BRPI0807419A2 - Catalisador para o tratamento de gás de exaustão, e, sistema de tratamento de gás de exaustão. - Google Patents

Catalisador para o tratamento de gás de exaustão, e, sistema de tratamento de gás de exaustão. Download PDF

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Katsumi Nochi
Yoskiaki Obayashi
Akira Hattori
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Mitsubishi Heavy Ind Ltd
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Description

“CATALISADOR PARA O TRATAMENTO DE GÁS DE EXAUSTÃO, E, SISTEMA DE TRATAMENTO DE GÁS DE EXAUSTÃO”
CAMPO TÉCNICO
A presente invenção se refere a um catalisador para o tratamento de gás de exaustão e um sistema de tratamento de gás de exaustão. FUNDAMENTO DA TÉCNICA
A fim de desnitrar gás de exaustão da combustão, amônia (NH3) é usada como um agente de redução para decompor óxidos de nitrogênio (NOx) em nitrogênio (N2) e vapor de água (H2O). Nesta reação de desnitração, um catalisador DeNOx (desnitração) é usado a fim de melhorar a taxa de reação e a eficiência da reação. Para melhorar a taxa de decomposição de NOx, é necessário somente melhorar a relação molar NH3/NOx quando NH3 é adicionada. Entretanto, quando a relação molar NH3/NOx é aumentada excessivamente, amônia não reagida pode ser misturada no gás de exaustão. O gás de exaustão resultante, quando liberado na atmosfera, pode possivelmente causar poluição secundária ou similar devido à amônia vazada.
Sob tal situação, um catalisador para purificação de gás de exaustão tendo uma camada de catalisador para a oxidação da amônia não reagida é conhecido como é descrito em JP3436567 B.
Tal catalisador para purificação de gás de exaustão compreende uma camada de catalisador DeNOx tão espessa quanto aproximadamente 0,5 mm formada usando uma pasta fluida de catalisador DeNOx. Esta camada é essencial para assegurar a reação de desnitração. O espessamento da camada de catalisador DeNOx, entretanto aumenta a perda de pressão de modo que a eficiência da operação de uma planta se deteriora. Outra razão para o espessamento da camada de catalisador DeNOx é que a camada veículo de catalisador não pode ser usada como um catalisador para purificação de gás de exaustão. DESCRIÇÃO PA INVENÇÃO PROBLEMA A SER RESOLVIDO POR ESTA INVENÇÃO
Considerando a situação acima, a presente invenção foi feita. Um objetivo da presente invenção é prover um catalisador para o tratamento de gás de exaustão e um sistema de tratamento de gás de exaustão capaz de reduzir a taxa de vazamento de amônia enquanto mantém uma eficiência suficiente de remoção de NOx, compreendendo um material de base de catalisador e um camada de revestimento, em que a referida camada de revestimento tem uma espessura diminuída com relação aquela do material de base de catalisador.
MEIOS PARA SOLUCIONAR O PROBLEMA
Para alcançar o objetivo acima, a presente invenção pode ser caracterizada por um catalisador para o tratamento de gás de exaustão capaz de remover cataliticamente óxidos de nitrogênio de um gás de exaustão através do uso de amônia como um agente de redução enquanto decompõe e remove amônia não reagida, o catalisador compreendendo: um material de base de catalisador poroso compreendendo titânia e pelo menos um composto selecionado dentre o grupo consistindo de óxidos de vanádio (V), óxidos de tungstênio (W) e óxidos de molibdênio (Mo); e uma camada de revestimento formada na superfície do material de base de catalisador poroso, a referida camada de revestimento compreendendo platina suportada em titânia.
Em um aspecto, a presente invenção pode ser um catalisador para o tratamento de gás de exaustão capaz de remover cataliticamente óxidos de nitrogênio de um gás de exaustão através do uso de amônia como um agente de redução enquanto decompõe e remove a amônia não reagida, que é obtido através da misturação de uma primeira mistura de pasta fluida de catalisador compreendendo a platina suportada em titânia com uma segunda pasta fluida de catalisador preparada a partir de titânia e pelo menos um composto selecionado dentre óxidos de vanádio (V), óxidos de tungstênio (W), e óxidos de molibdênio (Mo) para formar uma mistura de pasta fluida; e aplicar a mistura de pasta fluida na superfície do material de base de catalisador poroso.
É preferido que a camada de revestimento possa compreender platina em uma quantidade de 0,5 a 0,1% em peso com base na quantidade total de titânia e platina (Pt) compreendida pela camada de revestimento.
No catalisador para o tratamento de gás de exaustão de acordo com a presente invenção, a espessura da camada de revestimento pode ser preferivelmente de 100 a 300 μηι.
Em uma forma de realização do catalisador para o tratamento
de gás de exaustão de acordo com a presente invenção, a platina na camada de revestimento pode ser isolada dos óxidos de vanádio.
Em outro aspecto, a presente invenção pode ser caracterizada por um sistema de tratamento de gás de exaustão capaz de remover 15 cataliticamente óxidos de nitrogênio de um gás de exaustão através do uso de amônia como um agente de redução enquanto decompõe e remove amônia não reagida, em que um catalisador DeNOx é colocado em uma lateral acima do fluxo de gás e o catalisador para o tratamento de gás de exaustão da presente invenção é colocado a jusante do catalisador DeNOx.
EFEITO DA INVENÇÃO
A presente invenção provê um catalisador para o tratamento de gás de exaustão e um sistema de tratamento de gás de exaustão tendo uma camada de revestimento diminuída em espessura com relação aquela do material de base de catalisador e tendo uma taxa de vazamento de amônia 25 reduzida enquanto mantém eficiência suficiente de remoção de NOx. MELHOR MODO PARA REALIZAR A INVENÇÃO
O catalisador para o tratamento de gás de exaustão e o sistema de tratamento de gás de exaustão de acordo com presente invenção serão descritos a seguir mais especificamente com referência a suas formas de realização. Material de base de catalisador poroso
O catalisador para o tratamento do gás de exaustão de acordo com a presente invenção usa um material de base de catalisador poroso como um material de base. O material de base de catalisador poroso é preferivelmente um material de base de catalisador poroso tipo colméia.
Especificamente, o material de base de catalisador poroso é formado usando, como matérias primas, titânia e pelo menos um composto selecionado dentre óxidos de vanádio (V), óxidos de tungstênio (W) e óxidos de molibdênio (Mo).
Tipicamente, as matérias primas são misturadas preferivelmente com uma relação atômica V/W/Ti de (de 0,1 a 0,6)/(de 3 a 9)/(de 70 a 80) ou com uma relação atômica de V/Mo/Ti (de 0,1 a 0,6)/(de 3 a 9)/(de 70 a 80).
O material de base contendo um componente de catalisador DeNOx é preparado, por exemplo, através das etapas seguintes de: adicionar amônia aquosa para uma pasta fluida de ácido metatitânico; adicionar uma quantidade pré-determinada de pó de paratungstato de amônio; misturar a mistura resultante; secar e calcinar a massa misturada para obter um pó de catalisador; colocar o pó de catalisador resultante, e se necessário, um auxiliar de moldagem em um misturador; misturar a mistura resultante junto com uma quantidade adequada de água; extrusar a massa resultante; e secar e depois calcinar o extrusado. O material de base preparado assim é preferivelmente ajustado para ter um volume de poro de 0,25 a 0,40 g/cc.
O material de base de catalisador poroso serve como um catalisador DeNOx para decompor ambos, óxidos de nitrogênio (NOx) derivados de um gás de exaustão e óxidos de nitrogênio gerados no processo de decomposição da amônia.
No catalisador para tratamento de gás de exaustão de acordo com a presente invenção, o material de base de catalisador poroso serve com um catalisador DeNOx. Já que ele decompõe amônia não reagida, enquanto decompõe óxidos de nitrogênio (NOx) gerados no processo de decomposição de amônia, ele não sofre deterioração na eficiência de desnitração.
Camada de revestimento contendo titânia tendo platina suportada na mesma
No catalisador para tratamento de gás de exaustão de acordo com a presente invenção, uma camada de revestimento é formada no material de base de catalisador poroso preparado assim. Esta camada de revestimento contém titânia tendo platina suportada sobre a mesma.
A camada de revestimento pode ser formada como uma camada única compreendendo titânia tendo platina suportada na mesma como um catalisador de oxidação de amônia, e um catalisador DeNOx.
Processo para a preparação de um catalisador para o tratamento de gás de exaustão tendo uma camada de revestimento
A camada de revestimento é preparada através da preparação de uma pasta fluida de catalisador, aplicando-a ao material de base de catalisador poroso, e calcinando o material resultante. O seguinte é um dos exemplos deste processo.
Em uma forma de realização deste processo, titânia esférica (tendo um diâmetro de 2 a 4 mm) é impregnada em uma solução aquosa de platina tal como uma solução aquosa de cloreto de platina (H2PtCle) para suportar de 0,05 a 0,1% em peso de Pt na titânia esférica. Depois da secagem, a titânia resultante é calcinada de 450 a 500° C por de 3 a 5 horas para obter o catalisador em pó 1. Água é adicionada ao catalisador em pó 1, seguido pela moagem a úmido em um moinho de esferas para obter a pasta fluida do catalisador 1 (pasta fluida de catalisador de oxidação de amônia).
Similarmente água é adicionada ao pó de catalisador 2 obtido através da misturação de pelo menos um composto selecionado dentre óxidos de vanádio, óxidos de tungstênio, e óxidos de molibdênio e óxidos de titânio e moendo a mistura resultante em um moinho de esferas a úmido para obter a pasta fluida de catalisador 2 (pasta fluida de catalisador DeNOx). Neste caso é preferido misturar os óxidos com uma relação atômica de V/W/Ti (de 0,1 a 0,6)/(de 3 a 9)/(de 70 a 80) ou com uma relação atômica de V/Mo/Ti (de 0,1 a 0,6)/(de 3 a 9)/(de 70 a 80).
A pasta fluida de catalisador 3 é preparada através da misturação de 30 a 40 partes em peso da pasta fluida de catalisador 1 e de 60 a 70 partes em peso da pasta fluida de catalisador 2, cada ajustada a uma concentração igual de pasta fluida.
Um material de base de catalisador poroso, por exemplo, um
material de base de catalisador poroso tipo colméia é impregnado na pasta fluida de catalisador 3. Depois de secar o catalisador resultante, ele é calcinado de 450 a 500° C por de 3 a 5 horas. A pasta fluida de catalisador 3 é aplicada na superfície do material de base em uma quantidade de 85 a 115 g 15 (a espessura da camada de revestimento éde85all5 μιη) por m de área de superfície do material de base. O catalisador bifuncional dessa forma obtido é um catalisador para o tratamento de gás de exaustão tendo, no material de base de catalisador poroso do mesmo, uma camada de revestimento composta de uma única camada contendo titânia tendo platina suportada na mesma, isto 20 é, um catalisador de oxidação de amônia e um catalisador DeNOx.
Quando a camada de revestimento é feita de uma única camada como descrito acima, é preferido isolar a platina dos óxidos de vanádio a fim de melhorar a atividade catalítica da platina quando da oxidação da amônia.
O catalisador para o tratamento de gás de exaustão de acordo
com as funções da presente invenção remove cataliticamente óxidos de nitrogênio do gás de exaustão através do uso de amônia como um agente de redução enquanto o referido catalisador também decompõe e remove amônia não reagida. Em resumo, ele passa por uma reação de desnitração e decomposição oxidativa da amônia como descrito acima.
Reação de desnitração
NOH-NH3 + IMO2 = N2 + 3/2H20 (1)
Reação de decomposição oxidativa da amônia NH3 + 3/402 = 1/2N2 + 3/2H20 (2)
NH3 + 5/402 = NO + 3/2H20 (3)
O catalisador para o tratamento de gás de exaustão de acordo com a presente invenção pode ser empregado em um sistema de tratamento de gás de exaustão. Tal sistema de tratamento de gás de exaustão é um sistema 10 de tratamento de gás de exaustão para remover cataliticamente óxidos de nitrogênio de um gás de exaustão através do uso de amônia como um agente de redução e ao mesmo tempo, decompor e remover amônia não reagida. Como um modo específico, um sistema de tratamento de gás de exaustão pode ser construído colocando o catalisador DeNOx na lateral acima de um 15 fluxo de gás e depois colocando o catalisador para o tratamento de gás de exaustão de acordo com a presente invenção a jusante do catalisador DeNOx.
Tal sistema de tratamento de gás de exaustão tem a vantagem de reduzir a quantidade de NH3 vazada quando comparado com aquela usando somente o catalisador DeNOx.
EXEMPLO 1
Titânia esférica (tendo um diâmetro de 2 a 4 mm) foi impregnada em uma solução aquosa de cloreto de platina (H2PtCl6) para suportar 0,5% em peso de platina (Pt) na titânia esférica. Depois da secagem, a titânia resultante foi calcinada a 500° C por 5 horas para obter o catalisador 25 em pó 1. Água foi adicionada ao catalisador em pó 1 resultante (catalisador de oxidação de amônia), seguido pela moagem em um moinho de esferas a úmido para obter a pasta fluida de catalisador 1. Similarmente, água foi adicionada para o catalisador em pó 2 (catalisador DeNOx) composto de 0,6 partes em peso de óxidos de vanádio, 9 partes em peso de óxidos de tungstênio, e 80 partes em peso de óxidos de titânio e a mistura resultante foi moída em um moinho de esferas para obter a pasta fluida de catalisador 2.
A pasta fluida de catalisador 3 foi preparada misturando 35 partes em peso da pasta fluida de catalisador 1 e 65 partes em peso da pasta fluida de catalisador 2, cada pasta fluida sendo ajustada a uma concentração igual de pasta fluida. Um material de base de catalisador poroso tipo colméia (funcionando como um catalisador DeNOx), servindo como um material de base de catalisador poroso e composto de 0,6 partes em peso de óxidos de vanádio, 9 partes em peso de óxidos de tungstênio, e 80 partes em peso de óxidos de titânio foi impregnado na pasta fluida de catalisador 3. O catalisador resultante foi seco e depois calcinado a 500° C por 5 horas.
A pasta fluida de catalisador 3 foi aplicada ao material de base em uma quantidade de 100 g (espessura da camada de revestimento: cerca de 100 μηι) por m2 de área de superfície do material de base e o catalisador tipo colméia para o tratamento de gás de exaustão resultante foi designado como catalisador bifuncional 1.
EXEMPLO 2
De uma maneira similar aquela do catalisador Bifuncional 1 empregado no Exemplo 1, exceto uma quantidade suportada de platina (Pt) que foi mudada para 0,1% em peso, o catalisador Bifuncional 2 foi obtido.
Exemplo comparativo 1
Um catalisador TiO2-V2O5-WO3 DeNOx (uma relação de massa Ti02:V205:W03 = 80:0.6:9) foi preparado da maneira seguinte.
Para 3600 g de uma pasta fluida de ácido metatitânico (tendo um teor de TiO2 de 30% de massa) foi adicionada amônia aquosa tendo um teor de NH3 de 25% para ajustar o pH para 6,5. Para a mistura resultante foi adicionado pó de paratungstato de amônio para dar um teor de WO3 de 9% de massa e a mistura resultante foi misturada a úmido por 2 horas. A massa resultante foi seca e depois calcinada a 550° C por 5 horas para obter um pó composto de óxido de titânio e óxido de tungstênio. Para o pó resultante foi adicionada uma solução aquosa de metavanadato de amônio para dar um teor de V2O5 de 0,6% de massa. A mistura resultante foi completamente misturada, seca, e calcinada a 450° C por 4 horas para obter um Pó (A) composto de 5 óxido de titânio, [T1O2], óxido de vanádio [V2O5], e óxido de tungstênio [WO3]. Um misturador foi carregado com 1000 g do Pó (A), 25 g de carboximetil celulose, e 12,5 g de óxido de polietileno. Uma quantidade adequada de água foi adicionada à mistura resultante, seguido pela misturação por 30 minutos. A massa misturada resultante foi extrusada para uma folha de 10 50 mm2 e a folha foi seca e depois calcinada a 500° C por 5 horas.
Exemplo comparativo 2
De uma maneira similar àquela empregada no Exemplo 1, exceto para o uso de uma solução aquosa de cloreto de paládio em vez de uma solução aquosa de cloreto de platina (H2PtCl6), um catalisador foi preparado. Um teste de desempenho foi realizado usando os catalisadores
Bifuncionais 1,2 e 5 e o catalisador DeNOx.
O teste de desempenho foi realizado sob as seguintes
condições.
Temperatura de gás de exaustão: 380° C Taxa de fluxo de gás de exaustão: 2,3 Nm/seg
Concentração de NOx: 500 ppm
Os resultados são mostrados na Tabela 1.
Tabela 1
Desempenho do Catalisador Catalisador Temperatura Eficiência Concentração (0C) de desnitração (%) de NH3 vazada (ppm) Exemplo 1 Catalisador 380 95 2 Bifuncional 1 Exemplo 2 Catalisador 380 95 3 Bifuncional 2 Ex. Comp. 1 Catalisador 380 95 8 DeNOx Ex. Comp. 2 Catalisador 380 95 8 Bifuncional 5 O uso do catalisador para o tratamento de gás de exaustão de acordo com a presente invenção permitiu à redução de concentração de amônia vazada enquanto manteve a eficiência de desnitração a 95% e permitiu também a diminuição da camada de revestimento.

Claims (5)

1. Catalisador para o tratamento de gás de exaustão, caracterizado pelo fato de ser capaz de remover cataliticamente óxidos de nitrogênio de um gás de exaustão através do uso de amônia como um agente de redução enquanto decompõe e remove a amônia não reagida, compreendendo: um material de base de catalisador poroso compreendendo titânia e pelo menos um composto selecionado dentre o grupo consistindo de óxidos de vanádio (V), óxidos de tungstênio (W) e óxidos de molibdênio (Mo); e uma camada de revestimento formada na superfície do material de base de catalisador poroso, a referida camada de revestimento compreendendo platina suportada em titânia.
2. Catalisador para o tratamento de gás de exaustão de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que é obtido através da misturação de uma primeira mistura de pasta fluida de catalisador compreendendo a platina suportada em titânia com uma segunda pasta fluida de catalisador preparada a partir de titânia e pelo menos um composto selecionado dentre óxidos de vanádio (V), óxidos de tungstênio (W) e óxidos de molibdênio (Mo) para formar mistura de pasta fluida; e aplicar a mistura de pasta fluida na superfície do material de base de catalisador poroso.
3. Catalisador para o tratamento de gás de exaustão de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a camada de revestimento compreende a platina em uma quantidade de 0,5 a 0,1% em peso com base na quantidade total de titânia e platina (Pt) compreendida pela camada de revestimento.
4. Catalisador para o tratamento de gás de exaustão de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a camada de revestimento tem uma espessura de 100 a 300 μm.
5. Sistema de tratamento de gás de exaustão, caracterizado pelo fato de ser capaz de remover cataliticamente óxidos de nitrogênio de um gás de exaustão através do uso de amônia como um agente de redução enquanto decompõe e remove a amônia não reagida, em que um catalisador DeNOx é disposto acima do fluxo de gás e o catalisador para o tratamento do gás de exaustão como definido em qualquer uma das reivindicações de 1 a 4 é disposto a jusante do catalisador DeNOx.
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