[发明专利]一种矿井乏风甲烷燃烧催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种催化剂及其制备方法，特别涉及一种矿井乏风甲烷燃烧催化剂及其制备方法。

背景技术

乏风瓦斯(又称矿井乏风，Ventilation Air Methane，简称VAM)，指煤矿采煤过程中经大量通风后，风流经过采掘工作面以及其它用风地点后所携带的瓦斯，其甲烷浓度低于0.75%。我国每年通过乏风排入大气中的甲烷约为100～150亿立方，相当于1300～2000万吨标准煤，而且基本没有被利用。乏风瓦斯中的甲烷浓度虽然很低，但总量特别巨大，所含甲烷约占我国排放的煤矿瓦斯甲烷总量的81%。由于甲烷具有很强的温室效应，相当于二氧化碳温室效应的21～24倍，对臭氧层的破坏能力是二氧化碳的7倍，如此巨大的排放量无疑是对环境的巨大危害。我国乏风瓦斯排量巨大，甲烷浓度低且波动大，难以得到利用。因此，乏风瓦斯的综合治理和利用，是我国面临的紧迫任务。

乏风瓦斯的利用技术目前主要是通过技术集成让其中的甲烷燃烧放出热量，再对产生热量进行综合利用（蒸汽发电、供热等）。乏风瓦斯中甲烷浓度很低，需要在高温下（1000℃以上）才能使甲烷发生反应。由于温度太高，乏风瓦斯中的N₂易变成NO_x化合物，无疑造成了环境的二次污染，而采用催化燃烧可以降低燃烧温度，从而避免NO_x化合物的产生。

在甲烷催化燃烧催化剂研究方面，目前研究较多的是Pd，Pt，Rh，Au等贵金属催化剂和金属氧化物催化剂。如：Widjaja等（Widjaja H，Sekizawa K，Maeda S，et a1.Low Temperature Oxidation of Methane over Pd Catalyst Supported on Metal Oxides[J]．Catal Today，2000，59(1-2)：69-74）研究了担载在In，Sn，Zr，Ga，Ti，Si，Y，Nb等金属氧化物上Pd催化剂的催化活性，并与Pd/Al₂O₃作了比较。发现它们对甲烷催化燃烧活性顺序为：Sn>Zr>Al>Ga>In>Ti> Si>Y>Nb。Li等（Li Z，Hoflund G B.Catalytic Oxidation of Methane over Pd/Co3O4．React Kinet Catal Lett，1999，66(2)：367-374）用Pd(NO₃)₂溶液浸渍Co₃O₄，280℃焙烧得到的Pd/Co₃O₄活性较好，在250℃时CH₄的转化率达到72%。Miao等（Miao S J，Deng Y Q．Au-Pt/Co3O4 Catalyst for Methane Combustion．Appl Catal B，2001，31：L1-L4）以Co₃O₄为载体的Au、Pt和Pd催化剂应用于甲烷催化燃烧，发现在Co₃O₄担载的Au催化剂中引入Pt，可以明显降低甲烷完全氧化反应的起燃温度和完全转化温度。

但是，在甲烷催化燃烧过程中所用催化剂存在两个关键问题：热稳定性和低温活性。Pd，Pt，Rh，Au等负载型贵金属是传统的甲烷低温催化燃烧催化剂，具有优良的低温起燃活性和催化性能，但热稳定性和抗中毒性均较差、易烧结，难以用于乏风瓦斯催化燃烧，而且贵金属催化剂价格昂贵。非贵金属氧化物催化剂近年来吸引了研究者广泛的兴趣。