[发明专利]将甲烷转化为脂肪烃的方法、燃料电池及燃料电池的制备方法

说明书

本发明提供了一种将甲烷转化为脂肪烃的方法、燃料电池及燃料电池的制备方法，甲烷转化为脂肪烃的方法为建立一燃料电池，含氧料流吹扫燃料电池的阴极，发生电化学反应，生成氧离子；氧离子通过电解质移动到燃料电池的阳极，阳极上含有甲烷氧化偶联催化剂，当含甲烷的进料流吹扫燃料电池的阳极时，甲烷在氧离子和甲烷氧化偶联催化剂的作用下发生偶联反应，生成脂肪烃。燃料电池包括阴极、阴极过渡层、电解质以及阳极，阳极由甲烷氧化偶联催化剂和惰性导电金属材料组成，电解质为氧离子导体型陶瓷材料，阴极过渡层由阴极和电解质的材料混合而成。本发明方案对烃类产物选择性高，提高了反应安全性。

技术领域

本发明属于天然气转化利用领域，具体涉及一种催化甲烷有氧转化为低碳烯烃及烷烃的催化剂制备方法以及利用高温氧化物燃料电池进行原位供氧并联合发电的一体化装置。

背景技术

作为天然气的主要成分，甲烷是烃类家族中分子量最小、最稳定的成员。由于其碳氢键的键能高，反应性低，加工利用困难，与其他较高分子量的烃类相比，难以作为化工原料直接利用。乙烯和乙烷都是重要的基础化工原料，其中以乙烯最为重要。在我国，生产乙烯的原料仍然以原油为主。乙烯成本受原油价格波动的影响很大，因此近些年利用除原油以外的原料来制备乙烯的新途径越来越引起人们的关注。随着世界范围内富含甲烷的页岩气、天然气水合物、生物沼气等的大规模发现与开采，以储量相对丰富和价格低廉的天然气替代石油生产基础化学品和液体燃料已成为学术界和产业界研究和发展的重点。

在现有工业化应用的技术中，被大规模采用的天然气转化利用过程主要包括两大步骤：首先，在高温条件下通过混合二氧化碳或水蒸汽，将天然气中的甲烷分子重整为含一定比例的一氧化碳和氢气分子的合成气(SynGas)；随后或者采用费托(F-T合成)方法，在特定的催化剂上将合成气转化为高碳的烃类分子(油品和基础化学品等)；或先由合成气制备甲醇，再经微孔分子筛催化剂脱水，生产烯烃和其他化学品。此类传统的甲烷转化过程路线冗长，设备投资和能耗高，并且过程中不可避免地形成和排放大量的温室气体二氧化碳，一方面影响生态环境，另一方面导致总碳的利用率大大降低。因此，人们一直都在努力探索天然气直接转化利用的有效方法与过程。

专利CN 1266041A公开了一种无氧条件下利用甲烷芳构化反应(MDA)来催化甲烷转化的可能路线。该路线以Mo/HZSM-5为催化剂，在反应温度600～750℃，反应压力常压～2个大气压的条件下，将甲烷转化为苯、甲苯和萘，并释放氢气。由于催化剂的比表面高且反应为无氧环境，通常伴随副产物积碳的生成，催化剂失活快。

专利US 20150087875A1公开了一种在有氧条件下催化甲烷转化制备二碳脂肪烃的甲烷氧化偶联催化剂。其中催化剂的制备采用了纳米技术，以遗传改性的噬菌体作为模板，先使活性成分在模板表面形成晶核，再进一步成长为纳米线形貌。该催化剂在550℃和2个大气压的反应条件下，可催化甲烷氧化偶联转化为二碳及多碳的脂肪烃，其中脂肪烃产率大于5％。但产物中以乙烷为主，附加值不及乙烯。

专利CN1389293A公开了一种甲烷加压氧化偶联制乙烯的催化剂。催化剂以二氧化硅为载体，活性组分由SnO₂，Mn₂O₃和Na₂WO₄组成。在750～800℃及加压(0.6MPa)的条件下进行，C2+产物收率有所提升。因反应需加压条件，增加爆炸风险，存在潜在的安全隐患。

专利CN1072615A公开了一种由碱土金属氧化物及碱土金属碳酸盐制备得到的甲烷氧化偶联催化剂，在550℃～850℃及常压条件下，得到20％的脂肪烃收率。

对于以上的甲烷氧化偶联专利技术，反应过程的设计都采用了常规的固定床或流化床反应器，并直接采用一定比例的甲烷和纯氧混合物作为进料料流。纯氧的供给需添加空气预分离装置，增加操作成本；同时甲烷和纯氧直接混合通入高温环境，如操作不当会引起爆炸风险，存在安全隐患。因此，甲烷氧化偶联反应的过程设计仍待改进。