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加氢脱氧催化剂性能及失活研究进展

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第6期 王东军等:加氢脱氧催化剂性能及失活研究进展 67 加氢脱氧催化剂性能及失活研究进展 王东军,佟华芳,李建忠,何昌洪,贾云刚,何玉莲,王桂芝 (中国石油天然气股份有限公司石油化工研究院,北京 100195) 摘要:阐述了目前正在研究的硫化型、还原型及少数其他型催化剂的加氢脱氧性能及特点,同时介绍了加氢脱氧催化剂的 工业应用现状,重点说明了加氢脱氧催化剂失活原因及相应解决方案,指出了催化剂研发方向是兼顾高活性、耐水热、抗积炭 和低成本。 关键词:生物燃料;加氢脱氧;催化剂;活性;失活 中图分类号:TQ426;0643 文献标识码:A 文章编号:1001-9219(2013)06-67—04 速、高氢油比下双金属催化剂活性较高 n】。 HALDOR TOPSOE公司制备了w(Mo03)=3%的 MoOJy.AI。0,催化剂,硫化态下催化植物油加氢脱氧 生成烷烃【 ,菜籽油转化率100%,催化剂无HDS、 HDN、HDA活性;以脂肪酸甲酯为原料,其转化率为 100%。同时发现分子越小的原料油越易脱除氧【 。 UOP公司研究了NiO—MoOJy.A1 03催化剂硫 化态下催化植物油加氢脱氧生产可再生航空燃 由于化石燃料具有不可再生性和使用后带来 的~系列环境问题.一些国家已经在寻求新型替代 能源【lJ,其中,生物质燃料由于可再生,且对环境友 好,成为了关注焦点[21。然而,生物质燃料存在着热 稳定性差,燃烧热值低,易腐蚀引擎等缺陷i31,其中 主要原因是氧含量较高,研究高效、稳定的加氢脱 氧催化剂是制备高品质、绿色生物燃料的关键 。 1 硫化型加氢脱氧催化剂 IFP公司制备了W(Mo)=25.3%、W(P)=6.1%的 脊斗【 ,豆油、低芥酸菜籽油脱氧率接近100%:在最佳 工艺条件下,反应2300h,脱氧率依然保持100%左 右[151,也发现压力对催化剂性能影响较小。 Mo.P一.Al203催化剂I51,利用其硫化态/61催化菜籽油 加氢脱氧转化为高质量燃料,菜籽油脱氧率可达 100%,大部分保留了原来的碳链长度,此时,液态烃 收率较高.而氢耗也较大。 ENI公司采用浸渍法制备了w(NiO)=0.1%~5% Kukkonen等研究了CoO.MoOJy.AI203催化剂 硫化态下催化妥尔油加氢脱氧生产柴油,n C 郴烷 烃收率达80%[I句。Mo、Co和Ni均可作为加氢脱氧 催化剂的第二活性金属,双金属催化剂无论是对小 分子原料还是大分子原料加氢脱氧活性都是高于 单金属的【切。 w(MoO3)=5% ̄35%的NiO—MoOJSiO2— ・AI203[n(Si02) /n(Al 03)=30—500]催化剂,硫化后催化大豆油加氢脱 、氧生产烃馏分[71,大豆油加氢脱氧产正、异链烷烃 (Cl 质量分数分别为87.8%、6.5%,由于停留时间 2还原型加氢脱氧催化剂 CHEVRON公司研究了负载Pd/Pt催化剂,利 用其还原态催化甘油三酯加氢脱氧生产链烷烃,以 质量分数50%以上的甘油三酸酯为原料.产物中残 较短,残余氧质量分数为0.5%。 NES1TEOIL集团研究了 iO)=】5% 、 003)= 1 0%~25%的NiO—MoOJSiO2一P205-y-A1203催化剂硫 化后用于催化植物油加氢脱氧生产饱和烃[81,大豆 余含氧化合物质量分数不高于0.1%,氧含量低于 lOl ̄g/gt懈。 油低聚物脱氧产物为环状C弱链烷烃,没有检测到 羧基;为了避免副反应和催化剂失活,进料中碱金 属含量应低于5tLg/g,磷含量要低于zs ̄g/g[91o棕榈 丹麦科技大学的Madsen等【 91研究了 fPt)=5% 的Pt 一AJ 0 催化动植物油加氢脱氧生产柴油,油 酸在较低温度下转化率即可达1oo%。棕榈酸甘油 油加氢脱氧率达100%。产物为正构链烷烃,在低空 收稿日期:2013—05—05;作者简介:王尔军(198l一),男,硕士 研究生.L程师,从事生物质JJfl氧研发』 作,电话 l5045950790.电由 wangdon un2O05@l63.COt'tI 酯完全脱除氧的温度较高f2o1。油酸和棕榈酸片油酯 在加氢脱氧过程中大部分损失了一个碳.其中,油 酸减少较多。南f棕榈酸}十油酯JJ【I氢脱氧过程要先 68 天然气4g_r-(C 化学与化工) 2013年第38卷 变成游离脂肪酸再继续加氢脱氧,另外棕榈酸甘油 酯分子比油酸大扩散慢,造成了低温下转化率较 低【21]。 Snare等【 研究发现,还原态、含Pd(et)质量分 数为5%的Pd(Pt)/C催化硬脂酸加氢脱氧制生物柴 油,Pd/C上主要发生硬脂酸脱羧反应,C。7选择性> 98%.而Pt/C上主要发生硬脂酸脱羰反应,脱氧活 性顺序为Pd>Pt>Rh>Ir>Ru>Os,而且有不同程度的 加氢、脱氢、环化、酮化、二聚和裂化等副反应发 生 I。 王欣等【 研究了纳米级还原态Ni—Mo—A1 0 催 化乙酸加氢脱氧性能,最佳工艺条件下乙酸脱氧率 达96%.催化剂制备过程中焙烧温度对活性金属有 序分布影响较大。确定适宜的焙烧温度为550%。 日本产业技术综合研究所的Murata等[251研究 了贵金属w(Pt)=l%、w(Re)=20%的Pt.Re/HZSM5催 化剂催化 =10%的麻疯树油加氢脱氧制生物柴油, 反应12h麻疯油转化率约80%,n—C 。收率接近 70%。 DuPont公司[261在研究w(Ni)=55%的还原型Ni/ 石墨.硅催化剂.催化大豆油加氢脱氧制备可再生柴 油组分时发现,低温下,由于部分大豆油只发生了 水解,还没米得及脱氧,造成羧酸含量较高,随着反 应温度的提高.大豆油的转化率逐渐增大,加入 USY沸石粉末[n(SiO2)ln(A1:03)=3.05]后,大豆油转化 率接近l00%。 3其他型加氢脱氧催化剂 加拿大自然资源部的Monnier等 喇备了w(Mo2N) =5%一30%的Mo2N/T.A1 O 催化剂,催化生物质加氢 脱氧制生物柴油,油酸在w(Mo N):8.2%的Mo N . A1:03上脱氧率接近100%;而油菜籽油在w(Mo2N)= 27%的MozN/T.A1 0 上脱氧率为90%,柴油馏分收 率为进料的38%一48%[28[.该类催化剂上油酸脱氧效 果比油菜籽油好。 湘潭大学研究了CoMoN/TiO 催化苯酚加氢脱 氧性能 ,随着Co含量的增加催化剂活性逐渐降低, 当w(CoO)为4%时,苯酚最大转化率达87.1% 浙江 大学楼辉等【3O]研究了 (Mo2C)=15%~25%的Mo2C/C 催化橄榄油加氢脱氧,橄榄油转化率可达l00%,产 物为柴油馏分. .4工业化加氢脱氧催化剂 加氢脱氧催化剂被研发至今,工业化应用的较 少,2008年UOP公司在美国休斯顿建立一套0.8 万 航空生物燃料示范装置,采用小桐子油/亚麻 荠油为原料,所用加氢脱氧催化剂是氧化铝负载双 过渡金属镍、钼体系【3l】。NESTEOIL公司在芬兰波尔 沃已建立两套加氢制生物柴油装置,产能共计34 万妇.而在荷兰鹿特丹和新加坡各有一套8O万t/a 加氢生产可再生柴油装置,采用NExBTL专利技 术[321.加氢脱氧催化剂为硅、磷、铝氧化物负载镍钼。 5 失活研究 Ledoux等[331在研究硫化型催化剂加氢脱氧性 能过程中。认为此类催化剂失活主要原因是由于硫 化态催化剂中的一部分硫会生成硫酸盐,同时活性 金属的化合价随之发生变化,如部分Mo“氧化生成 了Mo“。金属由高加氢活性的硫化态被氧化为低活 性的氧化态.一方面造成了催化剂加氢脱氧活性降 低,同时催化剂也易结焦,严重时催化剂失活p4I。Liu 等f35J提出了在原料中加硫的方法.可以防止活性金 属被氧化,确保催化剂长期运行,在加氢脱氧过程 中,原料中的硫可以转化成H2S,其会促进.SH质子 源的产生.提高催化活性,这种方法尤其在硫化型 Ni—Mo类催化剂中效果更为显著。Loricera等[361研究 了硫化态Co Mo—W/SBA一15或SBA.16催化苯甲醚 加氢脱氧,发现加入适量磷酸盐表面修饰剂可以缓 解积炭和水导致的催化剂失活,且金属硫化物在 SBA.16上分散较好。 Myllyoja等 研究发现游离脂肪酸也影响加氢 脱氧催化剂活性,其质量分数高于5%时,长期运转 催化剂的活性及柴油馏分的收率都会下降。游离脂 肪酸与酯竞争活性中心.但游离脂肪酸优先吸附反 应.当生成的水超过一定量后.就会闭塞催化剂活 性位,降低加氢脱氧催化剂活性,其含量过高时,高 温下会与活性金属钼、镍等反应生成皂类.堵塞催 化剂孑L道.覆盖活性中心,致使加氢脱氧催化剂活 性降低、严重时失活,并伴随着产品油颜色发红。在 原料中加入一定量的稀释溶剂.如正构、异构烷烃, 或脱氧产物部分循环,不但可以稀释游离脂肪酸, 还可以溶解部分焦体,以游离脂肪酸质量分数为 7%的植物油作为原料时,控制 H: 抖=4,催 第6期 王东军等:加氢脱氧催化剂性能及失活研究进展 69 化剂可运转9个月以上 中科院山西煤化所通过研究氮化物、碳化物催 化苯甲酸乙酯加氢脱氧 .得知催化剂失活主要由 于杂质氧对表面结构的破坏。但催化剂在反应前后 主体结构保持不变,另外.积炭可能是造成失活的 另一个原因。湘潭大学研究了还原型La—Ni.Mo.B催 化4.甲基苯酚加氢脱氧 。升高温度在动力学上有 利,原料转化率最高可达97%.但高温下Ni活性中 心易被晶态化造成催化剂失活.因此,控制适宜反 应温度可以使催化剂保持较高活性。 植物油中的碱金属和碱土金属离子也会导致 加氢脱氧催化剂失 删.其中碱金属会阻碍镍、钼与 载体间相互作用,进而降低活性金属分散度。致使 活性下降。而碱土金属离子会被吸附在催化剂酸性 中心上,形成沉积物,覆盖加氢脱氧活性中心,堵塞 催化剂孑L道,致使催化剂活性、选择性下降,钏 r【习 rL r【r【严重时 踟 r【失活。在加氢反应前应对原料进行预处理,如在原 料进入反应器之前可 采用阳离子交换树脂床层 吸附或者稀硫酸、硝酸及盐酸洗涤来除掉这些杂 质,从而延长催化剂的寿命。 6结语 加氢脱氧催化剂研发过程要统筹考虑存在的 问题:一是生物质中杂质较多。加氢脱氧时会直接 或间接与催化剂作用,影响催化剂活性、稳定性;二 是加氢脱氧会生成大量的水.同时放出大量的热. 一般加氢催化剂无法长期使用;三是加氢脱氧过程 也会发生裂化、缩聚等副反应造成积炭:四是过渡 金属含量较高以及使用贵金属等使催化剂成本居 高不下。这些问题的解决对生物质加氢脱氧催化剂 的研发、突破意义重大。 参考文献 Graca I,Lopes J M,Cerqueira H S.Bio—oils upgrading for second generation biofuels[3.Ind Eng Chem Res,2013, 52:275.287. 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A.2012,435/436:51.60. Advances in performance and deactivation study of catalysts for hydrodeoxygenation WANG Dong-jun,TONG Hua-fang,LI £ut—zhong,HE Chang-hong,JIA Yun-gang,HE Yu—lian,WANG Gui-zhi (PetorChina Petrochemical Reseatvh Institute,Beijing 1001 95,China) Abstract:The hydrodeoxygenation peffommnce and characteristics of the sulfide type,reduced type and some other type catalysts under study and the current situation of industriM application of the catalysts were introduced.The causes of catalyst deactivation and methods to prevent it were discussed.It WaS pointed that the future development of hydrodeoxygenation catlaysts shouht comprehensively improve the activity,hy&’othermal resistance,carbofl deposition resistance and cost. Key words:bioflJel;hydrode【】xyg‘jnalion;catalyst;activity;deactivation 

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