Катализатор для сжигания топлив
Владельцы патента RU 2394643:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского" (RU)
Изобретение относится к получению никель-медных оксидных катализаторов на термостойком пористом носителе, которые могут быть использованы для сжигания любого вида топлива: углеводородного газа, древесины, каменного угля, торфа, древесных и растительных отходов, шин и древесно-стружечных плит - ДСП, детоксикации газовых выбросов и также для очистки и получения синтез-газа. Описан катализатор для сжигания топлив, содержащий термостойкий пористый носитель с нанесенными на него оксидом никеля и оксидом меди при следующем соотношении компонентов, мас.%: оксид меди - 1,0-3,0; оксид никеля - 0,5-2,5; носитель - остальное. Технический результат заключается в обеспечении высокого теплосъема и экологической чистоты процесса горения органических веществ. 2 з.п. ф-лы, 3 табл.
Изобретение относится к получению никель-медных оксидных катализаторов на трехмерном пористом носителе, которые могут быть использованы для сжигания любого вида топлива (углеводородного газа, древесины, каменного угля, торфа, древесных и растительных отходов, шин и древесно-стружечных плит - ДСП) и детоксикации газовых выбросов. Разработанный состав катализатора может быть использован также для очистки и получения синтез-газа.
Известны катализаторы для конверсии углеводородов, содержащие металл группы VIII (железо, кобальт, никель, рутений, родий, палладий, осмий, иридий и платину) на носителе. Предпочтение отдается платине или палладию либо их смеси. Приемлемый катализатор включает в себя от 0,1 до 1 вес.%. Наилучшим вариантом исполнения является содержание металла от 0,25 до 0,5 вес.%. В настоящее время доступен широкий диапазон материалов носителя. Признанным носителем для катализатора является окись алюминия. Материал носителя может иметь сферическую форму или форму гранул другого вида. Подложка может характеризоваться практически непрерывной многоканальной керамической структурой, такой как у вспененного материала или монолита с однородной системой каналов (патент на изобретение РФ №2151164, МПК: C10G 9/36).
Известны также другие катализаторы на основе благородных металлов для конверсии углеводорода (заявка на изобретение РФ №98103990, МПК: B01J 21/06, заявка на изобретение РФ №2006122808, МПК: B01J 23/40).
Недостатком указанных катализаторов является использование дорогостоящих благородных металлов и их низкая устойчивость к воздействию каталитических ядов.
Известен никель-медный оксидный катализатор на подложке, выполненной из алюминия или его сплава. Катализатор получают плазменно-электрохимическим методом путем обработки подложки в щелочном электролите, содержащем ацетат никеля и ацетат меди и дополнительно включающем тринатрийфосфат, тетраборат и вольфрамат натрия при следующем соотношении компонентов, г/л: ацетат никеля Ni(CH3COO)2·4H2O 5-20; ацетат меди Cu(CH3COO)2·H2О 1,3-5,0; тринатрийфосфат Na3PO4·12H2O 20-30; тетраборат натрия Na2B4O7·10H2O 10-20; вольфрамат натрия Na2WO4·2H2О 1-3. Плазменно-электрохимическую обработку проводят в гальваностатическом режиме импульсным током, либо переменным, либо переменным однополярным при длительности импульсов 0,0033-0,04 c, напряжении 240-400 B, эффективной плотности тока 5-20 А/дм2 и расходе количества электричества 1500-6000 Кл/дм2 формируемого каталитически активного слоя. Полученный катализатор является устойчивым в области температур 300-500° и обеспечивает степень конверсии CO в CO2 в широких пределах от 37 до 97% (патент РФ на изобретение №2342999, МПК B01J 37/34).
Недостатком катализатора является высокое содержание активного металла и сложная технология получения, ограниченная область его применения.
Наиболее близким к предлагаемому решению является катализатор для беспламенного сжигания природного газа. Катализатор содержит в качестве активного компонента оксид металла IV периода, например оксид никеля, или оксид кобальта, или оксид железа, или оксид марганца, нанесенный на пористый керамический носитель в виде многоканального монолита с удельной поверхностью 0,3-20 м2 и объемом пор 0,21-0,41 см3/г (патент РФ на изобретение №2086298, МПК: B01J 23/70, B01J 23/34).
Однако данный катализатор характеризуется малоразвитой удельной поверхностью и рекомендован только для одного вида топлив.
Задачей настоящего изобретения является разработка эффективного катализатора горения любого вида топлива, не содержащего благородные металлы.
Технический результат заключается в обеспечении высокого теплосъема и экологической чистоты процесса горения органических веществ.
Поставленная задача решается тем, что в катализаторе для сжигания топлив, содержащем термостойкий пористый носитель с нанесенным на него оксидом никеля, согласно решению на носитель дополнительно нанесен оксид меди при следующем соотношении компонентов, мас.%:
оксид меди - 1,0-3,0
оксид никеля - 0,5-2,5
носитель - остальное
Носитель может быть выполнен из оксида алюминия или шамота. Используемые носители отличаются достаточной удельной поверхностью, высокой термостабильностью и устойчивы к тепловым нагрузкам, возникающим в ходе реакций окисления топлив, что обеспечивает долговременную химическую и механическую стабильность катализатора. γ-Оксид алюминия имеет удельную поверхность 150-200 м2/г, средний радиус пор 40-50 Å, прочность на раздавливание - 25 МПа.
Предлагаемый катализатор включает последовательное нанесение ацетата меди и нитрата никеля на носитель методом пропитки из водных растворов солей: ацетата меди и нитрата никеля, сушку после каждой пропитки и прокаливание в токе воздуха до образования оксидов.
Для подтверждения достижения технического результата были приготовлены составы с различным значением содержания активных компонентов (таблицы 1 и 2, примеры 1-6). Катализаторы готовят следующим образом. Носитель γ-оксид алюминия или шамот в количестве 50,0 г прокаливают в муфельной печи при температуре 500°C в течение 2 часов. Готовят 100 мл водного раствора, содержащего необходимое количество ацетата меди, и заливают им прокаленный носитель. Пропитывают при комнатной температуре в течение 24 часов, выпаривают оставшийся раствор ацетата меди, высушивают образец и затем пропитывают в 100 мл водного раствора, содержащего необходимое количество нитрата никеля, в течение 24 часов. Выпаривают избыток раствора нитрата никеля, высушивают катализатор при 200°C и прокаливают его при температуре 250°C.
Пример 1. Ацетата меди взято 1,263 г, нитрата никеля - 0,983 г. Готовый катализатор содержит, мас.%: оксида никеля - 0,5; оксида меди - 1,0.
Пример 2. Ацетата меди взято 1,894 г, нитрата никеля - 0,983 г. Готовый катализатор содержит, мас.%: оксида никеля - 0,5; оксида меди - 1,5.
Пример 3. Ацетата меди взято 2,526 г, нитрата никеля - 0,983 г. Готовый катализатор содержит, мас.%: оксида никеля - 0,5; оксида меди - 2,0.
Пример 4. Ацетата меди взято 3,158 г, нитрата никеля - 0,983 г. Готовый катализатор содержит, мас.%: оксида никеля - 0,5; оксида меди - 2,5.
Пример 5. Ацетата меди взято 3,789 г, нитрата никеля - 0,983 г. Готовый катализатор содержит, мас.%: оксида никеля - 0,5; оксида меди - 3,0.
Пример 6. Ацетата меди взято 1,263 г, нитрата никеля - 1,965 г. Готовый катализатор содержит, мас.%: оксида никеля - 1,0 оксида меди - 1,0.
Катализаторы, в качестве носителя которых использован шамот, представляющий собой смесь оксидов кремния и алюминия, готовили аналогичным образом. Составы других катализаторов и рабочих растворов приведены в таблицах 1, 2. Указанные составы были испытаны на обеспечение экологической чистоты горения различных топлив, результаты испытаний приведены в таблице 3.
| Таблица 1 | ||||
| Влияние состава катализатора на температуре газов горения топлива | ||||
| № примера | Содержание оксида никеля, мас.% | Содержание оксида меди, мас.% | Содержание оксида алюминия, мас.% | Температура продуктов горения топлива, °С |
| 1 | 0,5 | 1,0 | 98,5 | 770 |
| 2 | 0,5 | 1,5 | 98,0 | 778 |
| 3 | 0,5 | 2,0 | 97,5 | 782 |
| 4 | 0,5 | 2,5 | 97,0 | 790 |
| 5 | 0,5 | 3,0 | 96,5 | 790 |
| 6 | 1,0 | 1,0 | 98,0 | 800 |
| 7 | 1,0 | 1,5 | 97,5 | 795 |
| 8 | 1,0 | 2,0 | 97,0 | 793 |
| 9 | 1,0 | 2,5 | 96,5 | 798 |
| 10 | 1,0 | 3,0 | 96,0 | 789 |
| 11 | 1,5 | 1,0 | 97,5 | 830 |
| 12 | 1,5 | 1,5 | 97,0 | 834 |
| 13 | 1,5 | 2,0 | 96,5 | 835 |
| 14 | 1,5 | 2,5 | 96,0 | 838 |
| 15 | 1,5 | 3,0 | 95,5 | 842 |
| 16 | 2,0 | 1,0 | 97,0 | 835 |
| 17 | 2,0 | 1,5 | 96,5 | 827 |
| 18 | 2,0 | 2,0 | 96,0 | 836 |
| 19 | 2,0 | 2,5 | 95,5 | 834 |
| 20 | 2,0 | 3,0 | 95,0 | 829 |
| 21 | 2,5 | 1,0 | 96,5 | 810 |
| 22 | 2,5 | 1,5 | 96,0 | 816 |
| 23 | 2,5 | 2,0 | 95,5 | 829 |
| 24 | 2,5 | 2,5 | 95,0 | 834 |
| 25 | 2,5 | 3,0 | 94,5 | 839 |
| Таблица 2 | ||||
| Примеры содержания веществ в катализаторе и рабочих растворах | ||||
| № примера | Содержание оксида никеля в катализаторе, мас.% | Содержание оксида меди в катализаторе, мас.% | Содержание нитрата никеля в пропиточном растворе, г | Содержание ацетата меди в пропиточном растворе, г |
| 1 | 0,5 | 1,0 | 0,983 | 1,263 |
| 2 | 0,5 | 1,5 | 0,983 | 1,894 |
| 3 | 0,5 | 2,0 | 0,983 | 2,526 |
| 4 | 0,5 | 2,5 | 0,983 | 3,158 |
| 5 | 0,5 | 3,0 | 0,983 | 3,789 |
| 6 | 1,0 | 1,0 | 1,965 | 1,263 |
| 7 | 1,0 | 1,5 | 1,965 | 1,894 |
| 8 | 1,0 | 2,0 | 1,965 | 2,526 |
| 9 | 1,0 | 2,5 | 1,965 | 3,158 |
| 10 | 1,0 | 3,0 | 1,965 | 3,789 |
| 11 | 1,5 | 1,0 | 2,948 | 1,263 |
| 12 | 1,5 | 1,5 | 2,948 | 1,894 |
| 13 | 1,5 | 2,0 | 2,948 | 2,526 |
| 14 | 1,5 | 2,5 | 2,948 | 3,158 |
| 15 | 1,5 | 3,0 | 2,948 | 3,789 |
| 16 | 2,0 | 1,0 | 3,930 | 1,263 |
| 17 | 2,0 | 1,5 | 3,930 | 1,894 |
| 18 | 2,0 | 2,0 | 3,930 | 2,526 |
| 19 | 2,0 | 2,5 | 3,930 | 3,158 |
| 20 | 2,0 | 3,0 | 3,930 | 3,789 |
| 21 | 2,5 | 1,0 | 4,913 | 1,263 |
| 22 | 2,5 | 1,5 | 4,913 | 1,894 |
| 23 | 2,5 | 2,0 | 4,913 | 2,526 |
| 24 | 2,5 | 2,5 | 4,913 | 3,158 |
| 25 | 2,5 | 3,0 | 4,913 | 3,789 |
| Таблица 3 | |||||||||
| Состав отходящих газов при горении топлив, мас.% | |||||||||
| Вид топлива | Условия горения | Состав отходящих газов, мас.% | |||||||
| COH | CH4 | CO | CO2 | H2 | HOX | HCOH | Эфир | ||
| Природный газ | Некаталитическое | - | следы | - | 6,7 | следы | 0,1 | - | - |
| Каталитическое | - | следы | - | 4,1 | 0,2 | - | - | - | |
| Древесина | Некаталитическое | - | следы | 0,5 | 12,9 | 0,1 | - | - | - |
| Каталитическое | - | - | следы | 5,1 | - | - | - | - | |
| ДСП | Некаталитическое | 0,1 | 0,1 | 0,8 | 12,3 | - | 0,1 | 0,1 | 0,6 |
| Каталитическое | - | следы | 0,1 | 8,6 | - | - | - | - |
Катализатор обеспечивает высокую теплоотдачу и эффективную очистку дымовых газов от токсичных веществ.
1. Катализатор для сжигания топлив, содержащий термостойкий пористый носитель с нанесенным на него оксидом никеля, отличающийся тем, что на носитель дополнительно нанесен оксид меди, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| оксид меди | 1,0-3,0 |
| оксид никеля | 1,0-2,5 |
| носитель | остальное |
2. Катализатор по п.1, отличающийся тем, что носитель выполнен из оксида алюминия или шамота.
3. Катализатор по п.1, отличающийся тем, что оксиды металлов последовательно нанесены методом пропитки из водных растворов солей ацетата меди и нитрата никеля.
