CN108825411A - 天然气催化装置及以天然气为动力源的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种天然气催化装置及以天然气为动力源的装置。该天然气催化装置设置有催化剂镀层，催化剂镀层包括贵金属镀层和稀土镀层，贵金属镀层包括催化剂和储氢材料；稀土镀层中包括稀土元素；其中当向天然气催化装置中通入天然气时，贵金属镀层和稀土镀层均能够与天然气进行接触，以使天然气在贵金属镀层和稀土镀层的共同作用下进行催化聚合反应。储氢材料具有热电效应，其表面容易吸附天然气，从而在催化元素和稀土元素的共同催化作用下，能够使天然气中的甲烷和乙烷等组分中的部分或全部进行催化聚合，形成乙烷、丙烷等高热值燃料，进而有利于提高天然气燃烧过程中产生的热值。

Description

天然气催化装置及以天然气为动力源的装置

技术领域

本发明涉及催化领域，具体而言，涉及一种天然气催化装置及以天然气为动力源的装置。

背景技术

随着能源消耗的逐年增加，二氧化碳的排放量也持续增加，在目前的二氧化碳排放中，25％来自于汽车。至2030年，排放量将由2005年的281亿吨增加至423亿吨。在我国，汽车排放的污染已经成为城市大气污染的重要因素，我国的二氧化碳前已居全球第二，二氧化碳的减排压力将越来越大。

由于我国的石油资源短缺，目前石油进口量以每年两位数字的百分比增长，到2010年进口依赖度已超50％。同时我国已经步入汽车生产和消费大国，节能、环保、节约资源是汽车产业未来面临的长期任务。因此，研发汽车环保，减排，节能产品是实现我国能源安全，环境保护以及中国汽车工业实现跨越式可持续发展的需求，必将成为今后中国汽车工业和能源产业发展的重点。

天然气汽车以天然气为燃料提供动力的汽车，具有污染小、燃烧稳定等优点。我国已有多个城市采用天然气(LNG)作为公共汽车、出租车等运输车辆的主要能源。然而现有的问题是天然气燃烧过程中产生的热值较低，从而导致以天然气作为动力源时，车辆会产生动力不足的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种天然气催化装置及以天然气为动力源的装置，以解决现有天然气燃烧过程中存在热值低的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种天然气催化装置，天然气催化装置设置有催化剂镀层，催化剂镀层包括贵金属镀层和稀土镀层，贵金属镀层包括催化剂和储氢材料；稀土镀层中包括稀土元素；其中当向天然气催化装置中通入天然气时，贵金属镀层和稀土镀层均能够与天然气进行接触，以使天然气在贵金属镀层和稀土镀层的共同作用下进行催化聚合反应。

进一步地，催化剂包括元素钯和/或元素铂，储氢材料包括金属钛和/或金属镍。

进一步地，稀土镀层中的稀土元素包括La、Ce和Y组成的组中的一种或多种；优选地，稀土镀层中的稀土元素为La、Ce和Y，且三者的摩尔数之比为1～10：1～10：1～10。

进一步地，贵金属镀层通过将含有贵金属元素的原料液在pH为3.0～4.5下进行电解制得，其中，按重量份计，含有贵金属元素的原料液包括50～80份的NiSO₄·6H₂O、40～60份的TiOSO₄，40～60份的Pd(HN₃)₂Cl₂、10～20份的Pt(HN₃)₂(NO₂)₂、40～60份的H₃BO₃、40～60份的Na₃C₆H₃O₇·2H₂O、10～40mg/L份的助剂；优选地，助剂选自表面活性剂、阻化剂和缓冲剂组成的组中的一种或多种。

进一步地，天然气催化装置包括壳体和催化部件。壳体设置有气体入口和气体出口，稀土镀层设置在壳体的内表面；催化部件设置在壳体的内部，贵金属镀层设置在催化部件的表面。

进一步地，贵金属镀层的厚度为20～40μm，稀土镀层的厚度为40～75μm。

进一步地，壳体为管状。

进一步地，催化部件包括至少两个分隔部，各分隔部均沿壳体的轴向延伸，用以沿壳体的周向或径向将壳体的内部分隔为至少两个腔体。

进一步地，分隔部为隔板，各隔板交叉设置，且各隔板之间的相交线与壳体的轴线平行。

进一步地，沿壳体的径向方向，隔板的表面为弧面。

本申请另一方面还提供了一种以天然气为动力源的装置，装置包括上述天然气催化装置。

进一步地，上述以天然气为动力源的装置为汽车。

应用本发明的技术方案，储氢材料具有热电效应，其表面容易吸附天然气，从而在催化元素和稀土元素的共同催化作用下，能够使天然气中的甲烷和乙烷等组分中的部分或全部进行催化聚合，形成乙烷、丙烷等高热值燃料，进而有利于提高天然气燃烧过程中产生的热值。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的一种典型的实施方式提供的天然气催化装置的俯视图；

图2示出了根据本发明的一种优选的实施方式提供的天然气催化装置的俯视图；及

图3示出了示出了根据本发明的一种优选的实施方式提供的天然气催化装置中的催化部件的侧视图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、壳体；20、催化部件；21、第一分隔部；22、第二分隔部；23、第三分隔部。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本发明。

正如背景技术所描述的，现有天然气燃烧过程中存在热值低的问题。为了解决上述技术问题，本申请提供了一种天然气催化装置，天然气催化装置设置有催化剂镀层，催化剂镀层包括：贵金属镀层和稀土镀层，贵金属镀层包括催化剂和储氢材料；稀土镀层包括稀土元素，其中当向上述天然气催化装置中通入天然气时，贵金属镀层和稀土镀层均能够与天然气进行接触，以使天然气在贵金属镀层和稀土镀层的共同作用下进行催化聚合反应。

储氢材料具有热电效应，其表面容易吸附天然气，从而在催化元素和稀土元素的共同催化作用下，能够使天然气中的甲烷和乙烷等组分中的部分或全部进行催化聚合，形成乙烷、丙烷等高热值燃料，进而有利于提高天然气燃烧过程中产生的热值。

采用上述天然气催化装置有利于提高天然气燃烧过程中产生的热值。在一种优选的实施方式中，上述催化剂包括但不限于元素钯和/或元素铂，上述储氢材料包括但不限于金属钛和/或金属镍。将催化剂和储氢材料限定在上述范围内有利于进一步提高天然气催化装置的催化效率，进而有利于提高上述催化聚合反应的聚合率。更优选地，上述述催化元素为元素钯和元素铂，储氢元素为钛镍合金。

上述催化剂镀层中采用的稀土元素可以选用本领域常用的稀土元素。在一种优选的实施方式中，稀土镀层中的稀土元素包括但不限于La、Ce和Y组成的组中的一种或多种。稀土镀层中的稀土元素包括但不限于上述几种，而上述几种稀土元素的价格相对较低，因而将其限定在上述范围内有利于降低催化剂镀层的制备成本。

优选地，稀土镀层中的稀土元素为La、Ce和Y，且三者的摩尔数之比为1～10：1～10：1～10。将La、Ce和Y按特定的比例制备稀土镀层时，有利于提高其与贵金属镀层共同催化效果，进而有利于提高燃烧过程中天然气的产热值。

本申请提供的天然气的催化装置的具体结构不做具体限定，只要含有上述贵金属催化剂镀层，同时能够起到对天然气中组分的催化作用，即可实现提高燃烧过程天然气的产热值。在一种优选的实施方式中，如图1和2所示，天然气催化装置包括：壳体10和催化部件20，壳体10设置有气体入口和气体出口，稀土镀层设置在壳体10的内表面；催化部件20，催化部件20设置在壳体10的内部，贵金属镀层设置在催化部件20的表面。

采用具有上述结构的天然气催化装置处理天然气时，天然气从气体入口进入，然后在壳体10内，天然气中的部分或全部被吸附在贵金属催化剂镀层上。在贵金属催化剂镀层和稀土镀层的催化作用下，天然气中组分发生催化聚合反应，形成具有高热值的组分。因而相比于天然气，催化聚合后形成的组分在燃烧过程中能够产生更多的热量。

需要说明的是，上述天然气催化装置中，贵金属镀层和所述稀土镀层的位置可以进行调整，只要满足贵金属镀层和稀土镀层均能够与天然气进行接触即可。在一种可选的方式中，将贵金属催化剂镀层设置在壳体10上，而稀土镀层设置在催化部件20上。在另一种可选的方式中，在壳体10上，贵金属催化剂镀层和稀土镀层间隔设置，同时在催化部件20上，贵金属催化剂镀层和稀土镀层也间隔设置。

在一种优选的实施方式中，贵金属镀层通过将含有贵金属元素的原料液在pH为3.0～4.5条件下进行电解过程制得，其中，按重量份计，含有贵金属元素的原料液包括50～80份的NiSO₄·6H₂O、40～60份的TiOSO₄，40～60份的Pd(HN₃)₂Cl₂、10～20份的Pt(HN₃)₂(NO₂)₂、40～60份的H₃BO₃、40～60份的Na₃C₆H₃O₇·2H₂O、10～40mg/L份的助剂。

贵金属镀层中贵金属元素的组成包括但不限于上述组成，而将其限定在上述范围内有利于更进一步提高催化剂镀层的催化性能。

含有贵金属元素的原料中使用的助剂可以选用本领域常用的助剂。可选地，上述助剂包括但不限于表面活性剂、阻化剂和缓冲剂组成的组中的一种或多种。表面活性剂的加入有利于提高形成的贵金属镀层的均匀性，阻化剂的加入有利于调节催化效率，缓冲剂的加入有利于将上述含有贵金属元素的原料液的pH限定在所需的范围内。

在一种优选的实施方式中，上述稀土镀层采用以下方法制得：首先制备含有稀土元素的饱和盐溶液；其次将壳体10浸入上述饱和溶液中，然后通过负压氨水提取物气氛热蒸发沉积法形成所需的稀土镀层。

优选地，贵金属镀层的厚度为20～40μm，稀土镀层的厚度为40～75μm。

在一种优选的实施方式中，壳体10为管状。壳体10的形状可以设计成任何形状，而将其设置为管状有利于提高单位面积上的气体的流量，进而能够提高天然气的处理量。

在一种优选的实施方式中，如图3所示，催化部件20包括至少两个分隔部，各分隔部均沿壳体10的轴向延伸，用以沿壳体10的周向或径向将壳体10的内部分隔为至少两个腔体。设置分隔部有利于提高催化剂镀层与天然气的接触面积，从而有利于提高天然气的催化聚合效果。

上述天然气催化装置中，壳体10和催化部件20可以采用本领用常用的固定方式进行固定。在一种优选的实施方式中，壳体10和催化部件20采用卡扣连接或焊接。

为了进一步提高贵金属催化剂镀层与天然气的接触面积，在一种优选的实施方式中，上述分隔部为隔板，各隔板交叉设置，且各隔板之间的相交线与壳体10的轴线平行。

优选地，上述催化部件20采用中碳钢，具有4～8分割部(叶片)，分割部(叶片)的厚度0.5～0.7mm，叶片对角8～12mm，叶片长60～70mm。壳体10采用中碳钢，呈管状，管壁的厚度0.5～0.7mm，内径8～12mm，管长60～70mm。

优选地，如图1和3所示，上述催化部件20中包括第一分隔部21(平板状)、第二分隔部22(平板状)和第三分隔部23(平板状)，且第一分隔部21、第二分隔部22及第三分隔部23交叉形成催化部件20，并将壳体10分隔成六个区域。

在另一种优选的实施方式中，如图2和3所示，上述催化部件20中包括第一分隔部21、第二分隔部22及第三分隔部23。沿壳体10的径向方向，第一分隔部21(隔板)和第二分隔部22(隔板)及第三分隔部23(隔板)的表面为弧面。

上述天然气催化装置可以应用于任何涉及到天然气的领域中。本申请的另一方面还提供了一种以天然气为动力源的装置，该装置包括上述天然气催化装置。在以天然气为动力源的装置中设置上述天然气催化装置，有利于提高天然气的产热值，从而能够有利于为其提供更大的动力。优选地，上述以天然气为动力源的装置为汽车。

以下结合具体实施例对本申请作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本申请所要求保护的范围。

实施例1

天然气催化装置的制备方法如下：

1、基材准备。

如图1所示，催化部件20采用中碳钢，具有4分割部(叶片)，分割部(叶片)的厚度0.5mm，叶片对角8mm，叶片长60mm。

壳体10采用中碳钢，呈管状，管壁的厚度0.5mm，内径8mm，管长60mm。

对催化部件20和壳体10进行酸洗(3mol/L盐酸)。

2、镍钛-钯铂合金镀层制备。

(1)电镀液制备。

电解液的组成为NiSO₄·6H₂O，50～80g/L；TiOSO₄，40～60g/L；Pd(HN₃)₂Cl₂，10～20g/L；Pt(HN₃)₂(NO₂)₂，10～20g/L；H₃BO₃，40～60g/L；Na₃C₆H₃O₇·2H₂O，40～60g/L；助剂，10～40mg/L。

(2)电镀。

将催化部件20固定作为阴极，以石墨为阳极，以上述电解液为原料，在40～60℃的温度下进行电解，同时电解过程中使用有机酸(柠檬酸)将电解液的pH限定在3.0～4.5。

制备镍钛-钯铂合金镀层，镀层厚度40μm。

3、复合稀土沉积层制备。

(1)复合稀土盐溶液制备。

以LaCl₃、CeCl₃、YCl₃的摩尔比为2:1:1，配置饱和溶液，加温至50℃并保温，得到复合稀土盐溶液。

(2)壳体10浸入上述复合稀土盐溶液中，采用负压氨水提取物气氛热蒸发沉积法，制备稀土盐镀层，厚度为40μm，贵金属镀层的厚度与稀土镀层的面积之比为1:1。。

4、组合

经处理的催化部件20和壳体10通过卡扣的方式组合为一体。

实施例2

与实施例1的区别为：稀土镀层中，La、Ce和Y的摩尔数之比为3:3:5。

实施例3

与实施例1的区别为：稀土镀层中，稀土元素仅含有La和Ce，且二者的摩尔数之比为1:1。

实施例4

与实施例1的区别为：天然气催化装置中分割部的结构如图2所示。

对比例1

与实施例1的区别为：在壳体10上设置稀土镀层，而催化部件20上不设置贵金属镀层。

对比例2

与实施例1的区别为：在催化部件20上设置贵金属镀层，而在壳体10上不设置稀土镀层。

性能验证试样：

将天然气依次经过实施例1至7及对比例1和2中制得的天然气催化装置进行处理，且上述处理过程在发动机舱预热的处理下(60℃)进行。

将处理后得到的组分进行燃烧，并测量热值，同时以不经过天然气催化装置处理的天然气的燃烧值作为空白样，天然气的组成见表1，产热值测试结果见表2。

表1

表2

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：采用上述天然气催化装置有利于大幅提高天然气燃烧过程中产生的热值。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种天然气催化装置，其特征在于，所述天然气催化装置设置有催化剂镀层，所述催化剂镀层包括：

贵金属镀层，所述贵金属镀层包括催化剂和储氢材料；

稀土镀层，所述稀土镀层中包括稀土元素；

其中当向所述天然气催化装置中通入天然气时，所述贵金属镀层和所述稀土镀层均能够与所述天然气进行接触，以使所述天然气在所述贵金属镀层和所述稀土镀层的共同作用下进行催化聚合反应。

2.根据权利要求1所述的天然气催化装置，其特征在于，所述催化剂包括元素钯和/或元素铂，所述储氢材料包括金属钛和/或金属镍。

3.根据权利要求1或2所述的天然气催化装置，其特征在于，所述稀土镀层中的所述稀土元素包括La、Ce和Y组成的组中的一种或多种；

优选地，所述稀土镀层中的所述稀土元素为La、Ce和Y，且三者的摩尔数之比为1～10：1～10：1～10。

4.根据权利要求2所述的天然气催化装置，其特征在于，所述贵金属镀层通过将含有贵金属元素的原料液在pH为3.0～4.5下进行电解制得，其中，按重量份计，所述含有贵金属元素的原料液包括50～80份的NiSO₄·6H₂O、40～60份的TiOSO₄，40～60份的Pd(HN₃)₂Cl₂、10～20份的Pt(HN₃)₂(NO₂)₂、40～60份的H₃BO₃、40～60份的Na₃C₆H₃O₇·2H₂O、10～40mg/L份的助剂；

优选地，所述助剂选自表面活性剂、阻化剂和缓冲剂组成的组中的一种或多种。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的天然气催化装置，所述天然气催化装置包括：

壳体(10)，所述壳体(10)设置有气体入口和气体出口，所述稀土镀层设置在所述壳体(10)的内表面；

催化部件(20)，所述催化部件(20)设置在所述壳体(10)的内部，所述贵金属镀层设置在所述催化部件(20)的表面。

6.根据权利要求5所述的天然气催化装置，其特征在于，所述贵金属镀层的厚度为20～40μm，所述稀土镀层的厚度为40～75μm。

7.根据权利要求5所述的天然气催化装置，其特征在于，所述壳体(10)为管状。

8.根据权利要求7所述的天然气催化装置，其特征在于，所述催化部件(20)包括至少两个分隔部，各所述分隔部均沿所述壳体(10)的轴向延伸，用以沿所述壳体(10)的周向或径向将所述壳体(10)的内部分隔为至少两个腔体。

9.根据权利要求8所述的天然气催化装置，其特征在于，所述分隔部为隔板，各所述隔板交叉设置，且各所述隔板之间的相交线与所述壳体(10)的轴线平行。

10.根据权利要求9所述的天然气催化装置，其特征在于，所述隔板的表面为弧面。

11.一种以天然气为动力源的装置，其特征在于，所述装置包括权利要求1至10中任一项所述天然气催化装置。

12.根据权利要求11所述装置，其特征在于，所述装置为汽车。