超低浓度甲烷是超低浓度煤层气及一些工业废气中的主要可燃成分。由于环保意识的滞后及技术水平的限制，导致大部分超低浓度甲烷长期以来未加利用而直接排空，造成了能源资源的巨大浪费和严重的大气污染。催化燃烧技术凭借其独特的优点被视为超低浓度甲烷利用的有效手段。然而，存在于超低浓度煤层气和工业废气中的超低浓度甲烷往往含有部分杂质气体（如SO2，水蒸气等），这些杂质气体含量少，但却制约着催化燃烧反应。同时，过渡金属催化剂的硫中毒机理、水蒸气的作用规律、再生特性等都有待于进一步深入研究。因此，研究SO2和水蒸气等对超低浓度甲烷催化燃烧的影响规律，分析其在过渡金属催化剂上的硫中毒机理和水蒸气作用规律具有重要的学术意义和工业应用价值。
首先，制备了Cu/γ-Al2O3颗粒作为催化剂，并考察了焙烧温度、负载量、反应空速及甲烷浓度对催化剂活性的影响规律。其次，重点研究了SO2和水蒸气对超低浓度甲烷Cu/γ-Al2O3催化燃烧反应的影响规律，分析了硫累积作用及催化剂的抗硫稳定性，分析了催化剂的抗水特性及再生性。最后，结合催化剂的成分及微观结构分析，研究了催化剂的硫中毒机理和水蒸气抑制作用的原因。
研究表明，焙烧温度为600℃时所制备的Cu/γ-Al2O3催化剂具备较高的活性；Cu/γ-Al2O3的催化活性会随着反应空速的降低和入口甲烷浓度的增加而提高。反应气流中SO2的存在会使Cu/γ-Al2O3发生硫中毒，且催化活性随着SO2浓度的增加而降低；Cu/γ-Al2O3催化剂内硫的含量会发生累积，随着时间的增加而达到饱和；造成Cu/γ-Al2O3硫中毒的原因是催化剂内有硫酸盐的产生，减少了Cu活性位点及比表面积，阻碍了活性位点对甲烷分子的吸附，从而降低了催化剂活性。反应气流中水蒸气的存在同样会对 Cu/γ-Al2O3的催化活性产生抑制作用，且随着水蒸气浓度的增大而增加；造成 Cu/γ-Al2O3催化活性下降的原因是水蒸气和甲烷分子竞争吸附减少了甲烷与活性位点接触，同时，催化剂表面金属氧化物的高温烧结也会降低催化剂的活性；在含水蒸气气氛中反应后的催化剂具有较好的再生性，且低温段反应后的催化剂再生性比高温段好。Cu/γ-Al2O3催化剂的稳定性均会因为SO2或水蒸气的加入而下降。
本文系统地分析了Cu/γ-Al2O3催化剂硫中毒机理和水抑制作用的原因，为改善和提高催化剂的抗硫、抗水特性提供了理论基础，使超低浓度甲烷的实验研究更接近工程应用。
- 作 者：
- 郑世伟
- 学科专业：
- 动力工程及工程热物理
- 授予学位：
- 硕士
- 学位授予单位：
- 重庆大学
- 导师姓名：
- 张力
- 学位年度：
- 2013
- 研究方向：
- 语 种：
- chi
- 基金项目：
