多效固定床反应器助力沼气升级：二氧化碳催化甲烷化的创新突破

当前，环境与能源问题突出，Power-to-Gas（PtG）过程中沼气升级技术待提升。研究人员以多效固定床反应器为对象，开展二氧化碳催化甲烷化研究。结果表明，沼气侧分布进料配置效果更佳。这为沼气处理厂提升合成天然气（SNG）生产性能提供新方向。

　　在当今世界，环境与能源问题日益严峻，就像两座沉甸甸的大山压在人们心头。全球变暖趋势不断加剧，传统能源逐渐走向枯竭，寻找可持续的能源解决方案迫在眉睫。Power-to-Gas（PtG）过程作为一种极具潜力的策略，试图利用可再生电力电解水制氢，再让氢气与二氧化碳通过 Sabatier 反应生成合成天然气（SNG），实现能源的存储与转化，同时还能减少二氧化碳排放，为环境保护贡献力量。然而，这一过程面临着诸多挑战。一方面，该反应是放热且可逆的，低温虽有利于热力学平衡，但反应动力学受限，需要依赖昂贵的活性催化剂；另一方面，传统固定床反应器存在诸如高压降、难以保持等温性等问题，在高温下，Sabatier 反应的强放热特性会引发热点出现，导致催化剂烧结、生成一氧化碳和焦炭等副产物，严重影响反应效果，使得 SNG 难以达到注入天然气管道的高标准。

在这样的背景下，国外的研究人员决心攻克这些难题。他们开展了一项针对多效固定床反应器在沼气升级中应用的研究，致力于探索新型反应器设计对二氧化碳催化甲烷化反应的影响。最终，他们取得了令人瞩目的成果，这些成果对于推动沼气升级技术的发展、提高 SNG 生产效率具有重要意义，相关研究成果发表在《Catalysis Today》上。

研究人员在此次研究中，运用了多种关键技术方法。首先，他们制备了 5^wt% Ni-MnO_x催化剂，该催化剂是基于前期研究筛选出来的，其在特定 CO₂转化水平下具有较高的 CO 选择性，便于实验验证。其次，通过系统地改变气体时空速度（GHSV）来调整反应转化率，并在不同温度和进料配置下进行实验，精确测量 CO₂转化率和 CO 选择性等关键指标。

下面详细介绍研究结果：

• 不同进料配置和温度对反应的影响：研究人员分析了三种进料配置（传统固定床、沼气侧分布、氢气侧分布）和不同温度（350、375 和 400 °C）在较宽 GHSV 范围（30×10³ (STP) mL g_cat^-1 h^-1 至超过 200×10³ (STP) mL g_cat^-1 h^-1）内对反应的影响。结果发现，在 375 和 400 °C 时，沼气侧分布的进料配置相较于传统固定床和氢气侧分布，能带来更高的转化率，并且在所有测试条件下对甲烷的选择性始终更高。这意味着采用这种进料配置可以更高效地将二氧化碳转化为甲烷，减少副产物的生成。
• 接触时间（GHSV）对反应的影响：接触时间（或 GHSV）对甲烷的选择性和流量有着至关重要的影响。在其他参数保持不变的情况下，对于给定的转化率，较长的接触时间和较低的温度有利于提高对甲烷的选择性。同时，GHSV 还影响甲烷时空产率（STY），当 GHSV 为 180×10³ (STP) mL g_cat^-1 h^-1时，反应物流量与反应性能之间达到最佳平衡，此时能获得最高的甲烷产量，这为优化反应条件提供了关键依据。

在研究结论和讨论部分，研究人员指出，使用 Ni-Mn 催化剂进行二氧化碳甲烷化，在采用非传统进料配置时，沼气升级的性能有明显提升。其中，采用 “Poly - biogas” 进料配置，即通过四个进料点分布含有 30^v% CO₂的沼气时，强化效果最为显著。在高温（T ≥ 375 °C）条件下，这种配置展现出诸多优势。这一研究成果为沼气处理厂构建新型化学反应器提供了理论支持和实践指导，有望大幅提升沼气处理厂生产 SNG 的性能，促进清洁能源的发展，对缓解全球能源危机和环境问题具有重要的现实意义。它不仅为解决当前能源与环境困境提供了新的思路，也为相关领域的进一步研究奠定了坚实基础，激励更多科研人员探索更高效、更环保的能源转化技术。