高导热钴基催化剂构建及其固定床费托合成反应行为研究

Cobalt-based Fischer-Tropsch Synthesis with fixed bed reactor as an important route for clean coal utilization is paid more and more attention, and catalyst preparation and its engineering application is the focus of the study. There is a huge difference between the performance of the catalyst and its engineering application. The main reason is that the thermal conductivity of catalyst materials and the inner-diffusion of reactants, which influence on the selectivity of products and the reactor efficiency. The thermal conductivity of catalyst carrier determines the heat transfer properties of the catalysts. The materials with high thermal conductivity used in catalyst preparation for the Fischer-Tropsch synthesis has been widely studied. The main issue of high thermal conductivity materials is cheap preparation. In this task aluminum powder innovatively using as catalyst carrier, its basic properties has been changed by surface oxidation and alkali etching, which make metal powder suited for catalyst carrier. A series of model catalysts with different thermal conductivities were prepared to study the influence of heat conduction performance on its performance in Fischer-Tropsch synthesis. Model reactor under near industrial conditions and mathematical modele stablishment of reaction in the axial heat transfer and radial heat transfer, establishing more accurate contact between the catalyst and the catalyst evaluation of thermal performance, provide direct means for the study of catalyst development and industrial application. Research and development of low-cost high thermal conductivity metal carrier for fixed-bed catalyst in Fischer-Tropsch synthesis will provide new research ideas.

钴基固定床费托合成技术作为煤炭清洁利用中重要的路线受到越来越多的关注，高效、高选择性、操作安全的催化剂开发及其工程化应用技术是研究的重点。催化剂自身导热性能对产物选择性、反应器效率产生重要影响。催化剂载体导热性决定了催化剂床层的传热能力，高导热材料在费托合成中的应用得到广泛研究。本课题从研究性能优异的碳化硅载体和高导热载体廉价化制备两方面入手，以表面高温氧化与碱液刻蚀等手段使金属铝粉或铝镁合金粉形成核壳结构，通过壳层组成的变化或壳层表面改性，改善催化剂本征反应性能；通过壳层厚度控制获得导热系数不同的模型催化剂，采用近工业化条件的模式反应器，建立反应过程中轴向传热与径向传热的数学模型，深入研究催化剂导热性能与费托合成本征反应以及宏观反应行为的关系。从而实现廉价化高导热金属基载体的构建，高导热高效催化剂及其反应行为的研究将为固定床费托合成催化剂开拓新的研究思路。

“双碳”背景下煤炭间接液化技术具有极其重要的应用前景和研究价值，钴基固定床费托合成路线受到越来越多的关注，高效催化剂开发及其工程化应用技术是研究的重点。从反应工程角度讲，钴基费托合成技术适合生产以蜡为主的重质烃，也更适合采用固定床反应器，但由此带来的传热问题一直是这一技术规模化应用的障碍。催化剂自身导热性能对产物选择性、反应器效率产生重要影响。对于催化剂而言，使用高导热性钴基催化剂可以有效地提高催化剂床层传热效率,开发新型高导热性载体材料具有重要的学术研究意义和工业应用价值。此外，部分研究认为催化剂表面反应热的传递与载体导热性质密切相关，载体导热性质不同会影响催化剂表面温度分布，进而影响催化剂FTS本征反应行为。.本课题从研究性能优异的碳化硅载体本征反应行为和高导热载体廉价化制备两方面入手，回答高导热催化剂所面临的基础科学问题，并尝试进行相关催化材料的工业化制备技术研究。本工作主要包括以下内容：（1）载体导热性质对钴基催化剂本征FTS反应行为的影响；（2）以表面高温氧化与碱液刻蚀等手段使金属铝粉或铝镁合金粉形成核壳结构，通过壳层组成的变化或壳层表面改性，改善催化剂本征反应性能；（3）铝基高导热性催化剂宏观传热和宏观FTS反应行为。通过壳层厚度控制获得导热系数不同的模型催化剂，采用近工业化条件的模式反应器，建立反应过程中轴向传热与径向传热的数学模型，深入研究催化剂导热性能与费托合成本征反应以及宏观反应行为的关系。.本工作围绕载体导热性能对催化剂FT反应性能和传热行为的影响，以及新型高导热性载体材料的制备这两个核心问题进行研究。从实验的角度证实载体导热性能会通过影响催化剂表面热微环境来改变钴基催化剂本征FTS反应行为；利用金属铝粉制备了实用的MIM结构催化剂，其可以在低温下实现高的FTS反应活性，可以替代碳化硅作为新型高导热性载体，为新型高导热催化剂的开发提供了技术支撑。