一种天然气催化燃烧蓄热型红外加热物体的方法
阅读说明：本技术 一种天然气催化燃烧蓄热型红外加热物体的方法 (Method for heating object by natural gas catalytic combustion heat accumulation type infrared radiation ) 是由 李孔斋 李丹阳 王�华 徐瑞东 杜云鹏 于 2021-08-16 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种天然气催化燃烧蓄热型红外加热物体的方法,属于天然气催化燃烧红外加热技术领域。本发明将核壳结构相变蓄热催化剂置于催化燃烧器中,将天然气混合气通入催化燃烧器中,催化燃烧器升温至天然气混合气在核壳结构相变蓄热催化剂上发生表面催化燃烧反应使核壳结构相变蓄热催化剂相变积热；关闭混合气和热源,核壳结构相变蓄热催化剂相变放热发射红外光,红外光加热吸收该红外光的物体。本发明可有效解决天然气催化燃烧红外加热中存在的反应器温度骤然变化导致的红外辐射波段不稳定且难有效控制的技术问题。(The invention relates to a method for heating an object by heat accumulation type infrared rays through natural gas catalytic combustion, and belongs to the technical field of natural gas catalytic combustion infrared heating. The method comprises the steps of placing a core-shell structure phase-change heat storage catalyst in a catalytic combustor, introducing natural gas mixed gas into the catalytic combustor, and heating the catalytic combustor until the natural gas mixed gas generates a surface catalytic combustion reaction on the core-shell structure phase-change heat storage catalyst to enable the core-shell structure phase-change heat storage catalyst to generate phase-change heat storage; and (3) closing the mixed gas and the heat source, enabling the core-shell structure phase-change heat storage catalyst to release heat through phase change to emit infrared light, and heating the object absorbing the infrared light by using the infrared light. The invention can effectively solve the technical problems of unstable infrared radiation wave band and difficult effective control caused by the sudden change of the reactor temperature in the catalytic combustion infrared heating of natural gas.)
技术领域
本发明涉及一种天然气催化燃烧蓄热型红外加热物体的方法，属于天然气催化燃烧红外加热技术领域。
背景技术
与直接火焰燃烧相比，天然气催化燃烧借助催化剂在较低起燃温度下进行无焰燃烧，具有热效率高, 能量利用率高，污染物排放水平低, 燃烧安全等优势。红外加热与热风、导热和微波辐射等加热方式相比较,能缩短受热体加热到所需温度的时间；将天然气催化燃烧技术与红外加热方式耦合的天然气催化燃烧红外加热技术通过催化剂表面进行的无焰燃烧，避免了气相燃烧发出的可见光造成的能量损失，使其能量大部分转化为红外射线辐射出去，可有效实现对物体的干燥加热。然而，该天然气催化燃烧红外加热技术仍存在不可避免的问题。如，燃料增加通常会使反应器温度骤然增加，这样导致产生的红外辐射波段很难控制。
发明内容
本发明针对现有技术中天然气催化燃烧红外加热存在的燃料增加导致反应器温度骤然增加，红外辐射波段难以控制等问题，提供一种天然气催化燃烧蓄热型红外加热物体的方法，即根据不同的物料对不同的红外波段的吸收效率，选择蓄热型催化剂，精确有效控制催化剂的表面温度，有效地发挥红外线的加热效率，获得更高的能量转化率和能源利用率。
一种天然气催化燃烧蓄热型红外加热物体的方法，具体步骤如下：
（1）将核壳结构相变蓄热催化剂置于催化燃烧器中；
（2）将天然气混合气通入催化燃烧器中，催化燃烧器升温至天然气混合气在核壳结构相变蓄热催化剂上发生表面催化燃烧反应使核壳结构相变蓄热催化剂相变积热；
（3）关闭混合气和热源，核壳结构相变蓄热催化剂相变放热发射红外光，红外光加热吸收该红外光的待加热物体；
所述步骤（1）核壳结构相变蓄热催化剂的相变温度为300~700℃；
所述核壳结构相变蓄热催化剂为负载活性组分的核壳结构相变蓄热材料，核壳结构相变蓄热材料为[email protected]2、[email protected]2O3、[email protected]2O3或[email protected]，活性组分为贵金属催化剂；
所述贵金属催化剂包括贵金属和载体；
所述核壳结构相变蓄热材料的制备方法，具体步骤如下：
1）将相变蓄热材料前驱体分散至甲醇/乙二醇混合溶液中得到混合悬浊液A；将明胶、硝酸镍和十二烷基磺酸钠加入到去离子水中配制成混合溶液B；
2）在温度为40~80℃、搅拌条件下，将混合溶液B和氨水溶液逐滴滴入混合悬浊液A中至体系的pH值维持在8.0~11.0并继续反应60~180 min，固液分离，固体经蒸馏水和乙醇洗涤，真空干燥，置于温度为300~700℃下焙烧1~5h即得核壳结构相变蓄热材料；
进一步的，所述步骤1）甲醇/乙二醇混合溶液中甲醇的体积占5~ 60%，相变蓄热材料前驱体、明胶、硝酸镍和十二烷基磺酸钠的摩尔比为2~10: 0.2~1: 1~3 : 0.1~1；
所述核壳结构相变蓄热催化剂的制备方法，具体步骤如下：
1）将贵金属盐溶于乙醇/蒸馏水混合溶液中得到混合溶液C；
2）将载体加入到混合溶液C中，搅拌1~ 4h后加入核壳结构相变蓄热材料得到混合悬浊液D；
3）将十六烷基三甲基溴化铵和尿素加入到混合悬浊液D中搅拌反应4~6 h，固液分离，真空干燥，再置于温度为300~700℃下焙烧2~4h即得核壳结构相变蓄热催化剂；
进一步的，所述以贵金属盐中贵金属元素与载体的总加入质量为100%计，贵金属盐中贵金属元素的质量分数0.5~20%，以贵金属盐中贵金属元素、载体和核壳结构相变蓄热材料的总加入质量为100%计，贵金属盐中贵金属元素与载体的总加入质量的分数为5~90%；
进一步的，所述十六烷基三甲基溴化铵与贵金属盐的质量比为2:1~10:1，尿素与贵金属盐的摩尔比为5:1~ 30:1；
优选的，天然气混合气为天然气/空气的混合气，天然气与空气的体积浓度比为1:2~20，天然气混合气的通入流量为50~1000mL/min；
优选的，待加热物体的吸收红外光波段为2~16µm。
本发明的有益效果是：
（1）本发明可有效解决天然气催化燃烧红外加热技术存在的反应器温度骤然变化导致的红外辐射波段不稳定且难有效控制的技术问题；
（2）本发明方法中核壳结构蓄热型催化剂的蓄热速率快，适应催化甲烷燃烧反应快速释热的特点，可最大化发挥红外线加热效率，改善床层热环境，提升能量转化率和能源利用率；
（3）本发明可根据待加热物体吸收的红外波段选择适应相变温度的核壳结构蓄热型催化剂，以精确有效控制核壳结构蓄热型催化剂相变过程的表面温度，有效地发挥红外线的加热效率，获得更高的能量转化率和能源利用率。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1：本实施例核壳结构相变蓄热催化剂Ru/ LaNiO3/[email protected]2为负载活性组分催化剂Ru/LaNiO3的核壳结构相变蓄热材料[email protected]2，相变温度为595 ℃，相变放热发射的红外光波段为3~4 um；
核壳结构相变蓄热材料[email protected]2的制备方法，具体步骤如下：
1）将相变蓄热材料前驱体Fe-Ti合金分散至甲醇/乙二醇混合溶液中得到混合悬浊液A；将明胶、硝酸镍和十二烷基磺酸钠加入到去离子水中配制成混合溶液B；其中甲醇/乙二醇混合溶液中甲醇的体积占5%，相变蓄热材料前驱体、明胶、硝酸镍和十二烷基磺酸钠的摩尔比为10: 1 : 3 : 1；
2）在温度为40℃、搅拌条件下，将混合溶液B和氨水溶液逐滴滴入混合悬浊液A中至体系的pH值维持在8.0并反应60 min，固液分离，固体经蒸馏水和乙醇洗涤4次，在温度为20℃下真空干燥，置于温度为700℃下焙烧5h即得核壳结构相变蓄热材料[email protected]2；
核壳结构相变蓄热催化剂Ru/ LaNiO3/[email protected]2的制备方法，具体步骤如下：
1）将贵金属盐RuCl3溶于乙醇/蒸馏水混合溶液中得到混合溶液C；其中乙醇/蒸馏水混合溶液中乙醇与蒸馏水的体积比为0.1:1；
2）将载体（LaNiO3载体）加入到混合溶液C中，搅拌负载1h后加入核壳结构相变蓄热材料[email protected]2得到混合悬浊液D；
3）将十六烷基三甲基溴化铵和尿素加入到混合悬浊液D中搅拌反应4 h，固液分离，在温度为20℃下真空干燥，再置于温度为700℃下焙烧4h即得核壳结构相变蓄热催化剂Ru/ LaNiO3/[email protected]2；以贵金属盐中贵金属元素与载体的总加入质量为100%计，贵金属盐中贵金属元素的质量分数0.5%，以贵金属盐中贵金属元素、载体和核壳结构相变蓄热材料的总加入质量为100%计，贵金属盐中贵金属元素与载体的总加入质量的分数为5%；十六烷基三甲基溴化铵与贵金属盐的质量比为 2:1，尿素与贵金属盐的摩尔比为5 :1 ；
一种天然气催化燃烧蓄热型红外加热物体的方法，具体步骤如下：
（1）将100g核壳结构相变蓄热催化剂Ru/ LaNiO3/[email protected]2置于催化燃烧器中；
（2）将天然气混合气通入催化燃烧器中，催化燃烧器升温至650℃，天然气混合气在核壳结构相变蓄热催化剂上发生表面催化燃烧反应使核壳结构相变蓄热催化剂相变积热；其中天然气混合气为天然气/空气的混合气，天然气与空气的体积浓度比为1:10，天然气混合气的通入流量为200mL/min；
（3）关闭混合气和热源，核壳结构相变蓄热催化剂相变放热发射红外光，红外光加热吸收该红外光的待加热物体即对吸收红外光波段为3 ~4um 的食品进行干燥。
实施例2：本实施例核壳结构相变蓄热催化剂Pd/ BaFe3Al9O19/[email protected]2O3为负载活性组分催化剂Pd/ BaFe3Al9O19的核壳结构相变蓄热材料[email protected]2O3，相变温度为228 ℃，相变放热发射的红外光波段为 5 ~6um；
核壳结构相变蓄热材料[email protected]2O3的制备方法，具体步骤如下：
1）将相变蓄热材料前驱体Al-Sn合金分散至甲醇/乙二醇混合溶液中得到混合悬浊液A；将明胶、硝酸镍和十二烷基磺酸钠加入到去离子水中配制成混合溶液B；其中甲醇/乙二醇混合溶液中甲醇的体积占60 %，相变蓄热材料前驱体、明胶、硝酸镍和十二烷基磺酸钠的摩尔比为2:0.2:1:0.1；
2）在温度为80℃、搅拌条件下，将混合溶液B和氨水溶液逐滴滴入混合悬浊液A中至体系的pH值维持在11.0并反应180 min，固液分离，固体经蒸馏水和乙醇洗涤3次，在温度为60℃下真空干燥，置于温度为500℃下焙烧5h即得核壳结构相变蓄热材料[email protected]2O3；
核壳结构相变蓄热催化剂Pd/BaFe3Al9O19/[email protected]2O3的制备方法，具体步骤如下：
1）将贵金属盐Pd(NO3)2溶于乙醇/蒸馏水混合溶液中得到混合溶液C；其中乙醇/蒸馏水混合溶液中乙醇与蒸馏水的体积比为1:1；
2）将载体（BaFe3Al9O19载体）加入到混合溶液C中，搅拌负载4h后加入核壳结构相变蓄热材料[email protected]2O3得到混合悬浊液D；
3）将十六烷基三甲基溴化铵和尿素加入到混合悬浊液D中搅拌反应6 h，固液分离，在温度为60℃下真空干燥，再置于温度为500℃下焙烧3h即得核壳结构相变蓄热催化剂Pd/BaFe3Al9O19/[email protected]2O3；以贵金属盐中贵金属元素与载体的总加入质量为100%计，贵金属盐中贵金属元素的质量分数10%，以贵金属盐中贵金属元素、载体和核壳结构相变蓄热材料的总加入质量为100%计，贵金属盐中贵金属元素与载体的总加入质量的分数为90%；十六烷基三甲基溴化铵与贵金属盐的质量比为10:1，尿素与贵金属盐的摩尔比为30 :1；
一种天然气催化燃烧蓄热型红外加热物体的方法，具体步骤如下：
（1）将300g核壳结构相变蓄热催化剂Pd/BaFe3Al9O19/[email protected]2O3置于催化燃烧器中；
（2）将天然气混合气通入催化燃烧器中，催化燃烧器升温至320℃，天然气混合气在核壳结构相变蓄热催化剂上发生表面催化燃烧反应使核壳结构相变蓄热催化剂相变积热；其中天然气混合气为天然气/空气的混合气，天然气与空气的体积浓度比为1:15，天然气混合气的通入流量为500mL/min；
（3）关闭混合气和热源，核壳结构相变蓄热催化剂相变放热发射红外光，红外光加热吸收该红外光的待加热物体即对吸收红外光波段为5 ~6um的铸件涂层进行干燥。
实施例3：本实施例核壳结构相变蓄热催化剂Pt/Fe2O3/[email protected]2O3为负载活性组分催化剂Pt/Fe2O3的核壳结构相变蓄热材料[email protected]2O3，相变温度为 577 ℃，相变放热发射的红外光波段为3~4um；
核壳结构相变蓄热材料[email protected]2O3的制备方法，具体步骤如下：
1）将相变蓄热材料前驱体Al-Si合金分散至甲醇/乙二醇混合溶液中得到混合悬浊液A；将明胶、硝酸镍和十二烷基磺酸钠加入到去离子水中配制成混合溶液B；其中甲醇/乙二醇混合溶液中甲醇的体积占20%，相变蓄热材料前驱体、明胶、硝酸镍和十二烷基磺酸钠的摩尔比为5:0.5:2:1；
2）在温度为50℃、搅拌条件下，将混合溶液B和氨水溶液逐滴滴入混合悬浊液A中至体系的pH值维持在10.0并反应120 min，固液分离，固体经蒸馏水和乙醇洗涤3次，在温度为50℃下真空干燥，置于温度为600℃下焙烧3h即得核壳结构相变蓄热材料[email protected]2O3；
核壳结构相变蓄热催化剂Pt/Fe2O3/[email protected]2O3的制备方法，具体步骤如下：
1）将贵金属盐Pt(NO3)2溶于乙醇/蒸馏水混合溶液中得到混合溶液C；其中乙醇/蒸馏水混合溶液中乙醇与蒸馏水的体积比为0.5:1；
2）将载体（Fe2O3载体）加入到混合溶液C中，搅拌负载2 h后加入核壳结构相变蓄热材料[email protected]2O3得到混合悬浊液D；
3）将十六烷基三甲基溴化铵和尿素加入到混合悬浊液D中搅拌反应5 h，固液分离，在温度为50℃下真空干燥，再置于温度为600℃下焙烧3h即得核壳结构相变蓄热催化剂Pt/Fe2O3/[email protected]2O3；以贵金属盐中贵金属元素与载体的总加入质量为100%计，贵金属盐中贵金属元素的质量分数5%，以贵金属盐中贵金属元素、载体和核壳结构相变蓄热材料的总加入质量为100%计，贵金属盐中贵金属元素与载体的总加入质量的分数为50%；十六烷基三甲基溴化铵与贵金属盐的质量比为5: 1，尿素与贵金属盐的摩尔比为10 : 1；
一种天然气催化燃烧蓄热型红外加热物体的方法，具体步骤如下：
（1）将50g核壳结构相变蓄热催化剂Pt/Fe2O3/[email protected]2O3置于催化燃烧器中；
（2）将天然气混合气通入催化燃烧器中，催化燃烧器升温至630℃，天然气混合气在核壳结构相变蓄热催化剂上发生表面催化燃烧反应使核壳结构相变蓄热催化剂相变积热；其中天然气混合气为天然气/空气的混合气，天然气与空气的体积浓度比为1:2，天然气混合气的通入流量为50mL/min；
（3）关闭混合气和热源，核壳结构相变蓄热催化剂相变放热发射红外光，红外光加热吸收该红外光的待加热物体即对吸收红外光波段为3 ~4um 的木材进行干燥；
一种天然气催化燃烧蓄热型红外加热物体的方法，具体步骤如下：
（1）将50g核壳结构相变蓄热催化剂Pt/Fe2O3/[email protected]2O3置于催化燃烧器中；
（2）将天然气混合气通入催化燃烧器中，催化燃烧器升温至600℃，天然气混合气在核壳结构相变蓄热催化剂上发生表面催化燃烧反应使核壳结构相变蓄热催化剂相变积热；其中天然气混合气为天然气/空气的混合气，天然气与空气的体积浓度比为1:5，天然气混合气的通入流量为100mL/min；
（3）关闭混合气和热源，核壳结构相变蓄热催化剂相变放热发射红外光，红外光加热吸收该红外光的待加热物体即对吸收红外光波段为3 ~4um的谷物进行干燥。
实施例4：本实施例核壳结构相变蓄热催化剂Rh/SiO2/[email protected]为负载活性组分催化剂Rh/SiO2的核壳结构相变蓄热材料[email protected]，相变温度为 430 ℃，相变放热发射的红外光波段为4~5 um；
核壳结构相变蓄热材料[email protected]的制备方法，具体步骤如下：
1）将相变蓄热材料前驱体Cu-Zn合金分散至甲醇/乙二醇混合溶液中得到混合悬浊液A；将明胶、硝酸镍和十二烷基磺酸钠加入到去离子水中配制成混合溶液B；其中甲醇/乙二醇混合溶液中甲醇的体积占30 %，相变蓄热材料前驱体、明胶、硝酸镍和十二烷基磺酸钠的摩尔比为7:0.6:2:0.5；
2）在温度为40℃、搅拌条件下，将混合溶液B和氨水溶液逐滴滴入混合悬浊液A中至体系的pH值维持在9.0并反应90 min，固液分离，固体经蒸馏水和乙醇洗涤4次，在温度为40℃下真空干燥，置于温度为700℃下焙烧1h即得核壳结构相变蓄热材料[email protected]；
核壳结构相变蓄热催化剂Rh/SiO2/[email protected]的制备方法，具体步骤如下：
1）将贵金属盐RhCl3·3H2O溶于乙醇/蒸馏水混合溶液中得到混合溶液C；其中乙醇/蒸馏水混合溶液中乙醇与蒸馏水的体积比为0.5:1；
2）将载体（SiO2载体）加入到混合溶液C中，搅拌负载 2h后加入核壳结构相变蓄热材料[email protected]得到混合悬浊液D；
3）将十六烷基三甲基溴化铵和尿素加入到混合悬浊液D中搅拌反应5h，固液分离，在温度为50℃下真空干燥，再置于温度为700℃下焙烧1h即得核壳结构相变蓄热催化剂Rh/SiO2/[email protected]；以贵金属盐中贵金属元素与载体的总加入质量为100%计，贵金属盐中贵金属元素的质量分数1%，以贵金属盐中贵金属元素、载体和核壳结构相变蓄热材料的总加入质量为100%计，贵金属盐中贵金属元素与载体的总加入质量的分数为30%；十六烷基三甲基溴化铵与贵金属盐的质量比为8: 1，尿素与贵金属盐的摩尔比为20:1 ；
一种天然气催化燃烧蓄热型红外加热物体的方法，具体步骤如下：
（1）将500g核壳结构相变蓄热催化剂Rh/SiO2/[email protected]置于催化燃烧器中；
（2）将天然气混合气通入催化燃烧器中，催化燃烧器升温至480℃，天然气混合气在核壳结构相变蓄热催化剂上发生表面催化燃烧反应使核壳结构相变蓄热催化剂相变积热；其中天然气混合气为天然气/空气的混合气，天然气与空气的体积浓度比为1:20，天然气混合气的通入流量为1000mL/min；
（3）关闭混合气和热源，核壳结构相变蓄热催化剂相变放热发射红外光，红外光加热吸收该红外光的待加热物体即对吸收红外光波段为4 ~5um 的谷物和食品进行干燥。
以上结合实例对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
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