DE3511521A1 - Verfahren zum entfernen von schwefeldioxid aus gasen - Google Patents
Verfahren zum entfernen von schwefeldioxid aus gasenInfo
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Description
Verfahren zum Entfernen von Schwefeldioxid aus Gasen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entfernen von Schwefeldioxid
aus Schwefeldioxid und Sauerstoff enthaltenden Gasen, wobei diese Gase mit einem kupferhaltigen Akzeptor in Kontakt gebracht werden, der auf
einem thermostabilen inerten Träger Kupfer enthält, der erhaltene beladene Akzeptor dadurch regeneriert wird, daß der Kontakt mit dem
Schwefeldioxid und Sauerstoff enthaltenden Gas beendet und der beladene
AkZe1 tor danach mit einem reduzierenden Gas in Kontakt gebracht wird,
und der regenerierte Akzeptor wieder in Kontakt mit dem Schwefeldioxid und Sauerstoff enthaltenden Gas gebracht wird.
Beim Verbrennen von fossilen Energieträgern, wie Kohle, Erdöl, usw.,
werden die in den Energieträgern enthaltenen Schwefelverbindungen zum größten Teil in Schwefeldioxid übergeführt. Bekanntlich ist die Umweltverschmutzung
durch dieses Schwefeldioxid ein ungeheures Problem, das noch nicht ausreichend gelöst ist. Kraftwerke, technische Verbrennungsanlagen und chemische Anlagen, bei denen Schwefeldioxid freigesetzt
•wird, sollten deshalb mit Vorrichtungen bzw. Verfahren zum Entfernen des Schwefeldioxids ausgerüstet werden, die die Schwefeldioxid-Emissionen
möglichst wirksam unter möglichst geringem Aufwand und möglichst geringen Kosten entfernen. Die zur Zeit technisch bedeutungsvollsten
Verfahren hierzu sind die sogenannten Naß-Prozesse. Danach wird das
Schwefeldioxid absorbiert, z.B. in einer Suspension von Kalziumhydroxid oder Kaliumcarbonat in Gegenwart von Sauerstoff. Dabei fällt aus der
Lösung Kalziumsulfat (Gips) aus, der in irgendeiner Weise beseitigt werden muß. Ein beträchtlicher Nachteil dieses Verfahrens liegt in
der notwendigen Beseitigung der großen Gipsmengen von meist schlechter technischer Qualität, wobei wiederum erhebliche Umweltprobleme durch
die Ablagerung und hohe Kosten anfallen.
Deshalb wurden folgende Verfahren vorgeschlagen:
Anreicherung des S0„, d.h. dessen Abtrennung aus dem Abgas, in dem
es in nur niedriger Konzentration vorliegt, und Erzeugung eines Gasstromes, der überwiegend aus Schwefeldioxid besteht. Dieser S0„-reiche
Gasstrom kann z.B. im Claus-Verfahren oder zur Herstellung von Schwefelsäure eingesetzt werden. Eine weitere Möglichkeit ist die Hydrierung
-Jt-
des Schwefeldioxids über geeigneten Katalysatoren unter Bildung von
Schwefelwasserstoff. Dieser kann dann mit hoher Spezifität in elementaren
Schwefel übergeführt werden.
Gemäß diesem Verfahren werden die großen Flüssigkeitsmengen vermieden,
die in Naß-Prozessen erforderlich sind. Dadurch wird das Abkühlen des Abgases vermieden, und es wird auch das Problem der Beseitigung von
Gips' vermieden. Wenn man, wie oben erwähnt, das SCL in H„S überführt,
ist es wichtig, daß der Schwefelwasserstoff in möglichst konzentrierter Form anfällt, da beispielsweise bei Anwendung des bekannten Claus-Verfahrens
die Verarbeitung von verdünnten Schwefelwasserstoff-Gasströmen technisch nachteilig oder unter manchen Umständen sogar unmöglich sein
kann. Unabhängig hiervon ist es natürlich vorteilhaft, möglichst konzentrierte
Gasströme zu verarbeiten, da dies den Energieverbrauch durch Aufheizen und Abkühlen vermindert.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabenstellung zugrunde, das
Verfahren zur Entfernung von Schwefeldioxid aus Gasen zu verbessern, "wobei ein Gasstrom erzeugt wird, der das Schwefeldioxid in konzentrierter
oder reinerer Form enthält oder der möglichst weitgehend aus Schwefeldioxid besteht. Bei der Lösung dieser Aufgabe sollten möglichst
weitgehend die folgenden Forderungen erfüllt werden:
1. Eine selektive Entfernung von Schwefeldioxid aus dem Gasstrom, wobei
unerwünschte Nebenreaktionen nicht stattfinden.
2. Der Akzeptor für das Schwefeldioxid sollte eine möglichst hohe Absorptionskapazität
haben.
3. Die Durchbruchskurve sollte einen starken Anstieg haben, d.h. bis
zum Durchbruch sollte das Abgas praktisch kein Schwefeldioxid enthalten; danach soll aber der Schwefeldioxidgehalt im Abgas steil
ansteigen.
4. Die Regeneration des Akzeptors soll technisch einfach und wirksam
sein, und s$ev Akzeptor soll eine geoße Zahl von Absorptions-Regenerations-Zyklen
aushalten. Die Druchbruchskurve für das zur Regeneration verwendete Gas soll ebenfalls steil sein.
5. Der Akzeptor soll unter allen Verfahrensbedingungen thermostabil
sein.
Zu den in Ziffer 1 genannten unerwünschten Nebenreaktionen gehörten
z.B. die Bildung von Kohlenstoffablagerungen auf dem Akzeptor, wenn das behandelte Gas Kohlenmonoxid enthält.
Die tinter Ziffer 2 genannte hohe Absorptionskapazität bedeutet eine
hohe Kapazität für die Aufnahme an Schwefeldioxid durch den Akzeptor,
wobei der Gasstrom, der den den Akzeptor enthaltenen Reaktor verläßt,
praktisch überhaupt kein Schwefeldioxid mehr enthält, d.h. die Schwefeldioxidmenge
sollte möglichst unter 1 ppm liegen. Es gibt natürlich Absorptionsmassen, die verhältnismäßig große Mengen Schwefeldioxid
binden können, wobei jedoch die Schwefeldioxid-Konzentration im Abgas relativ hoch ist. Dies ist natürlich keine technisch befriedigende
Lösung, weil dann das Abgas immer noch relativ große Mengen Schwefeldioxid enthält, was natürlich nicht erwünscht ist. Eine hohe Aufnahmekapazität
an Schwefeldioxid ohne Berücksichtigung des Schwefeldioxid-•Gehalts
im Abgas des Absorptions-Reaktors gibt deshalb kein klares Bild für die technische Brauchbarkeit eines Akzeptors.
Die in Ziffer 3 erwähnte steile Durchbruchskurve ist in gewissem Umfang
mit der vorstehend beschriebenen Aufgabe verbunden. Wenn das Schwefeldioxid sehr schnell mit dem Akzeptor reagiert, wird es praktisch
vollständig entfernt, und im Abgas wird praktisch kein Schwefeldioxid mehr gefunden. Auf diese Weise kann die gesamte theoretische
Aufnahmekapazität des Akzeptors bis zum dem Zeitpunkt ausgenutzt werdern, bei dem nicht mehr tolerierbare Partialdrucke an Schwefeldioxid
im Abgas vorliegen. Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird die Absorptionskapazität
des Akzeptors definiert als das Molverhältnis von Schwefeldioxid zum im Akzeptor enthaltenen Kupfer, das zu dem Zeitpunkt
vorliegt, bei dem die Schwefeldioxid-Konzentration im den Reaktor verlassenden Gas über 1 ppm steigt. Dies ist eine extrem strenge Definition
für die Absorptionskapazität.
Unter der in Ziffer 4 erwähnten wirksamen Regeneration eines kupferhaltigen
Akzeptors wird im wesentlichen verstanden, daß Wasserstoff oder ein anderes reduzierendes Gas sehr schnell mit den bei der Auf-
-X-
nähme des Schwefeldioxids gebildeten Kupfersulfat-Teilchen unter Bildung
von metallischem Kupfer oder Kupferoxid und Schwefeldioxid reagiert. Das entstandene Schwefeldioxid entweicht mit dem Gasstrom.
Es ist natürlich wirtschaftlich besonders vorteilhaft, wenn eine mögliehst
große oder im Idealfall die gesamte Menge des im Gasstrom enthaltenen
Reduktionsmittels mit dem beladenen Akzeptor reagiert, bis dieser im wesentlichen die gesamte Kupfermenge in Form von metallischem
Kupfer oder Kupferoxid enthält, und im Abgasstrom während des Regenerationsverfahren
praktisch kein Reduktionsmittel, insbesondere kein Wasserstoff mehr enthalten ist. Insbesondere dann, wenn Wasserstoff
als Reduktionsmittel verwendet wird, sollte im Gasstrom, der reich an Schwefeldioxid ist, kein Wasserstoff mehr vorliegen, da nicht umgesetzter
Wasserstoff durch aufwendige Trennungsverfahren aus dem Abgas entfernt werden muß, wenn das Schwefeldioxid der Regenerationsstufe
nach gewissen Verfahren weiter aufbereitet werden soll. Wenn im Abgas hochkonzentriertes oder weitgehend reines Schwefeldioxid (möglicherweise
neben einem inerten Trägergas) vorliegt, kann das Abgas der Regenerationsstufe in üblichen Claus-Vorrichtungen weiterverarbeitet
"werden, was wirtschaftlich außerordentlich attraktiv ist. Wenn jedoch der in der Regenerationsstufe erhaltene an Schwefeldioxid reiche Gasstrom
viel Wasserstoff ehthält, müßte man eine kryogene Trennung von SO« und Wasserstoff durchführen, was sehr teuer ist, oder man kann
das Gasgemisch über einen Comox-Katalysator führen, wobei aus beiden Komponenten Schwefelwasserstoff gebildet wird. Dies kann wirtschaftlieh
unattraktiv sein, weil große Mengen an teurem Wasserstoff verbraucht werden.
Die unter Ziffer 5 erwähnte erforderliche Thermostabilität ist insbesondere
deshalb wichtig, weil das Verfahren stark exotherm ist. Es treten deshalb zahlreiche Probleme auf, wenn der Akzeptor während der
Verwendung mechanisch zerstört wird, weil der thermisch nicht ausreichend stabil ist.
Die auftretenden Reaktionen bei der Absorption/Regenerierung sind:
35
Absorption: ^. CuO + SO« + 1/2 0« -^ CuSO.
Reduktion (z.B.) CuSO4 + 2 H« ->
Cu + 2H2O + SO«
Re-oxidierung: Cu + 1/2 O2 -» CuO
Deshalb muß das Gas in der Absorptionsstufe eine ausreichende Sauerstoffkonzentration
haben. Rauchgase enthalten in der Regel eine ausreichende Menge.
Es sind Verfahren bekannt, mit denen versucht wird, diese Aufgabenstellung
weitgehend zu lösen, wobei als Akzeptor eine Absorptionsmasse eingesetzt wird, die Kupfer auf einem thermostabilen Träger enthält.
US-A-3 957 952 beschreibt die Verwendung eines Kupfer-Akzeptors mit
einer gegenüber dem damaligen Stand der Technik verbesserten Absorptionskapazität.
Der Träger enthält mindestens 30 Gew.-?o Aluminiumoxid,
das bei einer Temperatur über 78O0C kalziniert und mit einer Lösung
enthaltend Kationen von einem oder mehreren der Metalle Aluminium,
Magnesium, Titan oder Zirkon entweder vor oder gleichzeitig mit der Iniprägnation mit einer Lösung enthaltend Kupfer-Kationen imprägniert
wird. Das Aluminium, Magnesium, Titan und Zirkon muß in einem Atomverhältnis von 1:0.5 bis 1:5 des in der Lösung vorhandenen Kupfers vor-'liegen.
Der Träger wird mit einer Lösung imprägniert die ein oder mehrere Alkalimetalle enthält, wobei diese Imprägnierung gleichzeitig
oder nach der Impregnation mit der Lösung enthaltend Aluminium, Magnesium, Titan und Zirkon erfolgen kann. Dadurch enthält der Akzeptor
Alkalimetalle auf den Träger in einer, Menge von 1 bis 30 Gew.-?o des
Gesamtgewichts des Akzeptors. Dieser Akzeptor hat mehrere Nachteile.
Ein wesentlicher Nachteil liegt darin, daß er eine sehr allmählich
ansteigende. Durchbruchskurve hat. Dieser Nachteil wird umso ausgeprägter, je öfter der Akzeptor regeneriert wurde. Obwohl die berichtete
Kapazität relativ gut ist, ist es deshalb schwierig, diese Kapazität technisch wirksam auszunutzen, weil eine allmählich ansteigende Durchbruchkurve
die Verwendung von großen Reaktoren mit einer großen Menge Akzeptor erfordert. Dies ist natürlich unwirtschaftlich. Außerdem führt
dies zu einem hohen Wasserstoffverbrauch bei der Regeneration, weil die Absorption aufgrund der allmählich ansteigenden Durchbruchkurve
schon abgebrochen werden muß, wenn noch eine relativ große Menge Kupferoxid im Akzeptor vorliegt. Bei der Regeneration wird dann auch dieses
Kupferoxid zu metallischem Kupfer reduziert, und eine entsprechend große Menge Wasserstoff wird nutzlos verwendet.
Ein anderer Nachteil liegt in der geringen Kupfer-Beladung. Es wird
eine maximale Beladung mit 15 Gew.-?o Kupfer berichtet! Ein weiterer
Nachteil liegt in dem verhältnismäßig kleinen Temperatur-"Fenster"
für die Durchführbarkeit des Verfahrens. Dieses soll nur bei 350 bis
4750C durchführbar sein.
Eine andere Akzeptormasse ist in der US-A-4 001 376 beschrieben. Sie
enthält auch Kupfer bzw. Kupferoxid als aktives Material, während Aluminiumoxid (vorzugsweise Gamma-Aluminiumoxid) als Basis-Trägermaterial
sowie ein zusätzliches thermostabiles Material verwendet wird, vorzugsweise
Titanoxid oder Zirkonoxid. Dieses liegt in einer Menge von etwa 2 bis 20 Gew.-?o, bezogen auf das Gewicht des Aluminiumoxids, vor. Auch
diese Akzeptor-Masse wird dadurch hergestellt, daß der Träger mit einer
Kupfernitratlösung imprägniert, getrocknet und dann kalziniert wird.
Es wird eine sehr geringe Beladung mit Kupfer erzielt, die noch niedrirger
ist, wie gemäß US-A-3 957 952. Außerdem ist die spezifische Absorp^
tionskapazität niedrig (Mol S0„ pro Atom Kupfer). Gemäß Tabelle VII
in Spalte IA der US-A-4 001 376 wird nur eine Kupfer-Ausnützung von
^maximal 26 % erzielt. Die US-A-4 039 478 der gleichen Erfinder be«
schreibt eine ähnliche Akz"eptor-Masse, die ebenfalls eine verhältnis*
mäßig niedrige Absorptionskapazität (unter 26 %) hat. Wie aber oben
bereits erläutert, ist eine hohe Absorptionskapazität bei gleichzeitig
gern steilen Anstieg der Durchbruchkurve für Schwefeldioxid wesentlich
für eine wirtschaftliche Durchführung des Verfahrens. Wenn diese Forderungen erfüllt werden, genügen zunächst kleinere Reaktoren mit §nt»
sprechend niedrigeren Investment-Kosten und geringeren Mengen an Akzeptor.
Weiterhin sind die Regenerationskosten niedriger. Wenn der Kupfe?·-
Akzeptor mit Wasserstoff regeneriert wird, wird das gebildete Kupfer«
sulfat wieder zu metallischem Kupfer reduziert. Dabei wird aber §ueh
noch vorhandenes Kupferoxid zu metallischem Kupfer reduziert. Bei df? Regeneration wird also nicht nur das gebildete Kupfersulfat, sondern
auch das nicht umgewandelte Kupferoxid des Akzeptors zu metallischem Kupfer reduziert. Dabei wird unnötig Wasserstoff verbraucht. Um dsnn
die Kupfer-Akzeptor-Masse für die Absorption wieder verwendbar zu machen, muß das Kupfermetall zunächst zu Kupferoxid in einer sauerstoffhaltigen
Atmosphäre zurückoxidiert werden. Dies muG nicht in einer getrennten Stufe erfolgen, wenn das Gas, aus dem das Schwefeldioxid
entfernt werden soll, eine ausreichende Menge Sauerstoff enthält. In
diesem Fall ist es nicht nötig, die Masse nach der Regeneration in
einer besonderen Rück-Oxidationsstufe unter Bildung von Kupferoxid zu oxidieren, vielmehr oxidiert der im zu behandelnden Gas vorhandene
Sauerstoff in der Absorptionsstufe das Kupfer zu Kupferoxid, das dann
mit dem Schwefeldioxid unter Bildung von Kupfersulfat wieder reagiert. Nach der Regeneration genügt es also, wenn unmittelbar danach die regenerierte
Masse zur Entfernung von Schwefeldioxid gemäß dem Verfahren der Türfindung eingesetzt wird, wobei gegebenenfalls zwischendurch ein
Spülen des Reaktors mit einem Inertgas erfolgen kann.
Die Bedingungen für diese Verfahrensstufen müssen so gewählt werden,
daß die ursprüngliche mechanische Struktur der Masse nicht zerstört wird. Die Kupferteilchen dürfen nicht zusammenbacken oder unter Bildung
von sehr großen Metallteilchen sintern. Die Reduktion und die Rück-Oxidation können in diesem Sinne Probleme bringen, weil sie exotherm
ist. Wenn nur ein Teil des Kupferoxids bei der Absorption in Kupfersulfat übergeführt wird, muß das verbleibende Kupferoxid, wie erwähnt, bei
der Regeneration zu Kupfer reduziert und dann wieder zu Kupferoxid *re-oxidiert werden. Dies ist natürlich ein unerwünschter Verbrauch
an Reduktionsmittel, der unwirtschaftlich ist. Die Unwirtschaftlichkeit
dieses Verfahrens wird besonder deutlich beim Betrachten der nachfolgenden Tabelle 1, in der die theoretischen Mindestmengen an erforderlichem
Wasserstoffverbrauch angegeben sind für einige Molar-Verhältnisse Schwefel zu Kupfer sowie für den optimalen Fall, daß das gesamte
Kupferoxid bei der Absorption von Schwefelwasserstoff in Kupfersulfat übergeführt, wurde.
Wasserstoff-Verbrauch bei der Regeneration von beladenen Kupfer-Akzeptoren
als Funktion der molaren S0?/Cu0 Verhältnisse am Ende der Absorptionsstufe.
S0?/Cu0 Mol-Verhältnis · 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00
, ..
relativer
relativer
Wasserstoffverbrauch " 3.00 1.75 1.34 1.13 1.00
Dies zeigt besonders deutlich, daß ein großes Bedürfnis für eine Akzeptor-Masse
besteht, die eine hohe Kapazität für die Absorption von SCL hat und auch nach zahlreichen Absorptions-Regenerations-Zyklen nicht
zerstört wird, d.h. nach vielen hundert Zyklen noch wirksam arbeitet.
Avsorptionsmassen auf Basis von Kupferoxid als aktivem Material, die
dieses Erfordernis auch nur annähernd erfüllen würden, sind bisher nicht bekannt.
Nach den bekannten Verfarhen ist es auch nicht möglich, bei der Regeneration
einen im wesentlichen "reinen" Schwefeldioxid-Strom zu erhalten.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren, bei dem der Akzeptor mit
Kupfer in einer solchen Menge beladen ist, daß das Gewicht des Kupfers mehr als 10 Gew.-% beträgt, berechnet als metallisches Kupfer und bezogen
auf das Gesamtgewicht des Akzeptors, und daß das Kupfer auf dem thermostabilen Träger in so feiner Verteilung vorliegt, daß es in reduzierter
Form vorliegend auf dem Träger eine spezifische Oberfläche 'von mehr als 60 m2 pro g des auf dem Träger befindlichen metallischen
Kupfers aufweist.
Das wesentliche Merkmal des gemäß der Erfindung verwendeten Akzeptors
liegt also darin, daß das auf dem thermostabilen Träger befindliche Kupfer eine außerordentlich hohe spezifische Oberfläche aufweist. Darunter
wird im Sinne der Erfindung die der Gasphase zugängliche Oberfläche verstanden.. Diese wird gemessen, wenn das Kupfer in reduzierter Form
als metallisches Kupfer vorliegt. Um einwandfreie Meßwerte zu erhalten, muß das Kupfer praktisch vollständig in reduzierter Form als metallisches
Kupfer vorliegen. Eine möglichst weigehende und praktisch vollständige Reduktion und die Messung der spezifischen Oberfläche der reduzierten
Akzeptor-Masse können beispielsweise gemäß den nachfolgend beschriebenen Verfahren durchgeführt werden: Zur Reduktion wird über den Akzeptor
ein Gasgemisch aus 10 50 Wasserstoff und 90 ?ό Stickstoff geleitet. Dabei
wird der Akzeptor mit einer Geschwindigkeit von 250C pro Stunde auf
4000C erhitzt. Bei dieser Temperatur wird noch mindestens weitere 5 Stunden
lang das Gasgemisch aus Wasserstoff und Stickstoff über den Akzeptor geleitet. Anschließend wird abgekühlt und mit Stickstoff gespült. Der
Akzeptor ist dann für die Bestimmung der spezifischen Kupferoberfläche vorbehandelt.
Zur Bestimmung der spezifischen der Gasphase zugänglichen Kupferoberfläche
des reduzierten Katalysators wird das folgende, zuerst von Schölten
und Konvalinka (Trans. Farad. Soc. 65_, 2465 (1969)) beschriebene,
nachstehende Verfahren befolgt. Die Methode basiert auf der dissoziativen Chemiesorption von Distickstoffoxid gemäß der Gleichung
N-O :-* 0(ads) + N„. Die oben genannten Autoren haben gefunden, daß
die Zersetzungsgeschwindigkeit von Distickstoffoxid nach der Adsorption von* etwa einem Sauerstoffatom auf zwei Kupferatome an der Oberfläche
stark abnimmt. Die Zersetzungsgeschwindigkeit kann wie folgt gemessen werden. Eine Probe des reduzierten Katalysators wird in einer Hochvakuumapparatur
evakuiert. Nach der Evakuierung wird eine geringe Dosis N7O zu der Probe gegeben, welche bei 9O0C gehalten wird. Nach einer
bestimmten (genau bekannten) Zeit nach der Zugabe des N„0 wird der
Druck in der Probenkammer, welche ein bekanntes Volumen aufweist, gemessen. Aus dem beobachteten Druckabfall kann die Menge an nicht-dissoziativ
absorbiertem Distickstoffoxid berechnet werden. Gleichzeitig wird das verbleibende gasförmige N_0 in einer bei 77 K gehaltenen Kältefalle
kondensiert. Aus dem so erhaltenen Druck, welcher auf moleku-• laren Stickstoff zurückzuführen ist, kann die Menge an dissoziativ
chemiporbiertem Distickstoffoxid bestimmt werden. Da außerdem die Sorptionszeit
genau bekannt ist, kann die Geschwindigkeit der dissoziativen Chemiesorption leicht abgeleitet werden. Daran anschließend wird eine
neue Dosis N„0 zu der Probe zugegeben und das oben beschriebene Verfahren
wiederholt.
Nach einer Anzahl von Dosen nimmt die Geschwindigkeit der Chemiesorption
stark ab. Von der integralen Menge an dann aufgenommenem N7O und
unter der Annahme, daß jedes adsorbierte Sauerstoffatom zwei Kupferatomen
an der Oberfläche entspricht, kann die insgesamt verfügbare Kupferoberfläche in der Probe berechnet werden. Dabei wird eine mittlere
Kupferoberflächendichte (mean copper surface density) (der reziproke
IB
Wert der spezifischen Oberfläche in m2 pro Atom), von 14.6 χ 10 Atomen/m2
angenommen.
Diese Verfahren sind u.a. auch beschrieben in der Dissertation von
Johannes van der Meijden, Universität Utrecht, Holland (1981). In dieser
Dissertation sind auch Verfahren zur Herstellung von mit Kupfer bzw. Kupferoxid beladenen thermostabilen Trägern beschrieben, wie sie gemäß
der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
/IA
Bevorzugt wird gemäß der Erfindung ein Akzeptor verwendet, dessen Kupfer
eine spezifische Oberfläche von mehr als 80 m2 pro g des im Akzeptor
vorliegenden metallischen Kupfers hat.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die spezifische Oberfläche über 90 m2
pro "g Kupfer liegt. Die obere Grenze für die spezifische Oberfläche ist nicht besonders kritisch, denn sie hängt im wesentlichen davon
ab,' welche Obergrenze überhaupt bei der Herstellung des Akzeptors erzielt werden kann.
Die Ursache für eine hohe spezifische Oberfläche liegt naturgemäß darin,
daß das Kupfer in außerordentlich feinen Teilchen vorliegt. Diese feinen Teilchen müssen notwendig auf dem Träger vorliegen, um eine große Kupferoberfläche
gemäß der Erfindung zu erhalten. Aufgrund der überraschenden Ergebnisse, die mit derartigen Kupfer-Akzeptoren erzielt werden, erscheint
es so, daß gegenüber dem Stand der Technik, der oben erörtert wurde, die außerordentlich feine Verteilung des Kupfers auf dem thermostabilen
Träger die Ursache für die vorzüglichen Eigenschaften beim • Verfahren gemäß der Erfindung sind, d.h. daß gemäß dem Verfahren der
Erfindung das Schwefeldioxid in so vorteilhafter Weise entfernt und der Akzeptor regeneriert und wiederverwendet werden können.
Als thermostabile bzw. feuerfeste, inerte, Trägerstoffe können viele
Verbindungen gemäß der Erfindung eingesetzt werden, die eine große spezifische Oberfläche besitzen und gemäß dem Stand der Technik zur
Herstellung von Katalysatoren oder Akzeptoren zum Absorbieren von Schwefeldioxid eingesetzt werden. Insbesondere Siliciumdioxid ist als
Träger bevorzugt. Es ist nicht nötig, daß es eine spezielle zusätzliche Behandlung erhalten hat, wie z.B. in den oben erörterten US-A-3 957
und 4 001 376.
Geeignete thermostabile Trägerstoffe sind im Handel in großer Zahl
erhältlich und werden in großen Mengen und Variationen zur Herstellung von Katalysatoren der verschiedensten Art hergestellt. Besonders geeignet
sind die unter dem eingetragenen Warenzeichen AEROSIL im Handel erhältlichen Siliciumdioxide mit spezifischen Oberflächen von z.B.
mindestens 200 m2/g, besonders bevorzugt mindestens 380 m2/g.
Die gemäß der Erfindung verwendeten Akzeptoren können außerordentlich
große Mengen an Kupfer als aktiver Komponente erhalten. Zweckmäßig
ist der gemäß der Erfindung verwendete Akzeptor mit Kupfer in einer
Menge beladen, daß das Gewicht des Kupfers mehr als 10 Gew.-?o, berechnet
als metallisches Kupfer und bezogen auf das Gesamtgewicht des Akzeptors,
beladen ist. Die Kupfermenge liegt vorteilhaft über 16 Gew.-%
und "besonders bevorzugt über 25 Gew.-?o. Diese hohe Kupferbeladung führt
naturgemäß zu Akzeptoren, die eine außerordentlich hohe Kapazität bezogen auf das Gesamtgewicht des Akzeptors haben.
Verfahren zur Herstellung der gemäß der vorliegenden Erfindung verwandten
Akzeptoren sind im einzelnen in der oben erwähnten Dissertation von van der Meijden (Seite 60) beschrieben. Im allgemeinen kann gesagt
werden, daß ein Akzeptor, welcher dadurch erhalten wird, daß Kupferverbindungen in einer verdünnten Lösung, welche Kupferionen und den
schwer-schmelzbaren oxidischen Träger suspendiert in fein verteilter Form enthält, unter Erhitzen und intensivem Rühren über einen relativ
langen Zeitraum durch Reaktion mit Hydroxylionen und bei einem pH-Wert von 3.5 bis 6 ausgefällt werden und der beladene Träger von der Lösung
abgetrennt, getrocknet, kalziniert und reduziert wird, erfindungsgemäß
ZO verwandt wird. Die in der verdünnten Lösung vorhandenen Kupferionen
rühren von löslichen Kupfersalzen wie Kupfernitrat, Kupferperchlorat,
etc. her. Die Temperatur, auf welche die Suspension zur Ausfällung
erhitzt wird, hängt von dem angewandten besonderen Fällungsverfahren ab. Wenn die Fällung durch Zersetzung von Harnstoff oder die dadurch
gebildeten Hydroxylionen bewirkt wird, beträgt die Temperatur etwa 80 bis IQOPC und effektiv etwa 9O0C, wenn andere Fällungsverfahren
angewandt werden, in welchen es nicht erforderlich ist, die Temperaturen zur Zersetzung von Hydroxylionen liefernden Verbindungen anzugeben,
können die Fällungstemperaturen auch niedriger sein. Intensives Rühren ist essentiell, so daß die Teilchen der Kupferverbindungen, welche
auf dem Träger ausfallen, so fein verteilt wie möglich sind. Das beladene
Siliciumdioxid wird von der Lösung in herkömmlicher Weise abgetrennt, beispielsweise durch Filtration, und wird trocken kalziniert bei einer
Temperatur von etwa wenigstens 35O0C, vorzugsweise von etwa wenigstens
4000C. Die obere Grenze ist dadurch bestimmt, daß der Akzeptor nicht
desaktiviertjwerden sollte und beträgt effektiv etwa 7000C, vorzugsweise
etwa 6000C. Die Dauer des Kalzinierens beträgt zweckmäßig 2 bis 10 Stunden,
vorzugsweise 5 bis 6 Stunden.
Danach folgt eine ziemlich direkt durchgeführte Reduktion unter Verwendung
eines wasserstoffhaltigen Gases, wobei besondere Sicherheitsmaßnahmen
nicht erforderlich sind. Die Temperatur sollte wenigstens 2000C und vorzugsweise wenigstens 3000C für eine schnelle Reduktion
betragen. Die obere Grenze ist wiederum dadurch bestimmt, daß der Akzeptor nicht durch die Verwendung von zu hohen Temperaturen desaktiviert
wird. Die obere Grenze beträgt während der Reduktion effektiv etwa 6000C vorzugsweise etwa 55O0C und besonders bevorzugt etwa 50O0C.
Die Reduktion kann in relativ kurzer Zeit durchgeführt werden. 10
Danach wird der Kupferakzeptor re-oxidiert, beispielsweise an der Luft
bevor er eingesetzt wird. (Re-0xidation ist nicht immer erforderlich, wie oben erläutert wurde). Die Herstellung des gemäß der Erfindung
verwendeten Akzeptors kann auch nach einem Verfahren erfolgen, das abgewandelt ist von dem Verfahren zur Herstellung eines Katalysators,
wie es in der DE-C-17 67 202 und DE-A-31 31 255 beschrieben ist. Anstelle
der in den Beispielen dieser Patentschrift eingesetzten Metallsalze, die die aktive Komponente der dort beschriebenen Katalysatoren bilden,
• müssen Kupferlösungen, insbesondere Kupfernitrat-Lösungen, eingesetzt werden.
Die Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung, d.h. das Entfernen
von Schwefeldioxid aus Gasen kann bei Temperaturen von 200 bis 6000C
erfolgen. Dies ist ein außerordentlich breiter Temperaturbereich. 25
Der Gehalt an Schwefeldioxid in den Gasen, aus denen es entfernt werden
soll, kann in weiten Grenzen schwanken. Beispielsweise wird das Schwefeldioxid aus Gasen,die nur 10 ppm bis 1 % Schwefeldioxid enthalten, genausogut
entfernt wie aus Gasen, in denen das Schwefeldioxid in Mengen von bis zu 10 ?i, sogar bis zu 20 510 vorliegt.
Wenn die Gase, die in irgendwelchen technischen Verfahren anfallen,
und aus denen das Schwefeldioxid entfernt werden soll, keine ausreichende Menge Sauerstoff enthalten, um das Kupferoxid des Akzeptors in Kupfer-
·" sulfat zu überführen, muß eine entsprechende Menge Sauerstoff oder
eines anderen Sauerstoff liefernden Oxidationsmittels zugefügt werden.
Wie den Beispielen entnommen werden kann, kann gemäß dem Verfahren
der Erfindung eine außerordentlich hohe Beladung des Akzeptors mit
Schwefeldioxid erfolgen, und praktisch bis zum Erreichen der vollständigen
Beladung ist der Gehalt an Schwefeldioxid im Abgas extrem niedrig, und zwar unter 1 ppm, praktisch fast unter der Nachweisgrenze. Dies
ist ein Ausmaß der Entfernung von Schwefeldioxid aus dieses enthaltenden
Gasen, das bisher nicht für möglich gehalten wurde. Es ist außerordentlich
überraschend, daß gemäß der Erfindung ein solcher extrem wünschenswerter Effekt erzielt wird.
Das Regenerieren des beladenen Akzeptors erfolgt in an sich bekannter
Weise (vergl. u.a. die oben genannten Patentschriften). Der Akzeptor,
dessen Kupfer nach der Absorptionsstufe im wesentlichen in Form von Kupfersulfat vorliegt, wird zunächst mit einem Intergas, z.B. Stickstoff
gespült und dann mit einem reduzierenden Gas, z.B. einem Wasserstoff enthaltenden Gas oder sogar mit reinem Wasserstoff reduziert.
Die Temperatur beim Regenerieren kann im Bereich von 100 bis 5000C
liegen. Der gemäß der Erfindung verwendete Akzeptor ist sehr unemp- * findlich gegenüber starken Temperaturschwankungen, d.h. er kann bei
relativ niedrigen und auch relativ hohen Temperaturen mit Schwefeldioxid beladen und auch wieder reduziert werden.
Da zur Regenerierung bzw. Reduktion praktisch reiner Wasserstoff eingesetzt
werden kann und dieser praktisch vollständig mit dem beladenen Akzeptor unter Bildung von praktisch reinem Schwefeldioxid reagiert,
wird bei der Regeneration ein Strom von fast reinem Schwefeldioxid
er- halten, der lediglich, wenn ein inertes Trägergas eingesetzt wird,
mit diesem vermischt ist. Dieser Schwefeldioxidstrom kann in außerordentlich vorteilhafter Weise für verschiedene bekannte Verwendungszwecke
eingesetzt werden.
Natürlich wird bei der Druchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung
im behandelten Gas eventuell vorhandenes Schwefeltrioxid ebenfalls entfernt, wie "dies dem Fachmann bekannt ist. In der Technik liegen
häufig geringe Mengen Schwefeltrioxid in Gasen vor, die Schwefeldioxid enthalten. ^
Die Beispiele erläutern die Erfindung.
Herstellunqsbeispiel 1
57.3 g Cu(NO,)2·3H2O werden in 1.4 1 entionisiertem Wasser gelöst.
Der pH-Wert der Lösung wird durch Zugabe von einigen Tropfen Salpetersäure
auf 2 eingestellt. In 1.5 1 entionisiertem Wasser werden 106 g fein verteiltes Siliciumoxid (AEROSIL 200W, eingetragenes Warenzeichen)
suspendiert, und der pH-Wert dieser Suspension wird in gleicher Weise
auf 2 eingestellt. 40 g Harnstoff werden in 0.7 1 entionisiertem Wasser gelöst, und der pH-Wert dieser Lösung wird in gleicher Weise auf 2
eingestellt.
Die Siliciumdioxid-Suspension, die Harnstofflösung und die Kupfernitrat-Lösung
werden nacheinander in ein Gefäß gegeben mit einem Volumen von 4.8 1, das vorher auf 9O0C erhitzt worden ist. Es wird dann entionisiertes
Wasser bis zu einem Gesamtvolumen von 4.5 1 zugegeben. Die Suspension
wird fortlaufend lebhaft gerührt. Nach Beendigung der Ausfällung wird der beladene Träger aus der Supension abgetrennt, gewaschen, 24 Stunden
bei 12O0C getrocknet und dann zerkleinert. 1 g des Akzeptors, der zu
Teilchen von etwa 0.8 mm Teilchengröße zerkleinert worden war, wird - in Stickstoffatmosphäre 2 Stunden bei einer bis zu 45O0C ansteigenden
Temperatur und dann 2 Stunden bei 45O0C kalziniert.
Dann wird der Akzeptor auf eine Temperatur unter 1000C abgekühlt und
2 Stunden bei bis 45O0C ansteigender Temperatur und anschließend 1
Stunde bei 45O0C durch Überleiten eines Gemisches aus.10 % Wasserstoff
und Rest Stickstoff reduziert. Der so erhaltene Akzeptor enthält etwa 10 Gew.-% metallisches Kupfer, bezogen auf das Gesamtgewicht des
Akzeptors. Die spezifische Oberfläche des Kupfers, die der Gasphase zugänglich ist, beträgt etwa 85 m2 pro g metallisches Kupfer. (Die
Messung erfolgte nach dem oben beschriebenen Verfahren.) Nach der Reduktion wird der Akzeptor zur Verwendung für das Verfahren gemäß der Erfindung
durch Überleiten von einem Sauerstoff enthaltenden Gas re-oxidiert.
16.3 g Cu(NO,^'3H2O werden in 0.5 1 entionisiertem Wasser gelöst.
Durch Zugabe einiger Tropfen Salpetersäure wird der pH-Wert der Lösung auf 2 eingestellt. 10 g fein verteiltes Siliciumdioxid (AEROSIL) werden
in 0.5 1 entionisiertem Wasser suspendiert, und der pH-Wert der Suspension wird in gleicher Weise auf 2 eingestellt.
Ein Gefäß mit einem Volumen von 1,5 1 wird für die Ausfällung zunächst
auf 9O0C erhitzt. Die Siliciumdioxidsuspension wird eingefüllt, und
dann werden 300 ml einer Harnstofflösung enthaltend 20 g Harnstoff zugegeben. Während der Zersetzung des Harnstoffs wird der pH-Wert durch
automatische Kontrollvorrichtungen und Injektion von Salpetersäure konstant auf 5 gehalten. Nachdem der pH 5 eingestellt war, wird die
Kupfernitratlösung unter die Oberfläche der Suspension mit einer Injektionsrate
von 0.4 ml pro Minute eingeleitet. Die Suspension wird dabei lebhaft gerührt. Nach Beendigung der Injektion wird der beladene Träger
aus der Lösung abgetrennt, gewaschen und 24 Stunden bei 12O0C getrocknet
und dann pelletiert. 1 g des Akzeptors werden zu einer Teilchengröße von einem mittleren Durchmesser von etwa 0.8 mm zerkleinert und wie
im Herstellungsbeispiel 1 beschrieben kalziniert und reduziert. Der
Akzeptor enthält 30 Gew.?o metallisches Kupfer, bezogen auf das Gesamtgewicht
des Akzeptors. Die spezifische Oberfläche beträgt 91.0 mVg Kupfer
' In diesem Experiment wurde das Verhalten der Kupferoxidmasse in einem
regenerativen Prozess zur Abtrennung von Schwefeldioxid aus einem Gasstrom geprüft.
Der verwendete Akzeptor wurde wie.im,Herstellungsbeispiel 1 beschrieben
hergestellt. In einen röhrenförmigen Quarzreaktor mit einem inneren Durchmesser von 3.0 cm wurden 15 g der Absorptionsmasse mit einem Volumen
von etwa 30 ml gegeben. Die Kupferbeladung betrug 10.0 Gew.-So vom Gesamtgewicht
des Katalysators.
Das Absorptionsmittel wurde mit einer 10 Sigen (bezogen auf das Volumen)
Sauerstoff-in-Stickstoff-Gasmischung bei einer allmählich auf bis zu
5000C gebrachten Temperatur vorbehandelt.
Nach dieser Vorbehandlung wurde das Absorptiosmittel auf 4000C abgekühlt.
Eine Gasmischung bestehend aus 443 ppm Schwefeldioxid, 10498 ppm Sauerstoff
und dem,Rest Stickstoff wurde über die Absorptionsmasse geführt.
Das Schwefeldioxid wurde über eine gewisse Zeitperiode quantitativ
adsorbiert. Während dieser Periode betrug die Konzentration an Schwefel-
-X-
dioxid im den Adsorptionsreaktor verlassenden Gas weniger als 1 ppm.
Nach 234 Minuten traten die ersten Anzeichen eines Durchbruchs auf.
Zu diesem Zeitpunkt betrug das molare Verhältnis von Schwefeldioxid zu Kupfer 0.65.
Als der Schwefeldioxidgehalt im den Adsorptionsreaktor verlassenden
Gas*auf 100 ppm gestiegen war, war die integrale Aufnahme an Schwefeldioxid
auf 0.75 Mol pro Mol Kupfer in der Absorptionsmasse gestiegen. 10
Bei 200 ppm SO^-Durchbruch betrug dieses Verhältnis 0.82.
Nach völligem Durchbruch wurde die Absorptionsmasse mit einem 1182 ppm
Wasserstoff-in-Stickstoff-Strom bei 4000C regeneriert. Während der
Reduktion wurde in dem den Reaktor verlassenden Gas praktisch kein Wasserstoff beobachtet.
Der Durchbruch von Wasserstoff trat mit einem sehr steilen Anstieg
* der Wasserstoffkonzentration und einem gleichzeitigen Abfall der Schwefeldioxidkonzentration
auf.
Nach dem Wasserstoffdruchbruch wurde kein Schwefeldioxid in dem den
Reaktor verlassenden Gas gefunden. ,
In diesem Experiment wurde das Verhalten der Kupferoxidmasse in einem
regenerativen Prozeß zur Abtrennung von Schwefeldioxid aus einem Gasstorm geprüft.
Die verwendete Masse wurde gemäß Herstellungsbeispiele 2 hergestellt.
In einen röhrenförmigen Quarzreaktor mit einem inneren Durchmesser von 3.0 cm wurden 15 g der Absorptionsmasse mit einem Volumen von etwa
30 ml gegeben. Die Kupferbeladung betrug 30 Gew.-?i vom Gesamtgewicht
des Katalysators.
35
35
Das Absorptionsmittel wurde mit einer 10 ?iigen (bezogen auf das Volumen)
Sauerstoff-in-Stickstoff-Gasmischung bei einer allmählich auf bis zu
5OQ0C gebrachten Temperatur vorbehandelt.
-JW-
Nach dieser Vorbehandlung wurde das Absorptionsmittel auf 4000C abgekühlt.
Eine Gasmischung bestehend aus 443 ppm Schwefeldioxid, 10498 ppm Sauerstoff
und dem Rest Stickstoff wurde über die Absorptionsmasse geführt.
Das Schwefeldioxid wurde über eine gewisse Zeitperiode quantitativ
absorbiert. Während dieser Periode betrug .die Konzentration an Schwefeldioxid
im den Absorptionsreaktor verlassenden Gas weniger als 1 ppm. 10
Bei den ersten Anzeichen eines Durchbruchs betrug das molare Verhältnis
von Schwefeldioxid zu Kupfer 0.45.
Nach völligem Durchbruch wurde die Absorptionsmasse mit einem 1182 ppm
Wasserstoff-in-Stickstoff-Strom bei 4000C regeneriert. Während der
Reduktion wurde in dem den Reaktor verlassenden Gas praktisch kein Wasserstoff beobachtet.
" Der Durchbruch von Wasserstoff trat mit einem sehr steilen Anstieg
der Wasserstoffkonzentration und einem gleichzeitigen Abfall der Schwefeldioxidkonzentration
auf.
Nach dem Wasserstoffdurchbruch wurde, kein Schwefeldioxid in dem den
Reaktor verlassenden Gas gefunden.
25
25
Claims (5)
1. Verfahren zum Entfernen von Schwefeldioxid aus Schwefeldioxid und
Sauerstoff enthaltenden Gasen, wobei diese Gase mit einem kupferhaltigen Akzeptor in Kontakt gebracht werden, der auf einem thermostabilen
inerten Träger Kupfer enthält, der erhaltene beladene Akzeptor dadurch regeneriert wird, daß der Kontakt mit dem Schwefeldioxid
und Sauerstoff enthaltenden Gas beendet und der beladene Akzeptor danach mit einem reduzierenden Gas in Kontakt gebracht wird, und
wobei der regenerierte Akzeptor wieder in Kontakt mit dem Schwefeldioxid und Sauerstoff enthaltenden Gas gebracht wird, dadurch
gekennzeichnet, daß der Akzeptor mit Kupfer in einer solchen Menge beladen ist, daß das Gewicht des Kupfers mehr als
10 Gew.-?o beträgt, berechnet als metallisches Kupfer und bezogen
auf das Gesamtgewicht des Akzeptors, und daß das Kupfer auf dem thermostabilen Träger in so feiner Verteilung vorliegt, daß es in
reduzierter Form vorliegend auf dem Träger eine spezifische Oberfläche von mehr als 60 m2 pro g des auf dem Träger befindlichen
metallischen Kupfers aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Akzeptor
mit Kupfer in einer solchen Menge beladen ist, daß das Gewicht des Kupfers mehr als 16 Gew.-?i beträgt, berechnet als metallisches Kupfer
und bezogen auf das Gesamtgewicht des Akzeptors.
3. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der Akzeptor mit Kupfer in einer solchen Menge beladen ist, daß das Gewicht des Kupfers mehr als 25 Gew.-% beträgt,
berechnet als metallisches Kupfer und bezogen auf das Gesamtgewicht des Akzeptors.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß das Kupfer eine spezifische Oberfläche von mehr als 80 m2 pro g Kupfer aufweist.
5. Verfahrenjiach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß der thermostabile Träger Siliciumdioxid ist.
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