[发明专利]低浓度瓦斯燃烧非贵金属分子筛催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明低浓度瓦斯燃烧非贵金属分子筛催化剂及其制备方法，属于甲烷催化燃烧技术领域。

背景技术

煤层气，俗称煤矿瓦斯，是一种以吸附状态赋存于煤层中的非常规天然气，其成分与常规天然气基本相同，完全可以作为与常规天然气等同的优质能源和化工原料。通常甲烷浓度高于30%的煤层气较容易利用，很容易组织一个稳定的火焰。常压下，甲烷爆炸的体积浓度约为5~15%，所以在矿井的开采过程中，出于安全的考虑，甲烷体积浓度小于30%的煤层气，常被稀释到爆炸下限5%以下，如在矿井通风气中，甲烷的浓度甚至低于1%。通常条件下，甲烷体积浓度低于5%时不能被点燃或者维持燃烧，另外，根据矿井开采的情况，矿井通风气中甲烷含量低、流量变化大，常规技术较难利用，所以大部分矿井通风气都未进行回收处理就直接排向大气。

目前，对低浓度甲烷利用的研究，主要是针对甲烷体积浓度小于 1%的矿井通风气。对其利用技术的研究从作为辅助燃料、主要燃料以及浓缩三个方面开展。针对甲烷直接燃烧火焰温度较高（1600℃以上），会产生NOx二次污染。而甲烷浓缩技术存在浓缩后浓度仍很低和成本高的问题。催化燃烧技术可以在较低的温度下利用甲烷，而且对甲烷浓度的使用范围较宽。

甲烷催化燃烧催化剂主要分为贵金属催化剂（Pd、Pt、Rh、Au等）和非贵金属催化剂（钙钛矿和复合氧化物等）。贵金属催化剂用于催化燃烧已经有几十年的历史，无论是催化剂的制备规律还是反应机理都取得了比较深入的认识，但是在实际中用贵金属催化剂时，常常会遇到稳定性较差，易烧结、等问题。尽管贵金属具有其它金属所不可比拟的优越性，但由于其价格昂贵，其应用受到了一定的限制。而金属氧化物催化剂原料价廉易得，通过选择合适的组分，使用适当的制备方法，也可得到催化燃烧活性接近贵金属、热稳定性好的催化剂。中国专利CN1778876A公开了一种用于甲烷催化燃烧的金属载体催化剂及其制备方法，以合金FeCrAl薄片为催化剂载体，氧化物为活性组分。此法虽然具有压降低，便于模块化，但是制备较复杂，催化剂形状不易改变等。中国专利CN1623657A公开了一种甲烷催化燃烧的固溶体催化剂及其制备方法，此法以尿素燃烧法制备的氧化铈和氧化钴的催化剂。内蒙古大学的胡瑞生等申请了专利一种含钛双钙钛矿型甲烷燃烧催化剂的制备方法。中国专利CN102500393A公开了一种煤矿乏风低浓度甲烷整体催化剂及其制备方法，其在蜂窝陶瓷上涂上氧化铝和六铝酸盐，然后再负载贵金属Pd。

以上研究表明上述催化剂存在载体比表面积小或者成本高等问题，因此本发明采用了比表面大、稳定性好的分子筛为载体，非贵金属为活性组分来制备甲烷燃烧催化剂。

发明内容

本发明克服现有技术的不足，所要解决的技术问题是提供一种成本低、比表面积大、稳定性高的用于低浓度瓦斯燃烧的非贵金属分子筛催化剂及其快速制备方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：低浓度瓦斯燃烧非贵金属分子筛催化剂包括分子筛载体、非贵金属活性组分和活性助剂，原料的重量份配比为：分子筛载体：非贵金属活性组分：活性助剂=1：0.02~0.3：0.01~0.05；

所述分子筛载体为SAPO-34；

所述非贵金属活性组分为Cu、Fe、Mn、Ni中的一种或两种；

所述活性助剂为Zr、La、Ce中的一种；

所述非贵金属活性组分和活性助剂均以元素重量计。

低浓度瓦斯燃烧非贵金属分子筛催化剂的制备方法，包括以下步骤：

a、将所述分子筛载体加入弱碱溶液A中搅拌；

b、将所述活性助剂的硝酸盐制成溶液，然后全部缓慢滴加入步骤a含有分子筛载体的弱碱溶液A中，之后静置沉淀得固体产物，所述固体产物经过干燥和焙烧得到中间产品；

c、把步骤b所得中间产品加入弱碱溶液B中搅拌；

d、将所述非贵金属活性组分的硝酸盐制成溶液，然后全部缓慢滴加入步骤c含有中间产品的弱碱溶液B中，之后静置沉淀得固体产物，所述固体产物经过干燥和焙烧得到催化剂产品；

所述步骤a弱碱溶液A的溶质能够将步骤b中的活性助剂完全沉淀；所述步骤c弱碱溶液B的溶质能够将步骤d中的活性组分完全沉淀。

作为优选的低浓度瓦斯燃烧非贵金属分子筛催化剂的制备方法，包括以下步骤：

a、将所述分子筛载体加入浓度为0.04mol/L的弱碱溶液A中，并以500-1500r/min的转速持续搅拌0.5小时；