JP2018135262A - Method of producing hydrogen, and cerium oxide catalyst for producing hydrogen - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of producing hydrogen using a hydrogen production catalyst, excellent in steam modification and dry modification even in the presence of hydrogen sulfide.SOLUTION: The method of producing hydrogen comprises subjecting hydrocarbon in a gas to be treated to at least one reaction of steam modification reaction and dry modification reaction by contacting the gas to be treated containing hydrocarbon, 500 ppm or more of hydrogen sulfide, and at least any one of steam and carbon dioxide with a cerium oxide catalyst having a ratio occupied by total rare earth oxide (TREO) in a total composition of the catalyst converted in terms of oxide of 95.0% or more by mass ratio in terms of oxide.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、炭化水素ガスの水蒸気改質またはドライ改質による水素の製造方法及び水素製造用の酸化セリウム触媒に関する。   The present invention relates to a method for producing hydrogen by steam reforming or dry reforming of hydrocarbon gas, and a cerium oxide catalyst for producing hydrogen.

2015年は水素元年と位置づけられており、国内において、水素エネルギーの利用に対する期待が高まっている。燃料電池自動車の実用化に伴い、今後は水素の需要が継続的に高まることが予想され、低コスト・低環境負荷な方法で水素を生産する手法の開発が求められている。   2015 is positioned as the first year of hydrogen, and expectations for the use of hydrogen energy are growing in Japan. With the commercialization of fuel cell vehicles, the demand for hydrogen is expected to increase continuously in the future, and the development of a method for producing hydrogen by a low cost and low environmental load method is required.

メタンに代表される炭化水素から水素を製造する手法において、コスト及び環境負荷の観点から重視すべき課題は、大きく二つある。一つめの課題は、反応ガスを800℃程度に加熱する必要があることである。炭化水素を水蒸気や二酸化炭素により水素と一酸化炭素とに改質する反応は吸熱反応であり、高温条件下でなければ反応を進行させることが困難である。二つめの課題は、プロセス全体で考えると、二酸化炭素発生量が増大してしまうことである。化石燃料のメタンを改質して水素を製造した場合には、メタンをそのまま燃料として用いた場合に比べて、水素製造時に消費されるエネルギーの分だけ二酸化炭素の排出量が増大することとなる。   In the method of producing hydrogen from hydrocarbons typified by methane, there are two major issues that should be emphasized from the viewpoint of cost and environmental burden. The first problem is that the reaction gas needs to be heated to about 800 ° C. The reaction for reforming hydrocarbons to hydrogen and carbon monoxide with water vapor or carbon dioxide is an endothermic reaction, and it is difficult to advance the reaction unless the temperature is high. The second problem is that the amount of carbon dioxide generation increases when the entire process is considered. When hydrogen is produced by reforming fossil fuel methane, the amount of carbon dioxide emissions increases by the amount of energy consumed during hydrogen production, compared to the case where methane is used as fuel as it is. .

上記の二つの課題を解決するために、技術開発が進められている。
例えば、製鉄プロセスのコークス炉から発生するコークス炉ガスを改質し、水素を製造する手法では、コークス炉から放出される高温のコークス炉ガスをそのまま触媒と接触させることにより、ガスの昇温に必要となるエネルギーを節約することができる(例えば、以下の特許文献1〜4を参照。)。また、バイオガス中のメタンを原料として用いる場合には、化石燃料由来の炭化水素を利用しなくても済むため、プロセス全体で二酸化炭素の排出量を増大させることなく、水素を製造することが可能となる。ただし、コークス炉ガスとバイオガスの双方共に硫化水素を含み、かかる硫化水素の濃度は1000ppm超となる場合が多いため、硫化水素存在下での触媒活性低下を抑制するための試みが進められている。かかる試みについて、例えばニッケルを含む触媒に関する報告例が、多数知られている(例えば、以下の特許文献1〜4を参照。)。
Technological development is underway to solve the above two problems.
For example, in the method of reforming the coke oven gas generated from the coke oven in the iron making process and producing hydrogen, the high temperature coke oven gas released from the coke oven is brought into contact with the catalyst as it is to increase the temperature of the gas. Necessary energy can be saved (see, for example, Patent Documents 1 to 4 below). In addition, when methane in biogas is used as a raw material, it is not necessary to use hydrocarbons derived from fossil fuels, so that it is possible to produce hydrogen without increasing carbon dioxide emissions throughout the process. It becomes possible. However, since both coke oven gas and biogas contain hydrogen sulfide, and the concentration of such hydrogen sulfide often exceeds 1000 ppm, attempts have been made to suppress a decrease in catalytic activity in the presence of hydrogen sulfide. Yes. For such attempts, many report examples relating to a catalyst containing nickel, for example, are known (see, for example, Patent Documents 1 to 4 below).

こうした技術動向を背景に、一部の研究グループが、酸化セリウムを主体とする触媒を用いて、メタンを含む被処理ガスを水蒸気改質して水素を生成する検討を進めている。硫化水素濃度が500ppm未満では、酸化セリウムが高い触媒活性を示すことが報告されているものの、硫化水素濃度500ppm以上の領域では、触媒活性が徐々に低下することが報告されている(以下の非特許文献1〜2を参照。)。また、硫化水素濃度50ppm以上の領域において、酸化セリウムと硫化水素とが反応して硫酸セリウムが生成することが確認されており、かかる硫酸セリウムの生成が、高濃度硫化水素存在条件における活性低下の原因であると推定されている(以下の非特許文献1を参照。)。   Against this background of technology trends, some research groups are studying how to generate hydrogen by steam reforming the gas to be treated containing methane using a catalyst mainly composed of cerium oxide. Although it has been reported that cerium oxide exhibits high catalytic activity when the hydrogen sulfide concentration is less than 500 ppm, it has been reported that the catalytic activity gradually decreases in the region where the hydrogen sulfide concentration is 500 ppm or more (the following non-reactive properties). (See Patent Literatures 1 and 2.) Further, it has been confirmed that cerium oxide and hydrogen sulfide react with each other to produce cerium sulfate in a region where the hydrogen sulfide concentration is 50 ppm or more, and the generation of such cerium sulfate is a decrease in activity in the presence of high concentration hydrogen sulfide. This is presumed to be the cause (see Non-Patent Document 1 below).

特開2004−000900号公報JP 2004-000900 A 特開2004−209408号公報JP 2004-209408 A 特開2007−237066号公報JP 2007-237066 A 特開2013−237049号公報JP2013-237049A

N.Laosiripojana,S.Charojrochkul,P.Kim−Lohsoontorn,and S.Assabumrungrat,“Role and advantages of H2S in catalytic steam reforming over nanoscale CeO2−based catalysts”,Journal of Catalysis,2010,276(1),p.6−15.N. Laosiripojana, S.M. Charojrochkul, P.A. Kim-Lohsonton, and S.K. Assabumrungrat, “Role and advantages of H2S in catalytic steam reforming over nanoscale CeO2-based catalysis,” 2010, 276 (January of Catalysis, 2010). 6-15. A.Kaddouri,and B.Beguin,“Methane steam reforming in the absence and presence of H2S over Ce0.8Pr0.2O2−δ, Ce0.85Sm0.15O2−δ and Ce0.9Gd0.1O2−δ SOFCs anode materials”,Catalysis Communications,2014,46,p.22−27.A. Kaddouri, and B.B. Beguin, “Methane steam reforming in the absence and presence of H2S over Ce0.8Pr0.2O2-δ, Ce0.85Sm0.15O2-δ and Ce0.9Gd0.1O2-δ201, FCS . 22-27. (社)日本金属学会編,「金属物理化学」,平成4年,p.73.(Metal Society of Japan), “Metal Physical Chemistry”, 1992, p. 73. Y.Lai.George,“High−temperature corrosion and materials applications”,ASM International,2007.Y. Lai. George, “High-temperature corrosion and materials applications”, ASM International, 2007. R.M.Ferrizz,R.J.Gorte,and J.M.Vohs,“Determining the Ce2O2S−CeOx phase boundary for conditions relevant to adsorption and catalysis”,Applied Catalysis B:Environmental,2003,43(3),p.273−280.R. M.M. Ferrizz, R.A. J. et al. Gorte, and J.M. M.M. Vohs, “Determining the Ce2O2S-CeOx phase boundary for conditions and related to adoption and catalysis”, Applied Catalysis B: Environmental 3, 200. 273-280. 日本芳香族工業会編,「芳香族及びタール工業ハンドブック」,日本芳香族工業会,2000年.Edited by Japan Aromatic Industry Association, “Aromatic and Tar Industrial Handbook”, Japan Aromatic Industry Association, 2000.

このように、硫化水素を含む被処理ガスを水蒸気改質またはドライ改質し、水素を製造する技術は、今後更に重要度を増すと考えられる。しかしながら、硫化水素濃度500ppm以上の条件で高い安定性と活性とを両立する触媒と、かかる触媒の利用法については、現在まで報告されていない。   Thus, it is considered that the technology for producing hydrogen by steam reforming or dry reforming a gas to be treated containing hydrogen sulfide will become more important in the future. However, a catalyst that achieves both high stability and activity under conditions of hydrogen sulfide concentration of 500 ppm or more and a method for using such a catalyst have not been reported so far.

また、本発明者らの検討によれば、コークス炉ガスを対象として開発されたニッケル含有触媒はもちろんのこと、酸化セリウムを主体とする触媒についても、報告されている性能では工業利用することが困難である。そのため、高濃度の硫化水素存在下においても、高い水蒸気改質活性またはドライ改質活性を示し、更には高い安定性を示す触媒が、熱望されていた。   Further, according to the study by the present inventors, not only the nickel-containing catalyst developed for coke oven gas but also the catalyst mainly composed of cerium oxide can be industrially used in the reported performance. Have difficulty. Therefore, a catalyst that exhibits high steam reforming activity or dry reforming activity even in the presence of a high concentration of hydrogen sulfide and further exhibits high stability has been eagerly desired.

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、硫化水素存在下においても水蒸気改質及びドライ改質に優れた、改質触媒を用いた水素の製造方法及び水素製造用の酸化セリウム触媒を提供することにある。   Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide hydrogen using a reforming catalyst that is excellent in steam reforming and dry reforming even in the presence of hydrogen sulfide. And a cerium oxide catalyst for hydrogen production.

本発明者は、硫化水素存在下での触媒反応に関する従来技術の調査を更に進め、酸化セリウムが硫化水素濃度1000ppm以上の条件においても高い触媒活性と安定性とを示しうると予想した。先行研究では硫化水素濃度500ppm以上の濃度域で触媒活性が徐々に低下することが報告されているにも関わらず(上記非特許文献1を参照。)、上記のように予想した理由は、以下の通りである。   The present inventor further investigated the prior art related to the catalytic reaction in the presence of hydrogen sulfide, and predicted that cerium oxide could exhibit high catalytic activity and stability even under conditions where the hydrogen sulfide concentration was 1000 ppm or more. Although the previous study reported that the catalyst activity gradually decreases in the hydrogen sulfide concentration range of 500 ppm or more (see Non-Patent Document 1 above), the reason for the above prediction is as follows. It is as follows.

酸化セリウムを用いて硫化水素存在下で水蒸気改質反応を行った報告では(上記非特許文献1を参照。)、硫化水素濃度50ppmという比較的低濃度の条件においてさえ、反応開始後比較的短い時間で、多量の硫酸セリウムが生成することが確認されている。また、生成した硫酸セリウムが徐々に硫化セリウムへと変化することによって、触媒活性が低下することが確認されている。しかしながら、本発明者が、水素−水蒸気、硫化水素−水素のエリンガム図、及び、酸化セリウムのポテンシャルダイアグラムを調査し(上記非特許文献3〜5を参照。)、上記報告の条件と照らし合わせた結果、熱力学的な観点から、上記報告の反応条件では硫酸セリウムが多量に生成することは考えにくいという結論に至った。そこで、本発明者は、改めて先行研究の内容を精査した。その結果、非特許文献1中のX線回折スペクトルにて、未反応の酸化セリウム触媒においてさえ、酸化セリウムに帰属されないピークが観測されていた。更に、かかる酸化セリウムに帰属されないピークの一部は、酸化カルシウムや酸化鉄に対応する位置に検出されていることが確かめられた。酸化カルシウムや酸化鉄は、酸化セリウムに比べて、より安定な硫化物を生成することが知られている。以上より、本発明者は、酸化セリウム中に少量の不純物が含まれる条件では、酸化セリウムの硫化水素に対する耐性が低下するものと予想した。   According to a report on the steam reforming reaction using cerium oxide in the presence of hydrogen sulfide (see Non-Patent Document 1 above), even after a relatively low concentration of 50 ppm hydrogen sulfide, the reaction time is relatively short. It has been confirmed that a large amount of cerium sulfate is produced over time. Further, it has been confirmed that the catalytic activity is lowered by gradually changing the produced cerium sulfate to cerium sulfide. However, the present inventor investigated the hydrogen-water vapor, hydrogen sulfide-hydrogen Ellingham diagram, and the potential diagram of cerium oxide (see Non-Patent Documents 3 to 5 above), and compared them with the conditions reported above. As a result, it was concluded from the thermodynamic point of view that it is unlikely that a large amount of cerium sulfate is produced under the reaction conditions reported above. Therefore, the present inventor re-examined the contents of the previous research. As a result, in the X-ray diffraction spectrum in Non-Patent Document 1, a peak not attributed to cerium oxide was observed even in the unreacted cerium oxide catalyst. Furthermore, it was confirmed that a part of the peak not attributed to cerium oxide was detected at a position corresponding to calcium oxide or iron oxide. Calcium oxide and iron oxide are known to produce more stable sulfides than cerium oxide. From the above, the present inventor has predicted that the resistance of cerium oxide to hydrogen sulfide will decrease under the condition that a small amount of impurities is contained in cerium oxide.

かかる予想を基に、本発明者が、酸化カルシウムや酸化鉄等の含有量の少ない高純度の酸化セリウム触媒を用いて試験を行った結果、硫化水素を2000ppm含む反応ガス中でさえ、硫酸セリウムが殆ど生成しないことが判明した。   Based on this expectation, the present inventor conducted a test using a high-purity cerium oxide catalyst having a low content of calcium oxide, iron oxide and the like, and as a result, even in a reaction gas containing 2000 ppm of hydrogen sulfide, cerium sulfate. Was found to produce almost no.

また、従来、酸化セリウム触媒を利用した水蒸気改質反応については、メタンの水蒸気改質反応という、炭素析出が起こりにくい反応での検討しか知られていなかった。しかしながら、本発明者は、以下で詳述する本発明を用いて、タールの代表成分の一つである1―メチルナフタレン(炭素数11)の改質反応に、酸化カルシウムや酸化鉄等の含有量の少ない高純度で適切な酸化セリウム触媒を用いれば、スチームカーボン比(S/C)等の条件にもよるが、炭素析出を抑制することができ、更には、触媒の結晶構造変化も回避することができることも見出した。   Conventionally, the steam reforming reaction using a cerium oxide catalyst has only been known as a methane steam reforming reaction, which is a reaction that hardly causes carbon deposition. However, the present inventor uses the present invention described in detail below to include calcium oxide, iron oxide, and the like in the reforming reaction of 1-methylnaphthalene (carbon number 11), which is one of the representative components of tar. If a small amount of high purity and appropriate cerium oxide catalyst is used, although depending on conditions such as the steam carbon ratio (S / C), carbon deposition can be suppressed, and further, the crystal structure of the catalyst can be avoided. I also found that I can do it.

更には、炭化水素ガスの改質反応において、水蒸気の変わりに二酸化炭素を用いる反応であるドライ改質反応によっても、二酸化炭素と炭化水素中炭素の比率(CO/C)を適切に選択すれば、炭素析出を抑制しつつ、水素製造が可能であることを見出した。 Furthermore, in the reforming reaction of hydrocarbon gas, the ratio of carbon dioxide to carbon in hydrocarbon (CO 2 / C) can be appropriately selected also by the dry reforming reaction that uses carbon dioxide instead of steam. For example, it has been found that hydrogen production is possible while suppressing carbon deposition.

かかる内容は、後述する実施例にて示す通りである。本発明者は、上記のような知見を基に、本発明を為すに至った。
かかる知見に基づき完成された本発明の要旨は、以下の通りである。
Such contents are as shown in the examples described later. The inventor of the present invention has made the present invention based on the above knowledge.
The gist of the present invention completed based on such findings is as follows.

(1)触媒の全組成を酸化物換算した場合における総希土類酸化物(Total Rare Earth Oxide:TREO)の占める割合が、酸化物換算の質量比で95.0%以上である酸化セリウム触媒に対して、炭化水素と、500ppm以上の硫化水素と、水蒸気または二酸化炭素の少なくともいずれか一方と、を含む被処理ガスを接触させ、前記被処理ガス中の前記炭化水素を、水蒸気改質反応またはドライ改質反応の少なくともいずれか一方の反応で反応させて水素を製造する、水素の製造方法。
(2)前記酸化セリウム触媒は、前記触媒の全組成を酸化物変換した場合における総希土類酸化物の占める割合が、酸化物換算の質量比で99%以上である、(1)に記載の水素の製造方法。
(3)前記酸化セリウム触媒は、前記触媒の全組成を酸化物変換した場合における酸化セリウムの占める割合が、酸化物換算の質量比で90.0%以上である、(1)又は(2)に記載の水素の製造方法。
(4)前記酸化セリウム触媒は、酸化鉄、酸化アルミニウム、酸化カルシウム、酸化バリウム、酸化ニッケル、酸化ジルコニウム、及び、酸化ニオブの少なくとも何れかを含有し、前記酸化鉄の含有量は、酸化鉄(III)換算の質量比で3%以下であり、前記酸化アルミニウム、前記酸化カルシウム、前記酸化バリウム、前記酸化ニッケル、前記酸化ジルコニウム、及び、前記酸化ニオブの含有量は、酸化物換算の質量比で、それぞれ5%以下である、(1)〜(3)の何れか一項に記載の水素の製造方法。
(5)前記被処理ガスに含まれる硫化水素の濃度は、500ppm以上3000ppm以下である、(1)〜(4)の何れか1項に記載の水素の製造方法。
(6)前記被処理ガスは、タールを含有する、(1)〜(5)の何れか一項に記載の水素の製造方法。
(7)前記酸化セリウム触媒の比表面積は、10m/g以上100m/g以下である、(1)〜(6)の何れか一項に記載の水素の製造方法。
(8)前記水蒸気改質反応を進行させる場合、前記被処理ガスのスチームカーボン比は、0.8以上3.0以下である、(1)〜(7)の何れか一項に記載の水素の製造方法。
(9)前記ドライ改質反応を進行させる場合、前記被処理ガスの二酸化炭素と、炭化水素として含まれる炭素原子と、のモル比が、1.0以上3.0以下である、(1)〜(8)の何れか一項に記載の水素の製造方法。
(10)前記被処理ガスは、コークス炉ガスである、(8)又は(9)に記載の水素の製造方法。
(11)触媒の全組成を酸化物換算した場合における、CeOの占める割合が、酸化物換算の質量比で90.0%以上であり、総希土類酸化物(Total Rare Earth Oxide:TREO)の占める割合が、酸化物換算の質量比で95.0%以上であり、かつ、比表面積が、10m/g以上100m/g以下である、水素製造用の酸化セリウム触媒。
(12)酸化鉄、酸化アルミニウム、酸化カルシウム、酸化バリウム、酸化ニッケル、酸化ジルコニウム、及び、酸化ニオブの少なくとも何れかを含有し、前記酸化鉄の含有量は、酸化鉄(III)換算の質量比で3%以下であり、前記酸化アルミニウム、前記酸化カルシウム、前記酸化バリウム、前記酸化ニッケル、前記酸化ジルコニウム、及び、前記酸化ニオブの含有量は、酸化物換算の質量比で、それぞれ5%以下である、(11)に記載の水素製造用の酸化セリウム触媒。
(13)前記CeOの占める割合が、酸化物換算の質量比で99.0%以上である、(11)又は(12)に記載の水素製造用の酸化セリウム触媒。
(1) When the total composition of the catalyst is converted to oxide, the proportion of total rare earth oxide (TREO) is 95.0% or more in terms of oxide-converted mass ratio. Then, a gas to be treated containing hydrocarbon, 500 ppm or more of hydrogen sulfide, and at least one of water vapor and carbon dioxide is brought into contact, and the hydrocarbon in the gas to be treated is subjected to a steam reforming reaction or a dry process. A method for producing hydrogen, wherein hydrogen is produced by reacting in at least one of the reforming reactions.
(2) The hydrogen according to (1), wherein the ratio of the total rare earth oxide in the cerium oxide catalyst when the total composition of the catalyst is converted to oxide is 99% or more by mass ratio in terms of oxide. Manufacturing method.
(3) In the cerium oxide catalyst, the proportion of cerium oxide when the total composition of the catalyst is converted to oxide is 90.0% or more by mass ratio in terms of oxide, (1) or (2) A method for producing hydrogen as described in 1. above.
(4) The cerium oxide catalyst contains at least one of iron oxide, aluminum oxide, calcium oxide, barium oxide, nickel oxide, zirconium oxide, and niobium oxide, and the content of the iron oxide is iron oxide ( III) The mass ratio in terms of mass is 3% or less, and the contents of the aluminum oxide, the calcium oxide, the barium oxide, the nickel oxide, the zirconium oxide, and the niobium oxide are mass ratios in terms of oxide. The method for producing hydrogen according to any one of (1) to (3), wherein each is 5% or less.
(5) The method for producing hydrogen according to any one of (1) to (4), wherein the concentration of hydrogen sulfide contained in the gas to be treated is 500 ppm or more and 3000 ppm or less.
(6) The method for producing hydrogen according to any one of (1) to (5), wherein the gas to be treated contains tar.
(7) The method for producing hydrogen according to any one of (1) to (6), wherein the specific surface area of the cerium oxide catalyst is 10 m 2 / g or more and 100 m 2 / g or less.
(8) The hydrogen according to any one of (1) to (7), wherein when the steam reforming reaction proceeds, a steam carbon ratio of the gas to be treated is 0.8 or more and 3.0 or less. Manufacturing method.
(9) When the dry reforming reaction proceeds, the molar ratio of carbon dioxide in the gas to be treated and carbon atoms contained as hydrocarbons is 1.0 or more and 3.0 or less, (1) The manufacturing method of hydrogen as described in any one of-(8).
(10) The method for producing hydrogen according to (8) or (9), wherein the gas to be treated is coke oven gas.
(11) When the total composition of the catalyst is converted to oxide, the proportion of CeO 2 is 90.0% or more in terms of mass ratio in terms of oxide, and the total rare earth oxide (TREO) A cerium oxide catalyst for hydrogen production, the proportion of which is 95.0% or more in terms of mass ratio in terms of oxide, and the specific surface area is 10 m 2 / g or more and 100 m 2 / g or less.
(12) It contains at least one of iron oxide, aluminum oxide, calcium oxide, barium oxide, nickel oxide, zirconium oxide, and niobium oxide, and the content of the iron oxide is a mass ratio in terms of iron (III) oxide. The content of the aluminum oxide, the calcium oxide, the barium oxide, the nickel oxide, the zirconium oxide, and the niobium oxide is a mass ratio in terms of oxide, each being 5% or less. The cerium oxide catalyst for hydrogen production as described in (11).
(13) The cerium oxide catalyst for hydrogen production according to (11) or (12), wherein a ratio of the CeO 2 is 99.0% or more in terms of mass ratio in terms of oxide.

以上説明したように本発明によれば、被処理ガス中に500ppm以上の高濃度硫化水素が含有される場合であっても、水蒸気改質反応またはドライ改質反応の少なくともいずれか一方の改質反応によって水素を製造することが可能となる。   As described above, according to the present invention, even when high concentration hydrogen sulfide of 500 ppm or more is contained in the gas to be treated, reforming of at least one of the steam reforming reaction and the dry reforming reaction is performed. Hydrogen can be produced by the reaction.

実施例に示した水蒸気改質触媒のXRD測定結果である。It is a XRD measurement result of the steam reforming catalyst shown in the Example.

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。
以下では、本発明に係る水素の製造方法に関して、酸化セリウムを主体とする触媒の詳細、適用可能な被処理ガスの詳細、及び、具体的な適用先等のそれぞれの実施形態について、説明を行う。
Exemplary embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.
Hereinafter, with respect to the method for producing hydrogen according to the present invention, details of the catalyst mainly composed of cerium oxide, details of applicable gas to be treated, and specific embodiments of application, etc. will be described. .

(酸化セリウムを主体とする触媒について)
まず、本実施形態に係る酸化セリウムを主体とする触媒(以下、単に「酸化セリウム触媒」とも略記する。)について、詳細に説明を行う。
酸化セリウムは、多くの企業において、様々な方法での製造実績があり、製造方法・純度・比表面積・粒度などを任意に選択して購入することが可能である。そのため、本実施形態に係る酸化セリウム触媒においては、酸化セリウムの含有量について、特に限定するものではない。ただし、本発明者が酸化セリウムとして販売されている様々な製品を検証した結果、低純度の製品においても、質量比で50%以上の酸化セリウムを含有することが確認された。よって、本実施形態に係る酸化セリウム触媒においては、質量比で50%以上の酸化セリウムを含有する酸化物触媒を用いることが、入手のし易さから好ましい。
(Catalyst based on cerium oxide)
First, a catalyst mainly composed of cerium oxide according to the present embodiment (hereinafter simply abbreviated as “cerium oxide catalyst”) will be described in detail.
Cerium oxide has been manufactured in various ways by many companies, and can be purchased by arbitrarily selecting the manufacturing method, purity, specific surface area, particle size, and the like. Therefore, in the cerium oxide catalyst according to the present embodiment, the content of cerium oxide is not particularly limited. However, as a result of verification of various products sold by the present inventor as cerium oxide, it was confirmed that even a low-purity product contains 50% or more of cerium oxide by mass ratio. Therefore, in the cerium oxide catalyst according to the present embodiment, it is preferable to use an oxide catalyst containing 50% or more of cerium oxide by mass ratio because of easy availability.

また、こうした工業製品の酸化セリウムを購入する以外にも、硝酸セリウムや炭酸セリウムなどの試薬を用いて、共沈法、クエン酸法、熱分解法などの公知の製造方法によって、本実施形態に係る水素の製造方法で利用可能な酸化セリウム触媒を製造可能である。いずれの製造方法を用いる場合であっても、反応を開始する前に予め反応温度以上の温度で加熱処理を行い、反応中に熱的な変性が生じることを抑制することが好ましい。   In addition to purchasing such cerium oxide as an industrial product, this embodiment can be applied to the present embodiment by a known manufacturing method such as a coprecipitation method, a citric acid method, or a thermal decomposition method using a reagent such as cerium nitrate or cerium carbonate. It is possible to produce a cerium oxide catalyst that can be used in such a method for producing hydrogen. Regardless of which production method is used, it is preferable to perform heat treatment at a temperature equal to or higher than the reaction temperature in advance before starting the reaction to suppress thermal denaturation during the reaction.

酸化セリウムは、通常、安定な結晶構造は一種類しか存在せず、また、簡便に大量製造可能な手法では、微粒子の面方位を制御することも困難である。従って、利用する酸化セリウムの物性値のうち、純度と比表面積と粒度とに着目すれば十分である。また、純度、比表面積及び粒度という3種類の物性値のうち、水蒸気改質反応またはドライ改質反応によって水素を製造する際の影響度においては、純度と比表面積の割合が大きい。   In general, cerium oxide has only one kind of stable crystal structure, and it is difficult to control the plane orientation of fine particles by a technique that can be easily mass-produced. Therefore, it is sufficient to pay attention to the purity, specific surface area, and particle size among the physical property values of cerium oxide to be used. Of the three physical property values of purity, specific surface area, and particle size, the ratio of purity and specific surface area is large in the degree of influence when hydrogen is produced by steam reforming reaction or dry reforming reaction.

<酸化セリウムの純度について>
酸化セリウムの純度については、高純度のものを用いることが好ましいが、低純度のものほど低価格となる傾向があるため、以下に示す基準を満たせば、必要に応じて低純度のものを利用しても構わない。以下で説明するように、不純物として含まれる元素によって許容される濃度が変化するため、候補の触媒の組成を予め分析しておくと、実際に用いる触媒を選択する際に参考となる。
<Purity of cerium oxide>
As for the purity of cerium oxide, it is preferable to use a high-purity one. However, a lower-purity one tends to be less expensive, so if the following criteria are met, a lower-purity one can be used if necessary. It doesn't matter. As will be described below, since the allowable concentration varies depending on the element contained as an impurity, analyzing the composition of the candidate catalyst in advance is helpful when selecting the catalyst to be actually used.

例えば、酸化ランタン、酸化プラセオジウム、酸化ネオジウム、酸化サマリウム、酸化ヨーロピウム、酸化ガドリウムなどのランタノイド系列の元素については、多量に混入していても問題なく、例えば、酸化セリウムに対し、金属元素のモル比で10%のランタノイド系の酸化物を混入した場合においても、同程度の触媒活性と安定性を得ることができる(10%の酸化ランタンを混入した場合について、後述する実施例において具体例を示す。)。   For example, lanthanoid series elements such as lanthanum oxide, praseodymium oxide, neodymium oxide, samarium oxide, europium oxide, and gadolinium oxide can be mixed in large amounts without any problem. For example, the molar ratio of metal elements to cerium oxide Even when 10% of the lanthanoid oxide is mixed, the same level of catalytic activity and stability can be obtained (a specific example will be shown in the examples described later for the case where 10% of lanthanum oxide is mixed). .)

一方で、本発明者の行った検討では、酸化鉄、酸化アルミニウム、酸化カルシウム、酸化バリウム、酸化ニッケル、酸化ジルコニウム、酸化ニオブの何れかを酸化セリウムに対して混合した場合には、触媒活性が低下した。   On the other hand, in the study conducted by the present inventors, when any one of iron oxide, aluminum oxide, calcium oxide, barium oxide, nickel oxide, zirconium oxide and niobium oxide is mixed with cerium oxide, the catalytic activity is low. Declined.

以上の結果より、ランタノイド系列以外の元素については、酸化セリウム中の含有量を制限することが重要となる。許容される酸化セリウム中の含有量については、酸化物の種類によって異なる。具体的には、酸化鉄の含有量は、酸化鉄(III)換算の質量比で、3%以下であることが好ましく、1%以下であるとより一層好ましい。酸化アルミニウム、酸化カルシウム、酸化バリウム、酸化ニッケル、酸化ジルコニウム、酸化ニオブについては、いずれも酸化物換算の質量比で、5%以下であると好ましく、3%以下であるとより一層好ましく、1%以下であると更に好ましい。なお、本実施形態における触媒中の各成分の酸化物換算での質量比を算出する際、分母に相当するのは、触媒中の全成分組成(全組成)を酸化物した時の合計質量である。但し、触媒中に、金、白金及びロジウムを含む場合は、これらは酸化物換算せず、金属換算での質量として、分母に加えることとする。   From the above results, it is important to limit the content in cerium oxide for elements other than the lanthanoid series. The allowable content in cerium oxide varies depending on the type of oxide. Specifically, the content of iron oxide is preferably 3% or less, and more preferably 1% or less, in terms of mass ratio in terms of iron (III) oxide. As for aluminum oxide, calcium oxide, barium oxide, nickel oxide, zirconium oxide, and niobium oxide, all are preferably 5% or less, more preferably 3% or less in terms of mass ratio in terms of oxide, and 1%. More preferably, it is as follows. In addition, when calculating the mass ratio in terms of oxide of each component in the catalyst in the present embodiment, the denominator corresponds to the total mass when all component compositions (total composition) in the catalyst are oxidized. is there. However, when gold, platinum and rhodium are contained in the catalyst, these are not converted into oxides but added to the denominator as masses in terms of metals.

市販品であれば、酸化セリウムの純度は、総希土類酸化物(Total Rare Earth Oxide:TREO)換算で表記されることが多い。この値は、ランタノイド系列の酸化物量の総和を意味する場合が多い。具体的には、酸化セリウム(IV)と、三価で換算した他のランタノイド系列の酸化物と、の和として計算する。上述の通り、ランタノイド系列の元素が含まれていても触媒の性能低下は生じないため、TREO換算の純度を指標に、触媒活性を発揮するのに十分な純度を持つ触媒を選定することができる。具体的には、酸化セリウム触媒について、後に示す手順で決定する、酸化物換算表示した触媒の全組成の質量比から計算したTREO換算の純度が、質量比で95.0%以上であることが必要である。また、酸化セリウム触媒におけるTREO換算の純度は、99%以上であるとより好ましい。   In the case of a commercial product, the purity of cerium oxide is often expressed in terms of total rare earth oxide (TREO). This value often means the total amount of lanthanoid series oxides. Specifically, it is calculated as the sum of cerium (IV) oxide and another lanthanoid oxide converted to trivalent. As described above, even if a lanthanoid series element is included, the catalyst performance does not deteriorate. Therefore, a catalyst having a purity sufficient to exhibit catalytic activity can be selected using the purity in terms of TREO as an index. . Specifically, for the cerium oxide catalyst, the purity in terms of TREO calculated from the mass ratio of the total composition of the catalyst expressed in terms of oxide, determined by the procedure shown later, is 95.0% or more by mass ratio. is necessary. Moreover, the purity in terms of TREO in the cerium oxide catalyst is more preferably 99% or more.

また、触媒の全組成を酸化物換算した場合における、CeOの占める割合は、酸化物換算の質量比で90.0%以上とすると好ましい。CeOの占める割合を90.0%以上とすることで、効率良く被処理ガス中の炭化水素を水蒸気改質したりまたはドライ改質したりすることが可能となる。なお、CeOの占める割合は、99.0%以上であることがより好ましい。CeOの占める割合を99.0%以上とすることで、ランタノイド系以外の不純物量を、より一層少なくすることが可能となる。 Further, when the total composition of the catalyst is converted to oxide, the proportion of CeO 2 is preferably 90.0% or more in terms of mass ratio in terms of oxide. By setting the ratio of CeO 2 to 90.0% or more, it becomes possible to efficiently perform steam reforming or dry reforming of hydrocarbons in the gas to be treated. The proportion of CeO 2 is more preferably 99.0% or more. By setting the ratio of CeO 2 to 99.0% or more, it becomes possible to further reduce the amount of impurities other than the lanthanoid series.

これら化合物の組成を調べる際には、反応温度まで昇温する過程で触媒の組成が変化してしまうことを避けるために、予め反応温度以上の温度で熱処理を行ったうえで、分析を行うことが好ましい。試料の組成分析には、任意の方法が利用可能であるが、本発明を実行するうえで必要となる精度で成分分析を行うにあたっては、X線蛍光分析が簡便である。ただし、化合物中に周期表の第二周期までの軽元素(水素、ヘリウム、窒素、酸素を除く)が含まれる場合には、X線蛍光分析では正確な成分分析が困難となる。従って、より正確な組成分析を実施したい場合には、ICP発光分析を行ってもよい。但し、分析方法の違いにより、測定値が異なった場合には、ICP発光分析の結果を正とする。   When examining the composition of these compounds, in order to avoid changes in the composition of the catalyst during the process of raising the temperature to the reaction temperature, perform an analysis after performing a heat treatment at a temperature higher than the reaction temperature in advance. Is preferred. Although any method can be used for the composition analysis of the sample, the X-ray fluorescence analysis is simple for performing the component analysis with the accuracy required for carrying out the present invention. However, when the compound contains light elements (excluding hydrogen, helium, nitrogen, and oxygen) up to the second period of the periodic table, accurate component analysis becomes difficult by X-ray fluorescence analysis. Therefore, when a more accurate composition analysis is desired, an ICP emission analysis may be performed. However, if the measured value differs due to the difference in analysis method, the result of ICP emission analysis is positive.

ただし、上記のいずれの測定を実施する場合においても、水分量の測定はできないため、水素及び酸素の含有量は測定することができない。また、窒素の測定(すなわち窒化物の定量)は困難であり、更に、ヘリウムについては測定することができない。   However, in any of the above measurements, the water content cannot be measured, so the hydrogen and oxygen contents cannot be measured. Further, measurement of nitrogen (that is, determination of nitride) is difficult, and further, helium cannot be measured.

なお、周期表の第二周期までの軽元素(水素、ヘリウム、酸素を除く)が含まれない場合には、いずれの測定法を用いても、測定誤差範囲内で同様の結果が得られる。いずれの測定法においても、各元素の価数や存在状態を決定することはできないため、各元素を酸化物換算した質量比を、各触媒の組成として扱うこととなる。   When light elements up to the second period of the periodic table (excluding hydrogen, helium, and oxygen) are not included, the same result is obtained within the measurement error range regardless of which measurement method is used. In any measurement method, since the valence and existence state of each element cannot be determined, the mass ratio obtained by converting each element into an oxide is handled as the composition of each catalyst.

また、窒素の定量が困難であるため、全窒化物を酸化物に換算して計算することとなる。この際、標準状態で安定な酸化物に換算するものとし、安定な酸化物が複数ある場合には、それらの中で最も酸化数が大きい酸化物に換算するものとする。特に、ランタノイド系列の元素について、セリウムは、酸化セリウム(IV)に換算し、また、その他の元素は、三価の酸化物に換算した上で、全窒化物の含有量を、これら換算値の和として計算する。   Further, since it is difficult to determine the amount of nitrogen, all nitrides are calculated in terms of oxides. At this time, the oxide is converted into a stable oxide in a standard state, and when there are a plurality of stable oxides, the oxide is converted into an oxide having the largest oxidation number among them. In particular, for lanthanoid series elements, cerium is converted to cerium (IV) oxide, and other elements are converted to trivalent oxides, and the total nitride content is calculated based on these converted values. Calculate as the sum.

また、金、白金及びロジウムは、安定な酸化物の選定が困難であるため、酸化物換算ではなく、金属換算とする。   In addition, gold, platinum, and rhodium are not converted to oxides but are converted to metals because it is difficult to select a stable oxide.

こうして各元素を酸化物換算(ただし上述の通り、一部元素については金属換算)し、更に、日本化学会作成の周期表記載の原子量を用いて質量比に換算することで、触媒の全組成を決定することが可能である。上記の手順で触媒の全組成を決定することによって、実際の組成と、計算される組成と、の間に一定の解離が存在しうる。   In this way, each element is converted into an oxide (however, as described above, some elements are converted into metal), and further converted into a mass ratio using the atomic weight described in the periodic table prepared by the Chemical Society of Japan. Can be determined. By determining the total composition of the catalyst in the above procedure, there can be a certain dissociation between the actual composition and the calculated composition.

しかしながら、各元素の酸化数も含めて正確な組成を決定することは一般に難しく、本実施形態において利用する全ての触媒に対して適用することは現実的でない。更に、本実施形態に係る水蒸気改質反応またはドライ改質反応で利用する反応温度付近では、水分は離脱しており、ヘリウムの残存も考え難く、窒化物は水蒸気と反応して酸化物に変化すると考えられる。そのため、上記の手順で見積もられた組成と、実際の反応条件での組成と、の間の解離は、小さい。   However, it is generally difficult to determine an accurate composition including the oxidation number of each element, and it is not practical to apply it to all the catalysts used in this embodiment. Furthermore, in the vicinity of the reaction temperature used in the steam reforming reaction or dry reforming reaction according to the present embodiment, moisture is released, and it is difficult to think of remaining helium, and nitride reacts with steam to change into an oxide. I think that. Therefore, the dissociation between the composition estimated by the above procedure and the composition under actual reaction conditions is small.

以上より、本実施形態における触媒の全組成とは、上述の手順で決定した酸化物換算(ただし、上述の通り、一部元素については金属換算とする。)での全組成であるとする。なお、上述の手順については、自動的に計算する機能が多くの市販分析装置に付随しており、簡便に実行可能である。   From the above, it is assumed that the total composition of the catalyst in the present embodiment is the total composition in terms of oxide determined in the above-described procedure (however, as described above, some elements are converted to metal). In addition, about the above-mentioned procedure, the function which calculates automatically is attached to many commercial analyzers, and can be performed simply.

TREO換算の純度を計算する際には、まず上記の手順で、触媒の全組成を分析し、更に、酸化物換算(ただし、上述の通り、一部元素については金属換算とする。)の質量比に換算することで、TREO換算の純度を質量比として計算することができる。   When calculating the TREO-converted purity, first, the total composition of the catalyst is analyzed according to the above procedure, and further the mass in terms of oxide (however, as described above, some elements are converted to metal). By converting to a ratio, the purity in terms of TREO can be calculated as a mass ratio.

<酸化セリウムの比表面積について>
酸化セリウムの比表面積については、触媒反応を促進するという観点からは、大きければ大きいほど好ましいが、酸化セリウムの密度は7.3g/cmと大きく、大きい比表面積を得るためには、一次粒子径を非常に小さくする必要がある。例えば、比表面積を100m/gとするためには、一次粒子径を8nm程度まで小さくする必要がある。しかしながら、反応温度はおよそ800℃程度と非常に高く、酸化セリウムのヒュティッヒ温度を大きく上回るため、上記のような微細な一次粒子径を維持することは非常に困難である。よって、比表面積の大きい酸化セリウムを利用したとしても、比表面積は、反応中に短時間で100m/g以下となると考えられる。
<Specific surface area of cerium oxide>
The specific surface area of cerium oxide is preferably as large as possible from the viewpoint of promoting the catalytic reaction, but the density of cerium oxide is as large as 7.3 g / cm 3. The diameter needs to be very small. For example, in order to set the specific surface area to 100 m 2 / g, it is necessary to reduce the primary particle diameter to about 8 nm. However, the reaction temperature is as high as about 800 ° C., which is much higher than that of cerium oxide, so it is very difficult to maintain the fine primary particle diameter as described above. Therefore, even when cerium oxide having a large specific surface area is used, the specific surface area is considered to be 100 m 2 / g or less in a short time during the reaction.

一方で、比表面積があまりに小さい場合には、触媒活性が大きく低下することが確認されている。本発明者の検討では、比表面積が3m/gを下回ると大きく活性が低下する可能性が高まることが確かめられおり、10m/g以上となる場合には、比表面積の大小によらず、同程度の触媒活性が得られた。従って、酸化セリウムの比表面積は、反応温度以上の温度で加熱処理を行った後の値で、3m/g以上100m/g以下であることが好ましく、10m/g以上100m/g以下であることがより好ましい。 On the other hand, when the specific surface area is too small, it has been confirmed that the catalytic activity is greatly reduced. The study of the present inventors, the specific surface area has it been confirmed that can decrease greatly the activity falls below the 3m 2 / g is increased, when the 10 m 2 / g or more, regardless of the magnitude of the specific surface area The same catalytic activity was obtained. Therefore, the specific surface area of cerium oxide is preferably 3 m 2 / g or more and 100 m 2 / g or less, after being subjected to heat treatment at a temperature equal to or higher than the reaction temperature, and preferably 10 m 2 / g or more and 100 m 2 / g. The following is more preferable.

なお、比表面積の測定には、任意の方法が利用可能であるが、液体窒素温度での窒素吸着等温線を用いたBET測定法を用いることが簡便である。上述の通り、反応温度付近の温度で熱処理を行った酸化セリウム触媒は、比表面積が小さくなると予想され、かかる比表面積の減少に伴い、微細な細孔の量も少なくなると考えらえる。そうした場合には、BET法にて妥当な測定結果が得られやすい。   Although any method can be used for measuring the specific surface area, it is convenient to use the BET measurement method using a nitrogen adsorption isotherm at the liquid nitrogen temperature. As described above, the cerium oxide catalyst that has been heat-treated at a temperature close to the reaction temperature is expected to have a small specific surface area, and it can be considered that the amount of fine pores decreases as the specific surface area decreases. In such a case, it is easy to obtain an appropriate measurement result by the BET method.

<酸化セリウムの粒度について>
酸化セリウムの粒度については、任意のものが利用可能であり、触媒の利用形態に応じて適宜選択することが可能である。本実施形態に係る水素の製造方法では、スチームカーボン比(S/C)等の条件を適正化すれば、炭素析出がほとんど発生しないため、流動床の反応装置以外にも、固定床の反応装置が利用可能である。この際に利用する反応装置の寸法や、装置内の流速などに応じて、触媒を成型処理することとなるが、その際に利用しやすい粒度のものを適宜選択するとよい。例えば、成型粒子の形状については、球形、円柱形、多孔型、クローバー型のようないずれの形状であっても適用可能である。成型処理の手法についても、成型コストが低い押し出し成型法、転動造粒法、または高価だが高強度が得られやすい圧縮成形法等の手法がいずれも利用可能である。
<Cerium oxide particle size>
Any particle size of cerium oxide can be used, and can be appropriately selected according to the utilization form of the catalyst. In the method for producing hydrogen according to this embodiment, if conditions such as the steam carbon ratio (S / C) are optimized, carbon deposition hardly occurs. Therefore, in addition to the fluidized bed reactor, the fixed bed reactor Is available. The catalyst is molded according to the dimensions of the reaction apparatus used at this time, the flow rate in the apparatus, etc., and a particle size that is easy to use at that time may be appropriately selected. For example, the shape of the molded particle is applicable to any shape such as a spherical shape, a cylindrical shape, a porous shape, and a clover shape. As a method for the molding process, any of an extrusion molding method, a rolling granulation method, or a compression molding method that is expensive but easily obtains high strength can be used.

(被処理ガスについて)
続いて、本実施形態に係る水素の製造方法における被処理ガスについて、詳細に説明を行う。
本実施形態に係る水素の製造方法では、硫化水素を含む被処理ガス中の炭化水素と水蒸気とを反応させる方法(水蒸気改質)または、硫化水素を含む被処理ガス中の炭化水素と二酸化炭素とを反応させる方法(ドライ改質)が用いられる。そこで、被処理ガス中の硫化水素濃度、炭化水素の種類、水蒸気量、及び二酸化炭素量のそれぞれの実施形態について、以下に示す。
(About treated gas)
Subsequently, the gas to be processed in the method for producing hydrogen according to the present embodiment will be described in detail.
In the method for producing hydrogen according to the present embodiment, a method of reacting hydrocarbons and steam in a gas to be treated containing hydrogen sulfide (steam reforming) or a hydrocarbon and carbon dioxide in the gas to be treated containing hydrogen sulfide. Is used (dry reforming). Therefore, each embodiment of the hydrogen sulfide concentration in the gas to be treated, the type of hydrocarbon, the amount of water vapor, and the amount of carbon dioxide is shown below.

<硫化水素濃度について>
本実施形態に係る水素の製造方法は、硫化水素の含まれていない被処理ガスに対してもそのまま適用可能であるが、従来は活性低下が生じるとされていた硫化水素濃度500ppm以上の濃度域において、特に高い触媒活性を示す。従って、本実施形態に係る水素の製造方法において、被処理ガス中に含まれる硫化水素濃度は、500ppm以上とする。
<About hydrogen sulfide concentration>
The method for producing hydrogen according to the present embodiment can be applied as it is to a gas to be treated that does not contain hydrogen sulfide, but a concentration range of hydrogen sulfide concentration of 500 ppm or more, which has been conventionally considered to cause a decrease in activity. Shows particularly high catalytic activity. Therefore, in the method for producing hydrogen according to the present embodiment, the concentration of hydrogen sulfide contained in the gas to be treated is set to 500 ppm or more.

また、硫化水素濃度が高ければ高いほど、触媒活性が向上する傾向がある(以下の実施例を参照。)。また、本発明者の検討によれば、本実施形態に係る水素の製造方法を、硫化水素濃度が3000ppmである被処理ガスに適用した際にも、水蒸気改質反応またはドライ改質反応が進行することが確認されており、かかる濃度以上の硫化水素濃度であっても、触媒活性が発揮されると考えられる。一方で、硫化水素濃度が高すぎると、装置腐食の原因となる他、ガス漏洩時のリスクが高まるという問題がある。かかる観点から、本実施形態に係る水素の製造方法において、硫化水素の濃度は、10000ppm以下であることが好ましく、3000ppm以下であるとより一層好ましく、2000ppm以下であると更に好ましい。   In addition, the higher the hydrogen sulfide concentration, the more the catalyst activity tends to improve (see the examples below). Further, according to the study of the present inventors, the steam reforming reaction or the dry reforming reaction proceeds even when the method for producing hydrogen according to the present embodiment is applied to the gas to be treated having a hydrogen sulfide concentration of 3000 ppm. It is confirmed that the catalytic activity is exhibited even at a hydrogen sulfide concentration higher than this concentration. On the other hand, if the hydrogen sulfide concentration is too high, it causes corrosion of the device and increases the risk of gas leakage. From this viewpoint, in the method for producing hydrogen according to the present embodiment, the concentration of hydrogen sulfide is preferably 10,000 ppm or less, more preferably 3000 ppm or less, and further preferably 2000 ppm or less.

なお、本実施形態に係る水素の製造方法の適用対象となるガス種の中では、生ゴミのバイオマスガス化ガスが最も高い硫化水素濃度を持つことが知られているが、かかる場合であっても、通常の硫化水素濃度は3000ppm未満である。従って、現実的には、被処理ガスの硫化水素濃度が3000ppmを上回ることは、殆どないと考えられる。   Of the gas species to which the hydrogen production method according to this embodiment is applied, it is known that the biomass gasification gas of raw garbage has the highest hydrogen sulfide concentration. However, the normal hydrogen sulfide concentration is less than 3000 ppm. Therefore, in reality, it is considered that the hydrogen sulfide concentration of the gas to be treated hardly exceeds 3000 ppm.

なお、硫化水素濃度を測定する方法は、市販の分析計を用いる方法を適用することが簡便である。大型の分析装置の利用が難しく、高精度の測定が必要でない場合には、携帯型の定電位電解式拡散式硫化水素測定器を用いて、硫化水素濃度を測定することができる。この種類の分析計では、測定誤差25ppm、測定濃度範囲0〜3000ppmの測定が可能な商品が市販されている。硫化水素濃度のより正確な測定が必要な場合には、ガスクロマトグラフィーによる測定が利用可能である。この種類の分析計では、適切な校正ガスと希釈ガスとを利用することにより、測定誤差3ppm未満、測定濃度範囲0〜3000ppmの測定が可能である。ただし、定電位電解式拡散硫化水素測定器と、ガスクロマトグラフィーの測定値が異なった場合には、ガスクロマトグラフィーでの測定結果を正とする。   As a method for measuring the hydrogen sulfide concentration, it is easy to apply a method using a commercially available analyzer. When it is difficult to use a large analyzer and high-precision measurement is not required, the hydrogen sulfide concentration can be measured using a portable constant potential electrolytic diffusion hydrogen sulfide measuring instrument. In this type of analyzer, a commercial product that can measure with a measurement error of 25 ppm and a measurement concentration range of 0 to 3000 ppm is commercially available. If a more accurate measurement of the hydrogen sulfide concentration is required, gas chromatographic measurement can be used. In this type of analyzer, by using an appropriate calibration gas and dilution gas, it is possible to perform measurement with a measurement error of less than 3 ppm and a measurement concentration range of 0 to 3000 ppm. However, if the measured value of gas chromatography is different from that of the constant potential electrolytic diffusion hydrogen sulfide measuring instrument, the measurement result by gas chromatography is positive.

なお、硫化水素以外の硫黄を含むガス成分として、二酸化硫黄が知られている。多量の硫化水素を含む被処理ガス中には、少量の二酸化硫黄が混入する場合がある。しかしながら、二酸化硫黄の濃度が硫化水素より低いのであれば、反応温度付近でクラウス反応(SO+2HS→3S+2HO)が進行し、更に、クラウス反応に続く硫黄の水素化(S+H→HS)が進行することで、二酸化硫黄が除去されると考えられる。また、硫化水素を含まないガスに二酸化硫黄が混合した場合においても、二酸化硫黄の濃度が低い場合には、酸化セリウムに対する影響は軽微である。本発明者の実施した試験によると、硫化水素を含まず、200ppmの二酸化硫黄を含む被処理ガス(硫化水素ガスは0ppm)と、酸化セリウムと、を反応温度800〜900℃で接触させた場合においても、酸化セリウムの結晶構造に変化が見られないことが確認された。以上より、被処理ガス中に二酸化硫黄が混入しても、本発明を適用することが可能である。ここで、本実施形態に係る水素の製造方法において、二酸化硫黄の混入は、200ppm以下の濃度、又は、硫化水素濃度以下の濃度であることが好ましい。 In addition, sulfur dioxide is known as a gas component containing sulfur other than hydrogen sulfide. A small amount of sulfur dioxide may be mixed in the gas to be treated containing a large amount of hydrogen sulfide. However, if the concentration of sulfur dioxide is lower than that of hydrogen sulfide, the Claus reaction (SO 2 + 2H 2 S → 3S + 2H 2 O) proceeds near the reaction temperature, and further, the hydrogenation of sulfur following the Claus reaction (S + H 2 → It is considered that sulfur dioxide is removed by the progress of H 2 S). Even when sulfur dioxide is mixed with a gas not containing hydrogen sulfide, the effect on cerium oxide is slight if the concentration of sulfur dioxide is low. According to a test conducted by the present inventor, when a gas to be treated that does not contain hydrogen sulfide and contains 200 ppm of sulfur dioxide (hydrogen sulfide gas is 0 ppm) and cerium oxide are contacted at a reaction temperature of 800 to 900 ° C. It was also confirmed that no change was observed in the crystal structure of cerium oxide. As described above, the present invention can be applied even if sulfur dioxide is mixed in the gas to be treated. Here, in the method for producing hydrogen according to this embodiment, the sulfur dioxide is preferably mixed at a concentration of 200 ppm or less or a concentration of hydrogen sulfide or less.

<炭化水素の種類について>
被処理ガスに含まれうる炭化水素のうち、本発明の対象となる炭化水素には、メタン、及び、1−メチルナフタレンに限定されるものではなく、炭素数11以下の非芳香族炭化水素、炭素数11以下の芳香族炭化水素、更には、炭素数11以上のタール成分が含まれる。その理由は、以下の通りである。
<About the types of hydrocarbons>
Of the hydrocarbons that can be contained in the gas to be treated, the hydrocarbons that are the subject of the present invention are not limited to methane and 1-methylnaphthalene, but non-aromatic hydrocarbons having 11 or less carbon atoms, Aromatic hydrocarbons having 11 or less carbon atoms and tar components having 11 or more carbon atoms are included. The reason is as follows.

まず、メタンは、炭化水素の中で最も小さい分子であり、水蒸気改質反応による水素生成反応が進行し難いことが知られている。ドライ改質反応についても同様であり、一般にメタンは改質反応しにくい分子である。よって、メタンの水蒸気改質反応またはドライ改質反応を進行させることが可能な本実施形態に係る水素の製造方法により、エタン、エテン、プロパン、プロペン、ブタン、ブテン、ペンタン、ペンテン、ヘキサン、ヘキセン、ヘプタン、ヘプテン、オクタン、オクテン、ノナン、ノネン、デカン、デケン、ウンデカン、ウンデケンなどの非芳香族性の炭化水素についても水蒸気改質またはドライ改質して、水素を製造することが可能である。   First, methane is the smallest molecule among hydrocarbons, and it is known that the hydrogen generation reaction by the steam reforming reaction is difficult to proceed. The same applies to the dry reforming reaction. In general, methane is a molecule that hardly undergoes the reforming reaction. Therefore, by the method for producing hydrogen according to the present embodiment capable of proceeding with the steam reforming reaction or dry reforming reaction of methane, ethane, ethene, propane, propene, butane, butene, pentane, pentene, hexane, hexene , Non-aromatic hydrocarbons such as heptane, heptene, octane, octene, nonane, nonene, decane, decene, undecane, undecane, etc. can also be produced by steam reforming or dry reforming to produce hydrogen .

非芳香族性の炭化水素は、一般的に、芳香族炭化水素類と比較して水蒸気改質中またはドライ改質中の双方において炭素析出が生じ難いことから、1−メチルナフタレンを用いた場合にも炭素析出が防止可能な本実施形態に係る水素の製造方法では、炭素数11以下の非芳香族炭化水素を用いた場合にも炭素析出を防止することができ、安定して水素製造が可能となる。   When non-aromatic hydrocarbons are used, 1-methylnaphthalene is generally used because carbon precipitation is less likely to occur during both steam reforming and dry reforming compared to aromatic hydrocarbons. In addition, in the method for producing hydrogen according to this embodiment capable of preventing carbon deposition, carbon deposition can be prevented even when a non-aromatic hydrocarbon having 11 or less carbon atoms is used, and hydrogen production can be performed stably. It becomes possible.

なお、炭素数12以上の非芳香族炭化水素は、容易に熱分解や酸化分解して炭素数11以下の化合物を生成する。よって、適切な反応条件、及び、被処理ガスの前処理条件を選択することによって、炭素数12以上の非芳香族炭化水素に対しても、本実施形態に係る水素の製造方法を適用することが可能である。   Note that non-aromatic hydrocarbons having 12 or more carbon atoms are easily pyrolyzed or oxidatively decomposed to produce compounds having 11 or less carbon atoms. Therefore, the method for producing hydrogen according to this embodiment is applied to non-aromatic hydrocarbons having 12 or more carbon atoms by selecting appropriate reaction conditions and pretreatment conditions for the gas to be treated. Is possible.

また、1−メチルナフタレンは、タールに分類される物質の一つである。タールとは、非常に多くの物質を含む総称であり、その具体的な物質の例は、文献に記載されている(例えば、上記非特許文献6を参照。)。タールに該当する物質の多くは、複数の芳香環が連結したものや、また、かかる芳香環に置換基が付いたものであり、最大で芳香環を4つ含むものまでがタール成分として列挙されている。その中でも最も含有比が高いのは、芳香環が2つの物質であり、1−メチルナフタレンは、まさにタール成分を代表させるのに適した物質である。また、1−メチルナフタレンは、芳香環に置換基が付いた構造をしており、他の多くのタール成分が持つ特徴を備えている。従って、1−メチルナフタレンを用いた水蒸気改質試験及びドライ改質試験で効率的な水素製造を確認した本実施形態に係る水素の製造方法は、他のタール成分に対しても適用可能である。また、芳香環を1つのみ含む炭化水素類は、芳香環を2つ含む物質よりも一般に反応性に富むことが知られているため、1−メチルナフタレンを用いた水蒸気改質試験及びドライ改質試験で効率的な水素製造を確認した本実施形態に係る水素の製造方法は、芳香環を1つのみ含む芳香族炭化水素類に対しても、同様に適用可能であると考えられる。   Further, 1-methylnaphthalene is one of substances classified as tar. Tar is a generic name including a great number of substances, and examples of specific substances are described in the literature (for example, see Non-Patent Document 6 above). Many of the substances that fall under tar are those in which multiple aromatic rings are linked, or those aromatic rings with substituents, and those containing up to four aromatic rings are listed as tar components. ing. Among them, the substance having the highest content ratio is a substance having two aromatic rings, and 1-methylnaphthalene is a substance suitable for representing a tar component. Moreover, 1-methylnaphthalene has a structure in which a substituent is attached to an aromatic ring, and has characteristics of many other tar components. Therefore, the method for producing hydrogen according to this embodiment in which efficient hydrogen production has been confirmed by the steam reforming test and the dry reforming test using 1-methylnaphthalene can be applied to other tar components. . Also, since hydrocarbons containing only one aromatic ring are known to be generally more reactive than substances containing two aromatic rings, steam reforming tests and dry reforming using 1-methylnaphthalene are known. It is considered that the hydrogen production method according to the present embodiment, which has confirmed efficient hydrogen production by the quality test, can be similarly applied to aromatic hydrocarbons containing only one aromatic ring.

<水蒸気量について>
本実施形態に係る水素の製造方法として、触媒上への炭素析出が少ないことを特徴の一つとしている。従って、本実施形態に係る水素の製造方法では、一般的に利用される反応条件と比べて、水蒸気が少ない条件でも水蒸気改質反応を進行させることが可能となる。本発明者は、水蒸気と、炭化水素として含まれる炭素原子と、のモル比であるスチームカーボン比(以下、「S/C」と略記する場合がある。)で表したときに、メタン改質反応であればS/Cが1.0以上で炭素析出が生じず、また、1−メチルナフタレンを用いた場合にもS/Cが1.2以上とした場合に炭素析出が生じず、安定した触媒活性が得られることを確認している。一方で、S/Cを0.8未満とした場合には、1−メチルナフタレンを用いた反応試験において、一部炭素析出が生じ、緩やかに活性が低下することが確認された。従って、本実施形態に係る水素の製造方法において、被処理ガスのS/Cは、0.8以上とすることが好ましい。一方、S/Cの上限については、水蒸気を発生させる際のコストによって制限される。一般に、水蒸気濃度が高いほど、炭素析出が生じにくくなり、反応が安定しやすくなるが、水蒸気を発生して反応温度まで昇温するためのコストが高くなるという課題が生じる。以上より、本実施形態に係る水素の製造方法において、被処理ガスのS/Cは、3.0以下とすることが好ましい。
<About the amount of water vapor>
One feature of the method for producing hydrogen according to this embodiment is that carbon deposition on the catalyst is small. Therefore, in the method for producing hydrogen according to the present embodiment, the steam reforming reaction can be allowed to proceed even under conditions where the amount of steam is small compared to generally used reaction conditions. The present inventor, when represented by a steam carbon ratio (hereinafter sometimes abbreviated as “S / C”), which is a molar ratio between water vapor and carbon atoms contained as hydrocarbons, In the case of reaction, no carbon deposition occurs when S / C is 1.0 or more, and even when 1-methylnaphthalene is used, no carbon deposition occurs when S / C is 1.2 or more. It was confirmed that the obtained catalytic activity was obtained. On the other hand, when S / C was less than 0.8, it was confirmed that, in a reaction test using 1-methylnaphthalene, partial carbon deposition occurred and the activity gradually decreased. Therefore, in the method for producing hydrogen according to the present embodiment, the S / C of the gas to be processed is preferably set to 0.8 or more. On the other hand, the upper limit of S / C is limited by the cost of generating water vapor. In general, the higher the water vapor concentration is, the more difficult the carbon deposition is to occur and the reaction becomes more stable, but there is a problem that the cost for generating water vapor and raising the temperature to the reaction temperature is increased. From the above, in the method for producing hydrogen according to the present embodiment, the S / C of the gas to be processed is preferably set to 3.0 or less.

なお、水蒸気は、同濃度の二酸化炭素と比較して、炭素析出を抑制する効果がより一層高い。したがって、水蒸気及び二酸化炭素が被処理ガス中に存在するような混合系において、炭素析出が生じやすい炭化水素を改質する場合には、混合系における水蒸気濃度を二酸化炭素濃度より高めることで水蒸気改質反応が優先して進行するようにするとよい。なお、水蒸気の総量は、もともと原料ガス(例えばコークス炉ガスやバイオガス)に含まれている水蒸気と、改質反応に際して、外部から供給された水蒸気の和として算出される。したがって、水蒸気の供給源は重要でなく、触媒層での反応に供される時点での被処理ガス中に含まれる水蒸気量が重要となる。   In addition, compared with the carbon dioxide of the same density | concentration, water vapor | steam has the much higher effect which suppresses carbon precipitation. Therefore, when reforming hydrocarbons that are prone to carbon deposition in a mixed system in which steam and carbon dioxide are present in the gas to be treated, the steam reforming is achieved by increasing the water vapor concentration in the mixed system above the carbon dioxide concentration. It is recommended that the quality reaction progresses with priority. The total amount of water vapor is calculated as the sum of water vapor originally contained in the raw material gas (for example, coke oven gas or biogas) and water vapor supplied from the outside during the reforming reaction. Therefore, the supply source of water vapor is not important, and the amount of water vapor contained in the gas to be treated at the time of being subjected to the reaction in the catalyst layer is important.

<二酸化炭素量について>
本実施形態に係る水素の製造方法として、触媒上への炭素析出が少ないことを特徴の一つとしている。従って、一般に炭素析出量が増大しやすいドライ改質反応においても、炭素析出量を抑制しつつ、または、ほとんど炭素析出を起こすことなく、ドライ改質反応を進行させることが可能となる。
<About the amount of carbon dioxide>
One feature of the method for producing hydrogen according to this embodiment is that carbon deposition on the catalyst is small. Therefore, even in a dry reforming reaction that generally tends to increase the amount of carbon deposition, the dry reforming reaction can be allowed to proceed while suppressing the amount of carbon deposition or hardly causing carbon deposition.

本発明者は、二酸化炭素と、炭化水素として含まれる炭素原子と、のモル比である二酸化炭素カーボン比(以下、「CO/C」と略記する場合がある。)で表したときに、メタン改質反応であればCO/Cが1.0以上で炭素析出が生じず、また、1−メチルナフタレンを用いた場合にもCO/Cが2.0以上とした場合に炭素析出量が少なくなり、安定した触媒活性が得られることを確認している。一方で、CO/Cを1.0以下とした場合には、1−メチルナフタレンを用いた反応試験において、炭素析出量が増大し、反応時間経過に伴って活性が低下することが確認された。 The inventor expresses the carbon dioxide carbon ratio (hereinafter sometimes abbreviated as “CO 2 / C”), which is a molar ratio between carbon dioxide and carbon atoms contained as hydrocarbons. In the case of a methane reforming reaction, carbon deposition does not occur when CO 2 / C is 1.0 or more, and carbon deposition occurs when CO 2 / C is 2.0 or more even when 1-methylnaphthalene is used. It has been confirmed that the amount is reduced and stable catalytic activity is obtained. On the other hand, when CO 2 / C is 1.0 or less, in the reaction test using 1-methylnaphthalene, it was confirmed that the carbon deposition amount increased and the activity decreased with the lapse of the reaction time. It was.

従って、本実施形態に係る水素の製造方法において、特にドライ改質反応で水素製造を行う場合には、メタン改質反応であれば、被処理ガスのCO/Cは、1.0以上とすることが好ましく、メタンよりも炭素数の多い炭化水素類(特にタール類)を改質する場合には、CO/Cは1.0より大きい値とすることが好ましく、2.0以上とするとより好ましい。 Therefore, in the hydrogen production method according to the present embodiment, particularly when hydrogen production is performed by a dry reforming reaction, the CO 2 / C of the gas to be treated is 1.0 or more if the methane reforming reaction. When reforming hydrocarbons (particularly tars) having more carbon atoms than methane, CO 2 / C is preferably greater than 1.0, It is more preferable.

一方、CO/Cの上限については、反応ガスの昇温コストと生成ガスの組成の観点で制限される。一般に、二酸化炭素濃度が高いほど、炭素析出が生じにくくなり、反応が安定しやすくなる。しかし、二酸化炭素を導入することによって被処理ガス全体の量が増え、反応温度まで昇温するためのコストが高くなるという課題が生じる。また、二酸化炭素の濃度が高くなると未反応の二酸化炭素が増加する。この未反応の二酸化炭素は、ドライ改質反応後に二酸化炭素ガスとして改質反応にて得られた生成ガス中に留まる。二酸化炭素は水蒸気よりも生成ガス中から除去することが難しいため、生成ガスの純度の観点から、過剰に未反応の二酸化炭素が残留する条件でドライ改質反応を行うことは好ましくない。 On the other hand, the upper limit of CO 2 / C is limited from the viewpoint of the temperature rise cost of the reaction gas and the composition of the product gas. In general, as the carbon dioxide concentration is higher, carbon deposition is less likely to occur, and the reaction becomes more stable. However, the introduction of carbon dioxide increases the total amount of the gas to be treated, causing a problem that the cost for raising the temperature to the reaction temperature increases. Further, as the concentration of carbon dioxide increases, unreacted carbon dioxide increases. This unreacted carbon dioxide remains in the product gas obtained by the reforming reaction as carbon dioxide gas after the dry reforming reaction. Since carbon dioxide is more difficult to remove from the product gas than water vapor, it is not preferable to perform the dry reforming reaction under the condition that excessive unreacted carbon dioxide remains from the viewpoint of the purity of the product gas.

以上より、本実施形態に係る水素の製造方法において、被処理ガスのCO/Cは、3.0以下とすることが好ましい。また、炭素析出が生じない条件においては、ドライ改質反応は、水蒸気改質反応よりもより高い反応速度を示すことが確認されている。したがって、炭素析出が生じにくい軽質の炭化水素、例えば、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン、エテン、プロペン、ブテン、ペンテン、ヘキセン、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、およびこれらの構造異性体など、を改質する場合には、水蒸気濃度よりも二酸化炭素濃度を高く設定し、ドライ改質反応が優先して進行するようにすることで、より効率的な水素製造が可能となる。なお、二酸化炭素の総量は、もともと原料ガス(例えばコークス炉ガスやバイオガス)に含まれている二酸化炭素と、反応に際して外部から供給された二酸化炭素の和として算出される。したがって、二酸化炭素の供給源は重要でなく、触媒層での反応に供される時点での被処理ガスに含まれる二酸化炭素量が重要となる。 From the above, in the method for producing hydrogen according to the present embodiment, the CO 2 / C of the gas to be processed is preferably set to 3.0 or less. Further, it has been confirmed that the dry reforming reaction exhibits a higher reaction rate than the steam reforming reaction under conditions where no carbon deposition occurs. Thus, light hydrocarbons that are less susceptible to carbon precipitation, such as methane, ethane, propane, butane, pentane, hexane, ethene, propene, butene, pentene, hexene, methanol, ethanol, propanol, butanol, pentanol, hexanol, and When reforming these structural isomers, etc., by setting the carbon dioxide concentration higher than the water vapor concentration and allowing the dry reforming reaction to preferentially proceed, more efficient hydrogen production can be achieved. It becomes possible. The total amount of carbon dioxide is calculated as the sum of carbon dioxide originally contained in the raw material gas (for example, coke oven gas or biogas) and carbon dioxide supplied from the outside during the reaction. Therefore, the supply source of carbon dioxide is not important, and the amount of carbon dioxide contained in the gas to be treated at the time of being subjected to the reaction in the catalyst layer is important.

<被処理ガスの具体例について>
本実施形態に係る水素の製造方法を適用可能な被処理ガスとしては、例えば、天然ガス、コークス炉ガス、バイオガス、バイオマスガス化ガスなどが挙げられる。精製前のコークス炉ガスは、高濃度の硫化水素を含み、かつ、多量のタールを含むため、本実施形態に係る水素の製造方法の適用例として好適である。嫌気的なメタン発酵により発生するバイオガスでは、酸素源として二酸化炭素も含まれており、ガス中の二酸化炭素を活用することで、より一層水素製造効率が高まる。また、バイオマスのガス化によって発生するバイオマスガス化ガスは、水蒸気と二酸化炭素を双方含み、更には高温で排出されるため、本実施形態に係る水素の製造方法の適用例として好適である。これらの被処理ガスには、水蒸気と二酸化炭素が、いずれも少なくとも少量は含まれている。また、仮に水蒸気と二酸化炭素とのいずれか一方のみを含む被処理ガスを、本発明の水素製造方法に適用した場合においても、水蒸気改質反応とドライ改質反応と水性ガスシフト反応の進行とにより、水蒸気と二酸化炭素の双方が含まれるガスが触媒層出口から生成されることとなる。したがって、水蒸気と二酸化炭素とのいずれか一方のみを含む被処理ガスを利用した場合も、水蒸気と二酸化炭素の双方を当初より含むガスを被処理ガスとして利用した場合も、触媒層内部では水蒸気改質反応とドライ改質反応との双方が進行することとなる。
<Specific examples of gas to be treated>
Examples of the target gas to which the method for producing hydrogen according to the present embodiment can be applied include natural gas, coke oven gas, biogas, and biomass gasification gas. The coke oven gas before purification contains a high concentration of hydrogen sulfide and contains a large amount of tar, which is suitable as an application example of the method for producing hydrogen according to this embodiment. Biogas generated by anaerobic methane fermentation also contains carbon dioxide as an oxygen source, and hydrogen production efficiency is further increased by utilizing carbon dioxide in the gas. Moreover, since the biomass gasification gas generated by gasification of biomass contains both water vapor and carbon dioxide and is discharged at a high temperature, it is suitable as an application example of the method for producing hydrogen according to the present embodiment. These gases to be treated contain at least a small amount of water vapor and carbon dioxide. Further, even when a gas to be treated containing only one of water vapor and carbon dioxide is applied to the hydrogen production method of the present invention, due to the progress of the water vapor reforming reaction, the dry reforming reaction, and the water gas shift reaction. Then, a gas containing both water vapor and carbon dioxide is generated from the catalyst layer outlet. Therefore, even when a gas to be treated containing only one of water vapor and carbon dioxide is used, or when a gas containing both water vapor and carbon dioxide from the beginning is used as the gas to be treated, water vapor reforming is performed inside the catalyst layer. Both the quality reaction and the dry reforming reaction will proceed.

(酸化セリウム触媒を用いた水素の製造方法について)
続いて、以上説明したような酸化セリウム触媒を用いた水素の製造方法について、説明する。
本実施形態に係る水素の製造方法は、以上説明したような酸化セリウム触媒に対して、上記のような被処理ガスを接触させて、被処理ガス中の炭化水素を水蒸気改質またはドライ改質の少なくとも一方で改質して水素を製造する方法である。
(About hydrogen production method using cerium oxide catalyst)
Subsequently, a method for producing hydrogen using the cerium oxide catalyst as described above will be described.
In the method for producing hydrogen according to the present embodiment, the gas to be treated is brought into contact with the cerium oxide catalyst as described above, and the hydrocarbon in the gas to be treated is subjected to steam reforming or dry reforming. The method of producing hydrogen by reforming at least one of the above.

ここで、本実施形態に係る水素の製造方法における反応温度は、反応効率と、昇温コストと、によって制約を受ける。炭化水素の水蒸気改質反応及びドライ改質反応は、双方ともに吸熱反応であり、反応温度が高くなければ十分な反応速度が得られない。一方で、反応温度が高すぎると、反応ガスを昇温するのに必要なエネルギーコストが上昇してしまう。以上より、本実施形態に係る水素の製造方法において、反応温度は、650℃以上1000℃以下であることが好ましく、700℃以上950℃以下であることがより好ましく、700℃以上900℃以下であることが一層好ましい。   Here, the reaction temperature in the method for producing hydrogen according to the present embodiment is restricted by the reaction efficiency and the temperature raising cost. Both the steam reforming reaction and the dry reforming reaction of hydrocarbons are endothermic reactions, and a sufficient reaction rate cannot be obtained unless the reaction temperature is high. On the other hand, if the reaction temperature is too high, the energy cost required to raise the temperature of the reaction gas will increase. From the above, in the method for producing hydrogen according to this embodiment, the reaction temperature is preferably 650 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower, more preferably 700 ° C. or higher and 950 ° C. or lower, and 700 ° C. or higher and 900 ° C. or lower. More preferably it is.

なお、酸化セリウム触媒と被処理ガスとの反応温度を上記のような温度範囲まで昇温する際の加熱手段については、特に限定されるものではなく、公知の加熱手段を利用することが可能である。   The heating means for raising the reaction temperature between the cerium oxide catalyst and the gas to be treated to the above temperature range is not particularly limited, and a known heating means can be used. is there.

以上説明したように、本実施形態に係る水素の製造方法は、硫化水素存在下での触媒活性に着眼してなされたものであり、高濃度の硫化水素を含む被処理ガスを用いる、水蒸気改質反応またはドライ改質反応に対して適用することが可能である。本実施形態に係る水素の製造方法の特徴は、(1)水蒸気改質触媒またはドライ改質触媒として、酸化セリウムを主体とする触媒を利用すること、及び、(2)水蒸気改質反応では被処理ガスとして、高濃度の硫化水素と、炭化水素と、水蒸気と、を含むガスを利用し、ドライ改質反応では、高濃度の硫化水素と、炭化水素と、二酸化炭素と、を含むガスを利用すること、である。本実施形態に係る水素の製造方法は、特に、硫化水素濃度500ppm以上の領域において、酸化セリウムを主体とする触媒が、従来予想されえなかった高い触媒活性と、高い安定性と、を実現可能であることを示したものである。具体的には、従来、メタン改質反応において、硫化水素濃度500ppm以上の領域では触媒活性が徐々に低下するとされていたのに対し(例えば、上記非特許文献1を参照。)、本実施形態に係る水素の製造方法においては、適切な酸化セリウム触媒を選択することで、硫化水素濃度500ppm以上の領域においても、触媒活性低下を回避可能であるとともに、触媒の結晶構造変化をも回避しうるものである。   As described above, the method for producing hydrogen according to the present embodiment has been made with a focus on the catalytic activity in the presence of hydrogen sulfide, and is a steam reformer that uses a gas to be treated containing a high concentration of hydrogen sulfide. It can be applied to quality reaction or dry reforming reaction. The hydrogen production method according to this embodiment is characterized by (1) using a catalyst mainly composed of cerium oxide as the steam reforming catalyst or dry reforming catalyst; and (2) A gas containing high-concentration hydrogen sulfide, hydrocarbons, and water vapor is used as a processing gas, and a gas containing high-concentration hydrogen sulfide, hydrocarbons, and carbon dioxide is used in the dry reforming reaction. To use. The method for producing hydrogen according to the present embodiment can realize a high catalytic activity and high stability, which have not been predicted in the past, with a catalyst mainly composed of cerium oxide, particularly in a region where the hydrogen sulfide concentration is 500 ppm or more. It is shown that. Specifically, conventionally, in the methane reforming reaction, the catalytic activity has been gradually decreased in the region where the hydrogen sulfide concentration is 500 ppm or more (see, for example, Non-Patent Document 1 above). In the method for producing hydrogen according to the present invention, by selecting an appropriate cerium oxide catalyst, it is possible to avoid a decrease in catalyst activity even in a region where the hydrogen sulfide concentration is 500 ppm or more, and to avoid a change in the crystal structure of the catalyst. Is.

以下では、実験例を示しながら本発明に係る水素の製造方法を具体的に説明する。しかしながら、本発明に係る水素の製造方法は、下記に示す実験例により、何ら限定されるものではない。   Hereinafter, the method for producing hydrogen according to the present invention will be specifically described with reference to experimental examples. However, the method for producing hydrogen according to the present invention is not limited in any way by the following experimental examples.

(各種触媒の生成)
以下に示す手順により、実験例で使用する各種触媒を生成した。
(Generation of various catalysts)
Various catalysts used in the experimental examples were produced by the following procedure.

<触媒A:ニッケル系触媒>
共沈法により、ニッケル担持触媒を作成した。
より詳細には、2000mlのビーカーに1000mlの純水、1000mlのビーカーに500mlの純水をそれぞれ入れ、マグネチックスターラーで攪拌しながら、60℃に昇温した。硝酸ニッケル・6水和物(関東化学、純度>98.0%)13.30gと、硝酸マグネシウム・6水和物(和光純薬、純度>99.0%)105.51gと、を秤取り、60℃に維持した純水1000mlに溶解させた。また、炭酸カリウム(関東化学、純度>99.5%)を63.19g秤取り、60℃に維持された500mlの純水に溶解した。硝酸塩を溶解した1000mlの溶液を、温度計で溶液の温度を測定しながら、メカニカルスターラーで攪拌した。メカニカルスターラーでの攪拌を継続しながら、500mlの炭酸カリウム水溶液を、1000mlの硝酸塩水溶液に入れ、温度を60℃に保持したまま1時間攪拌を行った。攪拌後、得られたゾルを、吸引濾過して沈殿物を分取した。得られた沈殿物を、80℃に熱した500mlの純水で洗浄し、再度吸引濾過することを4回繰り返し、カリウムを除去した。洗浄の終わった沈殿物を、500mlの純水に入れ、ペースト状となるまで練り、メカニカルスターラーで攪拌しながら、アルミナゾル(日産化学工業製、アルミナゾル520)を95.24g投入し、更に30分間攪拌を行った。全体が均一になったことを目視確認した後、一晩静置し、熟成させた。再度撹拌した後に、ロータリーエバポレーターに移し、水分を除去し、得られた固形物を乾燥機内にて120℃で更に20時間乾燥させた。乾燥機から固形物を取り出し、メノウ乳鉢で粉砕した。得られた粉末を、アルミナるつぼに移し、電気炉中で950℃にて20時間焼成処理を行った。冷却後、得られた触媒を触媒Aとした。
<Catalyst A: Nickel-based catalyst>
A nickel-supported catalyst was prepared by a coprecipitation method.
More specifically, 1000 ml of pure water was put into a 2000 ml beaker and 500 ml of pure water was put into a 1000 ml beaker, and the temperature was raised to 60 ° C. while stirring with a magnetic stirrer. Weigh 13.30 g of nickel nitrate hexahydrate (Kanto Chemical, purity> 98.0%) and 105.51 g of magnesium nitrate hexahydrate (Wako Pure Chemical, purity> 99.0%). And dissolved in 1000 ml of pure water maintained at 60 ° C. In addition, 63.19 g of potassium carbonate (Kanto Chemical, purity> 99.5%) was weighed and dissolved in 500 ml of pure water maintained at 60 ° C. A 1000 ml solution in which nitrate was dissolved was stirred with a mechanical stirrer while measuring the temperature of the solution with a thermometer. While stirring with a mechanical stirrer, 500 ml of potassium carbonate aqueous solution was put into 1000 ml of nitrate aqueous solution, and stirred for 1 hour while maintaining the temperature at 60 ° C. After stirring, the resulting sol was filtered with suction to collect a precipitate. The obtained precipitate was washed with 500 ml of pure water heated to 80 ° C. and suction filtered again four times to remove potassium. The washed precipitate is put into 500 ml of pure water, kneaded until it becomes a paste, and 95.24 g of alumina sol (Nissan Chemical Industries, Alumina Sol 520) is added while stirring with a mechanical stirrer, and further stirred for 30 minutes. Went. After visually confirming that the whole was uniform, it was allowed to stand overnight and aged. After stirring again, it moved to the rotary evaporator, the water | moisture content was removed, and the obtained solid substance was further dried at 120 degreeC in the dryer for 20 hours. The solid matter was taken out from the dryer and pulverized in an agate mortar. The obtained powder was transferred to an alumina crucible and fired at 950 ° C. for 20 hours in an electric furnace. After cooling, the resulting catalyst was designated as Catalyst A.

触媒Aは、質量比で50%のアルミナを含み、残部の50質量%は、酸化マグネシウムと酸化ニッケルとを、金属元素のモル比で9:1で含むものである。   The catalyst A contains 50% alumina by mass, and the remaining 50% by mass contains magnesium oxide and nickel oxide in a molar ratio of metal elements of 9: 1.

<触媒B:ニッケル系触媒>
触媒Aと同様にして、共沈法により、ニッケル担持触媒を作成した。
ただし、前駆体試薬として、硝酸ニッケル・6水和物(関東化学、純度>98.0%)13.30gと、硝酸セリウム(III)・6水和物(関東化学、純度>99.5%)19.85gと、硝酸マグネシウム・6水和物(和光純薬、純度>99.0%)93.79gと、を利用した。また、秤量する炭酸カリウム(関東化学、純度>99.5%)を69.51gとした。そして、アルミナゾル(日産化学工業製、アルミナゾル520)101.26gを沈殿物に加えた。焼成後に冷却し、得られた触媒を触媒Bとした。
<Catalyst B: Nickel-based catalyst>
Similarly to the catalyst A, a nickel-supported catalyst was prepared by a coprecipitation method.
However, as precursor reagents, nickel nitrate hexahydrate (Kanto Chemical, purity> 98.0%) 13.30 g and cerium nitrate (III) hexahydrate (Kanto Chemical, purity> 99.5%) ) 19.85 g and 93.79 g of magnesium nitrate hexahydrate (Wako Pure Chemical, purity> 99.0%). In addition, 69.51 g of potassium carbonate to be weighed (Kanto Chemical, purity> 99.5%) was used. Then 101.26 g of alumina sol (manufactured by Nissan Chemical Industries, alumina sol 520) was added to the precipitate. It cooled after baking and the obtained catalyst was set to the catalyst B.

触媒Bは、質量比で50%のアルミナを含み、残部の50質量%は、酸化マグネシウムと酸化ニッケルと酸化セリウムとを、金属元素のモル比で8:1:1で含むものである。   Catalyst B contains 50% by mass of alumina, and the remaining 50% by mass contains magnesium oxide, nickel oxide, and cerium oxide in a molar ratio of metal elements of 8: 1: 1.

<触媒C:酸化セリウム+酸化アルミニウム>
酸化セリウム担体(触媒学会参照触媒:CEO−2)を3.4010gと、アルミナ(触媒学会参照触媒:ALO−8)1.0056gと、を秤取り、純水中に分散させた。得られた懸濁液を20cmの純水に分散させ、超音波洗浄機を用いて30分間混合を行った。懸濁液の水分を蒸発乾固させ、得られた固形物をメノウで粉砕し、マッフル炉中で800℃にて5時間焼成処理を行った。冷却後、得られた試料を触媒Cとした。
<Catalyst C: Cerium oxide + Aluminum oxide>
A cerium oxide support (Catalyst Society Reference Catalyst: CEO-2) 3.4010 g and alumina (Catalyst Society Reference Catalyst: ALO-8) 1.0056 g were weighed and dispersed in pure water. The obtained suspension was dispersed in 20 cm 3 of pure water, and mixed for 30 minutes using an ultrasonic cleaner. The water in the suspension was evaporated to dryness, and the resulting solid was pulverized with agate and fired at 800 ° C. for 5 hours in a muffle furnace. After cooling, the obtained sample was designated as Catalyst C.

触媒Cは、アルミニウムとセリウムとを、金属イオンのモル比で1:1で含むものである。また、触媒Cは、酸化アルミニウム及び酸化セリウム換算での質量比では、22.9%の酸化アルミニウムと、77.1%の酸化セリウムと、を含む。これは、TREOを77.1%含むことに対応する。   The catalyst C contains aluminum and cerium at a metal ion molar ratio of 1: 1. Moreover, the catalyst C contains 22.9% of aluminum oxide and 77.1% of cerium oxide in terms of mass ratio in terms of aluminum oxide and cerium oxide. This corresponds to containing 77.1% TREO.

<触媒D:酸化セリウム+酸化カルシウム>
クエン酸法により、触媒を調製した。
より詳細には、硝酸セリウム(III)・6水和物(関東化学、純度>99.5%)3.8055gと、硝酸カルシウム・4水和物(関東化学、純度>98.5%)2.0722gと、を秤取り、純水50mlに溶解させた。得られた溶液に、クエン酸・1水和物(和光純薬、純度>99.5%)6.7320gを更に溶解させ、マグネチックスターラーで15分間攪拌した。溶液が透明となり、溶け残りがないことを確認したうえで、アンモニア水(和光純薬、濃度28質量%)を滴下し、pH7.0とした。溶液を更に1時間攪拌し、得られた溶液をロータリーエバポレーターにかけ、溶液の容積を減らしたうえで、アルミナるつぼへと移した。ホットプレートの上で100℃に加熱し、更に2時間かけて水分を蒸発させ、乾固させた。得られた固形物を、メノウ乳鉢上で潰し、粉状としたうえで、アルミナるつぼに戻した。試料を、アルミナるつぼごと電気炉に入れ、空気雰囲気下で焼成処理を行った。室温から30分かけて110℃まで昇温させた上で5時間乾燥させ、3時間かけて800℃まで昇温し、800℃にて5時間焼成処理を行った。その後、室温まで冷却し、触媒Dを得た。
<Catalyst D: Cerium oxide + Calcium oxide>
A catalyst was prepared by the citric acid method.
More specifically, cerium (III) nitrate hexahydrate (Kanto Chemical, purity> 99.5%) 3.8055 g, calcium nitrate tetrahydrate (Kanto Chemical, purity> 98.5%) 2 0.0722 g was weighed and dissolved in 50 ml of pure water. In the resulting solution, 6.7320 g of citric acid monohydrate (Wako Pure Chemical Industries, Ltd., purity> 99.5%) was further dissolved and stirred for 15 minutes with a magnetic stirrer. After confirming that the solution became transparent and had no undissolved residue, aqueous ammonia (Wako Pure Chemical Industries, Ltd., concentration 28% by mass) was added dropwise to adjust the pH to 7.0. The solution was stirred for an additional hour and the resulting solution was run on a rotary evaporator to reduce the volume of the solution and then transferred to an alumina crucible. It was heated to 100 ° C. on a hot plate, and the water was evaporated and dried to solidify over another 2 hours. The obtained solid was crushed on an agate mortar and powdered, and then returned to the alumina crucible. The sample was placed in an electric furnace together with an alumina crucible and fired in an air atmosphere. The temperature was raised from room temperature to 110 ° C. over 30 minutes, dried for 5 hours, heated to 800 ° C. over 3 hours, and calcined at 800 ° C. for 5 hours. Then, it cooled to room temperature and obtained the catalyst D.

触媒Dは、酸化カルシウムと酸化セリウムとを、金属イオンのモル比で1:1で含むものである。また、触媒Dは、酸化カルシウム及び酸化セリウム換算での質量比では、24.6%の酸化カルシウムと75.4%の酸化セリウムとを含む。これは、TREOを75.4%含むことに対応する。   The catalyst D contains calcium oxide and cerium oxide at a metal ion molar ratio of 1: 1. Catalyst D contains 24.6% calcium oxide and 75.4% cerium oxide in terms of mass ratio in terms of calcium oxide and cerium oxide. This corresponds to containing 75.4% TREO.

<触媒E:酸化セリウム+酸化鉄>
触媒Dと同様にして、クエン酸法により、触媒を調製した。
ただし、試薬として、硝酸セリウム(III)・6水和物(関東化学、純度>99.5%)2.3332gと、硝酸鉄(III)・9水和物(関東化学、純度>99.0%)0.3829gと、クエン酸1水和物2.5805gとを秤取り、純粋に溶解させた。焼成処理後、得られた触媒を、触媒Eとした。
<Catalyst E: Cerium oxide + Iron oxide>
In the same manner as Catalyst D, a catalyst was prepared by the citric acid method.
However, as a reagent, cerium (III) nitrate hexahydrate (Kanto Chemical, purity> 99.5%) 2.3332 g and iron (III) nitrate nonahydrate (Kanto Chemical, purity> 99.0) %) 0.3829 g and citric acid monohydrate 2.5805 g were weighed and dissolved purely. After the calcination treatment, the obtained catalyst was named Catalyst E.

触媒Eは、酸化鉄と酸化セリウムを、金属イオンのモル比で、およそ1.5:8.5で含むものである。また、触媒Eは、酸化鉄(III)及び酸化セリウム換算の質量比では、7.6%の酸化鉄と92.4%の酸化セリウムと、を含む。これは、TREOを92.4%含むことに対応する。触媒EのXRD測定を行うと、微弱な酸化鉄(III)のピークが観測された。   The catalyst E contains iron oxide and cerium oxide at a metal ion molar ratio of approximately 1.5: 8.5. Catalyst E contains 7.6% iron oxide and 92.4% cerium oxide in terms of mass ratio in terms of iron (III) oxide and cerium oxide. This corresponds to containing 92.4% TREO. When XRD measurement of catalyst E was performed, a weak iron (III) oxide peak was observed.

<触媒F:酸化セリウム+酸化バリウム>
触媒Dと同様にして、クエン酸法により、触媒を調製した。
ただし、試薬として、硝酸セリウム(III)・6水和物(関東化学、純度>99.5%)2.6657gと、硝酸バリウム(II)(関東化学、純度>99.0%)1.6060gと、クエン酸1水和物4.7231gと、を秤取り、純粋に溶解させた。焼成処理後、得られた触媒を、触媒Fとした。
<Catalyst F: Cerium oxide + Barium oxide>
In the same manner as Catalyst D, a catalyst was prepared by the citric acid method.
However, as a reagent, cerium (III) nitrate hexahydrate (Kanto Chemical, purity> 99.5%) 2.6657 g and barium nitrate (II) (Kanto Chemical, purity> 99.0%) 1.6060 g And 4.7231 g of citric acid monohydrate were weighed and dissolved purely. The catalyst obtained after the calcination treatment was designated as catalyst F.

触媒Fは、酸化バリウムと酸化セリウムを、金属イオンのモル比で、1:1で含むものである。また、触媒Fは、酸化バリウム及び酸化セリウム換算の質量比では、47.1%の酸化バリウムと52.9%の酸化セリウムと、を含む。これは、TREOを52.9%含むことに対応する。   The catalyst F contains barium oxide and cerium oxide at a metal ion molar ratio of 1: 1. Further, the catalyst F contains 47.1% barium oxide and 52.9% cerium oxide in a mass ratio in terms of barium oxide and cerium oxide. This corresponds to containing 52.9% of TREO.

<触媒1〜3:酸化セリウム触媒>
3種類の酸化セリウム担体(触媒学会参照触媒:CEO−2、CEO−3、CEO−4)をそれぞれ10g秤取り、電気炉で空気雰囲気下900℃で5時間焼成を行った。室温まで冷却し、触媒1〜3を得た。いずれも以下の表1に記載の通り、酸化物換算の質量比で99%超の酸化セリウムを含む。これは、TREOを99%超含むことに対応する。
<Catalysts 1-3: Cerium oxide catalyst>
10 g of each of three types of cerium oxide supports (Catalyst Society Reference Catalyst: CEO-2, CEO-3, CEO-4) were weighed and calcined in an electric furnace at 900 ° C. for 5 hours. It cooled to room temperature and obtained catalysts 1-3. As shown in Table 1 below, all contain cerium oxide in excess of 99% by mass ratio in terms of oxide. This corresponds to containing more than 99% of TREO.

<触媒4:酸化セリウム触媒>
酸化セリウム担体(触媒学会参照触媒:CEO−2)を10g秤取り、電気炉で空気雰囲気下800℃で5時間焼成を行った。室温まで冷却し、触媒4を得た。触媒4は、表1に記載の通り、酸化物換算の質量比で99%超の酸化セリウムを含む。これは、TREOを99%超含むことに対応する。
<Catalyst 4: Cerium oxide catalyst>
10 g of a cerium oxide support (Catalyst Society Reference Catalyst: CEO-2) was weighed and calcined in an electric furnace at 800 ° C. for 5 hours in an air atmosphere. Cooling to room temperature gave catalyst 4. As shown in Table 1, the catalyst 4 contains more than 99% of cerium oxide by mass ratio in terms of oxide. This corresponds to containing more than 99% of TREO.

<触媒5:酸化セリウム触媒(クエン酸法)>
触媒Dと同様にして、クエン酸法により、触媒を調製した。
ただし、硝酸セリウム(III)・6水和物(関東化学、純度>99.5%)を5.0452g秤取り、純水50mlに溶解させ、得られた溶液に、クエン酸・1水和物(和光純薬、純度>99.5%)4.4655gを更に溶解させた。焼成処理後、触媒5を得た。触媒5は、表1に記載の通り、酸化物換算の質量比で99%超(表1には100%と記載)の酸化セリウムを含む。これは、TREOを99%超含むことに対応する。
<Catalyst 5: Cerium oxide catalyst (citric acid method)>
In the same manner as Catalyst D, a catalyst was prepared by the citric acid method.
However, 5.0452 g of cerium (III) nitrate hexahydrate (Kanto Chemical, purity> 99.5%) was weighed and dissolved in 50 ml of pure water, and citric acid monohydrate was added to the resulting solution. 4.4655 g (Wako Pure Chemical, purity> 99.5%) was further dissolved. After the calcination treatment, catalyst 5 was obtained. As shown in Table 1, the catalyst 5 contains cerium oxide in excess of 99% (described as 100% in Table 1) in terms of mass ratio in terms of oxide. This corresponds to containing more than 99% of TREO.

<触媒6:酸化セリウム触媒(共沈法)>
共沈法により、触媒を調製した。
より詳細には、硝酸セリウム(III)・6水和物(関東化学、純度>99.5%)を7.5665g秤取り、純水17.4mlに溶解させた。得られた溶液に、過酸化水素水(和光純薬、特級試薬、濃度30〜35.5質量%)を1.0ml滴下した。全体が均一になるまで攪拌したうえで、アンモニア水(和光純薬、濃度28質量%)を滴下し、pH8.0とした。1時間攪拌し、30分間静置した。得られた沈殿を、メンブレンフィルターを用いて吸引濾過し、純水で洗浄した。得られた沈殿をホットプレート上で100℃にて乾燥させたうえで、触媒5と同様の手順で電気炉にて焼成処理を行い、触媒6を得た。触媒6は、表1に記載の通り、酸化物換算の質量比で99%超(表1には100%と記載)の酸化セリウムを含む。これは、TREOを99%超含むことに対応する。
<Catalyst 6: Cerium oxide catalyst (coprecipitation method)>
A catalyst was prepared by a coprecipitation method.
More specifically, 7.5665 g of cerium (III) nitrate hexahydrate (Kanto Chemical, purity> 99.5%) was weighed and dissolved in 17.4 ml of pure water. To the resulting solution, 1.0 ml of hydrogen peroxide solution (Wako Pure Chemicals, special grade reagent, concentration 30 to 35.5% by mass) was dropped. After stirring until the whole became uniform, aqueous ammonia (Wako Pure Chemicals, concentration 28 mass%) was added dropwise to adjust the pH to 8.0. Stir for 1 hour and let stand for 30 minutes. The resulting precipitate was suction filtered using a membrane filter and washed with pure water. The obtained precipitate was dried on a hot plate at 100 ° C., and then subjected to calcination treatment in an electric furnace in the same procedure as for catalyst 5, whereby catalyst 6 was obtained. As shown in Table 1, the catalyst 6 contains cerium oxide in excess of 99% (described as 100% in Table 1) in terms of mass ratio in terms of oxide. This corresponds to containing more than 99% of TREO.

<触媒7:ランタン−セリウム触媒(クエン酸法)>
触媒Dと同様にして、クエン酸法により、触媒を調製した。
ただし、前駆体として、硝酸セリウム(III)・6水和物(関東化学、純度>99.5%)6.8484gと、硝酸ランタン(III)・6水和物(関東化学、純度>99.0%)0.7584gと、を秤取り、純水50mlに溶解させ、得られた溶液に、クエン酸・1水和物(和光純薬、純度>99.5%)6.7314gを更に溶解させた。焼成処理後、触媒7を得た。触媒7は、金属イオンのモル比で、ランタンとセリウムを1:9の比率で含むものである。また、触媒7は、酸化ランタン(III)及び酸化セリウム(IV)換算の質量比で、9.4%の酸化ランタンと90.6%の酸化セリウムを含む。これは、TREOを99%超含むことに対応する。
<Catalyst 7: Lanthanum-cerium catalyst (citric acid method)>
In the same manner as Catalyst D, a catalyst was prepared by the citric acid method.
However, as precursors, cerium (III) nitrate hexahydrate (Kanto Chemical, purity> 99.5%) 6.8484 g and lanthanum nitrate (III) hexahydrate (Kanto Chemical, purity> 99. 0%) and 0.7584 g were dissolved in 50 ml of pure water, and 6.7314 g of citric acid monohydrate (Wako Pure Chemical Industries, Ltd., purity> 99.5%) was further dissolved in the resulting solution. I let you. After the calcination treatment, catalyst 7 was obtained. The catalyst 7 contains lanthanum and cerium in a molar ratio of metal ions at a ratio of 1: 9. Further, the catalyst 7 contains 9.4% lanthanum oxide and 90.6% cerium oxide in a mass ratio in terms of lanthanum oxide (III) and cerium (IV) oxide. This corresponds to containing more than 99% of TREO.

<触媒8:ランタン−セリウム触媒(クエン酸法)>
触媒Dと同様にして、クエン酸法により、触媒を調製した。
ただし、前駆体として、硝酸セリウム(III)・6水和物(関東化学、純度>99.5%)1.2966gと、硝酸ランタン(III)・6水和物(関東化学、純度>99.0%)1.2933gと、を秤取り、純水50mlに溶解させ、得られた溶液に、クエン酸・1水和物(和光純薬、純度>99.5%)2.5088gを更に溶解させた。焼成処理後、触媒8を得た。触媒8は、金属イオンのモル比で、ランタンとセリウムを5:5の比率で含むものである。また、触媒8は、酸化ランタン(III)及び酸化セリウム(IV)換算の質量比で、51.4%の酸化ランタンと48.6%の酸化セリウムを含む。これは、TREOを99%超含むことに対応する。
<Catalyst 8: Lanthanum-cerium catalyst (citric acid method)>
In the same manner as Catalyst D, a catalyst was prepared by the citric acid method.
However, as precursors, cerium (III) nitrate hexahydrate (Kanto Chemical, purity> 99.5%) 1.2966 g and lanthanum nitrate (III) hexahydrate (Kanto Chemical, purity> 99. 09.3) 1.2933 g, dissolved in 50 ml of pure water, and further dissolved 2.5088 g of citric acid monohydrate (Wako Pure Chemicals, purity> 99.5%) in the resulting solution. I let you. After the calcination treatment, catalyst 8 was obtained. The catalyst 8 contains lanthanum and cerium in a molar ratio of metal ions at a ratio of 5: 5. Further, the catalyst 8 contains 51.4% lanthanum oxide and 48.6% cerium oxide in a mass ratio in terms of lanthanum (III) oxide and cerium (IV) oxide. This corresponds to containing more than 99% of TREO.

<触媒9:酸化セリウム+酸化アルミニウム>
酸化セリウム担体(触媒学会参照触媒:CEO−2)を2.8503gと、アルミナ(触媒学会参照触媒:ALO−8)0.1506gと、を秤取り、純水中に分散させたことを除いて、触媒Cと同様にして、触媒を調製した。得られた試料を、触媒9とした。触媒9は、酸化アルミニウム及び酸化セリウム換算の質量比で、5.0%の酸化アルミニウムと95.0%の酸化セリウムを含む。これは、TREOを95.0%含むことに対応する。
<Catalyst 9: Cerium oxide + Aluminum oxide>
Except that 2.8503 g of cerium oxide support (Catalyst Society reference catalyst: CEO-2) and 0.1506 g of alumina (Catalyst Society reference catalyst: ALO-8) were weighed and dispersed in pure water. A catalyst was prepared in the same manner as Catalyst C. The obtained sample was designated as catalyst 9. The catalyst 9 contains 5.0% aluminum oxide and 95.0% cerium oxide in a mass ratio in terms of aluminum oxide and cerium oxide. This corresponds to containing 95.0% TREO.

<触媒10:酸化セリウム触媒>
酸化セリウム担体(昭和電工製:ショウロックスFL−2)を10g秤取り、電気炉で空気雰囲気下950℃で5時間焼成を行った。室温まで冷却し、触媒10を得た。触媒10は、表1に記載の通り、酸化物換算の質量比で、98.2%の酸化セリウムと、0.972%の酸化ランタンと、を含む。これは、TREOを99%超含むことに対応する。
<Catalyst 10: Cerium oxide catalyst>
10 g of cerium oxide support (Showa Denko: Showrox FL-2) was weighed and baked in an electric furnace at 950 ° C. for 5 hours in an air atmosphere. The catalyst 10 was obtained by cooling to room temperature. As shown in Table 1, the catalyst 10 contains 98.2% cerium oxide and 0.972% lanthanum oxide in mass ratio in terms of oxide. This corresponds to containing more than 99% of TREO.

以上のようにして生成した触媒1〜10のそれぞれについて、以下のようにして、比表面積、組成を測定した。   About each of the catalysts 1-10 produced | generated as mentioned above, the specific surface area and the composition were measured as follows.

[比表面積測定]
液体窒素温度での窒素吸着等温線を用いたBET法にて、触媒1〜10の比表面積測定を行った。測定は、吸着測定装置(日本ベル、BEL−max)を用いて実施した。測定結果を、以下の表1にまとめて示した。
[Specific surface area measurement]
Specific surface areas of the catalysts 1 to 10 were measured by a BET method using a nitrogen adsorption isotherm at a liquid nitrogen temperature. The measurement was carried out using an adsorption measuring device (Nippon Bell, BEL-max). The measurement results are summarized in Table 1 below.

[組成分析]
各触媒の組成比を、以下の表1にあわせて示した。触媒1〜4については、触媒学会参照触媒利用の手引き(第5版)に記載の値を利用し、触媒7、8、9については、用いた試薬の比率を用いて計算した組成比を示した。また、触媒5、6、10については、エネルギー分散型X線蛍光分析装置(リガク製、NEX CG(EDXL 300))を用いて組成分析測定を行った結果を示した。
[Composition analysis]
The composition ratio of each catalyst is shown in Table 1 below. For the catalysts 1 to 4, the values described in the Catalytic Society Reference Catalyst Usage Guide (5th edition) are used, and for the catalysts 7, 8, and 9, the composition ratio calculated using the ratio of the reagents used is shown. It was. Moreover, about the catalysts 5, 6, and 10, the result of having performed a composition analysis measurement using the energy dispersive X-ray fluorescence analyzer (the product made by Rigaku, NEXCG (EDXL 300)) was shown.

Figure 2018135262
Figure 2018135262

上記の表では、試料毎に出典が異なるため、有効次数がそれぞれ異なる。   In the above table, since the sources are different for each sample, the effective orders are different.

(評価)
((1.水蒸気改質))
((1−1.メタン改質反応試験評価))
以上のようにして生成した各触媒を用いて、メタンの水蒸気改質反応試験をそれぞれ実施した。なお、いずれの触媒も、反応前にそれぞれ圧縮成型し、目開きの異なる複数の篩を用いて粒度を揃え、粒径を1.0mm〜2.0mmとしたうえで反応試験に用いた。詳細な実験条件等は、以下の通りである。
(Evaluation)
((1. Steam reforming))
((1-1. Evaluation of methane reforming reaction test))
Using each of the catalysts produced as described above, a steam reforming reaction test of methane was performed. Each catalyst was compression-molded before the reaction, and the particle size was made uniform using a plurality of sieves having different openings, and the particle size was adjusted to 1.0 mm to 2.0 mm. Detailed experimental conditions are as follows.

<比較例1、2:ニッケル系触媒>
成型後の触媒A、触媒Bを、それぞれ0.10g秤取り、石英ガラス製の反応管に充填した。前処理として、水素ガス50cm/分を流通させながら、800℃まで30分で昇温し、30分間還元処理を行った。その後、以下の表2に示す被処理ガスを流通させて、反応を開始した。ただし、被処理ガス中の硫化水素濃度は、反応開始後1時間までは0ppmとし、反応開始後1時間を超えて反応開始後2時間までは500ppmとし、反応開始後2時間を超えて反応開始後3時間までは1000ppmとし、反応開始後3時間を超えて反応開始後4時間までは2000ppmとした。各硫化水素濃度における反応の後半30分のメタン転化率を用いて、活性を評価した。
<Comparative Examples 1 and 2: Nickel-based catalyst>
0.10 g of each of the molded catalyst A and catalyst B was weighed and filled in a reaction tube made of quartz glass. As pretreatment, the temperature was raised to 800 ° C. in 30 minutes while flowing hydrogen gas at 50 cm 3 / min, and reduction treatment was performed for 30 minutes. Thereafter, the gas to be treated shown in Table 2 below was circulated to start the reaction. However, the concentration of hydrogen sulfide in the gas to be treated is 0 ppm until 1 hour after the start of the reaction, 1 ppm after the start of the reaction, 500 ppm until 2 hours after the start of the reaction, and over 2 hours after the start of the reaction. It was set to 1000 ppm until 3 hours later, and 2000 ppm after 3 hours after the start of the reaction and up to 4 hours after the start of the reaction. Activity was evaluated using the methane conversion in the second half of the reaction at each hydrogen sulfide concentration.

被処理ガスの分析には、ガスクロマトグラフ(島津製作所、GC−2014)を用い、15分おきに分析を行った。また、メタン転化率の計算には、以下の式1を用い、反応後ガスの各成分濃度で計算を行った。各硫化水素濃度でのメタン転化率を、以下の表4にまとめて示した。   The gas to be treated was analyzed using a gas chromatograph (Shimadzu Corporation, GC-2014) every 15 minutes. Moreover, the following formula 1 was used for the calculation of the methane conversion rate, and the calculation was performed with the concentration of each component of the gas after reaction. The methane conversion at each hydrogen sulfide concentration is summarized in Table 4 below.

以下、表4中の全ての試料において、炭素数2、炭素数3以上の有機物の生成量は非常に少なかった。また、反応後試料の熱重量分析を行ったが、いずれの試料でも析出炭素の酸化燃焼による重量減少は観測されなかった。かかる結果から、炭素析出量は非常に少ないと考えられ、以下の式1を用いてメタン転化率を評価することは、妥当であると考えられる。   Hereinafter, in all the samples in Table 4, the amount of organic substances having 2 or more carbon atoms and 3 or more carbon atoms was very small. Further, thermogravimetric analysis was performed on the samples after the reaction, but no weight reduction due to oxidative combustion of precipitated carbon was observed in any of the samples. From these results, it is considered that the amount of carbon deposition is very small, and it is considered appropriate to evaluate the methane conversion rate using the following formula 1.

また、本試験では、触媒A、Bともに、硫化水素濃度0ppmにおいても活性が低くなった。これは、同反応ラインで高濃度の硫化水素を用いている都合により、還元前処理を行う際にも、低濃度の硫化水素が混入してしまったことが原因と考えられる。このように、意図的に加えていない程度の、低濃度の硫化水素によっても、ニッケル系触媒は大きな活性低下を示す。   In this test, both the catalysts A and B showed low activity even at a hydrogen sulfide concentration of 0 ppm. This is considered to be caused by the low concentration of hydrogen sulfide mixed in the pretreatment for reduction because of the high concentration of hydrogen sulfide in the reaction line. As described above, even with a low concentration of hydrogen sulfide that is not intentionally added, the nickel-based catalyst shows a large decrease in activity.

触媒Aは、硫化水素濃度が上昇するのにあわせて、触媒活性が低下する傾向がみられた。一方、酸化セリウムを含む触媒Bは、硫化水素濃度が上昇するにつれて、触媒活性が向上する傾向が確認された。   As for the catalyst A, the catalyst activity tended to decrease as the hydrogen sulfide concentration increased. On the other hand, it was confirmed that the catalyst B containing cerium oxide tends to improve the catalytic activity as the hydrogen sulfide concentration increases.

<比較例3〜6:酸化セリウム系触媒>
触媒として、成型後の触媒C〜Fを用いたことと、反応前処理を行わずに窒素を50cm/分で流通させながら昇温させて反応を開始したことと、を除いて、比較例1と同様にして反応を行った。反応試験の結果を、以下の表4に示す。
<Comparative Examples 3 to 6: Cerium oxide catalyst>
Comparative example, except that catalysts C to F after molding were used as the catalyst and the reaction was started by raising the temperature while circulating nitrogen at 50 cm 3 / min without performing pre-reaction treatment. The reaction was carried out in the same manner as in 1. The results of the reaction test are shown in Table 4 below.

いずれの触媒も、酸化セリウム単体の触媒と比較して、低い活性しか得られなかった。また、いずれの触媒も、質量比で50%以上の酸化セリウムを含むにも関わらず、酸化セリウム単体と比較して、半分以下のメタン転化率しか得られなかった。更に、酸化鉄を含む触媒Eは、硫化水素濃度が高くなるにつれて触媒活性が低下する傾向が確認され、酸化バリウムを含む触媒Fでは、反応後試料のXRD測定で、硫酸セリウムの生成が確認された。これらの結果より、酸化セリウムに他の元素が混合することによって、酸化セリウムの触媒活性が低下し、硫化水素への耐性が低下し、更には、反応中に硫酸セリウムが生成しやすくなることが確認された。   All of the catalysts obtained only a low activity as compared with the catalyst of cerium oxide alone. Moreover, although any catalyst contained 50% or more of cerium oxide by mass ratio, only a half or less methane conversion rate was obtained as compared with cerium oxide alone. Furthermore, the catalyst E containing iron oxide has a tendency to decrease in catalytic activity as the hydrogen sulfide concentration increases. In the catalyst F containing barium oxide, the formation of cerium sulfate was confirmed by XRD measurement of the sample after the reaction. It was. From these results, mixing other elements with cerium oxide reduces the catalytic activity of cerium oxide, reduces the resistance to hydrogen sulfide, and further facilitates the formation of cerium sulfate during the reaction. confirmed.

Figure 2018135262
Figure 2018135262

メタン転化率=(CO濃度+CO濃度)/(CO濃度+CO濃度+CH濃度)
・・・(式1)
Methane conversion rate = (CO concentration + CO 2 concentration) / (CO concentration + CO 2 concentration + CH 4 concentration)
... (Formula 1)

<実施例1〜9:酸化セリウム触媒>
触媒として成型後の触媒1〜9を用いたことを除いては、比較例3〜6と同様にして、反応試験を行った。各硫化水素濃度でのメタン転化率を、以下の表4にまとめて示した。触媒1〜9を用いた反応試験を、それぞれ実施例1〜9とした。
<Examples 1 to 9: Cerium oxide catalyst>
A reaction test was performed in the same manner as Comparative Examples 3 to 6 except that the molded catalysts 1 to 9 were used as the catalyst. The methane conversion at each hydrogen sulfide concentration is summarized in Table 4 below. The reaction test using the catalysts 1-9 was made into Examples 1-9, respectively.

実施例1について、反応後に触媒1のXRD測定を行った結果、反応前後で触媒1の結晶構造に変化はなく、他の不純物のピークは検出されなかった。また、触媒9は、質量比で5.0%の酸化アルミニウムを不純物として含むが、酸化セリウムのみで構成される触媒6を超えるメタン転化率が得られた。かかる結果から、不純物の量が質量比で5.0%以下(すなわち、酸化セリウムの純度が95.0%以上)であれば、不純物による影響を小さく抑えることができると考えられる。   As a result of performing XRD measurement of the catalyst 1 after the reaction in Example 1, the crystal structure of the catalyst 1 was not changed before and after the reaction, and no other impurity peak was detected. Moreover, although the catalyst 9 contained 5.0% of aluminum oxide as an impurity by mass ratio, the methane conversion rate exceeding the catalyst 6 comprised only by cerium oxide was obtained. From these results, it is considered that if the amount of impurities is 5.0% or less by mass ratio (that is, the purity of cerium oxide is 95.0% or more), the influence of impurities can be reduced.

<実施例10:酸化セリウム触媒>
触媒として成型後の触媒1を用い、反応温度を900℃としたことを除いては、比較例3〜6と同様にして、反応試験を行った。各硫化水素濃度でのメタン転化率を、以下の表4にまとめて示した。また、反応前後における触媒1のXRD測定結果を、図1に示した。
<Example 10: Cerium oxide catalyst>
A reaction test was performed in the same manner as Comparative Examples 3 to 6 except that the molded catalyst 1 was used as the catalyst and the reaction temperature was 900 ° C. The methane conversion at each hydrogen sulfide concentration is summarized in Table 4 below. Moreover, the XRD measurement result of the catalyst 1 before and after the reaction is shown in FIG.

図1から明らかなように、反応前後で結晶構造に変化は見られず、また、硫酸セリウムなどの不純物の生成も確認されなかった。反応中は、水蒸気導入量が不可避的に変動しており、反応試験中の少なくとも短時間は、硫化水素濃度が2000ppm超となっていたと考えられる。しかしながら、そうした条件においても、不純物が生成しないことが確かめられた。   As is clear from FIG. 1, no change was observed in the crystal structure before and after the reaction, and the formation of impurities such as cerium sulfate was not confirmed. During the reaction, the amount of water vapor introduced inevitably fluctuated, and it is considered that the hydrogen sulfide concentration exceeded 2000 ppm for at least a short time during the reaction test. However, it was confirmed that no impurity was generated even under such conditions.

<実施例11、12:酸化セリウム触媒>
触媒として成型後の触媒1と触媒10をそれぞれ用い、反応温度を950℃としたことを除いては、比較例3〜6と同様にして、反応試験を行った。各硫化水素濃度でのメタン転化率を、以下の表4にまとめて示した。いずれの結果においても、実施例1〜9と比較して、高いメタン転化率が得られたことが確認された。触媒1を用いた試験を実施例11とし、触媒10を用いた試験を実施例12とした。
<Examples 11 and 12: Cerium oxide catalyst>
Reaction tests were conducted in the same manner as in Comparative Examples 3 to 6 except that the molded catalyst 1 and catalyst 10 were used as the catalysts, respectively, and the reaction temperature was 950 ° C. The methane conversion at each hydrogen sulfide concentration is summarized in Table 4 below. In any result, it was confirmed that a high methane conversion rate was obtained as compared with Examples 1-9. The test using the catalyst 1 was taken as Example 11, and the test using the catalyst 10 was taken as Example 12.

実施例11については、更に反応時間を延長し、硫化水素濃度2000ppmで4時間反応を行ったが、その間の触媒活性低下は軽微であり、反応終了時のメタン転化率は、24.7%であった。   For Example 11, the reaction time was further extended and the reaction was carried out at a hydrogen sulfide concentration of 2000 ppm for 4 hours, but the decrease in catalyst activity during the reaction was slight, and the methane conversion rate at the end of the reaction was 24.7%. there were.

((1−2.タール改質反応試験評価))
以上のようにして生成した触媒を用いて、タールの改質反応試験をそれぞれ実施した。なお、いずれの触媒も、反応前にそれぞれ圧縮成型し、目開きの異なる複数の篩を用いて粒度を揃え、粒径を1.0mm〜2.0mmとしたうえで反応試験に用いた。詳細な実験条件等は、以下の通りである。
((1-2. Tar reforming reaction test evaluation))
A tar reforming reaction test was carried out using the catalyst produced as described above. Each catalyst was compression-molded before the reaction, and the particle size was made uniform using a plurality of sieves having different openings, and the particle size was adjusted to 1.0 mm to 2.0 mm. Detailed experimental conditions are as follows.

<比較例7、8:ニッケル系触媒>
成型後の触媒A、触媒Bそれぞれを、メスシリンダーを用いて、9.5cm秤取り、反応管に充填した。前処理として、水素ガス50cm/分を流通させながら、800℃まで30分で昇温し、30分間還元処理を行った。その後、以下の表3に示す被処理ガスと、スチームカーボン比(S/C)=0.8とする量の水蒸気と、を導入し、反応を開始した。反応ガス流量は、全体で80cm/分とし、反応時間は、6時間とした。なお、空間速度(Space Velocity:SV)は、500時間−1である。
<Comparative Examples 7 and 8: Nickel-based catalyst>
Each of catalyst A and catalyst B after molding was weighed 9.5 cm 3 using a graduated cylinder and filled in a reaction tube. As pretreatment, the temperature was raised to 800 ° C. in 30 minutes while flowing hydrogen gas at 50 cm 3 / min, and reduction treatment was performed for 30 minutes. Thereafter, the gas to be treated shown in Table 3 below and steam having an amount of steam carbon ratio (S / C) = 0.8 were introduced to start the reaction. The reaction gas flow rate was 80 cm 3 / min as a whole, and the reaction time was 6 hours. In addition, space velocity (Space Velocity: SV) is 500 hours -1 .

反応ガスの分析には、ガスクロマトグラフ(島津製作所、GC−2014)を用い、15分おきに分析を行った。分析したガス成分は、水素、窒素、メタン、一酸化炭素、二酸化炭素、エチレン、エタン、プロピレン、プロパンである。   The reaction gas was analyzed using a gas chromatograph (Shimadzu Corporation, GC-2014) every 15 minutes. The analyzed gas components are hydrogen, nitrogen, methane, carbon monoxide, carbon dioxide, ethylene, ethane, propylene, and propane.

反応前後で、窒素流量が変化しないと仮定して、窒素濃度との相対濃度を用いて反応後ガスの各成分流量を計算した。また、以下の式2で示す水素増幅率と、以下の式3で示すガス化収率と、を用いて、反応活性を評価した。水素増幅率は、反応前後で水素のモル量が何倍となったかを示す値であり、水素製造効率を示す値である。一方、ガス化収率は、1−メチルナフタレンに含まれる炭素のうち、ガスに変換された割合を示す値であり、値が大きいほど、優れた改質触媒といえる。各値について、反応開始から2〜3時間の平均値と、5〜6時間の平均値と、をそれぞれ計算し、反応の安定性を評価した。   Assuming that the nitrogen flow rate does not change before and after the reaction, the flow rate of each component of the post-reaction gas was calculated using the relative concentration with the nitrogen concentration. In addition, the reaction activity was evaluated using the hydrogen amplification factor represented by the following formula 2 and the gasification yield represented by the following formula 3. The hydrogen amplification factor is a value indicating how many times the molar amount of hydrogen has increased before and after the reaction, and is a value indicating the efficiency of hydrogen production. On the other hand, the gasification yield is a value indicating the ratio of carbon contained in 1-methylnaphthalene converted to gas, and the larger the value, the better the reforming catalyst. For each value, an average value for 2 to 3 hours and an average value for 5 to 6 hours from the start of the reaction were calculated, and the stability of the reaction was evaluated.

また、反応試験後に、乾燥空気フロー下で各触媒の熱重量分析を行い、重量減少量を炭素析出量とした。触媒Aを用いた試験を比較例7とし、触媒Bを用いた試験を比較例8として、以下の表5に示した。   In addition, after the reaction test, thermogravimetric analysis of each catalyst was performed under a dry air flow, and the amount of weight reduction was defined as the carbon deposition amount. Table 5 below shows the test using the catalyst A as Comparative Example 7 and the test using the catalyst B as Comparative Example 8.

以下の表5から明らかなように、酸化セリウムを含む触媒Bの方が、ガス化収率の低下幅が大きく、本試験条件では、酸化セリウムとニッケル系触媒が共存することで、触媒の安定性が低下すると考えられる。   As is apparent from Table 5 below, catalyst B containing cerium oxide has a greater reduction in gasification yield. Under the present test conditions, cerium oxide and a nickel-based catalyst coexist to stabilize the catalyst. It is thought that the nature is lowered.

Figure 2018135262
Figure 2018135262

水素増幅率=水素流量(反応後)/水素流量(反応前) ・・・(式2)   Hydrogen amplification factor = hydrogen flow rate (after reaction) / hydrogen flow rate (before reaction) (Equation 2)

ガス化収率=100×(メタン流量(反応後)+一酸化炭素流量(反応後)+二酸化炭素流量(反応後)+エチレン流量(反応後)×2+エタン流量(反応後)×2+プロピレン流量(反応後)×3+プロパン流量(反応後)×3)/(1−メチルナフタレン流量(反応前)×11) ・・・(式3)   Gasification yield = 100 × (methane flow rate (after reaction) + carbon monoxide flow rate (after reaction) + carbon dioxide flow rate (after reaction) + ethylene flow rate (after reaction) × 2 + ethane flow rate (after reaction) × 2 + propylene flow rate (After reaction) × 3 + Propane flow rate (after reaction) × 3) / (1-Methylnaphthalene flow rate (before reaction) × 11) (Formula 3)

<比較例9、10:ニッケル系触媒>
成型後の触媒A、触媒Bの量を、3.2cmとしたことを除いて、比較例3、4と同様にして、タール改質反応試験を行った。S/Cは、0.8であり、SVは、1500時間−1である。触媒Aを用いた試験を比較例9とし、触媒Bを用いた試験を比較例10として、比較例7、8と同様にして分析・評価を行った結果を、以下の表5にあわせて示した。
<Comparative Examples 9 and 10: Nickel-based catalyst>
A tar reforming reaction test was conducted in the same manner as in Comparative Examples 3 and 4 except that the amount of catalyst A and catalyst B after molding was 3.2 cm 3 . S / C is 0.8 and SV is 1500 hours -1 . Table 5 below shows the results of analysis and evaluation performed in the same manner as in Comparative Examples 7 and 8 with the test using Catalyst A as Comparative Example 9 and the test using Catalyst B as Comparative Example 10. It was.

<比較例11、12:ニッケル系触媒>
成型後の触媒A、触媒Bの量を、3.2cmとし、S/C=1.2としたことを除いて、比較例7、8と同様にして、タール改質反応試験を行った。S/Cは、1.2であり、SVは、1500時間−1である。触媒Aを用いた試験を比較例11とし、触媒Bを用いた試験を比較例12として、比較例7、8と同様にして分析・評価を行った結果を、以下の表5にあわせて示した。
<Comparative Examples 11 and 12: Nickel-based catalyst>
The tar reforming reaction test was conducted in the same manner as in Comparative Examples 7 and 8, except that the amount of the catalyst A and catalyst B after molding was 3.2 cm 3 and S / C = 1.2. . S / C is 1.2 and SV is 1500 hours -1 . Table 5 below shows the results of analysis and evaluation performed in the same manner as in Comparative Examples 7 and 8 with the test using Catalyst A as Comparative Example 11 and the test using Catalyst B as Comparative Example 12. It was.

<実施例13:酸化セリウム触媒>
触媒として成型後の触媒1を用い、昇温時と前処理時のガスを窒素としたことを除いて、比較例7、8と同様にして、タール改質反応試験を行った。S/Cは、0.8であり、SVは、500時間−1である。本試験結果を、実施例13とする。得られた結果を、以下の表5にあわせて示した。
<Example 13: Cerium oxide catalyst>
A tar reforming reaction test was conducted in the same manner as in Comparative Examples 7 and 8, except that the molded catalyst 1 was used as the catalyst, and the gas at the time of temperature rise and pretreatment was changed to nitrogen. S / C is 0.8 and SV is 500 hours -1 . The test result is referred to as Example 13. The obtained results are shown in Table 5 below.

以下の表5から明らかなように、実施例13の試験結果は、同反応条件で反応を行った比較例7、8と比較して、水素増幅率とガス化収率の双方で、高い値を示した。   As is clear from Table 5 below, the test result of Example 13 is higher in both hydrogen amplification rate and gasification yield than Comparative Examples 7 and 8 in which the reaction was performed under the same reaction conditions. showed that.

<実施例14:酸化セリウム触媒>
触媒として成型後の触媒1を用い、昇温時と前処理時のガスを窒素とし、触媒量を3.2cmとしたことを除いて、比較例7、8と同様にして、タール改質反応試験を行った。S/Cは、0.8であり、SVは、1500時間−1である。本試験結果を、実施例14とする。得られた結果を、以下の表5にあわせて示した。
<Example 14: Cerium oxide catalyst>
Tar reforming was carried out in the same manner as in Comparative Examples 7 and 8, except that the molded catalyst 1 was used as the catalyst, the temperature at the time of temperature rise and pretreatment was nitrogen, and the amount of the catalyst was 3.2 cm 3. A reaction test was conducted. S / C is 0.8 and SV is 1500 hours -1 . The test result is referred to as Example 14. The obtained results are shown in Table 5 below.

以下の表5から明らかなように、実施例14の試験結果は、同反応条件で反応を行った比較例9、10と比較して、水素増幅率とガス化収率が双方共に高く、更に、炭素析出量も少ないことが分かる。また、実施例14で用いた触媒1(CEO−2、900℃焼成)の反応前後での結晶構造変化を調べるため、XRD測定を行った結果を、以下の図1に示した。図1から明らかなように、反応前後で結晶構造に変化がなく、硫酸セリウム等の生成も確認されなかった。   As apparent from Table 5 below, the test result of Example 14 shows that both the hydrogen amplification rate and the gasification yield are high compared to Comparative Examples 9 and 10 in which the reaction was performed under the same reaction conditions. It can be seen that the amount of carbon deposition is also small. Moreover, in order to investigate the crystal structure change before and behind reaction of the catalyst 1 (CEO-2, 900 degreeC baking) used in Example 14, the result of having performed the XRD measurement was shown in the following FIG. As is clear from FIG. 1, the crystal structure did not change before and after the reaction, and the formation of cerium sulfate or the like was not confirmed.

<実施例15:酸化セリウム触媒>
触媒として成型後の触媒1を用い、昇温時と前処理時のガスを窒素とし、触媒量を3.2cmとし、S/Cを1.2としたことを除いて、比較例7、8と同様にして、タール改質反応試験を行った。S/Cは、1.2であり、SVは、1500時間−1である。本試験結果を、実施例15とする。得られた結果を、以下の表5にあわせて示した。
<Example 15: Cerium oxide catalyst>
Comparative Example 7, except that the molded catalyst 1 was used as the catalyst, the temperature at the time of temperature rise and pretreatment was nitrogen, the catalyst amount was 3.2 cm 3, and S / C was 1.2. In the same manner as in No. 8, a tar reforming reaction test was conducted. S / C is 1.2 and SV is 1500 hours -1 . The result of this test is referred to as Example 15. The obtained results are shown in Table 5 below.

以下の表5から明らかなように、実施例15の試験結果は、同反応条件で反応を行った比較例11、12と比較して、水素増幅率とガス化収率の双方で高い値を示し、更に炭素析出も殆どみられなかった。   As is clear from Table 5 below, the test result of Example 15 is higher in both hydrogen amplification rate and gasification yield than Comparative Examples 11 and 12 in which the reaction was performed under the same reaction conditions. Further, almost no carbon deposition was observed.

Figure 2018135262
Figure 2018135262

Figure 2018135262
Figure 2018135262

((2.ドライ改質))
((2−1.メタン改質反応試験評価))
各触媒を用いて、メタンのドライ改質反応試験をそれぞれ実施した。なお、いずれの触媒も、反応前にそれぞれ圧縮成型し、目開きの異なる複数の篩を用いて粒度を揃え、粒径を1.0mm〜2.0mmとしたうえで反応試験に用いた。詳細な実験条件等は、以下の通りである。
((2. Dry reforming))
((2-1. Evaluation of methane reforming reaction test))
Using each catalyst, a dry reforming reaction test of methane was performed. Each catalyst was compression-molded before the reaction, and the particle size was made uniform using a plurality of sieves having different openings, and the particle size was adjusted to 1.0 mm to 2.0 mm. Detailed experimental conditions are as follows.

<比較例13:ニッケル系触媒>
触媒として触媒Aを用い、被処理ガスとして表6に示すガスを流通させたことを除いて、比較例1、2と同様にして反応試験を実施した。被処理ガスの分析についても比較例1、2と同様に実施した。また、メタン転化率の計算には、以下の式3を用い、反応後ガスの各成分濃度で計算を行った。式3は、メタン濃度と、二酸化炭素濃度および一酸化炭素濃度の和、とを比較することによって、メタンが、二酸化炭素および一酸化炭素に変化した割合を計算するものである。各硫化水素濃度でのメタン転化率を、以下の表7にまとめて示した。
<Comparative Example 13: Nickel-based catalyst>
A reaction test was performed in the same manner as in Comparative Examples 1 and 2 except that the catalyst A was used as the catalyst and the gas shown in Table 6 was circulated as the gas to be treated. The analysis of the gas to be treated was performed in the same manner as in Comparative Examples 1 and 2. Moreover, the following formula 3 was used for the calculation of the methane conversion rate, and the calculation was performed with the concentration of each component of the post-reaction gas. Equation 3 calculates the rate at which methane has changed to carbon dioxide and carbon monoxide by comparing the methane concentration with the sum of the carbon dioxide concentration and the carbon monoxide concentration. The methane conversion at each hydrogen sulfide concentration is summarized in Table 7 below.

以下、表7中の全ての試料において、炭素数2、炭素数3以上の有機物の生成量は非常に少なかった。また、反応後試料の熱重量分析を行ったが、触媒Aについては少量の炭素析出が見られたものの、その他いずれの試料でも析出炭素の酸化燃焼による重量減少は見られなかった。かかる結果から、以下の式3を用いてメタン転化率を評価することは、妥当であると考えられる。   Hereinafter, in all the samples in Table 7, the amount of organic substances having 2 or more carbon atoms and 3 or more carbon atoms was very small. Further, the thermogravimetric analysis of the sample after the reaction was conducted. As for the catalyst A, although a small amount of carbon deposition was observed, no weight reduction due to oxidative combustion of the deposited carbon was observed in any of the other samples. From these results, it is considered reasonable to evaluate the methane conversion rate using the following Equation 3.

また、本試験では、触媒Aは硫化水素濃度0ppmにおいても活性が低くなった。これは、同反応ラインで高濃度の硫化水素を用いている都合により、還元前処理を行う際にも、低濃度の硫化水素が混入してしまったことが原因と考えられる。このように、意図的に加えていない程度の、低濃度の硫化水素によっても、ニッケル系触媒は大きな活性低下を示す。また、触媒Aは、硫化水素濃度が上昇するのにあわせて、触媒活性が低下する傾向がみられた。   In this test, the activity of Catalyst A was low even at a hydrogen sulfide concentration of 0 ppm. This is considered to be caused by the low concentration of hydrogen sulfide mixed in the pretreatment for reduction because of the high concentration of hydrogen sulfide in the reaction line. As described above, even with a low concentration of hydrogen sulfide that is not intentionally added, the nickel-based catalyst shows a large decrease in activity. Moreover, the catalyst A had a tendency for the catalyst activity to decrease as the hydrogen sulfide concentration increased.

Figure 2018135262
Figure 2018135262

メタン転化率=((CO濃度+CO濃度+CH濃度)/2−CH濃度)/((CO濃度+CO濃度+CH濃度)/2)
・・・(式3)
Methane conversion rate = ((CO concentration + CO 2 concentration + CH 4 concentration) / 2−CH 4 concentration) / ((CO concentration + CO 2 concentration + CH 4 concentration) / 2)
... (Formula 3)

<実施例16〜18:酸化セリウム触媒、>
触媒として成型後の触媒4、5、7を用い、前処理を行わずに窒素フロー下で反応温度まで昇温したたことを除いては、比較例13と同様にして、反応試験を行った。各硫化水素濃度でのメタン転化率を、以下の表7にまとめて示した。触媒4、5、7を用いた反応試験を、それぞれ実施例16〜18とした。触媒4と触媒5は同じ物質で構成されており、すべての硫化水素濃度でメタン転化率も同程度となった。触媒7についても高いメタン転化率が得られたが、触媒4、5と比べると若干活性が低くなった。
<Examples 16 to 18: cerium oxide catalyst>
A reaction test was conducted in the same manner as in Comparative Example 13 except that the molded catalysts 4, 5, and 7 were used as the catalysts and the temperature was raised to the reaction temperature under a nitrogen flow without performing pretreatment. . The methane conversion at each hydrogen sulfide concentration is summarized in Table 7 below. The reaction tests using the catalysts 4, 5, and 7 were respectively Examples 16 to 18. Catalyst 4 and catalyst 5 were composed of the same material, and the methane conversion was the same at all hydrogen sulfide concentrations. A high methane conversion was also obtained for catalyst 7, but the activity was slightly lower than that of catalysts 4 and 5.

実施例16について、反応後に触媒4のXRD測定を行った結果、反応前後で触媒4の結晶構造に変化はなく、他の不純物のピークは検出されなかった。   As a result of performing XRD measurement of the catalyst 4 after the reaction in Example 16, there was no change in the crystal structure of the catalyst 4 before and after the reaction, and no other impurity peak was detected.

Figure 2018135262
Figure 2018135262

((2−2.タール改質反応試験評価))
表10に示す各触媒を用いて、タールの改質反応試験をそれぞれ実施した。なお、いずれの触媒も、反応前にそれぞれ圧縮成型し、目開きの異なる複数の篩を用いて粒度を揃え、粒径を1.0mm〜2.0mmとしたうえで反応試験に用いた。詳細な実験条件等は、以下の通りである。
((2-2. Evaluation of tar reforming reaction test))
Using each catalyst shown in Table 10, a tar reforming reaction test was performed. Each catalyst was compression-molded before the reaction, and the particle size was made uniform using a plurality of sieves having different openings, and the particle size was adjusted to 1.0 mm to 2.0 mm. Detailed experimental conditions are as follows.

<比較例14、15:ニッケル系触媒>
成型後の触媒A、触媒Bそれぞれを、メスシリンダーを用いて、3.2cm秤取り、反応管に充填した。前処理として、水素ガス50cm/分を流通させながら、800℃まで30分で昇温し、30分間還元処理を行った。その後、以下の表8に示す被処理ガスを導入し、反応を開始した。CO/C比は1.0である。反応ガス流量は、全体で80cm/分とし、反応時間は、6時間とした。なお、空間速度(Space Velocity:SV)は、1500時間−1である。反応ガスの分析は、実施例13〜15と同様とした。
<Comparative Examples 14 and 15: Nickel-based catalyst>
Each of the molded catalyst A and catalyst B was weighed 3.2 cm 3 using a graduated cylinder and filled in a reaction tube. As pretreatment, the temperature was raised to 800 ° C. in 30 minutes while flowing hydrogen gas at 50 cm 3 / min, and reduction treatment was performed for 30 minutes. Then, the to-be-processed gas shown in the following Table 8 was introduce | transduced, and reaction was started. The CO 2 / C ratio is 1.0. The reaction gas flow rate was 80 cm 3 / min as a whole, and the reaction time was 6 hours. In addition, space velocity (Space Velocity: SV) is 1500 hours -1 . Analysis of the reaction gas was the same as in Examples 13-15.

反応前後で、窒素流量が変化しないと仮定して、窒素濃度との相対濃度を用いて反応後ガスの各成分流量を計算した。また、反応活性の評価基準には以下の式4で示す、水素及び一酸化炭素増幅率を用いた。水蒸気改質反応と異なり、ドライ改質反応では反応ガスに多量の二酸化炭素が含まれている。したがって、二酸化炭素と水素が反応することで一酸化炭素と水蒸気が生成し(逆シフト反応)、水素の量が減少してしまう。よって、水性シフト反応で互いに変化可能な、水素と一酸化炭素の総和を基準として、触媒の活性を評価する。すなわち、二酸化炭素と1−メチルナフタレンが反応すれば、一酸化炭素と水素が生成するはずであるので、一酸化炭素と水素の流量の和が、反応前後でどれだけ増加したかをみれば、触媒の活性を比較することができる。各触媒について、反応開始から2〜3時間の平均値と、5〜6時間の平均値と、をそれぞれ計算し、反応の安定性を評価した。   Assuming that the nitrogen flow rate does not change before and after the reaction, the flow rate of each component of the post-reaction gas was calculated using the relative concentration with the nitrogen concentration. Further, hydrogen and carbon monoxide amplification factors represented by the following formula 4 were used as evaluation criteria for reaction activity. Unlike the steam reforming reaction, the dry reforming reaction contains a large amount of carbon dioxide in the reaction gas. Accordingly, carbon monoxide and hydrogen react to generate carbon monoxide and water vapor (reverse shift reaction), and the amount of hydrogen decreases. Therefore, the activity of the catalyst is evaluated based on the sum of hydrogen and carbon monoxide, which can be changed with each other by the aqueous shift reaction. That is, if carbon dioxide and 1-methylnaphthalene react with each other, carbon monoxide and hydrogen should be generated, so if you look at how much the sum of the flow rates of carbon monoxide and hydrogen increased before and after the reaction, The activity of the catalyst can be compared. About each catalyst, the average value for 2-3 hours from the reaction start and the average value for 5-6 hours were calculated, respectively, and the stability of reaction was evaluated.

また、反応試験後に、乾燥空気フロー下で各触媒の熱重量分析を行い、重量減少量を炭素析出量とした。触媒Aを用いた試験を比較例14とし、触媒Bを用いた試験を比較例15として、以下の表10に示した。いずれも、炭素の析出量が非常に多くなることが確認された。   In addition, after the reaction test, thermogravimetric analysis of each catalyst was performed under a dry air flow, and the amount of weight reduction was defined as the carbon deposition amount. The test using the catalyst A is shown as Comparative Example 14 and the test using the catalyst B is shown as Comparative Example 15 in Table 10 below. In both cases, it was confirmed that the amount of carbon deposited was very large.

<実施例19:酸化セリウム触媒>
触媒として触媒4を用い、前処理を行わずに、窒素を流通させながら、800℃まで30分で昇温したことを除いては、比較例14、15と同様に反応試験を実施した。CO/C比は1.0である。比較例14、15と同様に触媒活性の評価を行い、炭素析出量の評価も行った。結果を、表10にあわせて示す。触媒4は、比較例14、15と比較して、炭素析出量が少ないことがわかり、また、反応開始2〜3時間の時点での水素及び一酸化炭素増幅率も高い値となった。
<Example 19: Cerium oxide catalyst>
The reaction test was carried out in the same manner as in Comparative Examples 14 and 15 except that the catalyst 4 was used as the catalyst, and the temperature was raised to 800 ° C. in 30 minutes while flowing nitrogen without performing pretreatment. The CO 2 / C ratio is 1.0. The catalytic activity was evaluated in the same manner as in Comparative Examples 14 and 15, and the carbon deposition amount was also evaluated. The results are shown in Table 10 together. The catalyst 4 was found to have a smaller amount of carbon deposition than Comparative Examples 14 and 15, and the hydrogen and carbon monoxide amplification rates at the time of 2 to 3 hours from the start of the reaction were also high.

<比較例16:ニッケル系触媒>
成型後の触媒Aを用い、以下の表9に示す被処理ガスを導入したことを除いては、比較例14、15と同様にして実験を行なった。CO/C比は2.0である。比較例14、15と同様にして測定データを解析して触媒の活性評価を行い、炭素析出量の評価も同様に行った。結果を、表10にあわせて示す。二酸化炭素の流量が増加したことで、炭素析出量の減少が確認されたが、多量の炭素析出が確認された。
<Comparative Example 16: Nickel-based catalyst>
The experiment was performed in the same manner as Comparative Examples 14 and 15 except that the molded gas A was introduced and the gas to be treated shown in Table 9 below was introduced. The CO 2 / C ratio is 2.0. In the same manner as in Comparative Examples 14 and 15, the measurement data was analyzed to evaluate the activity of the catalyst, and the carbon deposition amount was also evaluated. The results are shown in Table 10 together. Although the decrease in the amount of carbon deposition was confirmed due to the increase in the flow rate of carbon dioxide, a large amount of carbon deposition was confirmed.

<実施例20:酸化セリウム触媒>
触媒として触媒4を用い、前処理を行わずに、窒素を流通させながら、800℃まで30分で昇温したことを除いては、比較例16と同様に反応試験を実施した。CO/C比は2.0である。比較例16と同様に触媒活性の評価を行い、炭素析出量の評価も行った。結果を、表10にあわせて示す。触媒4は、比較例16と比較して、炭素析出量が少ないことがわかり、また、いずれの時点での水素及び一酸化炭素増幅率も高い値となった。さらに、反応時間を通じて、水素及び一酸化炭素増幅率の値がほぼ一定となり、触媒の高い安定性も確認された。
<Example 20: Cerium oxide catalyst>
The reaction test was carried out in the same manner as in Comparative Example 16 except that the catalyst 4 was used as the catalyst, and the temperature was raised to 800 ° C. in 30 minutes while flowing nitrogen without performing pretreatment. The CO 2 / C ratio is 2.0. The catalytic activity was evaluated in the same manner as in Comparative Example 16, and the carbon deposition amount was also evaluated. The results are shown in Table 10 together. The catalyst 4 was found to have a smaller amount of carbon deposition than the comparative example 16, and the hydrogen and carbon monoxide amplification factors at any time were also high. Furthermore, the values of hydrogen and carbon monoxide gain were almost constant over the reaction time, and high stability of the catalyst was also confirmed.

Figure 2018135262
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Figure 2018135262
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水素及び一酸化炭素増幅率=((水素流量+一酸化炭素流量)(反応後))/((水素流量+一酸化炭素流量)(反応前)) ・・・(式4)   Hydrogen and carbon monoxide amplification factor = ((hydrogen flow rate + carbon monoxide flow rate) (after reaction)) / ((hydrogen flow rate + carbon monoxide flow rate) (before reaction)) (Formula 4)

Figure 2018135262
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(3.水蒸気改質及びドライ改質)
((タール改質反応試験評価))
触媒4を用いて、タールの改質反応試験を実施した。なお、触媒4は、反応前にそれぞれ圧縮成型し、目開きの異なる複数の篩を用いて粒度を揃え、粒径を1.0mm〜2.0mmとしたうえで反応試験に用いた。詳細な実験条件等は、以下の通りである。
(3. Steam reforming and dry reforming)
((Tal reforming reaction test evaluation))
Using the catalyst 4, a tar reforming reaction test was carried out. In addition, the catalyst 4 was compression-molded before the reaction, and the particle size was made uniform using a plurality of sieves having different openings, and the particle size was adjusted to 1.0 mm to 2.0 mm, and used for the reaction test. Detailed experimental conditions are as follows.

<実施例21:酸化セリウム触媒>
成型後の触媒4を用い、反応試験を実施した。メスシリンダーを用いて、3.2cm秤取り、反応管に充填した。以下の表11に示す被処理ガスを導入したことを除いては、実施例19と同様に試験を行った。CO/C比は1.0、スチームカーボン比は0.5である。水蒸気は、送水ポンプで反応管内に純水を導入したうえで、全量を気化させることによって実施した。反応ガス流量は、全体で80cm/分とし、反応時間は、6時間とした。なお、空間速度(Space Velocity:SV)は、1500時間−1である。反応ガスの分析は、実施例19と同様とし、触媒活性の評価も同様に行った。得られた結果を表12に示す。
<Example 21: Cerium oxide catalyst>
A reaction test was carried out using the catalyst 4 after molding. Using a graduated cylinder, 3.2 cm 3 was weighed and filled into a reaction tube. The test was performed in the same manner as in Example 19 except that the gas to be treated shown in Table 11 below was introduced. The CO 2 / C ratio is 1.0 and the steam carbon ratio is 0.5. The steam was carried out by introducing pure water into the reaction tube with a water pump and evaporating the whole amount. The reaction gas flow rate was 80 cm 3 / min as a whole, and the reaction time was 6 hours. In addition, space velocity (Space Velocity: SV) is 1500 hours -1 . The analysis of the reaction gas was the same as in Example 19, and the catalytic activity was evaluated in the same manner. The results obtained are shown in Table 12.

実施例21は実施例19とほぼ同じ条件で実施されており、窒素の一部を水蒸気に置き換えた条件となっている。表12と表10の結果を比較すると、スチームカーボン比0.5という少量の水蒸気を導入することによって、触媒活性が増大し、さらには炭素析出量が大きく低減されていることが分かる。スチームカーボン比0.5の水蒸気は、通常のコークス炉ガスにも含まれる程度の量であり、非常に低コストで導入することが可能な量である。こうした少量の水蒸気でも、二酸化炭素と併せて反応ガスに導入することによって、タール改質反応の速度を高め、炭素析出を抑制することが可能であることが確認された。同様の効果は、タール以外の炭化水素類の反応においても得られると推定される。   Example 21 is carried out under substantially the same conditions as in Example 19, with the conditions that a part of nitrogen is replaced with water vapor. Comparing the results shown in Table 12 and Table 10, it can be seen that by introducing a small amount of water vapor having a steam carbon ratio of 0.5, the catalytic activity is increased, and the amount of carbon deposition is greatly reduced. Steam with a steam carbon ratio of 0.5 is an amount that can be contained in ordinary coke oven gas, and can be introduced at a very low cost. It was confirmed that by introducing such a small amount of water vapor into the reaction gas together with carbon dioxide, it is possible to increase the rate of the tar reforming reaction and suppress carbon deposition. A similar effect is presumed to be obtained in the reaction of hydrocarbons other than tar.

Figure 2018135262
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以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited to such examples. It is obvious that a person having ordinary knowledge in the technical field to which the present invention pertains can come up with various changes or modifications within the scope of the technical idea described in the claims. Of course, it is understood that these also belong to the technical scope of the present invention.

Claims (13)

触媒の全組成を酸化物換算した場合における総希土類酸化物(Total Rare Earth Oxide:TREO)の占める割合が、酸化物換算の質量比で95.0%以上である酸化セリウム触媒に対して、炭化水素と、500ppm以上の硫化水素と、水蒸気または二酸化炭素の少なくともいずれか一方と、を含む被処理ガスを接触させ、前記被処理ガス中の前記炭化水素を、水蒸気改質反応またはドライ改質反応の少なくともいずれか一方の反応で反応させて水素を製造する、水素の製造方法。   When the total composition of the catalyst is converted to oxide, the ratio of the total rare earth oxide (TREO) is 95.0% or more in terms of mass ratio in terms of oxide. A treated gas containing hydrogen, 500 ppm or more of hydrogen sulfide, and at least one of water vapor or carbon dioxide is brought into contact, and the hydrocarbon in the treated gas is subjected to a steam reforming reaction or a dry reforming reaction. A method for producing hydrogen, wherein hydrogen is produced by reacting at least one of the above reactions. 前記酸化セリウム触媒は、前記触媒の全組成を酸化物変換した場合における総希土類酸化物の占める割合が、酸化物換算の質量比で99%以上である、請求項1に記載の水素の製造方法。   2. The method for producing hydrogen according to claim 1, wherein the cerium oxide catalyst is 99% or more in terms of a mass ratio in terms of oxide when the total composition of the catalyst is converted into oxides. . 前記酸化セリウム触媒は、前記触媒の全組成を酸化物変換した場合における酸化セリウムの占める割合が、酸化物換算の質量比で90.0%以上である、請求項1又は2に記載の水素の製造方法。   The ratio of the cerium oxide in the cerium oxide catalyst when the total composition of the catalyst is converted to oxide is 90.0% or more in terms of mass ratio in terms of oxide, 3. Production method. 前記酸化セリウム触媒は、酸化鉄、酸化アルミニウム、酸化カルシウム、酸化バリウム、酸化ニッケル、酸化ジルコニウム、及び、酸化ニオブの少なくとも何れかを含有し、
前記酸化鉄の含有量は、酸化鉄(III)換算の質量比で3%以下であり、
前記酸化アルミニウム、前記酸化カルシウム、前記酸化バリウム、前記酸化ニッケル、前記酸化ジルコニウム、及び、前記酸化ニオブの含有量は、酸化物換算の質量比で、それぞれ5%以下である、請求項1〜3の何れか一項に記載の水素の製造方法。
The cerium oxide catalyst contains at least one of iron oxide, aluminum oxide, calcium oxide, barium oxide, nickel oxide, zirconium oxide, and niobium oxide,
The iron oxide content is 3% or less in terms of mass ratio in terms of iron (III) oxide,
Content of the said aluminum oxide, the said calcium oxide, the said barium oxide, the said nickel oxide, the said zirconium oxide, and the said niobium oxide is a mass ratio of oxide conversion, and is 5% or less, respectively. The method for producing hydrogen according to any one of the above.
前記被処理ガスに含まれる硫化水素の濃度は、500ppm以上3000ppm以下である、請求項1〜4の何れか1項に記載の水素の製造方法。   The method for producing hydrogen according to any one of claims 1 to 4, wherein a concentration of hydrogen sulfide contained in the gas to be treated is 500 ppm or more and 3000 ppm or less. 前記被処理ガスは、タールを含有する、請求項1〜5の何れか一項に記載の水素の製造方法。   The method for producing hydrogen according to any one of claims 1 to 5, wherein the gas to be treated contains tar. 前記酸化セリウム触媒の比表面積は、10m/g以上100m/g以下である、請求項1〜6の何れか一項に記載の水素の製造方法。 The method for producing hydrogen according to claim 1, wherein the cerium oxide catalyst has a specific surface area of 10 m 2 / g or more and 100 m 2 / g or less. 前記水蒸気改質反応を進行させる場合、前記被処理ガスのスチームカーボン比は、0.8以上3.0以下である、請求項1〜7の何れか一項に記載の水素の製造方法。   8. The method for producing hydrogen according to claim 1, wherein when the steam reforming reaction proceeds, a steam carbon ratio of the gas to be treated is 0.8 or more and 3.0 or less. 前記ドライ改質反応を進行させる場合、前記被処理ガスの二酸化炭素と、炭化水素として含まれる炭素原子と、のモル比が、1.0以上3.0以下である、請求項1〜8の何れか一項に記載の水素の製造方法。   When the dry reforming reaction proceeds, the molar ratio of carbon dioxide in the gas to be treated and carbon atoms contained as hydrocarbons is 1.0 or more and 3.0 or less. The method for producing hydrogen according to any one of the above. 前記被処理ガスは、コークス炉ガスである、請求項8又は9に記載の水素の製造方法。   The method for producing hydrogen according to claim 8 or 9, wherein the gas to be treated is coke oven gas. 触媒の全組成を酸化物換算した場合における、CeOの占める割合が、酸化物換算の質量比で90.0%以上であり、
総希土類酸化物(Total Rare Earth Oxide:TREO)の占める割合が、酸化物換算の質量比で95.0%以上であり、かつ、
比表面積が、10m/g以上100m/g以下である、水素製造用の酸化セリウム触媒。
When the total composition of the catalyst is converted to oxide, the proportion of CeO 2 is 90.0% or more in terms of oxide-converted mass ratio,
The proportion of total rare earth oxide (TREO) is 95.0% or more in terms of oxide-converted mass ratio, and
Specific surface area, 10 m 2 / g or more and 100 m 2 / g or less, cerium oxide catalyst for hydrogen production.
酸化鉄、酸化アルミニウム、酸化カルシウム、酸化バリウム、酸化ニッケル、酸化ジルコニウム、及び、酸化ニオブの少なくとも何れかを含有し、
前記酸化鉄の含有量は、酸化鉄(III)換算の質量比で3%以下であり、
前記酸化アルミニウム、前記酸化カルシウム、前記酸化バリウム、前記酸化ニッケル、前記酸化ジルコニウム、及び、前記酸化ニオブの含有量は、酸化物換算の質量比で、それぞれ5%以下である、請求項11に記載の水素製造用の酸化セリウム触媒。
Containing at least one of iron oxide, aluminum oxide, calcium oxide, barium oxide, nickel oxide, zirconium oxide, and niobium oxide,
The iron oxide content is 3% or less in terms of mass ratio in terms of iron (III) oxide,
12. The content of the aluminum oxide, the calcium oxide, the barium oxide, the nickel oxide, the zirconium oxide, and the niobium oxide is 5% or less in terms of oxide mass ratio, respectively. Cerium oxide catalyst for the production of hydrogen.
前記CeOの占める割合が、酸化物換算の質量比で99.0%以上である、請求項11又は12に記載の水素製造用の酸化セリウム触媒。
The cerium oxide catalyst for hydrogen production according to claim 11 or 12, wherein the proportion of CeO 2 is 99.0% or more in terms of mass ratio in terms of oxide.
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