[发明专利]一种碱性炭材料催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种碱性炭材料催化剂，是由含碱性金属氧化物的工业固体废弃物与具有高粘结指数的粘结性煤混合热解，经水蒸气活化和氨气活化制备得到，所述工业固体废弃物是电石渣、赤泥和镁渣中的任意一种或几种，具有高粘结指数的粘结性煤是粘结指数为95～110的肥煤和/或焦煤，以其作为颗粒床除尘器过滤材料，在除尘的同时同步实现高含尘热解焦油气原位催化提质和析炭抑制的协同效果。

技术领域

本发明涉及一种炭材料催化剂，特别是涉及一种基于工业固体废弃物的碱性炭材料催化剂。本发明的碱性炭材料催化剂可以应用于以热解技术为核心的低阶粉煤分级分质转化利用，主要用于颗粒床除尘过程中含尘含油高温热解焦油气的品质调控及析炭抑制。

背景技术

煤炭清洁高效开发利用已成为我国能源转型发展的重要落脚点和首要目标。热解技术是实现煤清洁高效利用的有效途径，通过热解技术可以将固体煤转化为有价值的液体焦油，焦油再经深加工后可以转化为优质汽油、煤油、航空燃油、柴油、石脑油等高附加值的清洁燃料。

全球范围内低阶煤储量丰富且主要以粉煤为主，为实现低阶粉煤的大规模分级分质转化利用以及煤炭产业的绿色低炭发展，国内外相继开发了多种以低阶粉煤为原料的热解技术，但均存在焦油品质差和粉尘含量高等问题，导致众多热解工艺仍处于中试或工业示范阶段。

这主要是由于含尘焦油气中粉尘和重质焦油含量大，挥发物反应复杂，导致粉尘分离过程中挥发物再反应以及焦油品质难以调控。

低温环境下，重质焦油极易冷凝并与粉尘发生团聚现象，形成高黏度混合物附着在容器或管道壁面，导致除尘器及管道、阀门等工艺设备堵塞；高温环境下，挥发物自身及其在夹带颗粒物作用下会发生裂解、缩聚、结焦等反应，使轻质焦油向重质焦油转化，产生析炭和结焦等问题，造成重质焦油及析炭黏附在固相颗粒和除尘器表面，降低粉尘脱除效率，最终导致系统堵塞。

焦油气中粉尘脱除和析炭问题导致装置无法长周期稳定运行，是目前已有低阶粉煤热解工艺亟需解决的关键问题。

颗粒床除尘器被认为是一种通过过滤材料控制焦油中粉尘含量的有效方法，但是挥发物高活性导致的再反应析炭问题却无法避免。焦油中的重质组分及析炭极易黏附在固相颗粒、除尘器及管道表面，降低粉尘脱除效率，最终导致除尘系统堵塞。因此，有必要通过调变挥发物反应行为，减少析炭形成，进而缓解后续高温焦油气的油尘分离压力。

Wang等（Fuel, 2021, 285, 119156）将半焦颗粒床用于挥发物的催化提质，以提高焦油的质量，显著提高了焦油中轻馏分和轻质焦油的收率，然而并未给出半焦催化作用下焦油的析炭情况。Wang等（ACS Omega, 2021, 6, 3800-3808）制备了焦炭过滤材料用于煤热解挥发物的颗粒床除尘，结果表明焦炭有效提质了焦油并抑制了析炭。

上述研究证明，以炭基催化剂作为颗粒床除尘器的过滤材料，在过滤粉尘的同时可以实现挥发物原位提质和析炭抑制的协同作用。

但是，过滤材料的材质和物化性质在很大程度上影响含尘焦油气在除尘过程中的热反应行为，从而影响焦油的产率和品质、析炭含量。催化剂的酸碱性质也对煤热解焦油的质量有重要影响，固体酸催化剂虽然可以改善焦油品质，但由于其强酸性位的存在，对焦油具有较强的催化裂解活性。一方面，强酸性位导致大分子缩合产生积炭及催化剂失活（Fuel, 2022, 321, 124030）；另一方面，强酸性位促使焦油向热解气及析炭转化，导致焦油产率大幅下降，减弱热解工艺的经济性（燃料化学学报, 2021, 49(03), 257-264）。固体碱催化剂对焦油的裂解作用相对较弱，并在热解挥发物转化过程中能够促进烃类物质进行脱氢，进而增加热解体系中的富氢小分子，减少大分子之间的缩聚反应，在保证焦油产率的前提下可有效抑制析炭。

因此，开发活性适中的碱性炭基催化剂作为颗粒床过滤材料，在保证焦油产率的前提下，可实现含尘热解焦油气原位提质和析炭抑制，最终为含尘热解焦油气颗粒床除尘技术的发展提供理论和技术支撑。