CN106311261A - 一种烟气脱硝催化剂及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种烟气脱硝催化剂及其制备方法和应用，催化剂是以Fe、Ni双离子交换功能性DCTP多孔材料为基体，以氧化钼或氧化铈中的一种或两种为催化助剂。其中功能性DCTP多孔材料是由硅藻土、粉煤灰、钛白粉和拟薄水铝石四种原料通过杂化、陈腐、成型、干燥、焙烧制成。本发明催化剂的制备方法是将Fe和Ni的混合盐溶液与DCPT前驱体进行离子交换，添加助剂后经混炼、老化、挤出成型、干燥、焙烧制备而成。本发明催化剂与现有催化剂相比，机械强度高，热稳定性优良，催化剂成本低，脱硝效率高(250～350℃，脱硝效率＞92％)，环保无毒无二次污染。本发明催化剂耐磨性强，可与除尘装置配套使用。

Description

一种烟气脱硝催化剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于大气污染治理技术和环保催化材料领域，特别涉及一种烟气脱硝催化剂及其制备方法和应用。
技术背景
氮氧化物(NOx)是主要的大气污染物之一，火力发电厂、烧结厂、水泥窑等工业窑炉以及机动车辆等是氮氧化物的主要来源。氮氧化物排放不仅会引起酸雨，还会导致光化学烟雾和臭氧层破坏等区域环境污染问题。2012年1月实施的《火电厂大气污染物排放标准》也对氮氧化物的排放提出了更严格的要求，氮氧化物显然已成为我国污染减排的重点。
以NH3为还原剂的选择性催化还原(SCR)工艺由于其净化效率高、技术方法成熟而成为目前在工业中应用最为广泛的烟气脱硝技术。
现有的关于烟气脱硝的催化剂较多。目前商用的NH3-SCR脱硝催化剂主要是V2O5-TiO2或V2O5-WO3(MoO3)-TiO2，该类催化剂的脱硝活性高、抗硫性能好，但是作为其载体的锐钛型超细晶型TiO2国内生产技术不成熟，主要依赖进口成本昂贵，并且该类催化剂的原料和成品有毒，易造成二次污染，危害环境。且钒钛催化剂的使用温度范围为310～410℃，若低于310℃，其还原剂氨易与烟气中的SO2产生硫酸氢铵毒化催化剂，堵塞管道。CN1475305A、CN 1777477A、CN 1792431A三项专利公开的便是钒钛体系催化剂。CN101069855A、CN 101428215A、CN101658787A等公开的催化剂采用中孔分子筛或者纳米级二氧化钛作为载体，其缺点是催化剂制备成本高、工艺复杂、难以实现产业化生产。(CN103191718A)公开了一种以硅藻土和钛白粉作为载体的脱硝催化剂，该催化剂具有成本低，抗磨损能力好等优点，不足的是其脱除高浓度氮氧化物效率不高。
鉴于国内脱硝催化剂的不足，开发一种机械强度高，热稳定性好，生产成本低，脱硝效率高，并且无毒无二次污染的新型催化剂是中国环保领域的研究重点。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种机械强度高，热稳定性好，生产成本低，脱硝效率高，并且无毒无二次污染的新型催化剂，用来脱除工业废气中的氮氧化物，保护环境。本发明的另一目的是提供上述催化剂的制备方法。本发明的目的之三是提供上述催化剂的应用。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种烟气脱硝催化剂，所述催化剂以Fe、Ni双离子交换型功能性DCTP多孔材料为基体，以氧化钼或氧化铈中的一种或多种为催化助剂。
所述Fe、Ni双离子交换型功能性DCTP多孔材料以功能性DCTP多孔材料与Fe、Ni双离子溶液混合制备而成，所述功能性DCTP多孔材料是以硅藻土、粉煤灰、钛白粉和拟薄水铝石为原料，通过杂化、陈腐、成型、干燥、焙烧制成；以功能性DCTP多孔材料总质量为基准，各原料组分质量百分含量如下：硅藻土10％～50％，粉煤灰10％～50％，钛白粉10％～30％，拟薄水铝石10％～30％。
所述功能性DCTP多孔材料占催化剂总质量的70％～90％；Fe、Ni双离子及催化助剂占催化剂总质量的10％～30％。
所述Fe、Ni双离子交换型功能性DCTP多孔材料中Fe和Ni离子元素摩尔比为1:(0.1～10)，Fe离子与助剂中阳离子的元素摩尔比Fe/Mo/Ce为1:(0～2):(0～2)。
一种烟气脱硝催化剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)功能性DCTP多孔材料前驱体粉料制备：
分别将硅藻土和粉煤灰进行酸洗或水洗预处理，再按功能性DCTP多孔材料各原料组分配比，称取预处理好的硅藻土、粉煤灰、钛白粉、拟薄水铝石，经混料、球磨、陈腐、老化、干燥，将烘干料过40～60目标准筛造粒备用；
(2)活性金属离子前驱体溶液的配制：
按照Fe/Ni元素摩尔比1:(0.1～10)，称取铁盐和镍盐于烧杯中，加入去离子水后置于数显恒温磁力搅拌器上常温或加热搅拌，配成均匀混合溶液a备用；按照Fe/Mo/Ce元素摩尔比1:(0～2):(0～2)，称取钼酸铵和铈盐于另一烧杯中，配成均匀混合溶液b备用；
(3)将步骤(2)中的混合溶液a与功能性DCTP多孔材料前驱粉体均匀混合，混练1～2h后，加入混合溶液b，继续混练1～2h，然后经陈腐、杂化、挤出成型，将成型后坯体经干燥、焙烧制得催化剂。
所述步骤(1)中酸洗的酸液为硝酸，浓度为5％～15％。
所述步骤(2)中的铁盐为硝酸铁、草酸铁、醋酸铁或氯化铁，镍盐为硝酸镍、草酸镍、醋酸镍或氯化镍，铈盐为硝酸铈、草酸铈，醋酸铈或氯化铈。
所述步骤(2)中铁盐和镍盐加热搅拌，搅拌时间为10～20min，加热温度为40～80℃。
所述步骤(3)中的陈腐时间为2～6h，干燥时间为2～6h，干燥温度为50～120℃，焙烧温度为400～800℃，保温时间2～6h。
一种烟气脱硝催化剂在处理含有氮氧化物的工业废气的应用。用于脱硝反应时，氨氮比NH3/NO为1:1，氧含量为5～6％，脱硝反应最佳反应温度为250～350℃。
本发明制得的催化剂与现有催化剂相比不仅具有机械强度高和热稳定性好的优点，还降低了生产成本，保持了较高的脱硝效率(250～350℃，脱硝效率＞92％)，并且环保无毒无二次污染。而且本发明的催化剂制备工艺简单，原料价格便宜来源广泛。本发明的催化剂，机械强度和耐磨性好，可与除尘装置配套应用于含有氮氧化物的工业废气处理中，减少环境污染，应用前景广阔。
附图说明
图1为实施例4制备的催化剂催化分解NO的转化率随温度变化曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步的说明。
实施例1
(1)DCTP前驱体的配制
分别称取20g硅藻土和20g粉煤灰于不同烧杯中，使用浓度为5％的稀硝酸进行酸洗，然后用去离子水洗去残余酸液，烘干备用；准备称取预处理后的硅藻土15g、粉煤灰10g和钛白粉3g、拟薄水铝石4g，球磨混料，直到混合干料完全过60目标准筛后备用；
(2)前驱体溶液的配制
准确称取准确称取醋酸铁(Fe(CH3CO2)3)5.77g，醋酸镍(NiC4H6O4·4H2O)41.59g于烧杯中，加入适量去离子水，经数显恒温磁力搅拌器常温搅拌10min至溶液完全溶解，配成均匀混合溶液a备用；再准确称取钼酸铵((NH4)6Mo7O24·6H2O)2.53g于另一烧杯中，加入适量去离子水，经数显恒温磁力搅拌器常温搅拌10min至溶液完全溶解，配成均匀混合溶液b备用；
(3)将混合溶液a与步骤(1)中的DCTP前驱分体均匀混合，混练1h后加入混合溶液b，继续混练1h，然后陈腐2h、通过催化剂成型挤出装置挤成条状，置于烘箱中60℃干燥2h，最后在550℃下焙烧2h制得催化剂。
实施例2
(1)DCTP前驱体的配制
分别称取20g硅藻土和20g粉煤灰于不同烧杯中，使用浓度为8％的稀硝酸进行酸洗，然后用去离子水洗去残余酸液，烘干备用；准备称取预处理后的硅藻土2g、粉煤灰6.67g和钛白粉6g、拟薄水铝石8g，球磨混料，直到混合干料完全过60目标准筛后备用；
(2)前驱体溶液的配制
准确称取准确称取硝酸铁(Fe(NO3)3·9H2O)2.88g，硝酸镍(Ni(NO3)2·6H2O)12.46g于烧杯中，加入适量去离子水，经数显恒温磁力搅拌器常温搅拌20min至溶液完全溶解，配成均匀混合溶液a备用；再准确称取硝酸铈(Ce(NO3)3·6H2O)3.10g于另一烧杯中，加入适量去离子水，经数显恒温磁力搅拌器常温搅拌20min至溶液完全溶解，配成均匀混合溶液b备用；
(3)将混合溶液a与步骤(1)中的DCTP前驱分体均匀混合，混练1.5h后加入混合溶液b，继续混练1.5h，然后陈腐3h、通过催化剂成型挤出装置挤成蜂窝状，置于烘箱中50℃干燥4h，最后在500℃下焙烧3h制得催化剂。
实施例3
(1)DCTP前驱体的配制
分别称取20g硅藻土和20g粉煤灰于不同烧杯中，使用浓度为10％的稀硝酸进行酸洗，然后用去离子水洗去残余酸液，烘干备用；准备称取预处理后的硅藻土9g、粉煤灰16.67g和钛白粉3g、拟薄水铝石4g，球磨混料，直到混合干料完全过60目标准筛后备用；
(2)前驱体溶液的配制
准确称取准确称取硝酸铁(Fe(NO3)3·9H2O)3.48g，硝酸镍(Ni(NO3)2·6H2O)5.01g于烧杯中，加入适量去离子水，经数显恒温磁力搅拌器40℃恒温搅拌10min至溶液完全溶解，配成均匀混合溶液a备用；再准确称取钼酸铵((NH4)6Mo7O24·6H2O)1.52g和硝酸铈(Ce(NO3)3·6H2O)1.87g于另一烧杯中，加入适量去离子水，经数显恒温磁力搅拌器40℃恒温搅拌10min至溶液完全溶解，配成均匀混合溶液b备用；
(3)将混合溶液a与步骤(1)中的DCTP前驱分体均匀混合，混练2h后加入混合溶液b，继续混练2h，然后陈腐5h、通过催化剂成型挤出装置挤成条状，置于烘箱中80℃干燥3h，最后在700℃下焙烧5h制得催化剂。
实施例4
(1)DCTP前驱体的配制
分别称取20g硅藻土和20g粉煤灰于不同烧杯中，使用浓度为10％的稀硝酸进行酸洗，然后用去离子水洗去残余酸液，烘干备用；准备称取预处理后的硅藻土5g、粉煤灰5.56g和钛白粉5g、拟薄水铝石6.67g，球磨混料，直到混合干料完全过60目标准筛后备用；
(2)前驱体溶液的配制
准确称取准确称取硝酸铁(Fe(NO3)3·9H2O)5.84g，硝酸镍(Ni(NO3)2·6H2O)4.20g于烧杯中，加入适量去离子水，经数显恒温磁力搅拌器常温搅拌15min至溶液完全溶解，配成均匀混合溶液a备用；再准确称取钼酸铵((NH4)6Mo7O24·6H2O)1.27g和硝酸铈(Ce(NO3)3·6H2O)3.14g于另一烧杯中，加入适量去离子水，经数显恒温磁力搅拌器常温搅拌15min至溶液完全溶解，配成均匀混合溶液b备用；
(3)将混合溶液a与步骤(1)中的DCTP前驱分体均匀混合，混练1h后加入混合溶液b，继续混练2h，然后陈腐4h、通过催化剂成型挤出装置挤成条状，置于烘箱中60℃干燥4h，最后在550℃下焙烧2h制得催化剂。
实施例5
(1)DCTP前驱体的配制
分别称取20g硅藻土和20g粉煤灰于不同烧杯中，使用浓度为15％的稀硝酸进行酸洗，然后用去离子水洗去残余酸液，烘干备用；准备称取预处理后的硅藻土21g、粉煤灰23.33g和钛白粉14g、拟薄水铝石18.67g，球磨混料，直到混合干料完全过60目标准筛后备用；
(2)前驱体溶液的配制
准确称取准确称取硝酸铁(Fe(NO3)3·9H2O)54.76g，硝酸镍(Ni(NO3)2·6H2O)19.71g于烧杯中，加入适量去离子水，经数显恒温磁力搅拌器80℃恒温搅拌20min至溶液完全溶解，配成均匀混合溶液a备用；再准确称取钼酸铵((NH4)6Mo7O24·6H2O)5.98g和硝酸铈(Ce(NO3)3·6H2O)29.43g于另一烧杯中，加入适量去离子水，经数显恒温磁力搅拌器80℃恒温搅拌20min至溶液完全溶解，配成均匀混合溶液b备用；
(3)将混合溶液a与步骤(1)中的DCTP前驱分体均匀混合，混练1h后加入混合溶液b，继续混练1.5h，然后陈腐4h、通过催化剂成型挤出装置挤成条状，置于烘箱中100℃干燥5h，最后在800℃下焙烧4h制得催化剂。
实施例6
(1)DCTP前驱体的配制
分别称取20g硅藻土和20g粉煤灰于不同烧杯中，用去离子水清洗原料，烘干备用；准备称取预处理后的硅藻土8g、粉煤灰4.44g和钛白粉6g、拟薄水铝石2.67g，球磨混料，直到混合干料完全过60目标准筛后备用；
(2)前驱体溶液的配制
准确称取准确称取氯化铁(FeCl3·6H2O)6.79g，氯化镍(NiCl2·6H2O)1.49g于烧杯中，加入适量去离子水，经数显恒温磁力搅拌器60℃恒温搅拌20min至溶液完全溶解，配成均匀混合溶液a备用；再准确称取钼酸铵((NH4)6Mo7O24·6H2O)2.22g和氯化铈(CeCl3·7H2O)3.51g于另一烧杯中，加入适量去离子水，经数显恒温磁力搅拌器60℃恒温搅拌20min至溶液完全溶解，配成均匀混合溶液b备用；
(3)将混合溶液a与步骤(1)中的DCTP前驱分体均匀混合，混练1.5h后加入混合溶液b，继续混练1h，然后陈腐6h、通过催化剂成型挤出装置挤成蜂窝状，置于烘箱中120℃干燥2h，最后在400℃下焙烧6h制得催化剂。
实施例7
(1)DCTP前驱体的配制
分别称取20g硅藻土和20g粉煤灰于不同烧杯中，使用浓度为8％的稀硝酸进行酸洗，然后用去离子水洗去残余酸液，烘干备用；准备称取预处理后的硅藻土6g、粉煤灰13.33g和钛白粉3g、拟薄水铝石12g，球磨混料，直到混合干料完全过60目标准筛后备用；
(2)前驱体溶液的配制
准确称取准确称取草酸铁(Fe2(C2O4)3·5H2O)5.75g，草酸镍(NiC2O4·2H2O)0.56g于烧杯中，加入适量去离子水，经数显恒温磁力搅拌器常温搅拌10min至溶液完全溶解，配成均匀混合溶液a备用；再准确称取钼酸铵((NH4)6Mo7O24·6H2O)0.81g和草酸铈(Ce2C6O12·10H2O)1.26g于另一烧杯中，加入适量去离子水，经数显恒温磁力搅拌器常温搅拌10min至溶液完全溶解，配成均匀混合溶液b备用；
(3)将混合溶液a与步骤(1)中的DCTP前驱分体均匀混合，混练2h后加入混合溶液b，继续混练2h，然后陈腐5h、通过催化剂成型挤出装置挤成条状，置于烘箱中60℃干燥3h，最后在600℃下焙烧4h制得催化剂。
实施例8
(1)DCTP前驱体的配制
分别称取20g硅藻土和20g粉煤灰于不同烧杯中，使用浓度为10％的稀硝酸进行酸洗，然后用去离子水洗去残余酸液，烘干备用；准备称取预处理后的硅藻土7g、粉煤灰2.22g和钛白粉5g、拟薄水铝石8g，球磨混料，直到混合干料完全过60目标准筛后备用；
(2)前驱体溶液的配制
准确称取准确称取硝酸铁(Fe(NO3)3·9H2O)15.65g，硝酸镍(Ni(NO3)2·6H2O)1.13g于烧杯中，加入适量去离子水，经数显恒温磁力搅拌器常温搅拌15min至溶液完全溶解，配成均匀混合溶液a备用；再准确称取钼酸铵((NH4)6Mo7O24·6H2O)0.68g和硝酸铈(Ce(NO3)3·6H2O)3.36g于另一烧杯中，加入适量去离子水，经数显恒温磁力搅拌器常温搅拌15min至溶液完全溶解，配成均匀混合溶液b备用；
(3)将混合溶液a与步骤(1)中的DCTP前驱分体均匀混合，混练1h后加入混合溶液b，继续混练2h，然后陈腐4h、通过催化剂成型挤出装置挤成条状，置于烘箱中60℃干燥4h，最后在550℃下焙烧2h制得催化剂。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式的限制。凡是依据本发明的技术和方法实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术和方法方案的范围内。
活性测试：
测试条件：以N2为平衡气，氨氮比NH3/NO为1:1，氧浓度为5％，混合气空速为5000h-1，测试温度为200～450℃，每50℃为一个测试点。
表1为实施例1到8所制得催化剂脱硝测试结果，结果表明，催化剂在300-350℃区间内NO转化率最高。
图1为实施例4制备的催化剂催化分解NO的转化率随温度变化曲线，由图可知，催化剂活性呈现出中间高两头低，在反应温度为200～250℃区间内，催化剂活性迅速升高；当反应温度为250～350℃区间内，脱硝活性变化相对平稳；当反应温度为350～450℃区间内，随着温度的升高，催化剂催化脱硝活性逐渐降低。
表1实施例1～8催化剂脱硝测试结果
200℃/％ 250℃/％ 300℃/％ 350℃/％ 400℃/％ 450℃/％
实施例1 54.76 76.53 88.05 91.76 85.31 58.33
实施例2 54.76 79.93 93.29 87.71 79.93 59.69
实施例3 77.55 90.99 94.90 87.76 57.31 49.82
实施例4 66.72 92.32 95.22 92.83 79.35 43.86
实施例5 55.48 86.45 90.43 87.12 78.23 58.55
实施例6 53.24 78.68 88.46 85.21 79.12 60.13
实施例7 60.12 85.24 92.33 87.51 63.21 58.31
实施例8 62.54 87.34 91.12 90.23 82.13 70.21

Claims (10)

1.一种烟气脱硝催化剂，其特征在于：所述催化剂以Fe、Ni双离子交换型功能性DCTP多孔材料为基体，以氧化钼或氧化铈中的一种或多种为催化助剂。
2.根据权利要求1所述的烟气脱硝催化剂，其特征在于：所述Fe、Ni双离子交换型功能性DCTP多孔材料以功能性DCTP多孔材料与Fe、Ni双离子溶液混合制备而成，所述功能性DCTP多孔材料是以硅藻土、粉煤灰、钛白粉和拟薄水铝石为原料，通过杂化、陈腐、成型、干燥、焙烧制成；以功能性DCTP多孔材料总质量为基准，各原料组分质量百分含量如下：硅藻土10％～50％，粉煤灰10％～50％，钛白粉10％～30％，拟薄水铝石10％～30％。
3.根据权利要求2所述的烟气脱硝催化剂，其特征在于：所述功能性DCTP多孔材料占催化剂总质量的70％～90％；Fe、Ni双离子及催化助剂占催化剂总质量的10％～30％。
4.根据权利要求3所述的烟气脱硝催化剂，其特征在于：所述Fe、Ni双离子交换型功能性DCTP多孔材料中Fe和Ni离子元素摩尔比为1:(0.1～10)，Fe离子与助剂中阳离子的元素摩尔比Fe/Mo/Ce为1:(0～2):(0～2)。
5.一种如权利要求1至4所述任一种催化剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)功能性DCTP多孔材料前驱体粉料制备：
分别将硅藻土和粉煤灰进行酸洗或水洗预处理，再按功能性DCTP多孔材料各原料组分配比，称取预处理好的硅藻土、粉煤灰、钛白粉、拟薄水铝石，经混料、球磨、陈腐、老化、干燥，将烘干料过40～60目标准筛造粒备用；
(2)活性金属离子前驱体溶液的配制：
按照Fe/Ni元素摩尔比1:(0.1～10)，称取铁盐和镍盐于烧杯中，加入去离子水后置于数显恒温磁力搅拌器上常温或加热搅拌，配成均匀混合溶液a备用；按照Fe/Mo/Ce元素摩尔比1:(0～2):(0～2)，称取钼酸铵和铈盐于另一烧杯中，配成均匀混合溶液b备用；
(3)将步骤(2)中的混合溶液a与功能性DCTP多孔材料前驱粉体均匀混合，混练1～2h后，加入混合溶液b，继续混练1～2h，然后经陈腐、杂化、挤出成型，将成型后坯体经干燥、焙烧制得催化剂。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中酸洗的酸液为硝酸，浓度为5％～15％。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的铁盐为硝酸铁、草酸铁、醋酸铁或氯化铁，镍盐为硝酸镍、草酸镍、醋酸镍或氯化镍，铈盐为硝酸铈、草酸铈，醋酸铈或氯化铈。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中铁盐和镍盐加热搅拌，搅拌时间为10～20min，加热温度为40～80℃。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中的陈腐时间为2～6h，干燥时间为2～6h，干燥温度为50～120℃，焙烧温度为400～800℃，保温时间2～6h。
10.一种如权利要求1至4所述任一种催化剂在处理含有氮氧化物的工业废气的应用。
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