[發明專利]一種整裝式催化劑及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201410168177.2
• 申請日: 2014-04-24
• 公開（公告）號: CN104069869A
• 公開（公告）日: 2014-10-01
• 發明（設計）人: 路勇;張巧飛;李亞坤;王純正;韓璐蓬;劉曄
• 申請（專利權）人: 華東師范大學
• 主分類號: B01J23/89
• 分類號: B01J23/89;B01J23/44;B01J35/10;B01J32/00;F23G7/07
• 代理公司: 上海海頌知識產權代理事務所(普通合伙) 31258
• 代理人: 何葆芳

技術領域

本發明涉及一種整裝式催化劑及其制備方法和應用，具體說，是涉及一種多孔化的錨附氧化物的金屬相載體上負載活性貴金屬或負載活性貴金屬及助劑金屬氧化物的整裝式催化劑及其制備方法和其在煤層氣脫氧凈化和低濃度甲烷及VOCs(揮發性有機化合物)催化燃燒脫除中的應用，屬于催化技術領域。

背景技術

煤層氣俗稱瓦斯氣，其主要成分為甲烷，是煤伴生/并生的一種非常規天然氣。由于煤層氣不含常規天然氣必不可少的硫等有害雜質，也不含苯、汞、鉛等可致癌有毒物，所以煤層氣是世界公認的優質清潔能源。

開采出的煤層氣主要有兩種：一種是地面鉆井抽采氣，其煤層氣中甲烷含量較高，在90％以上，其余為氮氣；另一種是采煤區和采空區抽采的煤層氣—井下抽放煤層氣，其甲烷濃度在20～80％之間，含氧量在4.2～16.8％之間，其余為氮氣。前者適合輸入天然氣管道系統，用作發電燃料、工業燃料、車用燃料、化工原料和居民生活燃料。而后者通常只能就地作為民用燃料，絕大部分被燃燒放空，不僅浪費資源，而且因其溫室效應對生態環境破壞極強。同時，我國煤層氣儲量居世界第三，而煤層氣利用率僅為30％左右，大部分都放空排放，年排放量為160億Nm³，居世界第一，面臨嚴峻的減排壓力。每1000立方米煤層氣相當于1噸燃油和1.25噸標準煤，造成極大的資源浪費。因此，科學合理地利用煤層抽放氣，具有節能減排重要意義。

煤層氣開發利用的關鍵在于脫除其中的氧氣，現有的煤層氣脫氧技術主要有變壓吸附分離法，焦炭燃燒法，催化脫氧法等。中國專利ZL85103557公布了一種利用變壓吸附法從煤層氣中分離富集甲烷的方法。一般情況下，甲烷在濃縮提純過程中排放廢氣的氧含量也被濃縮提高，由于廢氣中不可避免的含有5～15％的甲烷，致使排放的廢氣處于甲烷的爆炸極限范圍，存在爆炸危險，這使得該技術的應用受到限制。焦炭燃燒法脫氧(ZL02113627.0、200610021720.1)是在高溫條件下，富含甲烷氣體中的氧與焦炭反應，同時部分甲烷與氧反應從而達到脫氧目的。其優點在于約70％的氧與焦炭反應，30％的氧與甲烷反應，因此甲烷損失較小。但缺點在于要消耗寶貴的焦炭資源，焦炭消耗成本約占整個運行費用的50％左右。此外，焦炭脫氧法在加焦、出渣時勞動強度大，環境灰塵大，難以實現自控操作及大規模生產，且焦炭中帶有多種形態的硫化物，導致除氧后氣體中含硫量增加。催化脫氧工藝的本質是富燃貧氧氣氛下甲烷的催化燃燒，在適當催化劑作用下，將CH₄氧化轉化為CO₂和H₂O，此過程可將煤層氣中含氧量降到0.5％以下，并徹底消除了操作過程的安全隱患。同時工藝操作簡便，便于自動控制及大規模拓展，設備簡單，從經濟性角度而言，該技術亦具有較好的商業價值。

催化脫氧工藝涉及的主要反應為CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O，屬于強放熱反應，若直接脫除10％左右的O₂，則需消耗5％的CH₄，由此可能導致催化劑床層溫度達1000℃以上(氣體絕熱溫升約700℃)。因此，在工藝流程上，采用循環反應器和部分產品氣循環工藝，可以將床層溫度控制在650℃以下以降低反應器成本和延長催化劑壽命，同時可以避免由于反應溫度過高所引起的副反應發生(由反應體系熱力學分析可知，650℃以下甲烷的水蒸氣重整反應和裂解積碳反應發生的可能性較小)。相應地，尋求一種起燃溫度較低、能在富燃貧氧氣氛下長時間穩定操作的CH₄催化燃燒催化劑，是煤層氣催化脫氧工藝的關鍵所在。