颗粒表面的润湿性能，使得煤基材料上表面功能团与催化剂组分有较强相互作用力，不仅避免了常规机械法和浸渍法不能均匀地将催化剂和煤基材料之间有效混合的问题，提高了催化剂活性组分的利用率，且大大加速了制样的进程。利用本专利技术所提供的制备工艺制备出的催化剂运用到固定床煤催化气化制天然气反应中，结果显示有效地降低了煤基材料的气化温度，改善了煤基材料的气化效率，另外，在相同的时间内，利用本专利技术提供的制备技术，甲烷的生成量高于通常浸渍法制备出催化剂上的甲烷量。这有利于简化后段工序的SNG过程，因此这在一定程度上满足了人们对煤炭资源的清洁高效利用的需求，加快了我国煤催化气化制天然气技术的工业应用的步伐。具体实施方式以下通过具体实施例，对本专利技术方法加以详细描述，但是实施例仅用于说明本专利技术而不构成对本专利技术范围的限制。实施例1称取1.0gPEG和2.3gKHP，溶解于30mL去离子水中，搅拌完全溶解后，加入3.0g烟煤，50℃加热搅拌至混合均匀，转至烘箱进行干燥，研磨过筛，标记为Sample1，备用。该催化剂上碳转化率随时间的变化曲线和CH4累积析出量分别见表1。实施例2称取1.0gPEG、0.2gSDBS和2.3gKHP，溶解于30mL去离子水中，搅拌完全溶解后，加入3.0g烟煤，50℃加热搅拌至混合均匀，转至烘箱进行干燥，研磨过筛，标记为Sample2，备用。该催化剂上碳转化率随时间的变化曲线和CH4累积析出量分别见表1。实施例3称取5.0gPEG和2.3gKHP，溶解于30mL去离子水中，搅拌完全溶解后，加入3.0g烟煤，50℃加热搅拌至混合均匀，转至烘箱进行干燥，研磨过筛，标记为Sample3，备用。该催化剂上碳转化率随时间的变化曲线和CH4累积析出量分别见表1。实施例4称取5.0gPEG、0.2gSDBS和2.3gKHP，溶解于30mL去离子水中，搅拌完全溶解后，加入3.0g烟煤，50℃加热搅拌至混合均匀，转至烘箱进行干燥，研磨过筛，标记为Sample4，备用。该催化剂上碳转化率随时间的变化曲线和CH4累积析出量分别见表1。实施例5称取0.2gSDBS和2.3gKHP，溶解于30mL去离子水中，搅拌完全溶解后，加入3.0g烟煤，50℃加热搅拌至混合均匀，转至烘箱进行干燥，研磨过筛，标记为Sample5，备用。该催化剂上碳转化率随时间的变化曲线和CH4累积析出量分别见表1。实施例6称取1.0gPEG和1.1gNa2CO3，溶解于30mL去离子水中，搅拌完全溶解后，加入3.0g烟煤，50℃加热搅拌至混合均匀，转至烘箱进行干燥，研磨过筛，标记为Sample6，备用。该催化剂本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种煤制天然气催化剂，其特征在于所述催化剂的前驱体为碱金属盐，催化剂有效组分在煤基材料上呈原子级分布，催化剂与煤基材料之间有强相互作用力形成混合物，该混合物的粒径为60目‑100目，活性组分的担载量为金属质量与碳基材料质量比，担载量为6%‑30%。

【技术特征摘要】
1.一种煤制天然气催化剂，其特征在于所述催化剂的前驱体为碱金属盐，催化剂有效组分在煤基材料上呈原子级分布，催化剂与煤基材料之间有强相互作用力形成混合物，该混合物的粒径为60目-100目，活性组分的担载量为金属质量与碳基材料质量比，担载量为6%-30%。2.一种如权利要求1所述催化剂的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤，将可溶性的碱金属盐、表面活性剂溶于水中，搅拌使其溶解，然后再将煤基材料加入到上述溶液中，充分搅拌使其混合均匀，将有效组分担载于煤基材料上，得到催化剂与煤基材料的混合物，通过离心、洗涤和干燥等过程，压片后破碎过筛制得。3.根据权利要求1所述催化剂，其特征在于所述活性组分...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱爱玲，刘俊，朱立忠，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司，南化集团研究院，
类型：发明
国别省市：江苏;32