活性炭在催化炼钢厂气体甲烷化的作用

　　综合钢厂是当今全球二氧化碳排放的主要来源。因此，钢铁行业正在研究利用这些气体作为产品合成碳源的解决方案，以减少释放到环境中的二氧化碳量。另外一种可能性是通过转化和甲烷化合成天然气，用催化剂加上CuO涂层活性炭的额外气体清洁步骤来进行气体甲烷化。

　　甲烷化实验室测试装置

　　本文中介绍的实验是使用左侧图1中所示的实验室规模的甲烷化试验台进行的。该装置由三个圆柱形反应器组成，每个反应器由奥氏体不锈钢制成，高度为300毫米，内径为80毫米。反应器串联连接，但也可以单独运行。在底部，每个反应器都装有100毫米高的粗陶球，以确保均匀分布的气流通过位于惰性材料顶部的催化剂部分。使用的催化剂是或者是Ni基体相催化剂或Ni/勃姆石洗涂的陶瓷蜂窝体。对于整个工作中显示的实验结果，仅使用本体催化剂。朝向反应器顶部的剩余体积再次充满相同的惰性球。

　　图1：实验室规模的甲烷化试验台(左)，反应器和热交换器(右)。

　　一旦进行了实验，就评估了在第一个反应器内重新激活催化剂的可能性。因此，反应器用纯氢气吹扫4小时保持恒定反应器压力和高于260℃的温度。之后的确认实验表明该催化剂的甲烷化合成性能没有显着改善。因此，整个甲烷化试验台都充满了N2以清洁管道和反应器。然后，用压缩空气使催化剂失活并从反应器中取出。在扫描电子显微镜(SEM)中分析第一个反应器内的催化剂球样品，并与新催化剂样品进行比较(图2)。仅通过视觉比较两个样品，就可以注意到表面结构和形态的明显变化。用过的催化剂(右)的表面不再显示新鲜催化剂的晶体结构(左)。用合成钢厂气体甲烷化96小时后用过的催化剂球的SEM参考分析表明，表面结构与新鲜催化剂之一相匹配，而不是与真实气体实验相匹配，这与观察结果密切相关在这些实验中检测到的整体性能显着下降。由于第一个反应器中的甲烷化温度高(高达600℃)，热烧结当然是一种需要解决的催化剂失活方法。同样，使用合成钢厂气体和无毒物的实验在实验过程中没有显示任何催化剂性能下降的迹象，尽管测量到的最大反应器温度处于相似水平。与真实的气体实验相比，除了催化剂毒物的存在之外，没有其他参数发生变化。因此，这种退化可以清楚地归因于它们在实际气体中的存在。

　　图2：新(左)和旧(右)块状催化剂球的SEM图片。

　　活性炭过滤器的实施

　　根据直接使用瓶装真实气体所获得的结果，包括列出的催化剂毒物，这会导致催化剂快速降解，因此在第一个反应器的上游安装了活性炭过滤器。为此，将金属氧化物浸渍的活性炭颗粒添加到气体混合站。这些颗粒专门开发用于从缺氧气流(例如CO2、N2、CO和H2)中去除硫化氢、有机硫醇、二氧化硫、硫化羰和氮氧化物。它们的铜含量为7%(以CuO计)，直径为3mm，长度为7mm(图3)。将总共约300毫升的这些颗粒活性炭加入气体混合站。

　　图3：带有氧化铜涂层的活性炭颗粒。

　　除了采用基于活性炭的过滤器外，还向反应器中添加了新的镍基催化剂。此外，更换了管道和配件以确保工厂内没有催化剂毒物。为了测试使用活性炭实施的气体净化阶段的功能，在基础案例操作参数下，一开始只使用了一个反应器。做出这一决定是为了在活性炭溶液出现故障的情况下，尽可能地限制工厂组件暴露于真实的高炉煤气。

　　活活性炭在催化炼钢厂气体甲烷化的作用，作为一种工作解决方案，采用了涂有氧化铜的活性炭过滤器，这表明在将已经净化的钢厂气体送入催化甲烷化工厂之前，必须对其进行进一步预处理。活性炭过滤器就位后，可以在没有任何明显降解的情况下进行甲烷化实验，直到活性炭吸附剂完全装载催化剂毒物。对于综合钢厂中基于实际应用的场景，目标是用工厂内部通过甲烷化生产的合成天然气替代任何外部天然气的需求，通过实验室规模的实验获得的数据将导致需要每小时运行约2.5吨活性炭吸附剂和88千克催化剂的失活。在解决了碳排放后还能继续资源回用，这种方案是比较划算的。