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我国催化净化技术的研究进展及发展方向-地球科学进展PDF

作者:小编时间:2024-01-05 15:26:14次浏览

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 2016年6月 工 业 催 化 June2016 第24卷 第6期INDUSTRIALCATALYSISVol.24No.6 综述与展望 我国催化净化技术的研究进展及发展方向 房根祥 (西北化工研究院,陕西 西安710061) 摘要:催化净化是利用催化技术对工艺物流、产品和尾气等进行杂质脱除或产品纯化的过程,是 催化科学的重要分支。传统的催化净化技术经过近40年的发展,已臻于成熟,多数技术的研

  2016年6月 工 业 催 化 June2016 第24卷 第6期INDUSTRIALCATALYSISVol.24No.6 综述与展望 我国催化净化技术的研究进展及发展方向 房根祥 (西北化工研究院,陕西 西安710061) 摘要:催化净化是利用催化技术对工艺物流、产品和尾气等进行杂质脱除或产品纯化的过程,是 催化科学的重要分支。传统的催化净化技术经过近40年的发展,已臻于成熟,多数技术的研究和 技术创新活跃度有所降低,相关产品也进入生命周期的末期,市场竞争激烈,利润下降。催化净化 技术更有前景的研究和应用在环境保护领域,尤其是精细化需求的环保领域。催化净化技术未来 的发展方向:适应新的更严格排放标准的燃油超深度和低成本精制技术;满足精细化需求的环保技 术(如室内空气净化和实验室尾气净化等);同一技术解决不同问题(如用高级氧化技术对烟气同 时脱硫和脱硝)或多种技术集成解决同一问题(如催化氧化与相转移技术结合进行柴油精制)。 关键词:催化剂工程;催化净化;工艺气体净化;油品超深度精制;柴油催化氧化法脱硫;环境保护催化 doi:10.3969/j.issn.10081143.2016.06.002 中图分类号:TQ426;O643.36文献标识码:A文章编号:10081143(2016)06001004 ResearchesoncatalyticpurificationtechniquesinChinaandtheirprospects FangGenxiang (TheNorthwestResearchInstituteofChemicalIndustry,Xi’an710061,Shaanxi,China) Abstract:Catalyticpurification,animportantbranchofcatalysisscience,isaprocessforfulfillingimpu ritiesremovalorproductpurificationofprocessstreams(gaseous,liquid),productsortailgases.After nearly40yearsofdevelopment,conventionalcatalyticpurificationtechnologiesareapproachingperfect andresearchesandtechnologicalinnovationinmostitsaspectsbecomelessactive.Mostproductsrelated toconventionalcatalyticpurificationaspectsenterslaterperiodoftheirlifecycle,resultinginmorefierce marketcompetitionanddecliningprofitability.Moreprospectiveaspectsforresearchesonandapplication ofcatalyticpurificationareinenvironmentalprotection,especiallythoseformeetingmorespecialand detailedneeds.Trendsincatalyticpurificationtechnologyinclude:superdeepandlowcostfueloilpuri ficationtechnologytomeettherequirementofstricteremissionregulation;environmentalprotectiontech niquestomeetmorespecialanddetailedneeds(e.g.indoorairpurificationortreatmentoflaboratorytail gas);solutionofdifferentproblemswithonetechnique(e.g.simultaneousremovalofsulfurdioxidesand NOxinfluegasbyadvancedoxidationtechnology)oroneproblemsolvedbyintegrationofdifferenttech niques(e.g.sulfurremovalfromdieseloilbycombinationofcatalyticoxidationandphasetransfer). Keywords:catalystengineering;catalyticpurification;processgaspurification;oilsuperdeephydro fining;dieselcatalyticoxidativesulfurremoval;environmentalprotectioncatalysis doi:10.3969/j.issn.10081143.2016.06.002 CLCnumber:TQ426;O643.36Documentcode:AArticleID:10081143(2016)06001004 收稿日期:2016-01-15;修回日期:2016-05-26基金项目:国家科技支撑计划(2009BAA20B00)资助项目 作者简介:房根祥,1964年生,男,高级工程师,发表论文、译文17篇,专利3件,省级科学技术一等奖1项。 2016年第6期房根祥:我国催化净化技术的研究进展及发展方向 11 催化净化是利用催化技术对工艺物流(气相, 剂外表面利用率。低温催化剂操作温度由(320~ -1 液相)、产品和尾气等进行杂质脱除或产品纯化的 400)℃降至(180~250)℃,在英国450t·d 氨 过程。通过吸附反应实现净化的技术,虽然不涉及 厂LCA节能流程中使用。 催化过程,但因常与催化净化技术配套(如氧化锌 降低阻力和堆积密度、提高低温活性及实现反 脱硫剂)以及近似的生产模式,按产品类别也归入 应器外预硫化,是加氢转化催化剂的发展重点。 净化催化剂。 1.2氧化锌脱硫剂 本文对我国催化净化技术的研究进展及发展方 国内外氧化锌脱硫剂发展趋势是降低堆积密度 向进行综述。 和使用温度,提高脱硫精度,兼备脱除少量简单有机 硫化物的能力,在保证低温高硫容和高脱硫精度下, 1传统催化净化技术 进一步提升抗压碎力,降低反应器阻力降。 1978年,第一次全国科学大会上将催化净化领 西北化工研究院在20世纪70年代开始氧化锌 域消化、吸收和创新作为研究方向。经过西北化工 脱硫剂研制,工业化产品较多,能适用于各种工况条 研究院、湖北化学研究院、南化集团研究院、中国石 件。产品主要有 T305、T306、T312、T325和 TC22 化抚顺石油化工研究院、太原理工大学、中国石化北 等,其中,T325硫容达36%,接近理论值,性能超过 -9 京石油化工科学研究院、中国科学院大连化学物理 国外同类产品,脱硫精度达20×10 。 研究所等40多年研究,不仅满足了20世纪80年代 1.3脱氯剂 引进大化工装置的配套需求,而且将催化净化技术 20世纪70年代的T401型脱氯剂主要用于脱 的应用范围拓展到石油化工和煤化工等行业,开发 除液化石油气中的氯。20世纪80年代初,为配合 -1 的催化剂和工艺技术达到国际先进或领先技术 引进的75kt·a 丁辛醇装置国产化,研制了T402 水平。 型合成气脱氯剂及T403型液相丙烯脱氯剂,超过国 随着化工、炼油及煤化工的发展,国内催化净化 外ICI32-4和G32-W,并在齐鲁石化公司及大庆石 技术研发和净化催化剂生产得到发展,建立了完整 化总厂成功应用。T404型脱氯剂,用于引进的 -1 的“科研-设计-生产-应用”体系。 20kt·a 甲苯二异氰酸酯生产工艺中Cosorb尾气 净化催化剂生产厂商在国外主要有美国UCI公 提纯后(以氢为主并含有少量甲苯气体)的脱氯。 -6 国产脱氯剂脱氯深度从 0.5×10 提高到 司、英国ICI公司、丹麦托普索公司、巴斯夫公司和庄 ≤ -6 信万丰公司等。我国则多达50余家,其中大型企业 ≤0.2×10 ,氯容从6%提高到30%以上。 -1 -1 近年来,脱氯剂活性组分已扩展到 FeO、Ca、 ( 3kt·a )3家,中型企业[(1~3)kt·a ]22 2 3 ≥ -1 Zn、Mn、Mg、Ni和KOH等,对脱氯剂反应机理也进 家,小厂不少于25家,合计生产能力约57kt·a 。 从企业性质看,50%归属合成氨和石化企业,35%为 行了深入研究,特别是对脱除高温煤气(或N)中氯 2 独立催化剂生产厂商,12.5%属于高校或科研院所。 化物的研究更为活跃。 1.1加氢转化催化剂 脱氯剂发展趋势:(1)由常温、中温脱氯向高温 国内加氢转化催化剂有10多种,但在大中型氨 脱氯拓展;(2)由低氯容脱氯剂向高氯容脱氯剂转 厂、制氢及甲醇合成中常用的仅有(6~7)种,其中 变;(3)由单独脱氯向脱多种杂质转变。 有的催化剂使用寿命超过 10年(如西北化工研究 1.4脱砷剂 院T201),高于国外平均水平。 国外代表性的脱砷剂供应商有美国GulfOil公 除以天然气和轻油为原料的钴钼加氢转化催化 司的E-315、法国MEP-81及日本车燃石油化学 剂外,还有JT-l、JT-1G、JT-4、JT-8和T205等, 公司、出光石油化学公司、大阪石油化学公司、日本 低温活性好,具有烯烃饱和、氧加氢及转化有机硫等 化学工业公司,共同特点是应用于石油炼制过程的 功能,可以使焦化干气、催化干气和焦炉煤气等变成 脱砷净化。我国在20世纪80年代才开始脱砷剂研 制氢、合成氨和甲醇的原料,节约资源,改善环境。 究,只限于石油加工和煤气等气体净化工艺,近几年 国外加氢转化催化剂大部分以钴钼为活性组 逐步扩展到液态领域(如丙烯脱砷净化),代表性 分,载体以γ-AlO 为主,外形有空心条状、轮幅 脱砷剂有 RAS-2(B)、JT-2、JT-2B、TAS-2和 2 3 状、三叶草和四叶草状,目的是降低阻力,提高催化 TAS-19。 12 工 业 催 化 2016年第6期 [1] 1.5油品精制催化技术 不小于51 。 1.5.1汽油精制 柴油中的硫主要是硫醇、硫醚和噻吩类等复杂 世界许多国家通过法规对车用汽油的硫含量作 形态硫,其中,噻吩类物种包括苯并噻吩、二苯并噻 出严格规定,要求生产和使用环境友好的超低硫汽 吩及二苯并噻吩衍生物等,其脱除比汽油更为困难, 油。我国将于2017年 1月 1日开始执行汽油质量 目前主要通过加氢脱硫方法脱除柴油中的硫,研究 -6 热点是柴油超深度加氢脱硫(ULDS)技术。中国石 国V标准,要求硫含量低于10×10 。 有效脱硫技术主要有加氢脱硫和吸附脱硫。 化抚顺石油化工研究院和华东理工大学开发的 + W-Mo-Ni/Mo-Co催化剂级配技术,2010年应用于 AXENS开发的Prime-G 技术和CDTECH公司开 -1 发的 CDHydro/CDHDS技术已成为加氢脱硫和降 中国石化上海石油化工股份有限公司3.3Mt·a 柴 烯烃主流技术。中国石油石化研究院、中国石油大 油加氢装置,高空速条件下生产国 标准清洁柴油的 Ⅳ -1[2] 学、中国石化石油科学研究院和中国石化抚顺石 活性标定结果表明,柴油硫含量降至46 g·g 。 μ -1 油化工研究院相继开发了DSO、GARDES、OCT-M、 中国石化扬子石油化工有限公司1.2Mt·a 柴油 OCT-MD、FRS、CDOS-H和 RIDOS等技术,实现 加氢装置采用FHUDS-6催化剂加工直馏柴油与焦 了催化汽油加氢脱硫工业应用。在催化汽油深度脱 化汽油的混合油,加氢精制后柴油产品硫含量 -1 硫方面,美国康菲公司开发的催化汽油 S-Zorb吸 5.8 g·g ,十六烷指数提高了6个单位,满足生 μ [3] 产国 标准柴油的要求 。 附脱硫工艺技术是世界第一个实现工业化的催化汽 Ⅴ 油吸附脱硫技术。2007年,该工艺技术由中国石化 中国石化石油化工科学研究院开发的柴油超深 买断,负责全球推广及后续研发工作,具有脱硫率 度加氢脱硫(RTS)技术,采用单段流程和非贵金 高、辛烷值损失小、氢耗小和操作成本低的特点,可 属加氢精制催化剂,通过温度和空速不同的两个 在辛烷值损失较小情况下,将催化汽油硫含量由 反应器完成柴油超深度脱硫。中国石化北京燕山分 -6 -6 公司运行结果表明,可稳定生产硫含量不大于 1000×10 降至 10×10 以下。其他吸附脱硫技 -1 9 g·g 、多环芳烃质量分数不大于4.7%和色度 术有 Black和 VeathPritchard工程公司开发的 μ # IRVAD工艺,吸附剂成分主要是AlO;美国三角研 小于0.5的超低硫柴油产品,满足长周期生产国Ⅴ 2 3 究所开发的TReND工艺,采用ZnO和TiO 等金属 柴油的需要。 2 氧化物研制的吸附剂。国内主要有中国石油石油化 加氢脱硫技术存在条件苛刻和成本高的缺陷, 工研究院开发的TM-DSO和Gardes技术,能将高 因此对非加氢法的研究甚为活跃。非加氢法有生物 -1 法、吸附法、萃取法、非催化氧化法和催化氧化法,距 硫和高烯烃含量的催化汽油硫含量降至50 g·g ; μ 中国石化洛阳石化工程公司开发的LADS工艺技术 大规模推广应用还有一段距离。柴油催化氧化法脱 及其配套脱硫吸附剂 LADS-A和再生脱附剂 硫反应条件温和,脱硫效率高,成本低,研究较多的 LADS-D,在较低吸附温度和适当空速下,将催化汽 是氧化物(HO)催化氧化法、氧气氧化法、离子液 2 2 -1 -1 体法、电化学氧化脱硫、超声氧化法和光催化氧化脱 油硫含量由1290 g·g 降至200 g·g 以下; μ μ 陕西延长石油(集团)有限责任公司和中国科学院 硫等,处于实验阶段。 大连化学物理研究所开发的YD-CADS技术可应 1.6其他气体净化催化剂 用于低硫全馏分催化裂化汽油超深度脱硫处理,生 在尿素和焦炉煤气等行业,需要脱除少量氢、氧 产满足国 硫指标的清洁汽油。 和萘等,开云网站 真人平台以保证合成过程安全、开云网站 真人平台有效和产品纯度。如 Ⅴ 西北化工研究院采用固定床吸附脱硫工艺,有 尿素合成CO原料气需要脱除少量氢气,以保证工 2 效脱除催化汽油中的硫化物,可将催化汽油硫含量 业生产中不发生爆炸危险;水电解制氢的氢产品需 -1 -1 脱除残留的氧。通常脱氢采用 Pd-Pt/AlO 催化 134.50 g·g 降至2.8 g·g 。 μ μ 2 3 1.5.2柴油精制 剂,脱氧采用Pd-Pt/AlO催化剂。 2 3 我国2015年1月起,车用柴油执行国 标准, 北京北大先锋科技有限公司开发的DePO 黄 Ⅳ x 要求硫含量不大于 -1 磷尾气净化工艺,通过连续催化氧化脱除黄磷尾气 50 g·g ,十六烷值不小于 μ 49,并将于2017年 1月起车用汽油、柴油执行国Ⅴ 中的磷化物,具有无需再生、耐硫性好、适应性强、占 -1 地面积小和装置投资低等优势,进口气体PH 浓度 标准,要求柴油硫含量不大于10 g·g ,十六烷值 μ 3 2016年第6期房根祥:我国催化净化技术的研究进展及发展方向 13 -3 500mg·m 条件下,可将黄磷尾气中总磷浓度脱 -3 3结语 至1mg·m 以下,中试装置已连续运行两年以 [4] 上 。 我国催化净化技术研究开发和应用已有近40 年的历史,经历了从引进技术配套到在若干领域逐 2催化净化技术的拓展 步做到国际领先;从以工业介质净化和纯化为主,拓 多数工业废气环保治理过程实质是催化净化过 展到环境保护更广阔的朝阳产业。从技术发展的生 程,如工业烟气脱硝、垃圾焚烧烟气二英治理、工 命周期看,工业气体净化技术已经走到市场充分竞 业废气中挥发性有机物(VOCs)治理和室内空气脱 争和盈利能力下降的末期。催化净化技术未来的发 甲醛等。随着环保法规的日趋严格,环保产业跳跃 展方向:适应新的更严格排放标准的燃油超深度和 式发展,为催化净化技术展现了更大空间。 低成本精制技术;满足精细化需求的环保技术(如 环境保护催化剂在全球催化剂市场排位第一。 室内空气净化和实验室尾气净化等);同一技术解 以2011年为例,环境保护催化剂占33.5%,高分子 决不同问题(如用高级氧化技术对烟气同时脱硫和 脱硝)或多种技术集成解决同一问题(如催化氧化 材料22.5%,炼油18.5%,石油化工16.8%,精细化 [5] 与相转移技术结合进行柴油精制)。 工/中间体8.6% 。 催化净化技术在环境保护领域的主要应用: 参考文献: (1)汽车和船舶等尾气净化;(2)工业烟气脱硫脱 [1]柳伟,郭蓉,刘继华,等.柴油超深度加氢脱硫技术研究 硝;(3)碳氢尾气(如焦炉煤气、高炉气和电石炉 进展[J].炼油技术与工程,2015,45(9):1-5. 气)净化;(4)垃圾焚烧烟气脱二英;(5)工业生 LiuWei,GuoRong,LiuJihua,etal.Developmentofdiesel 产过程VOCs治理;(6)室内空气净化(脱甲醛等); ultradeephydrodesulfurizationtechnologies[J].Petroleum (7)非工业过程固定源尾气治理;(8)污水处理。 RefineryEngineering,2015,45(9):1-5. 其中,汽车和船舶等尾气净化、工业烟气脱硫脱硝、 [2]方向晨,郭蓉,刘继华,等.生产超低硫柴油的加氢脱硫 催化剂级配技术[J].化学反应工程与工艺,2014,30 碳氢尾气净化在国内已有成熟技术大规模应用。 (5):432-439. 环境治理领域中,仅次于汽车尾气净化催化剂 FangXiangchen,GuoRong,LiuJihua,etal.Catalyststac 的是工业烟气脱除氮氧化物(脱硝)技术,在催化剂 kingtechnologyforproducingultralowsulfurdiesel[J]. 存在下,向烟气中喷入 NH、尿素或其他还原剂,使 ChemicalReactionEngineeringandTechnology,2014,30 3 其与 NOx选择性反应生成 N。选择性催化还原 (5):432-439. 2 (SCR)催化剂体系是该技术的核心。催化剂发展主 [3]朱峰,彭冲.超深度脱硫技术推动柴油质量升级[N].中 国石化报,2014-07-14[3]. 要经历3个阶段:(1)采用Pt、Rh和Pd等贵金属作 [4]余姝丽,郭蔚良.连续催化氧化脱磷技术在黄磷尾气净 为活性组分,以CO和 H 或碳氢化合物作为还原 2 化中的应用[J].化肥工业,2015,42(5):4-6. 剂,催化反应活性温度较低,通常在300℃以下,但 YuShuli,GuoWeiliang.Useofcontinuouscatalyticoxida 温度窗口较窄,且有副产物 NO生成,耐受其他共 tiondephosphorizationtechnologyinpurificationofyellow 2 存污染物能力较差;(2)引入常用的金属氧化物类 phosphorustailgas[J].ChemicalFertilizerIndustry,2015, 催化剂,最佳活性温度(250~400)℃,其中,VO- 42(5):4-6. 2 5 WO(MoO)/TiO类催化剂已成为燃煤电厂SCR系 [5]闫玉玲,王楠洋,宋官龙,等.全球催化剂市场工业化进 3 3 2 展及前景展望[J].当代化工,2012,41(10):1076- 统中常采用的催化剂;( 3)近些年来,一方面活性温 1078. 度高达600℃的金属离子交换分子筛催化剂得到广 YanYuling,WangNanyang,SongGuanlong,etal.Industri 泛研究,另一方面能够用于200℃以下低温SCR催 alizationandprospectofworldcatalystmarket[J].Contem 化剂也已成为研究热点。 poraryChemicalIndustry,2012,41(10):1076-1078.

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