Катализатор для беспламенного сжигания природного газа

 

Изобретение относится к каталитическому сжиганию топлива, а конкретно к каталитическим композициям для сжигания природного газа. Задача, решаемая изобретением, - получение активного катализатора, не содержащего благородных металлов, обеспечивающего полноту сгорания топлива, высокую температуру излучения и долговечного. Катализатор содержит в качестве активного компонента оксид металла IV периода, например, оксид никеля или оксид кобальта, или оксид железа, или оксид марганца, нанесенный на пористый керамический носитель в виде многоканального монолита с удельной поверхностью 0,3 - 20 м² и объемом пор 0,21 - 0,41 см³/г. 5 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к каталитическому сжиганию газообразного углеводородного топлива, а конкретнее к сжиганию природного газа в каталитических нагревателях.

Обычно в нагревательных устройствах используют дешевые углеводороды: бензин, пропан-бутановую смесь или природный газ. Основным компонентом природного газа, как известно, является метан. Вследствие повышенной термодинамической устойчивости метана его активация в процессе полного сжигания требует особых условий по сравнению с другими углеводородами, а именно использования высокоактивных катализаторов. Поэтому обычно в качестве одного из компонентов катализаторов используют металлы платиновой группы [1-3] Наиболее близким к заявляемому является [2] катализатор беспламенного сжигания CH₄-содержащих газов, представляющий собой носитель из волокнистого неорганического материала (Al₂O₃, SiO₂, TiO₂, алюмосиликат или силикат цирконила) с удельной поверхностью 5-2000 м²/г и общим объемом мелких пор 0,005-0,3 см³/г, на который пропиткой наносят соединения Pd в количестве 0,1-2% (в пересчете на металл). Известно [4] что наличие металлов платиновой группы в составе катализаторов требует использования только чистых и очищенных топлив, не содержащих каталитических ядов. Поэтому для уменьшения катализатора соединениями серы поверх покрытия наносят [2] тонкий слой из углерода. Для увеличения полноты процесса сжигания горючих газов предполагается использование небольшого избытка окислителя [5] Это однако приводит также к окислению и разрушению нанесенного углеродного слоя и, как результат, нестабильности катализатора.

Задача, решаемая изобретением, разработка активной, не содержащей благородных металлов каталитической системы, которая достигает удовлетворительной каталитической активности в области температур излучения, сравнимых с температурами излучения каталитических систем, в которых используют благородные металлы.

Для решения поставленной задачи в качестве катализатора использовали оксид металла IV переходного периода, например оксид никеля или оксид кобальта, или оксид железа, или оксид марганца, или оксид меди, нанесенный на термостойкий керамический носитель в виде многоканального монолита с удельной поверхностью 0,3-20 м²/г и объемом пор 0,21-0,41 см³/г.

Катализатор готовили путем пропитки по влагоемкости керамического многоканального монолита растворами солей соответствующих металлов заданных концентраций с последующими сушкой и прокаливанием на воздухе.

Отличительным признаком предлагаемого катализатора является активный компонент оксид металла IV переходного периода (например, никеля, кобальта, железа, марганца, меди), нанесенный на керамический носитель.

Использование для работы газовоздушных горелок вышеперечисленных оксидов на керамическом носителе позволяет увеличить стабильность катализатора и срок его службы и способствует длительному сохранению его активности и процессе беспламенного окисления природного газа.

Оценку каталитической активности катализаторов проводили, сжигая метан и природный газ в нагревательных устройствах с инжекторной системой подачи горючего газа из баллона и на испытательном стенде.

При испытаниях в нагревательных устройствах варьировали входное давление метана или природного газа: 150-180 мм вод. ст. (расход газа 220-260 л/ч). При испытаниях на стенде метан подавали со скоростью 55 л/ч, воздух со скоростью 550 л/ч, обеспечивая в соответствии с техническими требованиями к газовым горелкам [5] величину коэффициента избытка воздуха 1,05.

Испытания включали измерения следующих параметров: рабочей температуры поверхности каталитического элемента, состава дымовых газов непосредственно в зоне горения (CO, CH₄).

Через пробоотборник, установленный на высоту 5 мм над поверхностью нагревателя, отходящие газы подавали на хроматограф "Газохром", с помощью которого определяли содержание СО и CH₄ в отходящих газах. Температуру излучающей поверхности контролировали с помощью хромель-алюмелевой термопары.

Пример 1. Керамический носитель в виде многоканального монолита с удельной поверхностью 1,6 м²/г и объемом пор 0,32 см³/г пропитывают по влагоемкости водным раствором нитрата никеля, содержащим 16 мг/мл никеля. После удаления избыточного раствора катализатор сушат на воздухе и затем прокаливают при 800-850^oC в течение 4 ч. Получен катализатор следующего состава, мас.

Оксид никеля 0,6 Носитель состава, мас, Оксид кремния 84,5 Оксид алюминия 12,9 Оксиды магния, кальция, натрия, титана Остальное Пример 2. Керамический носитель в виде многоканального монолита с удельной поверхностью 16 м²/г и объемом пор 0,41 см³/г пропитывают по влагоемкости водным раствором нитрата никеля, содержащим 73 мг/мл никеля. После удаления избыточного раствора катализатор сушат на воздухе и затем прокаливают при 800-850^oC в течение 4 ч. Получен катализатор следующего состава, мас.

Оксид никеля 3,8 Носитель Остальное Состав носителя аналогичен примеру 1.

Пример 3. Керамический носитель в виде многоканального монолита с удельной поверхностью 0,3 м²/г и объемом пор 0,21 см³/г пропитывают по влагоемкости водным раствором нитрата никеля, содержащим 67 мг/мл никеля. После удаления избыточного раствора катализатор сушат на воздухе и затем прокаливают при 800-850^oC в течение 4 ч. Получен катализатор следующего состава, мас.

Оксид никеля 1,8 Носитель Остальное
Состав носителя аналогичен примеру 1.

Пример 4. Керамический носитель в виде многоканального монолита с удельной поверхностью 1,6 м²/г и объемом пор 0,32 см³/г пропитывают по влагоемкости водным раствором нитрата кобальта, содержащим 16 мг/мл кобальта. После удаления избыточного раствора катализатор сушат на воздухе и затем прокаливают при 800-850^oC в течение 4 ч. Получен катализатор следующего состава, мас.

Оксид кобальта 0,6
Носитель Остальное
Состав носителя аналогичен примеру 1.

Пример 5. Керамический носитель в виде многоканального монолита с удельной поверхностью 16 м²/г и объемом пор 0,41 см³/г пропитывают по влагоемкости водным раствором нитрата кобальта, содержащим 73 мг/мл кобальта. После удаления избыточного раствора катализатор сушат на воздухе и затем прокаливают при 800-850^oC в течение 4 ч. Получен катализатор следующего состава, мас.

Оксид кобальта 0,6
Носитель Остальное
Состав носителя аналогичен примеру 1.

Пример 6. Керамический носитель в виде многоканального монолита с удельной поверхностью 0,3 м²/г и объемом пор 0,21 см³/г пропитывают по влагоемкости водным раствором нитрата кобальта, содержащим 67 мг/мл кобальта. После удаления избыточного раствора катализатор сушат на воздухе и затем прокаливают при 800-850^oC в течение 4 ч. Получен катализатор следующего состава, мас.

Оксид кобальта 0,6
Носитель Остальное
Состав носителя аналогичен примеру 1.

Пример 7. Керамический носитель в виде многоканального монолита с удельной поверхностью 1,6 м²/г и объемом пор 0,32 см³/г пропитывают по влагоемкости водным раствором аммоний-железо (III) оксалата, содержащим 21 мг/мл железа. После удаления избыточного раствора катализатор сушат на воздухе и затем прокаливают при 800-850^oC в течение 4 ч. Получен катализатор следующего состава, мас.

Оксид железа 1,0
Носитель Остальное
Состав носителя аналогичен примеру 1.

Пример 8. Керамический носитель в виде многоканального монолита с удельной поверхностью 16 м²/г и объемом пор 0,41 см³/г пропитывают по влагоемкости водным раствором аммоний-железо (III) оксалата, содержащим 65 мг/мл железа. После удаления избыточного раствора катализатор сушат на воздухе и затем прокаливают при 800-850^oC в течение 4 ч. Получен катализатор следующего состава, мас.

Оксид железа 3,7
Носитель Остальное
Состав носителя аналогичен примеру 1.

Пример 9. Керамический носитель в виде многоканального монолита с удельной поверхностью 0,3 м²/г и объемом пор 0,21 см³/г пропитывают по влагоемкости водным раствором аммоний-железо (III) оксалата, содержащим 86 мг/мл железа. После удаления избыточного раствора катализатор сушат на воздухе и затем прокаливают при 800-850^oC в течение 4 ч. Получен катализатор следующего состава, мас.

Оксид железа 2,5
Носитель Остальное
Состав носителя аналогичен примеру 1.

Пример 10. Керамический носитель в виде многоканального монолита с удельной поверхностью 1,6 м²/г и объемом пор 0,32 см³/г пропитывают по влагоемкости водным раствором сульфата марганца, содержащим 238 мг/мл марганца. После удаления избыточного раствора катализатор сушат на воздухе и затем прокаливают при 800-850^oC в течение 4 ч. Получен катализатор следующего состава, мас.

Оксид марганца 12,0
Носитель Остальное
Состав носителя аналогичен примеру 1.

Пример 11. Керамический носитель в виде многоканального монолита с удельной поверхностью 16 м²/г и объемом пор 0,41 см³/г пропитывают по влагоемкости водным раствором нитрата марганца, содержащим 220 мг/мл марганца. После удаления избыточного раствора катализатор сушат на воздухе и затем прокаливают при 800-850^oC в течение 4 ч. Получен катализатор следующего состава, мас.

Оксид марганца 14,2
Носитель Остальное
Состав носителя аналогичен примеру 1.

Пример 12. Керамический носитель в виде многоканального монолита с удельной поверхностью 0,3 м²/г и объемом пор 0,21 см³/г пропитывают по влагоемкости раствором ацетилацетоната марганца в толуоле, содержащим 100 мг/мл марганца. После удаления избыточного раствора катализатор сушат на воздухе и затем прокаливают при 800-850^oC в течение 4 ч. Получен катализатор следующего состава, мас.

Оксид марганца 3,3
Носитель Остальное
Состав носителя аналогичен примеру 1.

Пример 13. Керамический носитель в виде многоканального монолита с удельной поверхностью 1,6 м²/г и объемом пор 0,32 см³/г пропитывают по влагоемкости водным раствором нитрата меди, содержащим 16 мг/мл меди. После удаления избыточного раствора катализатор сушат на воздухе и затем прокаливают при 800-850^oC в течение 4 ч. Получен катализатор следующего состава, мас.

Оксид меди 0,6
Носитель Остальное
Состав носителя аналогичен примеру 1.

Пример 14. Керамический носитель в виде многоканального монолита с удельной поверхностью 16 м²/г и объемом пор 0,41 см³/г пропитывают по влагоемкости водным раствором нитрата меди, содержащим 73 мг/мл меди. После удаления избыточного раствора катализатор сушат на воздухе и затем прокаливают при 800-850^oC в течение 4 ч. Получен катализатор следующего состава, мас.

Оксид меди 3,6
Носитель Остальное
Состав носителя аналогичен примеру 1.

Пример 15. Керамический носитель в виде многоканального монолита с удельной поверхностью 0,3 м²/г и объемом пор 0,21 см³/г пропитывают по влагоемкости водным раствором нитрата меди, содержащим 95 мг/мл меди. После удаления избыточного раствора катализатор сушат на воздухе и затем прокаливают при 800-850^oC в течение 4 ч. Получен катализатор следующего состава, мас.

Оксид меди 2,5
Носитель Остальное
Состав носителя аналогичен примеру 1.

Результаты испытаний катализаторов приведены в таблице.

Как следует из представленных примеров, предлагаемые оксидные катализаторы отличаются высокой каталитической активностью (содержание СО в отходящих газах не выше чем у прототипа). Процесс сжигания газообразного топлива (природного газа и чистого метана) осуществляется практически полностью степень превращения по метану ≥ 99,99% Качество сжигания газообразного топлива соответствует требованиям [5]

Формула изобретения

1. Катализатор для беспламенного сжигания природного газа, включающий активный компонент, нанесенный на пористый неорганический носитель, отличающийся тем, что в качестве активного компонента он содержит оксид металла IV переходного активного компонента периода: Ni, или Со, или Fe, или Мп, или Си, а в качестве носителя керамический многоканальный монолит с удельной поверхностью 0,3 20,0 м³/г и объемом пор 0,21 0,41 см³ / г следующего состава, мас.

Оксид кремния 41 85
Оксид алюминия 13 57
Оксиды магния, кальция натрия, титана Остальное
2. Катализатор по п.1, отличающийся тем, что в качестве активного компонента он содержит оксид никеля при следующем соотношении компонентов, мас.

Оксид никеля 0,6 3,7
Носитель Остальное
3. Катализатор по п.1, отличающийся тем, что в качестве активного компонента он содержит оксид кобальта при следующем соотношении компонентов,
Оксид кобальта 0,6 3,7
Носитель Остальное
4. Катализатор по п.1, отличающийся тем, что в качестве активного компонента он содержит оксид железа при следующем соотношении компонентов, мас.

Оксид железа 1,0 3,7
Носитель Остальное
5. Катализатор по п.1, отличающийся тем, что в качестве активного компонента он содержит оксид марганца при следующем соотношении компонентов, мас.

Оксид марганца 3,3 14,2
Носитель Остальное
6. Катализатор по п.1, отличающийся тем, что в качестве активного компонента он содержит оксид меди при следующем соотношении компонентов, мас.

Оксид меди 0,6 3,6
Носитель Остальное.

РИСУНКИ

Рисунок 1