CN108236963B - 生物质气体净化催化剂及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

一种生物质气体净化催化剂及使用方法，其特征是所述的催化齐采用以下方法制备而成：将传统的催化剂材料负载在包埋在分子筛内的纳米尺寸零价铁的载体材料上，通过对其施加交变电磁场，在催化剂所覆盖的铁基材料中感应出电涡流，通过中、高频感应，使催化剂材料被瞬间加热，通过改变输入能量以调节到所需反应温度，从而实现不需要对反应气体进行整体加热从而消耗大量能源，催化剂载体中的电涡流还能促进催化作用进而明显提升催化活性。本发明能大幅度降低催化反应温度，节能降耗效果明显。

Description

生物质气体净化催化剂及其使用方法
技术领域
本发明涉及一种气体净化技术，尤其是一种生物质气体净化用催化剂技术，具体地说是一种利用电磁涡流作用瞬间提高催化剂温度而无需对反应气体进行整体加热，催化剂载体中的电涡流还能促进催化作用进而明显提升催化活性的改善催化剂性能，降低催化反应温度的生物质气体净化催化剂及其使用方法。
背景技术
生物质气体是有机物在无氧或缺氧条件下经热化学反应所转化的可燃气体，其主要组分由氢气、一氧化碳、甲烷等可燃组分以及二氧化碳、氮气等不可燃组分组成，可以作为燃料或化工原料粗产品等利用。生物质气体是有机物尤其是固体有机废弃物的一种重要的清洁转化产物及利用途径，在农林废弃物、生活垃圾、城市污泥等废弃物处理与资源化利用中具有广阔的应用前景。
生物质气体中含有较高含量的焦油组分，其组分特征是具有一个以及多个苯环结构的有机物，这类组分不仅具有生物毒性，而且其沸点相对较高，在气体输送管道中受冷后极易凝固出来造成堵塞，成为需要严格控制并进行脱除净化的一类组分。
在众多脱除生物质气体焦油方法中，基于催化裂解（无氧条件下分解）或催化重整（与二氧化碳、水蒸气等反应）原理的催化方法由于具有可进行原位净化、不降低生物质气体热值、有利于提高对生物质气体的能量利用率等优点，成为普遍认为的发展方向，并开发出以镍基催化剂为代表的一系列催化裂化或催化重整催化剂。截至目前，无论是开发的何种催化剂，都存在着反应温度偏高的共性问题，即可明显表现催化活性的反应温度通常在700℃以上，如此高的温度要求，为该方法的实际应用制造了很高的门槛和障碍。应对于此，针对中低温催化剂的研制成为该领域内科技工作人员的工作目标。
发明内容
本发明的目的是针对现有的气体净化催化剂反应温度过高（700℃以上），使用不便的问题，发明一种利用传统催化剂进行改性处理可瞬间且专向性加热获得中低温催化剂的方法，同时发明一种此类催化剂的使用方法。
本发明的技术方案之一是：
一种生物质气体净化催化剂，其特征是它采用以下方法制备而成：
将传统的催化剂材料负载在包埋在分子筛内的纳米尺寸零价铁的载体材料上，通过对其施加交变电磁场，在催化剂所覆盖的铁基材料中感应出电涡流，通过中、高频感应，使催化剂材料被瞬间加热，通过改变输入能量以调节到所需反应温度，从而实现不需要对反应气体进行整体加热从而消耗大量能源，催化剂载体中的电涡流还能促进催化作用进而明显提升催化活性。
所述的制备方法包括以下具体的步骤：
（1）先将纳米氧化硅、水玻璃、氢氧化钠、氢氧化钾、硫酸亚铁，加入去离子水中制成混合溶液，其中各组分的摩尔比例范围为： SiO2（1）：Al2O3（0.02～0.1）：Na2O（0.1～0.3）：K2O（0.02～0.15）：Fe（0.1～0.5）：H2O（10～30）；然后，在所制备的混合溶液中加入质量百分比2%～10%的N-甲基吡咯烷酮，在氮气气氛下搅拌20-28h；
（2）在通氮气状态下，向混合溶液中滴加浓度含量在0.1～0.5mol/L的硼氢化钠溶液并进行机械搅拌6-10h；
（3）将混合溶液放置在高压釜中，加热至373～473K并保温20～120h，冷却后用水清洗，在348±5k下干燥3h，制备出包埋于球形、米粒状或杆状纳米分子筛内的零价铁材料，其粒径范围在50nm～2000nm之间，制得内核材料；
（4）将所制得的内核材料，以15w/w%～30w/w%加入量分散混合于硝酸镍和硝酸铝水溶液中，其中硝酸镍含量为3～10w/w%，硝酸铝含量为10～20w/w%，连续搅拌至少6小时后将1mol/L的氨水作为沉淀剂滴加到硝酸镍和硝酸铝水溶液中，直到pH值达到9～10，然后在70±5°C下搅拌1.5-2.5h；然后，将悬浮液过滤并用去离子水洗至中性状态； 将所得沉淀物在120℃下干燥至少12h，并在空气中580±5℃下煅烧4～10h，即得到Ni基电涡流型纳米级生物质气体裂解/重整催化剂。
本发明的技术方案之二是：
一种生物质气体净化催化剂的使用方法，其特征是首先在气化炉出气端接入电涡流式催化反应器，并使催化剂颗粒在电涡流式催化反应器中为随流状态，在电涡流式催化反应器内的气体停留时间不低于3s，且在其流动空间的电涡流式催化反应器外侧均布置有电流线圈，给电流线圈的供电电源为：频率在1kHz～200kHz，波形为周期波，功率在1～100kW；催化剂颗粒最后随反应后的气体一并流出反应器；其次，在运行过程中，通过调节电源的频率和电流大小，来调节给电涡流型纳米级生物质气体裂解/重整催化剂的输入能量，进而发挥其在电涡流作用下的促进催化活性、提高催化剂温度的作用；最后，使流出电涡流式催化反应器后的催化剂在除尘器中被捕获，通过燃烧去除其表面的积碳，循环使用。
所述的催化剂可以与气化炉进料进行混合，在气化过程中释放并随所产生的生物质气体一并流出进入电涡流式催化反应器，也可在电涡流式催化反应器的入口端采用氮气、二氧化碳、水蒸气喷入电涡流式催化反应器中。
所述的周期波为正弦波、方波或三角波。
本发明的有益效果：
一不需要对反应气体进行整体加热从而消耗大量能源。
二是可以采用传统的催化剂材料。
三是催化剂载体中的电涡流还可促进催化作用进而明显提升催化活性。
四是方法简单，催化反应启动迅速，反应器操作方便，且大大降低加热成本，节约能源。
附图说明
图1是本发明的使用方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
实施例一。
一种生物质气体净化催化剂，它采用以下方法制备而成：首先，将传统的催化剂负载在包埋在分子筛内的纳米尺寸零价铁的载体材料上，然后，再通过对其施加交变电磁场，在催化剂所覆盖的铁基材料中感应出电涡流，通过中、高频感应，使催化剂材料被瞬间加热，通过改变输入能量以调节到所需反应温度。这样做的优点是：其一不需要对反应气体进行整体加热从而消耗大量能源，其二是可以采用传统的催化剂材料，其三是催化剂载体中的电涡流还可促进催化作用进而明显提升催化活性。
详述如下：
一种电涡流型纳米级生物质气体裂解/重整催化剂的制备方法，其制备主要内容如下：
（1）采用纳米氧化硅、水玻璃、氢氧化钠、氢氧化钾、硫酸亚铁等试剂，加入去离子水中制成混合溶液，其中各组分的摩尔比例范围为： SiO2（1）：Al2O3（0.02～0.1）：Na2O（0.1～0.3）：K2O（0.02～0.15）：Fe（0.1～0.5）：H2O（10～30），在所制备的混合液中，加入质量百分比2%～10%的N-甲基吡咯烷酮，在氮气气氛下搅拌20-28h，最佳为24小时。
（2）在通氮气状态下，向混合液中滴加硼氢化钠溶液（浓度含量在0.1～0.5mol/L）并进行机械搅拌6-10小时，最佳为8小时。
（3）将混合液放置在高压釜中，加热至373～473K并保温20～120h，冷却后用水清洗，在348±5k下干燥2-4（最佳为3）h，制备出包埋于球形、米粒状或杆状纳米分子筛内的零价铁材料，其粒径范围在50nm～2000nm之间，作为内核材料。
（4）将所制备的内核材料，以15w/w%～30w/w%加入量分散混合于硝酸镍和硝酸铝水溶液中（硝酸镍含量3～10w/w%，硝酸铝含量10～20w/w%），连续搅拌至少6小时后将1mol/L的氨水作为沉淀剂滴加混合溶液中，直到pH值达到9～10，然后在70±5°C下搅拌1.5-2.5（最佳2）h。然后，将悬浮液过滤并用去离子水洗至中性状态。 将所得沉淀物在120±5℃下干燥至少12h，并在空气中580±5℃下煅烧4～10h，得到Ni基电涡流型纳米级生物质气体裂解/重整催化剂。
实施例二。
如图1所示。
一种生物质气体净化催化剂的使用方法，如图1所示，它包括以下步骤：
（1）在气化炉出气端接入电涡流式催化反应器，其结构特征为在反应器的筒体外侧安装有电流线圈，给线圈的供电电源特征为：频率在1kHz～200kHz范围，波形为正弦波、方波、三角波等周期波，功率在1～100kW范围。催化剂颗粒在反应器中为随流状态，在反应器内的气体停留时间不低于3s且在其流动空间的反应器外侧均布置有电流线圈，最后随反应后的气体一并流出反应器。
（2）所制备的电涡流型纳米级生物质气体裂解/重整催化剂可以与气化炉进料进行混合，在气化过程中释放并随所产生的生物质气体一并流出进入反应器，也可在反应器的入口端采用氮气、二氧化碳、水蒸气等喷入反应器中。
（3）在运行过程中，通过调节电源的频率和电流大小，来调节给电涡流型纳米级生物质气体裂解/重整催化剂的输入能量，进而发挥其在电涡流作用下的促进催化活性、提高催化剂温度的作用。
（4）流出反应器后的催化剂在除尘器中被捕获，通过燃烧去除其表面的积碳，循环使用。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (4)

1.一种生物质气体净化催化剂，其特征是它采用以下方法制备而成：
将传统的催化剂材料负载在包埋在分子筛内的纳米尺寸零价铁的载体材料上，通过对其施加交变电磁场，在催化剂所覆盖的铁基材料中感应出电涡流，通过中、高频感应，使催化剂材料被瞬间加热，通过改变输入能量以调节到所需反应温度，从而实现不需要对反应气体进行整体加热从而消耗大量能源，催化剂载体中的电涡流还能促进催化作用进而明显提升催化活性；催化剂的制备方法包括以下步骤：
（1）先将纳米氧化硅、水玻璃、氢氧化钠、氢氧化钾、硫酸亚铁，加入去离子水中制成混合溶液，其中各组分的摩尔比例范围为： SiO2（1）：Al2O3（0.02～0.1）：Na2O（0.1～0.3）：K2O（0.02～0.15）：Fe（0.1～0.5）：H2O（10～30）；然后，在所制备的混合溶液中加入质量百分比2%～10%的N-甲基吡咯烷酮，在氮气气氛下搅拌20-28h；
（2）在通氮气状态下，向混合溶液中滴加浓度含量在0.1～0.5mol/L的硼氢化钠溶液并进行机械搅拌6-10h；
（3）将混合溶液放置在高压釜中，加热至373～473K并保温20～120h，冷却后用水清洗，在348±5k下干燥3h，制备出包埋于球形、米粒状或杆状纳米分子筛内的零价铁材料，其粒径范围在50nm～2000nm之间，制得内核材料；
（4）将所制得的内核材料，以15w/w%～30w/w%加入量分散混合于硝酸镍和硝酸铝水溶液中，其中硝酸镍含量为3～10w/w%，硝酸铝含量为10～20w/w%，连续搅拌至少6小时后将1mol/L的氨水作为沉淀剂滴加到硝酸镍和硝酸铝水溶液中，直到pH值达到9～10，然后在70±5°C下搅拌1.5-2.5h；然后，将悬浮液过滤并用去离子水洗至中性状态； 将所得沉淀物在120℃下干燥至少12h，并在空气中580±5℃下煅烧4～10h，即得到Ni基电涡流型纳米级生物质气体裂解/重整催化剂。
2.一种权利要求1所述的催化剂的使用方法，其特征是首先在气化炉出气端接入电涡流式催化反应器，并使催化剂颗粒在电涡流式催化反应器中为随流状态，在电涡流式催化反应器内的气体停留时间不低于3s，且在其流动空间的电涡流式催化反应器外侧均布置有电流线圈，给电流线圈的供电电源为：频率在1kHz～200kHz，波形为周期波，功率在1～100kW；催化剂颗粒最后随反应后的气体一并流出反应器；其次，在运行过程中，通过调节电源的频率和电流大小，来调节给Ni基电涡流型纳米级生物质气体裂解/重整催化剂的输入能量，进而发挥其在电涡流作用下的促进催化活性、提高催化剂温度的作用；最后，使流出电涡流式催化反应器后的催化剂在除尘器中被捕获，通过燃烧去除其表面的积碳，循环使用。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征是所述的催化剂可以与气化炉进料进行混合，在气化过程中释放并随所产生的生物质气体一并流出进入电涡流式催化反应器，也可在电涡流式催化反应器的入口端采用氮气、二氧化碳、水蒸气喷入电涡流式催化反应器中。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征是所述的周期波为正弦波、方波或三角波。
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