do i:10.3969/j .iss n.1002-154X .2009.08.016
甲烷催化燃烧催化剂催化理论与
应用研究进展
陆富生
(淮安市产品质量监督检验所,江苏淮安223001)
摘 要 概述了甲烷催化燃烧催化剂的研究现状,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,还可以提高高温催化剂(如钙钛矿和六铝酸盐材料等)的催化活性。最后简要综述了甲烷催化燃烧反应机理。关键词 催化燃烧 甲烷 贵金属催化剂 金属氧化物催化剂
收稿日期:2009-07-15
作者简介:陆富生(1981～),男,硕士生,从事催化材料方面的研究,E -mail:fnlfs@https://www.doczj.com/doc/0410894151.html,
Research Progess of the Cat for M ethane Cat alyti c Co mbusti on
i n the Theory and Appli cati on
Lu Fusheng
(Huaian I nstitute of Supervisi on and I ns pecti on on Pr oduct Quality,J iangsu Huaian 223001)
Abstract The recent research p r ogress and devel opments of the catalysts f or methane catalytic com -busti on
were described .The catalysts f or methane catalytic combusti on which was composed in three parts (base,active constit 2uent and oxide support )were als o discussed .It is shown that the additi on of metals and metal -oxides i m p r oves the ther mal stability of noble metal catalysts and metal -oxide catalysts such as per ovskites and hexaalum inates,and brings benefit t o activity in methane catalytic combusti on .Finally,the reacti on mechanis m f or methane catalytic com 2busti on was summarized si m p ly .
Keywords catalytic combusti on methan noble metal catalysts metal -oxide catalysts
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(1600℃),天然气在空气中的燃烧产物NO x ,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。
1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(5Si O 2?3A l 2O 3?2Mg O )陶
第23卷第8期2009年8月 化工时刊
Chem i ca l I ndu s try Ti m e s
Vo l .23,No.8
Aug.8.2009
瓷材料,具有较好的热稳定性,可用于1250℃以下。
虽然其熔点在1400℃,但在1250℃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1100℃左右会发生晶型转变,比表面下降)、氧化锆(使用温度可高达2210℃,但难和催化剂粘结)、莫来石(3A l
2
O3?2Si O2或2A l2O3?Si O2)、六铝酸盐等。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(FeCr A ll oy)或铝铬钴合金(Co2 Cr A ll oy)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Ba O、La
2
O3、Si O2、L i O和K2O均可增加氧化铝的热稳定性和比表面积[1-6]。W ang等[7]还对Zr O2、Si O2和Hf O2等化合物作为添加剂或单独载体
材料进行了考察,其中Zr O
2
是最具潜力的一个材料。钇稳定锆(YSZ)[8]已被证明是较好的载体。添加氧离子传导材料钇稳定锆(YSZ)的氧化铝材料也是优良的载体材料[9]。
近年来Ce O
2
-Zr O2固溶体储氧材料载体备受关
注[10～13]。Ce O
2
具有立方面心的萤石结构,在还原气
氛下易还原成具有氧空穴的非化学计量比的Ce O
X
(0 这种Ce O X /Ce O2之间的氧化还原循环,使得Ce O2具 有储放氧能力,因而被称为储氧材料(OS M)。但是 单纯的Ce O 2 低温下几乎没有储氧能力,高温下,尤 其是温度在900℃以上时,Ce O 2 晶粒迅速增大,导致 比表面积和储/放氧能力明显降低。在Ce O 2 中引入 Zr,可以形成Ce O2-Zr O2固熔体,能够有效地解决这 一问题[14～16]。同时,由于Zr的加入,Ce O 2 的高温稳 定性也得到了很大改善,其中Ce 0.67 Zr0.33O2的热稳定 性及氧传导能力最强[17]。Ce O 2 -Zr O2固熔体中引 入Mn或Cu可以进一步加强储氧能力[18],而La的 引入则可以加强高温稳定性[19]。Ce-Zr-O固溶体 作为甲烷燃烧催化剂载体的研究却很少[17]。Ce O 2 - Zr O2固溶体作为载体,不只分散活性组分,还能增强 催化剂的活性。Boz o等的研究表明,Pt/Ce 0.67 Zr0.33O2 的活性要比Pt/A l 2 O3高许多。但Ce O2-Zr O2固溶 体的高温稳定性差,不能在1000℃以上使用。 1.3 活性组分 贵金属和周期表中第四周期的Cr,Mn,Fe,Co, Cu等过渡金属元素的氧化物以及部分稀土元素氧化 物Ce O 2 等都是甲烷催化燃烧的活性组分。近年的 研究热点主要集中在贵金属催化剂、钙钛矿型催化 剂、六铝酸盐类催化剂及其它一些过渡金属复合氧化 物催化剂上。 1.3.1 贵金属 由于活化H 2 、O 2 、C—H和O—H键的出色能力, 铂族元素金属在烃类、H 2 和CO的氧化反应中均表 现出非常高的活性,其催化氧化的活性顺序一般为 Ru 挥发性方面的原因,贵金属催化剂的使用一般仅限于 Rh、Pd、和Pt。对于氧化CO和CH4,Pd的活性大于 Pt的活性,但氧化芳香族化合物时它们的活性相似。 对甲烷的完全氧化反应,Pd是活性最高的物种[20]。 当几种贵金属一起使用时,表现出比单一贵金属更高 的活性[21]。 贵金属催化剂是一种优良的燃烧催化剂,不仅具 有高活性,而且有较强的抗硫中毒能力[22]。另外,Pt 和Pd还容易在许多载体上形成高分散。但是,在温 度超过500℃时,Pt和Pd容易烧结或挥发导致催化 剂失活,再加上昂贵的价格,使这类催化剂的应用受 到一定限制,一般用在燃烧器中的低温起燃阶段。 1.3.2 金属氧化物 由于金属氧化物催化剂具有低温高活性的吸附 陆富生 甲烷催化燃烧催化剂催化理论与应用研究进展 20091Vo l123,No.8 化工时刊 氧和高温高活性的晶格氧,燃烧活性接近贵金属催化 剂,且热稳定性更高、原料廉价易求,因而引起人们的广泛关注,希望能以之取代贵金属催化剂。 一般来说,高活性的金属氧化物催化剂需要金属原子具有多价态并且能参加氧化还原反应。有文献报道,过渡金属氧化物是单一氧化物中最具活性的氧化物催化剂。这些氧化物的活性主要是由金属原子的d层电子结构所决定的。当d层电子数为3,6,8时,一般其氧化物催化活性较高。而当d层电子数为0,5,10时,其活性相对较低。 过渡金属氧化物在氧化H 2 、CO、HC等时其活性 有如下顺序:Co 3 O4>MnO2>N i O>Cu O>Cr2O3> Fe2O3>Zn O>V2O3>Ti O2>Sc2O3。当两种或3种氧化物混和使用时,表现出更高的活性。然而,当这些氧化物在超过800℃使用时,会因表面或体相铝酸盐的生成而失活。当温度超过1000℃使用时,大多数单氧化物催化剂还易烧结。为解决热稳定性的问题,一般采用复合氧化物催化剂,如钙钛矿型化合物、六铝酸盐、尖晶石型氧化物、萤石型复氧化物、烧绿石型化合物,其中最具发展潜力的是前两者。 (1)ABO 3型复合氧化物催化剂———A’ 1-x A x B’1-y B y O3±δ 从上个世纪70年代起,已经开始了钙钛矿型氧化物在催化方面的应用研究,此类催化剂可表示为: A’1-x A x B’1-y B y O3(A、A′La,Sr,Ba,Ce,S m;B、B′Co,Mn,Cu,Fe,Cr,B i,Pd,Pt)。B位阳离子与6个氧离子形成八面体配位,而A位阳离子位于由八面体构成的空穴内呈12配位结构。如果A、B位发生低价阳离子的取代,则产生氧空穴或由于过渡金属氧化物价态变化而形成缺陷,由此可以改变氧的吸脱附性质,提高催化剂活性[11]。A rai等报道了甲烷50%转化时,La 2 CoO3催化剂具有与Pt/A l2O3相近的活性, Ferri和Nguyen等[23、24]也报道了La2CoO3催化剂具有高活性,在500℃就实现了甲烷的完全氧化。W ise 考察了不同B位元素对催化剂甲烷燃烧活性的影 响,发现LaCoO 3和LaFe O 3 活性最高,其次是 La Mn O3,而La N i O3、LaRu O3的活性较低。他们认为B位元素的改变比A位元素的改变对催化剂活性的影响更大。然而,对Sr部分取代La的La 1-x Sr x BO3催化剂的研究表明:这种取代对催化剂上烃类燃烧活性的增加有显著影响。由于催化剂制备方法的差异,在甲烷的催化剂燃烧方面,对最佳活性金属氧化物的 报道并不相同,一般认为Co、Mn、N i、Fe等具有可变价态的过渡金属氧化物有较高活性。由于ABO 3 钙钛矿的结构非常复杂,存在六边形、四边形及菱形的扭曲,因此对催化活性的来源一直有争论,比较一致的看法是催化活性与过渡金属的非常氧化态、非计量氧原子数及晶格缺陷结构有关[25]。 由于钙钛矿型催化剂的稳定性较贵金属催化剂虽然有所提高,但仍存在比表面积较低以及高温下的烧结问题,而使其应用受到一定的限制。通过引入具有热稳定作用的结构助剂或将钙钛矿催化剂担载在适当的高比表面载体上,可增大催化剂的分散度,提高其热稳定性。例如采用Mg O作载体,催化剂的热稳定性得到显著提高[26]。此类催化剂中,通过共沉淀过程所引入的Mg O抑制了高温下离子的表面扩散,提高了晶体的烧结温度。 (2)MO-(A l 2 O3)6六铝酸盐 六铝酸盐是通过碱金属、碱土金属或稀土离子掺 杂的氧化铝,是一种具有B 2 A l2O3或磁铅石结构的复合氧化物。A rai等最早制备了高比表面的六铝酸盐,并将其用于甲烷的催化燃烧,达到了高催化活性与高热稳定性的结合。他们认为热稳定性的提高归因于六铝酸盐的层状结构,在此结构中,由氧化铝形成的尖晶石相被掺杂的大离子所构成的“镜面”隔开,形成层状的疏松结构。由于这种“镜面”大离子的存在,焙烧过程中晶体沿c轴方向的生长被抑制。这种晶体生长的各向异性减缓了离子的扩散,使烧结速度降低,从而提高了样品的热稳定性。 六铝酸盐是由层状的尖晶石相构成的疏松结构,在层间的镜面上,由于大离子如Ba2+、Sr2+、La3+等的支撑作用,提供了O扩散的通道,而尖晶石相内取代部分A l3+的锰离子则通过还原-氧化机制提供活性氧物种,来促进甲烷氧化反应的进行。通过引入过渡金属离子或调配镜面大离子,可提高六铝酸盐催化剂的甲烷燃烧活性,相关研究多集中在Ba、Sr-La、La 六铝酸盐上。在所采用的过渡金属氧化物中,Mn取代的六铝酸盐活性较高[27]。采用Sr取代Ba并适当引入部分La可以提高催化剂的比表面积并提高其甲烷燃烧活性。 此外,制备方法对六铝酸盐材料的高热稳定性、比表面积和甲烷燃烧活性有较大影响。YI N G等[28] 化工时刊 20091Vo l123,No.8 论文综述《Review s》 利用溶胶凝胶与反向微乳法结合制备钡系的纳米六铝酸盐,具有高的表面积和高热稳定性,并将Ce O x 高度分散到表面,制备优秀的甲烷催化燃烧催化剂,起燃温度为600℃,1200～1300℃工作稳定。Zarur 等[29] 采用微乳液法和超临界干燥法所制备的Ba A l 12O 19样品经1300℃焙烧后,表面积为136m 2 /g,比常 规干燥方法得到的样品表面积高出一倍。同法制备 的Ce 2Ba A l 11O 19催化剂,比表面积可达到160m 2 /g,在70000h -1GHS V 反应条件下,甲烷的起燃温度仅为400℃,催化活性与较低温度下焙烧的钙钛矿型催 化剂[30] 接近,但热稳定性却得到显著提高。 2甲烷催化燃烧反应机理 在催化剂存在时,甲烷的多相催化氧化反应和均相自由基反应可能同时发生,在377～877℃的温度 区间内两者均起作用。这对催化燃烧机理的研究带来了很大困难,即使在研究得最为广泛的贵金属催化剂上甲烷燃烧的反应机理也并不是很清楚。目前较 为一致的看法如下[31] :在贵金属催化剂上,甲烷解离吸附为甲基或亚甲基,它们与吸附氧作用直接生成CO 2和H 2O,或者生成化学吸附的甲醛,甲醛再与吸附氧进一步反应生成CO 2和H 2O 。一般认为甲醛作为中间物种,一旦产生就快速分解为CO 和H 2,而不可能以甲醛分子形式脱附到气相中。饱和烃 C —H 键活化是催化燃烧最关键的一步,一旦第一个C —H 键断裂,随后氧化生成CO 2和H 2O 的反应很容易发生。其反应机理如图1所示。 图1 贵金属上甲烷催化燃烧反应机理F i g.1 R eac ti o n m echan ism o f no b le m e ta l ca ta l ys ts f o r m e thane ca ta l yti c com bu s ti o n 对于ABO 3钙钛矿型催化剂(其中A 位为稀土元 素,B 位为过渡金属元素),其晶型结构可在较高温度下稳定。一般认为:不同价态不同种类的金属离子固定在晶格中,在晶格中存在可迁移的氧离子。B 位离 子的不同影响催化剂对反应物的吸附性质,表面吸附氧和晶格氧的活性是影响催化剂活性的主要因素。 较低温度时表面吸附氧起氧化作用,而在较高温度时 晶格氧起作用。对于其它非贵金属氧化物催化剂,如六铝酸盐、尖晶石类等,甲烷的燃烧机理与钙钛矿型催化剂类似,都是通过表面吸附氧和晶格氧的参与进行甲烷的氧化。 3结束语 在甲烷催化燃烧过程中所用催化剂存在两个关键问题:热稳定性和低温活性。Pd,Pt,Rh,Au 等负载型贵金属是传统的甲烷低温催化燃烧催化剂,具有优良的低温起燃活性和催化性能,但目前还没有研制出能抗硫中毒的有效的负载型Pd 催化剂。鉴于贵金属催化剂价格昂贵、易烧结,金属氧化物催化剂近年来吸引了研究者广泛地注意力,尤其是钙钛矿型金属氧化物催化剂,该类催化剂已经广泛地应用于甲烷催化燃烧。对于甲烷高温燃烧反应,贵金属及金属氧化物催化剂的热稳定性均较差,需对其改性或使用复合载体。如何提高催化剂的比表面积以及活性相和载体之间的协同效应,催化剂的制备方法尤为重要,这还需要更多大量的研究工作。 参考文献 [1] Labal m e V,Beguin B,Gaillard F,Pri m et M.Characteri 2 sati on and acid p r operties of s ome modified combusti on cat 2alysts:Pt/alu m ina with bariu m and Pt/zirconia with yttri 2u m [J ].App lied Catalysis A:General,2000,192,307～316 [2] 龚茂初,文梅,高士杰等.耐高温高表面积氧化铝的制备 及性质Ⅱ-La 的添加对硫酸铝铵法制高表面A l 2O 3的影响[J ].催化学报,2000,21(5):404～410 [3] 龚茂初,章洁,高士杰等.整体式甲烷燃烧催化剂的活性 研究[J ].天然气化工,2000,25(6):8～12 [4] 龚茂初,林之恩,高士杰等.高温高表面氧化铝新材料的 制备化学研究Ⅳ-镧组分对溶胶-凝胶法制高比表面 A l 2O 3的影响[J ].燃料化学学报,2001,29(1):76～81[5] Beguin B,Garbowski E,Pri m etM.(1991a )Stabilizati on of alu m ina byadditi on of lanthanu m [J ].App lied Catalysis,75,119～132 [6] Beguin B,Garbowski E,Pri m etM.(1991b )Stabilizati on of alu m ina t oward ther mal sintering by silicon additi on[J ].Journal of Catalysis,127,595～604 [7] W ang R.(1997)Catalyst support f or high te mperature ap 2 p licati ons and catalysts and catalytic p r ocesses e mp l oying 陆富生 甲烷催化燃烧催化剂催化理论与应用研究进展 20091Vo l 123,No.8 化工时刊 sa me[P].WO Patent97/005057(13Feb1997). [8] Labal m e V,Beguin B,Gaillard F,Pri m etM.Characterisa2 ti on andacid p r operties of s ome modified combusti on cata2 lysts:Pt/alu m ina with bariu m and Pt/zirconia with yttriu m [J].App lied Catalysis A:General,2000,192,307～316 [9] 李丽娜,陈耀强,向云等.Fe2O3/YSZ-γ-A l2O3催化剂 在甲烷催化燃烧中的催化性能研究[J].高等学校化学 学报,2003,12:2235～2238 [10] A lessandr o Tr ovarelli,Carle de Leitenburg.,et al.The u2 tilizati on of ceria in industrial catalysis[J].Catal.Taday, 1999,50:353～367 [11] H V idal,J Kas par,M Pij olat.,et al.Redox behavi or of Ce O2-Zr O2m ixed oxides:I nfluence of redox treat m ents on high surface area catalysts[J].App l.Catal.B,2000, 27:49～63 [12] H V idal,J Kas par,M Pij olat.,et al.Redox behavi or of Ce O2-Zr O2m ixed oxides:I nfluence of redox treat m ents on l ow surface area catalysts[J].App l.Catal.B,2001, 30:75～85 [13] Masakuni Oza wa.Role of ceriu m-zirconiu m m ixed oxides as catalysts f or car polluti on:A short review[J].Journal of A ll oys and Compounds,1998,275-277,886～890 [14] Sitthi phong.,et al.Catalytic oxidati on of methane over Ce O2-Zr O2m ixed oxide s olid s oluti on catalysts p repared via urea hydr olysis[J].App l.Catal.A,2002,234:221～ 233 [15] Lei M a,Meng-Fei Luo,Song-Ying Chen.Redox be2 havi or and catalytic p r operties of Cu O/Ce0.8Zr0.2O2 catalysts[J].App l.Catal.A,2003,242:151～159 [16] Daniela Terribile,A lessandr o Tr ovarelli.,et al.Catalytic combusti on of hydr ocarbons with Mn and Cu-doped ceria -zirconia s olid s oluti ons[J].Catal.Taday,1999,47:133 ～140 [17] C https://www.doczj.com/doc/0410894151.html,busti on of methane on CeO2-Zr O2based catalysts[J].Catal.Today,2000,59:33～45 [18] 谢春英.储氧材料的制备及其性能研究[D].四川:四 川大学,2002 [19] G Gr opp i,C Cristiani,L L ietti.,et al.Effect of ceria on palladiu m supported catalysts f or high te mperature com2 busti on of CH4under lean conditi ons[J].Catal.Taday, 1999,50:399～412 [20] B ri ot P,Pri m et M.(1991)Catalytic oxidati on of meth2 ane over palladiu m supported on alu m ina-effect of aging under reactants.[J].App lied Catalysis,68,301～314 [21] Tri m m D L.(1983)Catalytic combusti on(revie w)[J]. App lied Catalysis,7,249～282 [22] W A Daniel,J T W ent w orth.The study of noble metal catalysts f or methane catalytic combusti on[C].March Meeting of The S ociety of Aut omotive Engineers.1962, P486～497 [23] D Ferri,L Forni.Methane combusti on on s ome per ovskite -like m ixed oxides[J].App lied Catalysis B:Envir on2 mental,1998,16:119～126 [24] S V Nguyen.,et al.M es opor ous silica supported LaCoO3 per ovskites as catalysts f or methane oxidati on[J].M icr o2 por ous and Mes opor ousM aterials,2002,54:51～61 [25] O’Connell M,Nor man A K,Hulter mann C F.Catalytic oxidati on over lanthanu m-transiti on metal per ovskite ma2 terials[J].Catal.Today,1999,47:123～132 [26] Saracco G,Geobaldo F,Baldi G.Methane combusti on on Mg-doped La M n O3per ovskite catalysts[J].App l. Catal.B,1999,20:277～288 [27] R Kikuchi.,et al.H igh te mperature catalytic combusti on of methane and p r opane over hexaalu m inate catalysts:NOx e m issi on characteristics[J].Catalysis Today,2003,83: 223～231 [28] Zarur A J,Ying J Y.Reverse m icr oe mulsi on synthesis of nanostructured comp lex oxides f or catalytic combusti on [J].Nature,2000,403(6765):65～66 [29] Zarur A J,Hwu H H,Ying J Y.Reverse m icr oemulsi on -mediated synthesis and structural evoluti on of bariu m hexaalu m inate nanoparticles[J].Lang muir,2000,16: 3042～3049 [30] Song K S,Cui H X,Ki m S D.,et al.Catalytic combus2 ti on of CH4and CO on La1-x Mx Mn O3per ovskites[J]. Catal.Today,1999,47:155～160 [31] Oh S H,M itchell P J,Sie wert R M.Catalytic contral of air polluti on[J],ACS Sy mposiu m Series,1992,12,495 ～509 化工时刊 20091Vo l123,No.8 论文综述《Review s》 催化燃烧原理 催化燃烧原理？下面就由安徽宝华环保科技有限公司来给大家简单介绍下吧！催化燃烧是用催化剂使废气中可燃物质在较低温度下氧化分解的净化方法。所以，催化燃烧又称为催化化学转化。由于催化剂加速了氧化分解的历程，大多数碳氢化合物在300~450℃的温度时，通过催化剂就可以氧化完全。与热力燃烧法相比，催化燃烧所需的辅助燃料少，能量消耗低，设备设施的体积小。但是，由于使用的催化剂的中毒、催化床层的更换和清洁费用高等问题，影响了这种方法在工业生产过程中的推广和应用。 在化学反应过程中，利用催化剂降低燃烧温度，加速有毒有害气体完全氧化的方法，叫做催化燃烧法。由于催化剂的载体是由多孔材料制作的，具有较大的 比表面积和合适的孔径，当加热到300~450℃的有机气体通过催化层时，氧和有机气体被吸附在多孔材料表层的催化剂上，增加了氧和有机气体接触碰撞的机会，提高了活性，使有机气体与氧产生剧烈的化学反应而生成CO2和H2O，同时产生热量，从而使得有机气体变成无毒无害气体。 催化燃烧装置主要由热交换器、燃烧室、催化反应器、热回收系统和净化烟气的排放烟囱等部分组成，如右图所示。其净化原理是：未净化气体在进入燃烧室以前，先经过热交换器被预热后送至燃烧室，在燃烧室内达到所要求的反应温度，氧化反应在催化反应器中进行，净化后烟气经热交换器释放出部分热量，再由烟囱排入大气。 安徽宝华环保科技有限公司拥有环保专业承包叁级资质和国家清洁生产咨询审核资质，根据市场需求，不断推陈出新，积极与国内科研院校建立战略合作关系，不断引进新技术与新人才，进一步提升业务能力与水平。公司在全体宝华人的努力下，逐渐发展成为具有影响力的环保综合服务商。公司秉承“客户至上、服务第一”的理念，依托强大的技术支持和完备的售后服务，为您解决身边的环境问题。全体宝华人愿与您携手并进，共建美丽中国，同创绿色地球。 1、吸附-催化燃烧法原理 吸附浓缩-催化燃烧法，该设备采用多气路连续工作，设备多个吸附床可交替使用。含有机物的废气经风机的作用，经过活性炭吸附层，有机物质被活性炭特有的作用力截留在其内部，吸附去处效率达80%，吸附后的洁净气体排出；经过一段时间后，活性炭达到饱和状态时，停止吸附，此时有机物已被浓缩在活性炭内，之后按照PLC自动控制程序将饱和的活性炭床与脱附后待用的活性炭床进行交替切换。CO（催化氧化设备）自动升温将热空气通过风机送入活性炭床使碳层升温将有机物从活性炭中“蒸”出，脱附出来的废气属于高浓度、小风量、高温度的有机废气。 催化燃烧法：VOC-CH 型有机气体催化净化装置，是利用催化剂使有害气体中的可燃组 和分在较低的温度下氧化分解的净化方法。对于 CnHm 和有机溶剂蒸汽氧化分解生成CO 2 O并释放出大量热量。其反应方程式为： H 2 图3-1 VOC-CO原理图 活性炭脱附出来的高浓度、小风量、高温度的有机废气经阻火除尘器过滤后，进入特制的板式热交换器，和催化反应后的高温气体进行能量间接交换，此时废气源的温度得到第一次提升；具有一定温度的气体进入预热器，进行第二次的温度提升；之后进入第一级催化反应，此时有机废气在低温下部份分解，并释放出能量，对废气源进行直接加热，将气体温度提高到催化反应的最佳温度；经温度检测系统检测，温度符合催化反应的温度要求，进入催化燃烧室，有机气体得到彻底分解，同时释放出大量的热量；净化后的气体通过热交换器将热能转换给出冷气流，降温后气体由引风机排空。 有机物利用自身氧化燃烧释放出的热量维持自燃，如果脱附废气浓度足够高，CO 正常 使用需要很少的电功率甚至不需要电功率加热，做到真正的节能、环保，同时，整套装置安全、可靠、无任何二次污染。 2、处理工艺流程 根据行业要求及减少用户投资成本、运行维护费用，拟采用湿法除尘、干式过滤、活性炭吸附、催化燃烧脱附的方式对喷漆房污染综合治理，其中吸附浓缩-催化燃烧法工艺流程图如下： 图3-2 喷漆废气处理工艺流程图 本处理装置工艺采用湿法除尘+干式过滤＋吸附＋催化净化装置，工作方式为：一个湿式除尘塔+干式过滤器＋若干个吸附床，经过除尘过滤去除漆雾后，有机废气进入吸附床中进行吸附工作，净化后的气体由风机排入排气筒达标排放。日常工作时吸附床中一个进行脱附再生工作，其余进行吸附工作。脱附时启动催化燃烧器中的电预热器，待温度达到起燃温度时，由脱附风机和补冷风机补入系统中的冷风，经混合后调到适当温度（140℃，其中废气中有机成分沸点：甲苯110.6℃，二甲苯138-144℃）后送入吸附床进行脱附操作，吹脱出的高浓度有机废气（可浓缩10-20倍）与燃烧后的热废气在热交换器中进行热交换得到预热后送入燃烧室，在燃烧室中升到起燃温度后由催化剂将有机物氧化分解为无害的 CO 2和H 2 O。燃烧后的废气经脱附出的气体热交换温度降低至180-200℃后用于脱附，多余废 气排入排气筒。 由多个吸附床轮流进行吸附和脱附再生，吸附与脱附之间切换，连续运行（工作时间可根据企业生产情况调节）。本工程设计废气浓度100ppm，浓缩后有机废气浓度可达到5000mg/m3以上，在燃烧器启动通过电加热升温至起燃温度后，可维持自燃。 Hans Journal of Chemical Engineering and Technology 化学工程与技术, 2019, 9(4), 299-304 Published Online July 2019 in Hans. https://www.doczj.com/doc/0410894151.html,/journal/hjcet https://https://www.doczj.com/doc/0410894151.html,/10.12677/hjcet.2019.94042 Study on Catalytic Combustion of Toluene on Co-Based Catalysts Shengkang Wang, Hua Pan*, Yiping Mao, Zhongyu Yang, Dingsheng Zhang, Yu Mei College of Biology and Environmental Engineering, Zhejiang Shuren University, Hangzhou Zhejiang Received: Jun. 14th, 2019; accepted: Jun. 28th, 2019; published: Jul. 4th, 2019 Abstract Co/CeO2 and Co/TiO2 catalysts were prepared by impregnation method. The catalytic behavior of Co/CeO2 and Co/TiO2 catalysts for catalytic combustion of toluene was investigated. It shows that the activity of Co/CeO2 catalyst is higher than that of Co/TiO2 catalyst. Co/CeO2 catalyst has a lower light-off temperature (T50= 210?C), while the conversion of toluene can be stabilized at 80% at 225?C on Co/CeO2. Co/CeO2 has a larger specific surface area, which increases the contact area of the reactants with the catalyst, resulting in the higher activity of the catalyst. The active compo-nent in the Co/CeO2and Co/TiO2catalysts is Co3O4. The higher content of O surf and Co3O4on the surface of Co/CeO2 catalyst may be the main reason for the higher activity of Co/CeO2 catalyst. Keywords Cobalt, Catalytic Combustion, Toluene Co基催化剂上甲苯催化燃烧的研究 王晟康，潘华*，毛益萍，杨仲余，张鼎盛，梅瑜 浙江树人大学生物与环境工程学院，浙江杭州 收稿日期：2019年6月14日；录用日期：2019年6月28日；发布日期：2019年7月4日 摘要 采用浸渍法制备了Co/CeO2和Co/TiO2催化剂，考察了Co/CeO2和Co/TiO2催化剂催化燃烧甲苯的催化行为。研究表明：Co/CeO2催化剂活性高于Co/TiO2催化剂活性。Co/CeO2催化剂具有较低的起燃温度(T50 *通讯作者。 烃及其含氧衍生物的燃烧通式： 烃：CxHy＋(x＋y/4)O2→xCO2＋y/2H2O 烃的含氧衍生物：CxHyOz＋(x＋y/4－z/2)O2 ? xCO2＋y/2H2O 规律1：耗氧量大小的比较 (1)等质量的烃(CxHy)完全燃烧时，耗氧量及生成的CO2和H2O的量均决定于y/x的比值大小。比 值越大，耗氧 越多。相同质量的有机物中，烷烃中CH 4耗氧量最大；炔烃中，以C 2 H 2 耗氧量最少；苯及其同系 物中以C 6H 6 的耗氧量最少；具有相同最简式的不同有机物完全燃烧时，耗氧量相等。 (2)等质量具有相同最简式的有机物完全燃烧时，其耗氧量相等，燃烧产物相同，比例亦相同。等物质 的量的各种有机物（只含C、H、O）完全燃烧时，分子式中相差若干个“CO 2”部分或“H 2 O”部分， 其耗氧量相等。 (3)等物质的量的烃(CxHy)及其含氧衍生物(CxHyOz)完全燃烧时的耗氧量取决于x＋y/4－z/2，其值越 大，耗氧量越多。 (4)等物质的量的不饱和烃与该烃和水加成的产物(如乙烯与乙醇、乙炔与乙醛等)或加成产物的同分异 构完全燃烧，耗氧量相等。即每增加一个氧原子便内耗两个氢原子。 规律2：气态烃(CxHy)在氧气中完全燃烧后(反应前后温度不变且高于100℃)： 若y＝4，V总不变；(有CH4、C2H4、C3H4、C4H4) 若y＜4，V总减小，压强减小；(只有乙炔) 若y＞4，V总增大，压强增大。 有机分子结构的确定： 物理方法：红外光谱仪→红外光谱确定化学键或官能团 核磁共振仪→核磁共振仪氢谱确定不同化学环境的氢原子种数及个数比 相对分子质量的测定——质谱法 催化燃烧的基本原理 催化燃烧是典型的气-固相催化反应，其实质是活性氧参与的深度氧化作用。在催化燃烧过程中，催化剂的作用是降低活化能，同时催化剂表面具有吸附作用，使反应物分子富集于表面提高了反应速率，加快了反应的进行。借助催化剂可使有机废气在较低的起燃温度条件下，发生无焰燃烧，并氧化分解为CO2和H20, 同时放出大量热能，其反应过程为： 2 催化燃烧的特点及经济性 2.1催化燃烧的特点 2.1.1起燃温度低，节省能源 有机废气催化燃烧与直接燃烧相比，具有起燃温度低，能耗也小的显著特点。在某些情况下，达到起燃温度后便无需外界供热。 二、催化剂及燃烧动力学 2.1催化剂的主要性能指标 在空速较高，温度较低的条件下，有机废气的燃烧反应转化率接近100%，表明该催化剂的活性较高[9]。催化剂的活性分诱导活化、稳定、衰老失活3 个阶段，有一定的使用限期，工业上实用催化剂的寿命一般在2年以上。使用期的长短与最佳活性结构的稳定性有关，而稳定性取决于耐热、抗毒的能力。对催化燃烧所用催化剂则要求具有较高的耐热和抗毒的性能。有机废气的催化燃烧一般不会在很严格的操作条件下进行，这是由于废气的浓度、流量、成分等往往不稳定，因此要求催化剂具有较宽的操作条件适应性。催化燃烧工艺的操作空速较大，气流对催化剂的冲击力较强，同时由于床层温度会升降，造成热胀冷缩，易使催化剂载体破裂，因而催化剂要具有较大的机械强度和良好的抗热胀冷缩性能。 2.2催化剂种类 目前催化剂的种类已相当多，按活性成分大体可分3 类。2.2.1贵金属催化剂 铂、钯、钌等贵金属对烃类及其衍生物的氧化都具有很高的催化活性，且使用寿命长，适用范围广，易于回收，因而是最常用的废气燃烧催化剂。如我国最早采用的Pt-Al203 催化剂就属于此类催化剂。但由于其资源稀少，价格昂贵，耐中毒性差，人们一直努力寻找替代品或尽量减少其用量。2.2.2过渡金属氢化物催化剂 作为取代贵金属催化剂，采用氧化性较强的过渡金属氧化物，对甲烷等烃类和一氧化碳亦具有较高的活性，同时降低了催化剂的成本，常见的有Mn0x、CoOx和CuOx等催化剂。大连理工大学研制的含Mn02催化剂，在130C及空速13000h-1 的条件下能消除甲醇蒸气，对乙醛、丙酮、苯蒸气的清除也很有效果。 考点20 燃烧与燃料 （18仙桃）20．充分燃烧1kg天然气和煤所产生CO2和SO2的质量如上图所示。下列说法不．正确 ．．的是 A．等质量的煤和天然气充分燃烧，产生CO2的量接近，但产生SO2的量却相差较大 B．煤、天然气充分燃烧产生的CO2和SO2是导致酸雨的主要气体 C．煤、天然气及石油等是重要的化石燃料，属于不可再生能源 D．由图示可知，提倡将煤改为天然气作燃料，有利于改善空气质量 （18长春）6．有关甲烷（CH4）的说法中，正确的是 A．甲烷分子由碳原子和氢原子构成 B．相对分子质量是16g C．碳元素和氢元素的质量比是1︰4 D．碳元素比氢元素的质量分数小 （8黄冈）25、一定质量的甲烷在不充足的氧气中燃烧，甲烷完全反应，生成物只有CO、CO2和H2O，且总质量为20.8g，其中H2O的质量为10.8g，则CO2的质量为 A.5.6g B.8.8g C.4.4g D.4.8g （18安顺）3、纯净物X在氧气中完全燃烧的化学方程式为：X + 2O2 CO2 + 2H2O。下列说法不正确的是（） A.该反应前后原子的种类发生改变 B.X是最简单的有机化合物 C.该反应的生成物都是氧化物 D.X是天然气的主要成分 （18宁波）8.下图是某化学反应的微观示意图。下列说法中错误的是 A.甲是最简单的有机物 B.反应前后原子种类没有发生改变 C.反应生成的丙和丁的分子个数比为1:2 D.一个甲分子是由两个氢分子和一个碳原子构成 （18雅安）1.据《易经》记载：“泽中有火”，“上火下泽”。泽，指湖泊池沼。“泽中有火” 是对“X气体”在湖泊池沼水面上起火现象的描述。这里“X气体”是指 A．一氧化碳B．甲烷C．氧气D．氢气 （18哈尔滨）30.(3分)下图是甲烷与氧气反应的微观模拟图，请回答下列问题： (1)在甲、丙图中将相关粒子图形补充完整甲补充一个氧分子、丙中补充一个水分子 (2)A、B、C、D对应的物质都是由分子构成的 (3)画出比一个C分子多两个质子的离子结构示意图。 （18海南）18．天然气不仅可以作燃料，而且是一种重要的化工原料。 （1）天然气重整可以得到合成气，其反应的微观示意图如下： 反应物生成物 写出上述反应的化学方程式。 （2）用不同催化剂可使合成气合成不同的物质。下列物质仅以合成气为原料不 ．能．得到的 ．可 是（填序号）。 A．甲醛(CH2O) B．甲醇(CH3OH) C．尿素[CO(NH2)2] （18海南）19．现有一份氧元素质量分数为89.5%的过氧化氢溶液，加入M nO2 充分反应后，得到液体的质量为 90g（不考虑操作过程中液体的损失），则生成氧气的质量为 。 g（精确到小数点后1位） （18广东）19.(5分)天然气可以在一定条件下合成甲醇。 (1)请把“题19图”中反应物的微观示意图补画齐全。 do i:10.3969/j .iss n.1002-154X .2009.08.016 甲烷催化燃烧催化剂催化理论与 应用研究进展 陆富生 (淮安市产品质量监督检验所,江苏淮安223001) 摘 要 概述了甲烷催化燃烧催化剂的研究现状,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,还可以提高高温催化剂(如钙钛矿和六铝酸盐材料等)的催化活性。最后简要综述了甲烷催化燃烧反应机理。关键词 催化燃烧 甲烷 贵金属催化剂 金属氧化物催化剂 收稿日期:2009-07-15 作者简介:陆富生(1981～),男,硕士生,从事催化材料方面的研究,E -mail:fnlfs@https://www.doczj.com/doc/0410894151.html, Research Progess of the Cat for M ethane Cat alyti c Co mbusti on i n the Theory and Appli cati on Lu Fusheng (Huaian I nstitute of Supervisi on and I ns pecti on on Pr oduct Quality,J iangsu Huaian 223001) Abstract The recent research p r ogress and devel opments of the catalysts f or methane catalytic com -busti on were described .The catalysts f or methane catalytic combusti on which was composed in three parts (base,active constit 2uent and oxide support )were als o discussed .It is shown that the additi on of metals and metal -oxides i m p r oves the ther mal stability of noble metal catalysts and metal -oxide catalysts such as per ovskites and hexaalum inates,and brings benefit t o activity in methane catalytic combusti on .Finally,the reacti on mechanis m f or methane catalytic com 2busti on was summarized si m p ly . Keywords catalytic combusti on methan noble metal catalysts metal -oxide catalysts 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(1600℃),天然气在空气中的燃烧产物NO x ,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。 1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(5Si O 2?3A l 2O 3?2Mg O )陶 第23卷第8期2009年8月 化工时刊 Chem i ca l I ndu s try Ti m e s Vo l .23,No.8 Aug.8.2009 收稿日期:2002207219. 第一作者:周长军,男,1976年生,硕士,现在美国攻读博士学位.联系人:朱月香.Tel:(010)62751718;Fax:(010)62753937;E 2mail:zhu yx@https://www.doczj.com/doc/0410894151.html,. 基金项目:国家重点基础研究发展规划项目(G2000077503)和国家自然科学基金资助项目(29803001). 文章编号:025329837(2003)0320229204 研究论文:229～232 SnCuO 催化剂上甲烷的催化燃烧性能 周长军, 林 伟, 朱月香, 谢有畅 (北京大学化学与分子工程学院分子动态与稳态结构国家重点实验室,北京100871) 摘要:采用双股并流共沉淀法制备了SnCuO 系列催化剂,测定了它们对甲烷燃烧反应的催化活性及抗硫中毒性能,并采用 XRD,BET,XPS,DTA 2TG 和FT 2IR 等技术对催化剂进行了表征.比表面积和活性测试结果表明,SnCuO 系列样品的比表面 积均大于纯氧化物,其低温催化活性大大高于纯氧化物.在Sn ΠCu 原子数比接近1时,其比表面积最大(超过100m 2 Πg ).具有最大比表面积的样品SnCu4和SnCu5的活性最高.进一步测定了SnCu4样品的抗硫中毒性能.结果发现,在500℃下,反应刚开始时甲烷的转化率为98%,随着SO 2的不断通入,催化剂的活性逐渐降低,到12h 后基本稳定,此时甲烷转化率仅为 50%.采用FT 2IR 和热重分析方法对SnCu4硫中毒的机理进行了研究,发现其中毒原因在于SnCuO 系列催化剂中的CuO 与SO 2反应几乎完全转化为CuSO 4,导致催化剂活性降低. 关键词:甲烷,催化燃烧,氧化锡,氧化铜,硫中毒中图分类号:O643 文献标识码:A CatalyticCombustionofMethaneoverSnCuOCatal ysts ZHOUChan gjun ,LINWei ,ZHUYuexian g 3 ,XIEYouchan g (State Key Laborator y for Structural Chemistr y of Unstable and Stable S pecies,College of Chemistr y and Molecular Engineerin g ,Peking Universit y ,Beijin g 100871,China ) Abstract :Catalyticcombustionofmethaneisaneffectivewa ytoutilizeitasanener gysource,orto preventit from pollutin gtheatmos phere.Itwasfoundthatthebinar ymetaloxidesbasedonSnO 2displayed quitehi ghac 2tivit yforthedee poxidationofmethane.Thebinar ySnCuOcatal ystswere preparedb yamodifiedco 2precipitati 2onmethodandcharacterizedb yXRD,BET,XPS,DTA 2TGandFT 2IR.Thecatal yticactivit yofthecatal ysts formethanecombustionaswellastheirresistancetosulfur poisoningwereinvesti gated.Theresultsshowedthat thesurfaceareasofallSnCuOcatal ystsarebi ggerthan pureSnO 2orCuO,es peciallyforthesam pleswith n (Sn )Πn (Cu )≈1,theirs pecificsurfaceareasarebi ggerthan100m 2 Πg.Thecatal yticactivit yofthecatal ystsat lowtem peratureishi gherthan pureSnO 2orCuO.SnCu4andSnCu5withthebi ggests pecificsurfaceareashow thehi ghestcatal yticactivit y.Forsam pleSnCu4,theresistancetosulfur poisoning,whichisanim portantfactor forthecatal ysts,wasalsoinvesti gated.SO 2wasaddedintothesource gas (φ(SO 2)=0102%)andthecatal ytic activit ywasmeasuredat500℃.TheCH 4conversionwas98%atthebe ginnin g,butdecreased graduallyand keptstableafter12hwithCH 4conversionof50%.Themechanismofsulfur poisoningwasfurtherstudiedb y FT 2IRandDTA 2TGmethodsanditwasfoundthatthedeactivationofthecatal ystsunderSO 2isduetotransfor 2mationofCuOintoCuSO 4. Ke ywords :methane,catal yticcombustion,tinoxide,co pperoxide,sulfur poisoning 通过催化燃烧将有机废气转化为无害的CO 2和水是处理有机废气的有效方法.甲烷是一种工业 生产中大量排放的废气,采用催化燃烧的方法将其 转化,不仅可以消除它对大气的污染,而且还可以回 第24卷第3期 Vol.24No.3 催 化 学 报 ChineseJournalofCatal ysis 2003年3月 March2003 催化燃烧是借助催化剂在低温下(200～400℃)下，实现对有机物的完全氧化，因此，能耗少，操作简便，安全，净化效率高，在有机废气特别是回收价值不大的有机废气净化方面，比如化工，喷漆、绝缘材料、漆包线、涂料生产等行业应用较广，已有不少定型设备可供选用。 一、催化原理及装置组成 (1)催化剂定义催化剂是一种能提高化学反应速率，控制反应方向，在反应前后本身的化学性质不发生改变的物质。 (2)催化作用机理催化作用的机理是一个很复杂的问题，这里仅做简介。在一个化学反应过程中，催化剂的加入并不能改变原有的化学平衡，所改变的仅是化学反应的速度，而在反应前后，催化剂本身的性质并不发生变化。那么，催化剂是怎样加速了反应速度呢了既然反应前后催化剂不发生变化，那么催化剂到底参加了反应没有?实际上，催化剂本身参加了反应，正是由于它的参加，使反应改变了原有的途径，使反应的活化能降低，从而加速了反应速度。例如反应A+B→C是通过中间活性结合物(AB)过渡而成的，即： A+B→[AB]→C 其反应速度较慢。当加入催化剂K后，反应从一条很容易进行的途径实现： A+B+2K→[AK]+[BK]→[CK]+K→C+2K 中间不再需要[AB]向C的过渡，从而加快了反应速度，而催化剂并未改变性质。 (3)催化燃烧的工艺组成不同的排放场合和不同的废气，有不同的工艺流程。但不论采取哪种工艺流程，都由如下工艺单元组成。 ①废气预处理为了避免催化剂床层的堵塞和催化剂中毒，废气在进入床层之前必须进行预处理，以除去废气中的粉尘、液滴及催化剂的毒物。 ②预热装置预热装置包括废气预热装置和催化剂燃烧器预热装置。因为催化剂都有一个催化活性温度，对催化燃烧来说称催化剂起燃温度，必须使废气和床层的温度达到起燃温度才能进行催化燃烧，因此，必须设置预热装置。但对于排出的废气本身温度就较高的场合，如漆包线、绝缘材料、烤漆等烘干排气，温度可达300℃以上，则不必设置预热装置。 预热装置加热后的热气可采用换热器和床层内布管的方式。预热器的热源可采用烟道气或电加热，目前采用电加热较多。当催化反应开始后，可尽量以回收的反应热来预热废气。在反应热较大的场合，还应设置废热回收装置，以节约能源。 预热废气的热源温度一般都超过催化剂的活性温度。为保护催化剂，加热装置应与催化燃烧装置保持一定距离，这样还能使废气温度分布均匀。 从需要预热这一点出发，催化燃烧法最适用于连续排气的净化，若间歇排气，不仅每次预热需要耗能，反应热也无法回收利用，会造成很大的能源浪费，在设计和选择时应注意这一点。 ③催化燃烧装置一般采用固定床催化反应器。反应器的设计按规范进行，应便于操作，维修方便，便于装卸催化剂。 在进行催化燃烧的工艺设计时，应根据具体情况，对于处理气量较大的场合，设计成分建式流程，即预热器、反应器独立装设，其间用管道连接。对于处理气量小的场合，可采用催化焚烧炉，把预热与反应组合在一起，但要注意预热段与反应段间的距离。 在有机物废气的催化燃烧中，所要处理的有机物废气在高温下与空气混合易引起爆炸，安全问题十分重要。因而，一方面必须控制有机物与空气的混合比，使之在爆炸下限；另一方面，催化燃烧系统应设监测报警装置和有防爆措施。 二、催化燃烧用催化剂 由于有机物催化燃烧的催化剂分为贵金属(以铂、钯为主)和贱金属催化剂。贵金属为活性组分的催化剂分为全金属催化剂和以氧化铝为载体的催化剂。全金属催化剂是以镍或镍铬合金为载体，将载体做成带、片、丸、丝等形状，采用化学镀或电镀的方法，将铂、钯等贵金属沉积其上，然后做成便于装卸的催化剂构件。由氧化铝作载体的贵金属催化剂，一般是以陶 【教学资源】 探究甲烷燃烧的产物 湖北省石首市文峰中学刘涛 果果查阅资料知道：2017年5月，我国在南海海域成功开采可燃冰。可燃冰外观像冰，主要成份是甲烷水合物（甲烷分子和水分子组成），可表示为CH4?nH2O，在开采过程中，若甲烷泄漏会导致严重的温室效应。果果对甲烷燃烧的产物产生了兴趣，设计实验探究：【提出问题】甲烷燃烧后生成哪些物质？ 【查阅资料】①含碳元素的物质完全燃烧生成CO2，不完全燃烧生成CO； ②白色无水CuSO4粉末遇水变蓝色； ③C O与人体内的血红蛋白结合，会造成人中毒缺氧。 【猜想与假设】猜想一：CO2、H2O；猜想二：CO、H2O；猜想三：CO2、CO、H2O 【实验探究】将甲烷在一定量的纯净氧气中燃烧的产物依次通过C﹣G装置（部分夹持、固 定装置省略）进行验证： ⑴装置A、B中标有数字的仪器名称①酒精灯，②锥形瓶。 若选用过氧化氢溶液和二氧化锰来制取氧气，应选用的发生装置是（填序号）。该反应的化学方程式为，该反应的基本类型为。 ⑵实验过程中观察到C中白色粉末变为蓝色，D、G中澄清石灰水变浑浊，F中红色粉末 变成黑色，由此推断猜想（填数字序号）成立。 ⑶实验过程中D装置的作用是；该反应的化学方程式是。 ⑷实验过程中用纯净O2而不用空气的原因是。 ⑸实验过程中C、D装置的顺序不能颠倒，原因是。 【反思与交流】日常生活中，使用含碳燃料一定要注意通风，防止中毒。 参考答案 ⑴酒精灯；锥形瓶；B；2H2O22H2O＋O2↑；化合反应； ⑵三； ⑶检验二氧化碳；CO2＋Ca(OH)2＝CaCO3↓＋H2O； ⑷空气中含有水蒸气和二氧化碳，影响检验结果。 ⑸气体通过澄清石灰水时会带出水蒸气。 【反思与交流】一氧化碳（或CO）。 同步训练 1．我国首次在南海成功试采海域可燃冰。可燃冰是一种主要含有甲烷水合物的化石燃料，下列关于可燃冰的认识，正确的是（） A．一种化合物B．一种高效清洁能源 C．一种可再生能源D．一种可以燃烧的固态水 2．2017年，我国海域可燃冰开采取得重大突破。下列有关可燃冰的叙述正确的是（）A．可燃冰是一种纯净物 B．可燃冰在常温常压下不易长久保存 C．可燃冰的成功开发利用使“水变油”成为可能 D．可燃冰作为一种清洁能源对环境没有任何危害 3．我国首次在南海神孤海域试采“可燃冰”（天然气水合物）成功。下列关于“可燃冰”说法正确的是（） A．“可燃冰”外形像冰，是天然气冷却后得到的固体 B．“可燃冰”燃烧后几乎不产生残渣和废气，被誉为“绿色能源” C．通常状况下，天然气和水就能结合成“可燃冰“” D．“可燃冰”储量巨大，属于可再生能源 4．目前，我国在可燃冰的开采技术上处于世界领先水平。可燃冰将成为未来新能源，外观像冰，主要含有甲烷水合物（由甲烷分子和水分子组成），还含少量二氧化碳等物质。可燃冰在低温和高压条件下形成．1体积可燃冰可储载100～200倍体积的甲烷气体，具有能量高，燃烧值大等优点。 ⑴可燃冰属于_____（填“可再生”或“不可再生”）资源。为缓解能源危机，人们还必须积极开发利用新能源，请写出两种新能源_______________； 广州和风环境技术有限公司 https://www.doczj.com/doc/0410894151.html,/ 催化燃烧的性质是什么 催化燃烧是借助催化剂在低温下(200～400℃)下，实现对有机物的完全氧化，因此，能耗少，操作简便，安全，净化效率高，在有机废气特别是回收价值不大的有机废气净化方面，比如化工，喷漆、绝缘材料、漆包线、涂料生产等行业应用较广，已有不少定型设备可供选用。 一、催化原理及装置组成 (1)催化剂定义催化剂是一种能提高化学反应速率，控制反应方向，在反应前后本身的化学性质不发生改变的物质。 (2)催化作用机理催化作用的机理是一个很复杂的问题，这里仅做简介。在一个化学反应过程中，催化剂的加入并不能改变原有的化学平衡，所改变的仅是化学反应的速度，而在反应前后，催化剂本身的性质并不发生变化。那么，催化剂是怎样加速了反应速度呢了既然反应前后催化剂不发生变化，那么催化剂到底参加了反应没有?实际上，催化剂本身参加了反应，正是由于它的参加，使反应改变了原有的途径，使反应的活化能降低，从而加速了反应速度。例如反应A+B →C是通过中间活性结合物(AB)过渡而成的，即：A+B→[AB]→C 其反应速度较慢。当加入催化剂K后，反应从一条很容易进行的途径实现：A+B+2K →[AK]+[BK]→[CK]+K→C+2K 中间不再需要[AB]向C的过渡，从而加快了反应速度，而催化剂并未改变性质。 (3)催化燃烧的工艺组成不同的排放场合和不同的废气，有不同的工艺流程。但不论采取哪种工艺流程，都由如下工艺单元组成。 ①废气预处理为了避免催化剂床层的堵塞和催化剂中毒，废气在进入床层之前必须进行预处理，以除去废气中的粉尘、液滴及催化剂的毒物。 ②预热装置预热装置包括废气预热装置和催化剂燃烧器预热装置。因为催化剂都有一个催化活性温度，对催化燃烧来说称催化剂起燃温度，必须使废气和床层的温度达到起燃温度才能进行催化燃烧，因此，必须设置预热装置。但对于排出的废气本身温度就较高的场合，如漆包线、绝缘材料、烤漆等烘干排气，温度 往往业主在采购废气处理设备的时候会问一些技术性的问题以决定采用哪种技术，哪种技术最为适合该工艺，下面专门介绍本公司生产的，吸附+脱附+催化燃烧有机废气处理设备的技术原理及工艺流程。以供广大业主参考。 一、催化燃烧的基本原理 催化燃烧是典型的气-固相催化反应，其实质是活性氧参与的深度氧化作用。在催化燃烧过程中，催化剂的作用是降低活化能，同时催化剂表面具有吸附作用，使反应物分子富集于表面提高了反应速率，加快了反应的进行。借助催化剂可使有机废气在较低的起燃温度条件下，发生无焰燃烧，并氧化分解为CO2和H2O，同时放出大量热能，其反应过程为： 2 催化燃烧的特点及经济性 2.1 催化燃烧的特点 2.1.1起燃温度低，节省能源 有机废气催化燃烧与直接燃烧相比，具有起燃温度低，能耗也小的显著特点。在某些情况下，达到起燃温度后便无需外界供热。 二、催化剂及燃烧动力学 2.1 催化剂的主要性能指标 在空速较高，温度较低的条件下，有机废气的燃烧反应转化率接近100%，表明该催化剂的活性较高[9]。催化剂的活性分诱导活化、稳定、衰老失活3个阶段，有一定的使用限期，工业上实用催化剂的寿命一般在2年以上。使用期的长短与最佳活性结构的稳定性有关，而稳定性取决于耐热、抗毒的能力。对催化燃烧所用催化剂则要求具有较高的耐热和抗毒的性能。有机废气的催化燃烧一般不会在很严格的操作条件下进行，这是由于废气的浓度、流量、成分等往往不稳定，因此要求催化剂具有较宽的操作条件适应性。催化燃烧工艺的操作空速较大，气流对催化剂的冲击力较强，同时由于床层温度会升降，造成热胀冷缩，易使催化剂载体破裂，因而催化剂要具有较大的机械强度和良好的抗热胀冷缩性能。 2.2 催化剂种类 目前催化剂的种类已相当多，按活性成分大体可分3类。 2.2.1贵金属催化剂 铂、钯、钌等贵金属对烃类及其衍生物的氧化都具有很高的催化活性，且使用寿命长，适用范围广，易于回收，因而是最常用的废气燃烧催化剂。如我国最早采用的Pt-Al2O3催化剂就属于此类催化剂。但由于其资源稀少，价格昂贵，耐中毒性差，人们一直努力寻找替代品或尽量减少其用量。 2.2.2过渡金属氢化物催化剂 作为取代贵金属催化剂，采用氧化性较强的过渡金属氧化物，对甲烷等烃类和一氧化碳亦具有较高的活性，同时降低了催化剂的成本，常见的有MnOx、CoOx和CuOx等催化剂。大连理工大学研制的含MnO2催化剂，在130℃及空速13000h-1的条件下能消除甲醇蒸气，对乙醛、丙酮、苯蒸气的清除也很有效果。 2.2.3复氧化物催化剂 一般认为，复氧化物之间由于存在结构或电子调变等相互作用，活性比相应的单一氧化物要高。主要有以下两大类： (1)钙钛矿型复氧化物 稀土与过渡金属氧化物在一定条件下可以形成具有天然钙钛矿型的复合氧化物，通式为ABO3，其活性明显优于相应的单一氧化物。结构中一般A为四面体型结构，B为八面体形结构，这样A和B形成交替立体结构，易于取代而产生品格缺陷，即催化活性中心位，表面晶格氧提供高活性的氧化中心，从而实现深度氧化反应。常见的有几类如：BaCuO2、LaMnO3等。 甲烷的化学性质 【实验目的】 1、探究甲烷的重要化学性质。 2、掌握对物质燃烧产物的定性检验方法。 3、熟悉有关实验操作，提高实验操作的基本技能。 4、培养仔细观察实验现象、认真思考现象产生原因的科学态度。 【知识支持】 1、如何检测可燃性气体的燃烧产物？ 2、如何收集按一定比例组成的甲烷和氯气的混合气体？ 【实验内容】 试剂：甲烷，澄清石灰水，酸性高锰酸钾溶液，溴水，饱和食盐水（收集氯气用），氯气等。仪器：储气瓶（分别盛有甲烷、氯气），干燥的小烧杯，大试管（带橡胶塞），铁 架台（带铁夹），小试管 实验步骤： 实验1 （1）从盛有甲烷的储气瓶中缓缓放出甲烷气体，在导气管尖嘴处将其点 燃，观察气体燃烧时火焰的颜色。 现象。 结论。 （2）检验燃烧产物的操作： 。 现象 。 结论及解释 实验2 将甲烷气体分别通入酸性KMnO4溶液和溴水中，观察现象。 现象。 结论。 实验3 （1）取一支大试管，用排饱和食盐水的方法收集体积比1:4的甲烷和氯气，用橡胶塞塞好管口，放在光亮的地方（不可日光直射，以免引起爆炸）约3分钟，观察发生的现象。 现象 。 结论 。（2）将上述试管倒立在水槽中，并取下橡胶塞，观察现象。 现象 。 结论及解释 。 请完成反应方程式。 注意：CH2Cl2 、CHCl3、CCl4是液体。 【问题探究】 1、（1）能否利用CH4和Cl2在光照条件下的取代反应制取纯净的氯仿？为什么？ （2）在此实验中，若将NaCl溶液换成Na2SiO3溶液，有什么现象产生？ 2、家庭使用天然气做燃料时，应注意哪些事项？ 3、CCl4为什么不能燃烧？CO2、SF6等也不能在空气中燃烧，其原因与CCl4一样吗？ 4、同样是液态有机物，四氯化碳和氯仿都是良好的有机溶剂，而二氯甲烷却不是，为什么？ 。 2014年11月第22卷第11期 工业催化INDUSTRIAL CATALYSIS Nov.2014Vol.22 No.11综述与展望 收稿日期：2014-04-08 作者简介：蒋 赛，1988年生，男，在读博士研究生。 通讯联系人：季生福，教授，博士研究生导师。甲烷催化燃烧反应工艺研究进展 蒋 赛，郭紫琪，季生福* （北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室，北京100029） 摘 要：甲烷催化燃烧是一种清洁高效的甲烷燃烧技术，在节能减排中具有重要的应用价值。从催化剂、反应工艺和过程强化等方面对近年来甲烷催化燃烧技术进行综述，重点介绍颗粒催化剂固定床反应工艺、整体式催化剂反应工艺、流化床反应工艺和吸放热耦合反应工艺研究进展。用于固定床反应器的颗粒催化剂主要为负载型贵金属催化剂和非贵金属氧化物催化剂。贵金属催化剂活性好，起燃温度低，适合低浓度甲烷的催化燃烧。非贵金属氧化物催化剂耐高温性好，适合较高浓度甲烷燃烧体系。整体式催化剂的甲烷催化燃烧反应工艺中，最常用的是蜂窝陶瓷和金属合金等整体式催化剂的多段式催化燃烧反应器的设计。设计直接采用多段式整体催化剂，催化剂的位置不同，发挥的催化作用也不同。流化床催化燃烧装置具有燃烧过程接触面积广、热容量大和换热效率高等特点，可有效避免传统的固定床催化燃烧反应工艺存在的问题，非常适合应用于低浓度甲烷的催化燃烧过程。利用甲烷催化燃烧强放热的特点，将催化燃烧产生的热量进行时间或空间的耦合，可以开发出吸-放热耦合反应工艺。其中，固定床催化反应器中的流向变换强制周期操作作为一种高效的过程强化技术，在节约反应器成本的同时，可以提高反应热量的利用率。 关键词：能源化学；甲烷；催化燃烧；反应工艺；固定床；流化床 doi ：10.3969/j.issn.1008-1143.2014.11.002 中图分类号：TQ517.5；X701 文献标识码：A 文章编号：1008-1143（2014）11-0816-09 Progress in reaction process for catalytic combustion of methane JIANG Sai ，GUO Ziqi ，JI Shengfu * （State Key Laboratory of Chemical Resource Engineering ，Beijing University of Chemical Technology ，Beijing 100029，China ） Abstract ：Compared with the conventional flame combustion ，the catalytic combustion of methane is a clean and efficient methane burning technology.It possesses an importance application value in the energy saving and the emission reduction.In this paper ，the recent research progress in methane catalytic com-bustion such as the catalysts ，catalytic combustion process ，and methane catalytic combustion process intensification technologies were reviewed.Moreover ，the methane catalytic combustion reaction process of the fixed bed with the particle catalysts ，the monolithic catalysts ，the fluidized bed ，and the coupling of exothermic and endothermic reaction process were focused.The particle catalysts used in the fixed bed reactor mainly were noble metal catalysts and non-noble metal oxide catalysts.Noble metal catalysts with high activity and low light-off temperature were suitable for catalytic combustion of methane with low con-centration.Non-noble metal oxide catalysts with good resistance to high temperature were suitable for com-bustion system of methane with high concentration.Monolithic catalysts for methane catalytic combustion commonly used honeycomb ceramics and metal alloy as monolithic carriers.Monolithic catalysts were催化燃烧原理
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