一种利用煤炭或生物质气化制备多孔炭负载金属催化剂的方法技术

一种利用煤炭或生物质气化制备多孔炭负载金属催化剂的方法，将煤炭或生物质原料磨碎，得到碳基原料颗粒；将催化剂主成分的前驱体与碳基原料颗粒混合均匀，然后进行预热处理，使其形成半焦负载金属氧化物；以半焦负载金属氧化物作为气化反应的物料，在反应器中进行气化反应；将步骤三反应后的余渣置于惰性气体保护下冷却至100℃以下，得到多孔炭负载金属催化剂。利用煤炭或生物质中温气化反应的产物为富氢气体和多孔炭、金属氧化物可促进煤炭或生物质的催化气化的技术要素，实现了利用煤炭或生物质气化反应的过程参数来调控催化剂制备过程的目的，开发出了金属催化剂原位负载于多孔炭上并可原位还原的新型工艺技术。

A method of preparing porous carbon supported metal catalyst by coal or biomass gasification

A method for preparation of porous carbon supported metal catalyst by using coal or biomass gasification system, the ground coal or biomass, carbon based feedstock particles; the catalyst component precursor and carbon based materials particle mixing, then preheating, the formation of semi coke supported metal oxide; semi coke load material metal oxides as gasification, gasification in a reactor; the residue under the protection of inert gas reaction under step three after cooling to 100 DEG, obtained porous carbon supported metal catalyst. The product of coal or biomass gasification reaction temperature for hydrogen rich gas and porous carbon, metal oxide can promote the technical elements of catalytic gasification of coal or biomass, the process parameters by using coal or biomass gasification reaction to control the catalyst preparation process, developed in situ metal catalysts supported on porous carbon and new technology in situ reduction.

【技术实现步骤摘要】
一种利用煤炭或生物质气化制备多孔炭负载金属催化剂的方法
本专利技术属于能源化工领域，具体涉及一种利用煤炭或生物质气化制备多孔炭负载金属催化剂的方法。
技术介绍
据统计，90％以上的工业过程都会使用催化剂，如化工、石化、生化、环保等。而催化剂的制备方法对催化剂的催化活性和稳定性具有重要影响。其中，沉淀法和浸渍法是两种非常成熟且常用的催化剂制备方法。沉淀法通常是在一种或多种金属盐溶液中加入沉淀剂(如碳酸钠、氢氧化钠)，经沉淀、洗涤、过滤、干燥、成型、焙烧、活化后，即可得到最终催化剂产品。此法一般用于制造分散度高并含有一种或多种金属的催化剂，在制造多组分催化剂时，适宜的沉淀条件对于保证产物组成的均匀性和制造优质催化剂非常重要。浸渍法通常将载体放进含有活性物质的液体中浸渍，制备负载型催化剂最常用的方法。浸渍法的一般步骤如下：将载体浸泡在含有活性组分的可溶性化合物溶液中，接触一定的时间后(除去过剩的溶液)，再经干燥、焙烧和活化处理，即可制得相应的催化剂。此外，现已报道的催化剂制备方法还有混合法、热熔融法、离子交换法、喷涂法等。然而，鲜有利用煤炭或生物质气化制备多孔炭负载金属催化剂的方法方面的研究或报道。
技术实现思路
基于煤炭或生物质中温气化反应的产物为富氢气体和多孔炭(ChemicalPapers,2017,https://doi.org/10.1007/s11696-017-0278-5)、金属氧化物(如NiO、Fe2O3等)可促进煤炭或生物质的催化气化的出发点，本专利技术提出了一种利用煤炭或生物质气化制备多孔炭负载金属催化剂的方法，实现了利用煤炭或生物质气化反应的过程参数(如气化反应的温度、压力、水蒸汽进料量、反应时间等)来调控催化剂制备过程的目的，开发出了金属催化剂原位负载、原位还原的新型工艺技术。本专利技术设计简单、投资成本低，便于工业化应用。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种利用煤炭或生物质气化制备多孔炭负载金属催化剂的方法，包括以下步骤：步骤一、煤炭或生物质原料的预处理：将煤炭或生物质原料磨碎，得到碳基原料颗粒；步骤二、催化剂成分的预备：按照1:(1～50)的质量比，分别称量催化剂主成分的前驱体和碳基原料颗粒，并将催化剂主成分的前驱体与碳基原料颗粒混合均匀，然后进行预热处理，使其形成半焦负载金属氧化物；步骤三、气化反应过程的调控：以半焦负载金属氧化物作为气化反应的物料，在反应器中进行气化反应；步骤四、催化剂产品的形成：将步骤三反应后的余渣置于惰性气体保护下冷却至100℃以下，得到多孔炭负载金属催化剂。本专利技术进一步的改进在于，生物质原料为木屑。本专利技术进一步的改进在于，碳基原料颗粒的尺寸为60～200μm。本专利技术进一步的改进在于，催化剂主成分的前驱体为铁、钴、镍、铜、锌、铝、镁中的一种或几种金属的硝酸盐或氯化物。本专利技术进一步的改进在于，采用浸渍法或机械混合法将催化剂主成分的前驱体与碳基原料颗粒混合均匀。本专利技术进一步的改进在于，所述预热处理的条件为：在惰性气体保护气氛下，预热处理的温度为390～600℃，预热处理的时间为30～300min。本专利技术进一步的改进在于，所述气化反应的条件为反应压力为0～3MPa、反应温度为500～800℃、水蒸汽进料量以水碳质量比为(1～3):1，反应器为固定床反应器或流化床反应器，反应时间为30～300min。本专利技术进一步的改进在于，所述惰性气体为氮气、氦气、氩气中的一种或几种。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：(1)本专利技术利用煤炭或生物质中温气化反应的产物为富氢气体和多孔炭、金属氧化物(如NiO、Fe2O3等)可促进煤炭或生物质的催化气化的技术要素，实现了利用煤炭或生物质气化反应的过程参数(如气化反应的温度、压力、水蒸汽进料量、反应时间等)来调控催化剂制备过程的目的，开发出了金属催化剂原位负载于多孔炭上并可原位还原的新型工艺技术。本专利技术有效结合了煤炭或生物质气化反应和催化剂制备两种工艺技术，不仅在催化剂制备过程中促进了煤炭或生物质的气化反应，而且还可以原位利用煤炭或生物质气化反应过程中产生的富氢气氛(用于金属氧化物的原位还原)和多孔炭(用于金属催化剂的载体，可实现金属成分的原位负载)。(2)相对于传统的催化剂制备方法，本专利技术所提供的技术手段无需额外的焙烧和氢气还原操作，而直接在煤炭或生物质气化反应过程中完成相关操作并实现相应性能。(3)本专利技术所提供的技术手段有助于实现煤炭或生物质气化反应工艺(产生多孔炭负载金属的催化剂或实现失活后催化剂的再生)和其它工艺过程(可利用多孔炭负载金属的催化剂)的串联或多联产，构建催化剂的“制备-使用-制备(失活后的再生)-使用”长周期循环使用，从而实现规模效益、节约成本。(4)本专利技术拓展了催化剂的制备途径，对新型催化剂的设计与合成具有重要的指导作用。附图说明图1是实施例1～4中木屑半焦负载的氧化镍前后的气化反应产氢速率图。图2是实施例3中制备样品时硝酸镍和木屑颗粒的质量比为1:12.5时气化反应的出口气体组成。图3是实施例1～4中气化反应过程中木屑半焦的气化损失率。图4是实施例3～4中得到的多孔炭负载金属镍催化剂粗产品的XRD图像。图5是实施例1～4中得到的多孔炭负载金属镍的催化剂在催化甲烷裂解反应中的反应性能图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术做进一步的详细说明，但不限于下列实施例。本专利技术的一种利用煤炭或生物质气化制备多孔炭负载金属催化剂的方法，包括以下步骤：步骤一、煤炭或生物质原料的预处理：将煤炭或生物质原料预先干燥后，磨碎并筛分至尺寸为60～200μm，得到碳基原料颗粒；其中，生物质原料为木屑。催化剂成分的预备：按照1:(1～50)的质量比，分别称量催化剂主成分的前驱体和碳基原料颗粒，并采用浸渍法或机械混合法将催化剂主成分的前驱体与碳基原料颗粒混合均匀，然后进行预热处理，使其形成半焦负载金属氧化物；其中，催化剂主成分的前驱体为铁、钴、镍、铜、锌、铝、镁中的一种或几种金属的硝酸盐或氯化物，即催化剂主成分的前驱体为硝酸铁、硝酸钴、硝酸镍、硝酸铜、硝酸锌、硝酸铝、硝酸镁、氯化铁、氯化钴、氯化镍、氯化铜、氯化锌、氯化铝、氯化镁中的一种或几种。预热处理的条件为：在惰性气体保护气氛下，预热处理的温度为390～600℃，预热处理的时间为30～300min。步骤二、气化反应过程的调控：以半焦负载金属氧化物作为气化反应的物料，在反应器内进行气化反应；气化反应的条件为反应压力为0～3MPa、反应温度为500～800℃、水蒸汽进料量以水碳质量比为(1～3):1，反应器为固定床反应器或流化床反应器，反应时间为30～300min。步骤三、催化剂产品的形成：将步骤二反应后的余渣置于惰性气体保护下冷却至100℃以下，得到多孔炭负载金属催化剂的粗产品。其中，惰性气体为氮气、氦气、氩气中的一种或几种。根据实际需要，将所得的多孔炭负载金属催化剂的粗产品进一步成型，得到一定形状和颗粒大小的多孔炭负载金属催化剂。实施例1步骤一、选取木屑作为一种生物质原料，经干燥、磨碎并筛分至尺寸为60～200μm的颗粒，得到碳基原料颗粒(简称为木屑颗粒，工业分析如下：水分含量为9.71％、灰分含量为0.15％、挥发分含量为83.04％、固定碳含量为7.10％)。步骤二、选本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用煤炭或生物质气化制备多孔炭负载金属催化剂的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、煤炭或生物质原料的预处理：将煤炭或生物质原料磨碎，得到碳基原料颗粒；步骤二、催化剂成分的预备：按照1:(1～50)的质量比，分别称量催化剂主成分的前驱体和碳基原料颗粒，并将催化剂主成分的前驱体与碳基原料颗粒混合均匀，然后进行预热处理，使其形成半焦负载金属氧化物；步骤三、气化反应过程的调控：以半焦负载金属氧化物作为气化反应的物料，在反应器中进行气化反应；步骤四、催化剂产品的形成：将步骤三反应后的余渣置于惰性气体保护下冷却至100℃以下，得到多孔炭负载金属催化剂。

【技术特征摘要】
1.一种利用煤炭或生物质气化制备多孔炭负载金属催化剂的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、煤炭或生物质原料的预处理：将煤炭或生物质原料磨碎，得到碳基原料颗粒；步骤二、催化剂成分的预备：按照1:(1～50)的质量比，分别称量催化剂主成分的前驱体和碳基原料颗粒，并将催化剂主成分的前驱体与碳基原料颗粒混合均匀，然后进行预热处理，使其形成半焦负载金属氧化物；步骤三、气化反应过程的调控：以半焦负载金属氧化物作为气化反应的物料，在反应器中进行气化反应；步骤四、催化剂产品的形成：将步骤三反应后的余渣置于惰性气体保护下冷却至100℃以下，得到多孔炭负载金属催化剂。2.根据权利要求1所述的一种利用煤炭或生物质气化制备多孔炭负载金属催化剂的方法，其特征在于，生物质原料为木屑。3.根据权利要求1所述的一种利用煤炭或生物质气化制备多孔炭负载金属催化剂的方法，其特征在于，碳基原料颗粒的尺寸为60～200μm。4.根据权利要求1所述的一种利用煤炭或生物质气化制备多孔炭负载金属催化剂的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：张建波，李星，谢汶町，张国荣，马晓迅，
申请(专利权)人：西北大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61