Способ приготовления катализатора глубокого окисления и способ каталитического сжигания илового осадка коммунальных очистных сооружений

Предложен способ приготовления катализатора для сжигания илового осадка коммунальных очистных сооружений, содержащего в качестве активного компонента оксиды переходных металлов или их смеси и оксидный носитель, характеризующийся тем, что гранулы катализатора получают методом окатывания порошков активного компонента на основе оксидов переходных металлов или их смеси с содержанием их не менее 50 мас.%, гидроксида алюминия, кислоты пептизатора и воды, где в качестве кислоты пептизатора используют HNO3 и/или CH3COOH, с последующей сушкой и прокаливанием, при этом получают сферический катализатор, содержащий в качестве оксидного носителя оксид алюминия в количестве не более 50 мас.%, а в качестве активного компонента Fe2O3 в количестве 48-75 мас.%, а также CuO, и/или Mn2O3, и/или Co2O3, и/или Cr2O3 в количестве 2-10 мас.%. Также предложен способ сжигания илового осадка коммунальных очистных сооружений в кипящем слое катализатора, полученного способом, описанным выше. Технический результат - высокая активность заявляемого катализатора глубокого окисления, приготовленного методом окатывания, влияющая на степень выгорания иловых осадков коммунальных очистных сооружений в процессе их сжигания, и высокая механическая прочность катализатора в режиме кипящего слоя. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 14 пр., 1 табл., 1 ил.

 

Изобретение относится к области разработки способов приготовления катализаторов глубокого окисления СО и органических веществ и способам сжигания иловых осадков коммунальных очистных сооружений.

Известен катализатор сжигания топлива (SU 1216862, B01J 23/26, 23.12.1991), представляющий собой оксид алюминия, содержащий хромит магния и оксид алюминия следующего состава: хромит магния 10-26 мас. %, оксид алюминия 74-90%. Данный катализатор обладает повышенной термостабильностью и износоустойчивостью, однако в некоторых технологических процессах с повышенными экологическими требованиями активности данного катализатора недостаточно для полного исключения эмиссии оксида углерода (Закономерности глубокого каталитического окисления некоторых классов органических соединений и развитие научных основ каталитического сжигания топлива в каталитических генераторах тепла: Дис. докт. хим. наук: 02.00.15 / Исмагилов З.Р. Ин-т катализа им. Г.К. Борескова СО РАН. - Новосибирск, 1988. - 502 с.).

Известен катализатор для сжигания топлива (SU 1295566, B01J 23/86, 18.06.1985), представляющий собой оксид алюминия, содержащий одновременно хромит медимагния общей формулы: Mg1-xCuxCr2O4, где х=0.08-0.40. Данный катализатор обладает повышенной термостабильностью, износоустойчивостью и активностью в окислении органических веществ и СО. В качестве носителя для данного катализатора используются сферические гранулы оксида алюминия, полученные по сложной многостадийной технологии методом жидкостного формования. В связи с этим возникает проблема высокой стоимости носителя и, соответственно, катализатора на его основе.

Наиболее близким к заявленному по технической сущности и достигаемому эффекту является способ приготовления катализатора глубокого окисления (RU 2591955, B01J 37/02, 20.07.2016). Оксидный носитель пропитывают солями переходных металлов, затем сушат и прокаливают. Катализатор, полученный данным способом, содержит в качестве активного компонента оксиды переходных металлов или их смеси, нанесенные на оксидный носитель. При этом в качестве оксидного носителя он содержит гранулы пропанта, состоящего из кварца и силикатов магния, или его модификаций. Предлагаемый катализатор обладает высокой активностью и высокой механической прочностью. Однако из-за не высокой удельной поверхности оксидного носителя - модифицированного пропанта, его активность оказалось недостаточной, чтобы эффективно и экологически безопасно реализовать процесс сжигания иловых осадков в кипящем слое катализатора.

Задача, решаемая настоящим изобретением, состоит в разработке способа приготовления катализатора, не уступающего по своей активности в процессе сжигания иловых осадков коммунальных очистных сооружений известным катализаторам глубокого окисления СО и органических веществ на основе оксидов переходных металлов.

Задача решается способом приготовления катализатора окисления CO и органических веществ, содержащего в качестве активного компонента оксиды переходных металлов или их смеси и оксидный носитель. Гранулы катализатора получают методом окатывания порошков активного компонента на основе оксидов переходных металлов или их смеси, с содержанием их не менее 50 мас. % (в пересчете на сухое вещество), гидроксида алюминия, кислоты пептизатора и воды, с последующей сушкой и прокаливанием. При этом получают сферический катализатор, содержащий в качестве оксидного носителя оксид алюминия в количестве не более 50 мас. %, а в качестве активного компонента Fe2O3 в количестве 48-75 мас.%, а также CuO и/или Mn2O3 и/или Co2O3 и/или Cr2O3 в количестве 2-10 мас.%.

В качестве кислоты пептизатора используют HNO3 и/или CH3COOH. Значение кислотного модуля в смеси составляет не более 0.01. Содержание воды в смеси составляет не более 20 мас.%.

Задача также решается способом сжигания илового осадка коммунальных очистных сооружений в кипящем слое катализатора, полученного предлагаемым способом.

Технический результат - высокая активность заявляемого катализатора глубокого окисления, приготовленного методом окатывания, влияющая на степень выгорания иловых осадков коммунальных очистных сооружений в процессе их сжигания и высокая механическая прочность катализатора в режиме кипящего слоя.

Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1 (Прототип)

Гранулы пропанта диаметром 2-3 мм обрабатывают раствором КОН (мольная доля КОН в растворе составляет 40%) в течение 3 ч (при температуре, близкой к температуре кипения раствора), после охлаждения промывают дистиллированной водой до нейтрального рН и обрабатывают избытком 20% раствора азотной кислотой. Промывают дистиллированной водой до нейтрального рН, сушат при 110°C в течение 2 ч. Полученные гранулы носителя с удельной поверхностью 15 м2/г, состоящего по данным РФА из кварца SiO2 и силикатов магния (энстатита MgSiO3 и форстерита Mg2SiO4), содержащего SiO2 50 мас. %, MgO 31 мас. %, пропитывают раствором бихромата меди, сушат при 100°C в течение 3 ч и прокаливают при 600°C в течение 4 ч. Содержание активного компонента CuCr2O4 - 6 мас. %.

В качестве меры каталитической активности катализаторов в процессе сжигания иловых осадков коммунальных очистных сооружений была выбрана степень выгорания илового осадка в процессе сжигания. Испытания проводили в реакторе с кипящим слоем катализатора по методике, описанной в работе (Симонов А.Д., Чуб О.В., Языков Н.А. Каталитическое сжигание осадков сточных вод коммунального хозяйства. Химия в интересах устойчивого развития. 2010. Т.18. №6. С.749-753.).

На фигуре приведена принципиальная схема установки по каталитическому сжиганию в кипящем слое. Установка включает реактор 1, теплообменник 2, внешний электронагреватель 3, ротаметры 4, бункер с иловым осадком 5, транспортер 6, эжектор 7, циклон 8, емкость для сбора зольных остатков 9, регулировочные вентили 10.

Способ сжигания илового осадка коммунальных очистных сооружений осуществляли следующим образом.

В реактор 1 загружают 400 мл катализатора с размером частиц 1.5-2.0 мм. Диаметр реактора 40 мм, высота 1000 мм. С помощью внешнего электронагревателя 3 слой катализатора в реакторе разогревают до необходимой рабочей температуры 500-700°С. Затем через ротаметры 4 подают воздух под газораспределительную решетку для псевдоожижения слоя катализатора и на эжектор 7.Общий расход воздуха составляет 3 м3/ч. Осадок в количестве 360 г/ч из бункера 5 подают по транспортеру 6 в эжектор 7, далее с воздухом отходы поступают в нижнюю часть кипящего слоя катализатора. Избыточную теплоту, выделившуюся при сгорании отходов, отводят с помощью водоохлаждаемого теплообменника 2. Твердые продукты сгорания отходов отделяют от дымовых газов в циклоне 8 и собирают в емкости 9. Содержание влаги, летучих веществ и золы в исходном осадке и твердых продуктов сгорания определяют техническим анализом по ГОСТ 11014-2001, ГОСТ 6382-2001, ГОСТ 11022-95 соответственно. Степень выгорания горючей массы осадка определяют по формуле:

где A - зольность тверды продуктов сгорания, B - исходная зольность сухого осадка.

Активность катализатора в реакции окисления CO определяют на приборе «Хемосорб» импульсным методом по температуре 50% конверсии CO. Прочность гранул катализатора определяют с помощью прибора МП-9С как среднее значение 30 измерений.

Температура 50% конверсии CO составляет 225°C. Степень выгорания осадка 94.3 %. Механическая прочность составляет 49 МПа. Размер гранул 1,5±0,5 мм. Полученные гранулы катализатора обладают идеальной сферической формой.

Пример 2

Гидроксид алюминия типа псевдобемит, измельченный порошок активного компонента (нанокомпозит, полученный прокаливанием солей нитратов, с поверхностью не менее 10 м2/г, полученный по методике, описанной в работе (Fedorov A.V., Tsapina A.M., Bulavchenko O.A., Saraev A.A., Odegova G.V., Ermakov D.Y., Zubavichus Y.V., Yakovlev V.A., Kaichev V.V., Structure and Chemistry of Cu-Fe-Al Nanocomposite Catalysts for CO Oxidation, Catalysis Letters. 2018. - V.148., N12. - P.3715-3722. DOI: 10.1007/s10562-018-2539-5), воду и кислоту пептизатор перемешивают в тарельчатом грануляторе, окатывают, с получением сферических гранул катализатора. Величина кислотного модуля (мольное отношение кислоты к оксиду алюминия) составляет 0.005. Содержание воды в пластифицированной массе составляет 10 мас. %. Гранулы сушат на воздухе в течение 24 ч, при 110°С в течение 2 ч и прокаливают при 700°С в течение 1 ч. Полученный катализатор содержит 3.0 мас. % CuO, 50.0 мас. % Fe2O3 и 47.0 % Al2O3.

Температура 50% конверсии CO составляет 210°C. Степень выгорания осадка 98.2 %. Механическая прочность составляет 18 МПа. Размер гранул 3,0±2,1 мм. Полученные гранулы катализатора обладают идеальной сферической формой.

Пример 3

Аналогичен примеру 2.

Полученный катализатор содержит 75.0 мас. % Fe2O3 и 25.0 % Al2O3.

Температура 50% конверсии CO составляет 225°C. Степень выгорания осадка 97.8 %. Механическая прочность составляет 11 МПа. Размер гранул 2,8±1,8 мм. Полученные гранулы катализатора обладают идеальной сферической формой.

Пример 4

Аналогичен примеру 2.

Полученный катализатор содержит 5.0 мас. % Mn2O3, 60.0 мас. % Fe2O3 и 35.0 % Al2O3.

Температура 50% конверсии CO составляет 230°C. Степень выгорания осадка 98.1 %. Механическая прочность составляет 13 МПа. Размер гранул 2,5±1,7 мм. Полученные гранулы катализатора обладают идеальной сферической формой.

Пример 5

Аналогичен примеру 2.

Полученный катализатор содержит 4.5 мас. % Cr2O3, 60.0 мас. % Fe2O3 и 35.5 % Al2O3.

Температура 50% конверсии CO составляет 230°C. Степень выгорания осадка 98.0 %. Механическая прочность составляет 14 МПа. Размер гранул 3,2±2,0 мм. Полученные гранулы катализатора обладают идеальной сферической формой.

Пример 6

Аналогичен примеру 2.

Полученный катализатор содержит 4.0 мас. % Co2O3, 61.0 мас. % Fe2O3 и 35.0 % Al2O3.

Температура 50% конверсии CO составляет 205°C. Степень выгорания осадка 98.9 %. Механическая прочность составляет 12 МПа. Размер гранул 3,4±2,0 мм. Полученные гранулы катализатора обладают идеальной сферической формой.

Пример 7

Аналогичен примеру 2.

Полученный катализатор содержит 4.0 мас. % Co2O3, 6.0 мас. % CuO, 55.0 мас. % Fe2O3 и 35.0 % Al2O3.

Температура 50% конверсии CO составляет 185°C. Степень выгорания осадка 99.6 %. Механическая прочность составляет 14 МПа. Размер гранул 3,2±2,1 мм. Полученные гранулы катализатора обладают идеальной сферической формой.

Пример 8

Аналогичен примеру 2.

Полученный катализатор содержит 7.0 мас. % Mn2O3, 3.0 мас. % CuO, 52.0 мас. % Fe2O3 и 38.0 % Al2O3.

Температура 50% конверсии CO составляет 185°C. Степень выгорания осадка 99.0 %. Механическая прочность составляет 15 МПа. Размер гранул 3,5±2,2 мм. Полученные гранулы катализатора обладают идеальной сферической формой.

Пример 9

Аналогичен примеру 2.

Величина кислотного модуля составила 0.01.

Температура 50% конверсии CO составляет 210°C. Степень выгорания осадка 98.5 %. Механическая прочность составляет 13 МПа. Размер гранул 3,5±2,3 мм. Полученные гранулы катализатора обладают идеальной сферической формой.

Пример 10

Аналогичен примеру 2.

Величина кислотного модуля составила 0.0001.

Температура 50% конверсии CO составляет 215°C. Степень выгорания осадка 99.0 %. Механическая прочность составляет 15 МПа. Размер гранул 3,2±2,1 мм. Полученные гранулы катализатора обладают идеальной сферической формой.

Пример 11

Аналогичен примеру 9.

Вместо азотной кислоты HNO3 используют уксусную кислоту CH3COOH.

Температура 50% конверсии CO составляет 220°C. Степень выгорания осадка 98.6 %. Механическая прочность составляет 16 МПа. Размер гранул 3,5±2,2 мм. Полученные гранулы катализатора обладают идеальной сферической формой.

Пример 12

Аналогичен примеру 9.

Вместо азотной кислоты HNO3 используют смесь азотной и уксусной кислоты CH3COOH.

Температура 50% конверсии CO составляет 215°C. Степень выгорания осадка 98.5 %. Механическая прочность составляет 14 МПа. Размер гранул 3,4±2,0 мм. Полученные гранулы катализатора обладают идеальной сферической формой.

Пример 13

Аналогичен примеру 2.

Содержание воды в пластифицированной массе составляет 10 мас. %.

Температура 50% конверсии CO составляет 220°C. Степень выгорания осадка 98.4 %. Механическая прочность составляет 12 МПа. Размер гранул 3,0±2,1 мм. Полученные гранулы катализатора обладают идеальной сферической формой.

Пример 14

Аналогичен примеру 2.

Содержание воды в пластифицированной массе составляет 5 мас. %.

Температура 50% конверсии CO составляет 215°C. Степень выгорания осадка 98.3 %. Механическая прочность составляет 17 МПа. Размер гранул 3,5±2,5 мм. Полученные гранулы катализатора обладают идеальной сферической формой.

Сравнительные характеристики катализаторов глубокого окисления приведены в Таблице.

Таблица

Сравнительные характеристики катализаторов

Температура достижения 50 % конверсии СО, °C Степень выгорания осадка, % Прочность, МПа Размер гранул, мм
Пример 1 225 94,3 49 1,5±0,5
Пример 2 210 98,2 18 3,0±2,1
Пример 3 225 97,8 11 2,8±1,8
Пример 4 230 98,1 13 2,5±1,7
Пример 5 230 98,0 14 3,2±2,0
Пример 6 205 98,9 12 3,4±2,0
Пример 7 185 99,6 14 3,2±2,1
Пример 8 185 99,0 15 3,5±2,2
Пример 9 210 98,5 13 3,5±2,3
Пример 10 215 99,0 15 3,2±2,1
Пример 11 220 98,6 16 3,5±2,2
Пример 12 215 98,5 14 3,4±2,0
Пример 13 220 98,4 12 3,0±2,1
Пример 14 215 98,3 17 3,5±2,5

Приведенные примеры показывают, что катализаторы глубокого окисления, приготовленные методом окатывания, по активности не уступают известным катализаторам глубокого окисления. При этом степень выгорания осадка при использовании заявляемых катализаторов превышает 97,8 %, что выше, чем у известных катализаторов (94,3 %). Катализаторы обладают высокой механической прочностью (≥11 МПа), которая удовлетворяет требованиям (10 МПа), предъявляемым к катализаторам глубокого окисления для кипящего слоя (Пармон В.Н., Симонов А.Д., Садыков В.А., Тихов С.Ф. Каталитическое сжигание: достижения и проблемы // Физика горения и взрыва. 2015. Т. 51. № 2. С. 5-13.).

1. Способ приготовления катализатора для сжигания илового осадка коммунальных очистных сооружений, содержащего в качестве активного компонента оксиды переходных металлов или их смеси и оксидный носитель, характеризующийся тем, что гранулы катализатора получают методом окатывания порошков активного компонента на основе оксидов переходных металлов или их смеси с содержанием их не менее 50 мас.%, гидроксида алюминия, кислоты пептизатора и воды, где в качестве кислоты пептизатора используют HNO3 и/или CH3COOH, с последующей сушкой и прокаливанием, при этом получают сферический катализатор, содержащий в качестве оксидного носителя оксид алюминия в количестве не более 50 мас.%, а в качестве активного компонента Fe2O3 в количестве 48-75 мас.%, а также CuO, и/или Mn2O3, и/или Co2O3, и/или Cr2O3 в количестве 2-10 мас.%.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что значение кислотного модуля в смеси составляет не более 0.01.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что содержание воды в смеси составляет не более 20 мас.%.

4. Способ сжигания илового осадка коммунальных очистных сооружений в кипящем слое катализатора, полученного способом по пп.1 - 3.



 

Похожие патенты:

Предложен композитный материал для фотокатализатора на основе диоксида титана, допированного сульфидом свинца, отличающийся тем, что он содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: диоксид титана - 99.0 - 99.5, сульфид свинца - 0.5 -1.0, при этом наночастицы сульфида свинца размером 8-10 нм равномерно распределены на поверхности и в объеме матрицы диоксида титана, сформированной из наночастиц размером 8-10 нм.

Предложен микросферический катализатор для крекинга нефтяных фракций, включающий ультрастабильный цеолит Y в катион-декатионированной форме и матрицу, в качестве компонентов которой используют аморфный алюмосиликат, оксид алюминия и природную глину, где в качестве компонента матрицы содержит модифицированную азотнокислым аммонием каолин-галлуазитовую глину с содержанием галлуазита более 40%, при следующем соотношении компонентов в катализаторе, мас.

Изобретение относится к области синтеза дисперсных мезопористых материалов для носителей катализаторов. Описан способ получения мезопористого γ-Al2O3 для каталитических систем, включающий осаждение гидроксидов.

Предложено три варианта способа приготовления катализатора гидроочистки нефтяных фракций в сульфидной форме. Один из вариантов способа приготовления катализатора гидроочистки нефтяных фракций в сульфидной форме осуществляется формованием соэкструзией смеси гидроксида алюминия, оксида молибдена и основного карбоната никеля или кобальта в цилиндрические гранулы, просушивание и прокаливание с последующей пропиткой водным раствором тиомочевины с концентрацией 42-55 масс.% или водным раствором роданида аммония с концентрацией 42-55 масс.%, термообработку при температуре 250-320°С в токе водорода в течение 30-60 мин, при этом получают катализатор, содержащий, масс.%: сульфид никеля или сульфид кобальта 3,0-8,5, сульфид молибдена 8,9-22, оксид алюминия остальное.

Предложен катализатор для риформинга бензиновых фракций, гидрирования бензольной фракции или ароматических углеводородов, содержащий оксид алюминия, платину, цеолит со структурой ZSM-5 или ZSM-11. В качестве цеолита катализатор содержит кристаллический ферроалюмосиликат или феррогаллийалюмосиликат со структурой цеолита ZSM-5 или ZSM-11, и имеет следующий состав, мас.%: платина 0,1-0,5, указанный цеолит 1-75, оксид алюминия - остальное.

Предложен катализатор синтеза углеводородов из СО и Н2, селективный в отношении образования углеводородов C5+, включающий кобальт и силикагелевый носитель. Содержит 20,6-22,2% масс.

Предложен способ приготовления микросферического катализатора для крекинга нефтяных фракций, включающий проведение ионных обменов на катионы редкоземельных элементов и аммония на цеолите NaY, двухстадийную ультрастабилизацию цеолита, смешение цеолита с матрицей, в качестве компонентов которой используют аморфный алюмосиликат, оксид алюминия и природную глину, распылительную сушку полученной композиции с последующей прокалкой и получением катализатора.

Предложен цеолитсодержащий катализатор для превращения смеси низкомолекулярных парафиновых и олефиновых углеводородов в концентрат ароматических углеводородов или высокооктановый компонент бензина, содержащий цеолит ZSM-5 с силикатным модулем SiO2/Al2O3=30-100 моль/моль и остаточным содержанием оксида натрия 0,03 - 0,07 мас.%, элементы структуры цеолита и связующий компонент, а в качестве элементов структуры цеолита катализатор содержит оксид циркония, оксид скандия, оксид церия, оксид олова, оксид цинка, оксид свинца или смесь оксидов этих металлов.

Предложен способ приготовления катализатора для гидропереработки нефтяного сырья, включающий смешение основного карбоната никеля, вольфрамовой кислоты и носителя, последующее экструдирование полученной массы, сушку экструдатов и прокаливание. В качестве носителя используют модифицированный борной кислотой гидроксид алюминия - "сырая лепешка", который получают методом однопоточного осаждения, включающим осаждение гидроксида алюминия из раствора алюмината натрия азотной кислотой.
Изобретение относится к экструдированному твердому ячеистому материалу, содержащему промотированный медью мелкопористый катализатор на основе кристаллического молекулярноого сита для превращения оксидов азота в присутствии восстановителя, в котором кристаллическое молекулярное сито содержит кольцо максимального размера из восьми тетраэдрических атомов, причем данный экструдированный твердый ячеистый материал содержит от 20 до 50 мас.% матричного компонента, содержащего диатомовую землю, причем от 2 до 20 мас.% экструдированного твердого ячеистого материала составляет диатомовая земля; от 80 до 50 мас.% мелкопористого кристаллического содержащего медь, подвергнутого ионному обмену молекулярного сита; и от 0 до 10 мас.% неорганических волокон.

Изобретение относится к способу получения алюмооксидного катализатора для процесса парофазной дегидратации метилфенилкарбинола в стирол. Описанный способ заключается в том, что берут пасту на основе моногидроксида алюминия бемитной или псевдобемитной структуры с примесями тригидрата алюминия, содержание которого не превышает 20 мас.
Наверх