氧化铝及改性催化剂的克劳斯反应性能探究

孙健  ,刘芳宁

陕西长青能源化工有限公司    陕西宝鸡   721400  

摘要：催化剂性能好坏与克劳斯工艺存在直接的关系。当前针对尾气工艺和配套新工艺，及催化剂制备改性的研究非常多，但对于改性物作用机理的研究却非常少。本文重点从氧化铝的载体结构、改性、催化剂制备三方面对克劳斯催化剂的催化性能进行了深入的研究，并对分析了催化剂载体结构对克劳斯催化性能的影响和研究了氧化钠、二氧化硅、氧化铁改性对于克劳斯催化反应的影响。望通过对这些内容的分析与研究可以为氧化铝及改性催化剂的克劳斯反应性能提升给予相应的参考。

关键词：氧化铝；改性催化剂；克劳斯反应；性能探究

    伴随世界原油资源的不断枯竭，因而导致原油量的不断下降，为了使社会能源需求得到充分满足，人们开采和应用含硫原油，由此造成含硫原油的开采量越来越大。在原油的开采与加工中，避免不了一定会产生很多含硫的气体。因为石油炼制工艺与原油油品存在很大的差异性，原油在经过各装置处理以后，排放废气中的硫化物种类与含量也是不同的。硫化物具备腐蚀性和强毒性，对人的身体健康与建筑物设备等都存在很大的威胁。人们如吸入硫化物，较易导致出现中毒，因而麻痹神经导致人们出现昏迷的情况，如果问题严重还会造成死亡。因而脱硫工艺发展与国家经济发展、人们的日常生活存在直接的关系，提高脱硫技术能够充分降低硫化物排放，优化空气质量，提升人们生活水平。

1.氧化铝对克劳斯性能的影响

在克劳斯工艺中，催化反应床温度一般在170oC到350oC范围之内，然而在实验中，温度如低于200oC时，石英管反应管内催化剂床硫蒸汽较易形成冷凝，最终还会形成液硫，因而使催化床阻力变大，这对于实验正常开展是非常不利的，所以，可将220oC、260oC、300oC、340oC当作实验反应温度，基于此评定催化剂的催化性能。从不同温度环境下的各类氧化铝克劳斯催化性能评价能够看出，氧化铝催化活性随着温度的不断升高而逐渐降低，不同类型的氧化铝克劳斯其催化活性也是不同的。所以，可以确定克劳斯催化活性与催化剂结构、反应温度存在直接的关系[1]。在此当中，1、3、4号氧化铝的硫酸转化率非常低，而4号的氧化铝其催化活性是最低的，1、4号的氧化铝伴随反应温度的不断升高，其催化活性也会快速下降，而这几号氧化铝的催化活性受温度的变化影响最大，2、3、5、6号的氧化铝催化活性受温度的影响最小，伴随温度的不断升高催化活性会出现小幅下降，对温度有较高的适应性，特别是氧化铝5号，在各温度范围内的催化活性明显比其他的氧化铝高，而且反应温度区间也比较宽阔。

               图1  不同氧化铝克劳斯催化性能评价

2.单组分金属氧化物改性氧化名克劳斯反应催化剂探究

2.1氧化钠添加量对氧化铝的克劳斯催化剂的影响

如图2为温度在220oC、260oC、300oC、340oC环境下，氧化钠改性克劳斯催化性能评价图。图内横向坐标代表的是催化反应温度，而纵向坐标则代表的是反应后硫酸转化率。在规范温度范围之内，催化剂的催化活性会随温度的不断升高而下降，与勒夏物列原理比较相符，针对放热反应来说，温度越低对反应的正向移动越有利。通过对图中内容分析可以看出，加入氧化钠以后催化剂的转化率会明显增大，催化性能也会随着增强，由此可以确定，添加氧化钠一般能够转变氧化铝克劳斯催化活性[2]。氧化铝中氧化钠的添加量大约为0.1%，催化剂在各钠改性催化剂内的催化活性是最高的，而且催化剂硫化氢转化率一直维持在75.4%以上，伴随氧化铝表面氧化钠添加量的不断增多，氧化钠改性催化剂活性不断降低，氧化铝中的氧化钠元素添加量大约在0.7%左右，催化剂中的硫化氢转化率最低，而且还会比无添加剂催化剂低，在此当中催化剂的硫化氢转化率最高不会高于75%。

图2  氧化钠添加量对克劳斯催化性能的影响

本文的分析所使用的添加剂是氧化钠，氧化钠是一种碱金属氧化物，对提升催化剂表面碱性是非常有利的，增大催化剂碱性活性数量，可有效提升催化活性，由此使二氧化硫可以更好地只附于催化剂表面，并与硫化氢产生反应最终生成硫黄与水，由此使克劳斯反应向着正向移动，由此提升催化剂催化活性。对于氧化钠的添加量需控制在0.7%，催化剂表面碱性会随氧化钠含量而不断增大，导致催化剂表面碱性超高，使催化剂的二氧化硫吸附性增强，最终生成亚硫酸钠和硫酸钠等物质，这对于克劳斯反应是非常不利的。所以，对于氧化钠的添加量应控制在0.7%，如氧化铝表面氧化钠添加量超标会使催化剂活性降低，并且比催化剂要低。

2.2二氧化硅添加量对氧化铝克劳斯催化剂的影响

图3是温度220oC、260oC、300oC、340oC环境下，二氧化硅改性克劳斯催化性能评价图。图中横坐标代表的是催化反应温度，纵坐标代表的是反应期间硫化氢转化率。通过对图的分析能够看出，克劳斯催化剂的活性与二氧化硅添加量多少存在直接的关系。当二氧化硅的添加量在1%和3%时，二氧化硅的克劳斯催化剂活性是最佳的，两者催化活性比较相似，催化活性能够达到75.3%，如继续添加二氧化硅，催化剂的催化活性一定会出现不明显的下降，在催化剂表面添加7%的二氧化硅时，克劳斯催化剂催化活性和无添加剂催化剂的活性比较相近。通过提升催化剂催化性能，能够改变催化剂表面化学性质。氧化铝表面存在硫酸酸性位，通过表征，实验过程中所使用的氧化铝则会出现强酸中心，但单独的二氧化硅酸性要比实验中所用的氧化铝弱，但在催化剂内加入二氧化硅以后，二氧化硅会均匀地分散于催化剂表面，局限了氧化铝上的强酸中心，并且因此降低催化剂酸性，促进克劳斯催化活性的有效提升

[3]。

图3  二氧化硅添加量对克劳斯催化性能的影响

3.多组分氧化物改性氧化铝克劳斯反应催化剂探究

图4是温度220℃、260℃、300℃、340℃环境下多组分改性克劳斯催化性能评价图。在图中横向坐标代表的是催化反应温度，而纵赂坐标则代表的是反应期间硫化氢转化率N-S代表的是氧化钠和二氧化硅共同参与氧化铝改性，N-F代表的是氧化钠和氧化铁共同参与氧化铝改性，N-F-S代表的是氧化钠、二氧化硅和氧化铁共同参与氧化铝改性，在此当中，氧化钠、二氧化硅和氧化铁具体添加量需根据单组分改性研究结果来确定。

图4多组分改性对克劳斯催化性能的影响

4.结语

    总体来说，本文围绕氧化铝载体结构和氧化铝改性及催化剂制备为中心，对克劳斯催化剂的催化性能实施了研究，并对催化剂载体结构对克劳斯催化性能所产生的影响进行了深入的分析，利用BET对氧化铝表征的分析，确定氧化铝载体差异对克劳斯催化反应产生的影响及研究氧化钠、二氧化硅和氧化铁改性对克劳斯催化反应的影响。

参考文献

[1]梁旭,刘艳侠,蒋元力,等.硅改性氧化铝及负载镍基催化剂的制备与表征[J].工业催化,2016,24(9): 37-41.

[2]上官炬,郭汉贤.氧化铝基COS、CS2水解催化剂表面碱性和催化作用[J].分子催化,1997,11(5):337-342.

[3]陈赓良.克劳斯反应催化剂的理论与实践[J].石油与天然气化工,2000,29(3):117-121.