CN107715886A - 一种锆修饰的气基直接还原铁用催化剂的制备方法 - Google Patents

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史一欣
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Abstract

本发明公开了一种锆修饰的气基直接还原铁用催化剂的制备方法，包括催化剂载体的制备、二氧化锆修饰、活性组分镍的浸渍和催化剂的焙烧分解四个主要步骤。本发明采用二氧化锆对催化剂进行修饰，使得催化剂具备更好的耐高温性能，使得催化剂能够完全适应还原气制备炉的炉管内的高温，从而提升了催化剂的使用效果。

Description

一种锆修饰的气基直接还原铁用催化剂的制备方法
技术领域
本发明涉及催化剂技术领域，具体涉及一种锆修饰的气基直接还原铁用催化剂的制备方法。
背景技术
直接还原铁是铁矿在固态条件下直接还原为铁，可以用来作为冶炼优质钢、特殊钢的纯净原料，也可作为铸造、铁合金、粉末冶金等工艺的含铁原料，是一种优质、 低耗、低污染的炼铁新工艺，也是全世界钢铁冶金的前沿技术之一，到2013年全球 直接还原铁产量达7700多万吨。直接还原炼铁工艺有气基法和煤基法两种，目前世 界上90％以上的直接还原铁产量采用气基法生产，也就是用气态烃(天然气)为原料来 制取还原性气体，其中气基竖炉MIDREX法直接还原铁产生中占有较大优势。 MIDREX法标准流程由还原气制备和还原竖炉两部分组成，还原气制备炉为圆桶式转 化炉，炉内布置有多根装填催化剂的炉管。
但是现有的催化剂在制备过程中会生成大量的氮氧化物，这些氮氧化物的排放会给环境带来极大的危害，催化剂制备的环保性较差，无法达到环保标准要求；另外催 化剂被装填在炉管内后，由于炉管内的温度非常高，现有的催化剂的耐高温性能无法 适应炉管内的高温，从而严重影响催化剂的使用效果。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种能够制备出耐高温性能良好的催化剂且能够避免氮氧化物的排放，实现绿色环保制备的气基直接还原铁用催化 剂的制备方法。
技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种锆修饰的气基直接还原铁用催化剂的制备方法，包括如下具体步骤：
步骤1：催化剂载体的制备：首先选取氧化铝、氧化钙和/或氧化镁化合物与脱模剂按一定比例混合均匀，采用注射成型工艺制成坯体，然后将坯体经高温烧结得到催 化剂载体，所述高温烧结的作用一是高温烧结是分解掉催化剂载体制备过程中加入的 脱模剂，二是经高温烧结得到具有一定强度和孔容的催化剂载体成品，所述脱模剂的 作用一是在成型过程中保证催化剂载体成型后能顺利从模具中分离出来，并保证表面 光洁，二是在高温烧结过程中形成催化剂所需要的孔道；
步骤2：二氧化锆修饰：将步骤1制得的催化剂载体置于配制好的硝酸锆溶液中 进行载体修饰，待载体修饰完毕后对催化剂载体进行干燥和焙烧分解，得到经修饰后 的催化剂载体；
步骤3：活性组分镍的浸渍：将步骤2修饰后的催化剂载体置于配制好的硝酸镍 溶液中浸渍，使得催化剂活性组分镍在催化剂载体上负载；
步骤4：催化剂的焙烧分解：在高温下将负载有硝酸镍的催化剂载体进行焙烧分解，干燥后得到催化剂成品。
所述步骤4中采用双通道炉窑对负载有硝酸镍的催化剂载体进行焙烧分解，所述双通道炉窑包括A通道和B通道，所述负载有硝酸镍的催化剂载体在A通道内焙烧分 解，A通道内所产生的氮氧化物气体进入B通道内进行还原反应变成氮气和二氧化碳 后排入大气，所述B通道内还原反应的公式为：
C+2NO＝CO2+N2
2C+2NO2＝2CO2+N2
本发明的设计原理为：采用二氧化锆对催化剂进行修饰，使得催化剂具备更好的耐高温性能，二氧化锆本身具有较好的耐高温性能，经表面修饰的催化剂，其二氧化 锆主要分布在催化剂颗粒表面，在高温下不易与催化剂的活性组分镍形成共熔体而降 低催化剂的活性。未加二氧化锆修饰的催化剂，在900℃左右以上使用时，氧化铝就 会与活性组分镍反应生成没有催化活性的镍铝尖晶石，导致催化剂失去活性。经二氧 化锆修饰的催化剂在1300℃使用时，均未发现有镍铝尖晶石的生成。所以经二氧化锆 修饰的催化剂在高温下使用具有更高的耐高温性能，意味着催化剂的使用寿命更长。
进一步地，所述步骤2中硝酸锆溶液中的Zr(NO3)4浓度为100-300g/l，所述载体 修饰的时间为10-50分钟，所述焙烧分解的温度为300-600℃，焙烧的时间为1-8小 时。
进一步地，所述步骤3中硝酸镍溶液中Ni(NO3)2的浓度为100-400g/l，浸渍的时 间为10-70分钟。
进一步地，所述步骤4中焙烧分解的温度为250-600℃，干燥时间为2-10小时， 焙烧时间为1-12小时。
进一步地，所述步骤4中制得的催化剂成品中活性组分镍的质量百分数为1-20％，杂质二氧化硅的质量百分比数低于0.2％。
进一步地，所述脱模剂为石墨、稻壳粉、聚乙烯醇、石蜡的一种或多种。
进一步地，所述双通道炉窑的A通道和B通道之间设置有热交换管，热交换管能 够将B通道中还原反应产生的热量传递给A通道，为A通道内催化剂的分解提供热源， 从而降低了能耗。
有益效果：本发明与现有技术相比，具备如下优点：
1、采用二氧化锆对催化剂进行修饰，使得催化剂具备更好的耐高温性能，使得 催化剂能够完全适应还原气制备炉的炉管内的高温，从而提升了催化剂的使用效果；
2、二氧化锆本身具有较好的耐高温性能，经表面修饰的催化剂，其二氧化锆主 要分布在催化剂颗粒表面，在高温下不易与催化剂的活性组分镍形成共熔体而降低催 化剂的活性；
3、采用特殊结构的双通道炉窑对负载有硝酸镍的催化剂载体进行焙烧分解，能够将氮氧化物气体还原为氮气后排入大气，从而避免了氮氧化物气体排入大气，大幅 减少了环境污染，实现了绿色环保生产。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种 等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
实施例1：
本发明提供一种锆修饰的气基直接还原铁用催化剂的制备方法，包括如下具体步骤：
步骤1：按照质量百分比氧化铝70％、氧化钙1％、氧化镁10％和石蜡19％充分 混合均匀，采用注射成型工艺制成坯体，然后将坯体经高温烧结得到催化剂载体；
步骤2：将步骤1制得的催化剂载体置于配制好的硝酸锆溶液中进行载体修饰， 待载体修饰完毕后对催化剂载体进行干燥和焙烧分解，焙烧分解能够分解出硝酸锆中 的氮元素，从而形成二氧化锆，二氧化锆分布在催化剂载体的表面，得到经修饰后的 催化剂载体，其中所述硝酸锆溶液中的Zr(NO3)4浓度为300g/l，所述载体修饰的时间 为50分钟，所述焙烧分解的温度为600℃，焙烧的时间为8小时；
步骤3：将步骤2修饰后的催化剂载体置于配制好的硝酸镍溶液中浸渍，使得催 化剂活性组分镍在催化剂载体上负载，其中硝酸镍溶液中Ni(NO3)2的浓度为100g/l， 浸渍的时间为10分钟；
步骤4：将经过浸渍后的催化剂载体在120℃的干燥炉中完全干燥，再转移到双 通道炉窑对负载有硝酸镍的催化剂载体进行焙烧分解，双通道炉窑包括A通道和B通 道，所述负载有硝酸镍的催化剂载体在A通道内利用辐射热在600℃条件下进行焙烧 分解，干燥时间为10小时，焙烧时间为12小时，A通道内所产生的氮氧化物气体进 入B通道内进行还原反应变成氮气和二氧化碳后排入大气，最后干燥后得到催化剂成 品。
所得到的催化剂成品中活性组分镍的质量百分数为20％，杂质二氧化硅的质量百分比数低于0.15％。
实施例2：
本发明提供一种锆修饰的气基直接还原铁用催化剂的制备方法，包括如下具体步骤：
步骤1：按照质量百分比氧化铝80％、氧化钙8％、氧化镁5％、石墨5％和稻壳 粉2％充分混合均匀，采用注射成型工艺制成坯体，然后将坯体经高温烧结得到催化 剂载体；
步骤2：将步骤1制得的催化剂载体置于配制好的硝酸锆溶液中进行载体修饰， 待载体修饰完毕后对催化剂载体进行干燥和焙烧分解，焙烧分解能够分解出硝酸锆中 的氮元素，从而形成二氧化锆，二氧化锆分布在催化剂载体的表面，得到经修饰后的 催化剂载体，其中所述硝酸锆溶液中的Zr(NO3)4浓度为100g/l，所述载体修饰的时间 为10分钟，所述焙烧分解的温度为300℃，焙烧的时间为1小时；
步骤3：将步骤2修饰后的催化剂载体置于配制好的硝酸镍溶液中浸渍，使得催 化剂活性组分镍在催化剂载体上负载，其中硝酸镍溶液中Ni(NO3)2的浓度为400g/l， 浸渍的时间为10分钟；
步骤4：将经过浸渍后的催化剂载体在120℃的干燥炉中完全干燥，再转移到双 通道炉窑对负载有硝酸镍的催化剂载体进行焙烧分解，双通道炉窑包括A通道和B通 道，所述负载有硝酸镍的催化剂载体在A通道内利用辐射热在250℃条件下进行焙烧 分解，干燥时间为2小时，焙烧时间为1小时，A通道内所产生的氮氧化物气体进入 B通道内进行还原反应变成氮气和二氧化碳后排入大气，最后干燥后得到催化剂成品； B通道内还原反应产生的热能通过热交换管传递到A通道内，为A通道内催化剂的分 解提供热源，从而降低了A通道内焙烧分解的能耗。
所得到的催化剂成品中活性组分镍的质量百分数为15％，杂质二氧化硅的质量百分比数低于0.16％。

Claims (7)

1.一种锆修饰的气基直接还原铁用催化剂的制备方法，其特征在于：包括如下具体步骤：
步骤1：催化剂载体的制备：首先选取氧化铝、氧化钙和/或氧化镁化合物与脱模剂按一定比例混合均匀，采用注射成型工艺制成坯体，然后将坯体经高温烧结得到催化剂载体；
步骤2：二氧化锆修饰：将步骤1制得的催化剂载体置于配制好的硝酸锆溶液中进行载体修饰，待载体修饰完毕后对催化剂载体进行干燥和焙烧分解，得到经修饰后的催化剂载体；
步骤3：活性组分镍的浸渍：将步骤2修饰后的催化剂载体置于配制好的硝酸镍溶液中浸渍，使得催化剂活性组分镍在催化剂载体上负载；
步骤4：催化剂的焙烧分解：在高温下将负载有硝酸镍的催化剂载体进行焙烧分解，干燥后得到催化剂成品。
所述步骤4中采用双通道炉窑对负载有硝酸镍的催化剂载体进行焙烧分解，所述双通道炉窑包括A通道和B通道，所述负载有硝酸镍的催化剂载体在A通道内焙烧分解，A通道内所产生的氮氧化物气体进入B通道内进行还原反应变成氮气和二氧化碳后排入大气。
2.根据权利要求1所述的一种锆修饰的气基直接还原铁用催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤2中硝酸锆溶液中的Zr(NO3)4浓度为100-300g/l，所述载体修饰的时间为10-50分钟，所述焙烧分解的温度为300-600℃，焙烧的时间为1-8小时。
3.根据权利要求1所述的一种锆修饰的气基直接还原铁用催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤3中硝酸镍溶液中Ni(NO3)2的浓度为100-400g/l，浸渍的时间为10-70分钟。
4.根据权利要求1所述的一种锆修饰的气基直接还原铁用催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤4中焙烧分解的温度为250-600℃，干燥时间为2-10小时，焙烧时间为1-12小时。
5.根据权利要求1所述的一种锆修饰的气基直接还原铁用催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤4中制得的催化剂成品中活性组分镍的质量百分数为1-20％，杂质二氧化硅的质量百分比数低于0.2％。
6.根据权利要求1所述的一种锆修饰的气基直接还原铁用催化剂的制备方法，其特征在于：所述脱模剂为石墨、稻壳粉、聚乙烯醇、石蜡的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的一种锆修饰的气基直接还原铁用催化剂的制备方法，其特征在于：所述双通道炉窑的A通道和B通道之间设置有热交换管。
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