CN101757932A - 一种费托合成熔铁催化剂及其制备与应用 - Google Patents

一种费托合成熔铁催化剂及其制备与应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种费托合成熔铁催化剂及其制备方法与应用。该催化剂二价铁和三价铁物质的量比值控制在0.4~0.75,助催化剂由氧化铝,氧化钾,氧化钙,氧化镁,氧化铬,氧化锰(MnO)及其它金属氧化物中的一种或几种组成。该催化剂应用于流化床或浆态床反应器中,其费托合成反应的应用条件为:反应温度230~400℃,反应压力1.0-5.0MPa、H2/CO=0.6~3.0以及合成气(CO+H2)空速GHSV=500~15000h-1。与现有技术相比,该催化剂有较高的活性和良好的反应稳定性,是一种适用于流化床或浆态床反应器费托合成的熔铁催化剂。

Description

一种费托合成熔铁催化剂及其制备与应用
(一)技术领域
本发明涉及一种费托合成熔铁催化剂、尤其是一种低甲烷选择性的费托合成熔铁催化剂及其制备与应用。
(二)背景技术
在煤制油工艺中,由于煤气化生产的合成气H2/CO比约在0.5~1.0间,这种贫氢合成气可直接进入装填铁基催化剂的反应器中,同时发生费托合成反应和水煤汽变换反应,而不必在合成装置前设置变换装置,因而铁催化剂有利于提高煤制油的经济效益。
熔铁催化剂价格便宜,寿命长,适宜工业化,制备过程简单,费托合成活性高;适宜于低H2/CO,可操作范围宽;导热率高,热稳定性好。熔铁催化剂是第一个实现商业化的费托合成催化剂,南非Sasol公司商业化的熔铁催化剂是在高温流化床中运行,反应温度300~400℃,合成气转化产物中低碳烃如烯烃和汽油含量很高,综合利用产品丰富、利用价值高。但熔铁催化剂费托合成反应产物中CH4选择性相对较高,同时,在高温反应条件下,通常会发生碳的沉积,使熔铁催化剂因碳溶胀而使颗粒细化,影响产品质量,同时使催化剂使用寿命缩短。
因此,提高熔铁催化剂抗结碳性能和稳定性,降低CH4选择性,始终是费托合成熔铁催化剂研究的主要目标。
(三)发明内容
本发明的目的是为了提供一种高稳定性、高活性和低CH4选择性的费托合成熔铁催化剂及其应用。
本发明采用的技术方案是:
一种费托合成熔铁催化剂,由铁的氧化物和助催化剂组成,各组分质量百分含量如下:
氧化铝        0.1%~4%
氧化钾        0.1%~4%
氧化钙        0.1%~3%
其他氧化物    0.1%~10%
余量为铁的氧化物;
所述铁的氧化物为磁铁矿相(Fe3O4),其中二价铁与三价铁物质的量之比为0.35~0.75∶1;
所述其他氧化物为镁、铬、锰、铷、铯、锶、钍、钴、铜、钠、锌、镍、钒、硅、钨、钛的氧化物中的一种或几种。
优选的,所述熔铁催化剂质量组成如下:
氧化铝        0.1%~4%
氧化钾        0.1%~4%
氧化钙        0.1%~3%
其他氧化物    0.1%~8%
余量为铁的氧化物;
所述其他氧化物为镁、铬、锰、钴、铜、锌、钒、钨、钛的氧化物中的一种或几种。
更为优选的,所述熔铁催化剂质量组成如下:
氧化铝        1.0%~4%
氧化钾        0.5%~4%
氧化钙        1.0%~3%
其他氧化物    0.1%~6%
余量为铁的氧化物;
所述其他氧化物为镁、铬、锰、钴、铜、锌、钒、钨、钛的氧化物中的一种或几种。
作为另一个优选的方案,所述熔铁催化剂质量组成如下:
氧化铝        1.5%~4%
氧化钾        0.5%~4%
氧化钙        1.2%~3%
其他氧化物    0.1%~5%
余量为铁的氧化物;
所述其他氧化物为镁、铬、锰的氧化物中的一种或几种。
作为优选的方案,所述熔铁催化剂质量组成如下:
氧化铝        0.1%~4%
氧化钾        0.1%~4%
氧化钙        0.1%~3%
其他氧化物    0.1%~5%
余量为铁的氧化物;
所述其他氧化物为镁、铬、锰、铯、钍、钴、铜、钨的氧化物中的一种或几种。
或者,所述熔铁催化剂质量组成如下:
氧化铝        0.1%~4%
氧化钾        0.1%~4%
氧化钙        0.1%~3%
其他氧化物    0.1%~5%
余量为铁的氧化物;
所述其他氧化物为镁、铬、锰的氧化物中的一种或几种。
优选的,所述熔铁催化剂质量组成如下:
氧化铝        0.1%~4%
氧化钾        0.1%~4%
氧化钙        0.1%~3%
氧化镁        0.1%~3%
氧化铬        0.1%~2%
氧化锰        0.1%~3%
其他氧化物    0.1%~2%
余量为铁的氧化物;
所述其他氧化物为钴、铜、锌、钒、钨、钛的氧化物中的一种或几种。
各种助催化剂铝、钾、钙、镁、铬、锰及其它金属的原料均采用相应碳酸盐、硝酸盐、氧化物、氢氧化物。
本发明还涉及所述的熔铁催化剂的制备方法,所述方法如下:(1)将制备所述熔铁催化剂的原料混合,熔融至液态,然后冷却至150℃以下;(2)冷却后的物料经过粉碎、球磨和筛分,即得所述熔铁催化剂。
具体的,所述方法如下:(1)将制备所述熔铁催化剂的原料混合,熔融至液态,然后冷却至150℃以下;(2)冷却后的物料经过初级粉碎至颗粒尺寸为1~6毫米,得到供固定床反应器使用的熔铁催化剂。
或者,所述的熔铁催化剂的制备方法,所述方法如下:(1)将制备所述熔铁催化剂的原料混合,熔融至液态,然后冷却至150℃以下;(2)冷却后的物料超细粉碎至颗粒尺寸为10~500微米,或经过初级粉碎得到的颗粒尺寸小于1毫米的颗粒后、再经过超细粉碎至颗粒尺寸为10~500微米,得到供流化床或浆态床反应器使用的熔铁催化剂。
本发明还涉及所述的熔铁催化剂在费托合成中的应用,所述费托合成反应条件为:反应温度230~400℃,反应压力1.0~5.0MPa,H2、CO物质的量之比为0.6~3.0∶1,合成气(即H2、CO混合气)空速GHSV=500~15000m3./m3.h-1
本发明的费托合成熔铁催化剂费托合成反应的产物中,甲烷选择性低,是一种高稳定性和高活性的熔铁催化剂。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
1.本发明的熔催化剂具有活性高,CH4选择性低的特点:在流化床反应器中(高温),CH4碳原子选择性低于10%,在浆态床反应器中(低温),CH4碳原子选择性低于7%。
2.本发明的熔催化剂具有优良的反应性能稳定性,在浆态床反应器中连续运行1800小时,CO转化率和产物选择性保持不下降。
3.本发明的熔铁催化剂原料廉价易得,生产成本低,仅为沉淀铁催化剂的30~40%,制备工艺简单,适宜大规模工业化生产。
(四)具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述,但本发明的保护范围并不仅限于此:
实施例1:
按照磁铁矿粉90.3,铁粉0.1,氧化铝(Al2O3)1.8,硝酸钾(KNO3)6.5,碳酸钙(CaCO3)2.7,氧化镁(MgO)0.5,氧化铬(Cr2O3)0.3,氧化锰(MnO)2.5的重量配比混匀后,装入电熔炉内通电熔融,熔融结束时将液态熔料放入冷却槽,冷却至200℃以下,冷却后熔块经破碎、球磨和筛分,即得所需粒度的产品。制备的催化剂最终成分控制为:二价铁和三价铁的物质的量比值Fe2+/Fe3+为0.45,铁氧化物的含量是90.4%,氧化铝(Al2O3)1.8%,氧化钾(K2O)3.0%,氧化钙(CaO)1.5%,氧化镁(MgO)0.5%,氧化铬(Cr2O3)0.3%,氧化锰(MnO)2.5%。XRD测定催化剂中铁的氧化物是磁铁矿相(Fe3O4),在流化床反应器中,合成气空速3000h-1,压力P=1.5MPa,反应温度t=340℃,H2/CO=2.0,催化剂粒度75~150微米的实验条件下,CO转化率为99.0%,甲烷碳原子选择性为9.8wt%,C2~C4烃碳原子选择性39.8wt%,C5+烃(五个碳原子以上的烃)碳原子选择性为44.2wt%。
实施例2:
按照磁铁矿粉90.4,铁粉0.12,氧化铝(Al2O3)2.0,硝酸钾(KNO3)4.4,碳酸钙(CaCO3)2.7,氧化镁(MgO)1.0,氧化铬(Cr2O3)0.5,氧化锰(MnO)1.0,氧化铜(CuO)1.5的重量配比混匀后,装入电熔炉内通电熔融,熔融结束时将液态熔料放入冷却槽,冷却至200℃以下,冷却后熔块经破碎、球磨和筛分,即得所需粒度的产品。制备的催化剂最终成分控制为:铁氧化物的含量是90.5%,二价铁和三价铁的物质的量比值Fe2+/Fe3+为为0.51,氧化铝(Al2O3)2.0%,氧化钾(K2O)2.0%,氧化钙(CaO)1.5%,氧化镁(MgO)1.0%,氧化铬(Cr2O3)0.5%,氧化锰(MnO)1.0%,氧化铜(CuO)1.5%。XRD测定催化剂中铁的氧化物是磁铁矿相(Fe3O4),在浆态床反应器中,合成气空速13000h-1,压力P=2.0MPa,反应温度t=260℃,H2/CO=1.6,催化剂粒度50~60微米的实验条件下,在浆态床反应器中进行费托合成反应,CO转化率为95.6%,甲烷碳原子选择性为6.8wt%,C2~C4烃碳原子选择性33.2wt%,C5+烃碳原子选择性为57.5wt%。
实施例3:
按照磁铁矿粉89.85,铁粉0.15,氧化钨(WO3)0.5,氧化铝(Al2O3)3.5,碳酸钾(K2CO3)1.6,碳酸钙(CaCO3)3.6,氧化镁(MgO)1.5,氧化铬(Cr2O3)0.5,氧化锰(MnO)1.3的重量配比混匀后,装入中频电炉内通电熔融,熔融温度(炉温)控制在2000℃,熔融结束时将液态熔料放入冷却槽,冷却至200℃以下,冷却后熔块经破碎、球磨和筛分,即得所需粒度的产品。制备的催化剂最终成分控制为:二价铁和三价铁的物质的量的比值Fe2+/Fe3+为0.66,铁氧化物的含量是90.0%,氧化钨(WO3)0.5%,氧化铝(Al2O3)3.5%,氧化钾(K2O)0.75%,氧化钙(CaO)2.0%,氧化镁(MgO)1.5%,氧化铬(Cr2O3)0.5%,氧化锰(MnO)1.3%。XRD测定催化剂中铁的氧化物是磁铁矿相(Fe3O4),在流化床反应器中,合成气空速5000h-1,压力P=4.0MPa,反应温度t=310℃,H2/CO=2.5,催化剂样品粒度50~100微米的实验条件下,CO转化率95.5%,甲烷碳原子选择性为9.6wt%,C2~C4烃碳原子选择性37.2wt%,C5+烃碳原子选择性为51.4wt%。
实施例4:
按照磁铁矿粉91.0,铁粉0.2,氧化铝(Al2O3)1.5,硝酸钾(KNO3)3.3,碳酸钙(CaCO3)4.5,氧化镁(MgO)0.5,氧化铬(Cr2O3)0.3,氧化锰(MnO)2.0,五氧化二钒(V2O5)0.5的重量配比混匀后,装入电熔炉内通电熔融,熔融结束时将液态熔料放入冷却槽,冷却至200℃以下,冷却后熔块经破碎、球磨和筛分,即得所需粒度的产品。制备的催化剂最终成分控制为:二价铁和三价铁的物质的量的比值Fe2+/Fe3+为0.72,铁氧化物的含量是91.2%,氧化铝(Al2O3)1.5%,氧化钾(K2O)1.5%,氧化钙(CaO)2.5%,五氧化二钒(V2O5)0.5%,氧化镁(MgO)0.5%,氧化铬(Cr2O3)0.3%,氧化锰(MnO)2.0%。XRD测定催化剂中铁的氧化物是磁铁矿相(Fe3O4),在浆态床反应器中,合成气空速=500h-1,压力=1.8MPa,反应温度t=230℃,H2/CO=0.8,催化剂样品粒度75~250微米的实验条件下,CO转化率95.4%,甲烷碳原子选择性为5.6wt%,C2~C4烃碳原子选择性15.2wt%,C5+烃(五个碳原子以上的烃)碳原子选择性为79.2wt%。
实施例5:
按照磁铁矿粉91.2,铁粉0.11,氧化铝(Al2O3)2.5,硝酸钾(KNO3)5.45,碳酸钙(CaCO3)3.24,氧化镁(MgO)0.5,氧化铬(Cr2O3)0.2,氧化锰(MnO)0.7,氧化钴(Co3O4)0.5的重量配比混匀后,装入电弧炉内通电熔融,熔融结束时将液态熔料放入冷却槽,冷却至200℃以下,冷却后熔块经破碎、球磨和筛分,即得所需粒度的产品。制备的催化剂最终成分控制为:二价铁和三价铁的物质的量的比值Fe2+/Fe3+为0.55,铁氧化物的含量是91.3%,氧化铝(Al2O3)2.5%,氧化钾(K2O)2.5%,氧化钙(CaO)1.8%,氧化镁(MgO)0.5%,氧化铬(Cr2O3)0.2%,氧化锰(MnO)0.7%,氧化钴(Co3O4)0.5%。XRD测定催化剂中铁的氧化物是磁铁矿相(Fe3O4),在流化床反应器中,合成气空速3000h-1,压力P=2.5MPa,反应温度t=280℃,H2/CO=1.0,催化剂样品粒度50~105微米的实验条件下,CO转化率95.6%,甲烷碳原子选择性为8.6wt%,C2~C4烃碳原子选择性33.2wt%,C5+烃(五个碳原子以上的烃)碳原子选择性为58.2wt%。
实施例6:
按照磁铁矿粉87.1,铁粉0.10,氧化铝(Al2O3)2.0,硝酸钾(KNO3)7.63,碳酸钙(CaCO3)4.14,氧化镁(MgO)2.0,氧化铬(Cr2O3)1.5,氧化锌(ZnO)1.5的重量配比混匀后,装入电弧炉内通电熔融,熔融结束时将液态熔料放入冷却槽,冷却至200℃以下,冷却后熔块经破碎、球磨和筛分,即得所需粒度的产品。制备的催化剂最终成分控制为:二价铁和三价铁的物质的量的比值Fe2+/Fe3+为0.51,铁氧化物的含量是87.2%,氧化铝(Al2O3)2.0%,氧化钾(K2O)3.5%,氧化钙(CaO)2.3%,氧化镁(MgO)2.0%,氧化铬(Cr2O3)1.5%,氧化锌(ZnO)1.5%。XRD测定催化剂中铁的氧化物是磁铁矿相(Fe3O4),在流化床反应器中,合成气空速4000h-1,压力P=3MPa,反应温度t=250℃,H2/CO=1.0,催化剂样品粒度50~120微米的实验条件下,CO转化率96.5%,甲烷碳原子选择性为6.5wt%,C2~C4烃碳原子选择性31.8wt%,C5+烃(五个碳原子以上的烃)碳原子选择性为58.9wt%。
实施例7:
按照磁铁矿粉92.9,铁粉0.12,氧化铝(Al2O3)2.0,硝酸钾(KNO3)4.4,碳酸钙(CaCO3)2.7,氧化铬(Cr2O3)0.5,氧化锰(MnO)1.0的重量配比混匀后,装入电熔炉内通电熔融,熔融结束时将液态熔料放入冷却槽,冷却至200℃以下,冷却后熔块经破碎、球磨和筛分,即得所需粒度的产品。制备的催化剂最终成分控制为:铁氧化物的含量是93.0%,二价铁和三价铁的物质的量比值Fe2+/Fe3+为为0.50,氧化铝(Al2O3)2.0%,氧化钾(K2O)2.0%,氧化钙(CaO)1.5%,氧化铬(Cr2O3)0.5%,氧化锰(MnO)1.0%。XRD测定催化剂中铁的氧化物是磁铁矿相(Fe3O4),在浆态床反应器中,合成气空速11000h-1,压力P=1.8MPa,反应温度t=270℃,H2/CO=1.6,催化剂粒度50~100微米的实验条件下,在浆态床反应器中进行费托合成反应,CO转化率为96.6%,甲烷碳原子选择性为6.3wt%,C2~C4烃碳原子选择性34.1wt%,C5+烃碳原子选择性为56.8wt%。
实施例8:
按照磁铁矿粉90.85,铁粉0.15,氧化铝(Al2O3)3.5,碳酸钾(K2CO3)1.6,碳酸钙(CaCO3)3.6,氧化镁(MgO)1.5,氧化锰(MnO)1.3的重量配比混匀后,装入中频电炉内通电熔融,熔融温度(炉温)控制在2000℃,熔融结束时将液态熔料放入冷却槽,冷却至200℃以下,冷却后熔块经破碎、球磨和筛分,即得所需粒度的产品。制备的催化剂最终成分控制为:二价铁和三价铁的物质的量的比值Fe2+/Fe3+为0.65,铁氧化物的含量是91.0%,氧化铝(Al2O3)3.5%,氧化钾(K2O)0.75%,氧化钙(CaO)2.0%,氧化镁(MgO)1.5%,氧化锰(MnO)1.3%。XRD测定催化剂中铁的氧化物是磁铁矿相(Fe3O4),在流化床反应器中,合成气空速4000h-1,压力P=4.0MPa,反应温度t=315℃,H2/CO=2.5,催化剂样品粒度50~120微米的实验条件下,CO转化率97.2%,甲烷碳原子选择性为9.2wt%,C2~C4烃碳原子选择性38.2wt%,C5+烃碳原子选择性为54.8wt%。
实施例9:
按照磁铁矿粉91.3,铁粉0.2,氧化铝(Al2O3)2.5,硝酸钾(KNO3)3.3,碳酸钙(CaCO3)4.5,氧化锰(MnO)2.0的重量配比混匀后,装入电熔炉内通电熔融,熔融结束时将液态熔料放入冷却槽,冷却至200℃以下,冷却后熔块经破碎、球磨和筛分,即得所需粒度的产品。制备的催化剂最终成分控制为:二价铁和三价铁的物质的量的比值Fe2+/Fe3+为0.72,铁氧化物的含量是91.5%,氧化铝(Al2O3)2.5%,氧化钾(K2O)1.5%,氧化钙(CaO)2.5%,氧化锰(MnO)2.0%。XRD测定催化剂中铁的氧化物是磁铁矿相(Fe3O4),在浆态床反应器中,合成气空速=500h-1,压力=1.8MPa,反应温度t=240℃,H2/CO=0.8,催化剂样品粒度75~150微米的实验条件下,CO转化率95.2%,甲烷碳原子选择性为5.1wt%,C2~C4烃碳原子选择性15.8wt%,C5+烃(五个碳原子以上的烃)碳原子选择性为77.2wt%。
实施例10:
按照磁铁矿粉91.9,铁粉0.11,氧化铝(Al2O3)2.5,硝酸钾(KNO3)5.45,碳酸钙(CaCO3)3.24,氧化镁(MgO)1.2的重量配比混匀后,装入电弧炉内通电熔融,熔融结束时将液态熔料放入冷却槽,冷却至200℃以下,冷却后熔块经破碎、球磨和筛分,即得所需粒度的产品。制备的催化剂最终成分控制为:二价铁和三价铁的物质的量的比值Fe2+/Fe3+为0.55,铁氧化物的含量是92.0%,氧化铝(Al2O3)2.5%,氧化钾(K2O)2.5%,氧化钙(CaO)1.8%,氧化镁(MgO)1.2%。XRD测定催化剂中铁的氧化物是磁铁矿相(Fe3O4),在流化床反应器中,合成气空速3000h-1,压力P=2.5MPa,反应温度t=290℃,H2/CO=1.0,催化剂样品粒度50~150微米的实验条件下,CO转化率97.8%,甲烷碳原子选择性为8.8wt%,C2~C4烃碳原子选择性35.1wt%,C5+烃(五个碳原子以上的烃)碳原子选择性为53.3wt%。
本发明的催化剂,在浆态床反应器中进行了费托合成反应稳定性试验,试验条件为反应压力=2.0MPa,H2/CO=1.6,空速3000h-1,反应温度=250℃,搅拌桨转速=800rmp,连续运行1800小时,CO转化率和产物选择性保持不下降,表明该熔铁催化剂在浆态床反应器中费托合成反应性能稳定性良好。

Claims (9)

1.一种费托合成熔铁催化剂,由铁的氧化物和助催化剂组成,其特征在于各组分质量百分含量如下:
氧化铝                0.1%~4%
氧化钾                0.1%~4%
氧化钙                0.1%~3%
其他氧化物            0.1%~10%
余量为铁的氧化物;
所述铁的氧化物中二价铁与三价铁物质的量之比为0.35~0.75∶1;
所述其他氧化物为镁、铬、锰、铷、铯、锶、钍、钴、铜、钠、锌、镍、钒、硅、钨、钛的氧化物中的一种或几种。
2.如权利要求1所述的熔铁催化剂,其特征在于所述熔铁催化剂质量组成如下:
氧化铝                0.1%~4%
氧化钾                0.1%~4%
氧化钙                0.1%~3%
其他氧化物            0.1%~8%
余量为铁的氧化物;
所述其他氧化物为镁、铬、锰、钴、铜、锌、钒、钨、钛的氧化物中的一种或几种。
3.如权利要求2所述的熔铁催化剂,其特征在于所述熔铁催化剂质量组成如下:
氧化铝                1.0%~4%
氧化钾                0.5%~4%
氧化钙                1.0%~3%
其他氧化物            0.1%~6%
余量为铁的氧化物;
所述其他氧化物为镁、铬、锰、钴、铜、锌、钒、钨、钛的氧化物中的一种或几种。
4.如权利要求1所述的熔铁催化剂,其特征在于所述熔铁催化剂质量组成如下:
氧化铝                1.5%~4%
氧化钾                0.5%~4%
氧化钙                1.2%~3%
其他氧化物            0.1%~5%
余量为铁的氧化物;
所述其他氧化物为镁、铬、锰、钴、铜、钒、钛的氧化物中的一种或几种。
5.如权利要求1所述的熔铁催化剂,其特征在于所述熔铁催化剂质量组成如下:
氧化铝                0.1%~4%
氧化钾                0.1%~4%
氧化钙                0.1%~3%
其他氧化物            0.1%~5%
余量为铁的氧化物;
所述其他氧化物为镁、铬、锰、铯、钍、钴、铜、钨的氧化物中的一种或几种。
6.如权利要求1所述的熔铁催化剂,其特征在于所述熔铁催化剂质量组成如下:
氧化铝                0.1%~4%
氧化钾                0.1%~4%
氧化钙                0.1%~3%
其他氧化物            0.1%~5%
余量为铁的氧化物;
所述其他氧化物为镁、铬、锰的氧化物中的一种或几种。
7.如权利要求1所述的熔铁催化剂,其特征在于所述熔铁催化剂质量组成如下:
氧化铝                0.1%~4%
氧化钾                0.1%~4%
氧化钙                0.1%~3%
氧化镁                0.1%~3%
氧化铬                0.1%~2%
氧化锰                0.1%~3%
其他氧化物            0.1%~2%
余量为铁的氧化物。
8.如权利要求1所述的熔铁催化剂的制备方法,所述方法如下:(1)将制备所述熔铁催化剂的原料混合,熔融至液态,然后冷却至150℃以下;(2)冷却后的物料经过粉碎、球磨和筛分,即得所述熔铁催化剂。
9.如权利要求1所述的熔铁催化剂在费托合成中的应用,其特征在于:所述费托合成反应条件为:反应温度230~400℃,反应压力1.0~5.0MPa,H2、CO物质的量之比为0.6~3.0∶1,合成气空速GHSV=500~15000m3./m3.h-1
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