甲烷与正丁烷微小尺度催化燃烧性能比较

对微圆管内甲烷和正丁烷在Pt/ZSM-5上的催化燃烧进行实验研究,获得并分析了二者的稳燃范围、产物浓度、壁温分布和壁面散热等燃烧性能。发现在富燃条件下甲烷和正丁烷能够在大当量比下实现催化自稳燃烧。相同流量下正丁烷稳燃当量比范围宽于甲烷,贫燃范围在0.4附近。流量由200 ml·min~(-1)增大至1000 ml·min-1,甲烷和正丁烷转化率出现大幅下降。在实验范围内,正丁烷和甲烷的转化率差异不大。化学当量比条件下随流量增大,正丁烷的转化率在600 ml·min~(-1)开始高于甲烷。甲烷和正丁烷能够在散热比例高达70%的情况下自稳催化燃烧且转化率在95%以上。相同流量下,与甲烷相比,正丁烷催化燃烧的壁温、散热功率和散热比例都更高。整体来看,正丁烷催化稳燃范围较甲烷略宽,两者转化率曲线相近,放热功率和壁面散热功率相差较小,正丁烷在必要时可作为甲烷的替代燃料。     

正丁烷氧化制顺酐催化剂的制备及其催化性能

采用有机相法制备了具有优异催化性能的正丁烷氧化制顺酐钒磷氧(VPO)催化剂。通过X射线衍射(XRD)、傅里叶红外光谱(FT-IR)、扫描电镜(SEM)、氮气吸附脱附、X射线光电子能谱(XPS)、热重分析(TG)等方法对催化剂的制备过程进行了研究,分析了催化剂在整个制备过程中物相、价态、形貌和比表面积的变化。在固定床反应器上对正丁烷氧化制顺酐的反应条件进行研究,考察了反应温度、正丁烷浓度和反应空速等条件对催化剂性能的影响。结果表明,催化剂前驱体的主要物相为VOHPO4·0.5H2O。经活化后的催化剂活性相包括(VO)2P2O7(V4+)、VOPO4(V5+)和钒磷云母相(V4+和V5+混合相)。催化剂呈规则的片层结构,具有较高的比表面积,可以达到24.08 m2/g。催化剂在制备过程中需要经过干燥、焙烧和气氛活化,对催化剂的形成具有至关重要的作用。最佳的反应条件:反应温度为395℃,正丁烷摩尔分数为1.4%~1.5%,反应空速为2 000 h-1,此时正丁烷转化率为85%~87%,顺酐收率可达到59%~60%。     

正丁烷氧化制顺酐流化床催化剂性能

实验考察了以正戊醇为还原剂的前驱体制备过程中磷酸浓度对催化剂性能的影响.在较高的磷酸浓度范围内制得的催化剂,V⁴⁺相(VO)₂P₂O₇的量较大,正丁烷的转化率都较高.磷酸浓度减少,V⁵⁺相δ-VOPO₄的相对量逐渐增大,正丁烷的转化率随之升高,而对顺酐的选择性开始时升高,达到最大点后则逐渐降低.在最佳磷酸浓度101.7% 时制备出的催化剂,在进气丁烷浓度为4.0 %、空速为500h^-1的反应条件下,顺酐的最高收率为47.67%(mol).     

正丁烷氧化制顺酐生产技术及催化剂研究进展

介绍用正丁烷氧化制取顺丁烯二酸酐的生产工艺，该工艺催化剂的研究进展和氧化法制顺酐的反应机理。     

VPO催化剂催化正丁烷氧化工艺条件的研究

采用有机相还原法制备了VPO催化剂,并将其用于正丁烷催化氧化合成顺酐。利用单因素实验考察反应温度、原料气组成和空速对催化反应的影响。结果表明,在反应温度420℃、正丁烷物质的量分数1.5%和体积空速1 800 h-1工艺条件下,正丁烷转化率83.23%,顺酐选择性70.59%。     

正丁烷异构化的研究进展

正丁烷异构化产物异丁烷是烷基化反应的主要原料和合成MTBE、ETBE等汽油添加剂的重要前躯体。从烷烃异构化反应机理、影响因素、工艺进展、催化剂研究进展等几个方面,论述了烷烃异构化催化剂的发展概况。催化剂研究新进展主要包括：贵金属改性、非贵金属改性、Mo（W）体系、硫酸锆、杂多酸等,并展望了新型催化剂的应用前景。     

正丁烷氧化制顺酐流化床催化剂的喷雾成型

对正丁烷氧化制顺酐流化床催化剂的颗粒成型进行了研究,在不同类型的粘合剂和喷雾成型的条件下,实验获得了不同颗粒尺寸和粒度分布的流化床催化剂。利用正交实验设计方法探讨了喷雾操作条件对催化反应活性的影响及其变化规律,同时确定了最佳喷零操作条件。研究发现,催化剂颗粒尺寸在20～200μm,平均粒径在70～80μm左右的催化剂对正丁烷流化床催化反应的效果最好。     

甲烷催化燃烧反应与甲烷传感器稳定性的研究

研究了甲烷催化燃烧反应活性及传感器稳定性的影响因素。结果表明,3％Pd／Al2O3催化剂具有较高的反应活性。催化剂、传感器结构、反应气体的传质过程和电桥的供电电压均影响传感器的稳定性。     

NiZnCe复合氧化物的制备及其催化氧化正丁烷脱氢性能

采用溶胶凝胶法制镍锌铈（NiZnCe）复合氧化物催化剂,分别考察了NiZnCe复合氧化物催化剂中Zn和Ce含量对正丁烷氧化脱氢性能的影响。研究结果表明,NiZn_0.5Ce_0.3催化剂的转化率和烯烃选择性较高。采用H₂-TPR、XPS及TPRO的表征方法来揭示催化剂中氧移动循环的不同步骤对催化剂性能的影响。表征结果显示,Ce元素的引入对催化剂的氧移动性产生较大的影响,且催化剂性能与氧容量（参与反应的催化剂中的氧量）呈正相关。此外,Ni与Ce的相互作用导致了Ni阳离子化合价和可接受电子能力的提高,活性Ni更容易吸附活性氧物种,金属与氧气的循环往复反应更活泼。     

负载型钯催化剂上甲烷催化燃烧的研究进展

概述了负载型钯催化剂对甲烷完全氧化的催化机理,以及钯催化剂在甲烷催化燃烧中的性能特点。     

整装式铝泡沫负载Pd催化剂Pd/AlOOH/Al-foam及其催化甲烷燃烧性能

以三维网络结构的铝泡沫板作为骨架基体和铝源,利用水热氧化法制备整装式拟薄水铝石(Al OOH/Al-foam)纳米阵列,随后通过丙酮辅助-初湿浸渍法,制备出整装式铝泡沫负载Pd催化剂Pd/Al OOH/Al-foam,用于低浓度甲烷催化燃烧反应。在制备条件优化过程中,发现催化剂性能受到纳米阵列的形貌特征、物相组成以及焙烧温度等因素的影响。其中,表面富含羟基的拟薄水铝石可促进Pd颗粒的均匀分散,也增强载体和Pd之间的相互作用,进而提高甲烷燃烧的低温活性。稳定性测试初期活性下降较快,主要原因是表层Al_2O_3纳米阵列载体和Pd纳米颗粒自身的不稳定性导致的Pd颗粒烧结。     

甲烷催化燃烧用LaMn/Al_2O_3催化剂研究

为获得具有优良低温活性的甲烷燃烧用催化剂,采用稀土La作为助剂制备了系列Mn基催化剂,借助X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和程序升温还原(TPR)技术对催化剂的结构进行了表征,并评价了其对甲烷燃烧的低温催化性能。结果表明,La助剂的添加显著促进了活性组分MnO2的分散,使其更易于还原,且使Mn4+和晶格氧富集于催化剂表面,因而显著提高了催化剂对甲烷催化燃烧的低温活性。当La质量分数为5%时,催化活性最高,甲烷50%转化率对应的温度较未加助剂时降低了70℃,且完全转化的温度低至480℃。     

微型燃烧器内甲烷预混催化燃烧的数值研究

微尺度燃烧存在热量损失大、易熄火、燃烧不完全、转化效率不高等问题,因此对微型燃烧器内甲烷的燃烧采取预混催化燃烧方式来提高燃烧的稳定性和转化效率,为微型发动机碳氢燃料燃烧技术奠定基础。采用连续介质层流有限速率模型和二阶离散方法对微型燃烧器微流道内的催化燃烧、流动和传热进行了三维数值模拟。结果表明,甲烷质量流量和过量空气系数对催化转化效率有一定影响,壁面温度是影响催化转化效率的主要因素。甲烷质量流量、壁面温度与最佳过量空气系数之间具有一定的变化关系。可根据催化温度选择富燃料或富氧燃烧方式来提高微尺度催化转化效率。恒壁温边界条件下,催化燃烧主要发生在燃烧腔的下壁面。     

SSITKA studies of the catalytic flameless combustion of methane

This paper presents results which were obtained for the flameless combustion of methane over the Pd(PdO)/Al₂O₃ catalyst by using the steady state isotopic transient kinetic analysis method. During the reaction switches between ¹⁶O₂/Ar/CH₄/He and ¹⁸O₂/CH₄/He were carried out. The obtained results indicate the presence of large amounts of oxygen as well as of intermediates leading to the formation of carbon dioxide on the surface of the palladium catalyst. Additionally, information was obtained proving that the complete oxidation of methane over Pd/Al₂O₃ catalyst proceeds according to the Mars and van Krevelen redox mechanism. With the increase of the reaction temperature there is an increase in the number of active centres on the Pd(PdO)/Al₂O₃ catalyst surface—a larger amount of oxygen from the lattice of the catalyst is accessible for the reaction of methane oxidation.     

载体及活性组分对甲烷低温燃烧催化性能的影响

以一定浓度的Pd为活性组分,-γA l2O3为载体,用浸渍法制备了甲烷低温燃烧催化剂,运用固定床反应装置着重研究载体对甲烷低温燃烧反应的催化性能的影响。同时采用同一种载体条件下,重点考察不同浓度的单一活性组分Pd或Pt和(Pt-Pd)双活性组分催化剂对甲烷低温燃烧反应的催化性能的影响。结果表明,由不同载体,负载同一浓度活性组份制备出的催化剂活性有较大差异。(Pt-Pd)/A l2O3双组分燃烧催化剂,性能优于单一组分的Pd/A l2O3或Pt/A l2O3催化剂,(Pd-Pt)/A l2O3体系具有较高的甲烷催化燃烧活性,催化燃烧的起燃温度最低。相比当(Pd 0.2%-Pt 0.1%)/A l2O3时催化剂活性最高,CH4转化率50%的温度为345℃,完全转化温度为405℃。通过1 000 h稳定性试验,显示出甲烷完全氧化温度为405℃左右,具有较好的低温活性及热稳定性。     

Deactivation of palladium catalyst in catalytic combustion of methane

Catalytic combustion of natural gas, for applications such as gas turbines, can reduce NO_x emissions. Palladium-on-stabilised alumina has been found to be the most efficient catalyst for the complete oxidation of methane to carbon dioxide and water. However, its poor durability is considered to be an obstruction for the development of catalytic combustion. This work was aimed at identifying the origin of this deactivation: metal sintering, support sintering, transformation or coking.

Catalytic combustion of methane was studied in a 15 mm i.d. and 50 mm length lab reactor and in a 25 mm i.d. pilot test rig on monolithic honeycomb substrates. Experiments were performed at GHSV of 50 000 h⁻¹ in lab test and 500 000 h⁻¹ in pilot test. The catalysts used were palladium on different supports on cordierite substrate. The catalysts were characterised by XRD, STEM, ATG and XPS.

In steady-state conditions, deactivation has been found to be dependent on the air/methane ratio, the palladium content on the washcoat and the amount of washcoat on the substrate. An oscillating behaviour of the methane conversion was even observed under specific conditions, due to the reducibility of palladium oxide PdO to Pd. The influence of the nature of the support on the catalyst deactivation was also investigated. It has been shown that some supports can surprisingly eliminate this oscillating behaviour. However, in pilot test, deactivation was found to be very rapid, even with stabilised alumina supports. Furthermore, successive tests performed on the same catalyst revealed that the activity (light-off temperature, conversion) falls strongly from one test to another.

Then, the stabilised alumina support was calcined at 1230°C for 16 h prior to its impregnation by palladium, in order to rule out its sintering. Experiments carried out on precalcined catalysts point out that deactivation is mostly correlated to the metal transformation under reaction conditions: activity decreases gradually as PdO sinters, but it dropped much more steeply in relation to appearance of metallic palladium.     

乏风瓦斯流向变换催化燃烧试验研究

为实现低浓度瓦斯气体的高转化率,满足实际工程低温排气的要求,设计制作一套新型流向变换蓄热催化燃烧反应器,并利用模拟气体进行催化燃烧实验研究。结果表明,气体流量为70 L·min^-1、燃烧反应温度控制在500 ℃和甲烷体积分数为0.2%时,甲烷催化燃烧转化率超过80%,出口气体温度低于60 ℃。该系统能满足工程低温排气要求。     

甲烷催化燃烧反应工艺研究进展

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。