CN110918083A - 一种用于烟气脱硝的无钒scr催化剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于烟气脱硝的无钒SCR催化剂及其制备方法，该催化剂以氧化铈为载体，硅钨酸为活性组分，其中活性组分的质量为载体的1～20％。制备时首先将一定量的铈盐在高温下煅烧得到氧化铈固体，并磨成细颗粒粉末；然后将一定浓度的硅钨酸溶液与氧化铈固体粉末混合，并在真空条件下加热旋转蒸发；最后将干燥的固体粉末在马弗炉中高温煅烧形成改性氧化铈脱硝催化剂。与现有技术相比，本方法原料来源广，不含氧化钒等对人体中毒的氧化物，制备工艺简单可控，所制备的催化剂脱硝性能提高明显，脱硝率和选择性上也有优势，并且具有一定程度的抗硫中毒性能，能够稳定维持高效的催化活性，适用于多种工业烟气中氮氧化物的催化脱除。

Description

一种用于烟气脱硝的无钒SCR催化剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及工业烟气脱硝领域，涉及到一种用于烟气脱硝的无钒SCR催化剂及其制备方法。
背景技术
氮氧化物是一类常见的空气污染物，可以造成光化学烟雾、酸雨以及臭氧层空洞。大气中的氮氧化物主要来自于工业烟气，因此控制工业烟气中氮氧化物的排放十分重要。目前，选择性催化还原(SCR)是商业上应用最广的烟气脱硝技术。而以五氧化二钒为主要活性组分的V-W-Ti/V-Mo-Ti体系催化剂也是最常用的脱硝SCR催化剂。虽然钒系催化剂具有催化活性高、价格比较便宜等优点，但是钒系SCR催化剂仍然存在一些不足。比如说其活性温度较高，温度窗口较窄，往往只能应用于300℃以上的高温条件，限制了应用。此外，氧化钒对人体存在比较大的毒性，对人的呼吸系统和皮肤均有损伤。废旧的钒系催化剂难于回收利用，一般需要作为危险固废进行处置，处理成本比较高。因此，开发具有催化还原性能优良的无钒SCR催化剂是当前烟气脱硝技术领域的研究热点。
目前也有一些用于烟气脱硝的新型SCR催化剂制备方法研究，比如用其他物质对钒钨钛体系进行改进，或以锰、铁等其他过渡金属元素作为活性组分，但是这些催化剂要么仍然含有毒性物质氧化钒，要么配比复杂制备方法繁琐，要么作用于低温环境温度窗口偏窄，不能在实际应用功能条件下对钒钨钛催化剂进行代替。
CeO2作为一种的储氧能力强的稀土金属氧化物，近年来被用于研究SCR脱硝等催化领域。如发明专利CN201510401286.9、CN201610623035.X等分别报道了以CeO2为活性组分的脱硝催化剂。因为氧化铈晶体表面的缺陷容易产生氧空位，在氧化循环中可以高效地储存和释放氧，此外氧化铈的氧化能力也要强于传统的钒钨钛。而单一的氧化铈本身对于SCR脱硝的表现较差，研究认为这是由于氧化铈表面缺少氨气吸附的酸性位点。
专利申请CN106552616A公开了一种用于氮氧化物催化净化的多酸吸附型铈基氧化物催化剂及其制备方法。所述催化剂是通过在制备过程中对多酸进行吸附形成的均匀吸附多酸的铈基氧化物催化剂，即HPA/CeOx催化剂。其催化性能的稳定性和抗硫性能尚存在一定不足，在实际烟气条件下的脱硝效率有待加强。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种温度窗口高、毒性低，脱硝效果好、选择性高且有着一定的抗硫中毒能力的用于烟气脱硝的无钒SCR催化剂及其制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种用于烟气脱硝的无钒SCR催化剂，其特征在于，该催化剂以氧化铈为载体，硅钨酸为活性组分，其中活性组分的质量为载体的1～20％。
所述的活性组分的质量为载体的5～20％。
一种用于烟气脱硝的无钒SCR催化剂的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
第一步，将一定量的铈盐在马弗炉中高温煅烧得到氧化铈固体；
第二步，将氧化铈研磨成高目数的细颗粒粉末；
第三步，配制一定含量的硅钨酸溶液；
第四步，将配比确定的硅钨酸溶液和氧化铈粉末浸泡混合，在加热和真空条件下旋转蒸发；
第五步，将得到的固体置于烘箱内干燥，再置于马弗炉中高温煅烧形成硅钨酸改性氧化铈脱硝催化材料。
第一步所述铈盐是水合硝酸铈盐。
第一步所述高温煅烧的条件为450～550℃条件下煅烧3～6小时。
第二步所述氧化铈细颗粒粉末的粒径为100～300目。
第三步硅钨酸溶液是硅钨酸在去离子水中溶解所得的溶液，硅钨酸溶液的质量浓度为1～50％。
第四步硅钨酸溶液中硅钨酸的质量占氧化铈粉末质量的1～20％。
第四步加热和真空条件为60～100℃和0.05～0.15MPa。
第五步烘箱烘干温度为100～120℃，烘干时间为5～8小时；
马弗炉中高温煅烧的温度为350～450℃，时间为3～6小时。
本发明考虑通过酸性物质改性氧化铈表面的方法来制备一种高效的SCR催化剂。本发明提出的一种用于烟气脱硝的无钒SCR催化剂的制备方法，以稀土金属氧化物氧化铈为主要活性中心，硅钨酸掺杂作为改性物以促进还原物氨气的吸附，所制得的催化剂HSiW/Ce兼具丰富的酸性和平衡的氧化性，在较广的温度窗口催化效果好，在220-450℃的温度范围内均有90％以上的转化率；稳定性好，高浓度污染物下持续反应了2700min后，其脱硝效率也仅仅下降了0.5％；抗硫性优良，经过SO2处理后活性略有下降且有一定的再生能力；且不含有毒物质氧化钒，对于流化催化裂化再生烟气脱硝的实际应用有着重要的意义。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提供的硅钨酸掺杂氧化铈SCR脱硝催化剂能够大幅度提高氧化铈的脱硝性能且有着很好的氮气选择性不产生其他污染物，成本低廉，稳定性好，能够有效脱除石化行业烟气中的氮氧化物；
(2)本发明的催化剂不含传统商业SCR催化剂中的氧化钒，安全无毒。
(3)本发明的催化剂制备方法简单，能耗低，能够实验大规模生产。
(4)本发明和已有技术相比，具有原料来源广，制备工艺简单可控，脱硝性能良好等特点。所得的氧化铈基SCR脱硝催化剂稳定性好，对二氧化硫有一定的抗性，在工业烟气氮氧化物污染控制中有着广泛的应用的前景。
附图说明
图1为不同催化剂的SCR表现：(a)NO转化率，(b)N2选择性；
图2为10％HSiW在250℃下的稳定性实验；
图3为10％HSiW在SO2中毒实验。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，一下结合实施例，对本发明进行进一步的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此未构成冲突就可以互相组合。
实施例1
一种硅钨酸改性氧化铈催化剂，其化学式为1％HSiW/Ce，其制备方法包括以下步骤：
1)称取一定量的水合硝酸铈盐在马弗炉中500℃高温煅烧5h得到氧化铈固体；
2)将氧化铈研磨成高目数(200目)的细颗粒粉末；
3)按照摩尔比配制一定浓度的硅钨酸溶液；
4)将配比确定的硅钨酸溶液和氧化铈粉末混合，在80℃和0.1MPa真空条件下旋转蒸发；
5)将得到的固体置于烘箱内110℃干燥6h，再置于马弗炉中400℃高温煅烧4h形成硅钨酸改性氧化铈脱硝催化材料，研磨筛分至40-60目，放入干燥皿中待用。
实施例2
一种硅钨酸改性氧化铈催化剂，其化学式为5％HSiW/Ce，其制备方法包括以下步骤，：
1)称取一定量的水合硝酸铈盐在马弗炉中500℃高温煅烧5h得到氧化铈固体；
2)将氧化铈研磨成高目数(200目)的细颗粒粉末；
3)按照摩尔比配制一定浓度的硅钨酸溶液；
4)将配比确定的硅钨酸溶液和氧化铈粉末混合，在80℃和0.1MPa真空条件下旋转蒸发；
5)将得到的固体置于烘箱内110℃干燥6h，再置于马弗炉中400℃高温煅烧4h形成硅钨酸改性氧化铈脱硝催化材料，研磨筛分至40-60目，放入干燥皿中待用。
实施例3
一种硅钨酸改性氧化铈催化剂，其化学式为10％HSiW/Ce，其制备方法包括以下步骤，：
1)称取一定量的水合硝酸铈盐在马弗炉中500℃高温煅烧5h得到氧化铈固体；
2)将氧化铈研磨成高目数(200目)的细颗粒粉末；
3)按照摩尔比配制一定浓度的硅钨酸溶液；
4)将配比确定的硅钨酸溶液和氧化铈粉末混合，在80℃和0.1MPa真空条件下旋转蒸发；
5)将得到的固体置于烘箱内110℃干燥6h，再置于马弗炉中400℃高温煅烧4h形成硅钨酸改性氧化铈脱硝催化材料，研磨筛分至40-60目，放入干燥皿中待用。
实施例4
一种硅钨酸改性氧化铈催化剂，其化学式为20％HSiW/Ce，其制备方法包括以下步骤，：
1)称取一定量的水合硝酸铈盐在马弗炉中500℃高温煅烧5h得到氧化铈固体；
2)将氧化铈研磨成高目数(200目)的细颗粒粉末；
3)按照摩尔比配制一定浓度的硅钨酸溶液；
4)将配比确定的硅钨酸溶液和氧化铈粉末混合，在80℃和0.1MPa真空条件下旋转蒸发；
5)将得到的固体置于烘箱内110℃干燥6h，再置于马弗炉中400℃高温煅烧4h形成硅钨酸改性氧化铈脱硝催化材料，研磨筛分至40-60目，放入干燥皿中待用。
取实施例1-4所制备的1％HSiW/Ce、5％HSiW/Ce、10％HSiW/Ce、20％HSiW/Ce催化剂各250mg，考察了不同改性比例一氧化氮脱除效率和选择性的影响。基本反应条件：NO500ppm，NH3 500ppm，O2 3％，总气量为300ml/min。根据一氧化氮选择性测试结果于图1显示，相比纯氧化铈，掺杂了硅钨酸之后的氧化铈一氧化氮去除效果明显提高，其中10％HSiW/Ce的效果最佳，各催化剂对于NO的去除能力按照从大到小的排序是：10％HSiW/Ce>5％HSiW/Ce≈20％HSiW/Ce>1％HSiW/Ce>CeO2>HSiW。同时根据氮气选择性的结果显示，HSiW/Ce相对于CeO2体现出了很好的选择性，当负载量达到5％及以上时，氮气选择性直到400℃都能维持在99％左右。说明硅钨酸改性能够显著提高氧化铈的氮气选择性，抑制副反应的生成，不产生其他二次污染物。
取实施例3所制备的10％HSiW/Ce催化剂250mg，考察催化剂持续反应过程中的稳定性。基本反应条件：NO 500ppm，NH3 500ppm，O2 3％，总气量为300ml/min，温度为250℃。根据图2可知，10％HSiW/Ce催化剂显示了令人满意的SCR稳定性，在经过了2700min的反应后其NO转化率仅仅降低了0.5％左右，说明该催化剂有着十分优良的实际应用潜力。
取实施例3所制备的10％HSiW/Ce催化剂各250mg，考察催化剂对SO2的中毒抗性。基本反应条件：NO 500ppm，NH3 500ppm，SO2 200ppm，O2 3％，总气量为300ml/min，温度为250℃。从图3可以看到，在加入SO2后，催化剂的脱硝效率略有下降但一直保持在80％以上，且当我们关闭加入的SO2后，催化效率能够恢复到90％左右。表明该催化剂有着一定的抗硫能力，能够在实际烟气条件下进行有效的应用。
实施例5
一种用于烟气脱硝的无钒SCR催化剂的制备方法，该方法包括以下步骤：
第一步，将一定量的水合硝酸铈盐在马弗炉中高温煅烧，高温煅烧的条件为450℃条件下煅烧6小时，得到氧化铈固体；
第二步，将氧化铈研磨成100～300目数的细颗粒粉末；
第三步，将硅钨酸在去离子水中溶解，配制质量浓度为1％硅钨酸溶液；
第四步，根据硅钨酸的质量占氧化铈粉末质量的1％的配比确定硅钨酸溶液和氧化铈粉末的用量，浸泡混合，在60℃加热和0.15MPa真空条件下旋转蒸发；
第五步，将得到的固体置于烘箱内干燥，烘干温度为100℃，烘干时间为8小时；再置于马弗炉中高温煅烧，高温煅烧的温度为350℃，时间为6小时，形成硅钨酸改性氧化铈脱硝催化材料。
实施例6
一种用于烟气脱硝的无钒SCR催化剂的制备方法，该方法包括以下步骤：
第一步，将一定量的水合硝酸铈盐在马弗炉中高温煅烧，高温煅烧的条件为550℃条件下煅烧3小时，得到氧化铈固体；
第二步，将氧化铈研磨成100～300目数的细颗粒粉末；
第三步，将硅钨酸在去离子水中溶解，配制质量浓度为50％硅钨酸溶液；
第四步，根据硅钨酸的质量占氧化铈粉末质量的20％的配比确定硅钨酸溶液和氧化铈粉末的用量，浸泡混合，在100℃加热和0.05MPa真空条件下旋转蒸发；
第五步，将得到的固体置于烘箱内干燥，烘干温度为120℃，烘干时间为5小时；再置于马弗炉中高温煅烧，高温煅烧的温度为450℃，时间为3小时，形成硅钨酸改性氧化铈脱硝催化材料。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制被发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于烟气脱硝的无钒SCR催化剂，其特征在于，该催化剂以氧化铈为载体，硅钨酸为活性组分，其中活性组分的质量为载体的1～20％。
2.根据权利要求1所述的一种用于烟气脱硝的无钒SCR催化剂，其特征在于，所述的活性组分的质量为载体的5～20％。
3.一种如权利要求1所述用于烟气脱硝的无钒SCR催化剂的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
第一步，将一定量的铈盐在马弗炉中高温煅烧得到氧化铈固体；
第二步，将氧化铈研磨成高目数的细颗粒粉末；
第三步，配制一定含量的硅钨酸溶液；
第四步，将配比确定的硅钨酸溶液和氧化铈粉末浸泡混合，在加热和真空条件下旋转蒸发；
第五步，将得到的固体置于烘箱内干燥，再置于马弗炉中高温煅烧形成硅钨酸改性氧化铈脱硝催化材料。
4.根据权利要求3所述用于烟气脱硝的无钒SCR催化剂的制备方法，其特征在于，第一步所述铈盐是水合硝酸铈盐。
5.根据权利要求3所述用于烟气脱硝的无钒SCR催化剂的制备方法，其特征在于，第一步所述高温煅烧的条件为450～550℃条件下煅烧3～6小时。
6.根据权利要求3所述用于烟气脱硝的无钒SCR催化剂的制备方法，其特征在于，第二步所述氧化铈细颗粒粉末的粒径为100～300目。
7.根据权利要求3所述用于烟气脱硝的无钒SCR催化剂的制备方法，其特征在于，第三步硅钨酸溶液是硅钨酸在去离子水中溶解所得的溶液，硅钨酸溶液的质量浓度为1～50％。
8.根据权利要求3所述用于烟气脱硝的无钒SCR催化剂的制备方法，其特征在于，第四步硅钨酸溶液中硅钨酸的质量占氧化铈粉末质量的1～20％。
9.根据权利要求3所述用于烟气脱硝的无钒SCR催化剂的制备方法，其特征在于，第四步加热和真空条件为60～100℃和0.05～0.15MPa。
10.根据权利要求3所述用于烟气脱硝的无钒SCR催化剂的制备方法，其特征在于，第五步烘箱烘干温度为100～120℃，烘干时间为5～8小时；
马弗炉中高温煅烧的温度为350～450℃，时间为3～6小时。
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