[发明专利]负载型非贵金属含氧煤层气脱氧催化剂及其制法和应用

说明书

技术领域

本发明属于一种催化剂及其制备方法和应用，具体涉及一种负载型非贵金属含氧煤层气脱氧催化剂及其制备方法及应用。

背景技术

煤层气又名瓦斯，是煤质地层中的自储式天然可燃气体。我国煤层气资源丰富，位居世界第三，全国浅层煤层气资源量为36.8万亿立方米，热值相当于520亿吨标准煤。在当今能源日益趋紧的情况下，煤层气作为一种优质高效清洁能源，可用于发电、供暖、居民生活以及车用燃料等，其大规模利用经济价值巨大。

含氧煤层气是煤层气资源的重要组成部分，它主要是指煤炭开采过程中从煤体及围岩中抽取的煤层气，这种煤层气由于混入大量空气致使煤层气稀释，称为含氧煤层气或混空煤层气，其CH₄含量较低，浓度为20～60 vol.%，同时含有N₂、O₂、CO、CO₂、SO₂以及NO_x等杂质气体。我国每年因采煤向大气中排放的含氧煤层气折合纯甲烷200亿立方米以上，造成了极大的资源浪费。开发利用这部分含氧煤层气资源，对于调整我国能源结构、形成煤层气新型能源产业、改善煤矿安全生产条件、减少瓦斯事故以及温室气体排放，具有十分重要的意义。

当含氧煤层气中的甲烷浓度达到5～15 vol.%，氧气浓度超过12 vol.%，遇明火或高温热源极易发生爆炸，因此在管输或者分离浓缩过程中具有一定的危险性，大大制约了含氧煤层气的回收利用。因此要安全、有效地实现含氧煤层气的回收和利用首先要解决的问题之一就是如何高效地脱除含氧煤层气中的氧气。

目前国内外报道的煤层气脱氧技术主要有物理和化学两类分离方法。物理方法可分为变压吸附法、膜分离法、低温分离法；化学分析方法有还原法、燃烧法、催化燃烧法。其中最直接、最安全的方法是催化燃烧法。催化燃烧法是指在催化剂作用下，牺牲掉一部分甲烷，让其与氧反应生成二氧化碳和水，达到除氧目的。

催化燃烧工艺的本质是富燃贫氧气氛下CH₄的催化燃烧，该过程的主要反应为:

CH₄ (g) + 2O₂ (g) = CO₂ (g) + 2H₂O (g) - 802.32 kJ/mol      (1-1)

除了以上主要反应以外，在一定温度下，还可能发生以下副反应以及一些伴生反应等。

副反应可能有：

CH₄+0.5O₂=CO+2H₂                  (1-2)

CH₄=C+2H₂                    (1-3)

CH₄+H₂O=CO+3H₂                   (1-4)

CH₄+CO₂=2CO+2H₂                   (1-5)

伴生反应可能有：

CO+0.5O₂=CO₂                (1-6)

CO+H₂O=CO₂+H₂              (1-7)

由此可见煤层气脱氧反应较为复杂，且反应过程中放出大量的热。因此含氧煤层气中氧气脱除对催化剂提出较高的要求。

目前主要的催化燃烧脱氧催化剂可以分为以下几类：

如ZL02113628.9“生产甲醇用煤矿瓦斯气的催化燃烧脱氧工艺方法”中，以及CN101664679A“一种煤层气脱氧催化剂、其制备方法及应用” 所使用的Pt和Pd等贵金属具有催化活性高，反应温度低，脱氧后气体中的氧可以基本除尽，工艺简单，副反应少，起燃温度低等优点。不足之处在于催化剂价格昂贵，同时对煤层气中的硫化氢等有毒气体敏感，催化剂易失活，同时贵金属在高温下容易烧结，抗高温能力较差。西南化工研究院CN101139239A“一种含氧煤层气脱氧催化剂及其制备方法及应用”公开了一种抗硫能力强的Co基催化剂，具有抗硫能力强等特点，但其反应温度较高，空速较小，且只能处理氧气含量较少的煤层气，具有较大的局限性。