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 м 2 и объемом пор 0,21 — 0,41 см 3 /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 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 м 2 /г и общим объемом мелких пор 0,005-0,3 см 3 /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 м 2 /г и объемом пор 0,21-0,41 см 3 /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 м 2 /г и объемом пор 0,32 см 3 /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 o C 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 м 2 /г и объемом пор 0,41 см 3 /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 o C 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 м 2 /г и объемом пор 0,21 см 3 /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 o C 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 м 2 /г и объемом пор 0,32 см 3 /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 o C 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 м 2 /г и объемом пор 0,41 см 3 /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 o C 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 м 2 /г и объемом пор 0,21 см 3 /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 o C 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 м 2 /г и объемом пор 0,32 см 3 /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 o C 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 м 2 /г и объемом пор 0,41 см 3 /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 o C 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 м 2 /г и объемом пор 0,21 см 3 /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 o C 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 м 2 /г и объемом пор 0,32 см 3 /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 o C 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 м 2 /г и объемом пор 0,41 см 3 /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 o C 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 м 2 /г и объемом пор 0,21 см 3 /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 o C 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 м 2 /г и объемом пор 0,32 см 3 /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 o C 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 м 2 /г и объемом пор 0,41 см 3 /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 o C 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 м 2 /г и объемом пор 0,21 см 3 /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 o C 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]
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 м 3 /г и объемом пор 0,21 0,41 см 3 / 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.
Источник
Платиновый катализатор беспламенного горения
Alexey_B
Начинающий
..есть возможность изготавливать недорогие платиновые катализаторы беспламенного горения: платинированный асбест/керамическая вата и др. носители.
Вопрос : интересно ли это кому-нибудь?
для тех, кто не в курсе:
-=взято из википедии=-
Основным элементом каталитической горелки является катализатор. Газообразное горючее пропускается через раскаленный проницаемый катализатор обладающий большой поверхностью покрытой специальным составом/веществом — катализатором. Для хорошей работы каталитической горелки необходимо, чтобы поверхность контакта катализатора с поступающим в него горючим была как можно больше. В качестве горючего обычно применяется смесь окислителя и топлива . Окислителем чаще всего является воздух, а топливом горючий газ или пары горючей жидкости. Раскаленный катализатор способствует быстрому и устойчивому протеканию химических реакций превращения горючего в продукты сгорания. Благодаря катализатору основная часть химических реакций горения происходит в непосредственной близости и/или на поверхности катализатора. В результате этого у каталитической горелки может практически отсутствовать открытое пламя. Высокая температура катализатора поддерживается за счет выделяющейся теплоты химических реакций протекающих на его поверхности или вблизи неё. Для обеспечения проницаемости, катализатора газовой смесью он изготавливается из волокнистого материала либо в виде сеток/решеток. Химически активным веществом катализатора обычно является платина или оксид кобальта или хрома [1] . Для удешевления катализатора и обеспечения его прочности механической основа катализатора может выполняться из материала не являющегося химическим катализатором — керамики, стали. В этом случае тонким слоем активного вещества катализатора покрывается только поверхность механической основы. Для запуска каталитической горелки необходимо предварительно разогреть катализатор до его рабочей температуры. Разогрев обычно делается с использованием постороннего источника тепла либо используется саморазогрев в режиме «обычного» пламенного горения (если при горении не образуется копоть).
Для каталитической горелки нежелательно использовать горючее содержащее посторонние примеси или дающее при сгорании твёрдые частицы, так как в результате поверхность катализатора может быстро загрязниться (явление называется «отравление катализатора»), что скажется на её эффективности. Повысить эффективность засорившегося катализатора зачастую можно путём его прокаливания на некоптящем (газовом) пламени или в муфельной печи. Распространённым топливом для каталитической горелки служат пропан-бутановые смеси либо жидкие топлива — бензины высшей степени очистки (бензин для зажигалок или некоторые сорта нефрасов : C2-80/120 («Калоша») или С3-80/120).
Область применения[ править | править код ]
В начале 20-го века каталитические горелки применялись в медицине и в быту для обеззараживания воздуха в помещениях. В настоящее время похожие горелки применяют в быту с целью ароматизации помещений. Также горелки использовались в первую мировую войну для индивидуального обогрева бойцов в полевых условиях.
Грелка каталитическая ГК-1. Со снятой крышкой. Виден каталитический патрон
В настоящее время достаточное распространение получили грелки для индивидуального обогрева человека в туристическом походе , на рыбалке , охоте , в условиях, связанных с работой на улице, на зимних видах спорта и так далее. Советской промышленностью выпускалась грелка бензиновая каталитическая ГК-1, которая при полной заправке могла вырабатывать тепло в течение 8—14 часов с температурой до 60 °C, то есть на уровне болевого порога .
Инфракрасная газовая печка с пористыми матрицами в качестве нагревательных элементов
Более мощные горелки применяются для обогрева помещений, приготовления пищи, в зимнее время для предпускового подогрева двигателей внутреннего сгорания. Отсутствие открытого пламени по сравнению с обычными диффузионными горелками обеспечивает большую безопасность и удобство эксплуатации. В некоторых случаях малая заметность пламени (скрытность) также является важным преимуществом каталитических горелок.
Источник
