Глава 7. Катализаторы для очистки газа

Источник: Ладыгичев М.Г., Бернер Г.Я. Зарубежное и отечественное оборудование для очистки газов

    Ужесточение санитарных норм состояния окружающей среды заставляет искать активные катализаторы для обезвреживания отходящих газов промышленных установок и двигателей внутреннего сгорания автомашин.
    Проведены многочисленные исследования по этому вопросу для нахождения активных металлов, способных очищать отходящие газы от вредных соединений. При этом большое внимание уделялось предварительной подготовке катализатора, так как от этого зависит способность катализатора взаимодействовать с различными химическими соединениями.
    Ввиду того, что отходящие газы — многокомпонентные смеси, выяснена возможность катализаторов противостоять таким соединениям, как диоксид серы, сероводород, пары воды, а также термическому воздействию газового потока.
    Для полного сгорания топлива в огнетехническое устройство вводится кислород. Его количество увеличивается, если отводящая газы система не герметична. Поэтому важно знать, как он участвует во всех химических и физических процессах, развивающихся в газовом потоке. Как правило, отдельные элементы мало активны. Только сочетание нескольких металлов дает возможность с наибольшей полнотой удалять многие соединения из отходящих газов.
    Основным показателем химического процесса является температура. Для каждого металла и газообразного соединения имеется свой интервал температур, где проходят интенсивно химические реакции. Диапазон температур может быть очень широк, он не всегда совпадает с температурой отходящих газов. Поэтому необходимы дополнительные средства для удаления вредных соединений из потока газов. Адсорбция и десорбция газа определяется состоянием поверхности катализатора, прежде всего размером зерен, а также дисперсным составом и химическим составом катализатора. Эти параметры формируют скорость протекания химических реакций, доступ к катализатору газообразных соединений.
    В потоке газов проходят многочисленные химические реакции, которые способствуют вторичному образованию оксидов азота. Только сочетанием определенных металлов в катализаторе, а также регулированием температуры потока можно избежать этих явлений.
    Исходя из вышесказанного, можно кратко сформулировать следующие требования к катализаторам и газам, обезвреживающим вредные соединения:
    1) не вызывать коррозию оборудования.
    2) не образовывать вторично вредные соединения в потоке газов.
    3) противостоять воздействию кислорода, сернистых соединений, паров воды.
    4) иметь достаточную энергию активации, скорость восстановления оксидов азота до молекулярного азота.
    5) реагировать активно при температуре отходящих газов.
    6) иметь развитую поверхность для протекания химических и физических процессов.
    7) удалять одновременно оксиды азота, оксид углерода, углеводороды.
    8) десорбировать поглощенные химические соединения.

7.1 Химические реакции в газовом потоке

    Основное требование эффективности катализатора — высокая степень конверсии окислов азота, оксида углерода и углеводородов.
    Обычно ход химической реакции ограничен низкой конверсией оксида углерода и углеводородов, которая зависит от коэффициента избытка воздуха в богатой восстановительной среде. На конверсию оксидов азота влияет окислительная среда, которая создается соотношением воздух - топливо. Для катализаторов важен широкий предел соотношения воздух - топливо, чтобы одновременно проходило восстановление всех вредных соединений: оксидов азота, оксида углерода и углеводородов.
    Необходимые продукты реакции — молекулярный азот, диоксид углерода и вода. Эти продукты реакции необходимо иметь в потоке газа при 500 °С, обычной температуре отходящих газов. Конверсия компонентов химических реакций определяется не только активностью катализатора, но и возможностями окислительного или восстановительного элемента, который вводится дополнительно в поток газа или образуется в нем при специальных режимах горения топлива.
    Восстановительными компонентами химических реакций могут быть водород, оксид углерода, углеводороды.

7.2 Каталитические свойства отдельных соединений

    Родий. Это наиболее признанный катализатор для восстановления оксида азота до молекулярного азота. Он обладает большой активностью при малом его содержании в катализаторе. Типичный расход родия 0,18-0,3т на конвертер. Родий активен в реакциях оксида азота с оксидом углерода и водородом при низких температурах.
    Родий восстанавливает оксид азота до аммиака в отсутствии кислорода и наличии водорода на катализаторе родий - оксид алюминия при 430 °С, но при 650 °С в отходящих газах в основном содержится азот.
    При низких температурах особенно активен водород, и его реакционная способность зависит от веса родия в сплаве с оксидом алюминия. При недостатке кислорода оксид азота не восстанавливается полностью. Особенно это заметно при повышении температуры потока, когда происходит активное взаимодействие оксида углерода с кислородом. При наличия кислорода уже при температуре 430 °С развиваются процессы восстановления оксида азота до молекулярного азота. Они замедляются при повышении температуры до 650 °С. Увеличение соотношения родия к платине от 5 до 50% приводит к уменьшению образования аммиака в отходящих газах двигателя. Окислительная способность оксида углерода на родиевом катализаторе сравнима с платиновым. Она зависит от температуры и времени прокаливания катализатора, так как в зависимости от этих факторов меняется дисперсность родия в катализаторе.
    Иридий. Иридий — наиболее активный элемент для восстановления оксида азота до молекулярного азота при небольших соотношениях воздух - топливо и при отсутствии кислорода в потоке газа.
    Наличие этого катализатора в потоке газа способствует взаимодействию оксида азота и оксида углерода. Его практическое использование затруднено ввиду образования летучих оксидов.
    Рутений и никель. Рутений способствует конверсии оксидов азота в молекулярный азот. Для этого требуется восстановительная среда, но в этом случае возникают вопросы экономии топлива. Рутений редко используется в качестве автомобильного катализатора ввиду образования летучих оксидов.
    Платина - никель, палладий - никель, медь - никель на алюминиевой основе обеспечивают конверсию оксидов азота в слабой восстановительной среде, но они не могут заменить родия для достижения санитарных норм оксидов азота в атмосфере. Биметаллические катализаторы: платина -никель, палладий - никель на алюминиевой основе более активны, чем никель, палладий и платина на той же основе.
    Добавление оксида никеля активизирует окисление оксида углерода благодаря десорбции кислорода или протеканию реакции водяного пара. Реакция водяного пара на никеле и рутении происходит при 350-500 °С. Никель способствует деактивации катализатора в окислительной среде при высоких температурах, особенно в присутствии водяного пара. Диоксид серы мешает протеканию реакции водяного пара.
    При высоких температурах (500 °С) никель активнее реагирует с оксидом азота, чем медь. Процесс реагирования никеля с оксидом азота не нарушается, если на его поверхности находится кислород. Если никель нагревать при температуре 100 °С, можно выделить поглощенный нитрозный окисел, а при 200-400 °С — молекулярный азот. Ввиду того, что образующиеся нитрозные соединения слабо связаны с никелем, возможно поглощение никелем даже небольших концентраций оксида азота.
    Платина. Платина используется в автомобильных катализаторах для окисления оксида углерода и углеводородов в автомобильных конвертерах, особенно подогреваемых в зимнее время. Теплый воздух может быть введен в поток газа, чтобы повышать роль катализатора как окислителя. Это дает возможность частично заменить родий в катализаторе, который подвержен термическому воздействию.
    Во второй секции автомобильного катализатора обычно находится платина, палладий или платина - палладий. Эта секция действует как в летний, так и в зимний период.
    Если устанавливается одна секция катализатора, содержание платины составляет 0,9-23г. В двойной секции платина распределяется между ними.
    Известно, что платина восстанавливает окислы азота до молекулярного азота при коэффициенте избытка воздуха, близком к единице. Платина не так эффективна, как родий, в восстановлении оксидов азота в присутствии сернистых соединений и высокой концентрации оксида углерода при стехиометрических условиях протекания реакций. Платина имеет меньшее "окно" коэффициента избытка воздуха, чем родий, в процессах восстановления оксида азота до молекулярного азота. Образование молекулярного азота, аммиака или диоксида азота определяется условиями прохождения реакций в потоке газа.
    Пападий. Палладий, как и платина, используется в трехсекционном катализаторе автомобилей для конверсии оксида углерода и углеводородов. Палладий имеет узкий диапазон соотношения воздух - топливо для конверсии оксида азота. Палладий часто используется во второй секции автомобильного катализатора для окисления оксида углерода и углеводородов.

<<Назад в библиотеку