试析天然气蒸汽转化催化剂的使用和改进

张芳丽

摘 要：从天然气蒸汽催化剂的使用现状入手，提出了天然气蒸汽催化剂的改进方法，期望此次研究能够对提高转化催化剂在高温下的活性有所帮助，这对于在整个反应过程中降低能耗具有非常重要的现实意义。

关键词：天然气；催化剂；能耗；活性

中图分类号：TQ116.2 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）04-0153-02

1 天然气蒸汽催化剂的使用现状分析

通过大量的调查后发现，现阶段，国内外的一段转化催化剂普遍以Ni作为活性组分，NiO的含量基本都在12%～14%之间。有关报道称，英国帝国化学工业集团（ICI）研制开发的PALL环负载NiO含量仅为2.7%，但其活性却与目前工业中使用的一段转化催化剂相当，由此可见，通过相应的技术工艺能够有效地降低Ni的用量。铝酸盐和三氧化二铝是一段转化催化剂的两大主要载体，近年来，随着工业生产对载体耐压和强度要求的不断提高，铝酸盐作为载体的应用随之不断减少，而三氧化二铝作为载体的应用却在不断增多，这主要是因为人们在还原和使用铝酸盐的过程中，其中的氢、一氧化碳和二氧化碳的存在会对氧化钙造成一定程度的破坏，由此便出现了添加TiO2的铝酸钙载体，比较典型的产品有UCI公司推出的C11-1系列催化剂。除此之外，也有部分以尖晶石被作为载体的一段转化催化剂，如R-67系列等。

目前，由ICI和托普索两大公司研制开发出来的低水碳比节能型天然气转化催化剂在实际中的应用较多，其中较具代表性的有ICI46-9和RKS-6等。此类催化剂全部都是以镍作为主要的活性组分，其技术特点是在载体当中加入了碱性助剂，从而进一步提高了催化剂的抗积碳性能。在以天然气为原料的大型合成氨装置中，此类催化剂的应用使得一段转化水碳比降至2.5～2.7之间，综合能耗也大幅度降低，符合节能环保的生产要求。

在国内，齐鲁石化公司研究院在研制开发低水碳比节能型天然气转化催化剂方面取得了一定的进展，其以α-Al2O3为载体，并以稀土氧化剂和钾碱作为助剂研制出了Z416催化剂，同时完成了500 h的加压运转评价。结果显示，当水碳比为2.0、碳空速为6 000 h-1、出口温度为800 ℃时，尾气当中的甲烷含量仅为16%～18%. 该催化剂的综合性能要远远优于ICI公司推出的ICI46-9催化剂。

2 天然气蒸汽催化剂的改进方法

2.1 天然气蒸汽转化催化剂的反应机理

虽然早在20世纪30年代，相关专家就已经开始对天然气蒸汽转化催化剂的反应机理进行了研究，但是，时至今日却仍旧没有形成统一的认识。目前，被业界普遍接受和认可的理论主要有以下两个方面。

甲烷扩散至Ni催化剂的表面，并经过脱氢之后生成活性碳和H2，随后，生成的活性碳与水发生反应并生成CO，CO2和H2，再经过变换反应之后，生成的CO，CO2和H2全部从催化剂表面脱离，并扩散至反应器当中。该机理的具体反应过程如图1所示。

在催化剂的表面上，甲烷与水蒸气会先解离成为原子态氧和CH2O，与此同时，在催化剂表面的吸附和相互作用下，便会直接生成CO，CO2和H2，其反应机理如图2所示。

通过对反应机理（2）进行研究分析后，得出如下结论：镍催化剂对甲烷与水蒸气这两类反应物具有吸附和脱氢的能力，并且能够加快反应速度。如果催化剂表面镍的能量均匀的话，那么，甲烷吸附于解离反应的速率可达到最慢程度，所以，其可作为整个反应过程的控速环节，也就是说，甲烷蒸汽转化反应速率与甲烷的浓度有关。由于甲烷蒸汽转化属于可逆的强吸热反应过程，所以，通过提高温度能够达到降低反应气体中甲烷含量的目的。由此可知，甲烷作为原料气需要消耗所需的天然气，并且在升温过程中还需要燃烧掉一部分天然气。

2.2 天然气蒸汽催化剂的改进方法

通过查阅大量的文献后得知，天然气蒸汽催化剂的孔结构对其活性、选择性、强度和内表面利用率等多个方面均有不同程度的影响。鉴于此，本文通过微孔成孔剂、大孔扩孔剂对天然气蒸汽转化催化剂的孔结构进行了改进，最终目的是为了增加催化剂本身的比表面，以此来提供更多的反应场所。同时，还能进一步使孔容增大，有利于降低扩散阻力。

2.2.1 加入扩孔剂以改善催化剂的性能

在转化催化剂的使用中，目前很少有超过1 000 nm的孔，为了达到降低内扩散阻力的目的，可以加入扩孔剂，然后通过试验考察其加入量对催化剂孔结构和性能的影响，最终确定出最佳的扩孔剂含量。经过相关实验得出，扩孔剂的最佳含量为5%.

2.2.2 增加小孔

通过相关实验得出如下结论：在天然气蒸汽转化催化剂中添加微孔成孔剂可增加小孔的比例，能够达到提高催化剂比表面和孔容的目的，并且可以使整个反应过程的速率显著提高，这有利于降低反应过程中的能耗。

3 结束语

综上所述，在不改变转化催化剂外形结构的前提下，通过改变其内部孔结构，可以有效地提高催化剂的反应速率，这在一定程度上降低了反应过程的能耗。实践表明，可以利用微孔成孔剂和大孔扩孔剂对天然气蒸汽转化催化剂的孔结构进行改进，由此获得的催化剂的活性比传统的Z107催化剂提高30%左右。

参考文献

[1]宋若钧，王齐惠.稀土添加剂对镍转化催化剂性能的影响[J].天然气化工，2009（08）.

〔编辑：曹月〕

Abstract： From the current situation to start using natural gas steam catalyst， an improved method of natural gas steam catalyst can expect this study to improve the reforming catalyst at high temperatures helpful activity， which reduces the energy consumption for the entire reaction process with a very important practical significance.

Key words： natural gas； catalyst； energy； activityendprint

摘 要：从天然气蒸汽催化剂的使用现状入手，提出了天然气蒸汽催化剂的改进方法，期望此次研究能够对提高转化催化剂在高温下的活性有所帮助，这对于在整个反应过程中降低能耗具有非常重要的现实意义。

关键词：天然气；催化剂；能耗；活性

中图分类号：TQ116.2 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）04-0153-02

1 天然气蒸汽催化剂的使用现状分析

通过大量的调查后发现，现阶段，国内外的一段转化催化剂普遍以Ni作为活性组分，NiO的含量基本都在12%～14%之间。有关报道称，英国帝国化学工业集团（ICI）研制开发的PALL环负载NiO含量仅为2.7%，但其活性却与目前工业中使用的一段转化催化剂相当，由此可见，通过相应的技术工艺能够有效地降低Ni的用量。铝酸盐和三氧化二铝是一段转化催化剂的两大主要载体，近年来，随着工业生产对载体耐压和强度要求的不断提高，铝酸盐作为载体的应用随之不断减少，而三氧化二铝作为载体的应用却在不断增多，这主要是因为人们在还原和使用铝酸盐的过程中，其中的氢、一氧化碳和二氧化碳的存在会对氧化钙造成一定程度的破坏，由此便出现了添加TiO2的铝酸钙载体，比较典型的产品有UCI公司推出的C11-1系列催化剂。除此之外，也有部分以尖晶石被作为载体的一段转化催化剂，如R-67系列等。

目前，由ICI和托普索两大公司研制开发出来的低水碳比节能型天然气转化催化剂在实际中的应用较多，其中较具代表性的有ICI46-9和RKS-6等。此类催化剂全部都是以镍作为主要的活性组分，其技术特点是在载体当中加入了碱性助剂，从而进一步提高了催化剂的抗积碳性能。在以天然气为原料的大型合成氨装置中，此类催化剂的应用使得一段转化水碳比降至2.5～2.7之间，综合能耗也大幅度降低，符合节能环保的生产要求。

在国内，齐鲁石化公司研究院在研制开发低水碳比节能型天然气转化催化剂方面取得了一定的进展，其以α-Al2O3为载体，并以稀土氧化剂和钾碱作为助剂研制出了Z416催化剂，同时完成了500 h的加压运转评价。结果显示，当水碳比为2.0、碳空速为6 000 h-1、出口温度为800 ℃时，尾气当中的甲烷含量仅为16%～18%. 该催化剂的综合性能要远远优于ICI公司推出的ICI46-9催化剂。

2 天然气蒸汽催化剂的改进方法

2.1 天然气蒸汽转化催化剂的反应机理

虽然早在20世纪30年代，相关专家就已经开始对天然气蒸汽转化催化剂的反应机理进行了研究，但是，时至今日却仍旧没有形成统一的认识。目前，被业界普遍接受和认可的理论主要有以下两个方面。

甲烷扩散至Ni催化剂的表面，并经过脱氢之后生成活性碳和H2，随后，生成的活性碳与水发生反应并生成CO，CO2和H2，再经过变换反应之后，生成的CO，CO2和H2全部从催化剂表面脱离，并扩散至反应器当中。该机理的具体反应过程如图1所示。

在催化剂的表面上，甲烷与水蒸气会先解离成为原子态氧和CH2O，与此同时，在催化剂表面的吸附和相互作用下，便会直接生成CO，CO2和H2，其反应机理如图2所示。

通过对反应机理（2）进行研究分析后，得出如下结论：镍催化剂对甲烷与水蒸气这两类反应物具有吸附和脱氢的能力，并且能够加快反应速度。如果催化剂表面镍的能量均匀的话，那么，甲烷吸附于解离反应的速率可达到最慢程度，所以，其可作为整个反应过程的控速环节，也就是说，甲烷蒸汽转化反应速率与甲烷的浓度有关。由于甲烷蒸汽转化属于可逆的强吸热反应过程，所以，通过提高温度能够达到降低反应气体中甲烷含量的目的。由此可知，甲烷作为原料气需要消耗所需的天然气，并且在升温过程中还需要燃烧掉一部分天然气。

2.2 天然气蒸汽催化剂的改进方法

通过查阅大量的文献后得知，天然气蒸汽催化剂的孔结构对其活性、选择性、强度和内表面利用率等多个方面均有不同程度的影响。鉴于此，本文通过微孔成孔剂、大孔扩孔剂对天然气蒸汽转化催化剂的孔结构进行了改进，最终目的是为了增加催化剂本身的比表面，以此来提供更多的反应场所。同时，还能进一步使孔容增大，有利于降低扩散阻力。

2.2.1 加入扩孔剂以改善催化剂的性能

在转化催化剂的使用中，目前很少有超过1 000 nm的孔，为了达到降低内扩散阻力的目的，可以加入扩孔剂，然后通过试验考察其加入量对催化剂孔结构和性能的影响，最终确定出最佳的扩孔剂含量。经过相关实验得出，扩孔剂的最佳含量为5%.

2.2.2 增加小孔

通过相关实验得出如下结论：在天然气蒸汽转化催化剂中添加微孔成孔剂可增加小孔的比例，能够达到提高催化剂比表面和孔容的目的，并且可以使整个反应过程的速率显著提高，这有利于降低反应过程中的能耗。

3 结束语

综上所述，在不改变转化催化剂外形结构的前提下，通过改变其内部孔结构，可以有效地提高催化剂的反应速率，这在一定程度上降低了反应过程的能耗。实践表明，可以利用微孔成孔剂和大孔扩孔剂对天然气蒸汽转化催化剂的孔结构进行改进，由此获得的催化剂的活性比传统的Z107催化剂提高30%左右。

参考文献

[1]宋若钧，王齐惠.稀土添加剂对镍转化催化剂性能的影响[J].天然气化工，2009（08）.

〔编辑：曹月〕

Abstract： From the current situation to start using natural gas steam catalyst， an improved method of natural gas steam catalyst can expect this study to improve the reforming catalyst at high temperatures helpful activity， which reduces the energy consumption for the entire reaction process with a very important practical significance.

Key words： natural gas； catalyst； energy； activityendprint

摘 要：从天然气蒸汽催化剂的使用现状入手，提出了天然气蒸汽催化剂的改进方法，期望此次研究能够对提高转化催化剂在高温下的活性有所帮助，这对于在整个反应过程中降低能耗具有非常重要的现实意义。

关键词：天然气；催化剂；能耗；活性

中图分类号：TQ116.2 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）04-0153-02

1 天然气蒸汽催化剂的使用现状分析

通过大量的调查后发现，现阶段，国内外的一段转化催化剂普遍以Ni作为活性组分，NiO的含量基本都在12%～14%之间。有关报道称，英国帝国化学工业集团（ICI）研制开发的PALL环负载NiO含量仅为2.7%，但其活性却与目前工业中使用的一段转化催化剂相当，由此可见，通过相应的技术工艺能够有效地降低Ni的用量。铝酸盐和三氧化二铝是一段转化催化剂的两大主要载体，近年来，随着工业生产对载体耐压和强度要求的不断提高，铝酸盐作为载体的应用随之不断减少，而三氧化二铝作为载体的应用却在不断增多，这主要是因为人们在还原和使用铝酸盐的过程中，其中的氢、一氧化碳和二氧化碳的存在会对氧化钙造成一定程度的破坏，由此便出现了添加TiO2的铝酸钙载体，比较典型的产品有UCI公司推出的C11-1系列催化剂。除此之外，也有部分以尖晶石被作为载体的一段转化催化剂，如R-67系列等。

目前，由ICI和托普索两大公司研制开发出来的低水碳比节能型天然气转化催化剂在实际中的应用较多，其中较具代表性的有ICI46-9和RKS-6等。此类催化剂全部都是以镍作为主要的活性组分，其技术特点是在载体当中加入了碱性助剂，从而进一步提高了催化剂的抗积碳性能。在以天然气为原料的大型合成氨装置中，此类催化剂的应用使得一段转化水碳比降至2.5～2.7之间，综合能耗也大幅度降低，符合节能环保的生产要求。

在国内，齐鲁石化公司研究院在研制开发低水碳比节能型天然气转化催化剂方面取得了一定的进展，其以α-Al2O3为载体，并以稀土氧化剂和钾碱作为助剂研制出了Z416催化剂，同时完成了500 h的加压运转评价。结果显示，当水碳比为2.0、碳空速为6 000 h-1、出口温度为800 ℃时，尾气当中的甲烷含量仅为16%～18%. 该催化剂的综合性能要远远优于ICI公司推出的ICI46-9催化剂。

2 天然气蒸汽催化剂的改进方法

2.1 天然气蒸汽转化催化剂的反应机理

虽然早在20世纪30年代，相关专家就已经开始对天然气蒸汽转化催化剂的反应机理进行了研究，但是，时至今日却仍旧没有形成统一的认识。目前，被业界普遍接受和认可的理论主要有以下两个方面。

甲烷扩散至Ni催化剂的表面，并经过脱氢之后生成活性碳和H2，随后，生成的活性碳与水发生反应并生成CO，CO2和H2，再经过变换反应之后，生成的CO，CO2和H2全部从催化剂表面脱离，并扩散至反应器当中。该机理的具体反应过程如图1所示。

在催化剂的表面上，甲烷与水蒸气会先解离成为原子态氧和CH2O，与此同时，在催化剂表面的吸附和相互作用下，便会直接生成CO，CO2和H2，其反应机理如图2所示。

通过对反应机理（2）进行研究分析后，得出如下结论：镍催化剂对甲烷与水蒸气这两类反应物具有吸附和脱氢的能力，并且能够加快反应速度。如果催化剂表面镍的能量均匀的话，那么，甲烷吸附于解离反应的速率可达到最慢程度，所以，其可作为整个反应过程的控速环节，也就是说，甲烷蒸汽转化反应速率与甲烷的浓度有关。由于甲烷蒸汽转化属于可逆的强吸热反应过程，所以，通过提高温度能够达到降低反应气体中甲烷含量的目的。由此可知，甲烷作为原料气需要消耗所需的天然气，并且在升温过程中还需要燃烧掉一部分天然气。

2.2 天然气蒸汽催化剂的改进方法

通过查阅大量的文献后得知，天然气蒸汽催化剂的孔结构对其活性、选择性、强度和内表面利用率等多个方面均有不同程度的影响。鉴于此，本文通过微孔成孔剂、大孔扩孔剂对天然气蒸汽转化催化剂的孔结构进行了改进，最终目的是为了增加催化剂本身的比表面，以此来提供更多的反应场所。同时，还能进一步使孔容增大，有利于降低扩散阻力。

2.2.1 加入扩孔剂以改善催化剂的性能

在转化催化剂的使用中，目前很少有超过1 000 nm的孔，为了达到降低内扩散阻力的目的，可以加入扩孔剂，然后通过试验考察其加入量对催化剂孔结构和性能的影响，最终确定出最佳的扩孔剂含量。经过相关实验得出，扩孔剂的最佳含量为5%.

2.2.2 增加小孔

通过相关实验得出如下结论：在天然气蒸汽转化催化剂中添加微孔成孔剂可增加小孔的比例，能够达到提高催化剂比表面和孔容的目的，并且可以使整个反应过程的速率显著提高，这有利于降低反应过程中的能耗。

3 结束语

综上所述，在不改变转化催化剂外形结构的前提下，通过改变其内部孔结构，可以有效地提高催化剂的反应速率，这在一定程度上降低了反应过程的能耗。实践表明，可以利用微孔成孔剂和大孔扩孔剂对天然气蒸汽转化催化剂的孔结构进行改进，由此获得的催化剂的活性比传统的Z107催化剂提高30%左右。

参考文献

[1]宋若钧，王齐惠.稀土添加剂对镍转化催化剂性能的影响[J].天然气化工，2009（08）.

〔编辑：曹月〕

Abstract： From the current situation to start using natural gas steam catalyst， an improved method of natural gas steam catalyst can expect this study to improve the reforming catalyst at high temperatures helpful activity， which reduces the energy consumption for the entire reaction process with a very important practical significance.

Key words： natural gas； catalyst； energy； activityendprint