催化燃烧炉催化剂失活特性及应用研究

摘要

正是由于人们对降低燃烧过程中污染物排放的日趋重视，使催化燃烧的研究在很大程度上得到了促进。这是由于传统单相燃烧工艺总会产生一定数量的氮氧化物(NO和NO2)、一氧化碳，并且含有未燃烧的燃料，而异相催化燃烧却可以使极贫碳氢化合物/空气混合物的燃烧低于传统燃烧的最小极限值且其污染物排放可以达到近零。 本文研究了影响催化剂寿命的因素。在常压和温度升到1150K的范围内的滞止点流动反应器中，在有H2S和SO2的情况下，对CH4在镀氧化铝和氧化铈-氧化铝的铂催化剂上的转化率进行实验和模拟。在实验中将浓度为30～100ppm的H2S或SO2气体掺入到N2稀释过的CH4/空气反应物流中后，明显地促进了甲烷的燃烧速率。 根据催化燃烧机理和在催化燃烧I、II炉的数据本课题集中在天然气催化燃烧III、IV型炉特性上。 在催化燃烧III型炉中进行了800小时和1100小时的寿命实验。在实验中，通过测量催化燃烧炉的燃烧表面温度、通道温度和烟气含量等参数，探讨了催化剂的老化后所引起的燃烧表面温度、通道温度的变化情况，并分析了产生的原因。这将有助于改善催化燃烧炉的实际操作条件，延长催化剂的使用寿命。 由于催化反应区在独石通道内10mm左右基本结束，所以将催化燃烧III、IV型炉内的镀催化剂蜂窝状独石长度减小到20mm进行实验，为降低独石入口前端腔内混合气温度，将一块20mm长的无催化剂独石连接在镀钯催化剂独石的入口前组成镀催化剂独石和空白独石组合体。通过对通道内气体温度分布的研究，发现了影响通道内气体分布规律的因素，并分析其原因。且在实验中明白了催化燃烧对气相点燃的抑制作用。最后还进行了催化燃烧和气相燃烧的对比实验研究及催化燃烧锅炉的热效率实验，得出了一些有价值的数据。 本文最后提出将催化燃烧技术应用于供热技术中的应用前景。通过对采用天然气催化燃烧锅炉所产生的社会经济效益进行分析，得出了天然气催化燃烧锅炉具有节约能源和环境保护的双重目的。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明清单

声明

1. 绪论

1.1.催化剂及催化燃烧介绍

1.2. 催化剂金属的种类

1.3.助剂和载体的类型

1.3.1.助剂

1.3.2.载体

1.4.燃烧中催化剂的不同类型

1.5.催化燃烧中燃料的种类

1.6.热动力学和反应路径

1.7. 甲烷在铂表面上的氧化动力学研究

1.8.近零污染物排放机理

1.8.1.NOx形成机理

1.8.2.CO形成机理

1.8.3.异相催化反应对气相反应的抑制作用

1.9.本课题研究的核心内容和创新点

2.在贵金属催化剂上的失活机理研究

2.1.失活的种类

2.1.1.中毒引起的失活

2.1.2.烧结引起的失活

2.1.3.结焦和堵塞引起的失活

2.2. 掺有H2S和SO2的情况下CH4在Pt催化剂上氧化动力学

2.2.1.H2S在铂族金属上的动力学方程

2.2.2.硫对CH4氧化的促进机理和SO2氧化的动力学

2.2.3.使用93小时后铂表面活性的变化

2.2.4.数学描述

2.2.5.催化燃烧炉中催化剂烧结现象

2.3. 本章小结

3.催化燃烧实验简介

3.1. 实验装置

3.1.1.催化燃烧Ⅲ型炉系统

3.1.2.催化燃烧Ⅳ型炉系统

3.1.3.催化燃烧Ⅳ+型锅炉系统

3.2. 实验用天然气组分

3.3. 实验用催化剂的类型

3.4. 实验操作

3.4.1.点火步骤

3.4.2.催化燃烧炉点火现象

3.4.3.催化燃烧炉重新点燃过程

3.5. 实验过程中温度的测量

3.5.1.表面温度的测量

3.5.2.通道内气体温度的测量

4.催化燃烧炉特性的实验研究

4.1. 催化燃烧Ⅲ型炉系统寿命实验研究

4.1.1.独石表面温度变化规律

4.1.2.通道内气体温度变化规律

4.1.3.辐射效率变化规律

4.1.4.烟气分析

4.1.5.本节小结

4.2. 天然气催化燃烧炉独石通道内气体温度分布研究

4.2.1.实验装置

4.2.2.镀催化剂独石通道内气体温度分布的研究

4.2.3.镀催化剂独石和空白独石组合体通道内气体温度分布的研究

4.2.4.本节小结

4.3. 催化燃烧与气相燃烧的对比研究

4.3.1.通道内的温度分布对比研究

4.3.2.两种燃烧方式下生成物的对比分析

4.3.3.本节小结

4.4. 催化燃烧Ⅳ+型锅炉热效率实验研究

4.4.1.冷凝换热器的热效率计算

4.4.2.天然气催化燃烧Ⅳ+型锅炉冷凝换热器效率分析

4.4.3.天然气催化燃烧Ⅳ+型锅炉烟气分析

4.4.4.本节小结

5.催化燃烧应用前景及可行性研究

5.1. 催化燃烧应用前景

5.1.1.催化燃烧技术在燃气空调系统的应用

5.1.2.催化燃烧技术在热电联供系统的应用

5.2. 催化燃烧应用可行性分析研究

5.2.1.北京市08年不同燃烧方式下的天然气污染物的排放对比

5.2.2. 不同燃烧方式下的污染物排放征收费用的比较分析

5.3. 本章小结

6.结论与展望

6.1.结论

6.2.存在的问题

6.3.展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢