[发明专利]用于三氧化硫转化和氢气生产的方法

说明书

本公开内容涉及用于分解硫酸的方法，特别是用于催化分解硫酸的方法，以由其获得二氧化硫。在本发明方法中，催化剂通过降低反应的活化能势垒而在改善解离效率方面起主要作用。

技术领域

本文所述的主题一般涉及用于在催化剂组合物的存在下将三氧化硫转化为二氧化硫和氧气的方法。

背景技术

世界能源需求不断增长，并且由于含碳能源的广泛使用，温室气体的大气排放迅速增加，导致各种全球环境问题。为了缓解这些问题，已在世界范围内开展了许多研究计划用于开发可再生能源，例如利用太阳能、风能、潮汐能、核能或地质能的技术。这导致引入新的通用能量载体，即氢气[1、2]。将水直接裂解成氢气和氧气是不实际的并且也是需要能量的。这可以通过多种方式以减少能量需求并且通过在不同的地方产生氢气和氧气来实现。这些方法统称为热化学氢循环(TC)。热化学循环的一些实例是硫-碘循环法、Westinghouse循环法、Ispra-Mark 13循环法和Los Alamos科学实验室循环法[3、4]。

在这些循环中，由General Atomic[5]最初提出的硫-碘热化学循环由于其更高的效率而被证明是最有前途的。一些工厂广泛的经济分析表明，热能在最终成本中的敏感性是显著的，其可以通过单独改善催化剂性能来降低[6]。

美国专利第2,406,930号公开了在非常高的温度下使硫酸热分解以得到二氧化硫和氧气。美国专利第3,888,730号公开了当使硫酸蒸气与钒催化剂接触时，硫酸在比热分解低得多的温度下分解。

美国专利第4,089,940号公开了通过使用铂催化剂可以降低硫酸的分解温度。美国专利第4,314,982号公开了负载在各种载体(如硫酸钡、氧化锆、二氧化钛、二氧化硅、硅酸锆及其混合物)上的铂催化剂。这些铂负载型催化剂在分解反应的低温区域(即，至多700℃)中是稳定且有效的。在超过和高于700℃的温度下，使用负载在上述载体上的铜氧化物和铁氧化物作为催化剂。酸的整个催化分解在作为具有负载型铂催化剂的低温床和具有较便宜的铁氧化物或铜氧化物负载形式的高温床的一系列床中发生。在这些床中实现的停留时间分别为1.0秒和0.5秒。用于多级过程的催化剂的组合能够在不超过7秒的总停留时间内实现等于对于最佳温度的平衡值的至少约95％的分解以产生SO₂。

韩国专利第10-0860538号公开了负载或没有负载在氧化铝和二氧化钛上的铜-铁二元氧化物催化剂。美国专利申请20140086823A1和WO2012/161290A1公开了用于在650℃至800℃范围内的较低温度下进行分解反应的催化剂和方法。负载型催化剂是负载在多孔二氧化硅上的金属氧化物的复合材料。复合金属氧化物包含钒、钨、和选自铜(Cu)、锆(Zr)、镧(La)、铈(Ce)、钕(Nd)及其组合的至少一种金属。然而，所述催化剂在非常低的SO₃分压(即，总压力的0.045倍)在非常高的惰性载气下操作以提供接近平衡的转化。然而，这些催化剂在较低的流量(W/F约5.6×10-⁵g-h/cm³)下操作，导致较低的产量和较高的操作成本。

许多研究小组已经提出了降低分解温度或者增加包含负载或非负载形式的金属氧化物/复合材料的催化剂的活性[7、8]。

非常重要的是通过使用允许三氧化硫分解反应在宽范围的操作条件下以经济的速率进行的催化剂，与高活性一起增加稳定性，或者降低三氧化硫分解反应所需的温度。

发明内容

在本公开内容的一个方面中，提供了用于将三氧化硫转化为二氧化硫和氧气的方法，该方法包括：将催化剂组合物置于反应器中，其中所述催化剂组合物包含：选自过渡金属氧化物、混合过渡金属氧化物及其组合的活性材料；以及选自二氧化硅、二氧化钛、氧化锆、碳化物及其组合的载体材料，其中活性材料相对于载体材料的重量比率在0.1重量％至25重量％的范围内；在任选使用的载气的存在下在700K至1223K的温度下使三氧化硫的流通过所述催化剂组合物；以及回收包含三氧化硫、二氧化硫、氧气、水和任选使用的载气的物流。