一种含电气石的处理多种低浓度甲烷污染源的活化催化装置

摘要

本发明为一种含电气石的处理多种低浓度甲烷污染源的活化催化装置，该装置包括在密闭管道上依次串联设置的气体探测器，活化催化装置及尾气分析仪；所述气体探测器包括在密闭管路上先后设置的温度感应器和浓度感应器，并分别与信息处理器相连，信息处理器与第一LED显示器相连；所述的活化催化装置包括在密闭管路上先后设置数字质量流量计和催化反应单元，以及第二LED显示器；催化反应单元内载有活化催化剂；所述的活化催化剂为装有负载在堇青石载体上的含电气石稀土复合催化材料。本发明较于当前技术，将活化和催化装置合二为一，装置的体积减小50%，携带方便，制作成本降低30% 。

说明书

技术领域

本发明涉及一种含电气石的处理多种低浓度甲烷污染源的活化催化装置，针对不同来源 的含低浓度甲烷的污染气体如CNG汽车尾气、煤矿乏气、工业有机废气、天然气窑废气等进 行活化催化处理。

背景技术

甲烷属于最为稳定的HC化合物，表现在甲烷的自身氧化反应比一般HC化合物的氧化 反应难度大，它对大气的加热潜力比二氧化碳高25倍之多，是一种温室气体。生活中很多甲 烷因浓度极低难以利用而排放到大气中，对大气环境造成了严重的污染，其中低浓度甲烷气 体的主要来源为CNG汽车尾气、煤矿乏风、工业有机废气、天然气窑废气等。CNG汽车因 其经济节能性和环境亲和性而迅速发展，尾气中的甲烷具有高稳定性，活化和转化困难，所 以压缩天然气汽车尾气净化比汽油车尾气净化困难得多。我国每年由煤矿乏风排入大气的甲 烷约占我国煤矿瓦斯甲烷总量的81％，1年的排放量在150亿立方米以上，产生的温室气体 效应约为2亿吨二氧化碳的量，对环境造成了巨大的危害。此外，工业有机废气和天然气窑 废气中含有大量的甲烷等有害气体，造成巨大的温室效应，因此降低甲烷气体对大气环境的 危害迫在眉睫。

目前存在的甲烷催化装置多是针对单一天然气排放污染源的，不能广泛适用于其他领域 的含低浓度甲烷废气处理，因此需要制备一种新型高效甲烷活化催化装置，使各种含低浓度 甲烷的污染气体都能得到有效的净化。

电气石是一种新型的环保硅酸盐矿物，由Al、Na、Ca、Mg、B和Fe等元素组成，晶体 结构为三方晶系。其通式可表示为XY₃Z₆Si₆O₁₈(B0₃)₃W₄，式中，X＝Na、Ca、K、口(空位)， Y＝Mg²⁺、Fe²⁺、Mn²⁺、Al、Fe³⁺、Mn³⁺、Li，Z＝Al、Fe³⁺、Cr³⁺、Mg，W＝OH、F、O。晶体 常呈短柱状、长柱状或针状。电气石具有热电性能，能与带电粒子发生反应，吸附空气中的 细小粉尘,可处理工厂废气。在已知的具有永久极性的驻极体矿物中,电气石是永久性自发电 极性最强的,能发出波长为4～14μm的远红外区域的电磁波辐射，而甲烷气体光谱吸收带对 应波长为3.31μm、3.43μm、6.53μm、7.66μm，恰巧可以吸收电气石的红外辐射能量来降低甲 烷气体分子的活化能。

目前研究较为广泛的非贵金属型甲烷催化剂主要为稀土氧化物型催化剂，又可细分为钙 钛矿型金属氧化物催化剂、六铝酸盐型催化剂、尖晶石型复合氧化物和固溶体氧化物催化剂。 钙钛矿型金属氧化物催化剂的通用式为ABO₃，催化性能取决于A、B离子的种类和过渡金属B 的价态。通常A离子为催化活性较低但起稳定作用的元素，而B离子是过渡金属元素，起主要 活性作用。钙钛矿型复合氧化物催化材料的制备过程都需经过一定温度的焙烧，因此具有比 较高的热稳定性和化学稳定性；另外，由于钙钛矿的晶体结构特点，使其能够产生较多的氧 空位，保证了催化剂的催化性能。LaCoO₃是一种典型的钙钛矿型催化剂，研究比较成熟，催 化活性好。LaCoO₃钙钛矿材料中含三种氧物种—表面氧、晶格氧、体相氧：表面氧最活跃， 在低温和中温起作用；晶格氧在高温(>750℃)下起作用，主要归因于固体晶界处的部分Co³⁺的还原，表面氧和晶格氧在同位素交换反应中与气态氧快速交换；体相氧活性较低，其迁移 率与Co³⁺的活化作用及一些阴离子空位的迁移有关。

六铝酸盐型催化剂可以用AAl₁₂O₁₉表示，A通常是碱金属、碱土金属或稀土金属。由于它 们的薄层结构(由单分子氧化物分离的尖晶石块组成)，六铝酸盐型催化剂具有高的热力学稳 定性。A位阳离子的半径和价态决定了六铝酸盐催化剂的晶体结构类型(β-Al₂O₃型或磁铅石 型)。过渡金属离子部分掺杂Al³⁺离子后，所得到的掺杂型六铝酸盐同时具有很高的热稳定性 和甲烷燃烧活性。

尖晶石型复合氧化物(通式为AB₂O₄)通常具有较好的结构稳定性和机械强度，具有耐热、 耐光、无毒、防锈、耐火、绝缘等特点，在甲烷催化燃烧方面表现出良好的催化性能，共沉 淀法制备的尖晶石型催化剂具有较高的活性和稳定性。制得的催化剂的晶粒较小，晶格畸变 率、孔容和比表面积较大，活性氧的活动能力较强以及反应活化能较低，这一切均有利于催 化剂活性的提高。

稀土元素应用于低浓度甲烷的净化主要起到催化作用和储氧作用。由于Ce具有可变价态 Ce⁴⁺和Ce³⁺，并且Ce⁴⁺和Ce³⁺之间容易实现相互的转换，因此具有立方萤石型结构的CeO₂具有 良好的储放氧性能，可以用作催化剂的助剂，起到氧化还原反应氧气缓冲剂的作用。采用其 它元素的阳离子部分取代CeO₂中的铈离子，能够产生晶格缺陷，从而提高表面吸附氧与体相 晶格氧之间的转换速率，在增加反应活性的同时，提高了固溶体在高温条件下的热稳定性。 目前，研究较多的是使用Zr⁴⁺取代CeO₂中的Ce⁴⁺，制备铈锆固溶体。

上述稀土氧化物催化材料多具有较低成本，但其制备过程需要经过高温焙烧，催化剂颗 粒团聚，比表面积低于理论值，其催化活性也受到影响。因此我们考虑通过溶胶凝胶法制备 出一种复合材料，通过控制元素的摩尔含量，得到混合物相的稀土复合催化剂，利用物相掺 杂效应，增加催化剂表面缺陷地产生，提高氧空位含量，得到较高的甲烷催化活性和水热稳 定性。

专利200810237636.2公布了一种煤矿乏风甲烷氧化装置的瓦斯添加系统及安全保护机 构，抽采瓦斯与煤矿乏风混合后再由风机吸入氧化装置，而且采用机械控制和电气控制双重 并行的方式，并且设置了水封阻火器和金属波纹带阻火器两种阻火方式，使加入的抽采瓦斯 数量及甲烷浓度保持在氧化装置规定的标准范围内，既保证了系统和煤矿的安全，又方便节 能。但该装置的作用只是控制甲烷浓度，并不能提高甲烷的催化效率。专利03262648.7介绍 了用于处理煤矿通风乏气的燃烧反应装置，采用热的燃烧烟气预热新进的通风乏气及用催化 剂降低燃烧反应的活化能，变反向间歇流动为单向连续稳定流动，提高了系统的稳定性、安 全性和可操作性。但是该装置只是适用于甲烷浓度在0.15-1.0％之间的煤矿通风乏气，不能广 泛适用于含低浓度甲烷的气体。专利US2009206276提供的是一种使燃烧前的甲烷气体实现 大幅度活化，提高燃烧时的热效率的远红外发生体，该装置只是应用于甲烷的燃烧放热方面， 没有应用在低浓度甲烷气体的处理方面，并且所用的活性物质为电气石粉，碳粉和铁粉的混 合物。

本发明利用溶胶凝胶法制备出一种含电气石的稀土复合材料，具有优良的催化活性、较 好的热稳定性和结构稳定性、储氧能力强等优点，同时活化组分电气石中的红外活性振动键 可以发射红外线对甲烷分子进行活化，通过二者的协同作用，制备出高性能高活性的复合催 化材料。复合催化材料负载在堇青石载体上置于活化催化装置中，采用增大吸附面积-活化- 催化联合处理，利用堇青石的多孔性能增大低浓度甲烷气体的吸附面积，然后利用电气石的 红外辐射作用将甲烷气体分子进行活化，降低甲烷的活化能，再将解吸气催化氧化，从而降 低起燃温度，促进甲烷气体的催化氧化，缩短转化时间，更有利于节能。本装置适用于CNG 汽车尾气、煤矿乏气、工业有机废气、天然气窑废气中的低浓度甲烷的净化，减少甲烷气体 对大气环境的污染。

发明内容

本发明对传统催化氧化装置进行改进，其创新性在于活化与催化功能的整合，克服了以 往催化装置催化效率低的缺点；同时，该活化催化装置采用程序控制升温，通过调节升温速 率和气体流量，来处理不同污染源的含低浓度甲烷气体，以达到最佳催化效果，操作方便快 捷，适用范围广，克服了以往催化装置只能处理单一污染源气体的缺陷。活化催化装置中的 催化氧化单元集增大吸附面积、活化、催化三种功能于一体，既含有大比表面的堇青石载体， 增大气体的吸附面积，促进气体与催化剂充分反应；又含有电气石/钙钛矿复合活化催化材料， 对甲烷气体同时进行活化和催化，进而降低甲烷的起燃温度并且提高转化率。前端是气体探 测仪，后接尾气分析仪。

本发明的技术方案为：

一种含电气石的处理多种低浓度甲烷污染源的活化催化装置，包括在密闭管道上依次串 联设置的气体探测器，活化催化装置及尾气分析仪；

所述气体探测器包括在密闭管路上先后设置的温度感应器和浓度感应器，温度感应器和 浓度感应器分别与信息处理器相连，信息处理器与第一LED显示器相连；

所述的活化催化装置包括在密闭管路上先后设置数字质量流量计和催化反应单元，以及 第二LED显示器，数字质量流量计和催化反应单元分别与第二LED显示器相连；催化反应 单元内载有活化催化剂；所述的活化催化剂为装有负载在堇青石载体上的含电气石稀土复合 催化材料。

催化反应单元采用程序控制升温，通过加热电偶对通过活化催化剂的气体进行加热，设 置温度、实际温度以及气体流速均显示在第二LED显示器上，经活化催化后的气体通入尾气 分析仪；

尾气分析仪包括依次串联的浓度感应器、信息处理器和第三LED显示器，其中，浓度感 应器设置在密闭管道上。

尾气分析仪采用型号为HCX-9-CH₄的甲烷分析仪；进气管道与出气管道均选用不锈钢 管。

所述的负载在堇青石载体上的含电气石稀土复合催化材料，由以下方法制得：具体包括 以下步骤：

(1)以硝酸钴、硝酸镧、硝酸铈、硝酸锆、50％硝酸锰溶液、硝酸铝和电气石粉体为前 驱物，其元素摩尔百分含量为：Co(35％-40％)、La(20-30％)、Ce(15％-20％)、Zr(5％-10％)、 Mn(2％-5％)、Al(2％-5％)和电气石粉体(2％-10％)，以柠檬酸为络合剂，其添加量为所 有金属离子摩尔含量的1.5倍，采用溶胶凝胶法制备含电气石复合稀土催化剂粉末；

(2)连续搅拌情况下，将拟薄水铝石、γ-Al₂O₃、铈锆金属氧化物按照质量比1：4：2 分散在质量分数为6.5％的硝酸溶液中(硝酸溶液用量为所有固体的质量的10倍)，得到淡黄 色浆料，然后密封、静置6～10天，得到配好的γ-Al₂O₃浆料混合；随后将步骤(1)得到的 含电气石复合稀土催化剂与配好的γ-Al₂O₃浆料混合，得到复合催化材料，即含电气石复合 稀土催化剂/γ-Al₂O₃)，其中，含电气石复合稀土催化剂粉末质量占浆料体系干重的20％ (wt/wt)；将切割好的堇青石陶瓷载体浸入混合浆料中，阴干后，800℃热处理3h，重复进入 浆料－阴干－热处理过程3～5次，使得含电气石复合稀土催化剂/γ-Al₂O₃的涂敷量达到～ 10％(wt/wt)；切割后堇青石陶瓷的粒径为直径15mm，高20mm圆柱体。

所述的铈锆金属氧化物是指以硝酸铈、硝酸锆和柠檬酸(用量为金属元素摩尔量的1.5 倍)为前驱物，凝胶溶胶法制备的固溶体，焙烧温度为700℃，3小时；其中，摩尔比为铈： 锆元素＝7:3，柠檬酸用量为金属元素摩尔量的1.5倍。

本发明的有益效果为：

(1)本发明将催化和活化的功能进行整合，组成新的集活化-催化-增大吸附面积于一体 的活化催化装置，利用电气石的红外辐射作用来降低甲烷的活化能，同时电气石的自发电场 能影响催化剂的形貌，减少团聚，增大比表面积，使得活化和催化的协同作用大于单一的活 化与催化的叠加作用，再加上堇青石的多孔结构来增大吸附面积，实现了甲烷在更低温度下 的催化转化，甲烷的起燃温度T₅₀降低了45℃，催化效率提高；所选用的复合催化材料制备 工艺简单，通过控制各元素的配比得到混合物相的甲烷催化剂，同时具备大比表面积、高的 热力学稳定性、较好的结构稳定性和优良的催化性能，能够应对多种甲烷处理环境；

(2)本发明相比较于之前本课题组发明的一种含电气石的甲烷活化催化氧化装置(专利 CN201310278633.4)，将活化和催化装置合二为一，装置的体积减小50％，携带方便，制作 成本降低30％；

(3)本发明操作简便，适用范围广，可以普遍适用于CNG汽车尾气、煤矿乏风、工业 有机废气、天然气窑废气等气体中的低浓度甲烷的活化催化，克服了以往装置只能应用于单 一移动污染源的问题，通过测试，该装置的甲烷起燃节能率为10.59％，完全转化节能率为 9.20％。该节能装置测试结束时甲烷的净化程度比普通装置提高了3.99％，比专利 CN201310278633.4中提到的装置提高1.2％，有效降低了甲烷对大气环境的污染。

附图说明：

图1为本发明装置的结构示意图

图2为按图1所示的气体探测器结构示意图

图3为按图1所示的活化催化装置结构示意图

图4为按图1所示的尾气分析仪结构示意图

图5为本发明中实施例一中甲烷活性曲线对比图

图6为本发明中实施例二中甲烷活性曲线对比图

图7为本发明中实施例三中甲烷活性曲线对比图

图8为本发明中实施例四中甲烷活性曲线对比图

图9为本发明中实施例五中不同装置的甲烷活性曲线对比图

其中，1-密闭管道，2-温度感应器，3-浓度感应器，4-信息处理器，5-LED显示器，6-数 字质量流量计，7-流量控制钮，8-催化反应单元，9-加热电阻，10-堇青石载体的活化催化剂， 11-温度控制钮，12-LED显示器，13-浓度感应器，14-信息处理器，15-LED显示器。

具体实施方式：

本发明所述的电气石选用内蒙古产地生产的电气石，分子式为NaFe₃Al₆[Si₆O₁₈][BO₃] ₃(OH，F)₄。

堇青石陶瓷载体具体为萍乡市三元蜂窝陶瓷制造有限公司生产的蜂窝陶瓷，型号为Φ 100*100-方孔，400孔/平方英寸。

如图1-图4所示，一种含电气石的促进甲烷活化催化的装置，包括在密闭管道1上依次 串联设置的气体探测器，活化催化装置及尾气分析仪；

所述气体探测器包括在密闭管路1上先后设置的温度感应器2和浓度感应器3，温度感 应器2和浓度感应器3分别与信息处理器4相连，信息处理器4与LED显示器5相连。温度 感应器2和浓度感应器3将感应到的信号传输到信息处理器4，经分析处理后结果显示在LED 显示器5上；

气体探测器采用加拿大优胜公司生产的TDL-500便携式激光甲烷分析仪；

所述的活化催化装置包括在密闭管路1上先后设置数字质量流量计6和圆柱形不锈钢材 质的催化反应单元8，该数字质量流量计6选用上海矽翔微机电系统有限公司生产的MF4003 型数字质量流量计；催化反应单元8内载有活化催化剂10；所述的活化催化剂10为装有负 载在堇青石载体上的复合催化材料，含电气石稀土复合催化材料制备方法为：以硝酸钴、硝 酸镧、硝酸铈、硝酸锆、50％硝酸锰溶液、硝酸铝、电气石粉体为前驱物，其元素摩尔含量 为：Co(35％-40％)La(20-30％)Ce(15％-20％)Zr(5％-10％)Mn(2％-5％)Al(2％-5％) 电气石粉体(2％-10％)，以柠檬酸为络合剂，其添加量为所有金属离子摩尔含量之和的1.5 倍，采用溶胶凝胶法制备含电气石复合稀土催化剂。复合催化材料负载在堇青石载体上的方 法是在连续搅拌情况下，将拟薄水铝石、γ-Al₂O₃、铈锆金属氧化物，按照质量比薄水铝石： γ-Al₂O₃：铈锆金属氧化物＝1：4：2分散在质量分数为6.5％的硝酸溶液中(硝酸溶液用量为 所有固体的质量的10倍)，得到淡黄色浆料，然后密封、静置6～10天，得到配好的γ-Al₂O₃浆料混合；随后将含电气石复合稀土催化剂与配好的γ-Al₂O₃浆料混合，得到复合催化材料 (含电气石复合稀土催化剂/γ-Al₂O₃)，其中催化剂粉末质量占浆料体系干重的20％(wt/wt)； 将切割好的堇青石陶瓷载体(直径15mm，高20mm圆柱体)浸入混合浆料中，阴干后，800℃ 热处理3h，重复该过程3～5次，使得含电气石复合稀土催化剂/γ-Al₂O₃在堇青石陶瓷载体 上的的涂敷量达到～10％(wt/wt)。堇青石蜂窝陶瓷载体的孔密度为200cpsi，催化剂用量因 通入气体的种类而定，催化剂用量见表1。催化反应单元8采用程序控制升温，通过温度控 制钮11设置升温参数，通过加热电偶9对通过活化催化剂10的气体进行加热，数字质量流 量计6与加热电偶9均与LED显示器12连接，设置温度、实际温度以及气体流速均显示在 LED显示器12上，经活化催化后的气体通入尾气分析仪；

尾气分析仪包括依次串联的浓度感应器13、信息处理器14和LED显示器15，其中，浓 度感应器13设置在密闭管道1上。尾气分析仪量程为0-100％VOL，气体通过浓度感应器13， 信号经信息处理器14处理并将结果显示在LED显示屏15上，处理后的气体排放到空气中。

尾气分析仪采用型号为HCX-9-CH4的甲烷分析仪，使用EASY3000型分析软件；进气 管道与出气管道均选用不同规格的不锈钢管。

表1为装置处理不同气体对应的流量与催化剂用量：

表1不同气体对应的流量与催化剂用量参数

实验条件 初始甲烷浓度 气体流量 催化剂用量 CNG汽车尾气 <1.96％ 12m³/min 200g 煤矿乏气 <0.75％ 60m³/min 800g 工业有机废气 0.224％-0.896％ 40m³/min 600g 天然气窑废气 1.24％-4.3％ 80m³/min 1000g

装置开始运行时，含低浓度甲烷的气体通入密闭管道1，经温度感应器2、浓度感应器3 感应将信号传给信息处理器4进行处理，结果显示在LED显示器5上，记录温度与甲烷浓度； 接着气体进入活化催化装置，经数字质量流量计6控制流速，气体进入催化反应单元8内， 加热电阻9对气体加热，设定温度为600℃，程序控制升温速率为50℃/min，气体经过活化 催化剂10发生催化氧化反应，活化催化剂10负载在堇青石载体上，催化后的气体输送到尾 气分析仪；进入到尾气分析仪后，气体流通在密闭管道1，经浓度感应器13传送信号至信息 处理器14，处理后的结果显示在LED显示屏15上，记录处理后的甲烷浓度值，与催化前的 数据进行比较，计算甲烷浓度降低率，净化后的气体排放到空气中。

其中，该装置在处理不同气体时对应四种规格尺寸，具体参数见表2

表2装置的尺寸参数

本发明的突出特点在于活化催化装置集增大吸附面积、活化、催化于一体，催化反应单 元8内既含有用来控制程序升温的加热电阻9，又含有负载在堇青石载体上的活化催化剂10， 利用堇青石增大低浓度甲烷气体的吸附面积，同时电气石对甲烷进行活化，降低其活化能， 加热过程中催化剂对甲烷气体进行催化，可使甲烷的起燃温度降低，转化时间缩短，催化活 性提高，有效降低了甲烷气体对大气环境的污染。

实施例一

利用本装置对CNG汽车尾气进行处理，首先在催化反应单元8内装入负载有200克(2％ 电气石/40％Co/30％La/15％Ce/7％Zr/3％Mn/3％Al，简记为LCT1)含电气石稀土复合催化剂 的堇青石载体10，并用耐高温石英棉进行固定，接通电源，通过流量控制钮7设置气体流量 为12m³/min，通入CNG汽车尾气，记录气体探测器显示屏5上显示的气体温度与甲烷浓度， 设置加热电阻9的加热温度为600℃，通过温度控制钮11设置程序升温参数：升温速率50℃ /min，分别在200℃，300℃，400℃，500℃，600℃用尾气分析仪对反应后气体中的甲烷浓度 进行检测并记录结果，直到600℃升温结束，关闭电源。对比实验将电气石换为无催化活性 的SiO₂，即活化催化装置中添加200克负载2％SiO₂/41％Co/30％La/16％Ce/7％Zr/3％Mn/ 3％Al(简记为LC1)催化剂的堇青石载体，其他实验条件相同。

实验结果如图5，可见添加电气石活性成分的催化装置在甲烷浓度减小一半时对应的温 度(T50)为380℃，未添加电气石活性成分的催化装置在甲烷浓度减小一半时对应的温度 (T50)为425℃，表明活性成分电气石对甲烷起到了活化作用，提高了甲烷转化率，缩短了 转化时间。

由以下方法计算装置的节能率：

由该活化催化装置测得甲烷的起燃温度T₅₀，完全转化温度T₉₀及达到这两个温度所 需时间t1、t2，其中(测试由200℃开始，升温速率为 50℃/min)。由下列公式计算出含电气石的活化催化装置的节能率：

  Q_a——对照组达到起燃温度所需能量

Q_b——节能组达到起燃温度所需能量

  Q_A——对照组达到完全转化温度所需能量

Q_B——节能组达到完全转化温度所需能量

式中，η₁为达到甲烷起燃温度时装置的节能率；η₂为达到甲烷完全转化温度时的装置节 能率。

其中，催化反应单元达到某一温度所需热量来自热电阻的加热作用，假设外部供应电能 全部转化为热能，则

Q＝P·t＝I²Rt    Q——催化反应单元达到某一温度所需能量

t——催化反应单元达到特定温度所需的时间，

t1、t2对应η₁、η₂

测试结束后甲烷的净化程度C可由如下公式计算：

$C=\frac{{\xi }_2-{\xi }_1}{{\xi }_1}\times 100\%$  ξ₁——对照组600℃甲烷转化率

ξ₂——节能组600℃甲烷转化率

通过上述方法，对实施例一中的装置进行节能率计算，通过测试，该装置的甲烷起燃节 能率为10.59％，完全转化节能率为9.20％。该节能装置测试结束时甲烷的净化程度比未添加 电气石活化成分的普通装置提高了3.99％，有效降低了甲烷对大气环境的污染。

实施例二

实施例二和实施例一的不同之处在于通入的气体变为煤矿乏风，气体流量设置为60 m³/min，复合催化剂(6％电气石/36％Co/24％La/20％Ce/10％Zr/2％Mn/2％Al，简记为LCT2) 的用量为800克；对比实验将电气石换为无催化活性的SiO₂，即活化催化装置中添加800克 负载6％SiO₂/36％Co/24％La/20％Ce/10％Zr/2％Mn/2％Al(简记为LC2)气体流量60m³/min， 装置的尺寸参照表1，其他条件与实施例一相同。

实验结果如图6，可见添加电气石活性成分的催化装置在甲烷浓度减小一半时对应的温 度为425℃，未添加电气石活性成分的催化装置在甲烷浓度减小一半时对应的温度为455℃， 表明电气石对甲烷的活化作用使得甲烷在更低温度下发生催化氧化，加快了反应速率，并且 甲烷的转化率达到98％。按照实施例一中所述的节能率测试方法，通过测试，该装置的甲烷 起燃节能率为11.76％，完全转化节能率为8.1％。该节能装置测试结束时甲烷的净化程度比未 添加电气石活化成分的普通装置提高了1％，有效降低了甲烷对大气环境的污染。

实施例三

实施例三和实施例一的不同之处在于通入气体变为工业有机废气，初始甲烷浓度为 0.56％，气体流量设置为40m³/min，复合催化剂(8％电气石/37％Co/20％La/16％Ce/9％Zr/ 5％Mn/5％Al，简记为LCT3)用量为600克，对比实验选取(8％SiO₂/37％Co/20％La/ 16％Ce/9％Zr/5％Mn/5％Al，简记为LC3)催化剂600克，气体流量为40m³/min，装置的尺 寸参照表1，其他条件与实施例一相同。

实验结果如图7，可见添加电气石活性成分的催化装置在甲烷浓度减小一半时对应的温 度为425℃，未添加电气石活性成分的催化装置在甲烷浓度减小一半时对应的温度为460℃， 表明活性成分电气石对甲烷起到了活化作用，能在较低温度下实现催化转化，甲烷最终转化 率为98％。按照实施例一中所述的节能率测试方法，通过测试，该装置的甲烷起燃节能率为 13.46％，完全转化节能率为1.3％。该节能装置测试结束时甲烷的净化程度比未添加电气石活 化成分的普通装置提高了1.8％，有效降低了甲烷对大气环境的污染。

实施例四

实施例四和实施例一的不同之处在于通入气体变为天然气窑废气，初始甲烷浓度为2％， 气体流量设置为80m³/min，复合催化剂(10％电气石/35％Co/27％La/17％Ce/5％Zr/ 3％Mn/3％Al，简记为LCT4)用量为1000克，对比实验采用(10％SiO₂/35％Co/27％La/17％Ce/ 5％Zr/3％Mn/3％Al，简记为LC4)催化剂1000克，气体流量为80m³/min，装置的尺寸参照 表1，其他条件与实施例一相同。

实验结果如图8，可见添加电气石活性成分的催化装置在甲烷浓度减小一半时对应的温 度为395℃，未添加电气石活性成分的催化装置在甲烷浓度减小一半时对应的温度为440℃， 表明活性成分电气石对甲烷起到了活化作用，能在较低温度下实现催化转化，甲烷最终转化 率为98％。按照实施例一中所述的节能率测试方法，通过测试，该装置的甲烷起燃节能率为 18.75％，完全转化节能率为10.53％。该节能装置测试结束时甲烷的净化程度比未添加电气石 活化成分的普通装置提高了2.5％，有效降低了甲烷对大气环境的污染。

实施例五

将该催化活化一体装置作为节能组，催化活化分开的装置(专利CN201210225535.X)作 为对照组，节能组中添加的催化剂为200克(2％电气石/38％Co/25％La/18％Ce/9％Zr/ 4％Mn/4％Al，简记为LCT5)复合催化剂，对照组采用200克(6％SiO₂/38％Co/25％La/18％Ce/ 9％Zr/4％Mn/4％Al，简记为LC5)催化剂，通入气体为CNG汽车尾气，设置气体流量为 12m³/min，操作步骤与实施例一相同。

实验结果如图9，按照实施例一中所述的节能率测试方法，节能组装置的甲烷起燃节能 率为10％，完全转化节能率为7.6％。按照实施例一中所述的节能率测试方法，对照组甲烷净 化程度为96.8％、节能组为98％，该节能装置测试结束时甲烷的净化程度比活化催化分开的 装置提高了1.2％，催化效果更好，节能性更佳。