DE3529060A1 - Catalyst for reducing the nitrogen oxide content of combustion gases - Google Patents
Catalyst for reducing the nitrogen oxide content of combustion gasesInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Katalysator zur Verringerung des Stickoxidgehalts von Verbrennungsabgasen.The invention relates to a catalyst for reduction the nitrogen oxide content of combustion gases.
Bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe werden sowohl aus stickstoffhaltigen Komponenten als auch aus dem Luftstickstoff Stickoxide (NO x ) gebildet, welche in die Atmosphäre gelangen und eine ernste Umweltbeeinträchtigung darstellen. Insbesondere die Bildung des photochemischen "Smogs" wird auf NO x zurückgeführt. Angesichts der während der letzten Jahre ständig gestiegenen NO x -Emissionen besteht ein großes Interesse daran, den NO x -Gehalt von Verbrennungsabgasen zu reduzieren.When fossil fuels are burned, nitrogen oxides (NO x ) are formed both from nitrogenous components and from atmospheric nitrogen, which get into the atmosphere and pose a serious environmental impact. In particular, the formation of the photochemical "smog" is attributed to NO x . In view of the continuously increasing NO x emissions in recent years, there is great interest in reducing the NO x content of combustion exhaust gases.
Es ist bekannt, daß Stickoxide durch NH3 in N2 und H2O überführt werden können und daß diese Reaktion in einem weiten Temperaturbereich ziemlich selektiv ist, d. h. in Gegenwart eines hohen Sauerstoffüberschusses (wie er in Verbrennungsabgasen gewöhnlich vorhanden ist) ohne allzu hohe Ammoniakverluste infolge Oxidation abläuft, so daß nur relativ geringe Mengen an Reduktionsmittel erforderlich sind. Es sind weiterhin bereits verschiedene Katalysatoren für die NOx-Reduktion mittels Ammoniak bekannt.It is known that nitrogen oxides can be converted by NH 3 into N 2 and H 2 O and that this reaction is quite selective over a wide temperature range, ie in the presence of a high excess of oxygen (as is usually present in combustion exhaust gases) without excessive ammonia losses takes place due to oxidation, so that only relatively small amounts of reducing agent are required. Various catalysts for NO x reduction using ammonia are also already known.
So ist z. B. die Verwendung von Molekularsieben zur Katalyse der NO x -Reduktion mittels NH3 bekannt. Beispielsweise wird nach der DE-OS 30 00 383 als Katalysator ein Clinoptilolith in der Wasserstofform verwendet, der durch Ionenaustausch eines natürlich vorkommenden Clinoptiloliths mit einer Ammoniumnitratlösung und anschließendem Waschen mit einer starken Säure erhalten worden ist.So z. B. the use of molecular sieves to catalyze the NO x reduction using NH 3 known. For example, according to DE-OS 30 00 383, a clinoptilolite is used as the catalyst in the hydrogen form, which has been obtained by ion exchange of a naturally occurring clinoptilolite with an ammonium nitrate solution and subsequent washing with a strong acid.
Ferner ist in der DE-OS 33 28 653 ein Katalysator beschrieben, der aus einem keramischen Molekularsieb besteht, dessen Durchlaß-Querschnittsdurchmesser in einer Größenordnung unterhalb des kritischen Moleküldurchmessers von Ammoniak bis oberhalb des kritischen Moleküldurchmessers von Stickstoff liegen. Furthermore, a catalyst is described in DE-OS 33 28 653, which consists of a ceramic molecular sieve, whose passage cross-sectional diameter in an order of magnitude below the critical molecular diameter from ammonia to above the critical Molecular diameter of nitrogen.
Die katalytische Aktivität dieser Molekularsiebkatalysatoren ist also durch bestimmte Porenstrukturen bedingt. Bei diesen Katalysatoren besteht die Gefahr, daß bei hohen Reaktionstemperaturen unter der Einwirkung des in Verbrennungsabgasen in hoher Konzentration enthaltenen Wasserdampfes die Kristallstruktur beeinträchtigt wird, während bei tiefen Temperaturen die bereitwillige Absorption des Wasserdampfes zur Verminderung der Aktivität führt. Als schwerwiegender Nachteil erscheint vor allem, daß bei Vewendung von Molekularsieben, wie H-Mordenit und H-Clinoptilolith, der Schadstoff N2O in beträchtlicher Konzentration gebildet wird, wie z. B. aus der Arbeit von J. R. Kiovsky, P. B. Koradla und C. T. Lin. in Ind.Eng.Chem.Prod.Res. Dev. 19 (1980) 218, bekannt ist.The catalytic activity of these molecular sieve catalysts is therefore determined by certain pore structures. With these catalysts, there is a risk that the crystal structure will be impaired at high reaction temperatures under the action of the water vapor contained in combustion gases in high concentration, while at low temperatures the willing absorption of the water vapor leads to a reduction in activity. A serious disadvantage appears above all that when using molecular sieves such as H-mordenite and H-clinoptilolite, the pollutant N 2 O is formed in a considerable concentration, such as. B. from the work of JR Kiovsky, PB Koradla and CT Lin. in Ind.Eng.Chem.Prod.Res. Dev. 19 (1980) 218.
Aus der DE-AS 24 10 175 ist ferner ein Katalysator aus Oxiden des Vanadiums, Molybdäns und/oder Wolframs der Stöchiometrie V12-x-y Mo x W y bekannt, wobei x und y durch die Beziehungen 0 x 8,0 y 5 und 0,3 (x + y) 8 festgelegt sind.DE-AS 24 10 175 also discloses a catalyst composed of oxides of vanadium, molybdenum and / or tungsten with stoichiometry V 12- x - y Mo x W y , where x and y are given by the relationships 0 x 8.0 y 5 and 0.3 ( x + y ) 8 are set.
Es ist weiterhin aus der DE-AS 24 58 888 ein Verfahren zur reduktiven Zerstörung von Stickoxiden in Abgasen bekannt, bei dem ein Stickoxide, molekularen Sauerstoff und Ammoniak enthaltendes Gasgemisch mit einer Katalysatorzusammensetzung in Berührung gebracht wird, die als wesentliche Bestandteile (A) Titan in Form von Oxiden in einem innigen Gemisch mit (B) Eisen oder Vanadium in Form von Oxiden enthält.It is also a method from DE-AS 24 58 888 for the reductive destruction of nitrogen oxides in exhaust gases known in which a nitrogen oxide, molecular oxygen and ammonia-containing gas mixture with a catalyst composition is brought into contact as essential components (A) titanium in the form of oxides in an intimate mixture with (B) iron or vanadium contains in the form of oxides.
Solche Katalysatoren weisen nun offensichtlich den Nachteil auf, daß die als katalytisch aktiven Komponenten enthaltenen relativ teuren Übergangsmetallverbindungen nur zu einem geringen Grad ausgenutzt werden, da ihre Verteilung nicht optimal ist. Zwar sieht z. B. die genannte DE-AS 24 58 888 vor, die Aktivkomponente durch inerte, feste Träger zu strecken, wodurch die Wirtschaftlichkeit zweifellos verbessert wird, doch besteht bei einer Verdünnung mit inertem Material die Gefahr, daß die katalytische Aktivität stark vermindert wird.Such catalysts now obviously have the disadvantage that the contained as catalytically active components relatively expensive transition metal compounds to only one low degree can be exploited because their distribution is not is optimal. Although z. B. the aforementioned DE-AS 24 58 888 before, the active component through inert, solid carriers stretch, which undoubtedly improves the economy is, but there is a dilution with inert material there is a risk that the catalytic Activity is greatly reduced.
Für die Beurteilung der Eignung eines Verbrennungsmittels kommt bekanntlich vor allem Eigenschaften, wie Porosität und spezifischer Oberfläche, eine hohe Bedeutung zu. Verwendet man z. B. γ-Al2O3 oder Kieselgur mit hoher Oberfläche, so ist einerseits eine ausreichende Verteilung der aktiven Komponenten zu erwarten, andererseits muß jedoch mit einer Erniedrigung der beobachteten Reaktionsgeschwindigkeit gerechnet werden, da solche oberflächenreichen Träger vorwiegend mikroporös sind, wodurch die Diffusion geschwindigkeitsbestimmend wird. Vorwiegend makroporöse Träger, wie α-Al2O3, begünstigen dagegen den Stofftransport, ihre spezifische Oberfläche beträgt jedoch nur wenige m2/g, so daß die Dispersion der aktiven Komponente nicht ausreichend ist.As is well known, properties such as porosity and specific surface area are of great importance for assessing the suitability of a combustion medium. If you use e.g. B. γ-Al 2 O 3 or diatomaceous earth with a high surface area, on the one hand an adequate distribution of the active components is to be expected, on the other hand, however, a reduction in the observed reaction rate must be expected, since such surface-rich carriers are predominantly microporous, which means that the diffusion determines the rate becomes. In contrast, predominantly macroporous carriers, such as α-Al 2 O 3 , promote mass transport, but their specific surface area is only a few m 2 / g, so that the dispersion of the active component is insufficient.
Schließlich ist aus der DE-OS 34 38 367 ein Katalysator zur Verringerung des Stickoxidgehalts von Verbrennungsabgasen durch selektive Reduktion bekannt, der aus (A) 80 bis 95 Gew.-% eines schwefeloxidhaltigen katalytischen Oxids, das u. a. durch thermische Behandlung einer wäßrigen Oxidverbindung des Titans oder des Siliciums erhältlich ist, (B) 0 bis 5 Gew.-% eines Vanadiumoxid enthaltenden katalytischen Oxids und (C) 1 bis 15 Gew.-% eines katalytischen Oxids, z. B. des Wolframs, besteht.Finally, from DE-OS 34 38 367 is a catalyst to reduce the nitrogen oxide content of combustion gases known by selective reduction, which from (A) 80 to 95 wt .-% of a sulfur oxide-containing catalytic Oxides that u. a. by thermal treatment of an aqueous Oxide compound of titanium or silicon available , (B) 0 to 5% by weight of a vanadium oxide-containing catalytic oxide and (C) 1 to 15 wt .-% of a catalytic Oxides, e.g. B. of tungsten exists.
Als wesentlich für diesen Katalysator wird die Bildung einer aus SiO2 und TiO2 zusammengesetzten Feststoffsäure angesehen, deren Acidität durch die Behandlung mit Schwefelsäure oder Ammoniumsulfat modifiziert wird. Man betrachtet die Feststoffsäureverteilung als maßgeblich für die Steuerung der NH3-Adsorption an der Katalysatoroberfläche und damit für die Verbesserung der katalytischen Aktivität. The formation of a solid acid composed of SiO 2 and TiO 2 , the acidity of which is modified by the treatment with sulfuric acid or ammonium sulfate, is regarded as essential for this catalyst. The solid acid distribution is considered essential for controlling the NH 3 adsorption on the catalyst surface and thus for improving the catalytic activity.
SiO2 wird dabei in Form von Kieselsol eingesetzt. Bekanntlich erhält man aus SiO2-Solen Kieselgele, welche sich durch hohe BET-Oberflächen bei gleichzeitig hoher Porosität auszeichnen, wobei aber der Makroporenanteil gering ist, was die oben beschriebenen negativen Auswirkungen auf den Stofftransport hat. So zeigt ein typisches kommerzielles Kieselgel folgende PorenverteilungSiO 2 is used in the form of silica sol. As is known, silica gels are obtained from SiO 2 sols, which are characterized by high BET surfaces and high porosity, but the proportion of macropores is low, which has the negative effects on mass transport described above. A typical commercial silica gel shows the following pore distribution
Porendurchmesser (nm)Porenvolumen (%)7,5 - 1454.314 - 8024.380 - 175020.6Pore diameter (nm) Pore volume (%) 7.5 - 1454.314 - 8024.380 - 175020.6
≦λτ 17500.8≦ λτ 17500.8
Es ist außerdem aus der Literatur bekannt, daß die charakteristischen Eigenschaften binärer bzw. ternärer Feststoffsäuren, insbesondere ihre Acidität, stark abhängig sind vom Atomverhältnis der beteiligten Metalle. (M. Itoh, M. Mattori und K. Tanabe, J. Catal. 35 (1974) 225). Man muß folglich annehmen, daß eine hohe katalytische Wirksamkeit auf einen engen Konzentrationsbereich des SiO2 beschränkt ist.It is also known from the literature that the characteristic properties of binary or ternary solid acids, especially their acidity, are strongly dependent on the atomic ratio of the metals involved. (M. Itoh, M. Mattori and K. Tanabe, J. Catal. 35 (1974) 225). It must therefore be assumed that a high catalytic activity is limited to a narrow concentration range of the SiO 2 .
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Katalysator für die Verringerung des Stickoxidgehalts von Verbrennungsabgasen bereitzustellen, der eine optimale katalytische Wirksamkeit bei gleichzeitiger besonders wirtschaftlicher Ausnutzung der wirksamen Bestandteile gewährleistet.The invention is therefore based on the object Catalyst for the reduction of the nitrogen oxide content of combustion exhaust gases to provide the optimal catalytic effectiveness with simultaneous special economic use of the active ingredients guaranteed.
Diese Aufgabe kann überraschenderweise durch einen Katalysator gelöst werden, der mindestens eines der Metalle Ti, Zr, V, W oder Ce in Form eines oder mehrerer ihrer Oxide enthält und der dadurch gekennzeichnet ist, daß die wirksame Komponente des Katalysators eine Kombination eines oder mehrerer dieser Oxide mit einem sauren Alumosilikat mit Schichtstruktur darstellt. Surprisingly, this task can be accomplished by one Solved catalyst, at least one of the Metals Ti, Zr, V, W or Ce in the form of one or contains several of their oxides and characterized by is that the effective component of the catalyst a combination of one or more of these oxides an acidic aluminosilicate with a layer structure.
Vorzugsweise beträgt das Atomverhältnis zwischen den im sauren Alumosilikat enthaltenen Silicium und dem (den) in dem (den) Oxid(en) enthaltenen Metall(en) 0,2 bis 50, vorzugsweise 0,4 bis 25.Preferably, the atomic ratio between the im acidic aluminosilicate containing silicon and the (the) in the metal (s) contained in the oxide (s) 0.2 to 50, preferably 0.4 to 25.
Gegenstand der älteren deutschen Patentanmeldung P 35 24 160.8 ist ein Katalysator zur Verminderung des Stickoxidgehalts von Verbrennungsabgasen, der als wirksame Komponente ein saures Alumosilikat mit Schichtstruktur enthält. Ein derartiger Katalysator, der u. a. durch Behandlung geeigneter schichtsilikathaltiger Ausgangsmaterialien mit wäßriger Mineralsäure erhalten werden kann, besitzt eine hohe Aktivität für die Reduktion von Stickoxiden mittels Ammoniak zu H2O und N2. Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß die Kombination eines sauren Alumosilikats mit Schichtstruktur mit einem oder mehreren Oxiden mindestens eines der vorstehend genannten Metalle eine höhere katalytische Aktivität aufweist als entweder das saure Alumosilikat oder die entsprechenden Metalloxide getrennt.The subject of the older German patent application P 35 24 160.8 is a catalyst for reducing the nitrogen oxide content of combustion exhaust gases, which contains an acidic aluminosilicate with a layer structure as an effective component. Such a catalyst, which can be obtained, inter alia, by treating suitable starting materials containing phyllosilicate with aqueous mineral acid, has a high activity for the reduction of nitrogen oxides by means of ammonia to H 2 O and N 2 . It has now surprisingly been found that the combination of an acidic aluminosilicate with a layer structure and one or more oxides of at least one of the metals mentioned above has a higher catalytic activity than either the acidic aluminosilicate or the corresponding metal oxides separately.
Zum gegenwärtigen Zeitpunkt kann zwar noch keine eindeutige mechanistische Erklärung für diese synergistische Wechselwirkung gegeben werden, doch scheint das Vorliegen der silikatischen Schichtstruktur eine notwendige Voraussetzung zu sein. Die sterischen und elektrostatischen Verhältnisse der Zwischenschichtaktivitäten werden offenbar durch die Anwesenheit der eingebrachten Metalloxide in einer Weise modifiziert, daß die Adsorption des NH3 mit ihrer für den weiteren katalytischen Prozeß günstigen Bindungsstärke erfolgt. Verwendet man nämlich anstelle des erfindungsgemäßen sauren Schichtsilikats zur Umsetzung mit den Metallkomponenten entweder ein Kieselgel entsprechender BET-Oberfläche oder ein Schichtsilikat, dessen Kristallstruktur durch Hochtemperaturbehandlung zerstört wurde, so resultiert eine deutliche Abnahme der katalytischen Aktivität. At the present time, no clear mechanistic explanation for this synergistic interaction can be given, but the presence of the silicate layer structure seems to be a necessary prerequisite. The steric and electrostatic conditions of the interlayer activities are apparently modified by the presence of the metal oxides introduced in such a way that the adsorption of the NH 3 takes place with its binding strength which is favorable for the further catalytic process. If, instead of the acidic sheet silicate according to the invention, either a BET surface corresponding to silica gel or a sheet silicate whose crystal structure has been destroyed by high-temperature treatment is used for the reaction with the metal components, the catalytic activity will decrease significantly.
Als weiterer Aspekt der synergistischen Wechselwirkung muß die bimodale Porenstruktur betrachtet werden. Der erfindungsgemäße Katalysator besitzt einmal ein ausgeprägtes Maximum der Porendurchmesserverteilung im Bereich der Makroporen, so daß ein schneller Stoffübergang gewährleistet ist. Als Makroporen bezeichnet man solche mit einem Porendurchmesser von ≦λτ80 nm. Der Anteil des Porenvolumens welcher auf Poren mit einem Durchmesser von ≦λτ80 nm entfällt, beträgt vorzugsweise mindestens 55%.Another aspect of the synergistic interaction the bimodal pore structure must be considered. The The catalyst of the invention has a pronounced one Maximum pore diameter distribution in the area the macropores, so that a rapid mass transfer is guaranteed is. These are referred to as macropores a pore diameter of ≦ λτ80 nm. The proportion of the pore volume which on pores with a diameter of ≦ λτ80 nm is absent, is preferably at least 55%.
Zum anderen stellen in ausreichender Menge vorhandene Mesoporen eine hohe spezifische Oberfläche für die katalytische Umsetzung zur Verfügung. Die Mesoporen haben im allgemeinen einen Porendurchmesser von etwa 14 bis 80 nm.On the other hand, there are sufficient quantities Mesopores have a high specific surface area for the catalytic conversion available. The Mesopores generally have a pore diameter of about 14 to 80 nm.
Unter sauren Alumosilikaten mit Schichtstruktur versteht man zum Beispiel solche vom Smektit-Typ, insbesondere vom Montmorillonit-Typ. Darunter fallen die natürlichen sauren Alumosilikate oder die künstlichen, durch Säurebehandlung von natürlichen neutralen Alumosilikaten mit Schichtstruktur erhaltenen Produkte. In die erste Kategorie fallen zum Beispiel die Fuller-Erden sowie die japanischen sauren Tone. Die Produkte der zweiten Kategorie können durch Behandlung eines neutralen schichtsilikathaltigen Ausgangsmaterials mit wäßrigen Säuren, insbesondere Mineralsäuren, unter Erniedrigung des Gehalts an Kationen der Hauptgruppen I bis III des Periodensystems, erhalten werden.Acid alumosilicates with a layer structure are understood for example those of the smectite type, in particular of the montmorillonite type. This includes the natural ones acidic alumosilicates or the artificial ones, by acid treatment of natural neutral aluminum silicates with Layer structure obtained products. In the first category for example, the Fuller earths and the Japanese acidic clays. The products in the second category can by treating a neutral layered silicate Starting material with aqueous acids, especially mineral acids, while lowering the cations of the Main groups I to III of the periodic table can be obtained.
Die Säurebehandlung zur Überführung der neutralen schichtsilikathaltigen Ausgangsmaterialien in die "sauren" Alumosilikate kann in an sich bekannter Weise durchgeführt werden, wobei vorzugsweise wäßrige Mineralsäuren, wie Salzsäure oder Schwefelsäure, verwendet werden. Man kann aber auch organische Säuren, wie Ameisensäure und Essigsäure, verwenden. Die Säurekonzentration liegt im Bereich von 1 bis 60 Gew.-%, bezogen auf den Trockensubstanzgehalt, vorzugsweise im Bereich von 10 bis 40 Gew.-%. Eine vorhergehende Nachklassierung des Rohmaterials kann sich als vorteilhaft erweisen. Die säurebehandelte Masse wird gegebenenfalls mit angesäuertem Wasser gewaschen, dessen pH-Wert zwischen 1 und 7, vorzugsweise bis zwischen 2 und 4 liegt, und abfiltriert.The acid treatment for transferring the neutral layered silicate Starting materials in the "acidic" Aluminum silicates can be carried out in a manner known per se are, preferably aqueous mineral acids such as hydrochloric acid or sulfuric acid can be used. But you can also organic acids such as formic acid and acetic acid, use. The acid concentration is in the range of 1 to 60% by weight, based on the dry matter content, preferably in the range of 10 to 40% by weight. A previous one Reclassification of the raw material can turn out to be prove advantageous. The acid treated mass is optionally washed with acidified water, its pH is between 1 and 7, preferably between 2 and 4, and filtered off.
Die Säurebehandlung wird im allgemeinen so lange durchgeführt, bis das Alumosilikat ein Ionenaustauschvermögen von etwa 30 bis 150 mVal/g hat. Da dieses leicht bestimmbar ist, hat man eine gute Möglichkeit, den Katalysator den jeweiligen Bedingungen anzupassen.The acid treatment is generally carried out for as long as until the aluminosilicate has an ion exchange capacity from about 30 to 150 meq / g. Because this is easily determinable is, you have a good way of using the catalyst to adapt to the respective conditions.
Als Ausgangsverbindungen für die Metalloxid-Komponente des erfindungsgemäßen Katalysators verwendet man einmal die entsprechenden Metalloxide und zum anderen die in die Metalloxide überführbaren Substanzen, z. B. die Metalle, die Hydroxide und insbesondere die Salze, Komplexverbindungen und/oder die Sauerstoffsäuren bzw. die von diesen Säuren abgeleiteten Salze. Diese können gegebenenfalls zusammen mit einem als Reduktionsmittel und/oder Komplexbildner wirkenden Zusatz verwendet werden.As starting compounds for the metal oxide component of the catalyst of the invention is used once the corresponding metal oxides and the other in the Metal oxide convertible substances, e.g. B. the metals, the hydroxides and especially the salts, complex compounds and / or the oxygen acids or those of these acids derived salts. These can if necessary together with one as a reducing agent and / or complexing agent acting additive can be used.
Cer kann z. B. ausgehend von Ce2O3, CeO2, Ce(SO4)2, Ce(CO3)2 und Ce2(C2O4)3 eingesetzt werden. Geeignete Ausgangsstoffe für Zirkonoxid sind neben den Oxidhydraten z. B. die Zirkon- und Zirkonylsalze, wie Zr(SO4)2, ZrCl4, ZrOCl2 und Zr(C2O4)2.Cer can z. B. starting from Ce 2 O 3 , CeO 2 , Ce (SO 4 ) 2 , Ce (CO 3 ) 2 and Ce 2 (C 2 O 4 ) 3 can be used. Suitable starting materials for zirconium oxide are in addition to the oxide hydrates such. B. the zirconium and zirconyl salts such as Zr (SO 4 ) 2 , ZrCl 4 , ZrOCl 2 and Zr (C 2 O 4 ) 2 .
Als Ausgangssubstanzen für die Wolframkomponente eignen sich z. B. Wolframoxide, wie WO3, W10O29, W4O11, WO2, Mono- und Polywolframsäuren, Heteropolysäuren, Wolframate, Wolframhalogenide und -oxyhalogenide.As starting substances for the tungsten component are, for. B. tungsten oxides such as WO 3 , W 10 O 29 , W 4 O 11 , WO 2 , mono- and poly-tungstic acids, heteropolyacids, tungstates, tungsten halides and oxyhalides.
Im Falle des Vanadiums stellen u. a. V2O5, VO2, V2O3 und VO geeignete Ausgangsverbindungen dar, sowie Ortho- und Polyvanadinsäure, bzw. -vanadate, Vanadiumhalogenide und -oxyhalogenide, wie z. B. VOCl3, verschiedene Vanadium- bzw. Vanadylsalze. In the case of vanadium, V 2 O 5 , VO 2 , V 2 O 3 and VO are suitable starting compounds, as well as ortho- and polyvanadic acid or vanadates, vanadium halides and oxyhalides, such as, for. B. VOCl 3 , various vanadium or vanadyl salts.
Geeignete Titanverbindungen sind neben den Oxiden und Oxidhydraten die Titan- oder Titanylsalze, insbesondere die Halogenide und die Sulfate. Vorzugsweise wird Titanylsulfat verwendet. Es können auch metallorganische Verbindungen verwendet werden, z. B. Ester der Titansäure, wie Isopropyltitanat.Suitable titanium compounds are in addition to the oxides and Oxide hydrates, the titanium or titanyl salts, in particular the halides and the sulfates. Titanyl sulfate is preferred used. Organometallic compounds can also be used are used, e.g. B. esters of titanium acid, such as isopropyl titanate.
Die erfindungsgemäßen Katalysatoren sind beispielsweise durch Tränken des sauren Alumosilikats mit einer Lösung, die eines oder mehrere der genannten Metalle in Form von Salzen und/oder Komplexverbindungen enthält, und anschließendes Calcinieren erhältlich.The catalysts of the invention are, for example by soaking the acidic aluminosilicate with a solution, which one or more of the metals mentioned in the form of Contains salts and / or complex compounds, and subsequent Calcining available.
Ferner können die erfindungsgemäßen Katalysatoren durch Aus- oder Umfällen mindestens einer Verbindung, die eines oder mehrere der genannten Metalle enthält, in Gegenwart einer Suspension des sauren Alumosilikats, Auswaschen der Fremdionen und anschließendes Calcinieren erhalten werden.Furthermore, the catalysts of the invention can Failure or overthrow of at least one connection, one contains or more of the metals mentioned, in the presence a suspension of the acidic aluminosilicate, washing out the Foreign ions and subsequent calcination obtained will.
Auf diese Weise erreicht man eine nahezu optimale Dispersion der Metalloxidkomponente im Kristallgitter des sauren Alumosilikats mit Schichtstruktur.In this way, an almost optimal dispersion is achieved the metal oxide component in the crystal lattice of the acidic Aluminum silicate with a layered structure.
Besteht die Metalloxidkomponente aus mehreren Metalloxiden, so können die jeweiligen Ausgangsverbindungen entweder gemeinsam oder in mehreren Arbeitsgängen nacheinander gefällt werden, wobei die Reihenfolge der Fällungsschritte in der Regel die katalytische Aktivität beeinflußt und im Einzelfall optimiert werden muß. Es kann sich allerdings auch als zweckmäßig erweisen, das Schichtsilikat, gegebenenfalls nach einem oder mehreren Fällungsschritten, mit der Lösung einer entsprechenden Übergangsverbindung zu imprägnieren. Die Imprägnierung kann dabei sowohl vor als auch nach der Formgebung und der Calcinierung des Katalysators erfolgen. Nach einer anderen Variante werden die Metallverbindungen bzw. ein Teil derselben durch inniges mechanisches Vermischen (z. B. durch Vermahlen in einer Kugelmühle) mit dem Schichtsilikat kontaktiert. If the metal oxide component consists of several metal oxides, the respective starting compounds can either together or in several steps in succession be felled, the order of the precipitation steps usually affects the catalytic activity and must be optimized in individual cases. It can however, also prove to be useful, the layered silicate, if necessary after one or more precipitation steps, with the solution of a corresponding transition connection to impregnate. The impregnation can both before and after shaping and calcining of the catalyst. According to another variant become the metal compounds or a part thereof by intimate mechanical mixing (e.g. by grinding in a ball mill) with the layered silicate contacted.
Der erfindungsgemäße Katalysator liegt in der Regel als Vollmaterial vor, d. h. es wird kein inerter Träger verwendet. Der Katalysator liegt üblicherweise als Formkörper vor, insbesondere in Form von Kugeln, Tabletten, Strangpreßlingen, langgestreckten oder flachen Wabenkörpern (letztere werden als "Kanalgitter" bezeichnet), Ringen, Wagenrändern oder Sattelkörpern.The catalyst of the invention is usually as a solid material, d. H. it does not become an inert Carrier used. The catalyst is usually located as a shaped body, in particular in the form of balls, Tablets, extrusions, elongated or flat honeycomb bodies (the latter are referred to as "channel grids"), Rings, car edges or saddle bodies.
Diese Formkörper können z. B. durch Tablettieren oder Strangpressen der Katalysatormasse erhalten werden, wobei gegebenenfalls Zusätze, die die Formbarkeit verbessern, beigemischt werden können. Derartige Zusätze sind beispielsweise Graphit oder Aluminiumstearat. Es können auch Zusätze, die die Oberflächenstruktur verbessern, beigemischt werden. Hierbei handelt es sich z. B. um organische Substanzen, die bei der anschließenden Calcinierung unter Zurücklassung einer porösen Struktur verbrennen.These moldings can, for. B. by tableting or Extrusion of the catalyst mass can be obtained, wherein any additives that improve formability, can be added. Such additives are, for example Graphite or aluminum stearate. Additives, which improve the surface structure, are added. This is e.g. B. organic substances, that left behind in the subsequent calcination burn a porous structure.
Die Verwendung von Zusätzen, die die Verformbarkeit verbessern, ist nicht unbedingt erforderlich, da das als Ausgangsmaterial verwendete Alumosilikat, auch wenn es in einer innigen Vermischung mit der Metallkomponente vorliegt, eine plastische Verformbarkeit besitzt. Es können aber noch neutrale Bentonite oder andere Bindemittel, wie Kaolin oder Zemente, zugesetzt werden. Die Formgebung erfolgt im allgemeinen unter Zusatz von Wasser oder organischen Lösungsmitteln, z. B. von ein- oder mehrwertigen Alkoholen.The use of additives that improve ductility, is not absolutely necessary, as that as Base material used aluminosilicate, even if it was in an intimate mixture with the metal component is present, has plastic deformability. It neutral bentonites or other binders, such as kaolin or cements. The Shaping is generally done with the addition of water or organic solvents, e.g. B. of one or polyhydric alcohols.
Die erfindungsgemäßen Katalysatoren werden in der Regel nach erfolgter Formgebung getrocknet und bei Temperaturen von etwa 200 bis 700°C, vorzugsweise von 300 bis 550°C calciniert.The catalysts of the invention are usually dried after shaping and at temperatures from about 200 to 700 ° C, preferably from 300 to 550 ° C calcined.
Durch die Calcinierung wird der Katalysator aktiviert und erreicht auf diese Weise seine vorteilhaften Eigenschaften, insbesondere wenn die vorstehend angegebenen Temperaturbereiche eingehalten werden. The catalyst is activated by the calcination and achieves its beneficial properties in this way, especially if the temperature ranges given above be respected.
Typische Arbeitsweisen bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Katalysatoren sind in den Beispielen beschrieben.Typical procedures in the manufacture of the invention Catalysts are in the examples described.
Gegenstand der Erfindung ist auch die Anwendung der erfindungsgemäßen Katalysatoren zur reduktiven Verringerung des Stickoxidgehalts von Verbrennungsabgasen, welche neben den üblichen Abgasbestandteilen auch Schwefeloxide (SO x ) enthaltnen, wobei als Reduktionsmittel NH3 verwendet wird.The invention also relates to the use of the catalysts according to the invention for the reductive reduction of the nitrogen oxide content of combustion exhaust gases which, in addition to the usual exhaust gas components, also contain sulfur oxides (SO x ), NH 3 being used as the reducing agent.
Bei der Reduktion mit NH3 wird der Stickoxidgehalt der Verbrennungsabgase dadurch verringert, daß sich N2 und H2O bilden. Als Stickoxide (NO x ) werden die verschiedenen Sauerstoffverbindungen des Stickstoffs bezeichnet, wie z. B. NO, N2O3, NO2, N2O5; es handelt sich jedoch vorwiegend um NO und NO2, wobei NO überwiegt.When reducing with NH 3 , the nitrogen oxide content of the combustion exhaust gases is reduced by the fact that N 2 and H 2 O are formed. As nitrogen oxides (NO x ) are the various oxygen compounds of nitrogen, such as. B. NO, N 2 O 3 , NO 2 , N 2 O 5 ; however, they are predominantly NO and NO 2 , with NO predominating.
Die NO x -Konzentration der zu reinigenden Abgase kann in weiten Grenzen variieren; sie liegt im allgemeinen im Bereich von 100 Vol-ppm bis 5 Vol.-%. Das molare Verhältnis NH3:NO x beträgt im allgemeinen 0,3 bis 3, vorzugsweise 0,6 bis 1,5, und kann durch regelungstechnische Maßnahmen in der Weise eingestellt werden, daß maximale NO x -Umsätze bei möglichst niedrigem NH3-Schlupf erzielt werden. Das NH3 kann sowohl gasförmig als auch in Form einer wäßrigen Lösung eindosiert werden.The NO x concentration of the exhaust gases to be cleaned can vary within wide limits; it is generally in the range from 100 vol ppm to 5 vol%. The molar ratio NH 3 : NO x is generally 0.3 to 3, preferably 0.6 to 1.5, and can be adjusted by means of control measures in such a way that maximum NO x conversions with the lowest possible NH 3 slip be achieved. The NH 3 can be metered in both in gaseous form and in the form of an aqueous solution.
Für die Entstickungsreaktion eigenen sich prinzipiell sämtliche üblicherweise für heterogen katalysierte Gasphasenreaktionen verwendete Reaktoren, sofern die Konstruktionsmerkmale des Reaktors den Durchsatz entsprechend hoher Rauchgasvolumenströme gestatten. Zulässige Raumgeschwindigkeiten (RG) liegen im Bereich von 500 bis 20 000, vorzugsweise zwischen 1000 und 15 000 Liter Gas je h und Liter Katalysator, wobei diese Raumgeschwindigkeiten sich auf ein Gas bei 0°C und 1 bar beziehen. Die Raumgeschwindigkeit wird nachstehend de Einfachheit halber mit der Dimension h-1 bezeichnet. Geeignete Raktionstemperaturen liegen im Bereich von etwa 200 bis 600°C, vorzugsweise von 270 bis 430°C. Bei erheblich höheren Temperaturen kann eine Oxidation des Ammoniaks durch den im Abgas enthaltenen Sauerstoff stattfinden, wodurch der Ammoniak der Reaktion mit den Stickoxiden entzogen wird, so daß der Entstickungsgrad sinken kann.In principle, all reactors usually used for heterogeneously catalyzed gas phase reactions are suitable for the denitrification reaction, provided the design features of the reactor permit the throughput of correspondingly high flue gas volume flows. Permissible space velocities ( RG ) are in the range from 500 to 20,000, preferably between 1000 and 15,000 liters of gas per hour and liter of catalyst, these space velocities relating to a gas at 0 ° C. and 1 bar. For the sake of simplicity, the space velocity is referred to below with the dimension h -1 . Suitable reaction temperatures are in the range from about 200 to 600 ° C, preferably from 270 to 430 ° C. At considerably higher temperatures, the ammonia can be oxidized by the oxygen contained in the exhaust gas, which removes the ammonia from the reaction with the nitrogen oxides, so that the degree of denitrification can decrease.
Im folgenden werden typische Beispiele für die Herstellung und Anwendung der erfindungsgemäßen Katalysatoren aufgeführt.The following are typical examples of manufacturing and application of the catalysts of the invention.
Die Wirksamkeit der Katalysatoren hinsichtlich der
Beseitigung von Stickstoffoxiden aus Gasgemischen, welche
u. a. auch Sauerstoff und Schwefeloxide enthalten, wird
festgestellt durch Kontaktieren des Katalysators mit einem
Gasstrom, welcher durch ein diesen Katalysator als
Schüttgut enthaltendes, von außen elektrisch beheiztes
Rohr geleitet wird. Das verwendete Gasgemisch hat folgende
Zusammensetzung:
O2 2 Vol.-%
H2O 10Vol.-%
NO 750 Vol-ppm
NO2 50 Vol-ppm
NH3 800 Vol-ppm
SO2 950 Vol-ppm
SO3 50 vol-ppm
N2 Differenz bezüglich 100 Vol.-%.The effectiveness of the catalysts with regard to the removal of nitrogen oxides from gas mixtures which also contain oxygen and sulfur oxides, among other things, is determined by contacting the catalyst with a gas stream which is passed through an externally electrically heated pipe containing this catalyst as bulk material. The gas mixture used has the following composition:
O 2 2% by volume
H 2 O 10 vol.%
NO 750 vol ppm
NO 2 50 vol ppm
NH 3 800 vol ppm
SO 2 950 vol ppm
SO 3 50 vol ppm
N 2 difference with respect to 100 vol .-%.
Die Konzentration der Komponenten NO und NO2 im Gasgemisch wurde vor und nach dem Passieren der Katalysatorschüttgutschicht durch einen geeichten Analysator (Chemolumineszenzverfahren) kontinuierlich gemessen. Als Maß für die Wirksamkeit der Katalysatoren bezüglich der Reduktion der Stickoxide dient die Angabe der Umsatzgrade der Komponenten NO und NO2 nach Einstellung des stationären Zustandes, definiert durch die folgenden Beziehungen: The concentration of the components NO and NO 2 in the gas mixture was continuously measured before and after passing through the catalyst bulk layer through a calibrated analyzer (chemiluminescence method). The degree of conversion of the components NO and NO 2 after setting the steady state serves as a measure of the effectiveness of the catalysts with regard to the reduction of the nitrogen oxides, defined by the following relationships:
Dabei bezeichnen die Symbole CNO und CNO2 die Konzentrationen von NO und NO2, wobei sich die Superskripte E und A auf den Zustand des Gasgemisches vor bzw. nach Passieren des Katalysators beziehen.The symbols C NO and C NO2 denote the concentrations of NO and NO 2 , the superscripts E and A relating to the state of the gas mixture before and after passing through the catalyst.
In eine Suspension von 172 g H-Montmorillonit in 5 l Wasser trägt man 320 g (2 Mol) TiOSO4 ein und neutralisiert unter Rühren mit halbkonzentriertem Ammoniak. Der Feststoff wird abgesaugt, sulfatfrei gewaschen und mit einer Lösung von 2,4 g (20,5 m Mol) NH4VO3, 4 g Oxalsäuredihydrat und 16,5 g (5,6 m Mol) Ammoniummetawolframat in 50 ml H2O sowie 10 ml Glycerin 1 h in einer Kugelmühle vermahlen. Die erhaltene Masse wird zu Strangpreßlingen von 3 mm Durchmesser extrudiert, 2 h bei 150°C getrocknet und anschließend 4 h bei 450°C calciniert. Der auf diese Weise hergestellte Katalysator enthält die Metalle Si, Ti, W und V im Atomverhältnis 108 : 106 : 3,5 : 1. Das nach der Hg-Penetrationsmethode bestimmte Porenvolumen beträgt 0,68 ml/g und weist die folgende Verteilung auf:320 g (2 mol) of TiOSO 4 are introduced into a suspension of 172 g of H-montmorillonite in 5 l of water and neutralized with half-concentrated ammonia while stirring. The solid is filtered off with suction, washed free from sulfate and with a solution of 2.4 g (20.5 m mol) of NH 4 VO 3 , 4 g of oxalic acid dihydrate and 16.5 g (5.6 m mol) of ammonium metatungstate in 50 ml of H 2 O. and 10 ml of glycerol are milled in a ball mill for 1 h. The mass obtained is extruded into extrusions of 3 mm in diameter, dried at 150 ° C. for 2 hours and then calcined at 450 ° C. for 4 hours. The catalyst produced in this way contains the metals Si, Ti, W and V in an atomic ratio of 108: 106: 3.5: 1. The pore volume determined by the mercury penetration method is 0.68 ml / g and has the following distribution:
Durchmesser (nm)Volumen (%)17503,880 - 175057,014 - 8020,3
7,5 - 1419,0Diameter (nm) Volume (%) 17503.880 - 175057.014 - 8020.3
7.5 - 1419.0
Die auf eine Länge von ca 5 mm zerkleinerten Strangpreßlinge (3 mm Durchmesser) werden einem Wirksamkeitstest unter den beschriebenen Bedingungen unterzogen (RG : 5000 h-1) The extrusions (3 mm in diameter), which have been shredded to a length of approx. 5 mm, are subjected to an effectiveness test under the conditions described ( RG : 5000 h -1 )
380 g TiCl4 werden mit 2 l Eiswasser hydrolysiert. Man trägt 170 g H-Montmorillonit ein und neutralisiert mit halbkonzentriertem Ammoniak. Der Feststoff wird abgesaugt, bei 60°C chloridfrei gewaschen und auf die im Beispiel 1 beschriebene Weise weiterverarbeitet. Man erhält die folgenden NO x -Umsätze: 380 g of TiCl 4 are hydrolyzed with 2 l of ice water. 170 g of H-montmorillonite are introduced and neutralized with semi-concentrated ammonia. The solid is filtered off with suction, washed free of chloride at 60 ° C. and processed further in the manner described in Example 1. The following NO x conversions are obtained:
5 l einer schwefelsauren Lösung von 320 g TiOSO4 werden ohne Zusatz des sauren Montmorillonits mittels halbkonzentriertem Ammoniak neutralisiert. Das Titanoxidhydrat wird abgesaugt und sulfatfrei gewaschen; dann setzt man die Präparation wie in Beispiel 1 beschrieben fort. Der auf diese Weise hergestellte, nicht erfindungsgemäße Katalysator enthält die Metalle Titan, Wolfram sowie Vanadium im Atomverhältnis 106 : 3,5 : 1 und weist die folgende Porenverteilung auf: Im Aktivitätstest werden folgende Umsätze ermittelt: 5 l of a sulfuric acid solution of 320 g TiOSO 4 are neutralized without the addition of the acidic montmorillonite using semi-concentrated ammonia. The titanium oxide hydrate is filtered off and washed free of sulfate; then the preparation is continued as described in Example 1. The catalyst not produced according to the invention produced in this way contains the metals titanium, tungsten and vanadium in an atomic ratio of 106: 3.5: 1 and has the following pore distribution: The following sales are determined in the activity test:
Der in den Beispielen 1 und 2 verwendete H-Montmorillonit wurde wie folgt erhalten:The H-montmorillonite used in Examples 1 and 2 was obtained as follows:
2 kg einer durch Hydroklassieren in wäßriger Suspension erhaltenen Rohbentonitfraktion der Korngröße = 50 µm werden mit 8 Liter einer wäßrigen HCl-Lösung 6 Stunden bei 80°C gerührt. Der HCl-Gehalt betrug ca. 21 Gew.-%, bezogen auf die Trockensubstanz. Man saugt ab und wäscht den Filterkuchen reichlich mit angesäuertem Wasser (mittels HCl auf pH 3,5 eingestellt).2 kg of one by hydroclassification in aqueous suspension obtained raw bentonite fraction of the grain size = 50 microns with 8 liters of an aqueous HCl solution for 6 hours 80 ° C stirred. The HCl content was approx. 21% by weight, based on the dry matter. You suck off and washes the filter cake abundantly with acidified Water (adjusted to pH 3.5 using HCl).
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