CN1849163A - 层状氨氧化催化剂 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种层状氨氧化催化剂。该层状催化剂使得在氧化剂例如空气的存在下将氨选择性地氧化并同时最大限度地减少氮氧化物(NOx)的形成。该层状催化剂包含：耐熔氧化物支撑体例如γ－氧化铝、置于其上的铂组分和置于所述铂上的氧化钒组分。优选将该催化剂置于基材例如其表面含有“鲱骨状”图案的金属箔上。

Description

层状氨氧化催化剂
发明领域
本发明涉及一种层状氨氧化催化剂。更特别地，本发明涉及所述催化剂、制备该催化剂的方法，以及涉及利用该催化剂的方法，其中将氨(NH3)选择性地氧化成氮气(N2)并同时最大限度地减少氮氧化物(NOx)的形成。
发明背景
固定的空气污染源例如发电设备会产生含有超过联邦空气质量规章(Federal and State air quality regulations)所允许含量的NOx的废气流，即使在发电设备采用天然气作为燃料(由此避免排出当所述燃料由油或煤组成时会出现的未燃烧的烃)的情况下也是这样。一般而言，这些发电设备通过在通常由置于二氧化钛上的氧化钒(vanadia)组成的选择性催化还原(“SCR”)催化剂的存在下将氨注射入所述废气流而将该废气流中的NOx还原成N2。尽管所得的气流含有低于该规章所允许的最大值的程度的NOx，但是采用氨作为还原剂的所述反应还会导致高于该规章所允许的氨排放量。因此需要进一步的催化反应，其中将所述废气流中的NH3选择性氧化成N2而不形成一定量的会提高NOx含量至高于该规章所允许值的NOx。
通常，现有技术的氨氧化催化剂不仅会造成NH3氧化成N2，而且它们还会催化NH3氧化成NOx。事实上，大多数现有技术的氨氧化催化剂被设计成将氨氧化成亚硝酸盐和硝酸盐以制得可用量的硝酸(HNO3)。在以下例举的美国专利：5,122,497；5,336,656；5,690,900；6,165,435；6,380,128；6,489,264；和公开的美国专利申请US2003/0124046中描述了典型的现有技术的氨氧化催化剂。
发明目的
本发明的一个目的是提供一种可将氨选择性地氧化成氮气并同时最低限度地形成氮氧化物的催化剂。
本发明的另一目的是提供一种处理含有不希望量的氨的废气流以使得氨氧化成氮气并同时最低限度地形成氮氧化物的方法。
发明概述
本发明涉及一种将氨选择性地氧化成氮气并同时最低限度地形成氮氧化物的层状氨氧化催化剂。
本发明还涉及一种制备所述层状氨氧化催化剂的方法。
本发明进一步涉及一种处理含有氨的废气流以将所述氨选择性地氧化成氮气的方法，其包括在本发明的层状氨氧化催化剂的存在下将所述气流与氧化剂例如空气接触。
发明详述
本发明的层状氨氧化催化剂包含耐熔金属氧化物、置于耐熔金属氧化物上的铂层和置于所述铂上的氧化钒层。当用于本发明的方法时，该催化剂将被置于通常为金属或耐熔陶瓷的基材上。
所述耐熔金属氧化物包括高表面积的耐熔金属氧化物例如氧化铝、二氧化硅、二氧化钛和氧化锆以及其混合物。所述耐熔金属氧化物可以由混合氧化物组成或者含有混合氧化物，所述混合氧化物例如为：二氧化硅-氧化铝、可为无定形或结晶的硅铝酸盐、氧化铝-氧化锆、氧化铝-氧化铬、氧化铝-二氧化铈等。优选的耐熔金属氧化物包含表面积为约60～约300m2/g的γ-氧化铝。
所述铂通常以基于耐熔金属氧化物的重量为约0.5～约4wt％的量存在。优选地，所述铂以约10～约100g/ft3的量存在，最优选地以30～80g/ft3的量存在。
所述氧化钒通常以基于氧化铝的重量为约0.5～约4wt％的量存在。优选地，所述钒以约13～约104g/ft3的量存在，最优选地以50～80g/ft3的量存在。
通过首先将耐熔金属氧化物沉积在基材例如金属或陶瓷上而容易地制得所述层状氨氧化催化剂。所述基材可以是通常用于制备废气处理催化剂的那些材料的任何一种，并且优选地包括具有蜂窝结构的耐熔陶瓷或金属。可以采用任何合适的基材，例如具有许多细的平行气体流动通道型的整体基材(monolithic substrate)，该气体流动通道从所述载体的入口或出口面延伸穿过其中，从而使得通道易于流体流动通过其中。从其流体入口到其流体出口呈基本上笔直的路径的这些通道由其上涂覆有所述催化材料作为“活化涂层(washcoat)”以使得流动通过这些通道的气体接触该催化材料的壁确定。所述整体载体的流动通道是薄壁沟槽，其可以具有任何合适的横截面形状和尺寸，例如为梯形、矩形、正方形、正弦曲线形、六边形、椭圆形、圆形等。所述结构体可以含有以每平方英寸的横截面计约60～约600个或更多的气体入口孔(即“网眼”)。
所述陶瓷基材可以由任何合适的耐熔材料制成，例如堇青石、堇青石-氧化铝、氮化硅、锆石莫来石、锂辉石、氧化铝-二氧化硅氧化镁、锆石硅酸盐、硅线石、硅酸镁、锆石、透锂长石、氧化铝、硅铝酸盐等。
可用于本发明的层状氨氧化催化剂的基材优选地本质上为金属并且可以由一种或多种金属或金属合金组成。所述金属基材可以多种形式例如波纹片材或整体形态使用。优选的金属基材包括所述耐热金属和金属合金例如钛和不锈钢以及其中铁为基本或主要成分的其它合金。这些合金可以含有镍、铬和/或铝中的一种或多种，并且这些金属的总量可以有利地占所述合金的至少15wt％，例如10～25wt％的铬、3～8wt％的铝和至多20wt％的镍。这些合金还可以含有少量或痕量的一种或多种其它金属例如锰、铜、钒、钛等。为了通过在所述基材的表面上形成氧化物层来提高该合金的耐腐蚀性，可以在高温例如1000℃和更高温度下将所述金属基材的表面氧化。这种高温诱导的氧化作用可以增强所述耐熔金属氧化物支撑体和催化剂组分对所述载体的粘附性。
其上置有本发明的层状氨氧化催化剂的优选基材包括通常被称作“FeCr合金”的呈厚度为约0.0254～约0.051mm并且其表面上施加“鲱骨状”图案的金属箔形式的铁-铬合金。当所有催化组分已经沉积在所述金属箔上并且已经将该金属箔煅烧之后，将其折叠并插入末端开口的容器例如不锈钢管或“FeCr合金”管(圆柱形或多边形)中用于实施本发明的氨氧化过程。
通过以下方法可以容易地制得本发明的层状氨氧化催化剂：
1.将所选择的耐熔金属氧化物(例如以含有约30～约40wt％γ-氧化铝的含水浆料形式的γ-氧化铝)沉积(即涂覆)在被选基材(例如其表面上印有鲱骨状图案的“FeCr合金”箔)的表面上。对所述基材表面的涂覆容易地通过将所述基材浸入该含水浆料中而实现。
2.将被涂覆的基材干燥，例如在约80～约130℃的温度下持续约3～约12小时。优选地，然后将已经干燥的被涂覆基材在约300～约700℃的温度下煅烧约0.5～约4小时。
3.然后将所述铂组分沉积在由步骤2得到的被涂覆基材的表面上。通常，所述铂组分以化合物或配合物的形式使用以实现该组分在耐熔金属氧化物支撑体例如γ-氧化铝上的分散。优选通过用所述铂组分的水溶液喷射由步骤2得到的基材的表面来实现所述铂组分的沉积。
就本发明而言，术语“铂组分”指的是在其煅烧或使用时可分解成或者另外转化成催化活性形式(通常为所述金属或金属氧化物)的任何化合物、配合物等。可以使用所述铂金属的水溶性化合物或水分散性化合物或者配合物，只要用于将铂金属浸渍或沉积在所述耐熔金属氧化物支撑体上的液体介质不会不利地与所述铂金属或其化合物或其配合物或者可以存在于所述催化剂组合物中并且能够通过在加热和/或施加真空时挥发或分解而从所述金属组分中除去的其它组分反应。例如，合适的化合物是氯铂酸、胺溶解的氢氧化铂、硝酸铂等。
4.将由步骤3得到的基材干燥，例如在约80～约130℃的温度下持续约6～约12小时，以及然后在约300～约700℃的温度下煅烧约12～约24小时。
5.用钒化合物例如偏钒酸铵或草酸钒的水溶液处理由步骤4得到的基材。
6.将由步骤5得到的基材干燥，例如在约80～约130℃的温度下持续约6～约12小时，以及然后在约300～约700℃的温度下煅烧约12～约24小时。
如上所述，废气流一特别是从固定源例如以天然气为燃料的发电设备中排出的那些含有超过目前联邦空气质量规章所允许量的氨。这些过量的氨得自于在SCR催化剂的存在下将氨料流注入所述废气流中以将该气流中的氮氧化物含量还原成氮气而使得所处理的废气流含有低于目前联邦空气质量规章所允许的最大含量的氮氧化物。因此必须对所述废气流进行进一步处理以将氨量降低到在由该规章所允许的最大值以下的水平并且不会伴有在将其释放到大气中之前所述废气流中氮氧化物的量显著增加。
排出SCR催化剂床的废气流通常含有约5～约20ppm的氨、约5～约50ppm的一氧化碳、约5～约15％的二氧化碳、约5～约15wt％的水(以蒸汽的形式)和约70～约90wt％的空气以使得总氧气含量为至少约14wt％。在本发明的方法中，根据以下反应在本发明的层状氨氧化催化剂的存在下通过空气中的氧气将该气流中的氨选择性地氧化成氮气：
根据以下反应，存在于所述废气流中的任何一氧化碳被同时氧化成二氧化碳：
用于将所述气流中的氨选择性地氧化成氮气的本发明方法包括：在氧化剂的存在下于约200～约375℃、优选200～300℃的温度下将所述含有氨的废气流与本发明的层状氨氧化催化剂(如上面充分公开的那样)接触。该氧化剂通常是以已经存在于待处理的废气流中的空气形式的氧气。然而，如果需要，则可以将补充供给的空气注入所述废气流以确保在反应期间的氧气含量为至少10wt％。
以下的非限定性实施例用来解释本发明的实施方案。
实施例1-氨氧化催化剂的制备
将厚度为0.051mm并且其表面上印有鲱骨状图案的“FeCr合金”箔浸渍于30wt％表面积为150m2/g的γ-氧化铝的含水浆料中。数分钟之后，将该箔从所述含水浆料中取出并且在110℃下干燥8小时，随后在500℃下煅烧2小时。然后将该γ-氧化铝涂覆的金属箔浸渍于10wt％的胺溶解的氢氧化铂水溶液中持续数分钟，在110℃下干燥8小时，随后在500℃下煅烧16小时。所得的铂浸渍的氧化铝催化剂含有60g/ft3的铂。
然后将所述铂浸渍的氧化铝催化剂浸渍于5wt％的偏钒酸铵水溶液中数分钟，在110℃下干燥8小时，随后在500℃下煅烧16小时。所得的层状钒-铂-氧化铝催化剂含有65g/ft3的氧化钒。随后，将0.6英尺的成品催化剂箔折叠并且置于壁厚为0.79mm、长度为6.25英寸和直径为0.75英寸的末端开口的不锈钢管中。
实施例2-对比催化剂的制备
以与上述相同的方式制备通常用于氨氧化反应的催化剂，不同的是所述基材为堇青石而不是金属箔。另外，如下所示，在一些情形中使用不同于γ-氧化铝的支撑体。用于对比实施例的组分和制备方法如下：
对比催化剂A：将60g Pt和0.44g BaO沉积在已经沉积于堇青石上的γ-氧化铝上。
对比催化剂B：将60g Pt和1wt％铑沉积在已经沉积于堇青石上的γ-氧化铝上。
对比催化剂C：将60g Pt和0.58g SrO沉积在已经沉积于堇青石上的γ-氧化铝上。
对比催化剂D：将60g Pt和0.88g CeO2沉积在已经沉积于堇青石上的γ-氧化铝上。
对比催化剂E：将60g Pt和0.62g MnO沉积在已经沉积于堇青石上的γ-氧化铝上。
对比催化剂F：将38g/ft3 Pt沉积在已经沉积于堇青石上的γ-氧化铝上。
对比催化剂G：将80g/ft3 Pt沉积在已经沉积于堇青石上的由Zr-Si组成的支撑体上。
对比催化剂H：将80g/ft3 Pt沉积在已经沉积于堇青石上的由Ti组成的支撑体上。
对比催化剂I：将24g/ft3 Pt和6g/ft3 Pd的混合物沉积在已经沉积于堇青石上的γ-氧化铝上。
对比催化剂J：将15g/ft3 Pt沉积在已经沉积于堇青石上的由Ti组成的支撑体上。
对比催化剂K：将3.3wt％氧化钒沉积在19g/ft3 Pt上，所述Pt被沉积在已经沉积于堇青石上的由Mn-Zr组成的支撑体上。
对比催化剂L：将2g/ft3 Pt沉积在已经沉积于堇青石上的γ-氧化铝和二氧化铈的混合物(50∶50)上。
实施例3-实施例1的层状氨氧化催化剂与对比催化剂A-L的性能评价
采用含有1.3ppm NOx、300ppm CO、15ppm NH3、10％H2O、10％O2和80％N2的气流来评价实施例1和2的每一催化剂的性能。使气流在70,000VHSV的空速下流过每一催化剂同时保持275℃的反应温度。用“1312Multi-Gas分析仪”(California Instruments，San Deigo，CA)测量NOx、CO和NH3的入口和出口ppm量。如下计算NH3和CO的百分比转化率：
％转化率＝入口ppm-出口ppm/入口ppm×100
每一催化剂的NH3和CO的％转化率以及NOx的出口ppm示于下表I中：
                          表I
催化剂 NH3转化率％   CO转化率％ 出口ppm NOx
实施例1 94   98 2.4
催化剂A 80.44   97.3 4.4
催化剂B 97.73   97.43 5.6
催化剂C 56   53.65 4.5
催化剂D 92.05   97.43 3.4
催化剂E 83.87   98 3.4
催化剂F 91   96 5.9
催化剂G 95.56   99.66 3.70
催化剂H 90   97.80 4.45
催化剂I 84   87 3.90
催化剂J 71   94 5.25
催化剂K 79   98 6.25
催化剂L 79   90 7.20
从表I中所示的结果可以看出，本发明的氨氧化催化剂(实施例1)得到最低的NOx形成量并且没有牺牲NH3和CO的转化效率。
尽管已经参照了特定的实施方案描述了本发明，但这些实施方案旨在说明并且不是本发明的精神和范围内的实施方案的详尽列举。

Claims (10)

1.一种层状氨氧化催化剂，其包含：耐熔金属氧化物、置于所述耐熔金属氧化物上的铂层和置于所述铂上的氧化钒层。
2.权利要求1的催化剂，其置于基材上。
3.权利要求1的催化剂，其中所述铂以基于所述耐熔金属氧化物的重量为约0.5～约4wt％的量存在。
4.权利要求1的催化剂，其中所述氧化钒以基于所述耐熔金属氧化物的重量为约0.5～约4wt％的量存在。
5.一种制备氨氧化催化剂的方法，其包括以下步骤：
(a)将耐熔金属氧化物沉积在基材的表面上；
(b)将铂组分沉积在由步骤(a)得到的基材的表面上；
(c)将由步骤(b)得到的基材干燥并然后在约300～约700℃的温度下煅烧；
(d)将钒组分沉积在由步骤(c)得到的基材的表面上；和
(e)将由步骤(d)得到的基材干燥并然后在约300～约700℃的温度下煅烧。
6.权利要求1或5的基材，其中所述基材选自具有印在其表面上的鲱骨状图案的“FeCr合金”箔和具有蜂窝结构的耐熔陶瓷。
7.权利要求1或5的耐熔金属氧化物，其中所述耐熔金属氧化物包含表面积为约60～约300m2/g的γ-氧化铝。
8.权利要求5的方法，其中在进行步骤(b)之前将由步骤(a)得到的基材干燥并然后在约300～约700℃的温度下煅烧。
9.一种用于将存在于废气流中的氨选择性地氧化成氮气的方法，其包括在氧化剂的存在下于约200～约375℃的温度下将所述废气流与层状氨氧化催化剂接触，所述层状氨氧化催化剂包含耐熔金属氧化物、置于所述耐熔金属氧化物上的铂层和置于所述铂上的氧化钒层。
10.权利要求9的方法，其中所述氧化剂包含含有至少约10wt％氧气的气流。
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