CN113634260A - 一种合成氨催化剂组合物及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
一种合成氨催化剂组合物及其制备方法和应用,主要成分为不超过49.2%K2O、不超过96.5%SiO2、不超过34.8%CaO、不超过7.7%MgO、不超过0.12%ZnO、不超过14.8%Fe1‑X O、不超过0.4%MnO、不超过0.13%CuO、不超过11.5%Al2O3、不超过0.5%TiO2、不超过3.9%B2O3、不超过12.8%Na2O,各物质组成百分比之和为100%。本发明可以在常温常压下,将空气中的氮气和水在催化剂条件下反应生成氨,从而实现用空气替代不可再生的煤炭、石油或天燃气,使得合成氨原料及能耗费用降低50%以上,降低生产成本。
Description
技术领域
本发明属于合成氨技术领域,具体涉及一种合成氨催化剂组合物及其制备方法和应用。
背景技术
传统合成氨是以煤炭、石油或天然气为主要原料,在高温、高压及具有较高活性的催化剂条件下化学反应合成,其中:煤炭、石油或天然气是不可再生资源,是高能耗、高成本的生产过程。为提高合成效率,降低生产成本,引入高活性的催化剂来降低温度和压力是目前合成氨领域的发展方向。90多年来,世界各国从未停止过合成氨催化剂的研究。目前,我国合成氨工业催化剂主要是铁触媒催化剂,催化条件在高温400℃以上、压力25MPa。随着英国BP公司钌基催化剂的发明和我国Fe1-xO基催化剂体系的创立,合成氨催化剂进入了一个新的发展时期,由唯一的传统Fe3O4路线发展为三条技术路线,并各自取得了重大进展。但整个生产过程还是用煤炭、石油为主要原料的高能耗的生产工艺。
发明内容
解决的技术问题:针对上述存在的技术问题,本发明提供一种合成氨催化剂组合物(GZLZ)及其制备方法和应用,可以在常温常压下,把空气中的氮气和水在催化剂条件下反应生成氨,从而实现了空气替代不可再生的煤炭、石油或天燃气,同时合成氨原料及能耗费用降低50%以上,降低农业生产成本。
技术方案:一种合成氨催化剂组合物,按质量百分数,主要成分为不超过49.2%K2O、不超过96.5%SiO2、不超过34.8%CaO、不超过7.7%MgO、不超过0.12%ZnO、不超过14.8%Fe1-XO、不超过0.4%MnO、不超过0.13%CuO、不超过11.5%Al2O3、不超过0.5%TiO2、不超过3.9%B2O3、不超过12.8%Na2O,各物质组成百分比之和为100%。
优选的,按质量百分数,具体组成为不超过49.2%K2O、0.1-96.5%SiO2、0.7-34.8%CaO、0.4-7.7%MgO、0.03-0.12%ZnO、0.1-14.8%Fe1-XO、0.2-0.4%MnO、0.01-0.13%CuO、不超过11.5%Al2O3、不超过0.5%TiO2、不超过3.9%B2O3、不超过12.8%Na2O、不超过25.2%SO3、不超过9.5%P2O5、0.1-28.2%Cl、不超过0.0006%As、不超过0.0002%Cd、0.0029%Pb、0-0.0030%Cr,各物质组成百分比之和为100%。
上述合成氨催化剂组合物的制备方法,将农业秸秆及林业废弃物混拌,送入不低于800℃炉膛内燃烧,得生物质灰;再根据其成分补充金属氧化物,得氨催化剂。
上述农业秸秆为小麦或玉米秸秆,林业废弃物为树木的根、径、枝或叶,农业秸秆和林业废弃物的质量比为3:1。
上述组合物在制备常温常压条件下合成氨催化剂中的应用。
有益效果:本发明可以在常温常压下,将空气中的氮气和水在催化剂条件下反应生成氨,从而实现用空气替代不可再生的煤炭、石油或天燃气,使得合成氨原料及能耗费用降低50%以上,降低生产成本。
附图说明
图1为3Kg GZLZ催化剂产氨量分析;
图2为6kg GZLZ催化剂产氨量分析;
图3为50Kg GZLZ催化剂产氨量分析;
图4为GZLZ催化剂组分的制备工艺过程示意图。
具体实施方式
本发明所述常温常压为:温度为25℃,压强为一个大气压。
实施例1
1、工艺原理
以生物质灰为主要原料研发成的GZLZ催化剂,在常温、常压下,空气中的氮气与水在GZLZ催化剂中进行化学反应生成氨,氨气再进入稀硫酸溶液被吸收生成硫酸铵,再对硫酸铵进行测定。
空气压缩机把常温空气通过气管压缩到空气储罐,空气储罐中的压缩空气通过气管到密封水罐的水中,稳定气压的空气在水中释放,释放的空气带出部分水蒸汽,含水蒸汽的空气通过含水气管在压力作用下,从反应釜底部进入反应釜中的GZLZ催化剂中,含水的空气在GZLZ催化剂作用下,空气中的氮气与水发生化学反应,生成氨气与氧气,混合气体从反应釜上端气管进入氨吸收罐,氨吸收罐中稀硫酸与混和空气中的氨化学反应,生成硫酸铵,再通过对硫酸铵的量进行滴定测量其产氨量及速率。
氮气储瓶把常温氮气通过氮气管送入密封水罐中的水中,稳定气压的氮气在水中释放,氮气带出部分水蒸汽,从反应釜底部进入反应釜中的GZLZ催化剂中,含水的氮气在GZLZ催化剂作用下,氮气与水发生化学反应,生成氨气与氧气的混合气体,再从反应釜上端氨气混合管道进入氨吸收罐,氨吸收罐中稀硫酸与混和空气中的氨化学反应,生成硫酸铵,再通过对硫酸铵的量进行滴定氨量及速率。
2、反应原理
2NH3+H2SO4→(NH4)2SO4
3、GZLZ催化剂组分的制备工艺过程
图4是催化剂生产的主要工艺原理及过程,将农业秸秆(小麦、玉米秸秆)及林业废弃物(根、径、枝、叶)按一定重量比例混拌(一般3:1),送入800℃炉膛内燃烧,燃烧产生的热能可产生蒸汽、蒸汽再去发电等,其过程产生的生物质灰就是合成氨催化剂的主要成份。其成分中再混配一定量的金属氧化物,就可做合成氨催化剂使用。
生物质灰的组分分析
表1生物质灰的组分分析
序号 | 成分名称 | 含量 |
1 | SiO<sub>2</sub>含量(%) | 4.50 |
2 | Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>含量(%) | - |
3 | FeO含量(%) | 0.77 |
4 | CaO含量(%) | 4.80 |
5 | MnO含量(%) | 0.13 |
6 | MgO含量(%) | 1.70 |
7 | SO<sub>3</sub>含量(%) | 0.75 |
8 | P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>含量(%) | 1.20 |
9 | K<sub>2</sub>O含量(%) | 4.40 |
10 | Na<sub>2</sub>O含量(%) | 1.75 |
11 | TiO<sub>2</sub>含量(%) | - |
12 | CuO含量(%) | 0.13 |
13 | ZnO含量(%) | 0.12 |
14 | B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>含量(%) | 3.90 |
15 | MoO含量(%) | 0.12 |
16 | Hg(以元素计)(mg/kg) | - |
17 | As(以元素计)(mg/kg) | - |
18 | Cd(以元素计)(mg/kg) | 3 |
19 | Pb(以元素计)(mg/kg) | <1 |
20 | Cr(以元素计)(mg/kg) | <1 |
数据来自NO:(2021)皖检SH字第00130号
4、GZLZ催化剂的组成及成分
(1)组成:生物质灰为主要原料科学配伍金属氧化物研发而成,呈碱性,pH 8-13;生物质灰主要由农业作物秸秆、种子壳体等与林业的根、径、枝、叶等混合在800℃以上温度燃烧产生的灰组成。
(2)GZLZ催化剂主要成分:K2O、SiO2、CaO、MgO、ZnO、FeO、MnO、CuO、Al2O3、TiO2、B2O3、Na2O等。
表2 GZLZ催化剂组分表
序号 | 成分名称 | 含量范围(%) |
1 | SiO<sub>2</sub> | 0.1-96.5 |
2 | Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | 0.0-11.5 |
3 | FeO | 0.1-14.8 |
4 | CaO | 0.7-34.8 |
5 | MnO | 0.2-0.4 |
6 | MgO | 0.4-7.7 |
7 | SO<sub>3</sub> | 0.0-25.2 |
8 | P<sub>2</sub>O<sub>5</sub> | 0.0-9.5 |
9 | K<sub>2</sub>O | 0.0-49.2 |
10 | Na<sub>2</sub>O | 0.0-12.8 |
11 | Cl | 0.1-28.2 |
12 | TiO<sub>2</sub> | 0.0-0.5 |
13 | CuO | 0.01-0.13 |
14 | ZnO | 0.03-0.12 |
15 | B<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | 0.0-3.9 |
16 | As | 0-0.0006 |
17 | Cd | 0-0.0002 |
18 | Pb | 0.0029 |
19 | Cr | 0-0.0030 |
实施例2
3kg GZLZ催化剂与0.9kg水混合均匀,装入反应釜中,在8-11℃下按上述工艺流程进行试验。实验选用设备:气泵:型号台弯捷顺JS3001,排气量0.11m3/min,气缸容量30L,最大压力0.8MPa,功率2000W,转速2860r/min。反应釜:材质:304不锈钢筒体,∮210mm、高840mm,一次装催化剂量3kg。吸收瓶:2000mL容量瓶,氨吸收溶剂0.5mol/L稀硫酸。
表3 3Kg GZLZ催化剂产氨量记录表
由表3和图1可知,催化剂重量3kg在反应釜中,通过连续14天的反应发现,第一天产氨量最大,2460mg/日,反应到11天以后,产氨量达到一个平衡点80mg/日,后续观察,产量维持在该水平浮动。
表4 6Kg GZLZ催化剂产氨量记录表
由表4和图2可知,6kg GZLZ催化剂在反应釜中连续运行14天反应发现,第一天产氨量最大,达3288mg/日,随后每天连续下降,反应到11天后,产氨量达到一个平衡点310mg/日,以后续观察,氨产量基本维持在一个该水平浮动。
表5 50Kg GZLZ催化剂产氨量记录表
由表5和图3可知,在装50kgGZLZ催化剂产氨量记录,实验选用设备:气泵型号,台弯捷顺JS3001,排气量0.11m3/min,气缸容量30L,最大压力0.8Map,功率2000W,转速2860r/min。反应釜:材质:304不锈钢筒体,∮210mm、高840mm,一次装催化剂量50kg。吸收瓶:2000mL容量瓶,氨吸收溶剂0.5mol/L稀硫酸。
通过连续27天的反应,第一天产氨量最大,5894.4mg/日,随后每天产氨量连续下降,反应到18天后,产氨量达到一个平衡点820mg/日,后续观察,产量维持在该水平波动。
Claims (5)
1.一种合成氨催化剂组合物,其特征在于,按质量百分数,主要成分为不超过49.2%K2O、不超过96.5%SiO2、不超过34.8%CaO、不超过7.7%MgO、不超过0.12%ZnO、不超过14.8%Fe1-XO、不超过0.4%MnO、不超过0.13%CuO、不超过11.5%Al2O3、不超过0.5%TiO2、不超过3.9%B2O3、不超过12.8%Na2O,各物质组成百分比之和为100%。
2.根据权利要求1所述合成氨催化剂组合物,其特征在于,按质量百分数,具体组成为不超过49.2%K2O、0.1-96.5%SiO2、0.7-34.8%CaO、0.4-7.7%MgO、0.03-0.12%ZnO、0.1-14.8%Fe1-XO、0.2-0.4%MnO、0.01-0.13%CuO、不超过11.5%Al2O3、不超过0.5%TiO2、不超过3.9%B2O3、不超过12.8%Na2O、不超过25.2%SO3、不超过9.5%P2O5、0.1-28.2%Cl、不超过0.0006%As、不超过0.0002%Cd、0.0029%Pb、0-0.0030%Cr,各物质组成百分比之和为100%。
3.权利要求1或2所述合成氨催化剂组合物的制备方法,其特征在于,将农业秸秆及林业废弃物混拌,送入不低于800℃炉膛内燃烧,得生物质灰;再根据其成分补充金属氧化物,得氨催化剂。
4.根据权利要求3所述合成氨催化剂组合物的制备方法,其特征在于,所述农业秸秆为小麦或玉米秸秆,林业废弃物为树木的根、径、枝或叶,农业秸秆和林业废弃物的质量比为3:1。
5.权利要求1或2所述组合物在制备常温常压条件下合成氨催化剂中的应用。
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