CN105038863B - 一种精脱硫剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种精脱硫剂及其制备方法。精脱硫剂包括载体和活性组分,所述载体为由锌、锰和镁中的一种或两种与铝形成的复合氧化物,活性组分为氧化铜。精脱硫剂的制备方法包括:将硝酸锌、硝酸锰和硝酸镁中的一种或两种与硝酸铝混合后配制成混合盐溶液;采用碱溶液作为沉淀剂与混合盐溶液进行共沉淀反应,将得到的沉淀物经过洗涤、干燥和锻烧后得到煅烧样品;将煅烧样品置于酸液中进行酸浸处理,得到载体;将载体置于硝酸铜溶液中进行浸渍处理,之后干燥、高温分解得到精脱硫剂。本发明可有效脱除常规手段难以脱除的噻吩,并且精脱硫剂的载体经过酸洗处理,比表面大、机械强度高、稳定性好、脱硫效果高、穿透硫容高。
Description
技术领域
本发明涉及脱硫剂的技术领域,更具体地讲,涉及一种适用于焦炉煤气制合成天然气或煤制合成天然气原料中用于脱除微量的硫(包括噻吩、硫醇、二硫化碳等有机硫及无机硫)的精脱硫剂及其制备方法。
背景技术
随着煤制天然气、焦炉气制天然气等煤基合成气甲烷化工艺的广泛应用,为了延长镍基甲烷化催化剂的使用寿命,甲烷化原料气中硫的脱除深度越来越受到重视,一般要求是进入镍基甲烷化催化剂床层的原料气中硫含量降低至ppb级。
煤气化得到的合成气、炼焦副产品焦炉煤气中的硫以多种形式存在,例如包括如H2S、CS2、噻吩、COS等无机硫和有机硫。在常用工业装置中,通过湿法吸收、加氢转化、干法吸附等方式脱硫后,仍残留有ppm级的总硫,其中70%以上为噻吩,其难以采用常规方法、常规脱硫剂进行脱除。
噻吩是一种有机硫并且是一种杂原子五元单环化合物,其会引起工业管道和设备的腐蚀、导致催化剂中毒并降低产品质量。噻吩由于其稳定性高(热解温度在400℃以上而被称之为非反应性硫,故其脱除难度位于有机硫之首。
因此,开发原料气中的深度净化脱硫剂,特别是针对噻吩脱除的深度精脱硫剂势在必行。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于焦炉煤气甲烷化制合成天然气或煤气甲烷化制合成天然气原料的深度脱硫剂,特别是深度脱除噻吩的精脱硫剂,该精脱硫剂能在低温下(160~200℃)深度脱除焦炉气、煤制气原料气中的噻吩等含硫组分,将原料气中的总硫降至20ppb以下。
本发明的一方面提供了一种精脱硫剂,所述精脱硫剂包括载体和活性组分,其中,所述载体为由锌、锰和镁中的一种或两种与铝形成的复合氧化物,所述活性组分为氧化铜。
根据本发明的精脱硫剂的一个实施例,以质量百分比计,所述精脱硫剂包括载体50~90%和活性组分10~50%。
根据本发明的精脱硫剂的一个实施例,以质量百分比计,所述精脱硫剂还包括占所述精脱硫剂2~5%的成型助剂石墨。
根据本发明的精脱硫剂的一个实施例,所述精脱硫剂由所述载体浸渍硝酸铜溶液后经干燥、高温分解制得,其中,将所述载体进行酸浸处理后再进行浸渍处理。
本发明的另一方面还提供了上述精脱硫剂的制备方法,述方法包括以下步骤:
a)将硝酸锌、硝酸锰和硝酸镁中的一种或两种与硝酸铝混合后配制成混合盐溶液;
b)采用碱溶液作为沉淀剂与所述混合盐溶液进行共沉淀反应,将得到的沉淀物经过洗涤、干燥和锻烧后得到载体;
c)将所述载体置于酸液中进行酸浸处理,再置于硝酸铜溶液中进行浸渍处理,之后干燥、高温分解得到精脱硫剂。
根据本发明精脱硫剂的制备方法的一个实施例,在步骤a中,所述硝酸铝与硝酸锌、硝酸锰和硝酸镁中的一种或两种的物质的量的比值大于2或小于1/2。
根据本发明精脱硫剂的制备方法的一个实施例,在步骤b中,将所述碱溶液与混合盐溶液分别加热至50~70℃并装入不同的恒温储罐后并流滴加至恒温反应釜中进行共沉淀反应,其中,所述碱溶液为质量浓度为8~12%的碳酸钠溶液,控制所述共沉淀反应的时间为10~30min并控制反应过程中的pH值为9~11。。
根据本发明精脱硫剂的制备方法的一个实施例,在步骤c中,所述酸液为盐酸、硝酸或者盐酸和硝酸的混合物,所述酸液的浓度为0.1~1mol/L,所述酸浸的时间为1~4h;在步骤d中,所述硝酸铜溶液的质量浓度为1.45~1.5g/ml,浸渍时间为30~40min。
根据本发明精脱硫剂的制备方法的一个实施例,所述干燥的步骤为在80~120℃下干燥4~12h,所述煅烧的步骤为在500~900℃下煅烧4~6h,所述高温分解的步骤为在300~400℃下进行分解,。
根据本发明精脱硫剂的制备方法的一个实施例,所述方法还包括向干燥得到的沉淀物中加入石墨和蒸馏水并混合、压制得到柱体后再进行煅烧的步骤。
本发明的精脱硫剂的制备过程中,采用酸浸的方式将煅烧后包含Mg-Al、Zn-Al或Mn-Al等复合氧化物的载体中未形成复合氧化物的部分MgO、ZnO、Mn2O3、Al2O3去除,从而使得脱硫剂的载体孔径丰富,具有更大的比表面积,同时具有较好的机械强度,从而有利于提高脱硫效果。
与现有技术相比,本发明的积极效果为:
(1)可有效脱除常规手段难以脱除的噻吩,使得进入甲烷化反应器的原料气总硫含量低于20ppb;
(2)精脱硫剂的载体经过酸洗处理,比表面积大、稳定性好、机械强度高且脱硫效果好、穿透硫容高;
(3)该制备方法原料易得,适用于工业化应用。
附图说明
图1是对本发明的精脱硫剂进行脱硫性能评价的评价装置的结构示意图。
附图标记说明:
1-原料气瓶、2-调压阀、3-稳压阀、4-质量流量计、5-电加热套、6-固定床反应器、7-温控器、8-冷却器、9-硫分析仪。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征,或公开的所有方法或过程中的步骤,除了互相排斥的特征和/或步骤以外,均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征,除非特别叙述,均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即,除非特别叙述,每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
根据本发明的示例性实施例,所述精脱硫剂包括载体和活性组分,其中,载体为由锌、锰和镁中的一种或两种与铝形成的复合氧化物,活性组分为氧化铜。
将由锌、锰和镁中的一种或两种与铝形成的复合氧化物作为精脱硫剂的载体是因为该复合氧化物具有较好的机械强度,而通过后续的酸溶扩孔处理,能够提供合适、丰富的孔道,便于活性组分的高度分散。活性组分氧化铜具有脱硫精度高的性能。
事实上,本发明的精脱硫剂是由载体浸渍硝酸铜溶液后经干燥、高温分解制得,其中,需将载体进行酸浸处理后再进行浸渍处理。酸浸处理是制备本发明的精脱硫剂的重要步骤,通过酸浸处理可以将制备载体过程中未形成复合氧化物的部分氧化物去除,从而提高载体乃至精脱硫剂的质量和脱硫效果。
根据本发明的示例性实施例,以质量百分比计,精脱硫剂包括载体50~90%和活性组分10~50%。优选地,以质量百分比计,精脱硫剂还可以包括占精脱硫剂2~5%的成型助剂石墨,以形成柱体或其他形状而方便加工。
当然,本发明更关键地是提供了上述精脱硫剂的制备方法,从而能够制备得到具有上述组成和配比的精脱硫剂。
具体地,本发明精脱硫剂的制备方法包括以下步骤:
步骤a:将硝酸锌、硝酸锰和硝酸镁中的一种或两种与硝酸铝混合后配制成混合盐溶液。具体地,可以采用蒸馏水配制上述混合盐溶液。其中,控制硝酸铝与硝酸锌、硝酸锰和硝酸镁中的一种或两种的物质的量的比值大于2或小于1/2。采用上述配比制得的精脱硫剂能够有效丰富脱硫剂载体中的孔道,具体是通过高温焙烧后形成高比例含铝或者高比例含锌、锰、镁等的氧化物,从而可以通过后续酸溶去除这些氧化物来丰富载体的孔道。
步骤b:采用碱溶液作为沉淀剂与上述混合盐溶液进行共沉淀反应,将得到的沉淀物经过洗涤、干燥和锻烧后得到载体。具体地,碱溶液为质量浓度为8~12%的碳酸钠溶液,由此在共沉淀反应过程中混合盐溶液会与碳酸钠溶液生成碳酸盐沉淀,继而通过煅烧得到复合氧化物的载体。
根据本发明的一个实施例,将碱溶液与混合盐溶液分别加热至50~70℃并装入不同的恒温储罐后并流滴加至恒温反应釜中进行共沉淀反应,其中,控制共沉淀反应的时间为10~30min并控制反应过程中的pH值为9~11;并且,干燥的步骤为在80~120℃下干燥4~12h,煅烧的步骤为在500~900℃下煅烧4~6h。
步骤c:将所述煅烧样品置于酸液中进行酸浸处理,得到载体。根据本发明,酸液可以为盐酸、硝酸或者盐酸和硝酸的混合物,并且酸液的浓度为0.1~1mol/L,酸浸的时间为1~4h,酸浸的目的是为了去除在煅烧过程中未形成复合氧化物的部分MgO、ZnO、Mn2O3、Al2O3,从而使脱硫剂的载体孔径丰富且具有更大的比表面积,更有利于后续活性组分氧化铜的添加,同时可以使得脱硫剂具有较好的机械强度,从而有利于提高脱硫效果。在浸渍过程中,控制硝酸铜溶液的质量浓度为1.45~1.5g/ml,浸渍时间为30~40min。
步骤d:将载体置于硝酸铜溶液中进行浸渍处理,之后干燥、高温分解得到精脱硫剂。在制备得到锌、锰和镁中的一种或两种与铝形成的复合氧化物载体之后,需要对其进行硝酸铜溶液的浸渍处理以及高温分解处理,以得到包含活性组分氧化铜和载体的精脱硫剂。
同样地,干燥的步骤为在80~120℃下干燥4~12h以去除水分,所述高温分解的步骤为在300~400℃下进行分解。
优选地,可以根据需要重复步骤d中的浸渍、干燥和高温分解处理,以获得质量更优的精脱硫剂。
根据本发明的一个实施例,上述方法还可以包括向干燥得到的沉淀物中加入石墨和蒸馏水并混合、压制得到柱体后再进行煅烧的步骤。其中,可以加入占精脱硫剂质量百分比3~5%的石墨与适量蒸馏水进行混合和压制。
具体使用本发明的精脱硫剂时,可以在原料气进入甲烷化反应器前增设装有一定数量的本发明精脱硫剂的精脱硫器,其作为甲烷化催化剂的保护剂,主要用于进行经初脱硫后的原料气的精脱硫脱除,特别是噻吩的脱除,使进入甲烷化反应器中的原料气总硫含量低于20ppb,从而延长后工序镍基甲烷化催化剂的使用寿命。
下面将结合具体示例进一步对本发明的精脱硫剂及其制备方法进行说明。
示例1:精脱硫剂的制备
(1)将182g硝酸铝与446g硝酸锌混合后加入到3000mL蒸馏水中配制成混合盐溶液,再将混合物溶液加热至60℃后装入一号恒温储罐;
(2)将2700mL质量浓度为10%的Na2CO3溶液加热至60℃后装入二号恒温储罐;
(3)将一号恒温储罐与二号恒温储罐中的溶液并流滴加至恒温反应釜中进行共沉淀反应,控制反应时间为20min、反应过程中的pH值为10.2;
(4)将步骤(3)中的反应产物进行过滤、洗涤得到滤饼;
(5)将步骤(4)得到的滤饼在100℃下干燥8h;
(6)向步骤(5)得到的中间产品中加入占精脱硫剂质量百分比4%的石墨和适量蒸馏水,混合均匀后压制成柱体;
(7)将步骤(6)得到的柱体在马弗炉内以650℃煅烧4小时,得到载体;
(8)将步骤(7)得到的载体放入浓度为0.4mol/L的硝酸中浸泡4h,再放入质量浓度为1.5g/mL的硝酸铜溶液中浸渍30min,再在100℃下干燥8h并于300℃下高温分解,重复进行本步骤之后得到精脱硫剂成品。
示例2:精脱硫剂的制备
(1)将562g硝酸铝与148g硝酸锌混合后加入到4500mL蒸馏水中配制成混合盐溶液,再将混合物溶液加热至65℃后装入一号恒温储罐;
(2)将3500mL质量浓度为10%的Na2CO3溶液加热至65℃后装入二号恒温储罐;
(3)将一号恒温储罐与二号恒温储罐中的溶液并流滴加至恒温反应釜中进行共沉淀反应,控制反应时间为22min、反应过程中的pH值为9.2;
(4)将步骤(3)中的反应产物进行过滤、洗涤得到滤饼;
(5)将步骤(4)得到的滤饼在120℃下干燥8h;
(6)向步骤(5)得到的中间产品中加入占精脱硫剂质量百分比4%的石墨和适量蒸馏水,混合均匀后压制成柱体;
(7)将步骤(6)得到的柱体在马弗炉内以650℃煅烧5小时,得到载体;
(8)将步骤(7)得到的载体放入浓度为0.4mol/L的硝酸中浸泡4h,再放入质量浓度为1.46g/mL的硝酸铜溶液中浸渍30min,再在120℃下干燥8h并于300℃下高温分解,得到精脱硫剂成品。
示例3:精脱硫剂的制备
(1)将187g硝酸铝与385g硝酸镁、50g硝酸锌混合后加入到3000mL蒸馏水中配制成混合盐溶液,再将混合物溶液加热至60℃后装入一号恒温储罐;
(2)将2800mL质量浓度为10%的Na2CO3溶液加热至60℃后装入二号恒温储罐;
(3)将一号恒温储罐与二号恒温储罐中的溶液并流滴加至恒温反应釜中进行共沉淀反应,控制反应时间为20min、反应过程中的pH值为10.0;
(4)将步骤(3)中的反应产物进行过滤、洗涤得到滤饼;
(5)将步骤(4)得到的滤饼在100℃下干燥8h;
(6)向步骤(5)得到的中间产品中加入占精脱硫剂质量百分比4%的石墨和适量蒸馏水,混合均匀后压制成柱体;
(7)将步骤(6)得到的柱体在马弗炉内以650℃煅烧6小时,得到载体;
(8)将步骤(7)得到的载体放入浓度为0.4mol/L的盐酸中浸泡4h,再放入质量浓度为1.45g/mL的硝酸铜溶液中浸渍30min,再在100℃下干燥8h并于300℃下高温分解,得到精脱硫剂成品。
示例4:精脱硫剂的制备
(1)将562g硝酸铝与128g硝酸镁混合后加入到5000mL蒸馏水中配制成混合盐溶液,再将混合物溶液加热至60℃后装入一号恒温储罐;
(2)将3800mL质量浓度为10%的Na2CO3溶液加热至60℃后装入二号恒温储罐;
(3)将一号恒温储罐与二号恒温储罐中的溶液并流滴加至恒温反应釜中进行共沉淀反应,控制反应时间为20min、反应过程中的pH值为9.0;
(4)将步骤(3)中的反应产物进行过滤、洗涤得到滤饼;
(5)将步骤(4)得到的滤饼在100℃下干燥8h;
(6)向步骤(5)得到的中间产品中加入占精脱硫剂质量百分比4%的石墨和适量蒸馏水,混合均匀后压制成柱体;
(7)将步骤(6)得到的柱体在马弗炉内以650℃煅烧4.5小时,得到载体;
(8)将步骤(7)得到的载体放入浓度为0.4mol/L的硝酸中浸泡4h,再放入质量浓度为1.5g/mL的硝酸铜溶液中浸渍30min,再在100℃下干燥8h并于300℃下高温分解,得到精脱硫剂成品。
示例5:精脱硫剂的制备
(1)将562g硝酸铝与125g硝酸锰混合后加入到5000mL蒸馏水中配制成混合盐溶液,再将混合物溶液加热至60℃后装入一号恒温储罐;
(2)将3500mL质量浓度为10%的Na2CO3溶液加热至60℃后装入二号恒温储罐;
(3)将一号恒温储罐与二号恒温储罐中的溶液并流滴加至恒温反应釜中进行共沉淀反应,控制反应时间为20min、反应过程中的pH值为9.3;
(4)将步骤(3)中的反应产物进行过滤、洗涤得到滤饼;
(5)将步骤(4)得到的滤饼在100℃下干燥8h;
(6)向步骤(5)得到的中间产品中加入占精脱硫剂质量百分比4%的石墨和适量蒸馏水,混合均匀后压制成柱体;
(7)将步骤(6)得到的柱体在马弗炉内以650℃煅烧5.5小时,得到载体;
(8)将步骤(7)得到的载体放入浓度为0.4mol/L的硝酸中浸泡4h,再放入质量浓度为1.5g/mL的硝酸铜溶液中浸渍30min,再在100℃下干燥8h并于300℃下高温分解,得到精脱硫剂成品。
示例6:示例1~5所制备的精脱硫剂的脱硫效果对比
A、将示例1~5所制备的精脱硫剂装填于图1所示的评价装置的固定床反应器6中,按照下述条件进行测试:试验用原料气采用原料气瓶1中的配制钢瓶气,原料气经过调压阀2、稳压阀3和质量流量计4的减压计量后进入固定床反应器6中发生反应,固定床反应器6包括电加热套5和与电加热套5连接的温控器7以采用外加热的形式控制出口的气体温度,出口气体经冷却器8冷却、分离、计量后,一部分出口气体进入硫分析仪9中进行组分分析,其余部分排空。
B、精脱硫剂的装填量:10mL;颗粒度:3.2~4.0mm;反应器内径:Φ19mm;
C、原料气:总硫含量为5.2mg/Nm3,其中的噻吩含量约占75%,其余为硫化氢,原料气的具体气体组成见表1所示。
表1精脱硫测试的原料气组成
组分 | CO | CO2 | H2 | CH4 | 总硫含量 |
V% | 8.04 | 4.32 | 45.75 | 41.89 | 5.2 |
D、精脱硫剂的还原条件:压力为0.5MPa;空速为2500h-1;还原介质:氢氮混合气,其中的氢气含量为0.5%。
E、测试条件:温度为180℃;压力为2.0MPa;空速为3000h-1。
F、出口尾气的总硫含量分析按照《气体分析硫化物的测定火焰光度气相色谱法》(GB/T28727-2012)规定的方法进行;精脱硫剂的穿透硫容、饱和硫容采用碳硫分析仪测试;。
经测试,测试结果如表2和表3所示。
表2示例1~5所制备的精脱硫剂的测试结果
表3示例1~5所制备的精脱硫剂的比表面积
精脱硫剂 | 比表面积/m2g-1 |
示例1 | 155 |
示例2 | 162 |
示例3 | 180 |
示例4 | 174 |
示例5 | 185 |
从表2和表3的数据可知,本发明示例1~5所制备的精脱硫剂均有较好的噻吩去除效果(小于20ppb),同时具备较大的比表面积,从而具有较好的穿透硫容(>0.1wt%)和饱和硫容(>1wt%),这也说明精脱硫剂在出口气体温度为180℃、空速为3000h-1的条件下可高效脱硫,可用于煤气/焦炉煤气甲烷化制天然气预脱硫处理原料气的深度净化,保护甲烷化催化剂。
综上所述,本发明制备得到的精脱硫剂可有效脱除常规手段难以脱除的噻吩,使得进入甲烷化反应器的原料气总硫含量低于20ppb;并且,精脱硫剂的载体经过酸洗处理,比表面积大、稳定性好、机械强度高且脱硫效果好、穿透硫容高;本发明的制备方法原料易得,适用于工业化应用。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合,以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (9)
1.一种精脱硫剂,其特征在于,所述精脱硫剂包括载体和活性组分,其中,所述载体为由锌、锰和镁中的一种或两种与铝形成的复合氧化物,所述活性组分为氧化铜;所述精脱硫剂由所述载体浸渍硝酸铜溶液后经干燥、高温分解制得,其中,将所述载体进行酸浸处理后再进行浸渍处理。
2.根据权利要求1所述的精脱硫剂,其特征在于,以质量百分比计,所述精脱硫剂包括载体50~90%和活性组分10~50%。
3.根据权利要求1所述的精脱硫剂,其特征在于,以质量百分比计,所述精脱硫剂还包括占所述精脱硫剂2~5%的成型助剂石墨。
4.如权利要求1至3中任一项所述的精脱硫剂的制备方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
a)将硝酸锌、硝酸锰和硝酸镁中的一种或两种与硝酸铝混合后配制成混合盐溶液;
b)采用碱溶液作为沉淀剂与所述混合盐溶液进行共沉淀反应,将得到的沉淀物经过洗涤、干燥和煅烧后得到载体;
c)将所述载体置于酸液中进行酸浸处理,再置于硝酸铜溶液中进行浸渍处理,之后干燥、高温分解得到精脱硫剂。
5.根据权利要求4所述的精脱硫剂的制备方法,其特征在于,在步骤a中,所述硝酸铝与硝酸锌、硝酸锰和硝酸镁中的一种或两种的物质的量的比值大于2或小于1/2。
6.根据权利要求4所述的精脱硫剂的制备方法,其特征在于,在步骤b中,将所述碱溶液与混合盐溶液分别加热至50~70℃并装入不同的恒温储罐后并流滴加至恒温反应釜中进行共沉淀反应,其中,所述碱溶液为质量浓度为8~12%的碳酸钠溶液,控制所述共沉淀反应的时间为10~30min并控制反应过程 中的pH值为9~11。
7.根据权利要求4所述的精脱硫剂的制备方法,其特征在于,在步骤c中,所述酸液为盐酸、硝酸或者盐酸和硝酸的混合物,所述酸液的浓度为0.1~1mol/L,所述酸浸的时间为1~4h;所述硝酸铜溶液的质量浓度为1.45~1.5g/ml,浸渍时间为30~40min。
8.根据权利要求4所述的精脱硫剂的制备方法,其特征在于,所述干燥的步骤为在80~120℃下干燥4~12h,所述煅烧的步骤为在500~900℃下煅烧4~6h,所述高温分解的步骤为在300~400℃下进行分解。
9.根据权利要求4所述的精脱硫剂的制备方法,其特征在于,所述方法还包括向干燥得到的沉淀物中加入石墨和蒸馏水并混合、压制得到柱体后再进行煅烧的步骤。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
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