Development of a composite material based on Al2O3 for use in waste combustion plants

Catalytic fluidized bed combustion is the most environmentally friendly and energy efficient way of processing various fuels, including low-grade ones. The technology involves the oxidation of volatile substances on the surface of catalyst particles diluted with an inert material in a fluidized bed. The traditional use of quartz sand as an inert material leads to accelerated destruction of the catalyst during operation by attrition. The work is devoted to the study of the effect of magnesium modification of spherical γ-Al₂O₃, used as a carrier for a deep oxidation catalyst (DOC) in a fluidized bed, and the development of an inert material capable of minimizing DOC losses. The modified carrier was obtained by impregnating spherical γ-Al₂O₃ granules with a Mg-containing precursor solution (nitrate and acetate) followed by calcination of granules at 800 °C. The obtained granules were studied by X-ray fluorescence analysis (XRF), inductively coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP-OES), low-temperature nitrogen adsorption (BET), scanning electron microscopy (SEM). Their mechanical strength and catalytic activity in CO oxidation were also determined. A linear increase in the strength characteristics of γ-Al₂O₃ was found with the introduction of magnesium from 2 to 9 wt. %. In laboratory conditions, the use of the selected material made it possible to reduce the loss of the catalyst at 4.5 -hour attrition test by 3 times compared with quartz sand.

1. Simonov A.D., Fedorov I.A., Dubinin Y.V., Yazikov N.A., Yakovlev V.A., Parmon V.N. // Catalysis in Industry. 2013. V. 5, P. 42 – 49. https://doi.org/10.1134/S207005041301008X

2. Пат. 2057988 (РФ). Способ сжигания топлива. А.Д. Симонов, Н.А. Языков. Патент России № 2057988, БИ № 10, 1996.

3. Исмагилов З. Р., Шкрабина Р. А., Корябкина Н. А. // Экология. Серия аналитических обзоров мировой литературы. 1998. №. 50. С. 1 – 80.

4. Клишин А. П. Формирование кристаллических фаз в оксидах алюминия и циркония в постоянном магнитном поле при спекании компактированных порошков: дис. … канд. физ.-мат. наук. – Томск, 2020. – 173 с.

5. Кириченко О.А. Исследование стабильности структурно-механических свойств катализаторов в условиях сжигания топлив и разработка оксидных алюмомагнийхромовых катализаторов для КГТ: дис. … канд. хим. наук. – Новосибирск, 1986. – 190 с.

6. Шкрабина Р. А. Закономерности формирования и регулирования физико-химических и структурно-механических свойств сферических алюмооксидных носителей: дис. … д-ра хим. наук. – Новосибирск, 1997. – 328 с.

7. Шепелева М.Н. Разработка способа получения высокопрочного сферического оксида алюминия носителя катализаторов для каталитических генераторов тепла: дис. … канд. тех. наук. – Новосибирск, 1988. – 224 с.

8. Miller J. R., LaLama M. J., Kusnic R. L., Wilson d. E., Kiraly P.M., Dickson S. W., Zeller M. // Journal of Solid-State Chemistry. 2019. V. 270. P. 1 – 10. https://doi.org/10.1016/j.jssc.2018.10.041

9. Ruvinskiy P.S., Kukushkin R.G., Dubinin Y.V., Yazykov N.A., Yakovlev V.A. // Chemical Engineering Research and Design. 2022. V. 188. P. 541 –544. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2022.10.016

10. Чукин Г.Д. Строение оксида воздействует и на катализаторы гидрообессеривания. Механизмы открытия. М.: Типография Паладин, ООО «Принта», 2010. 288 с.

11. Yoneda Y., Fujimoto A., Makishima S. // The Journal of Physical Chemistry. 1959. V. 63. №. 12. P. 1987 – 1990. https://doi.org/10.1021/J150582A001

12. Yoneda Y., Makishima S., Hirasa K. // Journal of the American Chemical Society. 1958. V. 80. №. 17. P. 4503 – 4507. https://doi.org/10.1021/ja01550a018