JP2002143685A - 窒素酸化物の選択的接触還元のための触媒の製造方法 - Google Patents
窒素酸化物の選択的接触還元のための触媒の製造方法Info
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Abstract
方法を開示する。前記触媒は、精油工場の水素脱硫工程
から排出された廃触媒を用いて製造される。前記廃触媒
は、バナジウム、ニッケル、モリブデン及び硫黄成分を
アルミナ上に含み、かつタングステン担持担体を含む。
本発明により製造された触媒は、窒素酸化物の選択的除
去効果に優れ、かつ硫黄酸化物に対して良好な耐毒性を
有するという点で、非常に有利である。
Description
選択的接触還元のための触媒とその製造方法に関するも
のである。より具体的には、本発明は、窒素酸化物の除
去効率に優れ、高温での熱安定性、並びに排気ガスに含
まれる様々な無機、有機粉塵及び硫黄化合物に対する化
学的安定性及び耐毒性(poisoning resistance)を有す
る、精油工場の水素脱硫(hydro-desulfurization)工程
から排出されたアルミナ系廃触媒を再生処理することに
より製造される、窒素酸化物の選択的接触還元(selecti
ve catalytic reduction)のための触媒の製造に関す
る。
料を使用するプラントにおいては、必然的に窒素酸化物
(NOx)が生成される。窒素酸化物は、酸性雨及びス
モッグのような環境汚染の直接的な原因物質であること
がわかっている。現在、韓国を含むほとんどの国では、
許容される標準値を超える窒素酸化物の排出を厳しく禁
じている。従って、燃焼系において、排気ガスから窒素
酸化物を除去するための技術が研究されてきた。
存在下で窒素と酸素との反応によって生成される窒素酸
化物の放出を避けるために、低酸素燃焼及び排気ガス循
環などの燃焼条件の改善のための多くの試みが行われて
きた。しかし、燃焼技術の改善だけでは窒素酸化物を完
全に除去することができないので、排気ガスから窒素酸
化物を除去し得る様々な後処理技術が開発され、かつ提
案されている。
ための技術は、触媒と還元剤を一緒に使用する選択的接
触還元(SCR)、触媒なしで還元剤のみを使用する選択的
非接触還元(SNCR)、バーナー(burner)での燃焼状態を制
御する低NOxバーナー技術などに一般に分類される。
それらの中で、二次汚染の発生、除去効率、運転費用等
を考慮すると、窒素酸化物の除去のための効率的技術と
しては、選択的接触還元が高く評価される。選択的接触
還元技術を用いると、窒素酸化物を90%以上の効率で
除去することができ、その使用耐久期間は約2−5年間
であり得る。また、前記技術は、焼却炉において窒素酸
化物と共に有毒なダイオキシンを除去することができる
ので、技術的に有利である。
れらの外形によって、押出ハニカム(honeycomb)触媒、
金属板触媒、及びペレット触媒に分類される。現在は、
押出ハニカム及び金属板触媒が、水蒸気発電所(steam p
ower plants)及び焼却炉において幅広く使用されてい
る。触媒の担体として有用なものは、チタニア、アルミ
ナ、シリカ、ジルコニア等であり、触媒組成は、バナジ
ウム、モリブデン、ニッケル、タングステン、鉄、及び
銅等の活性金属の酸化物を主として含み、温度範囲を広
げ、かつ触媒の耐久性を高めるために、他の活性金属成
分を更に含む。
等の無機酸化物の担体に、バナジウム、モリブデン、ニ
ッケル及びタングステン等の触媒成分を担持させ、次い
で熱処理することにより、酸化物結晶相を含む選択的接
触還元のための触媒を製造し得ることが最近知られてき
ている。
89号には、チタニア、アルミナ、シリカ及びジルコニ
ア等の無機酸化物の担体に、バナジウム、モリブデン、
ニッケル及びタングステン等の触媒成分を担持させた
後、熱処理することにより、酸化物結晶相を含む選択的
接触還元のための触媒を製造する方法が開示されてい
る。この特許では、選択的接触還元のために、硫黄酸化
物に対する耐毒性に優れた担体及び触媒を使用し、かつ
活性金属の量、触媒の比表面積及び孔径を自由に制御す
ることにより、適当量の硫酸塩が添加された、最適性能
を有する触媒を製造している。他方、それは、担体とし
て使用される各単一原料(又は前駆体)及び触媒は、触
媒を製造、混合する方法によって製造すべきであるの
で、製造費用が高いという問題がある。
成分を除去するために、水素脱硫工程を使用することが
不可欠であり、水素脱硫工程からは、廃触媒が副生物と
して放出される。しかし、このような廃触媒を再生処理
しないとすると、それにより廃触媒の処理費用が絶えず
必要となる。このことは、経済的局面での欠点である。
2277号及び米国特許第6,171,566号は、精
油工場の水素脱硫工程から排出された廃触媒の再生処理
に関する。そのような廃触媒の再生処理によって製造さ
れた、選択的接触還元のための触媒は、単一原料を組み
合わせる方法によって製造される触媒に比べ、製造費
用、硫黄酸化物に対する固有の耐毒性、及び窒素酸化物
還元に対する優れた活性を有する金属成分を多量に含む
という点においてより有利である。
いて廃触媒を単独で使用する場合は、それに含まれる活
性金属成分は、担体の細孔内又はその表面上に均一には
担持されないが、塊状で存在することにより、触媒能が
低下する。上記特許は、触媒能を有する活性成分が必要
量よりも過剰に担持されるという欠点がある。更に、少
量の他の金属成分及び触媒能を低下させる過剰量の硫黄
化合物が存在し、更に水素脱硫工程後に異なる排出ライ
ンから排出された廃触媒は、異なる性質を有するため、
商業的触媒工程に適用することは困難である。窒素酸化
物の選択的接触還元のための触媒の製造において、前処
理された廃触媒を単独で使用する場合、このように製造
された触媒は、十分に満足な性能を示さない。また、廃
触媒中の担体は、主にアルミナを含むので、硫黄成分及
びオイルスラッジ(oil sludge)が多量に排出される適用
において触媒が使用される場合、物理的吸着又は化学反
応によって毒性が生じることもある。
が直面していた問題を回避するために、精油工場の水素
脱硫工程から排出される廃触媒について徹底的な研究を
行い、その結果、優れた性能及び耐久性、並びに廃触媒
を使用することにより製造費用が低い、触媒体の状態
の、窒素酸化物の選択的接触還元のための触媒を製造す
る方法を見出した。
は、窒素酸化物の除去効率及び耐毒性に優れた、窒素酸
化物の選択的接触還元のための触媒の製造方法を提供す
ることである。
工程から排出された廃触媒を再生処理することにより、
窒素酸化物の選択的接触還元のための触媒を製造する方
法を提供することである。
硫工程から排出された廃触媒を再生処理することによっ
て製造された、窒素酸化物の選択的接触還元のための触
媒を提供することである。
化物の選択的接触還元のための触媒の製造方法であっ
て、以下の段階を含む方法が提供される: a)1−30重量%のバナジウム、1−20重量%のニ
ッケル、1−20重量%のモリブデン、及び1−15重
量%の硫黄成分をアルミナ上に含む精油工場の水素脱硫
工程から排出された廃触媒を、熱処理により前処理した
後、水で洗浄する段階; b)アルミナ、チタニア、シリカ、ゼオライト、及びそ
れらの混合物からなる群から選ばれる担体であって、1
−15重量%のタングステンを担持した担体を供給する
段階; c)前処理された廃触媒を粉砕した後、水及び酸を加え
ながら、粉砕された廃触媒をタングステン担持担体と均
質に湿式混合する段階; d)混合物を脱水し、過剰の水分及び担持されていない
活性金属を除去する段階; e)脱水された混合物を乾燥させた後、乾燥させた混合
物をすり潰す段階;及び f)すり潰された混合物を押出し、又はすり潰された混
合物を構造体にコーティングした後乾燥させ、次いで焼
成して触媒体を形成する段階。本発明の上記目的、特徴
及び他の利点は、以下の詳細な説明及び添付の図面から
更に明確に理解されるであろう。
接触還元のための“触媒”は、所望の値の活性金属含有
量、担体の所定の比表面積及び孔径を有すべきであり、
更に、苛酷な試験条件下で優れた性能を示すべきであ
る。一般に、過剰量の活性金属を有し、比表面積が小さ
い触媒は、窒素酸化物の除去効率に優れているが、活性
温度範囲が狭い。一方、活性金属量が少なく、かつ比表
面積が大きな触媒の場合は、窒素酸化物の除去効率は低
下し、活性温度範囲は高温側へ広がる。
触媒の製造方法を示す。
排出された廃触媒を使用することができる。廃触媒は、
1−30重量%のバナジウム、1−20重量%のニッケ
ル、1−20重量%のモリブデン及び1−15重量%の
硫黄成分をアルミナ上に含み、その比表面積は30−2
00m2/gであり、孔径は100−300Åである。
は、様々な不純物と混合された油、カーボン及び硫黄の
一部によって汚染される。そのような成分を取り除くた
めに、廃触媒を、好ましくは300−400℃で3−5
時間熱処理する。標準的な処理条件であるこの熱処理温
度では、カーボン及び硫黄の一部(特にカーボン)を、
効率的に除去することができる。その後、好ましくは約
1時間、バッチ式通気槽において熱処理された廃触媒を
水で洗浄し、廃触媒に蓄積された硫黄成分及び過剰な金
属成分をある程度除去する。過剰な金属成分の除去を促
進するために、廃触媒をシュウ酸のような酸によって任
意に処理することもできる。
担持した担体を製造して供給する。このような担体は、
大きな比表面積を有するアルミナ、シリカ、ゼオライト
及びそれらの混合物からなる群から選ばれる。タングス
テン担持担体において、タングステンは、担体上に1−
15重量%の量で担持される。特に、前記アルミナとし
てγ−アルミナを使用し、かつアナターゼ結晶構造を有
するチタニアを使用することが好ましい。このようなタ
ングステン担持担体は、比表面積が50−400m2/
gであり、孔径が150−250Åである。
混合するのに適するように、粉末の状態に粉砕される。
を加えながら、上記タングステン担持担体と湿式混合さ
れる(wet-mixed)。前記湿式混合段階を行いながら、廃
触媒に含まれる活性金属成分を溶出し、その後タングス
テン担持担体に均質に担持させる。この時、廃触媒とタ
ングステン担持担体との湿式混合比は、好ましくは重量
比で50:50−70:30である。廃触媒の量が50
重量%より少ない場合、活性金属成分の量は少なすぎ、
比表面積は過度に大きくなる。一方、廃触媒が70重量
%を超えると、混合物中に過剰量の金属成分が存在し、
更に、比表面積も小さくなりすぎる。
反応器を用いて約3−4時間行うことができる。湿式混
合段階中、スラリー状態の混合物を得るために、適当量
の水及び酸を添加する。
又は表面上に均質に担持された、塊状の活性金属成分が
多量に存在する。本発明によると、廃触媒に含まれる過
剰の金属成分を溶解するために酸を使用する。このよう
に溶解された活性金属は、タングステン担持担体中に再
分配される(re-distributed)。言い換えると、活性金属
成分は酸の中で溶解されるため、廃触媒のアルミナは、
遥かに大きな比表面積を有し、過剰な活性金属は、大き
な比表面積を有するタングステン担持担体の細孔中に吸
着される。これらの酸は、バナジウム、ニッケル、モリ
ブデン等の活性金属及び有機成分を溶解すべきである。
このように、酸を過剰に添加すると金属だけでなくアル
ミナ担体も溶解されるので、適当量の酸を使用する。そ
のような酸としては、例えばシュウ酸が挙げられ、好ま
しくは廃触媒に対して1−5重量%の量で添加される。
r press)を用いて、約15kg/cm2の圧力下でスラ
リー混合物を均一に脱水し、過剰の水分及び金属成分を
除去し、それにより脱水されたケーキを得る。
200℃で乾燥させ、その中の水分を除去する。これ
は、触媒体の製造に適している。乾燥された混合物は、
押出された状態、又はそれによりコーティングされた構
造体の状態の触媒体の製造に適した大きさに、好ましく
は200μm以下にすり潰される。
を、好ましくはハニカムの状態に押出し、又は構造体に
コーティングし、好ましくは100−120℃で乾燥
し、その後好ましくは450−550℃で3時間以上焼
成することができ、それにより触媒体の状態の触媒が得
られる。例えば金属板の状態のスパークリングメタル(s
parkling metals)、又はコーディエライト(cordierite)
のようなセラミックが、前記構造体として使用される。
る、窒素酸化物の選択的接触還元のための触媒は、1−
10重量%のバナジウム、1−10重量%のニッケル、
1−10重量%のモリブデン及び1−15重量%のタン
グステンを酸化物の状態で含有する金属成分、1−10
重量%の硫黄成分、並びにアルミナ、又はアルミナとチ
タニア、シリカ、ゼオライト及びそれらの混合物からな
る群から選ばれる1つとの混合物を含む担体を含むこと
が好ましい。更に、触媒の比表面積は50−150m2
/gであり、孔径は150−250Åである。
発明を更に理解することができるが、本発明はこれらに
限定されるものではない。
する廃触媒を、その中のカーボン及び硫黄化合物を除去
するために400℃で3時間熱処理し、その中の過剰の
活性金属成分及び硫黄化合物を除去するために水で洗浄
した。その後、廃触媒を100℃で3時間乾燥させ、4
50℃で3時間焼成した。これを、“触媒A”と呼ぶ。
触媒Aの組成をXRF及びICP法を用いて分析し、そ
の結果を下記表1に示した。
velocity)が100,000/hrである苛酷な条件に
おいて、500ppmの一酸化窒素(NO)及び500pp
mのアンモニア(NH3)存在下で、触媒Aの窒素酸化物還
元触媒活性の性能試験を行った。30℃−500℃の範
囲で、5℃/分の割合で反応温度を上昇させた。結果を
下記表1に示す。
理し、500gの水で処理した。上記のように処理した
廃触媒を、100℃で3時間乾燥させ、その後粉砕し
た。
ン酸スラリーに固体含有量20−25重量%で加え、均
質に混合した。アンモニウムメタタングステンは、スラ
リーの固体重量に対して5重量%の量で添加し、その
後、550℃で2時間熱処理した。タングステン担持チ
タニア担体のBET法による比表面積は100m2/g
であり、かつアナターゼ結晶構造を有していることがわ
かった。
ン担持チタニア150gを、500gの水及び8gのシ
ュウ酸を加えながら、ボールミル反応器中で湿式混合し
た。次に、混合物を、15kg/cm2でフィルタープ
レスし、120℃で24時間乾燥させ、そして150μ
mの粒径にすり潰した。その後、450℃で3時間焼成
し、粉末状の触媒を得た。これを、“触媒B”と呼ぶ。
組成分析及び窒素酸化物還元触媒活性の性能試験を、比
較例1と同様に行った。結果を下記表1に示す。
ア250gを湿式混合した以外は実施例1と同様に触媒
Cを製造した。組成分析及び窒素酸化物還元触媒活性の
性能試験を、比較例1と同様に行った。結果を下記表1
に示す。
は、触媒Aより優れた触媒性能及び広い温度範囲を有す
る。
代わりに比表面積が200のアルミナ(実施例3)、比
表面積が300のシリカ(実施例4)、及び比表面積が
300のゼオライト(実施例5)をそれぞれ用いた以外
は実施例1と同じ方法で、触媒D、E及びFを製造し
た。
CP法を用いてそれぞれ分析した。それらの結果を下記
表2に示す。
である苛酷な条件において、500ppmの一酸化窒素
(NO)及び500ppmのアンモニア(NH3)の存在下で触
媒D、E及びFの性能試験を行った。30−500℃の
範囲で、5℃/分の割合で反応温度を上昇させた。結果
を下記表2に示す。
幅広い温度範囲で優れた触媒性能を有することがわか
る。
触媒体の原料を製造した。原料46重量%、水42重量
%、軽質鉱油(light mineral oil)1重量%、メチルセ
ルロース4重量%、ガラス繊維3重量%及びカオリナイ
ト(kaolinite)4重量%を混合、混練し、そして25個
のセルを有するハニカムに押出成形した。ハニカムを、
120℃で24時間乾燥させ、450℃で3時間焼成
し、触媒Gを得た。その組成は、XRF及びICP法を
用いて分析する。
る苛酷な条件において、500ppmの一酸化窒素(NO)
及び500ppmのアンモニア(NH3)存在下で、触媒G
の窒素酸化物還元触媒活性の性能試験を行った。30℃
−500℃の範囲で、5℃/分の割合で反応温度を上昇
させた。結果を下記表3に示す。
触媒体用の混合原料を製造した。混合原料をハニカムに
成形し、触媒Hを得、比較例2と同様に組成分析及び性
能試験を行った。結果を下記表3に示す。
触媒体用の混合原料を製造した。混合原料をハニカムに
成形し、触媒Iを得、比較例2と同様に組成分析及び性
能試験を行った。結果を表3に示す。
元のための、本発明の方法によって製造された触媒は、
優れた窒素酸化物除去効率及び硫黄酸化物に対する耐毒
性を有する。また、廃触媒を再生処理することができる
ので、経済的に有利である。
専門用語は限定するよりもむしろ説明することを目的と
している。本発明の多くの修正及び変形は、上記の説明
に照らして可能である。それ故、添付の特許請求の範囲
内で、本発明は具体的に説明された以外の別の方法で実
施することもできる。
酸化物の選択的接触還元のための触媒の製造方法のダイ
アグラムを示す。
Claims (14)
- 【請求項1】窒素酸化物の選択的接触還元のための触媒
の製造方法であって、以下の段階を含む方法: a)1−30重量%のバナジウム、1−20重量%のニ
ッケル、1−20重量%のモリブデン、及び1−15重
量%の硫黄成分をアルミナ上に含む精油工場の水素脱硫
工程から排出された廃触媒を、熱処理により前処理した
後、水で洗浄する段階; b)アルミナ、チタニア、シリカ、ゼオライト、及びそ
れらの混合物からなる群から選ばれる担体であって、1
−15重量%のタングステンを担持した担体を供給する
段階; c)前処理された廃触媒を粉砕した後、水及び酸を加え
ながら、粉砕された廃触媒をタングステン担持担体と均
質に湿式混合する段階; d)混合物を脱水し、過剰の水分及び担持されていない
活性金属を除去する段階; e)脱水された混合物を乾燥させた後、乾燥させた混合
物をすり潰す段階;及び f)すり潰された混合物を押出し、又はすり潰された混
合物を構造体にコーティングした後乾燥させ、次いで焼
成して触媒体を形成する段階。 - 【請求項2】前記廃触媒の比表面積が30−200m2
/g及び孔径が100−300Åである請求項1又は2
に記載の方法。 - 【請求項3】前記廃触媒と混合されるべきタングステン
担持担体の比表面積が50−400m2/g及び孔径が
150−250Åである請求項1又は2に記載の方法。 - 【請求項4】段階b)において供給されたアルミナ担体
がγ−アルミナからなる請求項1〜3のいずれか1項に
記載の方法。 - 【請求項5】段階b)において供給されたチタニア担体
がアナターゼ結晶構造を有する請求項1〜4のいずれか
1項に記載の方法。 - 【請求項6】段階c)における廃触媒とタングステン担
持担体との混合比が、重量比で50:50−70:30
の範囲である請求項1〜5のいずれか1項に記載の方
法。 - 【請求項7】段階c)における酸がシュウ酸であり、か
つ廃触媒に対して1−5重量%の量で使用される請求項
1〜6のいずれか1項に記載の方法。 - 【請求項8】前記構造体がスパークリングメタル又はセ
ラミックからなる請求項1〜7のいずれか1項に記載の
方法。 - 【請求項9】段階a)の熱処理が300−400℃で3
−5時間行われる請求項1〜8のいずれか1項に記載の
方法。 - 【請求項10】段階f)の乾燥が100−120℃で行
われる請求項1〜9のいずれか1項に記載の方法。 - 【請求項11】段階f)の焼成が450−550℃で3
時間以上行われる請求項1〜10のいずれか1項に記載
の方法。 - 【請求項12】請求項1〜11のいずれか1項により製
造された窒素酸化物の選択的接触還元のための触媒。 - 【請求項13】前記触媒が、1−10重量%のバナジウ
ム、1−10重量%のニッケル、1−10重量%のモリ
ブデン及び1−15重量%のタングステンを酸化物の状
態で含有する金属成分;1−10重量%の硫黄成分;並
びにアルミナ又はアルミナとチタニア、シリカ、ゼオラ
イト、及びそれらの混合物からなる群から選ばれる1つ
との混合物を含む請求項12に記載の触媒。 - 【請求項14】前記触媒の比表面積が50−150m2
/g及び孔径が150−250Åである請求項12又は
13に記載の触媒。
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