低浓度甲烷在铜基催化剂上的燃烧反应及动力学特性

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1、低浓度甲烷在铜基催化剂上的燃烧反应及动力学特性重庆大学硕士学位论文（学术学位）学生姓名：耿豪杰指导教师：杨仲卿副教授专业：动力工程及工程热物理学科门类：工学重庆大学动力工程学院二O一五年五月ReactionandKineticsCharacteristicsofLow-ConcentrationMethaneCombustionoverCu/γ-Al2O3CatalystAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequ

2、irementfortheMaster’sDegreeofEngineeringByGengHaojieSupervisedbyAssociateProf.YangZhongqingSpecialty:PowerEngineeringandEngineeringThermophysicsCollegeofPowerEngineeringChongqingUniversity,Chongqing,ChinaMay,2015重庆大学硕士学位论文中文摘要摘要低浓度甲烷广泛存在于煤层气及工业废气中，当其在过渡

3、金属催化剂上燃烧时，其燃烧反应特性及动力学分区等有待进一步深入研究；另外，低浓度甲烷在抽采时往往具有一定的含湿量，有必要弄清水蒸气对其催化燃烧特性的影响规律。因此，对低浓度甲烷在铜为代表的过渡金属催化剂上的燃烧反应及动力学特性展开研究具有重要的学术意义及工程应用价值。采用Cu/-Al2O3颗粒作为催化剂，实验研究了低浓度甲烷在固定床微分反应器中的催化燃烧及动力学特性，分析了催化剂在反应前后的表面微观结构、催化活性及表面反应物的变化，重点研究了表面氧对甲烷催化的影响，探讨了氧的覆盖率变化对甲烷催化活性

4、的影响以及氧覆盖率不同而引起的催化燃烧分区的迁移，通过水蒸气对氧的可逆吸附与结合，分析了水蒸气对甲烷催化活性以及相关反应动力学参数的影响规律。研究表明，甲烷在Cu金属表面的催化反应、氧化脱氢按反应物分压的差别可分为三个反应区：富氧燃烧区（Region1，O2/CH4>2）、稀氧燃烧区（Region2，0.1

5、；缺氧燃烧区（∗+∗）反应速率由氧分压控制，与甲烷分压无关。反应级数在三个分区也明显不同：Region1,?=0.9,?=0；Region2,?=0.43,?=0.68；Region3,?=0,?=1.77；其活化能依次为：146.3kJ/mol,99.8kJ/mol,and60.8kJ/mol。由富氧区到缺氧区，反应控速步骤由甲烷在吸附性氧上的脱氢转变为氧在活性金属团簇上的活化。另一方面，当反应气流中含有水蒸气时，甲烷催化反应将明显受到抑制。水蒸气在反应中可与催化剂表面活性氧发生吸附作用，并生成羟基

6、。含水蒸气气氛下，甲烷转化率快速下降，氮气吹扫可使催化活性完全恢复。在富氧条件下，氧分压的变动对含水蒸气甲烷的反应速率无影响，而甲烷分压波动对反应速率影响较大。当水蒸气分压上升后，甲烷速率曲线下移，且斜率降低，甲烷反应级数降低。动力学实验表明，含水蒸气条件下，甲烷催化燃烧表观活化能迅速上升，水蒸气与甲烷竞争吸附在表面氧上，导致甲烷活化能升高，水蒸气反应级数也随之升高。低温下水蒸气的覆盖率在80%以上，而干燥气氛下的覆盖率仅为30%；随着温度的升高，含水蒸气或不含水蒸气的表面覆盖率将趋于一致。本文的研究

7、结果对低浓度甲烷的高效转化及利用提供了理论依据。关键字：低浓度甲烷，催化燃烧，铜基催化剂，水蒸气，表面催化，反应动力学；I重庆大学硕士学位论文英文摘要ABSTRACTLow-concentrationmethanealwaysexistedincoalmineandindustrialwastegas.Whenitcombustsovertransitionmetalcatalyst,thecombustioncharacteristicsandkineticregionsshouldbefurthe

8、rinvestigatedformethane.Meanwhile,theobtainedlow-concentrationmethanegasalwayscontainsalotofmoisture,anditisnecessarytodiscoverthewatereffectonmethanecatalyticcombustion.Thus,ithassignificantacademicmeaningandprojectapplicationva