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神华煤直接液化残渣水蒸气和CO_2气化反应性研究
概述
神华集团是中国领先的煤炭企业之一，其独有的煤直接液化技术为中国的能源转型和环保建设做出了积极贡献。煤直接液化残渣是其生产过程中的副产品之一，其处理方式旨在堆放、焚烧、或再利用。其中，将这些残渣作为原料进行气化反应，可以达到资源综合利用和减少环境污染的目的。本文根据已有文献对神华煤直接液化残渣水蒸气和CO_2气化反应的研究进行探讨和总结，分析不同反应条件和催化剂对气化反应的影响。
煤直接液化残渣概述
神华煤直接液化技术可以将煤直接转化为石化产品和燃料油，提高了能源利用效率和能源结构的多样性。在该过程中，煤液化残渣是一种高浓度的水/粉状物质，含有大量的多环芳烃及其衍生物、钠、铁、铝等物质。这些残渣不利于环境和卫生，需要得到处理。
一种利用残渣的方法是将其经过气化反应进行再利用。残渣的化学表现是吸附性和酸性，其主要成分是碳和水。在理论上，CO_2和水蒸气可以与煤直接液化残渣反应，产生气体，其中含有H_2、CO、CH_4等气体和少量的CO_2。这些气体可以作为原料进一步用于化学反应，或者直接作为燃料使用。残渣气化是一种能够减少有害化学物质排放、提高煤直接液化技术综合效益的方法，近年来得到了广泛的研究和应用。
神华煤直接液化残渣气化的反应
煤直接液化残留物气化反应可以通过水蒸气、CO_2和二氧化硫等气体作为反应介质进行。不同介质下，反应的生成物有所不同，其反应机理也有所不同。
水蒸气气化反应
水蒸气气化是最常用的残渣气化方法之一，其反应式如下：
C+H_2O→CO+H_2
H_2S+H_2O→H_2+SO_2
CO_2+C→2CO
C+2H_2O→CO_2+2H_2
实验研究表明，水蒸气气化作为残留物处理的方式有明显的优势，如产生的氢气含量高、残留物质量减少、减少二氧化碳排放、温室气体减排等。在神华煤直接液化残留物气化实验中，当水蒸气使用量为1：1时，产生氢气的数量最大，在气体中含有低浓度的CO_2，其中不含其他杂质。当水蒸气使用量继续增加，产生氢气的产量也有所降低。
CO_2气化反应
CO_2气化反应式如下：
C+CO_2→2CO
C+H_2O+CO_2→2CO+H_2
C+3CO_2→4CO+CO_2
C+2H_2O+3CO_2→4CO+2H_2+CO_2
实验研究表明，CO_2气化的反应性较差，反应速率较慢，但CO_2气化反应可以增加H_2、CO的比例，从而提高气体的可用性。
催化剂对气化反应的影响
在气化反应中，常采用催化剂进行促进。针对神华煤直接液化残渣气化，有学者采用铜和钼组成的CuMo催化剂，实现了高效合成气的产生。
研究表明，CuMo催化剂可以提高CO_2的转化率，增加产氢气的量。当催化剂用量为1.5%时，制气率达到最大值，H_2的产量为60.9%。在CO_2气化反应中，催化剂也可以提高反应速率。当30%CO_2和70%H_2O配比下使用10%Ni/Al-MCM-41催化剂，CO_2的转化率达到73%，生成的CO的选择性为96%。
结论
神华煤直接液化残渣气化反应是综合利用资源、减少环境污染、提高经济效益的有效方法，水蒸气和CO_2是常用的反应介质，催化剂可以提高反应速率。研究表明，合理选择反应条件、使用高效催化剂，可以最大程度地发挥神华煤直接液化残渣气化技术的优势，促进煤炭行业的可持续发展。