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第 38 卷 第 6 期
2011 年
北京化工大学学报(自然科学版)
Journal of Beijing University of Chemical Technology (Natural Science)
Vol. 38, No. 6
2011
铜锰负载型堇青石整体催化剂表面低浓度甲烷
催化燃烧本征动力学研究
王摇 越摇 张佳瑾摇 李摇 敏摇 李建伟
*
(北京化工大学 化工资源有效利用国家重点实验室, 北京摇 100029)
摘摇 要: 采用等温积分反应器,在常压、600 ~ 700 益 和甲烷体积分数 0郾 1% ~ 1% 的条件下,对国产铜锰负载型堇青
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。 以单纯形法对动力学实验数据进
行最优化参数估计,建立了低浓度甲烷催化燃烧双曲型本征动力学模型,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。
关键词: 甲烷; 催化燃烧; 整体催化剂; 本征动力学
中图分类号: TQ534郾 9
收稿日期: 2011-04-13
基金项目: 国家“863冶计划(2006AA030201)
第一作者: 女,1986 年生,硕士生
*通讯联系人
E鄄mail: lijw@ mail. buct. edu. cn
引摇 言
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
[1]
。 因此,
煤层气中甲烷的治理一直是人们关注的焦点。 鉴于
煤层气 中 甲烷的 浓 度比 较 低 ( 体积 分 数 0郾 1% ~
1%
[2]
),难以以常规明火的方式处理,而催化燃烧
被认为 是 煤 层 气 中 低 浓 度 甲 烷 脱 除 的 最 有 效 方
法
[3]
。 目前,应用于低浓度甲烷催化燃烧的催化剂
主要分为两类,一类是贵金属催化剂,如铂和钯等,
该类催化剂的优点是活性高,但耐热性差、易烧结、
且价格昂贵
[4]
;另一类是过渡金属氧化物催化剂,
如锰、铜、钴等
[5]
,尽管该类催化剂的活性略低于贵
金属催化剂,但其明显的价格和资源优势吸引了众
多研究者的关注,逐渐成为研究的焦点。
与贵金属催化剂相比,人们对过渡金属氧化物
催化剂的研究主要集中在催化剂配方和制备工艺相
关理论的研究,特别是动力学特性上的研究还很薄
弱,这就造成了该类催化剂的进一步开发和工业反
应器设计与应用上的理论指导欠缺。
本文以本课题组自主研发的铜锰复合氧化物负
载型堇青石整体催化剂为对象
[6]
,展开低浓度甲烷
催化燃烧本征动力学的研究,探讨其动力学特性规
律并建立与实验数据良好相容的本征动力学模型,
为该类催化剂的进一步开发和工程应用奠定基础。
1摇 实验部分
1郾 1摇 催化剂和实验气体
铜锰负 载 型 堇 青 石 整 体 催 化 剂, 自 制
[6]
。 甲
烷,体积分数 99% ,北京海谱气体有限公司。
1郾 2摇 实验装置
采用 准10 mm 伊 2 mm、L300 mm 不锈钢等温积分
反应器,实验流程如图 1 所示。 甲烷钢瓶气与来自
VW鄄0郾 15 / 7 型空气压缩机的空气按一定比例混合
进入反应器,籍催化剂作用发生甲烷催化燃烧反应,
反应尾气经冷凝、分离后,不凝性气体进入计量和色
谱分析系统,冷凝水放入收集器中,以备检测。
床层温度由 XL43P 型温度控制仪自动控制,恒
温时,床层温度波动在 依 0郾 5 益 以内。 反应前后的
气体组分分析均在配有 TDX鄄01 填充柱(准3 mm 伊 3
m 不锈钢柱) 的 SP鄄6890 型气相色谱仪上完成,FID
检测器,外标法定量。 色谱分析条件为:汽化室温度
200 益 ,检测室温度 180 益 ,柱箱温度采用程序升温
方式(以 3郾 5 益 / min 速率升至 180 益 ),载气 N
2
。
1郾 3摇 催化剂的装填
精确称取研磨至一定尺寸的催化剂装填于反应
器恒温区内。 催化剂床层上部和下部均装填与催化
剂粒度相同的石英砂,上部装填的石英砂起到预热
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