超低浓度煤层气甲烷含量一般不超过3%,热值较低,浓度波动较大,常规的利用方式无法对其进行有效利用,直接排放到空气中不仅造成了资源巨大浪费也加剧了环境污染。因此,研究利用超低浓度煤层气具有节约能源、保护环境的双重意义。目前,研究者采用催化燃烧的方法对超低浓度煤层气进行利用,催化剂一般采用Pd、Pt、Rh和Au等贵金属催化剂,贵金属催化剂具有较好的低温催化活性,但是资源稀少,价格昂贵,不适合工业化推广。近年来,过渡金属催化剂以其低廉的价格进入研究者们的视野,过渡金属催化剂存在低温催化活性不强,催化效率不高,催化稳定性不够好等缺点。针对于此,本文首次采用超声改性的方法制备催化剂Cu O/Al2O3-Mg O,研究超声改性作用对催化剂Cu O/Al2O3-Mg O结构和催化燃烧超低浓度煤层气的影响,同时对各种超声工况对催化剂的催化性能影响进行研究。实验研究催化剂活性金属负载量、焙烧温度、实验反应空速、进气甲烷浓度对甲烷氧化转化率的影响,并对超声改性后的催化剂催化超低浓度甲烷燃烧的反应动力学特性进行分析。最后本文对比分析了自制催化剂Cu O/Al2O3-Mg O和贵金属催化剂的催化燃烧特性和动力学特性,进而对自制催化剂的工程经济性进行综合评价。本文研究发现超声改性的催化剂Cu O/Al2O3-Mg O催化甲烷燃烧的效率得到提高,燃烧特征温度降低。随着超声时间的延长和超声功率的增加,催化剂的催化活性均呈现先增大后减小的趋势,催化剂制备的最佳超声工况为超声时间20min,超声功率150W。超声对催化剂的改性作用使甲烷催化燃烧的表观活化能下降,催化剂的比表面积和孔容积增大,催化剂表面催化活性较高的Cu+浓度增加,活性组分Cu O由晶相向非晶相转变,分散度增大,晶粒粒径变小,分布更均匀。超声改性后的活化物种Cu O具有较强的吸附特性,能够很好的与甲烷混合接触并迅速的催化活化。研究还发现甲烷转化率随着金属负载量的增加先增大后减小,当活性金属Cu负载量为8%时,催化剂Cu O/Al2O3-Mg O催化甲烷转化率最高。通过对不同焙烧温度催化剂催化活性对比,发现焙烧温度700℃的催化剂具有较好的催化活性。对超低浓度煤层气催化燃烧反应动力学分析发现:反应温度较低时,催化反应受动力学控制,反应温度高于500℃时,扩散作用开始增强,催化反应受到动力学和扩散作用共同控制。从工程经济性角度看,超声改性后的催化剂催化效果相对较好,价格低廉,具有较好的工程应用价值。