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        以鎂鋁尖晶石為載體的脫硝催化劑制備及性能評(píng)價(jià)

        2017-12-06 00:35:03尹建軍張忠東柳召永蒙燕子
        石油煉制與化工 2017年12期
        關(guān)鍵詞:尖晶石氧化物轉(zhuǎn)化率

        謝 鑫,尹建軍,張忠東,柳召永,蒙燕子

        (1.蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院,蘭州 730050;2.中國(guó)石油蘭州化工研究中心)

        以鎂鋁尖晶石為載體的脫硝催化劑制備及性能評(píng)價(jià)

        謝 鑫1,2,尹建軍1,張忠東2,柳召永2,蒙燕子1,2

        (1.蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院,蘭州 730050;2.中國(guó)石油蘭州化工研究中心)

        采用酸法制備鎂鋁尖晶石(MAS)載體,以等體積浸漬法制備Cu-Ce-OMAS催化裂化脫硝催化劑,使用XRD,BET,H2-TPR等手段對(duì)樣品進(jìn)行表征,小型脫硝評(píng)價(jià)裝置評(píng)價(jià)催化劑的脫硝性能。結(jié)果表明:當(dāng)濃鹽酸與Al2O3摩爾比為0.15、MgO與Al2O3摩爾比為1.0時(shí)制得的MAS載體結(jié)晶良好,比表面積和孔體積分別為149.8 m2g和0.55 mLg;Cu-Ce-OMAS脫硝催化劑的比表面積和孔體積分別為135.2 m2g和0.59 mLg;活性氧化物在MAS表面分散程度高,還原峰溫度低;脫硝反應(yīng)中Cu-Ce-OMAS催化劑的起始反應(yīng)溫度低,轉(zhuǎn)化率在250 ℃時(shí)達(dá)到100%。

        鎂鋁尖晶石 載體 催化劑 脫硝 催化裂化

        催化裂化(FCC)裝置單元排放廢氣中含有大量的氮氧化物(NOx),其NOx的排放量幾乎占整個(gè)煉油廠污染物排放量的一半[1]。NOx會(huì)形成酸雨、二次微細(xì)顆粒污染以及光化學(xué)煙霧等一系列環(huán)境問(wèn)題,嚴(yán)重危害人類健康及居住環(huán)境。由于NOx極易與水形成硝酸根離子,而后與陽(yáng)離子結(jié)合形成硝酸水溶液,腐蝕殼體以及以低碳鋼、低合金為材料設(shè)備的焊縫,以致開(kāi)裂(硝脆)[2]。催化裂化原料中30%~50%的氮轉(zhuǎn)移到附著在催化劑上的焦炭中[3],其中大部分氮生成了N2,10%~30%的氮生成了NOx[4],最終NOx的生成量取決于原料中的含氮量、再生條件和O2含量等,再生煙氣排放的NOx中NO約占90%,因而控制NO排放量就是控制了NOx的排放量。目前,控制煉油廠FCC裝置NOx排放量的方法主要包括原料油預(yù)加氫、煙氣后處理和添加NOx減排助劑等。添加NOx減排助劑的優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)需設(shè)備投資,也無(wú)需改變FCC裝置現(xiàn)有的工藝,且操作簡(jiǎn)便,是目前煉油廠脫硝的主要手段之一[5]。以CO為還原劑的NOx減排助劑催化脫硝技術(shù)來(lái)源于內(nèi)燃機(jī)脫硝中的三元催化劑技術(shù),CO廉價(jià)易得,且在反應(yīng)中不易形成積炭,該技術(shù)的關(guān)鍵步驟是NOx在催化劑表面的吸附以及N—O鍵的斷裂,其高效率依賴于催化劑表面的氧空位和催化劑的氧化-還原性能。目前工業(yè)上采用的脫硝催化劑主要以γ-Al2O3為載體,但是在原料氣含水的情況下,γ-Al2O3的比表面積減小,導(dǎo)致活性組分燒結(jié)進(jìn)而影響脫硝效率[6]。鎂鋁尖晶石(MAS)具有良好的孔結(jié)構(gòu),與γ-Al2O3相比,不僅能夠提高催化劑的強(qiáng)度,還能使載體具有酸性和堿性兩種活性中心,提高催化劑的變換活性,且MAS載體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,不易燒結(jié),它的飽和結(jié)構(gòu)使其具有較高的熱穩(wěn)定性,晶相結(jié)構(gòu)可以在高溫下保持不變[7-9],其抗水合性能遠(yuǎn)高于氧化鋁系載體。催化劑的活性組分主要為堿土金屬、稀土金屬及過(guò)渡金屬的氧化物或混合氧化物,文獻(xiàn)中對(duì)Cu-Ce-O復(fù)合氧化物活性組分的報(bào)道已有很多,因CeO2對(duì)CuO的高分散性及協(xié)同作用使得催化劑有較高的活性。本研究以MAS為載體,以Cu和Ce的氧化物為活性組分制備催化裂化脫硝催化劑并對(duì)其脫硝性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

        1 實(shí) 驗(yàn)

        1.1 原 料

        濃鹽酸,分析純,四川西隴化工有限公司生產(chǎn);擬薄水鋁石,中國(guó)鋁業(yè)公司山西鋁業(yè)分公司生產(chǎn);硝酸鎂,分析純,天津市凱信化學(xué)工業(yè)有限公司生產(chǎn);硝酸鈰,分析純,上海中秦化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn);硝酸銅,分析純,天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司生產(chǎn);γ-氧化鋁,山東恒環(huán)氧化鋁公司生產(chǎn);高嶺土,蘇州高嶺土機(jī)選,2號(hào)。

        1.2鎂鋁尖晶石及催化劑制備方法

        1.2.1MAS的制備MAS的制備采用酸法,將擬薄水鋁石與去離子水以一定比例混合,室溫下攪拌均勻并逐滴加入濃鹽酸,控制酸鋁比(濃鹽酸與Al2O3摩爾比)分別為0.05,0.10,0.15,0.20,0.30,攪拌至透明膠狀(蒸干焙燒后制得MAS前軀體),控制鎂鋁比(MgO與Al2O3摩爾比)分別為5.0,3.0,1.0,0.5計(jì)量加入配好的硝酸鎂溶液,攪拌均勻,室溫下靜置12 h,蒸干后在700 ℃焙燒4 h制得MAS載體。

        1.2.2脫硝催化劑的制備脫硝催化劑的制備采用等體積浸漬法,按2%CuO-2%CeO2的比例將硝酸銅和硝酸鈰溶解于去離子水(去離子水的量分別為等γ-Al2O3、MAS、高嶺土的孔體積)中,分別浸漬γ-Al2O3、MAS、高嶺土,室溫下靜置12 h,蒸干后在600 ℃下焙燒4 h,可得Cu-Ce復(fù)合氧化物型脫硝催化劑,記為Cu-Ce-OAl2O3,Cu-Ce-OMAS,Cu-Ce-Okaolin。

        1.3 催化劑的表征

        催化劑物相結(jié)構(gòu)表征采用Rigaku D/Max-3C X射線衍射儀;BET比表面積和孔體積表征采用美國(guó)Quantachrome公司生產(chǎn)的Autosorb-6B型N2吸附比表面積測(cè)定儀;H2-TPR表征采用美國(guó)麥克公司生產(chǎn)的Autochemll 2920型全自動(dòng)程序升溫化學(xué)吸附儀;XPS表征采用ThermoFisher Scientific的ESCALAB 250Xi電子能譜儀。

        1.4 催化劑脫硝性能評(píng)價(jià)

        圖1 小型脫硝評(píng)價(jià)裝置示意

        采用小型脫硝評(píng)價(jià)裝置(圖1)對(duì)催化劑脫硝性能進(jìn)行評(píng)價(jià),氣瓶中NO和CO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為500 μgg,平衡氣體為N2。石英管外徑為8 mm,催化劑裝填量為1 g,氣體流量為220 mLmin,采用自動(dòng)控制的程序升溫過(guò)程,升溫速率10 ℃min。采用武漢四方光電子科技有限公司的Gasboard-3000煙氣分析儀測(cè)定出口NO的含量,NO轉(zhuǎn)化率(φ)的計(jì)算公式為:φ=×100%,其中:C0為進(jìn)口NO質(zhì)量分?jǐn)?shù),μgg;C為出口NO質(zhì)量分?jǐn)?shù),μgg。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 不同制備條件對(duì)MAS的影響

        2.1.1酸鋁比對(duì)MAS前軀體的影響對(duì)在不同酸鋁比條件下制備的MAS前軀體進(jìn)行XRD和BET表征,結(jié)果見(jiàn)圖2和表1。由圖2和表1可以看出:①當(dāng)酸鋁比增大到0.30時(shí),在2θ為14.47°,28.19°,49.28°處出現(xiàn)了勃姆石(AlOOH)的雜相衍射峰[10];②隨著酸鋁比的增大,樣品的比表面積和孔體積均減小。因此,在制備MAS前軀體時(shí),應(yīng)選擇盡可能小的酸鋁比。但在酸鋁比小于0.1時(shí),膠黏性大,攪拌黏度大,因此制備MAS前軀體時(shí)選取最佳酸鋁比為0.15。

        圖2 不同酸鋁比MAS前軀體的XRD圖譜n(HCl)∶n(Al2O3):a—0.05; b—0.10; c—0.15; d—0.20; e—0.30?!狝lOOH;◆—Al2O3

        n(HCl)∶n(Al2O3)比表面積∕(m2·g-1)孔體積∕(mL·g-1)00527780400102708038015244203402022610340301776024

        2.1.2鎂鋁比對(duì)MAS的影響控制酸鋁比為0.15,對(duì)不同鎂鋁比條件下制得的MAS進(jìn)行XRD和BET表征,結(jié)果見(jiàn)圖3和表2。由圖3和表2可見(jiàn):當(dāng)鎂鋁比大于1時(shí),會(huì)出現(xiàn)MgO峰;而鎂鋁比為1.0時(shí)(與尖晶石晶體的理論組成一致),MgO峰基本消失,樣品基本為純相MAS;當(dāng)鎂鋁比為0.5時(shí),雖然也只能看到MAS峰,但MAS的孔體積為0.51 mL/g,與鎂鋁比為1.0 MAS的孔體積相比顯著減小,說(shuō)明可能會(huì)有過(guò)量氧化鋁以無(wú)定形態(tài)存在;在鎂鋁比為1.0時(shí),樣品的孔體積最大;比表面積隨鎂鋁比減小而逐漸增大,在鎂鋁比不大于1.0時(shí)達(dá)最大,因此選取最佳鎂鋁比為1.0。

        圖3 不同鎂鋁比MAS 的XRD圖譜n(MgO)∶n(Al2O3): a—0.5; b—1.0; c—3.0; d—5.0?!狹gO; ◆—MAS

        n(MgO)∶n(Al2O3)比表面積∕(m2·g-1)孔體積∕(mL·g-1)05159105110149805530114705250769029

        2.2 脫硝催化劑的表征

        2.2.1BET表征Cu-Ce-O/Al2O3,Cu-Ce-O/MAS,Cu-Ce-O/kaolin脫硝催化劑的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表3。由表3可見(jiàn):負(fù)載γ-Al2O3和MAS后,Cu-Ce-OAl2O3、Cu-Ce-OMAS催化劑的比表面積變小,這是因?yàn)榛钚匝趸镏饕?fù)載于載體孔道內(nèi)壁所致;MAS載體負(fù)載活性氧化物后,Cu-Ce-OMAS催化劑的孔體積增大,且比表面積減小幅度小,可能是由于在焙燒時(shí)存在于孔道內(nèi)壁的金屬離子導(dǎo)致載體孔道的通連所致;γ-Al2O3載體無(wú)定形結(jié)構(gòu)量較大,載體孔道難以被打通,故Cu-Ce-OAl2O3與γ-Al2O3相比,孔體積變化不明顯;γ-Al2O3載體形成的主要是堆積孔,CuO和CeO2對(duì)高嶺土顆粒的高分散性導(dǎo)致負(fù)載γ-Al2O3載體后,Cu-Ce-Okaolin的比表面積增大、孔體積減小。

        表3 不同載體脫硝催化劑的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)

        2.2.2XRD表征Cu-Ce-O/Al2O3,Cu-Ce-O/MAS,Cu-Ce-O/kaolin脫硝催化劑的XRD圖譜見(jiàn)圖4。從圖4可以看出:①Cu-Ce-O/MAS在2θ為36.8°,44.8°,65.2°處的特征峰歸屬于MAS,表明在脫硝催化劑中,MAS的晶體結(jié)構(gòu)得以保留;② 3種脫硝催化劑在2θ為28.5°、47.4°處有明顯的CeO2特征峰,且峰強(qiáng)度與載體的比表面積基本上負(fù)相關(guān),說(shuō)明載體的比表面積越大,CeO2的分散程度越高,結(jié)晶度越低;③在2θ為32.5°、48.7°處CuO的特征峰均較弱,是由于CuO在CeO2顆粒表面和載體表面分散程度較高或與CeO2形成固溶體[11]所致;④在3種脫硝催化劑的XRD譜圖中可以明顯看到CeO2和CuO的特征峰,說(shuō)明兩種氧化物主要是單獨(dú)分散在載體上的,即使形成固溶體,量也不大。

        圖4 不同載體脫硝催化劑的XRD圖譜◆—MAS; ■—Al2O3; ●—CeO2。1—Cu-Ce-OMAS; 2—Cu-Ce-Okaolin; 3—Cu-Ce-OAl2O3

        2.2.3XPS表征Cu-Ce-O/Al2O3,Cu-Ce-O/MAS,Cu-Ce-O/kaolin脫硝催化劑的Cu2p分峰譜見(jiàn)圖5。從圖5可以看出:3種樣品Cu2p分裂成的兩峰對(duì)應(yīng)的結(jié)合能分別是Cu2p3/2(933.0 eV)和Cu2p1/2(953.7 eV),兩峰的能量差值為20.7 eV,說(shuō)明Cu主要以二價(jià)形態(tài)存在,在942 eV左右的峰是二價(jià)Cu的Cu2p3/2特征峰,Cu2p3/2的結(jié)合能略低于CuO的結(jié)合能(CuO結(jié)合能為933.4 eV),略高于Cu2O的結(jié)合能(Cu2O結(jié)合能為932.5 eV),說(shuō)明樣品中可能含有少量Cu2O;Cu-Ce-O/kaolin和Cu-Ce-O/Al2O3在934.5 eV處的分峰可歸屬于CuAl2O4,少量CuAl2O4可能是在焙燒過(guò)程中由Al2O3和CuO反應(yīng)所形成;高嶺土中含有大量SiO2,高溫下可與CuO形成CuSiO3,936.0 eV的分峰可歸屬于CuSiO3[12]。

        圖5 不同載體脫硝催化劑的Cu2p分峰譜1—Cu-Ce-O/MAS; 2—Cu-Ce-O/kaolin; 3—Cu-Ce-O/Al2O3

        通過(guò)XPS分析,計(jì)算Cu-Ce-O/MAS,Cu-Ce-O/kaolin,Cu-Ce-O/Al2O3表面Cu元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.49%,0.17%,0.68%,說(shuō)明Cu-Ce-O/MAS表面活性組分的分散量遠(yuǎn)高于其它兩者,其催化性能也會(huì)更優(yōu)[13]。

        2.2.4H2-TPR表征Cu-Ce-O/Al2O3,Cu-Ce-O/MAS,Cu-Ce-O/kaolin脫硝催化劑的H2-TPR曲線見(jiàn)圖6。從圖6可以看出:Cu-Ce-O/Al2O3和Cu-Ce-O/MAS的還原特征峰溫度較低,分別為262 ℃和249 ℃,這是因?yàn)棣?Al2O3和MAS的比表面積較大,CeO2、CuO分散程度高,表面活性位較多,兩者還可能形成固溶體[14],固溶體的存在也有利于催化反應(yīng)的進(jìn)行[15],CeO2與MAS之間存在著強(qiáng)烈的相互作用,導(dǎo)致其還原峰向低溫區(qū)移動(dòng),單一的還原峰說(shuō)明CeO2與CuO之間可能存在協(xié)同作用,活性氧化物的負(fù)載量尚未達(dá)到分散飽和狀態(tài);高嶺土的比表面積小,活性氧化物在其表面的分散程度小,表面活性位較少,CuO與載體表面存在著多種相互作用,同時(shí)會(huì)存在體相CuO,因此Cu-Ce-Okaolin的還原特征峰溫度較高;312 ℃處的還原峰歸屬于CuAl2O4中二價(jià)Cu的還原,400,448,496 ℃的還原峰分別歸屬于受到表面氧空位誘導(dǎo)而較容易還原的CuO物種、與載體有弱作用的CuO物種以及體相CuO晶粒的還原,體相CuO的存在說(shuō)明其負(fù)載量已達(dá)到分散飽和狀態(tài),隨著溫度的升高,伴隨著CuO逐漸被還原為Cu2O,未被還原的CuO、Cu2O全部被還原為Cu[16]。

        圖6 不同載體脫硝催化劑的H2-TPR曲線1—Cu-Ce-Okaolin; 2—Cu-Ce-OMAS; 3—Cu-Ce-OAl2O3

        2.3脫硝催化劑的性能評(píng)價(jià)

        Cu-Ce-O/Al2O3,Cu-Ce-O/MAS,Cu-Ce-O/kaolin脫硝催化劑的NOx轉(zhuǎn)化率見(jiàn)圖7。從圖7可以看出:①Cu-Ce-O/MAS上起始反應(yīng)溫度為200 ℃,在240~260 ℃,NO轉(zhuǎn)化率快速提高,250 ℃時(shí)NO轉(zhuǎn)化率達(dá)到100%;②Cu-Ce-O/Al2O3上起始反應(yīng)溫度為220 ℃,在280~400 ℃,NO轉(zhuǎn)化率快速提高,接近400 ℃時(shí)已基本轉(zhuǎn)化完全,450 ℃時(shí)NO轉(zhuǎn)化率達(dá)到100%;③Cu-Ce-O/kaolin上起始反應(yīng)溫度為500 ℃,680 ℃時(shí)NO轉(zhuǎn)化率達(dá)到100%。3種催化劑催化NO轉(zhuǎn)化活性由大到小的順序?yàn)椋篊u-Ce-O/MAS>Cu-Ce-O/Al2O3>Cu-Ce-O/kaolin。

        圖7 不同載體脫硝催化劑的NOx轉(zhuǎn)化率■—Cu-Ce-O/Al2O3; ●—Cu-Ce-O/kaolin; ▲—Cu-Ce-O/MAS

        催化劑的比表面積是影響其催化性能的重要因素之一,比表面積越大,活性氧化物在其表面的分散量越多,表面活性位越多,催化性能越好;Cu-Ce-O/MAS的比表面積比Cu-Ce-O/Al2O3的比表面積略小,但其催化性能更好,可能是由于MAS載體具有酸性和堿性兩種活性中心,提高了催化劑的催化活性,表層MAS的參與可使NOx以NO+,NO,NO-形態(tài)吸附,而Cu-Ce-O/Al2O3則以NO+、NO吸附,且MAS會(huì)加速CO對(duì)NO的還原分解[17]。比表面積并不是影響催化劑活性的決定性因素[18],載體結(jié)構(gòu)對(duì)表面銅物種分散狀態(tài)的影響更大,CuO的鍵長(zhǎng)因載體的不同而發(fā)生變化,導(dǎo)致其在不同載體上的氧化還原行為不同,從而影響催化劑的脫硝性能[19],Cu-Ce-O/MAS較大的孔道體積和表面分布較多的CuO可能更有利于催化脫硝反應(yīng)的進(jìn)行。Cu-Ce-O/kaolin的比表面積過(guò)小,活性氧化物在載體表面的分散程度低,表面活性位少,對(duì)NO的吸附量小,因此其脫硝性能較差。

        3 結(jié) 論

        (1)以酸法制備了MAS,在酸鋁比為0.15、鎂鋁比為1.0時(shí)制得的MAS載體結(jié)晶良好,比表面積和孔體積分別可達(dá)149.8 m2/g和0.55 mL/g。

        (2)以等體積浸漬法制備Cu-Ce-O/MAS脫硝催化劑,比表面積為135.2 m2/g,略小于對(duì)比催化劑Cu-Ce-O/Al2O3的比表面積,遠(yuǎn)高于對(duì)比催化劑Cu-Ce-O/kaolin的比表面積;Cu-Ce-O/MAS的孔體積可達(dá)0.59 mL/g;活性氧化物在MAS表面分散程度高,表面分散的Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)1.49%。

        (3)H2-TPR結(jié)果表明,Cu-Ce-O/MAS為單還原峰,Cu與Ce之間存在協(xié)同作用,還原峰溫度為249 ℃,低于對(duì)比催化劑的還原峰溫度。

        (4)脫硝性能評(píng)價(jià)結(jié)果表明,Cu-Ce-O/MAS的起始反應(yīng)溫度為200 ℃,250 ℃時(shí)NO轉(zhuǎn)化率達(dá)到100%,3種催化劑催化NO轉(zhuǎn)化活性由大到小的順序?yàn)椋篊u-Ce-O/MAS>Cu-Ce-O/Al2O3>Cu-Ce-O/kaolin。

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        PREPARATIONANDPERFORMANCEOFDENITRATIONCATALYSTBASEDONMg-AlSPINELWTBZ

        Xie Xin1,2, Yin Jianjun1, Zhang Zhongdong2, Liu Zhaoyong2, Meng Yanzi1,2

        (1.SchoolofPetrochemicalEngineering,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou730050; 2.PetroChinaLanzhouPetrochemicalResearchCenter)

        Using Mg-Al spinel carrier(MAS)prepared by acid method,Cu-Ce-O/MAS cracking denitration catalysts were prepared by equal volume impregnation.The catalyst samples were characterized by XRD,BET,and H2-TPR techniques.The denitration performance of the samples was evaluated in a small-scale device.The results showed that good crystal structure and pore structure of the MAS are observed when the mole ratio of HCl acid to Al2O3is 0.15 and 1 for ratio of MgO/Al2O3.The surface area and pore volume of MAS are 149.8 m2/g and 0.55 mL/g,respectively.The Cu-Ce-O/MAS catalyst has a surface area of 135.2 m2/g and pore volume of 0.59 mL/g.The active oxide has a high degree dispersion on the surface of the MAS,but lower reduction temperature.The denitration reaction temperature on the catalyst is lower and the conversion rate is 100% at 250 ℃.

        MgO-Al2O3spinel; carrier; catalyst; denitration; catalytic cracking

        2017-06-21;修改稿收到日期2017-07-21。

        謝鑫,碩士研究生,研究方向?yàn)榉蔷啻呋?/p>

        尹建軍,E-mail:yinjj_1962@163.com。

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