劉 興， 呂小靜， 翁一武

(上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

H2O對(duì)CO在0.5%PdZrO2/γ-Al2O3上催化燃燒特性的影響

劉 興， 呂小靜， 翁一武

(上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

以0.5%PdZrO2/γ-Al2O3為催化劑，在所搭建的比例積分微分控制(PID)多功能實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行CO催化燃燒基礎(chǔ)特性實(shí)驗(yàn)，分析了H2O對(duì)CO轉(zhuǎn)化率的影響，以及H2O體積分?jǐn)?shù)的變化對(duì)CO轉(zhuǎn)化率和CO催化燃燒反應(yīng)時(shí)間的影響.結(jié)果表明：H2O的加入大幅提升了CO在催化劑上的起燃溫度和燃盡溫度，增大了CO催化燃燒反應(yīng)所需的活化能，且隨著H2O體積分?jǐn)?shù)的增大，CO起燃溫度和燃盡溫度逐步升高；CO轉(zhuǎn)化率隨H2O體積分?jǐn)?shù)的增加逐漸降低；CO反應(yīng)穩(wěn)定所需時(shí)間隨H2O體積分?jǐn)?shù)的增大而增加；H2O的存在降低了催化劑的活性，抑制了催化燃燒的進(jìn)行.

H2O； CO； 催化燃燒； 反應(yīng)時(shí)間； 轉(zhuǎn)化率

通常將熱值低于6.28 MJ/m3的可燃合成氣定義為低熱值燃?xì)?，這類燃?xì)饩哂袃?chǔ)量巨大、來源廣泛的特點(diǎn)[1].鋼鐵、石油生產(chǎn)過程中的高爐煤氣，煤礦開采過程中產(chǎn)生的瓦斯氣，木片氣、稻草氣、葡萄籽氣等生物質(zhì)氣都是低熱值燃?xì)獾闹匾獊碓?低熱值燃?xì)獾目扇冀M分變動(dòng)范圍大，可燃成分低，熱值低，利用傳統(tǒng)的點(diǎn)火燃燒方式很難使其熱值得到完全利用.低熱值燃?xì)馊舨患右岳弥苯优欧诺酱髿庵?，不僅會(huì)造成能源的極大浪費(fèi)，也對(duì)環(huán)境造成極大危害.

催化燃燒是可燃?xì)怏w在催化劑表面進(jìn)行的無焰燃燒，因其擺脫了傳統(tǒng)火焰燃燒對(duì)氣體濃度的限制，因此是解決低熱值燃?xì)飧咝紵闹匾緩街?耿孝儒[2]通過催化燃燒實(shí)驗(yàn)對(duì)低濃度合成氣在Pd催化劑上催化燃燒的特性進(jìn)行了分析，研究了流速、催化燃燒室入口溫度以及燃?xì)怏w積分?jǐn)?shù)等對(duì)合成氣催化燃燒特性的影響.張園鎖等[3]利用數(shù)值模擬方法對(duì)一新型超低熱值燃?xì)獯呋紵业奶匦赃M(jìn)行了研究，分析了催化燃燒室催化劑負(fù)載量、預(yù)混氣體體積流量、燃燒室進(jìn)口溫度和燃料體積分?jǐn)?shù)等主要因素對(duì)催化燃燒反應(yīng)特性的影響.蔡萬大[4]采用實(shí)驗(yàn)研究的方法對(duì)低濃度CH4在碳化硅蜂窩陶瓷載體稀土催化劑上的催化燃燒特性進(jìn)行了分析.

CO是低熱值燃?xì)獾闹匾煞种?，占生物質(zhì)氣可燃成分的9.8%～17.2%，在其他來源氣中也占到很高的比例.由于起燃溫度較低，在催化劑表面的吸附能力最強(qiáng)，CO的存在對(duì)低熱值燃?xì)獾拇呋紵兄匾绊?孫路石等[5]采用實(shí)驗(yàn)研究的方法對(duì)CO、H2、CH4在Pd/Al2O3、Pd/Ce/Al2O3、Pd/Mn/Al2O3和Pd/La/Al2O3催化劑上的催化特性進(jìn)行了分析，并研究了基體和添加劑對(duì)催化劑活性的影響.秦曉楠[6]分別在Pd/CeO2/Al2O3、Ni/Al2O3、Ni/Ce0.5La0.5O2/Al2O3和Al2O3催化劑上對(duì)CO、CO/CH4、CO/H2和CO/H2/CH4進(jìn)行了催化燃燒特性研究，對(duì)比了各催化劑對(duì)各燃?xì)獾拇呋钚?，分析了CO的存在對(duì)其他組分催化燃燒的影響.

研究表明，H2O對(duì)催化燃燒特性有著重要的影響[7-11].H2O的來源主要有兩類：一個(gè)是燃料自身攜帶的H2O，另一個(gè)是燃燒過程中產(chǎn)生的H2O.Persson等[7]利用紅外漫反射法研究了H2O對(duì)負(fù)載催化劑穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明，H2O的加入大幅降低了催化劑的活性，同時(shí)降低了CH4的轉(zhuǎn)化率.van Giezen等[8]在研究H2O對(duì)CH4催化燃燒負(fù)載鈀催化劑活性影響時(shí)指出，H2O的加入提高了反應(yīng)所需的活化能和CH4催化燃燒的起燃溫度,降低了CH4的轉(zhuǎn)化率.楊仲卿等[9]試驗(yàn)研究了H2O對(duì)CH4在Cu/γ-Al2O3上催化燃燒特性的影響，指出H2O降低了催化劑活性和CH4的轉(zhuǎn)化率，并通過催化劑活性恢復(fù)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了H2O導(dǎo)致的催化劑活性的降低具有可恢復(fù)性.Kikuchi等[10]通過實(shí)驗(yàn)研究，從吸附動(dòng)力學(xué)出發(fā)，指出H2O占據(jù)催化劑表面活性空位是催化劑失活的主要原因.高典楠等[11]進(jìn)行了H2O對(duì)于負(fù)載型Pd/Al2O3催化劑的催化性能實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，H2O抑制了催化燃燒的進(jìn)行，停止加水吹掃后，催化劑性能會(huì)有部分恢復(fù).催化活性隨著H2O體積分?jǐn)?shù)的增大而降低.

綜上所述，H2O在不同反應(yīng)條件下對(duì)CO或可燃?xì)怏w的催化燃燒特性都有不同程度的影響.為了充分掌握H2O對(duì)CO的催化燃燒特性，筆者在所搭建的比例積分微分(PID)控制多功能實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，以0.5%PdZrO2/γ-Al2O3為催化劑，進(jìn)行CO催化燃燒基本特性實(shí)驗(yàn)，研究了H2O對(duì)CO轉(zhuǎn)化率的影響以及H2O體積分?jǐn)?shù)對(duì)CO催化燃燒反應(yīng)時(shí)間的影響，由于實(shí)驗(yàn)研究是針對(duì)單一組分的CO展開的，CO在催化燃燒的化學(xué)反應(yīng)中并沒有H2O的參與，為了創(chuàng)造H2O存在的環(huán)境，研究H2O存在對(duì)CO催化燃燒特性的影響，采用蓄水瓶、毛細(xì)管、高溫加熱管以及閥門構(gòu)成系統(tǒng)，外部加入H2O的方式產(chǎn)生水蒸氣進(jìn)入混合室與進(jìn)氣混合，創(chuàng)造了催化燃燒室的高濕環(huán)境，從而研究CO催化燃燒特性規(guī)律以及H2O對(duì)CO催化燃燒特性的影響規(guī)律，所得結(jié)果為此類燃?xì)獾膽?yīng)用提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持和借鑒作用.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)流程圖

催化燃燒實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)主要分為燃燒系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和氣體采樣分析系統(tǒng)4大部分.圖中Q1、Q2表示流量傳感器，T1、T2和T3表示溫度傳感器，P1表示壓力傳感器.該實(shí)驗(yàn)采用的蒸汽發(fā)生器在底部布置有電阻絲，通過控制柜控制蒸汽發(fā)生器的工作狀態(tài)，該蒸汽發(fā)生器可產(chǎn)生連續(xù)的飽和蒸汽，通過球閥控制蒸汽管路，將產(chǎn)生的蒸汽加入管路中，進(jìn)行H2O對(duì)催化燃燒特性的影響實(shí)驗(yàn).

1.2實(shí)驗(yàn)裝置

采用的PID控制多功能實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置主要包括電氣控制柜、燃料供應(yīng)裝置、空氣供應(yīng)裝置、加熱室、催化燃燒室、混合器、冷凝器、閥門、壓力溫度流量等參數(shù)測(cè)量?jī)x表以及氣體分析采樣系統(tǒng).系統(tǒng)中各儀表的參數(shù)選取及精度要求以及各儀表的量程可參考文獻(xiàn)[2].

1.3催化劑

圖1 催化燃燒實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程圖

圖2 催化燃燒實(shí)驗(yàn)裝置圖

與其他貴金屬相比，如Ru、Rh和Os等，Pd有著較高的催化活性以及高溫穩(wěn)定性[6,12]，且0.5%PdZrO2(此處0.5%是指質(zhì)量分?jǐn)?shù))能有效降低燃?xì)獾钠鹑紲囟龋哂休^高的催化活性[13].γ-Al2O3具有多孔性、高分散度、高比面積以及良好的吸附性、熱穩(wěn)定性和表面酸性，是催化劑載體領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的品種之一[14].因此選用0.5%PdZrO2/γ-Al2O3作為反應(yīng)催化劑.燃燒室采用蜂窩狀整體式，方便催化燃燒的進(jìn)行和CH4的完全轉(zhuǎn)化，催化劑的載體為圓柱狀整體式蜂窩堇青石陶瓷體.

1.4實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

本實(shí)驗(yàn)主要從以下4個(gè)方面進(jìn)行：(1)CO催化燃燒.分別改變CO體積分?jǐn)?shù)以及催化燃燒室進(jìn)口溫度，觀察CO轉(zhuǎn)化率的變化情況；(2)當(dāng)H2O存在時(shí)，研究不同CO體積分?jǐn)?shù)下CO轉(zhuǎn)化率隨催化燃燒室進(jìn)口溫度的變化情況；(3)當(dāng)H2O體積分?jǐn)?shù)變化時(shí)，在不同進(jìn)氣流速條件下，觀察CO轉(zhuǎn)化率隨CO體積分?jǐn)?shù)的變化情況；(4)當(dāng)進(jìn)氣流速改變時(shí)，觀察不同H2O體積分?jǐn)?shù)情況下CO轉(zhuǎn)化率隨時(shí)間的變化情況.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1CO催化燃燒基礎(chǔ)特性

圖3給出了進(jìn)氣流速為5.2 m/s，CO體積分?jǐn)?shù)分別為0.63%、1.58%和2.20%時(shí)，CO轉(zhuǎn)化率隨催化燃燒室進(jìn)口溫度變化情況.定義CO轉(zhuǎn)化率達(dá)到30%時(shí)的催化燃燒室進(jìn)口溫度t30為CO起燃溫度，定義CO轉(zhuǎn)化率達(dá)到100%時(shí)的催化燃燒室進(jìn)口溫度t100為燃盡溫度.

圖3 不同CO體積分?jǐn)?shù)下CO的催化燃燒特性

從圖3可以看出，CO轉(zhuǎn)化率隨催化燃燒室進(jìn)口溫度的升高而緩慢增大.CO體積分?jǐn)?shù)為0.63%情況下，催化燃燒室進(jìn)口溫度為273 ℃時(shí)，CO轉(zhuǎn)化率為30%；催化燃燒室進(jìn)口溫度為287 ℃時(shí)，CO轉(zhuǎn)化率為100%.這可能是因?yàn)殡S著溫度升高，催化劑表面釋放出更多活性空位，使得CO占據(jù)更多的活性空位而與O2發(fā)生催化燃燒反應(yīng)，提高了CO轉(zhuǎn)化率.

從圖3還可以看出，隨著CO體積分?jǐn)?shù)的增加，CO的起燃溫度t30和燃盡溫度t100降低，當(dāng)CO體積分?jǐn)?shù)為2.20%時(shí)，CO的起燃溫度t30為247 ℃，燃盡溫度t100為251 ℃.此外，隨著CO體積分?jǐn)?shù)的增加，CO轉(zhuǎn)化率隨溫度的變化梯度增加，反應(yīng)速率增大.

對(duì)比在CO燃燒時(shí)催化劑不存在的情況可以看出，催化燃燒的方式大幅降低了燃?xì)獾钠鹑紲囟?結(jié)合本課題組已發(fā)表的文章，當(dāng)CO體積分?jǐn)?shù)為2.60%時(shí)，CO高溫氧化起燃溫度為750 ℃[2]，比體積分?jǐn)?shù)為2.20%的CO在催化燃燒時(shí)的起燃溫度高500 K.

2.2H2O的加入對(duì)CO轉(zhuǎn)化率的影響

圖4給出了進(jìn)氣流速為5.2 m/s，CO體積分?jǐn)?shù)分別為0.63%、1.58%和2.20%時(shí)，加入8%φ(H2O)后CO轉(zhuǎn)化率隨催化燃燒室進(jìn)口溫度的變化.從圖4可以看出，當(dāng)CO體積分?jǐn)?shù)為0.63%時(shí)，加入8%φ(H2O)后，CO轉(zhuǎn)化率隨催化燃燒室進(jìn)口溫度的升高仍緩慢增大，CO起燃溫度t30為293 ℃，CO燃盡溫度t100為319 ℃.對(duì)比不加H2O時(shí)，起燃溫度t30和燃盡溫度t100分別增加20 K和32 K.

圖4 不同CO體積分?jǐn)?shù)下加H2O后CO的催化燃燒特性

Fig.4 Characteristics of the catalytic combustion at different concentrations of CO with addition of H2O

原因可能是H2O進(jìn)入催化燃燒室后，吸附在催化劑表面，占據(jù)了活性空位，與可燃?xì)怏wCO構(gòu)成競(jìng)爭(zhēng)吸附，降低了催化劑的活性，提高了CO反應(yīng)所需的活化能、CO起燃溫度和燃盡溫度，抑制了催化燃燒反應(yīng)的進(jìn)行.

從圖4還可以看出，加入H2O后，隨CO體積分?jǐn)?shù)的增大，CO的起燃溫度和燃盡溫度降低，這與不加H2O情況下觀察到的現(xiàn)象一致.CO體積分?jǐn)?shù)為2.20%時(shí)，CO起燃溫度t30和燃盡溫度t100分別為260 ℃和269 ℃.對(duì)比不加H2O時(shí)，二者分別增加13 K和18 K.

分析以上現(xiàn)象可以看出，H2O的存在抑制了催化劑的活性，主要原因可能有兩方面：一是H2O在催化劑表面與PdO生成Pd(OH)2，占據(jù)催化劑表面活性空位，與CO構(gòu)成吸附解吸附的競(jìng)爭(zhēng)，該情況下H2O對(duì)催化劑活性的抑制作用是暫時(shí)的，可以通過N2或惰性氣體吹掃催化劑表面來恢復(fù)催化劑的活性[9-10]，不會(huì)對(duì)催化劑壽命造成影響；二是高溫條件下，H2O會(huì)加速催化劑的高溫?zé)Y(jié)，減少了催化劑比表面積，降低催化劑的活性，該情況下催化劑活性不可恢復(fù)，H2O的存在降低了催化劑的使用壽命.

對(duì)比圖3、圖4可以看出，H2O的存在對(duì)CO體積分?jǐn)?shù)為0.63%時(shí)的催化燃燒的抑制作用比CO體積分?jǐn)?shù)為2.20%時(shí)更為明顯.原因可能是CO體積分?jǐn)?shù)較高時(shí)，反應(yīng)速率較快，CO催化燃燒釋放出的熱量較多，催化劑表面溫度升高，催化劑表面活性空位增多，CO有更多機(jī)會(huì)與催化劑表面活性空位接觸并發(fā)生反應(yīng).

H2O的存在可能會(huì)改變CO的催化燃燒機(jī)理，參考王衛(wèi)平等[15]在613 K，φ(H2O)/φ(CO)=1，壓力p=160 kPa條件下，得出CO在鈀/陶瓷中空纖維復(fù)合膜反應(yīng)器中水煤氣變換反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率為40%的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，可以分析得出，在本文實(shí)驗(yàn)條件下，H2O和CO可能發(fā)生水煤氣反應(yīng)，但是由于生成的H2可能不能及時(shí)從催化劑表面分離，H2在催化劑表面與O2發(fā)生反應(yīng)生成H2O，所以在尾氣中并沒有檢測(cè)到H2的產(chǎn)生.

2.3H2O體積分?jǐn)?shù)對(duì)CO轉(zhuǎn)化率的影響

通過2組實(shí)驗(yàn)來研究H2O體積分?jǐn)?shù)對(duì)CO轉(zhuǎn)化率的影響.一組設(shè)定催化燃燒室進(jìn)氣流速為7.5 m/s，進(jìn)口溫度為245 ℃；另一組設(shè)定催化燃燒室進(jìn)氣流速為6.5 m/s,進(jìn)口溫度為245 ℃.

圖5給出了催化燃燒室進(jìn)氣流速為7.5 m/s，進(jìn)口溫度為245 ℃時(shí)，不同H2O體積分?jǐn)?shù)下CO轉(zhuǎn)化率的變化情況.從圖5可以看出,當(dāng)CO體積分?jǐn)?shù)為0.5%，不加H2O情況下，CO轉(zhuǎn)化率為50%，隨著H2O體積分?jǐn)?shù)的增加CO轉(zhuǎn)化率逐漸下降，當(dāng)H2O體積分?jǐn)?shù)增加到20%時(shí)，CO轉(zhuǎn)化率下降到28%.因此，H2O的加入降低了催化劑的活性，隨著H2O體積分?jǐn)?shù)的增加，催化劑活性逐漸降低，CO轉(zhuǎn)化率逐漸降低.這一結(jié)論與Persson等[7]利用紅外反射發(fā)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致.

圖5 催化燃燒室進(jìn)氣流速為7.5 m/s，進(jìn)口溫度為245 ℃時(shí)，CO轉(zhuǎn)化率隨CO體積分?jǐn)?shù)的變化

Fig.5 CO conversion rate vs. CO concentration at inlet gas velocity of 7.5 m/s and inlet temperature of 245 ℃

從圖5還可以看出，隨著CO體積分?jǐn)?shù)增加，CO轉(zhuǎn)化率逐漸增加，當(dāng)CO體積分?jǐn)?shù)增加到2.8%時(shí)，不加H2O情況下，CO轉(zhuǎn)化率為93%，隨著H2O體積分?jǐn)?shù)的增加CO轉(zhuǎn)化率同樣開始下降，當(dāng)H2O體積分?jǐn)?shù)達(dá)到20%時(shí)CO轉(zhuǎn)化率下降為55%.

圖6給出了催化燃燒室進(jìn)氣流速為6.5 m/s,進(jìn)口溫度為245 ℃時(shí)，不同H2O體積分?jǐn)?shù)下CO轉(zhuǎn)化率的變化情況.從圖6可以看出, CO體積分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，不加H2O情況下，CO轉(zhuǎn)化率為55%，隨著H2O體積分?jǐn)?shù)的增加，CO轉(zhuǎn)化率逐漸降低，當(dāng)H2O體積分?jǐn)?shù)增加到20%時(shí)，CO轉(zhuǎn)化率下降為31%.隨著CO體積分?jǐn)?shù)的增加，CO轉(zhuǎn)化率均逐漸增加.

圖6 催化燃燒室進(jìn)氣流速為6.5 m/s,進(jìn)口溫度為245 ℃時(shí)，CO轉(zhuǎn)化率隨CO體積分?jǐn)?shù)的變化

Fig.6 CO conversion rate vs. CO concentration at inlet gas velocity of 6.5 m/s and inlet temperature of 245 ℃

對(duì)比圖5、圖6可以看出，當(dāng)CO體積分?jǐn)?shù)為0.5%，不加H2O情況下，進(jìn)氣流速為6.5 m/s時(shí)的CO轉(zhuǎn)化率要高于進(jìn)氣流速為7.5 m/s時(shí)的CO轉(zhuǎn)化率.相同CO體積分?jǐn)?shù)和H2O體積分?jǐn)?shù)情況下，低進(jìn)氣流速時(shí)的CO轉(zhuǎn)化率要高于高進(jìn)氣流速時(shí)的CO轉(zhuǎn)化率.原因可能是進(jìn)氣流速較低時(shí)，CO在催化燃燒室停留時(shí)間較長(zhǎng)，CO與催化劑表面接觸充分，有更多的機(jī)會(huì)占據(jù)催化劑表面活性空位，與O2發(fā)生反應(yīng).

而不管是否加入H2O，CO體積分?jǐn)?shù)增加時(shí)，CO轉(zhuǎn)化率均升高.這可能是因?yàn)镃O體積分?jǐn)?shù)較高時(shí)，CO占據(jù)更多活性空位，與O2發(fā)生反應(yīng)，放出熱量，催化劑表面溫度升高，促進(jìn)了反應(yīng)的進(jìn)行，CO轉(zhuǎn)化率提高.

2.4H2O體積分?jǐn)?shù)對(duì)CO反應(yīng)時(shí)間的影響

圖7給出了催化燃燒室進(jìn)氣流速為7.5 m/s，進(jìn)口溫度為250 ℃，CO體積分?jǐn)?shù)為1.5%時(shí)，不同H2O體積分?jǐn)?shù)下CO轉(zhuǎn)化率隨反應(yīng)時(shí)間的變化情況.從圖7可以看出，在不加H2O情況下，CO催化燃燒達(dá)到穩(wěn)定時(shí)所需反應(yīng)時(shí)間為51 s，隨著H2O體積分?jǐn)?shù)的增加，CO催化燃燒達(dá)到穩(wěn)定所需的反應(yīng)時(shí)間增加，當(dāng)H2O體積分?jǐn)?shù)增加到18%時(shí)，CO催化燃燒達(dá)到穩(wěn)定所需反應(yīng)時(shí)間提高到71 s.主要原因可能是，H2O與PdO生成了Pd(OH)2，催化劑接觸到的活性空位數(shù)量減少，CO需要更多的時(shí)間占據(jù)活性空位，反應(yīng)穩(wěn)定所需的時(shí)間增加.不加H2O情況下，CO最終的轉(zhuǎn)化率為100%，隨著H2O體積分?jǐn)?shù)的增加，CO轉(zhuǎn)化率不斷降低，當(dāng)H2O體積分?jǐn)?shù)達(dá)到18%時(shí)，CO最終的轉(zhuǎn)化率31%.其他H2O體積分?jǐn)?shù)時(shí)，CO轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)時(shí)間位于二者之間.

圖7 CO轉(zhuǎn)化率隨反應(yīng)時(shí)間的變化

綜上所述，H2O的存在降低了催化劑的活性，抑制了催化反應(yīng)的進(jìn)行.目前，針對(duì)降低催化燃燒室內(nèi)H2O對(duì)催化劑活性抑制作用的措施主要分為2類：一是對(duì)進(jìn)入催化燃燒室的燃?xì)夂涂諝膺M(jìn)行干燥，減少進(jìn)入催化燃燒室的H2O；二是盡量降低催化燃燒的溫度，避免H2O在高溫下促進(jìn)催化劑的燒結(jié)，可以通過在起燃溫度較高的燃?xì)庵屑尤肫鹑紲囟容^低的燃?xì)猓鏗2來實(shí)現(xiàn)[16].

3 結(jié) 論

(1)在進(jìn)氣流速不變的情況下，隨著CO體積分?jǐn)?shù)的增加，CO的起燃溫度和燃盡溫度降低.CO體積分?jǐn)?shù)從0.63%增加到2.20%時(shí)，起燃溫度從273 ℃降低到247 ℃，燃盡溫度從287 ℃降低到251 ℃.隨著CO體積分?jǐn)?shù)的增加，CO轉(zhuǎn)化率隨溫度的變化梯度增加，反應(yīng)速率增大.

(2)H2O的加入提高了CO的起燃溫度和燃盡溫度；減小了CO轉(zhuǎn)化率隨溫度變化的梯度，降低了CO催化燃燒速率；H2O對(duì)低體積分?jǐn)?shù)CO催化燃燒的抑制作用大于高體積分?jǐn)?shù)CO.

(3)CO的起燃溫度、燃盡溫度隨H2O體積分?jǐn)?shù)的增加而升高，CO轉(zhuǎn)化率隨H2O體積分?jǐn)?shù)的增加而降低；催化燃燒室進(jìn)口溫度、CO體積分?jǐn)?shù)和H2O體積分?jǐn)?shù)相同時(shí)，高進(jìn)氣流速下的CO轉(zhuǎn)化率要低于低進(jìn)氣流速下的CO轉(zhuǎn)化率.

(4)CO反應(yīng)穩(wěn)定所需時(shí)間隨著H2O體積分?jǐn)?shù)的增加而增加；且反應(yīng)穩(wěn)定后，CO轉(zhuǎn)化率隨H2O體積分?jǐn)?shù)的增加而降低.

[1] 婁馬寶. 低熱值氣體燃料(包括高爐煤氣)的利用[J].燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù), 2000, 13(3): 16-18.

LOU Mabao. Utilization of LHV fuel gas[J].GasTurbineTechnology, 2000, 13(3): 16-18.

[2] 耿孝儒. 低體積分?jǐn)?shù)合成氣催化燃燒實(shí)驗(yàn)研究[D]. 上海: 上海交通大學(xué), 2015.

[3] 張園鎖, 翁一武. 超低熱值燃?xì)獯呋紵姨匦缘哪M[J].能源技術(shù), 2008, 29(4): 187-190, 193.

ZHANG Yuansuo, WENG Yiwu. Numerical study for the characteristics of catalytic combustor[J].EnergyTechnology, 2008, 29(4): 187-190, 193.

[4] 蔡萬大. 低體積分?jǐn)?shù)甲烷催化燃燒實(shí)驗(yàn)研究[D]. 北京: 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2009.

[5] 孫路石, 孔繼紅, 向軍, 等. 負(fù)載型鈀催化劑上生物質(zhì)氣化氣催化燃燒[J].燃料化學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 38(6): 679-683.

SUN Lushi, KONG Jihong, XIANG Jun, et al. Catalytic combustion of gas from biomass gasification over supported palladium catalysts[J].JournalofFuelChemistryandTechnology, 2010, 38(6): 679-683.

[6] 秦曉楠. 鋁基Pd與Ni催化劑生物質(zhì)氣催化燃燒的實(shí)驗(yàn)研究[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2009.

[7] PERSSON K, PFEFFERLE L D, SCHWARTZ W, et al. Stability of palladium-based catalysts during catalytic combustion of methane: the influence of water[J].AppliedCatalysisB:Environmental, 2007, 74(3/4): 242-250.

[8] van GIEZEN J C, van den BERG F R, KLEINEN J L, et al. The effect of water on the activity of supported palladium catalysts in the catalytic combustion of methane[J].CatalysisToday, 1999, 47(1/2/3/4): 287-293.

[9] 楊仲卿, 耿豪杰, 張力, 等. 水蒸氣作用下低體積分?jǐn)?shù)甲烷Cu/γ-Al2O3催化燃燒特性[J].工程熱物理學(xué)報(bào), 2014, 35(5): 1015-1019.

YANG Zhongqing, GENG Haojie, ZHANG Li, et al. The influence of water on low-concentration methane catalytic combustion over Cu/γ-Al2O3catalyst[J].JournalofEngineeringThermophysics, 2014, 35(5): 1015-1019.

[10] KIKUCHI R, MAEDA S, SASAKI K, et al. Low-temperature methane oxidation over oxide-supported Pd catalysts: inhibitory effect of water vapor[J].AppliedCatalysisA:General, 2002, 232(1/2): 23-28.

[11] 高典楠, 王勝, 張純希, 等. 氯離子及水蒸氣對(duì)Pd/Al2O3催化劑甲烷燃燒性能的影響[J].催化學(xué)報(bào), 2008, 29(12): 1221-1225.

GAO Diannan, WANG Sheng, ZHANG Chunxi, et al. Methane combustion over Pd/Al2O3catalyst: effects of chlorine ions and water on catalytic activity[J].ChineseJournalofCatalysis, 2008, 29(12): 1221-1225.

[12] 苗厚超. 鈀基催化劑的超低體積分?jǐn)?shù)甲烷催化燃燒特性研究[D]. 重慶: 重慶大學(xué), 2011.

[13] 劉愛虢. 燃料電池/燃?xì)廨啓C(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)值模擬與催化燃燒實(shí)驗(yàn)研究[D]. 上海: 上海交通大學(xué), 2010.

[14] 張李鋒, 石悠, 趙斌元, 等. γ-Al2O3載體研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào), 2007, 21(2): 67-71.

ZHANG Lifeng, SHI You, ZHAO Binyuan, et al. Progress in research on γ-alumina catalyst carrier[J].MaterialsReview, 2007, 21(2): 67-71.

[15] 王衛(wèi)平, 潘秀蓮, 張小亮, 等. 鈀/陶瓷中空纖維復(fù)合膜反應(yīng)器中的水煤氣變換反應(yīng)[J].催化學(xué)報(bào), 2005, 26(12): 1042-1046.

WANG Weiping, PAN Xiulian, ZHANG Xiaoliang, et al. Water-gas shift reaction in a Pd/Ceramic hollow fiber composite membrane reactor[J].ChineseJournalofCatalysis, 2005, 26(12): 1042-1046.

[16] 陸超豪, 呂小靜, 翁一武. 氫氣對(duì)超低體積分?jǐn)?shù)甲烷催化燃燒的影響[J].動(dòng)力工程學(xué)報(bào), 2016, 36(4): 271-276.

LU Chaohao, Lü Xiaojing, WENG Yiwu. Effect of hydrogen on catalytic combustion of methane with ultra-low concentrations[J].JournalofChineseSocietyofPowerEngineering, 2016, 36(4): 271-276.

Effect of H2O on Catalytic Combustion of CO by 0.5%PdZrO2/γ-Al2O3

LIUXing,LüXiaojing,WENGYiwu

(Key Laboratory for Power Machinery and Engineering of Ministry of Education,Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

Taking 0.5%PdZrO2/γ-Al2O3as the catalyst, catalytic combustion experiments of CO were conducted in a self-developed PID control muti-function test rig, so as to study the basic features of CO catalytic combustion, and to analyze the effect of H2O addition on the CO conversion rate, and the effect of H2O concentration on the CO conversion rate and CO reaction time. Reasults show that the ignition and burnout temperature of CO over 0.5%PdZrO2/γ-Al2O3would be increased by addition of H2O due to the improved activation energy of catalytic combustion. Both the ignition and burnout temperature of CO increase with the rise of H2O concentration. The higher the concentration of H2O is, the lower the CO coversion rate will be. The time to reach steady catalytic combustion of CO increases with rising H2O concentration. The presence of H2O reduces the activity of the catalyst, inhibiting the catalytic combustion.

H2O; CO; catalytic combustion; reaction time; conversion rate

2016-09-26

：2016-10-25

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2014AA052803);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51376213)

劉 興(1992-)，男，河南安陽人，碩士研究生，研究方向?yàn)榈蜔嶂禋怏w催化燃燒.電話(Tel．)：18117401305； E-mail：liuxing1992@sjtu.edu.cn．

1674-7607(2017)09-0704-06

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