一步法高效煤制低碳烯烃铁基催化剂及新反应器的研究

现有煤制低碳烯烃主要采取煤气化→甲醇合成→甲醇制烯烃的路线，此路线中的甲醇合成效率低，甲醇制烯烃的温度高催化剂寿命短，因此是高能耗高水耗及高投资的煤制烯烃路线。采用费托合成一步法高效合成低碳烯烃，烯烃的吨产品能耗及水耗将分别是现有煤制烯烃的二分之一和四分之一，可以省略甲醇合成步骤节约数十亿元设备投资。本项目将首次利用超重力费托合成反应器结合高效合成低碳烯烃的铁基催化剂，调控费托合成产物分布，实现费托合成定向生产低碳烯烃。前期实验研究表明，在超重力环境下采用Co基催化剂，费托合成反应的CO单程转化率为40-50%，产物分布明显变窄到C10以下烃类，甲烷选择性低于10%，C2-C4烯烃选择性高于固定床费托合成5倍。因此，本项目将深入研究超重力环境下高效合成低碳烯烃的铁基费托催化剂，研究超重力环境下费托合成的反应机理及调控机制，设计并优化超重力费托合成反应器，为一步法高效煤制烯烃工业化奠定基础。

本项目利用超重力反应器的传质速率较传统反应器提高1～3个数量级的优势，显著提高费托产物传质效率，控制费托合成产物分布抑制烯烃加氢等二次反应发生，实现调控费托合成产物分布。利用乙二醇表面修饰的技术对二氧化硅载体进行了改性，随后用浸渍法在具有不同孔径（5 nm，50 nm，80 nm）和比表面积的载体上固载具有基本相同分散度、还原度及表面电子状态的铁活性组分。通过以上催化剂的性能及物性的对比研究，排除催化剂孔径及铁纳米颗粒间的相互影响，揭示催化剂孔径或铁粒径的单一作用对费托合成反应中低碳烯烃产物的影响。另外，制备了各种组分与配比的沉淀铁基催化材料，有效调控了铁基纳米催化材料的粒径及形貌，成功制备了粒径在10-30纳米的高性能铁基纳米催化材料，并确定了高效生产低碳烯烃的费托合成催化剂的物理化学结构及元素组成。本项目设计优化了用于调变费托合成产物分布的新型结构超重力催化反应器。所设计的反应器可以解决反应放热移出问题，从而精确控制条件，有效调控反应产物的分布。