天然气催化燃烧理论和应用研究.docVIP

天然气催化燃烧理论和应用研究 摘要 概述了甲烷催化燃烧催化剂的研究现状, 催化燃烧的实质和特点，从组成甲烷燃烧催化剂的3个部分(基体、活性组分、氧化物载体) 分别加以论述。通过掺杂一些金属和金属氧化物,不但可以提高高活性贵金属催化剂的热分解温度,还可以提高温催化剂(如钙钛矿和六铝酸盐材料等)的催化活性以及催化燃烧的应用 关键词　催化燃烧　甲烷　贵金属催化剂　金属氧化物催化剂 研究现状 随着人们对环境污染和能源短缺问题的日益重视,天然气以储量丰富、价格低廉、使用方便、热效率高、污染小等优点,被认为是目前最清洁的能源之一。但由于其主要成分甲烷的燃烧温度很高(1 600℃) , 天然气在空气中的燃烧产物NOx , CO等也可造成环境污染。催化燃烧被认为是解决这一问题最有效的途径。甲烷是最稳定的烃类,通常很难活化或氧化,且甲烷催化燃烧工作温度较高,燃烧反应过程中会产生大量水蒸气,同时天然气中含少量硫,因此甲烷催化燃烧催化剂必须具备较高的活性和较高的水热稳定性,以及一定的抗中毒能力。而通常催化剂活性与稳定性是矛盾的,因此开发高效稳定的甲烷低温催化燃烧催化剂引起国内外研究者极大的兴趣,同时进行了大量相关研究,并取得了一定的成果。催化作用与燃烧技术的结合已有很长的历史，但现代催化燃烧技术是近几十年来对环保与节能的要求日益迫切的形势下应运而生的一门新兴技术。20 世纪50～60 年代，汽车尾气净化技术和有机废气催化焚烧技术的发展为研究共进料情况下燃气催化氧化积累了大量实验依据和数学模型。20 世纪90年代初期，各国政府对空气质量法规中排放标准的进一步紧缩，更为高温催化燃烧技术的研究提供了新的动力。从20 世纪70 年代中期开始，被催化燃烧技术所带来的经济效益和环境效益所吸引，各大企业和科研部门针对该技术的应用和基础理论展开了全球性的研究竞赛。特别是在20 世纪初，新兴的石油化学工业以及精细化学工业的蓬勃发展，推动了催化作用基础理论的研究，大大地深化了对催化剂和催化的本质的认识[1]。催化燃烧技术不仅在消除污染，环境保护方面显示出独特的优势，而且在能源利用的节省方面也甚为有效[2－3]。将燃气催化燃烧器与冷凝锅炉配合使用[1 ]。能够极大地提高锅炉热效率并且拥有着近零污染排放的优势。 催化燃烧的实质特点 催化燃烧可以使燃料在较低的温度下实现完全燃烧,对改善燃烧过程、降低反应温度、促进完全燃烧、抑制有毒有害物质的形成等方面具有极为重要的作用,是一个环境友好的过程,其应用领域不断扩展,已广泛地应用在工业生产与日常生活的诸多方面。与传统的火焰燃烧相比,催化燃烧有着很大的优势: (1)起燃温度低,能耗少,燃烧易达稳定,甚至到起燃温度后无需外界传热就能完成氧化反应。 (2)净化效率高,污染物(如NOx 及不完全燃烧产物等)的排放水平较低。 (3)适应氧浓度范围大,噪音小,无二次污染, 且燃烧缓和,运转费用低,操作管理也很方便。 甲烷燃烧催化剂体系 　　甲烷燃烧的催化剂体系一般由活性组分、氧化物载体和基体组成。 1. 1　基体 (1)陶瓷基体 最常用的是堇青石( 5SiO2 ·3Al2O3 ·2MgO)陶瓷材料,具有较好的热稳定性,可用于1 250℃以下。虽然其熔点在1 400℃,但在1 250℃以上,堇青石会变软并且硅会扩散到表面,使催化剂中毒失活。其它陶瓷材料有氧化铝(常用的高温陶瓷,强度高,耐热冲击,但1 100℃左右会发生晶型转变, 比表面下降) 、氧化锆(使用温度可高达2 210℃,但难和催化剂粘结) 、莫来石( 3Al2O3 ·2SiO2 或2Al2O3 ·SiO2 ) 、六铝酸盐[2 ]等。这些材料的抗热冲击性能大多成问题, 影响了它们的应用。 (2)金属基体 金属基体一般由卷起的波浪形金属薄片构成,材质通常为铁铬铝合金( FeCrAlloy)或铝铬钴合金(Co2 CrAlloy)等。与陶瓷基体相比,金属基体具有机械强度高、起燃较快、耐热冲击等优点,但热膨胀系数较大,难与载体或催化剂涂层匹配。 1. 2　载体 大多数基体的比表面都非常小,不适合负载金属活性相,为了提高比表面,需要在基体壁上沉积一层高比表面载体涂层,该涂层的热膨胀系数应与基体相匹配。作为催化剂体系的主要组成部分,载体不仅作为活性金属的支撑体,而且对活性金属的分散、分布及催化剂的活性、选择性和稳定性都有很大的影响。通过有目的地改变载体的组成可以修饰催化剂表面性质,使活性金属在载体上的几何和电子学性能发生改变,从而改善催化剂的性能。氧化铝是最常用的高比表面载体。但氧化铝在高温环境下会转变成热力学上稳定的α相, 若有水蒸气存在会加速相变过程,使比表面大量损失。研究表明在氧化铝中添加碱金属、碱土金属及稀土元素 时,其中BaO、La2O3、SiO2、LiO和K2O均可增加氧化铝的