低浓度甲烷催化燃烧整体式催化剂制备与动力学研究

论文摘要

低浓度甲烷是煤层气中主要的可燃有机组分,其直接排放不仅会进一步加剧大气环境的温室效应,而且严重时会造成重大矿难的发生。本文以低浓度甲烷催化燃烧脱除为对象,开展了负载铜锰型堇青石整体式催化剂的制备与催化燃烧性能评价的研究,并基于筛选确定的性能最优催化剂进行了本征动力学特性实验,建立了该催化剂上低浓度甲烷催化燃烧的本征动力学模型。基于已有的负载型单金属催化剂制备工艺,通过性能评价与SEM、TPR、XPS表征相结合的方式,系统考察了负载铜锰型堇青石整体式催化剂上活性组分铜锰配比、活性组分负载方法及不同负载量、添加助剂等对催化剂性能的影响。确定了负载铜锰型堇青石催化剂的制备工艺,结果表明：使用等体积浸渍法负载活性组分铜锰的催化剂12%Cu-Mn/6%ZrO2/γ-Al2O3/COR对低浓度甲烷具有较好的催化燃烧处理效果,其中铜锰配比为1：1。采用等温固定床积分反应器,在常压、500-700℃和甲烷摩尔分数0.1%-1%的条件下,对本文筛选确定的铜锰负载型堇青石整体催化剂上低浓度甲烷催化燃烧本征动力学特性进行了系统的实验研究。并基于在线质谱获得的甲烷催化燃烧过程中各物质的变化,探讨了催化燃烧过程机理,建立了低浓度甲烷催化燃烧双曲型本征速率模型,以单纯形法对动力学实验数据进行最优化参数估计,确定了模型参数。数理统计和残差分布检验结果表明,所建模型与实验结果良好相容,是适宜和可信的。

论文目录

• 学位论文数据集
• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 文献综述
• 1.1 煤层气中低浓度甲烷利用现状
• 1.2 催化燃烧技术
• 1.2.1 催化燃烧概念
• 1.2.2 催化燃烧特点
• 1.2.3 催化燃烧技术应用现状
• 1.3 甲烷催化燃烧催化剂
• 1.3.1 贵金属催化剂
• 1.3.2 过渡金属氧化物催化剂
• 1.3.3 复氧化物催化剂
• 1.4 甲烷催化燃烧催化剂的制备
• 1.4.1 催化剂载体
• 1.4.2 过渡涂层的制备
• 1.4.3 活性组分的制备
• 1.5 甲烷催化燃烧本征动力学
• 1.5.1 负载型催化剂上甲烷催化燃烧机理
• 1.5.2 气固非均相催化反应的宏观过程及本征动力学的实质
• 1.5.3 本征动力学反应器选择
• 1.5.4 前人研究的成果
• 1.6 本课题的研究目的及研究内容
• 1.6.1 研究目的
• 1.6.2 研究内容
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验原料及设备
• 2.1.1 实验原料
• 2.1.2 实验设备
• 2.2 催化剂的制备
• 2.3 催化剂的活性评价
• 2.4 催化剂的表征
• 2.4.1 催化剂的SEM表征
• 2.4.2 催化剂的TPR表征
• 2.4.3 催化剂的XPS表征
• 第三章 负载铜锰型低浓度甲烷催化燃烧整体式催化剂性能评价与结构表征
• 3.1 Cu-MN配比的选择
• 3.1.1 不同Cu-Mn配比催化剂的性能评价
• 3.1.2 不同Cu-Mn配比催化剂的TPR表征
• 3.2 活性组分不同负载方法对于催化剂活性的影响
• 3.2.1 活性组分不同负载方法下催化剂活性比较
• 3.2.2 活性组分不同负载方法下催化剂SEM表征
• 3.3 活性组分不同负载量对催化剂活性的影响
• 3.3.1 热吸附法负载活性组分
• 3.3.2 等体积浸渍法负载活性组分
• 3.4 助剂对催化剂活性的影响
• 3.4.1 添加助剂Ce对催化剂活性的影响
• 3.4.2 添加助剂Zr对催化剂活性的影响
• 3.4.3 添加助剂La对催化剂活性的影响
• 3.4.4 添加不同助剂催化剂的TPR表征
• 3.4.5 添加不同助剂催化剂的XPS表征
• 3.5 小结
• 第四章 负载铜锰型整体式催化剂上低浓度甲烷催化燃烧本征动力学实验研究
• 4.1 本征动力学实验方法
• 4.1.1 外扩散影响的消除
• 4.1.2 内扩散影响的消除
• 4.2 本征动力学实验装置
• 4.3 本征动力学预备实验
• 4.3.1 积分反应器恒温区的测定
• 4.3.2 装置气密性检验
• 4.3.3 反应器的装填
• 4.3.4 外扩散影响检验
• 4.3.5 内扩散影响检验
• 4.4 本征动力学实验数据的获取
• 4.4.1 本征动力学实验条件
• 4.4.2 色谱分析数据的处理方法
• 4.4.3 本征动力学实验数据
• 4.5 小结
• 第五章 负载铜锰型堇青石催化剂上低浓度甲烷本征动力学模型的建立与结果统计检验
• 5.1 负载铜锰型堇青石催化剂上低浓度甲烷催化燃烧反应机理分析
• 5.1.1 判断甲烷在催化剂表面是否发生吸脱附反应
• 5.1.2 判断氧气在催化剂表面是否发生吸脱附反应
• 5.1.3 判断低浓度甲烷催化燃烧产物
• 5.2 动力学模型的确立
• 5.3 模型参数估值及结果检验
• 5.3.1 模型参数估值
• 5.3.2 本征动力学模型适定性检验
• 5.4 小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 发表及已接受的论文
• 作者及导师简介