JP2002059006A - 水素の製造用触媒及び水素の製造方法 - Google Patents

水素の製造用触媒及び水素の製造方法

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和久 村田
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Abstract

(57)【要約】 【課題】コークス炉ガスに含有される硫化水素の影響を
受けず、その触媒活性が長時間持続し、触媒寿命の長
い、コークス炉ガスと水蒸気との改質反応による水素の
製造用触媒及びそれを用いた水素の効率的な製造方法を
提供する。 【解決手段】アルカリ土類金属、チタン、ニッケルおよ
びルテニウムを含有し、アルカリ土類金属とチタンとの
原子比が実質的に1/1であり、且つ該アルカリ土類金
属とチタンはペロブスカイト構造を形成している複合金
属酸化物からなる触媒。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、コークス炉ガスと
水蒸気との改質反応による水素の製造用触媒及びそれを
用いた水素の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】高炉法製鉄において、鉄鉱石還元剤に用
いるコークスをコークス炉で製造する際に、コークス炉
から高温のコークス炉ガスが多量に発生する。通常、こ
のコークス炉ガスは水等で急冷却されており、ガスの顕
熱は殆どが廃棄されているのが現状であるが、省エネル
ギーの観点からこの顕熱の回収技術が望まれていた。一
方、コークス炉ガスは水素、メタンおよび窒素が主成分
であることから、このメタンを下記反応式に示されるよ
うに、吸熱的に反応が進む水蒸気改質反応(1)とシフ
ト反応(2)を組みあわせた、改質反応(3)によって
水素に変換できれば、顕熱を化学エネルギーとして回収
することが可能である。
【化1】 (1)CH+HO→3H+CO ΔH298K 49.3Kcal/mol (2)CO+HO→H+COΔH298K -9.9Kcal/mol (3)CH+2HO→4H+COΔH298K 39.4Kcal/mol
【0003】従来、かかる改質反応に用いる触媒として
は、担体に担持されたニッケルや貴金属が知られてい
た。しかし、これらの触媒は、コークス炉ガス中に微量
に存在する硫化水素の影響を受け、改質反応中にその触
媒活性が著しく低下すると共に、その触媒寿命が短いと
いう難点があり、またこのものを触媒とする水素の製造
方法では、効率的に水素を得ることができないという欠
点があった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
事情の下になされたものであって、コークス炉ガスに含
有される硫化水素の影響を受けず、その触媒活性が長時
間持続し、触媒寿命の長い、コークス炉ガスと水蒸気と
の改質反応による水素の製造用触媒及びそれを用いた水
素の効率的な製造方法を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、前記課題
を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、本発明を完成する
に至った。即ち、本発明によれば、アルカリ土類金属、
チタン、ニッケルおよびルテニウムを含有し、アルカリ
土類金属とチタンとの原子比が実質的に1/1であり、
且つ該アルカリ土類金属とチタンはペロブスカイト構造
を形成している複合金属酸化物からなることを特徴とす
るコークス炉ガスと水蒸気との改質反応による水素の製
造用触媒が提供される。また、本発明によれば、コーク
ス炉ガスと水蒸気との改質反応による水素の製造方法に
おいて、アルカリ土類金属、チタン、ニッケルおよびル
テニウムを含有すると共にアルカリ土類金属とチタンと
の原子比が実質的に1/1であり、且つ該アルカリ土類
金属とチタンはペロブスカイト構造を形成している複合
金属酸化物からなる触媒を用いることを特徴とする水素
の製造方法が提供される。
【0006】本発明に係る、アルカリ土類金属、チタ
ン、ニッケル及びルテニウムを含有する複合酸化物触媒
において、アルカリ土類金属とチタンとの原子比が実質
的に1/1であることが必要であり、これによって炭素
析出の減少された触媒を得ることができる。
【0007】ニッケルの使用量は特に制約されないが、
通常、チタンに対する原子比で0.05〜1、好ましく
は0.05〜0.4である。ルテニウムの使用量も特に
制約されないが、通常、チタンに対する原子比で0.0
1〜0.5、好ましくは0.02〜0.3である。
【0008】アルカリ土類金属としては、マグネシウ
ム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムが挙げら
れ、好ましいアルカリ土類金属はバリウム、ストロンチ
ウム又はカルシウム、あるいはそれらの組み合わせであ
る。
【0009】本発明の触媒において、アルカリ土類金属
とチタンはペロブスカイト型酸化物(MTiO、M:
アルカリ土類金属)を形成し、ニッケルとルテニウムは
そのペロブスカイト型酸化物の表面部又は内部に存在す
る。この場合のニッケルとルテニウムは酸化ニッケルと
酸化ルテニウムであることができるが、好ましくは金属
ニッケルと金属ルテニウムである。
【0010】本発明の触媒を好ましく調製するには、先
ず、クエン酸とエチレングリコールを含んだ水溶液に、
アルカリ土類金属とチタン及びニッケルとルテニウムを
それぞれ溶解した溶液を調製して、これらを原液とす
る。これらの原液を所定量採取して混合し、ロータリエ
バポレーター中で加温しながら濃縮する。濃縮液をビー
カーに移してホットプレート上で乾固する。このものを
空気中300℃に加熱して有機物を分解飛散させ、さら
に500℃で焼成して残存有機物を総て除去する。ここ
で得られた固形物を粉末にした後、再度電気炉に入れ
て、空気中850℃で焼成し、複合酸化物とする。
【0011】これらの複合金属酸化物のX線回折図は、
アルカリ土類金属とチタンから成るペロブスカイト型酸
化物、および酸化ニッケルと酸化ルテニウムに帰属され
る回折パターンを示す。
【0012】本発明において、複合金属酸化物を無機担
体に担持して、原料混合ガスとの接触面積を大きくする
こともできる。担体としては、シリカ、アルミナ、チタ
ニア、マグネシア等の多孔性物質が挙げられる。担持方
法は、複合金属酸化物の原料原液の混合液を用いて、通
常行われる混練や含浸で行えばよい。
【0013】本発明の触媒を用いて水素を製造するに
は、コークス炉ガスと水蒸気の混合ガスを触媒と接触さ
せる。この場合、混合ガスを触媒に接触させる前にメタ
ンや水素で予め触媒上のニッケル成分とルテニウム成分
を金属状態のニッケルとルテニウムに保持するのが好ま
しい。
【0014】また、このニッケル成分とルテニウム成分
の還元は、混合ガスの温度を750℃以上に保持し、こ
れを触媒と接触させることによっても行うことができ
る。
【0015】水蒸気の使用割合は、任意で行うことがで
きるが、コークス炉ガス中のメタン1モルに対して、1
モル以上にするのがよい。反応温度は650〜1500
℃、好ましくは750〜1000℃である。反応圧力は
常圧又は加圧であっても良い。反応方式は固定床及び流
動床等のいずれの方式も採用することができる。
【0016】
【実施例】次に本発明を、実施例によってさらに詳細に
説明するが、本発明はこれらの例により何等限定される
ものではない。
【0017】実施例1
【0018】[触媒の調製1]先ず、触媒成分の原液を
以下の手順で調製した。クエン酸63gとエチレングリ
コール56mlを約350mlの水に溶かし、この水溶
液に炭酸カルシウム10gを徐々に溶解後、全量を水で
1,000mlとした溶液をカルシウム原液とした。ク
エン酸63gとエチレングリコール56mlを約350
mlの水に溶かし、この水溶液に炭酸ストロンチウム1
4.76gを徐々に溶解後、全量を水で1,000ml
とした溶液をストロンチウム原液とした。クエン酸10
5gとエチレングリコール112mlを約350mlの
水に溶かし、この水溶液にオルトチタン酸テトライソプ
ロピル28.4gを加える。溶液を激しく撹拌すると、
生じた白色沈殿は徐々に溶解して透明な溶液となる。こ
れに水を加えて全量を500mlとしたものをチタン原
液とした。クエン酸42gとエチレングリコール84m
lを約150mlの水に溶かし、この水溶液に塩基性炭
酸ニッケル4水和物12.49gを溶解後、全量を水で
250mlとした溶液をニッケル原液とした。硝酸ニト
ロシルルテニウム25gを水に溶解し、全量を1,00
0mlとした溶液をルテニウム原液とした。
【0019】[触媒の調製2]かくして得られた原液か
ら次の手順で触媒を調製した。カルシウム原液400m
l、ストロンチウム原液100ml、チタン原液250
ml、ニッケル原液25mlおよびルテニウム原液1m
lを混合し、ロータリエバポレーターで濃縮した後にホ
ットプレート上で乾固する。これを電気炉に入れて空気
中500℃に加熱して、5時間焼成する。ここで得られ
た固形物を乳鉢で粉末にし、良く混合する。再度、空気
中850℃で5時間焼成し、得られた複合酸化物を触媒
として反応に供した。この複合金属酸化物中の金属は、
次の組成式で表されるもので、カルシウムとストロンチ
ウムおよびチタンとはペロブスカイト型酸化物を形成し
ていることが確認された。 Ca0.8Sr0.2Ti1.0Ni0.2Ru0.0
16
【0020】[水素の製造]次いで、上記触媒0.5g
を充填した石英反応管に、混合ガス(メタン30%、水
素50%、窒素20%、硫化水素50ppm)流速3リ
ットル/時間と水蒸気流速1リットル/時間を流して、
900℃で反応を行い、反応開始24時間経過後の反応
管出口ガスを脱水してガスクロマトグラフィーにかけ
た。メタンの63%が消費されて、水素濃度68.3%
のガスが得られた。このとき一酸化炭素濃度は10.8
%であった。
【0021】実施例2 実施例1の混合ガス流速を2.4リットル/時間、水蒸
気流速を1.4リットル/時間に変えた以外は、全て実
施例1と同じ方法で実験を行った。メタンの70%が消
費されて、水素濃度70.3%のガスが得られた。この
とき一酸化炭素濃度は9.5%であった。
【0022】実施例3 実施例1の混合ガス流速を2リットル/時間、水蒸気流
速を1.8リットル/時間に変えた以外は、全て実施例
1と同じ方法で実験を行った。メタンの71%が消費さ
れて、水素濃度71.0%のガスが得られた。このとき
一酸化炭素濃度は8.7%であった。
【0023】比較例1 実施例1のルテニウム原液を用いないで、実施例2と同
じ方法で実験を行った。メタンの52%が消費されて、
水素濃度66.4%のガスが得られた。このとき一酸化
炭素濃度は8.7%であった。
【0024】比較例2 実施例1のニッケル原液を用いないで、実施例2と同じ
方法で実験を行った。メタンの19.1%が消費され
て、水素濃度56.5%のガスが得られた。このとき一
酸化炭素濃度は3.3%であった。
【0025】
【発明の効果】本発明のコークス炉ガスと水蒸気との改
質反応による水素の製造用触媒は、コークス炉ガスに含
有される硫化水素の影響を受けず、その触媒活性が長時
間持続し、触媒寿命の長いものである。また、この触媒
を用いることにより、コークス炉ガスの顕熱を化学エネ
ルギーとして回収できると共に水素を低廉な価格で効率
的に製造することができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 村田 和久 茨城県つくば市東1丁目1番 工業技術院 物質工学工業技術研究所内 (72)発明者 稲葉 美恵子 茨城県つくば市東1丁目1番 工業技術院 物質工学工業技術研究所内 Fターム(参考) 4G040 EA03 EA06 EC02 EC03 EC05 4G069 AA02 AA03 BB06A BB06B BC08A BC09B BC12B BC50A BC50B BC68A BC68B BC70A BC70B CC17 DA06 EA01Y EC23

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】アルカリ土類金属、チタン、ニッケルおよ
    びルテニウムを含有し、アルカリ土類金属とチタンとの
    原子比が実質的に1/1であり、且つ該アルカリ土類金
    属とチタンはペロブスカイト構造を形成している複合金
    属酸化物からなることを特徴とするコークス炉ガスと水
    蒸気との改質反応による水素の製造用触媒。
  2. 【請求項2】コークス炉ガスと水蒸気との改質反応によ
    る水素の製造方法において、アルカリ土類金属、チタ
    ン、ニッケルおよびルテニウムを含有すると共にアルカ
    リ土類金属とチタンとの原子比が実質的に1/1であ
    り、且つ該アルカリ土類金属とチタンはペロブスカイト
    構造を形成している複合金属酸化物からなる触媒を用い
    ることを特徴とする水素の製造方法。
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