CN101716509B - 一种用于研究燃煤烟气脱硝的颗粒状催化剂及其制备方法 - Google Patents

一种用于研究燃煤烟气脱硝的颗粒状催化剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种用于研究燃煤烟气脱硝的颗粒状催化剂及其制备方法，属于化学脱硝反应催化剂领域，该催化剂是由研碎的蜂窝状堇青石、γ-Al2O3和CuO组成的混合物，其中γ-Al2O3的含量为研碎的蜂窝状堇青石质量的4.5％，CuO的含量为研碎的蜂窝状堇青石质量的1％-3％，20～100目，320℃-420℃，质量空速为0.018m3h-1g-1，制备步骤：(1)将蜂窝状堇青石研碎后清洗、干燥；(2)等体积浸渍法担载γ-Al2O3；(3)等体积浸渍法担载CuO，(4)20-100目标准筛筛选步骤。

Description

一种用于研究燃煤烟气脱硝的颗粒状催化剂及其制备方法
技术领域：
本发明属于化学脱硝反应催化剂领域，特别涉及一种用于研究蜂窝状堇青石基CuO/γ-Al2O3催化剂的脱硝本征动力学方程的催化剂及其制备方法。
背景技术：
选择性催化还原NO(SCR)方法是目前最有效的脱硝方法，它的核心技术就是催化剂的选择。CuO/Al2O3在不同的温度范围内都体现出较高的脱硫能力和脱硝活性，但由于其颗粒状结构，带来流体阻力大、易被烟气粉尘堵塞等问题，使得工业化应用比较困难。蜂窝状催化剂不仅能够克服上述问题，而且易装卸，已被广泛用于汽车尾气处理，烟道气中氮氧化物的脱除，内燃机等的催化助燃及其它化学反应工程。蜂窝状堇青石因其良好的机械性能和热稳定性而广泛用作催化剂第一载体，Al2O3膜为第二载体以增加比表面积。《燃料化学学报》2004年第32卷，第3期，报道了一篇关于蜂窝状堇青石基CuO/Al2O3催化剂用于烟气同时脱硫脱硝的研究，以硝酸铝为原料制得铝溶胶前躯体，采用过量浸渍法制得铝涂层；以硝酸铜为浸渍液，采用过量浸渍法制得活性组分氧化铜，并对其活性进行了研究。
Sirdeshpande等人已经对颗粒状催化剂CuO/γ-Al2O3的动力学做了研究，得到了动力学方程式，并对参数进行估计(Kinetics of the Selective CatalyticReduction of NO with NH3 over CuO/γ-Al2O3)。而关于这种结构化催化剂蜂窝状堇青石基CuO/γ-Al2O3在烟气脱硝方面的本征动力学却没有任何报道。原因之一由于催化剂的第一载体蜂窝状堇青石这一结构的存在本身就与颗粒状的催化剂CuO/γ-Al2O3有很大的区别，给其脱硝本征动力学的研究带来了一定的难度。
发明内容：
本发明的目的在于提出一种催化剂及其制备方法，该催化剂可以用来研究蜂窝状堇青石基CuO/γ-Al2O3催化剂的脱硝本征动力学方程。
本发明的催化剂是由研碎的蜂窝状堇青石、γ-Al2O3和CuO组成的混合物，其中γ-Al2O3的含量为研碎的蜂窝状堇青石质量的4.5％，CuO的含量为研碎的蜂窝状堇青石质量的1％-3％，20～100目，反应温度为320℃-420℃，质量空速为0.018m3h-1g-1。
制备本发明的催化剂步骤如下：
(1)将蜂窝状堇青石研碎后用20-100目标准筛筛选，先用无水乙醇在室温下超声清洗5-10min，再用去离子水洗3-5次，并在100-120℃干燥箱里干燥2-3h；
(2)常温下往特种拟薄水铝石(SB)粉中滴加0.5％硝酸直至PH值为3.5，充分搅拌3-5h，即得到铝溶胶前驱体，将该铝溶胶前驱体通过等体积浸渍法担载到步骤(1)得到的颗粒物上，然后用60℃的水浴锅炒干，60℃的干燥箱干燥24h，最后用500℃马弗炉煅烧2-3h，通过控制担载的次数使γ-Al2O3的含量为研碎的蜂窝状堇青石质量的4.5％；
(3)将质量百分比为2.5％-7.5％的硝酸铜溶液通过等体积浸渍法担载到步骤(2)得到的颗粒物上，然后用60℃的水浴锅炒干，60℃干燥箱干燥9～12h，110℃干燥箱干燥6～9h，500℃马弗炉煅烧2～3h，通过控制担载的次数使CuO的含量为研碎的蜂窝状堇青石质量的1％-3％。
(4)再次用20-100目标准筛筛选步骤(3)得到的颗粒物即得到权利要求1所述的颗粒状堇青石基CuO/γ-Al2O3催化剂。
通过上述步骤制备的颗粒状堇青石基CuO/γ-Al2O3催化剂具可以用于研究蜂窝状堇青石基CuO/γ-Al2O3催化剂脱硝的本征动力学方程，模拟燃煤烟气的组分，在消除内外扩散影响的条件下，通过线性回归的方法得到这种颗粒状催化剂脱硝的一级反应模型，然后用FLUENT软件去模拟蜂窝状催化剂脱硝率。
具体实施方式：
实施例1
取蜂窝状催化剂，满足γ-Al2O3涂层含量4.5％，CuO含量为1wt％，模拟燃煤烟气的组分，其中NO的体积浓度是500ppm，NH3的体积浓度为500ppm，O2的体积浓度为5％，H2O的体积浓度为5％，其余为N2。气体的质量空速为0.018m3h-1g-1，保温炉的温度控制在400℃，烟气分析仪在线测得NO的转化率为21.37％。
用研钵把蜂窝状堇青石研碎到一定粒度后，用标准筛筛选出80～100目的颗粒，用无水乙醇在室温下超声清洗10min后，取出，用去离子水洗3次。上述清洗后的颗粒状堇青石在110℃干燥箱里干燥2h后取出。选用特种的拟薄水铝石(SB)粉为原料和0.5％HNO3为解胶剂，常温下往SB粉中滴加稀硝酸，直至PH值为3.5，充分搅拌3h后即得铝溶胶。上述颗粒状催化剂采用等体积浸渍法涂上铝溶胶后，在60℃的水浴锅上炒干，然后在60℃的干燥箱里干燥24h，在500℃马弗炉煅烧2h，即得γ-Al2O3涂层，得到γ-Al2O3含量为4.5％。以质量分数为2.5％的硝酸铜溶液为浸渍液，采用等体积浸渍法得到硝酸铜涂层后，在60℃的水浴锅上炒干，然后在60℃干燥12h，110℃干燥6h，500℃煅烧2h，即得活性组分CuO，其中CuO含量为1wt％。在消除内外扩散影响的条件下，通过线性回归的方法得到这种颗粒状催化剂脱硝的一级反应模型，然后用FLUENT软件去模拟蜂窝状催化剂得到在400℃，氨氮比为1时脱硝率为22.16％，与实际值的相对误差为-3.7％。
实施例2
取蜂窝状催化剂，满足γ-Al2O3涂层含量4.5％，CuO含量为1.5wt％，模拟燃煤烟气的组分，其中NO的体积浓度是500ppm，NH3的体积浓度为500ppm，O2的体积浓度为5％，H2O的体积浓度为5％，其余为N2。气体的质量空速为0.018m3h-1g-1，保温炉的温度控制在420℃，烟气分析仪在线测得NO的转化率为57.68％。
用研钵把蜂窝状堇青石研碎到一定粒度后，用标准筛筛选出80～100目的颗粒，用无水乙醇在室温下超声清洗10min后，取出，用去离子水洗3次。上述清洗后的颗粒状堇青石在110℃干燥箱里干燥2h后取出。选用特种的拟薄水铝石(SB)粉为原料和0.5％HNO3为解胶剂，常温下往SB粉中滴加稀硝酸，直至PH值为3.5，充分搅拌3h后即得铝溶胶。上述颗粒状催化剂采用等体积浸渍法涂上铝溶胶后，在60℃的水浴锅上炒干，然后在60℃的干燥箱里干燥24h，在500℃马弗炉煅烧2h，即得γ-Al2O3涂层，得到γ-Al2O3含量为4.5％。以质量分数为3.8％的硝酸铜溶液为浸渍液，采用等体积浸渍法得到硝酸铜涂层后，在60℃的水浴锅上炒干，然后在60℃干燥12h，110℃干燥6h，500℃煅烧2h，即得活性组分CuO，其中CuO含量为1.5wt％。在消除内外扩散影响的条件下，通过线性回归的方法得到这种颗粒状催化剂脱硝的一级反应模型，然后用FLUENT软件去模拟蜂窝状催化剂得到在420℃，氨氮比为1时脱硝率为59.02％，与实际值的相对误差为-2.3％。
实施例3
取蜂窝状催化剂，满足γ-Al2O3涂层含量4.5％，CuO含量为3wt％，模拟燃煤烟气的组分，其中NO的体积浓度是500ppm，NH3的体积浓度为500ppm，O2的体积浓度为5％，H2O的体积浓度为5％，其余为N2。气体的质量空速为0.018m3h-1g-1，保温炉的温度控制在400℃，烟气分析仪在线测得NO的转化率为32.57％。
用研钵把蜂窝状堇青石研碎到一定粒度后，用标准筛筛选出80～100目的颗粒，用无水乙醇在室温下超声清洗10min后，取出，用去离子水洗3次。上述清洗后的颗粒状堇青石在110℃干燥箱里干燥2h后取出。选用特种的拟薄水铝石(SB)粉为原料和0.5％HNO3为解胶剂，常温下往SB粉中滴加稀硝酸，直至PH值为3.5，充分搅拌3h后即得铝溶胶。上述颗粒状催化剂采用等体积浸渍法涂上铝溶胶后，在60℃的水浴锅上炒干，然后在60℃的干燥箱里干燥24h，在500℃马弗炉煅烧2h，即得γ-Al2O3涂层，得到γ-Al2O3含量为4.5％。以质量分数为7.5％的硝酸铜溶液为浸渍液，采用等体积浸渍法得到硝酸铜涂层后，在60℃的水浴锅上炒干，然后在60℃干燥12h，110℃干燥6h，500℃煅烧2h，即得活性组分CuO，其中CuO含量为3wt％。在消除内外扩散影响的条件下，通过线性回归的方法得到这种颗粒状催化剂脱硝的一级反应模型，然后用FLUENT软件去模拟蜂窝状催化剂得到在400℃，氨氮比为1时脱硝率为30.98％，与实际值的相对误差为4.7％。
实施例4
取蜂窝状催化剂，满足γ-Al2O3涂层含量4.5％，CuO含量为1.5wt％，模拟燃煤烟气的组分，其中NO的体积浓度是500ppm，NH3的体积浓度为500ppm，O2的体积浓度为5％，H2O的体积浓度为5％，其余为N2。气体的质量空速为0.018m3h-1g-1，保温炉的温度控制在320℃，烟气分析仪在线测得NO的转化率为11.02％。
用研钵把蜂窝状堇青石研碎到一定粒度后，用标准筛筛选出80～100目的颗粒，用无水乙醇在室温下超声清洗10min后，取出，用去离子水洗3次。上述清洗后的颗粒状堇青石在110℃干燥箱里干燥2h后取出。选用特种的拟薄水铝石(SB)粉为原料和0.5％HNO3为解胶剂，常温下往SB粉中滴加稀硝酸，直至PH值为3.5，充分搅拌3h后即得铝溶胶。上述颗粒状催化剂采用等体积浸渍法涂上铝溶胶后，在60℃的水浴锅上炒干，然后在60℃的干燥箱里干燥24h，在500℃马弗炉煅烧2h，即得γ-Al2O3涂层，得到γ-Al2O3含量为4.5％。以质量分数为3.8％的硝酸铜溶液为浸渍液，采用等体积浸渍法得到硝酸铜涂层后，在60℃的水浴锅上炒干，然后在60℃干燥12h，110℃干燥6h，500℃煅烧2h，即得活性组分CuO，其中CuO含量为1.5wt％。在消除内外扩散影响的条件下，通过线性回归的方法得到这种颗粒状催化剂脱硝的一级反应模型，然后用FLUENT软件去模拟蜂窝状催化剂得到在320℃，氨氮比为1时脱硝率为10.46％，与实际值的相对误差为5.0％。

Claims (1)

1.一种用于研究燃煤烟气脱硝的颗粒状催化剂的制备方法，该催化剂是由研碎的蜂窝状堇青石、γ-Al2O3和CuO组成的混合物，其中γ-Al2O3的含量为研碎的蜂窝状堇青石质量的4.5％，CuO的含量为研碎的蜂窝状堇青石质量的1％-3％，20～100目，反应温度为320℃-420℃，质量空速为0.018m3h-1g-1；
其特征在于，包括如下步骤：
(1)将蜂窝状堇青石研碎后用20-100目标准筛筛选，先用无水乙醇在室温下超声清洗5-10min，再用去离子水洗3-5次，并在100-120℃干燥箱里干燥2-3h；
(2)常温下往特种拟薄水铝石粉中滴加0.5％硝酸直至pH值为3.5，充分搅拌3-5h，即得到铝溶胶前驱体，将该铝溶胶前驱体通过等体积浸渍法担载到步骤(1)得到的颗粒物上，然后用60℃的水浴锅炒干，60℃的干燥箱干燥24h，最后用500℃马弗炉煅烧2-3h，通过控制担载的次数使γ-Al2O3的含量为研碎的蜂窝状堇青石质量的4.5％；
(3)将质量百分比为2.5％-7.5％的硝酸铜溶液通过等体积浸渍法担载到步骤(2)得到的颗粒物上，然后用60℃的水浴锅炒干，60℃干燥箱干燥9～12h，110℃干燥箱干燥6～9h，500℃马弗炉煅烧2～3h，通过控制担载的次数使CuO的含量为研碎的蜂窝状堇青石质量的1％-3％；
(4)再次用20-100目标准筛筛选步骤(3)得到的颗粒物即为颗粒状堇青石基CuO/γ-Al2O3催化剂。
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