[发明专利]一种Co3

说明书

本发明涉及一种Co₃O₄基蓄热型催化剂及其制备方法与在催化甲烷燃烧中的应用，属于甲烷燃烧催化剂技术领域。本发明Co₃O₄基蓄热型催化剂，活性组分为Co₃O₄，载体为核壳结构SiAl@Al₂O₃或SiCu@Al₂O₃相变蓄热材料，以催化剂的质量百分数计，活性组分占10~90%。本发明利用潜热蓄热材料相变过程吸收或放出相变潜热的原理完成蓄热，具有蓄热密度大、相变时温度稳定的特点，制备出催化甲烷燃烧的蓄热型催化剂，将相变蓄热应用于低浓度甲烷催化燃烧，赋予整个催化剂床层热交换器的功能，以改善床层热环境，扩大系统自热运行与供热环节的操作空间，提升燃烧及供热效率。

技术领域

本发明涉及一种Co₃O₄基蓄热型催化剂及其制备方法与在催化甲烷燃烧中的应用，属于甲烷燃烧催化剂技术领域。

背景技术

煤矿乏风（俗称瓦斯，一种以甲烷为主要成分、吸附于煤层内的非常规天然气）作为燃料，通过催化燃烧方式实现低品位甲烷的高效热能转化，是一种可以实现大规模利用的方式。常规燃烧技术中，甲烷的可燃范围为5-15%，当空气中甲烷浓度低于5%时，不能被点燃或维持燃烧，除非环境温度超过 1000℃，然而由于甲烷浓度过低，其反应热难以维持这样的高温。目前解决这一问题的可行方案有两个：一是发展新型催化剂使反应温度大幅降低；二是改进燃烧工艺、优化反应器设计使反应器自热维持较高温度运行，以满足低浓度甲烷的燃烧条件。

反应器需维持较高温度，能够将反应热蓄积在反应器中的蓄热式催化氧化装置主要有催化逆流反应器和整体式催化燃烧反应器两类，其都适用于低浓度甲烷的燃烧反应，催化逆流反应器对甲烷浓度变化的适应性更强，整体式催化燃烧反应器更轻巧，但两者也都存在不容忽视的缺点。其中，催化剂床层易发生飞温现象、高效取热与自热运行较难协调等是两者都存在的问题。化学反应工程学的经验表明，当单纯依靠功能化反应器不能满足化学反应过程中传热传质与催化反应高效稳定运行相协调的要求时，就必须同时借助于多功能催化剂的使用。尽管催化逆流反应器和整体式催化燃烧系统中都引入了蓄热技术，将甲烷燃烧的反应热用于反应气的预热，使其达到甲烷燃烧的反应温度。但它们都用的是显热式蓄热。这种利用材料的热容特性，通过温度升高来存储热量的蓄热方式对催化剂床层的飞温和热点现象没有控制力。另一方面，催化逆流反应器系统中的蓄热介质和催化剂孤立存在，热量释放后被气体带走，至蓄热介质处方有热交换，蓄热作用相对于反应器温升现象有明显的滞后，必须延长反应器纵深才能实现有效蓄热，这既影响系统经济性，又会造成一定的热量损失，降低了能源利用效率。

发明内容

本发明针对低浓度甲烷催化燃烧系统自热运行与供热间的结构性矛盾和催化剂床层飞温等技术问题，提供一种Co₃O₄基蓄热型催化剂及其制备方法与在催化甲烷燃烧中的应用，本发明利用潜热蓄热材料相变过程吸收或放出相变潜热的原理完成蓄热，具有蓄热密度大、相变时温度稳定的特点，制备出催化甲烷燃烧的蓄热型催化剂，将相变蓄热应用于低浓度甲烷催化燃烧，赋予整个催化剂床层热交换器的功能，以改善床层热环境，扩大系统自热运行与供热环节的操作空间，提升燃烧及供热效率。

本发明催化甲烷燃烧的Co₃O₄基蓄热型催化剂，以热稳定较高且具备催化活性的核壳结构SiAl@Al₂O₃或SiCu@Al₂O₃相变蓄热材料作为载体，将活性组分Co₃O₄基负载到高温相变蓄热材料上得到催化甲烷燃烧的蓄热型催化剂。