Cu-Ce-Zr基催化剂上甲苯自持燃烧贫燃极限研究

DOI：10.11949/0438-1157.20190136

Cu-Ce-Zr基催化剂上甲苯自持燃烧贫燃极限研究

赵晨晨，郝庆兰，闫宁娜，杨德宇，

黄亚飞，豆宝娟

(天津科技大学化工与材料学院，天津 300457)

摘 要

在内径4 mm的微型反应器内对两种活性不同的Cu-Ce-Zr基催化剂进行甲苯自持燃烧的贫燃极限研究和热量计算。研究结果表明，活性高的CuCe0.75Zr0.25Ox-BC催化剂的贫燃极限小于活性低的CuCe0.75Zr0.75/TiO2催化剂的贫燃极限，当流量为200 ml/min时，其当量比?值最小，为0.024。混合气在催化剂表面的停留时间随混合气流量的增大而缩短，使得催化自持燃烧的壁温高温区向催化剂床层后端移动，且壁温高温区温度随催化剂活性的增高而降低。在散热率高达91.9%的情况下，甲苯仍可维持稳定的自持燃烧状态。同时结合微管反应实验结果和理论计算，在有效降低飞温上限对反应器和催化剂的影响下实现了甲苯在固定床反应器中的自持燃烧。

引 言

含碳化合物催化自持燃烧是指催化氧化反应放出的热量使催化剂床层换热条件失衡而产生局部热点，从而导致催化剂床层表面出现热化学飞温后又迅速达到热平衡而实现稳定燃烧的现象。这一过程仅需给反应系统提供产生局部热点的能量，即提供催化燃烧达到点火温度的能量就可以使含碳化合物维持自身的稳定燃烧，完全转化为CO2和H2O，而不再需要输入其他的能量。

催化自持燃烧的飞温现象强化了反应过程中的传热和传质速率，使得反应速率比传统的大尺度反应系统更快，但飞温容易造成催化剂的烧结甚至反应器的烧毁，从而限制了该技术在固定床反应器中的应用。若能控制飞温时的温度上限，利用自持燃烧技术实现尾气中没有回收价值的中低浓度的挥发性有机化合物（VOCs）的高效降解处理，以满足日益严格的环保排放要求，对含VOCs的废气治理具有非常重要的意义。

甲烷、丙烷和正丁烷等低碳数直链烷烃在Pt、Pd和Ru贵金属催化剂作用下的微管自持燃烧已有 献 道。在微通道反应器周围增设热回流系统，通过甲烷燃烧产生的高温尾气经过换热器弥补反应器散热引起的部分热损失，可实现甲烷在贵金属催化剂上的自持燃烧。但仅通过含碳化合物在催化剂上产生的热量就能实现VOCs在较少能源消耗下的自持燃烧还少有 献 道。

本研究在课题组CO自持燃烧的研究基础上，在微管反应器中考察了甲苯在CuCe0.75Zr0.25/TiO2和CuCe0.75Zr0.25Ox-BC两种不同降解活性催化剂上的自持燃烧过程，以确定甲苯催化自持的贫燃极限和反应时壁温分布。拟通过对甲苯自持燃烧热量的理论计算，实现甲苯在固定床反应器中的自持燃烧，为开发高效的催化剂实现对中低浓度VOCs的节能高效处理提供实验数据和理论支撑。

结 论

在微管反应器催化自持燃烧实验结果和理论计算的基础上，本研究实现了甲苯在固定床反应器中的自持燃烧，得到结论如下。

（1）甲苯催化自持燃烧的贫燃极限与催化剂的活性和含碳化合物的热值有关。催化剂的活性越高，含碳化合物的热值越高，贫燃极限的?值越小。开发高效的催化剂将进一步降低甲苯的贫燃极限，有助于扩宽催化自持燃烧的应用范围。

（2）催化剂提高了甲苯燃烧的产热速率，在微型燃烧反应器散热率高达91.9%的情况下，仍能实现120 h的稳定自持燃烧。

（3）催化自持燃烧的反应器壁温受催化剂活性的影响，催化剂的活性越高，相应的?值越小，反应器壁温的高温区温度越低，这一实验结果对在固定床反应器中实现VOCs的催化自持燃烧具有重要的应用价值。

1

实验部分

1.1

催化剂的制备

1.2

实验装置和实验方法

图1 甲苯催化自持燃烧微管反应实验装置

图2 CuCZ/T催化剂上甲苯自持燃烧贫燃极限

实验过程（实心符号代表自持燃烧，

空心符号代表未实现自持燃烧）

2

结果与讨论

2.1

微管反应器中甲苯催化自持燃烧

图3 CuCZ-BC和CuCZ/T催化剂在不同流量下的

甲苯催化自持燃烧贫燃极限

图4 不同气体流量下的甲苯自持燃烧壁温分布和

反应实况（内图）

图5 不同混合气流量下甲苯催化自持燃烧的热量衡算

表1　不同混合气流量下甲苯催化自持燃烧时的

微管反应器的平均壁温

图6 甲苯催化自持燃烧稳定性实验

2.2

固定床反应器中甲苯催化自持燃烧

图7 甲苯自持燃烧的固定床实验结果（?=0.031）