Три-риформинг углеводородных топлив: дизайн катализатора и физико-химические основы энергоэффективного способа получения синтез-газа

Актуальность темы проведенного исследования обусловлена устойчивым запросом мирового сообщества на переход к зффективным и экологичным способам получения энергии. В 2019 году доля электроэнергии, производимой из возобновляемых источников (ветра, воды), составила 23,2 % от общемирового объема энергопроизводства. С другой стороны, ископаемые топлива (природный газ, нефтепродукты) в значительной мере используются для энергообеспечения и прогнозируется, что их доля будет существенной как минимум в течение ближайших 10 лет. Основными минусами традиционных способов производства электрической энергии из углеводородов является их низкая эффективность и негативное влияние на экологию. Одной из перспективных технологий преобраэования энергии химических связей в электрическую являются топливные элем·енты. Оптимальным топливом для топливных элементов является водород, и.спользование которого позволяет обеспечить стабильную работу энергоустановки и снизить влияние на экологию. Однако, отсутствие развитой инфраструктуры для хранения и транспортировки водорода является сдерживающим фактором для внедрения энергоустановок на основе топливных элементов. Решением данной проблемы может выступать преобразование ископаемых топлив в водородсодержащие смеси непосредственно перед рабочим циклом топливных элементов. Реализованный проект был посвящен разработке катализаторов паровоздушного риформинга и три- риформинга углеводородных топлив в синтез-газ. На первом этапе реализации проекта был проведен анализ литературы на предмет составов катализаторов, проявляющих высокую активность в паровом и паровоздушном риформинге углеводородов. Особое внимание при обзоре литературы уделялось решениям проблемы образования углерода. На основе литературных данных были разработаны составы и предложены методики синтеза структурированных катализаторов с эквимолярным содержанием активного металла MejCe0,75ZrO,2502jAI203jFeCrAI (Ме = Ni, Rh, Ru, Pt). Для процессов риформинга топлив были подобраны условия, в которых с термодинамической точки зрения из углеводородов могут быть получены смеси с высоким содержанием водорода и при этом не образуется углерод. На первом этапе реализации проекта было проведено исследование свойств катализаторов MejCe0,7SZrO,2502jAI203jFeCrAI (Ме = Ni, Rh, Ru, Pt) в паровой конверсии, автотермическом риформинге и три- риформинге метана, пропана и изооктана. Было установлено, что оптимальным катализатором для автотермического риформинга метана и пропена является PtjCe0,75ZrO,2502jAI203jFeCrAI. На втором этапе реализации проекта была показана стабильность свойств Pt-содержащего катализатора в риформинге метана в течение 50-ти часов. Для пошагового изучения риформинга жидких углеводных топлив был проведен анализ химического состава коммерческого бензина марки АИ-92. На основе полученных данных были разработаны составы модельных смесей углеводородов, позволившие установить корреляции между компонентным составом топлива и составом получаемого риформата. Установлено, что добавка промоторов (никеля и оксида магния) в состав Rh-содержащего катализатора позволяет увеличить активность катализатора вриформинге изооктана, однако ведет к зауглероживанию катализатора в риформинге топлив, содержащих ароматические компоненты. Было показано, что наиболее активным вриформинге коммерческого бензина является Rh/Ce0,75ZrO,2502/AI203/FeCrAI. На втором этапе реализации проекта была показана стабильность Rh- содержащего катализатора в риформинге коммерческого бензина марки АИ 92. Структура катализаторов была изучена с помощью физико- химических м етвдов. Было показано, что носителем частиц активного металла является смешанный оксид церия и циркония со структурой типа флюорита. Установлено, что предлагаемые методы синтеза позволяют получать катализаторы с размером частиц активных металлов 2-3 нм. Для фундаментального анализа свойств наиболее активных катапизаторов был проведен анализ их поверхности методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Показано, что платина в составе pt/CeO,75ZrO,2502/AI203/FeCrAI находится в состоянии PtO, а Rh в Rh/Ce0,75ZrO,2502/AI203/FeCrAI - в Rh3+. На основе полученных экспериментальных данных о риформинге метана и пропана на Me/Ce0,75ZrO,2502/AI203/FeCrAI (Ме = Rh, Pt) была разработана математическая модель, описывающая протекание процесса. Модель может использоваться для масштабирования процесса.