Катализатор для удаления оксидов серы из дымовых газов электростанций
CATALYST FOR REMOVAL OF SULPHUR OXIDES FROM FLUE GASES OF POWER PLANTS

2
3
Изобретение относится к каталитическим методам обезвреживания дымовых газов электростанций и, более конкретно, к катализаторам для удаления оксидов серы из дымовых газов электростанций. Помимо природного газа, электростанции широко используют в качестве топлива мазут и каменные угли. Общее содержание сернистых соединений в негидроочищенном мазуте достигает 2-4%, в Донецком и Ростовском антрацитах - 2-6%, а в каменных углях Кузнецкого и Канско-Ачинского бассейнов - до 0.6%. При сжигании сера переходит в сернистый (SO) и серный (SO) ангидриды, которые, попадая в атмосферу, образуют серную кислоту. В конечном итоге, последняя выпадает в виде кислых дождей, нанося ущерб здоровью населения и окружающей среде. Таким образом, обезвреживание газовых выбросов электростанций является актуальной проблемой народного хозяйства.
2
Известен каталитический способ удаления оксида серы SO путем его окисления в серный ангидрид с получением серной кислоты (патент США 4963520, 1990), в котором использует для этой цели биметаллическую шпинель в качестве катализатора. Основные достоинства этого процесса подробно изложены в брошюре датской компании (Haldor Topsoe: "SNOX™- Эффективное и экономичное удаление сернистых газов из дымовых газов", 1981 г.). Главный недостаток процесса состоит в необходимости сбора, хранения и реализации значительных объемов разбавленной серной кислоты. Так, при установленной мощности ГРЭС 2200 Мвт она должна сжигать ~4 млн. тонн топлива в год, что даже при содержании серы на уровне 0.5% масс, сопровождается выпуском ~200 тыс. т/год 33%-ной серной кислоты.
Более предпочтительны в этом отношении катализаторы, позволяющие восстанавливать оксиды серы в элементную серу. Особенности таких катализаторов описаны в различных источниках, например, (D.C. Moody et al, "Catalytic Reduction of Sulfur Dioxide", Journal of Catalysis, v. 70 (1), 1981), (патент США 5213779, 1993), где предлагаются в качестве катализатора лантаниды металлов, либо смесь оксида лантана в комбинации с сульфидами кобальта и стронция (патент США 5853684, 1998). Недостатком предложенных катализаторов является высокая стоимость редких металлов, их сравнительно низкая стойкость к сульфатированию и требование высоких температур (300-800°С) при эксплуатации. Все это существенным образом сказывается на росте себестоимости выработки электроэнергии.
Целый ряд изобретений используют в качестве носителей высококремнистые цеолиты USY, ZSM, SSZ-13 и др. Так, например, в качестве катализатора использованы ванадий-церий обменные формы ультрастабильного фожазита (USY) (патент США 6974787, 2005), либо оксиды ванадия, титана, вольфрама и молибдена, нанесенные на высококремнистый цеолит в качестве носителя (патент США 7572414, 2009). К недостаткам предложенных катализаторов надо отнести высокое содержание в их составе оксидов металлов IV-VI групп Периодической системы и их высокую стоимость, ограничивающие возможности практического применения катализаторов.
2
3
Наиболее близким к настоящему изобретению является катализатор, представляющий собой Zn-, Mn-, Cu- и Ni-обменные формы цеолитов USY BETA, ZSM, характеризующихся высоким соотношением оксидов SiO:AbO выше 10.0, с нанесенными на них ванадатами металлов. К недостаткам прототипа следует отнести узкую практическую доступность высококремнистых цеолитов в их составе, сложность процесса приготовления, а также низкую активность катализатора в реакции восстановления оксидов серы при температурах ниже 300°С (патент США 7960307, 2011).
Задачей настоящего изобретения является разработка катализатора, проявляющего высокую активность в широкой области низких температур, начиная с 240°С, на основе доступных, дешевых по стоимости компонентов с использованием простого, технологически осуществимого способа приготовления.
2
2
3
Поставленная задача достигается предлагаемым катализатором для удаления оксидов серы из дымовых газов электростанций на основе низкокремнистого фожазита - цеолита LSX, характеризующегося молярным соотношением оксидов кремния и алюминия SiO:AlO=2.0-2.2 и содержащего бинарные поликатионные кластеры переходных металлов -меди и цинка или меди и марганца при их мольном соотношении Cu:Zn и Cu:Mn в пределах 2:1÷4:1.
p
p
Катализатор представляет собой цеолит с нанесенными поликатионами переходных металлов формулы (Cu)(Zn)CaLSX-r, где р - поликатионная форма, r - соотношение меди к цинку 2 или 4.
С целью уменьшения гидравлического сопротивления по ходу дымовых газов, предлагаемый катализатор выполнен в виде сферических или цилиндрических гранул большого диаметра (10-12 мм) или ячеистой структуры монолитов.
2
2
3
2
2
3
2+
2+
2+
2+
2+
Настоящим изобретением предлагается эффективный катализатор для удаления сернистых соединений из дымовых газов электростанций путем их восстановления моноксидом углерода в элементную серу. Отличительной особенностью способа приготовления катализатора является проведение операции ионного обмена низкокремнистого цеолита LSX (SiO:AlO~2.0-2.2) с растворами частично гидролизованных солей переходных металлов при рН 5.2+5.8, и включает предварительную конверсию натрий-калиевой формы цеолита в кальциевую форму с последующим синтезом поликатионных кластеров меди и цинка или меди и марганца. Таким образом, способ включает несколько стадий: а) стадию обмена щелочных катионов на катионы Са, б) стадию обмена катионов Са на катионы Cu, в) стадию обмена на катионы Zn или Mn. Метод синтеза исходного низкокремнистого цеолита LSX предложен Г. Кюлем (G.H. , "Crystallization of Low-Silica Faujasite (SiO:AlO~2.0-2.2)", Zeolites, 1987, 7, 451), и его производство осуществлено в промышленном масштабе. Простая технология получения поликатионных форм цеолитов предложена авторами настоящего изобретения, которая наряду с активностью цеолитов с поликатионными кластерами переходных металлов в реакциях окисления моноксида углерода и сернистых соединений описана в публикациях О.Р. Tkachenko, А.А. Greish, A.V. Kucherov, K.С.Weston, A.M. Tsybulevski, L.M. Kustov "Low-temperature CO oxidation by transition metal polycation exchanged low-silica faujasites", Applied Catalysis B: Environmental, 2015, 179, 521 и A.M. Tsybulevski, O.P. Tkachenko, E.J. Rode, K.C. Weston, L.M. Kustov, E.M. Sulman, V.Y.Doluda, A.A. Greish "Reactive Adsorption of sulfur compounds on transition metal polycation-exchanged zeolites for desulfurization of hydrocarbon streams", Energy Technology, 2017, 5, 1627.
Эта активность в окислительных реакциях объясняется способностью поликатионных кластеров переходных металлов отдавать реактантам свои избыточные атомы кислорода. Активность же в восстановительных реакциях, в частности в восстановлении оксидов серы, способность отрывать атом кислорода от реактантов, оксидов серы неизвестна, абсолютно неожиданна, и впервые обнаружена авторами изобретения. Не менее неожиданна и активность предлагаемого катализатора в области низких температур, его способность полностью удалять из потока газа диоксид серы уже при 240°С, что, в свою очередь, открывает новые пути обессеривания дымовых газов электростанций.
Приготовление катализатора, его химический состав и доказательства его преимуществ в удалении оксидов серы продемонстрированы в нижеследующих примерах. Эти примеры носят иллюстративный характер и не ограничивают сферу применения изобретения.
Примеры 1-3 - Приготовление образцов катализаторов Нижеприведенные примеры приготовления образцов рассчитаны на получение 140 г конечного продукта. Все образцы катализаторов приготовлены на основе натрий-калиевой формы цеолита NaKLSX производства компании М Chemical.
Хотя катионы щелочных и щелочно-земельных металлов играют роль катионов, компенсирующих отрицательный заряд решетки в структуре низкокремнистого фожазита LSX, предварительная конверсия натрий-калиевой формы в кальциевую форму цеолита необходима для последующего синтеза поликатионных кластеров меди и цинка или меди и марганца. Таким образом, процедура приготовления включает несколько стадий.
p
p
Пример 1. Приготовление катализатора (Cu)(Zn)CaLSX-4.
2+
а). Стадия обмена щелочных катионов на катионы Са:
2
2
⋅
приготовили 1 литр 1 N раствора хлорида кальция путем растворения 73.5 г CaCl(HO) в деионизированной воде (ДИВ);
2
100 г гранул исходного цеолита обработали в 1 литре 1 N раствора CaCl при комнатной температуре и постоянном перемешивании. рН раствора поддерживали в пределах 6.5-7.0, чтобы получить степень ионного обмена ~55-60% с получением формы CaLSX;
промыли гранулы в ~10 л деионизированной воды.
2+
2+
б). Стадия обмена катионов Са на катионы Cu:
2
4
2
4
приготовили буферный раствор - 0.05 М дигидрофосфата натрия (NaHPO) путем растворения 6 г безводного NaHPO в 1 литре деионизированной воды;
2
2
2
приготовили 1 литр 1 N раствора хлорида меди CuCl путем растворения 85.6 г CuCl⋅HO в 1 литре деионизированной воды и снизили рН раствора добавкой 35 мл буферного раствора, чтобы избежать спонтанного осаждения гидроксида меди;
2
обработали промытые гранулы CaLSX 1 литром 1 N раствора CuCl при комнатной температуре и непрерывном перемешивании в течение 4 часов. Поддерживали рН обменного раствора в процессе ионного обмена на уровне 5.0-5.4, используя натрий-дигидрофосфатный буфер. Достигнутая степень ионного обмена должна быть равна ~50% Cu, 40% Са;
промыли продукт 10 л деионизированной воды.
2+
в). Стадия обмена на катионы Zn:
2
4
приготовили буферный раствор - 0.03 М гидрофосфата калия (KHPO).
2
4
Растворили 5.25 г KHPO в 1 литре деионизированной воды.
2
2
Приготовили 1 литр 1.5 N раствора хлорида цинка ZnCl. Растворили 102 г безводного ZnCl в 1 литре деионизированной воды и снизили рН раствора добавлением 60 мл буфера, чтобы избежать интенсивного осаждения гидроксида цинка.
2
2
4
Обработали ранее полученный цеолит CuCaLSF 1 литром 1.5 N раствора ZnCl в течение 4 часов, поддерживая рН обменного раствора на уровне 5.6-6.0 при помощи буфера - 0.03 М раствора KHPO. Достигнутые степени обмена катионов в образце катализатора составили: Са - 15%, Cu - 50%, Zn - 12.5% экв.
3
Промыли продукт деионизированной водой, чтобы достичь отрицательной реакции на хлорид-ион с 0.028 N раствором AgNO.
p
p
Пример 2. Приготовление катализатора (Cu)(Zn)CaLSX-2.
2+
2+
2+
Повторили стадии а) обмена щелочных катионов на катионы Саи б) обмена катионов Са на катионы Cu синтеза катализатора как в примере 1;
2+
в) стадия обмена на катионы Zn:
2
2
4
приготовили 1 литр 2.5 N раствора хлорида цинка. Растворили 170 г безводного ZnCl в 1 литре деионизированной воды и снизили рН раствора добавлением 75 мл буфера, чтобы избежать осаждения гидроксида цинка. Использовали в качестве буфера 0.03 М раствор KHPO;
2
4
обработали полученный на стадии б) образец CuCaLSF 1 литром 2.5 N раствора хлорида цинка в течение 4 часов, поддерживая рН обменного раствора на уровне 5.2-5.6, используя буферный раствор KHPO. Достигнутые степени обмена в конечном продукте составили: Са - 12%, Cu - 45%, Zn - 22% экв.
p
p
Пример 3. Приготовление катализатора (Cu)(Mn)LSX-2.
2+
2+
2+
Повторили стадии а) обмена щелочных катионов на катионы Са и б) обмена катионов Са на катионы Cu синтеза катализатора как в примере 1;
2+
в) стадия обмена на катионы Mn:
2
2
приготовили 1 литр 2 N раствора хлорида марганца путем растворения 198 г MnCl⋅4HO в 1 литре деионизированной воды с добавлением 100 мл буферного раствора гидрофосфата калия для предупреждения выпадения осадка гидроксида марганца.
p
2
4
Обработали в течение 4 часов полученный на стадии б) образец (Cu)CaLSF 1 литром 2 N раствора хлорида марганца, поддерживая рН обменного раствора на уровне 5.1-5.4 при помощи буферного раствора KHPO. Достигнутые степени ионного обмена составили: Са - 15%, Cu - 50%, Mn - 25% экв.
p
p
Пример 4. Изучение и подтверждение поликатионной структуры катализатора на примере (Cu)(Zn)CaLSX-2 с помощью метода EXAFS.
p
p
EXAFS-спектры образца катализатора (Cu)(Zn)CaLSX-2 были сняты на БМ23 станции Европейского Центра Синхротронного Излучения (ESRF, Гренобль, Франция). Для сопоставления были записаны одновременно спектры металлической фольги. Измеренные параметры катионов меди и цинка приведены в Таблице 1.
p
p
Результаты спектральных измерений однозначно подтверждают наличие поликатионных кластеров меди и цинка в катализаторе (Cu)(Zn)CaLSX-2. Измеренный радиус катионов существенно превышает стандартную длину связи в монокатионных формах (1.97; 2.05 против 1.95), среднее содержание кислорода выше стехиометрического, а площадка, занимаемая поликатионами Cu и Zn в 2-3 раза больше размера монокатионов.
Пример 5. Испытание активности катализаторов
2
3
2
2
3
Образцы катализаторов, полученные в примерах 1-3, наряду с образцом используемого в промышленности катализатора LaO⋅TiO(анатаз), являющегося аналогом известного катализатора очистки от диоксида серы (патент США 5213779, 1993) испытывали в реакции восстановления диоксида серы моноксидом углерода на лабораторной установке с металлическим реактором, имеющим внутренний диаметр 9 мм, длину - 40 см. Навеску катализатора с зернением 1.6-2.0 мм загружали в центральную часть реактора. Образцы предварительно тренировали при 250°С в течение 2 часов. Исходная газовая смесь содержала: SO - 0.5%, СО - 1.5%, Не - 98%, объемная скорость подачи газа в реактор - 120-160 см/мин. Температуру реакции варьировали в интервале 220-380°С.
Анализ продуктов реакции проводили хроматографически на приборе ЛХМ-8 с детектором по теплопроводности с использованием трех набивных колонок: колонка 1 - длина -1,5 м, неподвижная фаза - цеолит 5А; колонка 2 - длина 1,5 м, неподвижная фаза - Порапак; колонка 3 - длина 2 м, неподвижная фаза - Хромосорб SE-54.
Результаты испытаний активности образцов сопоставлены в Таблице 2.
Результаты испытаний наглядно демонстрируют преимущества предложенных катализаторов, их способность полностью удалять оксиды серы в диапазоне температур, недоступном другим известным катализаторам очистки дымовых газов.
Технический результат - предложен эффективный катализатор, способный осуществлять полное удаление оксида серы при низких температурах процесса в диапазоне 240-280°С.