CN115193442A - 一种低温抗硫酸氢铵脱硝催化剂及其制备方法和应用 - Google Patents

一种低温抗硫酸氢铵脱硝催化剂及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于烟气净化技术领域，具体为一种低温抗硫酸氢铵脱硝催化剂及其制备方法和应用。本发明催化剂以二氧化钛为载体，以钼掺杂的氧化铁为活性组分，以钼氧化物、锑氧化物、铌氧化物为助剂，通过NH3还原得到目标催化剂：本发明通过Mo掺杂提高Fe2O3表面酸性，从而提高脱硝效率和降低对SO2的吸附，避免硫酸氢铵在活性位点上的生成和沉积；通过NH3还原低价的Mo、Ti和Fe等离子以及氧化物，实现硫酸氢铵在低温下条件下的快速分解。本发明催化剂具有高比表面积，可耐受含有0～1500mg/m3的SO2和0～10%水蒸气的氮氧化物烟气，脱硝效率在90%以上，N2选择性高于92%，具有强抗硫酸氢铵性能，可用于钢铁、水泥和焦化等尾气中氮氧化物的排放控制。

Description

一种低温抗硫酸氢铵脱硝催化剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于烟气净化技术领域，具体涉及一种低温抗硫酸氢铵脱硝催化剂及其制备方法和应用。
背景技术
化石燃料燃烧和生物质燃烧产生的排放对地方、区域和全球的环境和健康产生影响氮氧化物(NO x = NO + NO2)主要来自发电厂、工厂和汽车排放，是大气污染的主要来源，对全球对流层化学有显著影响，是造成温室效应、酸雨、光化学烟雾、为了应对NO x 的严重危害，世界各国政府都制定了越来越严格的立法和政策来控制NO x 的排放。在美国，切向燃烧锅炉的氮氧化物排放率不得超过553.5 mg/m3，干底壁燃锅炉的氮氧化物排放率不得超过615 mg/m3(《清洁空气法案》，第407节，美国，2004年)。中国也制定了严格的排放标准，新建电厂和天然气锅炉的排放限值为100mg/m3，燃气轮机的排放限值为50mg/m3 (GB 13223-2011，中国，2011)。此外，轻型车辆的NO x 限值设定为60 mg/km和35 mg/km，中国将分别于2020年和2023年实施(GB 18352.6-2016)。不断增长的空气质量要求，为控制来自固定污染源和汽车的氮氧化物排放创造了强大的动力。
选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction，SCR）是目前国际上应用最为广泛的烟气脱硝技术之一，其反应机理是以外加的尿素或者氨作为还原剂，在脱硝催化剂的催化作用下将烟气中的NO x 还原成无毒无害的氮气和水。催化剂是高效、有选择性地将NO x 转化为N2的SCR技术的核心。V2O5-WO3(MoO3)/TiO2催化剂由于在300 ~ 400℃条件下具有较高的NO x 去除效率，已成功在火电厂商业化应用。目前，电厂所使用的钒基催化剂NH3-SCR装置需电安装在脱硫装置以满足较高的工作温度。然而，由于烟气温度较低(LT)(<250℃)，传统的钒基催化剂无法适用于钢铁、水泥和玻璃厂尾气中NO x 的去除，其原因在于(NH4)2SO4/NH4HSO4和金属硫酸盐的严重沉积，分别阻塞和破坏了活性位点，因而亟需开发一种具有低温抗硫酸氢铵的脱硝催化剂，以去除钢铁、水泥和玻璃厂等行业尾气中的NO x 。以氧化铁作为活性组分的铁基氧化物催化剂因具有中高温催化活性好，抗硫抗水性能优异以及环境友好等优点而备受关注。但是，该类催化剂仍然存在低温活性不足等缺陷。因此，通过改性设计出一种具有高活性、强抗硫酸氢铵性能的铁基催化剂具有极强的现实意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有高活性、强抗硫酸氢铵性能的低温抗硫酸氢铵脱硝催化剂及其制备方法，并提供上述催化剂在钢铁、水泥和焦化等尾气中氮氧化物的排放控制方面的应用。
本发明提供的低温抗硫酸氢铵脱硝催化剂，由二氧化钛载体、以钼掺杂的氧化铁活性组分，以钼氧化物、锑氧化物和铌氧化物中的一种或多种的助剂组成，并通过还原气体还原制备得到，即由载体、活性组分和助剂三部分组成；其中，以二氧化钛载体质量为基准，活性组分占载体质量的1~10%（其中掺杂的Mo和Fe原子比为1%-10%），助剂占载体质量的1~10%；还原气体为NH3和He的混合气，其中NH3的摩尔浓度为5%-10%。
本发明提供的低温抗硫酸氢铵脱硝催化剂的制备方法，具体步骤如下：
（1）将一定量的钼盐、锑盐和铌盐中的一种或多种溶于去离子水中，充分搅拌分散，形成混合液，收集蒸干产物，并在450~650℃焙烧3~8小时，得到粉末状混合物，记为Mo(Nb/Sb)O x -TiO2；
（2）将一定量的钼盐和铁盐溶于去离子水中，充分搅拌分散，形成混合液；
（3）将一定量的Mo(Nb/Sb)O x -TiO2粉末加入步骤（2）中混合液，加入一定量的25wt%氨水调节pH至8-10，然后老化2-4 h，得到悬浊液；
（4) 将步骤（3）中悬浊液进行抽滤，将收集的产物在真空烘箱内110℃条件下干燥10-12h，然后在250~650℃焙烧3~8小时；
（5）将步骤（4）中得到的产物置于气氛炉中，在NH3/He气氛、200-250℃条件下还原3-6 h，得到最终催化剂。
本发明中，所述钼盐为二钼酸铵、四钼酸铵、七钼酸铵和八钼酸铵中的一种或多种，其溶液中钼元素的浓度为0.001~1.0mol/L；所述铌盐为草酸铌和五氯化铌中的一种或多种，其溶液中铌元素的浓度为0.001~1.0mol/L；所述锑盐为醋酸锑，其溶液中锑元素的浓度为0.001~1.0mol/L；所述铁盐为氯化亚铁、硫酸亚铁、氯化铁和硝酸铁中的一种或多种，其溶液中铁元素的浓度为0.001~1.0mol/L。
本发明提供的脱硝催化剂低温分解硫酸氢铵的机制为：（1）高价Mo的掺杂导致Fe2O3中更多低价Fe离子的产生，降低其SO2氧化率从而减少硫酸氢铵的生成，同时Fe2+的产生也可以促使其表面硫酸根的分解；（2）通过Mo掺杂降低Fe2O3的碱性，使得硫酸氢铵更容易沉积在碱性更强的TiO2表面；（3）通过助剂对NH3的低温氧化以及和载体TiO2之间的电子传递促使Ti3+离子的产生，Ti3+的强电子给予能力促进了硫酸氢铵在低温下的分解。
本发明提供的脱硝催化剂的优点是：具有70~100 m2/g的比表面积，可耐受同时含有0～1500 mg/m3的SO2和0～10%水蒸气的氮氧化物烟气，在200～280℃和3,000～100,000h-1空速的条件下，脱硝效率稳定在90%以上，N2选择性高于92%，具有强抗硫酸氢铵性能，特别适用于钢铁、水泥和焦化等尾气中氮氧化物的排放控制。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详细说明。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。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。
实施例1：
（1）助剂浸渍负载：将0.0017mol七钼酸铵溶于100ml去离子水中，充分搅拌分散，然后将10g二氧化钛载体加入上述溶液中，80℃搅拌蒸干；收集蒸干产物并在550℃焙烧3小时，得到MoO3-TiO2粉末。
（2）活性组分沉淀负载：将0.0004mol七钼酸铵和0.004mol硫酸亚铁溶于100ml去离子水中，充分搅拌分散成混合液，然后将10g MoO3-TiO2加入上述溶液中；持续搅拌下将氨水（25%）加入上述混合液，调节混合液pH=9；老化2小时后，抽滤上述混合液，洗涤过滤产物至滤液pH=7；过滤产物在110℃干燥12小时，之后在550℃焙烧3小时，得到Mo-Fe2O3/MoO3-TiO2催化剂。
（3）催化剂的还原：将（2）中得到的催化剂置于气氛炉中，在200oC、8% NH3/He的混合气氛中还原4 h，得到最终Mo-Fe2O3/MoO3-TiO2-R催化剂。
（4）催化剂的性能测试：催化剂比表面积为84 m2/g，由Tristar II 3020全自动比表面积和孔隙分析仪测试得到；取0.5g催化剂放入固定床石英管反应器，石英管内径=8mm，模拟烟气由NO、NH3、O2和N2组成，其中NO 500ppm、NH3 500ppm、O2 3%，空速40,000h-1，反应温度200~280℃，反应尾气用Antaris IGS气体分析仪在线检测。在该测试条件下，催化剂的脱硝效率稳定在97%以上，N2选择性在98%以上。
（5）抗硫抗水性能测试：模拟烟气中额外加入SO2和水蒸气，使得SO2浓度为1500mg/m3，水蒸气体积比为10%，其他测试条件不变。在该测试条件下，催化剂的脱硝效率依然稳定在94%以上，N2选择性在97%以上。
实施例2：
（1）助剂浸渍负载：将0.001mol七钼酸铵和0.001mol草酸铌溶于100ml去离子水中，充分搅拌分散形成均一的混合液，然后将10g二氧化钛载体加入上述溶液中，80℃搅拌蒸干；收集蒸干产物并在500℃焙烧3小时，得到Mo/NbO x -TiO2粉末。
（2）活性组分沉淀负载：将0.0003mol七钼酸铵和0.003mol硝酸铁溶于100ml去离子水中，充分搅拌分散成混合液，然后将10g Mo/NbO x -TiO2加入上述溶液中；持续搅拌下将氨水（25%）加入上述混合液，调节混合液pH=8；老化2小时后，抽滤上述混合液，洗涤过滤产物至滤液pH=7；过滤产物在110℃干燥12小时，之后在500℃焙烧6小时，得到Mo-Fe2O3/Mo/NbO x -TiO2催化剂。
（3）催化剂的还原：将（2）中得到的催化剂置于气氛炉中，在230℃、10% NH3/He的混合气氛中还原6 h，得到最终Mo-Fe2O3/Mo/NbO x -TiO2-R催化剂。
（4）催化剂的性能测试：催化剂比表面积为90 m2/g，由Tristar II 3020全自动比表面积和孔隙分析仪测试得到；取0.5g催化剂放入固定床石英管反应器，石英管内径=8mm，模拟烟气由NO、NH3、O2和N2组成，其中NO 500ppm、NH3 500ppm、O2 3%，空速40,000h-1，反应温度200~280℃，反应尾气用Antaris IGS气体分析仪在线检测。在该测试条件下，催化剂的脱硝效率稳定在95%以上，N2选择性在99%以上。
（5）抗硫抗水性能测试：模拟烟气中额外加入SO2和水蒸气，使得SO2浓度为1000mg/m3，水蒸气体积比为10%，其他测试条件不变。在该测试条件下，催化剂的脱硝效率依然稳定在92%以上，N2选择性维持在100%。
实施例3：
（1）助剂浸渍负载：将0.001mol醋酸锑和0.001mol草酸铌溶于100ml去离子水中，充分搅拌分散形成均一的混合液，然后将10g二氧化钛载体加入上述溶液中，80℃搅拌蒸干；收集蒸干产物并在500℃焙烧3小时，得到Sb/NbO x -TiO2粉末。
（2）活性组分沉淀负载：将0.0003mol七钼酸铵和0.004mol硫酸亚铁溶于100ml去离子水中，充分搅拌分散成混合液，然后将10g Sb/NbO x -TiO2加入上述溶液中；持续搅拌下将氨水（25%）加入上述混合液，调节混合液pH=9；老化2小时后，抽滤上述混合液，洗涤过滤产物至滤液pH=7；过滤产物在110℃干燥12小时，之后在500℃焙烧4小时，得到Mo-Fe2O3/Mo/NbO x -TiO2催化剂。
（3）催化剂的还原：将（2）中得到的催化剂置于气氛炉中，在230℃、10% NH3/He的混合气氛中还原6 h，得到最终Mo-Fe2O3/Sb/NbO x -TiO2-R催化剂。
（4）催化剂的性能测试：催化剂比表面积为85 m2/g，由Tristar II 3020全自动比表面积和孔隙分析仪测试得到；取0.5g催化剂放入固定床石英管反应器，石英管内径=8mm，模拟烟气由NO、NH3、O2和N2组成，其中NO 500ppm、NH3 500ppm、O2 3%，空速40,000h-1，反应温度200~280℃，反应尾气用Antaris IGS气体分析仪在线检测。在该测试条件下，催化剂的脱硝效率稳定在96%以上，N2选择性在99%以上。
（5）抗硫抗水性能测试：模拟烟气中额外加入SO2和水蒸气，使得SO2浓度为1200mg/m3，水蒸气体积比为8%，其他测试条件不变。在该测试条件下，催化剂的脱硝效率依然稳定在93%以上，N2选择性维持在99%以上。
实施例4：
（1）助剂浸渍负载：将0.002 mol草酸铌溶于100ml去离子水中，充分搅拌分散形成均一的混合液，然后将10g二氧化钛载体加入上述溶液中，80℃搅拌蒸干；收集蒸干产物并在450℃焙烧5小时，得到Nb2O5-TiO2粉末。
（2）活性组分沉淀负载：将0.0004mol七钼酸铵和0.008mol氯化铁溶于100ml去离子水中，充分搅拌分散成混合液，然后将10g Nb2O5-TiO2加入上述溶液中；持续搅拌下将氨水（25%）加入上述混合液，调节混合液pH=8；老化2小时后，抽滤上述混合液，洗涤过滤产物至滤液pH=7；过滤产物在110℃干燥12小时，之后在450℃焙烧5小时，得到Mo-Fe2O3/Nb2O5-TiO2催化剂。
（3）催化剂的还原：将（2）中得到的催化剂置于气氛炉中，在230℃、10% NH3/He的混合气氛中还原4 h，得到最终Mo-Fe2O3/Nb2O5-TiO2-R催化剂。
（4）催化剂的性能测试：催化剂比表面积为90 m2/g，由Tristar II 3020全自动比表面积和孔隙分析仪测试得到；取0.5g催化剂放入固定床石英管反应器，石英管内径=8mm，模拟烟气由NO、NH3、O2和N2组成，其中NO 500ppm、NH3 500ppm、O2 3%，空速40,000h-1，反应温度200~280℃，反应尾气用Antaris IGS气体分析仪在线检测。在该测试条件下，催化剂的脱硝效率稳定在99%以上，N2选择性在94%以上。
（5）抗硫抗水性能测试：模拟烟气中额外加入SO2和水蒸气，使得SO2浓度为900 mg/m3，水蒸气体积比为5%，其他测试条件不变。在该测试条件下，催化剂的脱硝效率依然稳定在97%以上，N2选择性维持在96%以上。

Claims (4)

1.一种低温抗硫酸氢铵脱硝催化剂，其特征在于，所述催化剂由载体、活性组分和助剂组成，其中，所述载体为二氧化钛，所述活性组分为钼掺杂的氧化铁，所述助剂为钼氧化物、锑氧化物和铌氧化物中的一种或多种，并且经还原气体还原制备得到；其中：
以二氧化钛载体质量为基准，活性组分占载体质量的1~10%，活性组分中掺杂的Mo和Fe原子比为1%-10%；助剂占载体质量的1~10%；还原气体为NH3和He的混合气，其中NH3的摩尔浓度为5%-10%。
2.如权利要求1所述的低温抗硫酸氢铵脱硝催化剂的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）按量比关系，将钼盐、锑盐和铌盐中的一种或多种溶于去离子水中，充分搅拌分散，形成混合液，收集蒸干产物，并在450~650℃焙烧3~8小时，得到粉末状混合物，记为Mo(Nb/Sb)O x -TiO2；
（2）按量比关系，将钼盐和铁盐溶于一定量的去离子水中，充分搅拌分散形成混合液；
（3）将Mo(Nb/Sb)O x -TiO2粉末加入步骤（2）得到的混合液中，然后加入25 wt%氨水调节pH至8-10，然后老化2-4 h；
（4) 将步骤（3）中悬浊液进行抽滤，将收集的产物在真空烘箱内110℃条件下干燥10-12h，然后在250~650℃焙烧3~8小时；
（5）将步骤（4）中得到的产物置于气氛炉在NH3/He气氛、200-250℃条件下还原3-6 h，得到最终催化剂。
3.根据权利要求2所述的低温抗硫酸氢铵脱硝催化剂的制备方法，其特征在于，所述钼盐为二钼酸铵、四钼酸铵、七钼酸铵和八钼酸铵中的一种或多种，其溶液中钼元素的浓度为0.001~1.0mol/L；所述铌盐为草酸铌和五氯化铌中的一种或多种，其溶液中铌元素的浓度为0.001~1.0mol/L；所述锑盐为醋酸锑，其溶液中锑元素的浓度为0.001~1.0mol/L；所述铁盐为氯化亚铁、硫酸亚铁、氯化铁和硝酸铁中的一种或多种，其溶液中铁元素的浓度为0.001~1.0mol/L。
4.一种如权利要求1所述的低温抗硫酸氢铵脱硝催化剂在钢铁、水泥和焦化企业尾气中氮氧化物的排放控制中的应用。
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