微波辐照下半焦催化甲烷裂解制氢研究.pdf

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1、第37卷第4期煤炭转化Vo1．37NO．42014年1O月C0ALC0NVERS10N0ct．2O14微波辐照下半焦催化甲烷裂解制氢研究郝瑛轩”刘全润李国亮。张双杰。潘结南摘要以未经任何活化的内蒙古煤热解半焦为催化剂，研究了甲烷在微波加热条件下裂解制氢的反应规律和催化剂失活机理，探讨了半焦的表面结构特征和含氧官能团，分析了反应条件对甲烷催化裂解过程的影响．研究表明，在650℃～850℃之间，内蒙古褐煤半焦是一种很好的甲烷裂解制氢催化剂，在半焦制备温度为850℃，反应温度为850℃，空速为600mL／(

2、h·g)的条件下，半焦催化甲烷裂解的初始转化率最高达到了61．75；升高半焦制备温度和催化反应温度以及降低空速有利于提高甲烷的转化率；半焦催化活性降低的主要原因是表面结构特性的改变和含氧官能团的减少．关键词微波，半焦，甲烷裂解，制氢中图分类号TQ032对甲烷裂解的影响，发现定向改变活性炭的表面孔0引言结构，增加活性炭的比表面积和孔容有利于甲烷的催化转化．近年来，微波加热技术在甲烷裂解转化研甲烷H／C原子比高，来源广泛，是天然气、煤层究领域中得到了应用_9，结果表明炭基材料是很气以及焦炉煤气的主要成分，

3、其催化裂解被认为是好的吸波物质，微波环境能使炭基材料产生“热点”一种不产生cO和CO气体的很有前景的制氢方效应，从而提高其催化活性．因此，本实验以不经任法．It5]由于CH是结构十分稳定的非极性分子，何活化处理的煤热解半焦作为甲烷转化的催化剂，C—H键1i嫡达435kJ／tool，常规加热下1000℃研究半焦制备温度、反应温度、催化时间和空速对甲时CH转化率为4．7_6]，因此需借助活性良好的烷催化转化的影响，并探讨微波环境下煤半焦的催催化剂进行转化．在金属催化剂选择方面主要集中化和失活机理．在贵金属

4、和过渡金属系列，但由于金属催化剂在甲1实验部分烷裂解过程中易积碳失活，并且其价格昂贵，在较高1．1实验原料温度下也存在烧结的缺陷[】]，工业化应用受到很大限制．与金属催化剂相比，炭基材料(如活性炭、炭黑实验用煤来自内蒙古海拉尔盆地陈旗煤田，经和半焦)具有来源广、价格低、耐高温、抗积碳能力强对辊破碎机破碎后，筛取粒径为0．2mm～1mm的以及生成的积碳可以作为一种副产品等优势，作为甲煤样备用．半焦的制备条件为煤样分别在650℃，烷转化的催化剂取得了一定效果．_1_8]Zhangetall2750。C和8

5、50℃的马弗炉中干馏2h，其半焦特性见研究了煤直接液化残渣经KOH活化制备的活性炭表1．实验所用的甲烷气体纯度为99．表1半焦的工业分析和元素分析(％)Table1Proximateandultimateanalysisofsemi—cokes(％)*中国科学院战略性先导科技专项项目(XDA05010304)．1)硕士生，河南理工大学材料科学与工程学院，454000河南焦作；河南中鸿集团煤化有限公司，467000河南平顶山；2)博士、副教授；3)硕士生，河南理工大学材料科学与工程学院，454000河南

6、焦作；4)博士、教授，河南理工大学资源环境学院，454000河南焦作收稿日期：2O13—12—23；修回日期：2Ol4一O3l4第4期郝瑛轩等微波辐照下半焦催化甲烷裂解制氢研究L2实验装置和方法2结果与讨论微波加热系统由美的MM823LA6一NS微波炉(2．45GHz，功率0W～800W可调)改造而成，反2．1试样在微波场中的升温特性应器由内径38mm，高80mm的石英管制成，并垂直置于微波谐振腔中心，为减少肌肤效应、涡流效应微波辐照下催化剂的活性不仅取决于催化剂本和欧姆效应，防止热电偶在微波环境下发

7、生打火现身对反应气体的活化能力，而且取决于催化剂吸收象等对测温带来的不利影响，使用的测温热电偶是微波的性质．图2为不同制备温度的内蒙古褐煤半经过改装的K装热电偶．用导线将热电偶和微波炉焦在微波功率为800W，CH流速为200mL／min体接地，并用铝箔将热电偶导线包裹起来，最大限度时温度随时间的变化曲线．地减小微波对热电偶测温的影响．控温装置采用继电器和数显温度表结合的方式对微波炉进行断电式控温和维持系统恒温．实验装置见图1．图2内蒙古褐煤半焦在微波场中的升温特性Fig．2Temperature—ti

8、meprofileofInnerMongolia图1实验装置lignitesemi—cokeundermicrowaveFig．1Schematicdiagramoftheexperimentinstallation由图2可知，随着半焦制备温度的升高，半焦在1-Temperaturecontroller；2-Conductingwire；3-Thermocouple；4-Groundingconductor；5-MicrowaveoveD；6-Educt