LU82074A1 - CATALYTIC REDUCTION OF NITROGEN OXIDES BY AMMONIA IN THE PRESENCE OF CLINOPTILOLITE - Google Patents

CATALYTIC REDUCTION OF NITROGEN OXIDES BY AMMONIA IN THE PRESENCE OF CLINOPTILOLITE Download PDF

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Description

.......-.4 * L'invention concerne la réduction catalytique sélective des oxydes d'azote (NO ) par des gaz réducteurs sur 5 un nouveau catalyseur de zéolite........-. 4 * The invention relates to the selective catalytic reduction of nitrogen oxides (NO) by reducing gases on a new zeolite catalyst.

La réduction catalytique sélective de NO par l'ammoniac sur divers types de catalyseurs a été le sujet de recherches importantes au cours des dernières années. Des essais pour trouver des catalyseurs plus efficaces et plus 10 stables pour la réduction catalytique sélective est l'un des sujets de recherche principaux dans de nombreux laboratoires industriels ainsi qu'universitaires.Selective catalytic reduction of NO by ammonia on various types of catalysts has been the subject of significant research in recent years. Attempts to find more efficient and stable catalysts for selective catalytic reduction is one of the main research topics in many industrial as well as academic laboratories.

4 La mordénite hydrogénée et sodique synthétique et la faujasite synthétique ont été utilisées dans cette réduction 15 des oxydes de l'azote par l'ammoniac (brevets des E.U.A.4 Synthetic hydrogenated sodium mordenite and synthetic faujasite have been used in this reduction of nitrogen oxides by ammonia (U.S. Patents

N° 3.895.094 et 4.052.337) .N ° 3.895.094 and 4.052.337).

On a trouvé qu'un matériau adsorbant unique en son genre préparé à partir de la clinoptilolite, décrit dans le brevet des E.U.A. N° 4.059.543, est un catalyseur très efficace 20 dans la réduction catalytique sélective de NO par l'ammoniac. Non seulement, il est plus efficace que la mordénite synthétique mais encore il est utilisable sur un intervalle plus large de conditions d'opération.It has been found that a one of a kind adsorbent material prepared from clinoptilolite, described in the U.S. Patent. No. 4,059,543, is a very effective catalyst in the selective catalytic reduction of NO by ammonia. Not only is it more effective than synthetic mordenite but it can also be used over a wider range of operating conditions.

La présente invention concerne un catalyseur A.The present invention relates to a catalyst A.

25 comprenant la forme hydrogène de la clinoptilolite et un procédé d'utilisation de ce catalyseur pour l’élimination des oxydes d'azote gazeux dans les gaz d'échappement. On a obtenu une élimination pratiquement totale des oxydes de l'azote (98 % ou plus) à des températures comprises entre 200 et 30 450°C et à des rapports molaires de NEU à NO de 0,6 à 2,5.25 comprising the hydrogen form of clinoptilolite and a method of using this catalyst for the removal of nitrogen oxides gas in exhaust gases. Virtually complete removal of the nitrogen oxides (98% or more) was achieved at temperatures between 200 and 450 ° C and at NEU to NO molar ratios of 0.6 to 2.5.

Ces résultats sont obtenus en présence d'une quantité importante d'oxygène (égale à celle que l'on trouve dans l'air). On préfère des vitesses spatiales horaires volumiques de 4.000 à 20.000.These results are obtained in the presence of a large quantity of oxygen (equal to that found in air). Volume hourly space velocities of 4,000 to 20,000 are preferred.

35 On va maintenant décrire l'invention par des exemples, en se référant aux dessins annexés dans lesquels :The invention will now be described by examples, with reference to the accompanying drawings in which:

La Figure 1 est un schéma de l'appareil utilisé dans les exemples suivants.Figure 1 is a diagram of the apparatus used in the following examples.

i 2i 2

Sur la Figure 1, 10 représente un four tubulaire utilisé pour chauffer le courant gazeux s'écoulant vers le four tubulaire 10' qui comprend un premier tronçon 11 contenant un matériau céramique inerte et un tronçon 12 5 contenant le catalyseur. En 13 se trouve une soupape trois voies permettant l'écoulement à partir de l'orifice d'échantillon 23 vers un appareil d'analyse, ou à partir de l'orifice d’échantillonnage 22 vers un appareil d'analyse.In Figure 1, 10 shows a tubular furnace used to heat the gas stream flowing to the tubular furnace 10 'which comprises a first section 11 containing an inert ceramic material and a section 12 5 containing the catalyst. At 13 is a three-way valve for flow from the sample port 23 to an analyzer, or from the sample port 22 to an analyzer.

En 14, se trouve une vanne doseuse qui régule l'écoulement 10 provenant de la source d'ammoniac 20 ; 15 désigne une vanne doseuse pour la source d'oxyde d'azote 21, et 16 désigne une vanne doseuse pour la source d'air 24. Des débimètres pour les trois courants gazeux sont représentés en 17, 18 et 19. L'air et les oxydes de l'azote sont combinés avant qu'ils ne pénètrent 15 dans le four tubulaire 10 ; l'ammoniac est introduit à l'entrée du four 10'.At 14 is a metering valve which regulates the flow 10 from the ammonia source 20; 15 designates a metering valve for the nitrogen oxide source 21, and 16 designates a metering valve for the air source 24. Flow meters for the three gas streams are shown at 17, 18 and 19. The air and the nitrogen oxides are combined before they enter the tube furnace 10; ammonia is introduced at the inlet of the oven 10 '.

La Figure 2 est un diagramme montrant les résultats comparatifs entre la mordénite utilisée comme catalyseur et le catalyseur selon la présente invention, pour la réduction 20 des oxydes de l'azote.Figure 2 is a diagram showing the comparative results between the mordenite used as a catalyst and the catalyst according to the present invention, for the reduction of nitrogen oxides.

EXEMPLE 1EXAMPLE 1

De la clinoptilolite naturelle qui a été concassée, broyée et tamisée sur un tamis d'une ouverture de maille de 74 microns est échangée trois fois avec une solution 3N de 25 nitrate d'ammonium, ä raison de 4 ml de solution par gramme de matières solides pendant 3 heures dans des conditions de reflux, puis elle est égouttée et traitée par de l'acide chlorhydrique 0,5N dans des conditions de reflux pendant 4 heures, en utilisant 4 ml d'acide par gramme de matières 30 solides.Natural clinoptilolite which has been crushed, crushed and sieved on a sieve with a mesh opening of 74 microns is exchanged three times with a 3N solution of ammonium nitrate, in an amount of 4 ml of solution per gram of material. solids for 3 hours under reflux conditions, then it is drained and treated with 0.5N hydrochloric acid under reflux conditions for 4 hours, using 4 ml of acid per gram of solids.

On sèche à l'air la poudre séchée et on la calcine à 300°C pendant une heure. Puis on mélange cette poudre sèche avec 50 % en poids de kaolin (Ajax P) et 33 % en poids d'eau. Après ce mélange, on extrude le mélange en pastilles de 1,6 mm. 35 On sèche les pastilles à l'air pendant une nuit et on les calcine à 540°C pendant une heure.The dried powder is air dried and calcined at 300 ° C for one hour. Then this dry powder is mixed with 50% by weight of kaolin (Ajax P) and 33% by weight of water. After this mixing, the mixture is extruded into 1.6 mm pellets. The pellets are air dried overnight and calcined at 540 ° C for one hour.

On utilise ces pastilles pour catalyser la réduction des oxydes de l'azote en utilisant le dispositif représenté Λ 3 % sur la Figure 1. Dans les expériences, l'air de l'usine est mélangé avec de l'oxyde nitrique gazeux obtenu chez Union Carbide (contenant plus de 99 % d'oxyde nitrique) et préchauffé à environ 180°C avant introduction de l'ammoniac. Ce 5 mélange de gaz qui pénètre dans le système de réaction est ensuite chauffé à la température désirée en utilisant le four tubulaire. Dans des conditions de régime permanent, on * analyse la teneur en NO (NO et les oxydes à l'état d'oxydationThese pellets are used to catalyze the reduction of nitrogen oxides using the device shown Λ 3% in Figure 1. In the experiments, the air in the plant is mixed with gaseous nitric oxide obtained from Union Carbide (containing more than 99% of nitric oxide) and preheated to around 180 ° C before the introduction of ammonia. This mixture of gases which enters the reaction system is then heated to the desired temperature using the tube furnace. Under steady-state conditions, the content of NO (NO and oxides in the oxidation state) is analyzed.

XX

supérieur ) dans des échantillons de gaz pénétrant et 10 quittant le système de réaction.upper) in samples of gas entering and leaving the reaction system.

On donne dans le Tableau I les réductions de Nov obtenues avec le catalyseur précédent et avec le catalyseur Zeolon 200 H à diverses températures. On peut voir que, pour chaque température de fonctionnement, la réduction de NO avec 15 la clinoptilolite sous forme hydrogène est supérieure à celle obtenue avec Zeolon 200 H. Cette comparaison est illustrée sur la Figure 2, sur laquelle la courbe A représente la courbe obtenue avec le catalyseur selon la présente invention et la courbe B celle obtenue avec le catalyseur classique.The reductions of Nov obtained with the preceding catalyst and with the Zeolon 200 H catalyst at various temperatures are given in Table I. It can be seen that, for each operating temperature, the reduction of NO with the clinoptilolite in hydrogen form is greater than that obtained with Zeolon 200 H. This comparison is illustrated in FIG. 2, in which curve A represents the curve obtained with the catalyst according to the present invention and curve B that obtained with the conventional catalyst.

20 TABLEAU I20 TABLE I

% DE REDUCTION DE NO A DIVERSES TEMPERATURES% NO REDUCTION AT VARIOUS TEMPERATURES

XX

Clinoptilolite sous forme hydrogène (Zeolon 400 H)Clinoptilolite in hydrogen form (Zeolon 400 H)

Température °C 273 342 390 452 * Réduction, % 88 99 >99 >99 25Temperature ° C 273 342 390 452 * Reduction,% 88 99> 99> 99 25

Mordénite sous forme hydrogène (Zeolon 200 H) Température, °C 261 315 365 422 Réduction, % 69 81 89 92Mordenite in hydrogen form (Zeolon 200 H) Temperature, ° C 261 315 365 422 Reduction,% 69 81 89 92

Conditions d'opération 30 Vitesse spatiale, h 1 6000 NEL/NO (en volume) 1,0Operating conditions 30 Spatial speed, h 1 6000 NEL / NO (by volume) 1.0

XX

Concentration de NO , ppm (V/V) 2500NO concentration, ppm (V / V) 2500

Gaz vecteur Air saturé d'eau à 7 kg/cm2Carrier gas Air saturated with water at 7 kg / cm2

effectifs et 27°Cworkforce and 27 ° C

35 On peut voir qu'en dépit de la présence de presque 20 % d'oxygène (provenant de l'air), on obtient des transformations très élevées à des rapports NH-/NO aussi faibles que 1,0.It can be seen that despite the presence of almost 20% oxygen (from the air), very high transformations are obtained at NH- / NO ratios as low as 1.0.

4 .Λ * 'EXEMPLE 24 .Λ * 'EXAMPLE 2

On effectue une étude de l'effet du rapport de NH3 à NO sur l'efficacité de la réduction en utilisant le x catalyseur de l'Exemple 1, et les résultats obtenus sont 5 indiqués dans le Tableau II. On peut voir que l'on obtient une réduction très importante de NO à divers rapports NH,/NO .A study was made of the effect of the ratio of NH3 to NO on the efficiency of reduction using the catalyst of Example 1, and the results obtained are shown in Table II. It can be seen that a very large reduction of NO is obtained at various NH, / NO ratios.

X ô XX ô X

TABLEAU IITABLE II

EFFET DU RAPPORT NH-/NO SUR LE % DE REDUCTION --3-X- NH-/NO 0,8 1,0 1,3EFFECT OF THE NH- / NO REPORT ON THE% REDUCTION --3-X- NH- / NO 0.8 1.0 1.3

ό Xό X

10 Réduction, % 95 >99 >99 CONDITIONS D'OPERATION Vitesse spatiale, h 1 600010 Reduction,% 95> 99> 99 OPERATING CONDITIONS Spatial speed, h 1 6000

Température, °C 370Temperature, ° C 370

Concentration de NO , 15 ppm (V/V) 2500NO concentration, 15 ppm (V / V) 2500

Gaz vecteur Air saturé d'eau ä 7 kg/cm^ effectifs et 27QC EXEMPLE 3Carrier gas Air saturated with water at 7 kg / cm ^ effective and 27QC EXAMPLE 3

On effectue une étude de l'effet de la vitesse 20 spatiale sur l'efficacité de la réduction, en utilisant le catalyseur de l'Exemple 1. Les résultats obtenus sont indiqués dans le Tableau III. On peut voir que l'on obtient des réductions très élevées sur un large intervalle de v vitesses spatiales.A study was made of the effect of space velocity on the efficiency of reduction, using the catalyst of Example 1. The results obtained are shown in Table III. We can see that we get very high reductions over a wide range of v space velocities.

25 TABLEAU III25 TABLE III

EFFET DE LA VITESSE SPATIALE SUR LE % DE REDUCTION DE NOEFFECT OF SPACE SPEED ON% NO REDUCTION

--x--x

Vitesse spatiale, h 4000 4500 6000 10.000 . Réduction, % 99 99 99 96Spatial speed, h 4000 4500 6000 10.000. Reduction,% 99 99 99 96

30 CONDITIONS D'OPERATION30 OPERATING CONDITIONS

Concentration de NO , ppm (V/V) 2500NO concentration, ppm (V / V) 2500

XX

NH3/N03 1,0NH3 / N03 1.0

Température, °C 370Temperature, ° C 370

Gaz vecteur Air saturé d'eau à 35 7 kg/cm^ effectifs etCarrier gas Air saturated with water at 35 kg / cm ^ 7 effective and

27 °C27 ° C

Claims (3)

4 Λ Γ-.4 Λ Γ-. 1. Procédé de réduction des oxydes de l'azote par l'ammoniac, où les oxydes de l'azote (NO ) à réduire se trouvent dans un mélange gazeux contenant jusqu'à 21 % 5 d'oxygène, dans lequel le courant gazeux à traiter passe sur de la clinoptilolite sous forme hydrogène, la température étant supérieure à 200°C, la vitesse spatiale étant de 4.000 à 20.000 h *" et le rapport NH-/NO étant compris entre 0,4 et ό X 2,5.1. A method of reducing nitrogen oxides with ammonia, where the nitrogen oxides (NO) to be reduced are found in a gas mixture containing up to 21% oxygen, in which the gas stream to be treated passes over clinoptilolite in hydrogen form, the temperature being greater than 200 ° C, the space speed being from 4,000 to 20,000 h * "and the NH- / NO ratio being between 0.4 and ό X 2.5 . 2. Procédé selon la revendication 1, où la clinoptilolite est essentiellement sous forme hydrogène.2. Method according to claim 1, wherein the clinoptilolite is essentially in hydrogen form. 3. Procédé selon la revendication 1, où on prépare le catalyseur à partir de la clinoptilolite naturelle par échange d'ions avec une solution de nitrate d'ammonium 15 puis traitement par une solution aqueuse d'un acide fort. ♦3. The method of claim 1, wherein the catalyst is prepared from natural clinoptilolite by ion exchange with an ammonium nitrate solution and then treatment with an aqueous solution of a strong acid. ♦
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