CJChE丨太原理工大学 冯杰、宋云彩、李文英等:半焦催化剂催化焦油的多物理场耦合规律

半焦催化剂因成本效益高、来源广泛，具有显著的应用优势：即使失活后，仍可作为反应器原料继续使用，不仅省去了催化剂再生成本，还能被重新用作碳质材料，尤其适用于在苛刻操作条件下净化高焦油含量的气化合成气。尽管半焦催化剂有上述优势，但其实际应用存在多重问题：

1. 催化活性与失活问题：半焦催化剂本身催化活性有限，且易因与粗合成气中的蒸汽（H₂O）和二氧化碳（CO₂）发生气化反应而逐渐消耗，导致快速失活。

2. 结构演化的影响：催化裂解过程中产生的积碳，以及气化反应引起的结构改变，会显著改变半焦的内部孔隙结构，进而影响气体组分在催化剂孔隙中的扩散行为。

3. 多机制耦合的复杂性：催化焦油裂解、碳基质消耗、积碳导致的活性抑制、与蒸汽 /CO₂的反应等机制相互依赖，形成复杂的协同效应，使得半焦在焦油脱除反应系统中的行为建模面临巨大挑战。

现有相关研究存在明显不足，难以解决上述挑战：

1. 忽略空间异质性：此前的动力学模型虽考虑了催化剂活性系数和结构性能指标，耦合了活化与失活动力学，但未关注催化剂床层的空间异质性，缺乏反应器内径向活性梯度的关键数据。

2. 轻视结构演化效应：半焦颗粒具有发达的孔隙网络，其气体传输受克努森扩散控制，比表面积远大于外部几何表面，显著影响反应-扩散平衡；但现有模型多聚焦于热裂解中的积碳失活机制，忽略了结构演化对反应动力学的影响。

3. 缺乏多机制耦合建模：现有模型未纳入半焦相反应动力学及与气化耦合的失活机制，无法解析碳气化动力学、积碳现象与催化循环之间的三方相互作用，存在概念缺口。

综上，由于半焦催化剂在应用中面临复杂的多物理场相互作用（化学反应、传质、结构演化），且现有研究存在明显局限，亟需建立新的耦合模型来解析这些机制。

基于动量、质量和能量守恒方程，本研究建立了半焦催化焦油裂解反应器内的多物理场特性。通过整合动量、质量、能量三种传输现象与化学反应的理论框架，系统研究了粗合成气中焦油裂解的动态行为。如上图所示，示意性地展示了支配该气固系统的传输 - 反应耦合机制。

构建了整合催化反应、碳沉积、半焦自消耗三大机制的多物理场框架，首次实现了对焦油模型化合物（甲苯）脱除过程中 “反应动力学 - 碳沉积动态 - 传递现象” 的耦合分析。

模型涵盖多尺度传输与反应：从反应器尺度的流体动力学（雷诺数 1200–4500）到催化剂颗粒尺度的微观结构演化（孔径 4.20–18.70 nm），同时考虑扩散 / 对流传质、均相反应、表面反应及动态碳沉积 / 去除的影响。

与文献实验数据对比，模型预测的产物气组成（H₂、CO、CO₂）偏差均低于 5%（H₂偏差 3.2%、CO 偏差 4.1%、CO₂偏差 2.7%），甲苯转化率的模拟值与实验值随时间变化趋势一致，验证了模型对甲苯裂解及催化剂失活过程的准确描述。

第一作者：冯杰，教授，太原理工大学省部共建煤基能源清洁高效利用国家重点实验室博士生导师，从事煤/生物质高附加值资源化利用研究。发表国内外学术期刊论文200余篇；授权中国国家发明专利27件；出版著作2部、参编1部；获省部科技奖励二等奖以上奖5项。

通讯作者：李文英，教授，教育部长江学者奖励计划特聘教授，“万人计划”科技创新领军人才，先后主持国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目。

通讯作者：宋云彩，副教授，博士生、硕士生导师。2018年入选山西省“三晋英才”支持计划，2022年获山西省自然科学奖二等奖一项，主持并参与包含国家自然科学基金在内的国家和省部级研究项目10余项；在AIChE、Fuel等煤化工国际权威刊物和国际会议上发表学术论文20余篇。授权国家发明专利6件，参编专著1部。

团队介绍：煤炭清洁高效利用课题组由李文英教授、冯杰教授领导，隶属于太原理工大学省部共建煤基能源清洁高效利用国家重点实验室。课题组长期致力于煤炭清洁高效转化利用领域的研究，涵盖煤的物理化学结构与煤热解气化反应性、低阶煤热解与高效转化过程设计、煤基液体产物的深加工与精制技术、煤制清洁燃料及化学品催化剂的研制及工艺开发、煤基多联产系统设计等多个方向。