CN203874668U

CN203874668U - 一种促进甲烷催化氧化的装置

Info

Publication number: CN203874668U
Application number: CN201420265748.XU
Authority: CN
Inventors: 薛刚; 王赛飞; 梁金生; 苑砚坤; 孟军平
Original assignee: Hebei University of Technology
Current assignee: Hebei University of Technology
Priority date: 2014-05-23
Filing date: 2014-05-23
Publication date: 2014-10-15
Anticipated expiration: 2024-05-23

Abstract

本实用新型为一种促进甲烷催化氧化的装置，包括在密闭管道上依次串联设置的气体探测器、活化催化装置及尾气分析仪；所述气体探测器包括在密闭管路上先后设置的温度感应器和浓度感应器，温度感应器和浓度感应器分别与信息处理器相连，信息处理器与第一LED显示器相连；所述的活化催化装置包括在密闭管路上先后设置数字质量流量计和催化反应单元，以及第二LED显示器；所述的尾气分析仪包括依次串联的浓度感应器、信息处理器和第三LED显示器。本实用新型相比较于之前技术，将活化和催化装置合二为一，装置的体积减小50%，携带方便，制作成本降低30%，且适用范围广。

Description

一种促进甲烷催化氧化的装置

技术领域

本实用新型涉及一种促进甲烷催化氧化的装置，针对不同来源的含低浓度甲烷的污染气体如CNG汽车尾气、煤矿乏气、工业有机废气、天然气窑废气等进行活化催化处理。

背景技术

甲烷属于最为稳定的HC化合物，表现在甲烷的自身氧化反应比一般HC化合物的氧化反应难度大，它对大气的加热潜力比二氧化碳高25倍之多，是一种温室气体。生活中很多甲烷因浓度极低难以利用而排放到大气中，对大气环境造成了严重的污染，其中低浓度甲烷气体的主要来源为CNG汽车尾气、煤矿乏风、工业有机废气、天然气窑废气等。CNG汽车因其经济节能性和环境亲和性而迅速发展，尾气中的甲烷具有高稳定性，活化和转化困难，所以压缩天然气汽车尾气净化比汽油车尾气净化困难得多。我国每年由煤矿乏风排入大气的甲烷约占我国煤矿瓦斯甲烷总量的81％，1年的排放量在150亿立方米以上，产生的温室气体效应约为2亿吨二氧化碳的量，对环境造成了巨大的危害。此外，工业有机废气和天然气窑废气中含有大量的甲烷等有害气体，造成巨大的温室效应，因此降低甲烷气体对大气环境的危害迫在眉睫。

目前存在的甲烷催化装置多是针对单一天然气排放污染源的，不能广泛适用于其他领域的含低浓度甲烷废气处理，因此需要制备一种新型高效甲烷活化催化装置，使各种含低浓度甲烷的污染气体都能得到有效的净化。

专利200810237636.2公布了一种煤矿乏风甲烷氧化装置的瓦斯添加系统及安全保护机构，抽采瓦斯与煤矿乏风混合后再由风机吸入氧化装置，而且采用机械控制和电气控制双重并行的方式，并且设置了水封阻火器和金属波纹带阻火器两种阻火方式，使加入的抽采瓦斯数量及甲烷浓度保持在氧化装置规定的标准范围内，既保证了系统和煤矿的安全，又方便节能。但该装置的作用只是控制甲烷浓度，并不能提高甲烷的催化效率。专利03262648.7介绍了用于处理煤矿通风乏气的燃烧反应装置，采用热的燃烧烟气预热新进的通风乏气及用催化剂降低燃烧反应的活化能，变反向间歇流动为单向连续稳定流动，提高了系统的稳定性、安全性和可操作性。但是该装置只是适用于甲烷浓度在0.15-1.0％之间的煤矿通风乏气，不能广泛适用于含低浓度甲烷的气体。专利US2009206276提供的是一种使燃烧前的甲烷气体实现大幅度活化，提高燃烧时的热效率的远红外发生体，该装置只是应用于甲烷的燃烧放热方面，没有应用在低浓度甲烷气体的处理方面，并且所用的活性物质为电气石粉，碳粉和铁粉的混合物。

本实用新型采用增大吸附面积-活化-催化联合处理，将复合催化材料负载在堇青石载体上置于活化催化装置中，利用堇青石的多孔性能增大低浓度甲烷气体的吸附面积，然后利用电气石的红外辐射作用将甲烷气体分子进行活化，降低甲烷的活化能，再将解吸气催化氧化，从而降低起燃温度，促进甲烷气体的催化氧化，缩短转化时间，更有利于节能。本装置适用于CNG汽车尾气、煤矿乏气、工业有机废气、天然气窑废气中的低浓度甲烷的净化，减少甲烷气体对大气环境的污染。

实用新型内容

本实用新型对传统催化氧化装置进行改进，其创新性在于活化与催化功能的整合，克服了以往催化装置催化效率低的缺点；同时，该活化催化装置采用程序控制升温，通过调节升温速率和气体流量，来处理不同污染源的含低浓度甲烷气体，以达到最佳催化效果，操作方便快捷，适用范围广，克服了以往催化装置只能处理单一污染源气体的缺陷。活化催化装置中的催化氧化单元集增大吸附面积、活化、催化三种功能于一体，既含有大比表面的堇青石载体，增大气体的吸附面积，促进气体与催化剂充分反应；又含有电气石/钙钛矿复合活化催化材料，对甲烷气体同时进行活化和催化，进而降低甲烷的起燃温度并且提高转化率。前端是气体探测仪，后接尾气分析仪。

本实用新型的技术方案为：

一种促进甲烷催化氧化的装置，包括在密闭管道上依次串联设置的气体探测器、活化催化装置及尾气分析仪；

所述气体探测器包括在密闭管路上先后设置的温度感应器和浓度感应器，温度感应器和浓度感应器分别与信息处理器相连，信息处理器与第一LED显示器相连；

所述的活化催化装置包括在密闭管路上先后设置数字质量流量计和催化反应单元，以及第二LED显示器，数字质量流量计和催化反应单元分别与第二LED显示器相连；催化反应单元内载有活化催化剂；催化反应单元采用程序控制升温，通过加热电偶对通过活化催化剂的气体进行加热，设置温度、实际温度以及气体流速均显示在第二LED显示器上，经活化催化后的气体通入尾气分析仪；

所述的尾气分析仪包括依次串联的浓度感应器、信息处理器和第三LED显示器，其中，浓度感应器设置在密闭管道上。

所述的尾气分析仪采用型号为HCX-9-CH4的甲烷分析仪；进气管道与出气管道均选用不锈钢管。

所述的活化催化剂为负载在堇青石载体上的复合催化材料，该复合催化材料为采用溶胶凝胶法制备的电气石/LaCoO₃复合催化剂，其中电气石的质量百分比为2％-10％，堇青石载体上复合催化材料的负载量10％。

本实用新型的优点：

(1)本实用新型将催化和活化的功能进行整合，组成新的集活化-催化-增大吸附面积于一体的活化催化装置，利用电气石的红外辐射作用来降低甲烷的活化能，同时电气石的自发电场能影响催化剂的形貌，减少团聚，增大比表面积，使得活化和催化的协同作用大于单一的活化与催化的叠加作用，再加上堇青石的多孔结构来增大吸附面积，实现了甲烷在更低温度下的催化转化，甲烷起燃温度降低，催化效率提高；

(2)本实用新型相比较于之前本课题组实用新型的一种含电气石的甲烷活化催化氧化装置(专利CN201310278633.4)，将活化和催化装置合二为一，装置的体积减小50％，携带方便，制作成本降低30％；

(3)本实用新型操作简便，适用范围广，可以普遍适用于CNG汽车尾气、煤矿乏风、工业有机废气、天然气窑废气等气体中的低浓度甲烷的活化催化，克服了以往装置只能应用于单一移动污染源的问题。

附图说明：

图1为本实用新型装置的结构示意图

图2为按图1所示的气体探测器结构示意图

图3为按图1所示的活化催化装置结构示意图

图4为按图1所示的尾气分析仪结构示意图

图5为本实用新型中实施例一中甲烷活性曲线对比图

图6为本实用新型中实施例二中甲烷活性曲线对比图

图7为本实用新型中实施例三中甲烷活性曲线对比图

图8为本实用新型中实施例四中甲烷活性曲线对比图

图9为本实用新型中实施例五中不同装置的甲烷活性曲线对比图

其中，1-密闭管道，2-温度感应器，3-浓度感应器，4-信息处理器，5-LED显示器，6-数字质量流量计，7-流量控制钮，8-催化反应单元，9-加热电阻，10-堇青石载体的活化催化剂，11-温度控制钮，12-LED显示器，13-浓度感应器，14-信息处理器，15-LED显示器。

具体实施方式：

如图1-图4所示，一种促进甲烷催化氧化的装置，包括在密闭管道1上依次串联设置的气体探测器，活化催化装置及尾气分析仪；

所述气体探测器包括在密闭管路1上先后设置的温度感应器2和浓度感应器3，温度感应器2和浓度感应器3分别与信息处理器4相连，信息处理器4与LED显示器5相连。温度感应器2和浓度感应器3将感应到的信号传输到信息处理器4，经分析处理后结果显示在LED显示器5上；

气体探测器采用加拿大优胜公司生产的TDL-500便携式激光甲烷分析仪；

所述的活化催化装置包括在密闭管路1上先后设置数字质量流量计6和圆柱形不锈钢材质的催化反应单元8，该数字质量流量计6选用上海矽翔微机电系统有限公司生产的MF4003型数字质量流量计；催化反应单元8内载有活化催化剂10；所述的活化催化剂10公知材料，具体为装有负载在堇青石载体上的复合催化材料，该复合催化材料为采用溶胶凝胶法制备的电气石/LaCoO₃复合催化剂，其中电气石的质量百分比为2％-10％，复合催化材料的具体实验步骤及制备方法见专利CN201210225535.X，复合催化材料负载在堇青石载体上的方法见专利CN102407136A。堇青石蜂窝陶瓷载体的孔密度为200cpsi，催化剂用量因通入气体的种类而定，催化剂用量见表1。催化反应单元8采用程序控制升温，通过温度控制钮11设置升温参数，通过加热电偶9对通过活化催化剂10的气体进行加热，数字质量流量计6与加热电偶9均与LED显示器12连接，设置温度、实际温度以及气体流速均显示在LED显示器12上，经活化催化后的气体通入尾气分析仪；

尾气分析仪包括依次串联的浓度感应器13、信息处理器14和LED显示器15，其中，浓度感应器13设置在密闭管道1上。尾气分析仪量程为0-100％VOL，气体通过浓度感应器13，信号经信息处理器14处理并将结果显示在LED显示屏15上，处理后的气体排放到空气中。

尾气分析仪采用型号为HCX-9-CH4的甲烷分析仪，使用EASY3000型分析软件；进气管道与出气管道均选用不同规格的不锈钢管。

表1为装置处理不同气体对应的流量与催化剂用量：

表1不同气体对应的流量与催化剂用量参数

实验条件	初始甲烷浓度	气体流量	催化剂用量
				CNG汽车尾气	<1.96％	12m³/min	200g
煤矿乏气	<0.75％	60m³/min	800g
				工业有机废气	0.224％-0.896％	40m³/min	600g
天然气窑废气	1.24％-4.3％	80m³/min	1000g

装置开始运行时，含低浓度甲烷的气体通入密闭管道1，经温度感应器2、浓度感应器3感应将信号传给信息处理器4进行处理，结果显示在LED显示器5上，记录温度与甲烷浓度；接着气体进入活化催化装置，经数字质量流量计6控制流速，气体进入催化反应单元8内，加热电阻9对气体加热，设定温度为600℃，程序控制升温速率为50℃/min，气体经过活化催化剂10发生催化氧化反应，活化催化剂10负载在堇青石载体上，催化后的气体输送到尾气分析仪；进入到尾气分析仪后，气体流通在密闭管道1，经浓度感应器13传送信号至信息处理器14，处理后的结果显示在LED显示屏15上，记录处理后的甲烷浓度值，与催化前的数据进行比较，计算甲烷浓度降低率，净化后的气体排放到空气中。

其中，该装置在处理不同气体时对应四种规格尺寸，具体参数见表2

表2装置的尺寸参数

本实用新型的突出特点在于活化催化装置集增大吸附面积、活化、催化于一体，催化反应单元8内既含有用来控制程序升温的加热电阻9，又含有负载在堇青石载体上的活化催化剂10，利用堇青石增大低浓度甲烷气体的吸附面积，同时电气石对甲烷进行活化，降低其活化能，加热过程中催化剂对甲烷气体进行催化，可使甲烷的起燃温度降低，转化时间缩短，催化活性提高，有效降低了甲烷气体对大气环境的污染。

具体实施实例

实施例一

利用本装置对CNG汽车尾气进行处理，首先在催化反应单元8内装入200克负载量为10％的堇青石负载催化剂，其中，复合催化材料中电气石质量百分比为2％，LaCoO₃质量百分比为98％，记为LCT1并用耐高温石英棉进行固定，接通电源，通过流量控制钮7设置气体流量为12m³/min,通入CNG汽车尾气，记录气体探测器显示屏5上显示的气体温度与甲烷浓度，设置加热电阻9的加热温度为600℃，通过温度控制钮11设置程序升温参数：升温速率50℃/min，分别在200℃，300℃，400℃，500℃，600℃用尾气分析仪对反应后气体中的甲烷浓度进行检测并记录结果，直到600℃升温结束，关闭电源。对比实验为活化催化装置中添加200克负载催化剂，其中负载的催化组分中LaCoO₃质量百分比为100％(记为LC1)，堇青石载体的负载量为10％，其他实验条件相同。

实验结果如图5，可见添加电气石活性成分的催化装置在甲烷浓度减小一半时对应的温度(T50)为398℃，未添加电气石活性成分的催化装置在甲烷浓度减小一半时对应的温度(T50)为438℃，表明活性成分电气石对甲烷起到了活化作用，提高了甲烷转化率，缩短了转化时间。

由以下方法计算装置的节能率：

由该活化催化装置测得甲烷的起燃温度T₅₀，完全转化温度T₉₀及达到这两个温度所需时间t1、t2，其中(测试由200℃开始，升温速率为50℃/min)。由下列公式计算出含电气石的活化催化装置的节能率：

Q_a——对照组达到起燃温度所需能量

Q_b——节能组达到起燃温度所需能量

式中，η₁为达到甲烷起燃温度时装置的节能率；η₂为达到甲烷完全转化温度时的装置节能率。

其中，催化反应单元达到某一温度所需热量来自热电阻的加热作用，假设外部供应电能全部转化为热能，则

Q＝P·t＝I²Rt Q——催化反应单元达到某一温度所需能量

t——催化反应单元达到特定温度所需的时间，t1、t2对应η₁、η₂

测试结束后甲烷的净化程度C可由如下公式计算：

通过上述方法，对实施例一中的装置进行节能率计算，通过测试，该装置的甲烷起燃节能率为9.13％，完全转化节能率为4.76％。该节能装置测试结束时甲烷的净化程度比未添加电气石活化成分的普通装置提高了1.10％，有效降低了甲烷对大气环境的污染。

实施例二

实施例二和实施例一的不同之处在于通入的气体变为煤矿乏风，气体流量设置为60m³/min，加入800克堇青石负载催化剂，其催化剂中电气石质量百分比为5％，LaCoO₃质量百分比为95％，记为LCT2，对比实验为活化催化装置中添加800克负载催化剂，其LaCoO₃质量百分比为100％(记为LC2)的堇青石载体，装置的尺寸参照表1，气体流量60m³/min，其他实验条件相同。

实验结果如图6，可见添加电气石活性成分的催化装置在甲烷浓度减小一半时对应的温度为442℃，未添加电气石活性成分的催化装置在甲烷浓度减小一半时对应的温度为475℃，表明电气石对甲烷的活化作用使得甲烷在更低温度下发生催化氧化，加快了反应速率。按照实施例一中所述的节能率测试方法，通过测试，该装置的甲烷起燃节能率为6.95％，完全转化节能率为3.03％。该节能装置测试结束时甲烷的净化程度比未添加电气石活化成分的普通装置提高了3.52％，有效降低了甲烷对大气环境的污染。

实施例三

实施例三和实施例一的不同之处在于通入的气体变为工业有机废气，初始甲烷浓度为0.56％，气体流量设置为40m³/min，加入600克堇青石负载催化剂，其催化剂中电气石质量百分比为8％，LaCoO₃质量百分比为92％，记为LCT3，对比实验为活化催化装置中添加600克负载催化剂，其LaCoO₃质量百分比为100％(记为LC3)的堇青石载体，装置的尺寸参照表1，气体流量40m³/min，其他实验条件相同。

实验结果如图7，可见添加电气石活性成分的催化装置在甲烷浓度减小一半时对应的温度为448℃，未添加电气石活性成分的催化装置在甲烷浓度减小一半时对应的温度为488℃，表明活性成分电气石对甲烷起到了活化作用，能在较低温度下实现催化转化。按照实施例一中所述的节能率测试方法，通过测试，该装置的甲烷起燃节能率为8.20％，完全转化节能率为2.69％。该节能装置测试结束时甲烷的净化程度比未添加电气石活化成分的普通装置提高了3.76％，有效降低了甲烷对大气环境的污染。

实施例四

实施例四和实施例一的不同之处在于通入气体变为天然气窑废气，初始甲烷浓度为2％，气体流量设置为80m³/min，加入1000克堇青石负载催化剂，其催化剂中电气石质量百分比为10％，LaCoO₃质量百分比为90％，记为LCT4，对比实验为活化催化装置中添加1000克负载催化剂，其LaCoO₃质量百分比为100％(记为LC4)的堇青石载体，装置的尺寸参照表1，气体流量80m³/min，其他实验条件相同。

实验结果如图8，可见添加电气石活性成分的催化装置在甲烷浓度减小一半时对应的温度为439℃，未添加电气石活性成分的催化装置在甲烷浓度减小一半时对应的温度为500℃，表明活性成分电气石对甲烷起到了活化作用，能在较低温度下实现催化转化，甲烷最终转化率为98％。按照实施例一中所述的节能率测试方法，通过测试，该装置的甲烷起燃节能率为12.20％，完全转化节能率为2.89％。该节能装置测试结束时甲烷的净化程度比未添加电气石活化成分的普通装置提高了2.64％，有效降低了甲烷对大气环境的污染。

实施例五

将该催化活化一体装置作为节能组，催化活化分开的装置(专利CN201210225535.X)作为对照组，节能组中添加的催化剂LaCoO₃/10％电气石，记为LCT5，为复合催化剂，对照组采用LaCoO₃催化剂，记为LC5，通入气体为CNG汽车尾气，操作步骤与实施例一相同。

实验结果如图9，按照实施例一中所述的节能率测试方法，节能组装置的甲烷起燃节能率为7.49％，完全转化节能率为5.64％。按照实施例一中所述的节能率测试方法，对照组甲烷净化程度为95.21％、节能组为98.12％，该节能装置测试结束时甲烷的净化程度比活化催化分开的装置提高了3.06％，催化效果更好，节能性更佳。

本实用新型未尽事宜为公知技术。

Claims

1.一种促进甲烷催化氧化的装置，其特征为包括在密闭管道上依次串联设置的气体探测器、活化催化装置及尾气分析仪；

2.如权利要求1所述的促进甲烷催化氧化的装置，其特征为所述的尾气分析仪采用型号为HCX-9-CH4的甲烷分析仪；进气管道与出气管道均选用不锈钢管。