基于动态积/消碳平衡驱动的CH₄干重整催化剂宏观动力学研究

摘要

【目的】过渡金属Ni是甲烷干重整技术催化剂的重要活性组分，但Ni基催化剂在高温下易因积碳和烧结失活。基于本团队提出的积/消碳动态平衡彻底解决甲烷干重整（DRM）催化剂积碳失活的难题。【方法】选用团队研发的高稳定性Ni-Mo/Ce_0.8Zr_0.2/MgAl（O）催化剂（TYUT-HMCZ），通过排除传质/传热干扰的动力学实验（873～1 173 K,CH₄/CO₂分压5～50 kPa），结合幂律模型（P-L）与朗格缪尔-欣谢尔伍德模型（L-H）揭示了其甲烷干重整反应机理与动态积消碳特性。【结果】多元非线性拟合结果表明，P-L模型在全温度范围（R²>0.90）适用性更好，CH₄表观活化能（32.2 kJ/mol）显著高于CO₂（15.1 kJ/mol），证实在特定的考察温度范围内，CH₄裂解为速控步；随温度的升高，CH₄反应级数α₁从0.99降至0.59，积碳风险增加，CO₂级数β₁从0.22升至0.62，消碳能力增强，验证了“高温动态积/消碳平衡”设计理念的可行性；L-H模型在低温（<873 K）可能因反应物吸附非平衡或副反应而失效，但高温下吸附常数K)亦反映出CO₂优先吸附特性。TYUT-HMCZ催化剂在1 173 K、GHSV=60 000 mL/（g·h）条件下在实验室稳定运行了658 h（转化率>95%），在600 m³/h的中试装置上完成了200余小时的实验评价，未见失活迹象，具备工业化应用潜力。【结论】本论文通过动力学研究，阐明了积碳与消碳的动态竞争机制，提出可通过“低温控CH₄裂解、高温促CO₂活化”的策略来实现不同反应温度条件下高稳定DRM催化剂的开发与工业反应器的优化。

关键词

Ni基甲烷干重整催化剂 / 积消碳体系 / 动力学模型 / 反应级数 / 活化能 / 工业应用