煤加氢气化制天然气技术具有工艺路径短、热效率高等优点,其应用基础研究备受关注.但煤中存在部分致密的芳香碳结构,加氢反应性较差,即使在苛刻的反应条件下(～1 000℃、～7 MPa H2),仍难以转化.通过引入催化剂,进行煤催化加氢气化可在温和的反应条件下实现煤的碳转化率和CH4收率的同步提高.论述了碱金属(K、Na等)、碱土金属(Ca)和过渡金属(Fe、Co、Ni等)催化剂对模型碳加氢气化的催化作用原理.探讨了反应温度、氢气压力、和碳结构对C-H2催化反应的影响规律,分析了适用于原煤催化加氢气化的最佳催化剂及工艺条件,并从CH4和轻质液体焦油等产物生成规律、煤中碳结构随着反应进行的衍变过程等角度,讨论了催化剂分别对煤加氢热解和热解半焦加氢气化的催化作用行为.提出了煤催化加氢气化联产CH4和轻质液体焦油技术从基础走向应用的进一步研究建议.现有研究结果表明,过渡金属与碱土金属组成的二元催化剂(Fe/Co/Ni-Ca)对煤加氢气化的活性较高.过渡金属元素在反应过程中主要提供C-H2反应所需的活性氢,并削弱C-C键的键能;碱土金属元素Ca主要促进Fe/Co/Ni的分散,防止其发生硫中毒失活,并增强Fe/Co/Ni与碳之间的相互作用.温度升高一方面为化学键断裂过程提供了更高能量,加速C-H2反应,另一方面促进催化剂在煤结构中扩散,提升催化剂的供氢和断键效率.升高压力促进了活性氢的供应,同时CH4浓度得到稀释,反应向生成CH4的方向移动.以5％ Co-1％ Ca为催化剂,在850℃、3 MPa H2反应条件下,30 min内可同时达到90.0％的碳转化率和77.3％的CH4收率.Co-Ca催化剂在煤加氢热解过程中具有催化解聚和催化加氢的作用,提高焦油和CH4收率,同时催化剂在煤加氢热解过程中对煤结构产生催化活化作用,使得生成的半焦具有较高的气化活性.煤催化加氢气化的机理研究目前仍处于推测阶段,另外,该技术气化剂、煤种的适应性,催化剂循环利用性能有待进一步阐明.
煤 催化加氢气化 甲烷 轻质液体焦油 碳结构