工业级蒸汽甲烷重整催化剂的结构演化与积碳驱动失活机制研究

《International Journal of Hydrogen Energy》：Structural evolution and coke deposition-driven deactivation mechanism of industrial-scale steam methane reforming catalysts

本文系统研究了12万Nm3/h工业规模蒸汽甲烷重整（SMR）装置中镍基催化剂的积碳驱动失活机制。通过整合工业运行数据与停机后结构表征，揭示了预重整器（400-500°C）通过C2+烃热解形成石墨碳、主重整器在高温缺蒸汽条件下通过甲烷分解和CO歧化（Boudouard反应）产生无定形碳的双模式积碳机制，为工业制氢系统的催化剂分区设计和稳定性提升提供了关键见解。

　　

Highlight

工业规模蒸汽甲烷重整（SMR）催化剂的结构演化与积碳驱动失活机制

Chemical plant and reaction principles

研究对象为处理能力12万Nm³/h的天然气蒸汽重整装置，包括预重整器和顶烧式重整器。预重整反应热源来自高温蒸汽和重整器烟气余热，其作用是将乙烷及以上烃类完全转化，确保进入重整炉的原料不含高级烃。

Elemental carbon accounting and reaction process analysis

在预重整阶段，少量C₂-C₄化合物和部分CH₄被转化为CO和氢气，CO进一步通过水煤气变换反应（WGSR）生成CO₂和额外氢气。重整阶段主要发生甲烷蒸汽重整反应，伴随水煤气变换和逆向水煤气变换反应。通过碳平衡分析发现，预重整器出口碳流量显著低于进口，表明该区域存在明显的碳沉积现象。

Conclusions

本研究通过整合工厂运行数据与停机后结构分析，系统揭示了12万Nm³/h工业SMR装置的催化剂失活机制：

（1）失活由双模式积碳机制驱动：预重整器主要通过C₂+烃热解生成石墨碳，而主重整器在高温缺蒸汽条件下以无定形碳为主；

（2）积碳引发自加速降解过程，包括镍颗粒烧结、钾元素流失、催化剂破碎和渐进式压降升高；

（3）研究建立了积碳形态与结构失效的明确关联，为工业制氢系统的催化剂分区设计和操作优化提供了理论依据。