JP3926170B2

JP3926170B2 - 硫黄化合物除去方法

Info

Publication number: JP3926170B2
Application number: JP2002041599A
Authority: JP
Inventors: 英延脇田; 誠二藤原; 清田口; 邦弘鵜飼
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-02-19
Filing date: 2002-02-19
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2022-02-19
Also published as: JP2003238977A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、都市ガスなどに含まれる硫黄化合物の除去を行うための硫黄化合物除去方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば、都市ガス工事の際に放出される都市ガスは、硫黄化合物を除去することが必須となっている。また、都市ガスを燃料とする燃料電池では、ＲｕやＮｉなどの水蒸気改質触媒の劣化防止のため予め脱硫を行うことが要求される。
【０００３】
都市ガスを燃料とする燃料電池用の燃料ガス中に含まれる硫黄化合物の除去には、活性炭や添着活性炭が主に用いられてきた。たとえば、脱臭を目的とする空気中の硫黄化合物除去方法においても、活性炭もしくは添着活性炭により吸着除去する方法がある。
【０００４】
なお、燃料電池における脱硫方法では、燃料中の硫黄化合物を水添分解し硫化水素とした後、３００℃程度に加熱した酸化亜鉛により硫化水素を除去する脱硫方法が検討されている。また、銅、マンガンなどの遷移金属酸化物によりメルカプタン化合物を常温で酸化分解して除去する硫黄化合物方法がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、活性炭を用いて硫黄化合物を除去する方法においては、高い硫黄化合物除去能力を長期間にわたり要求される燃料電池の脱硫などで、硫黄化合物の破過が早すぎ、その特性は十分といえない。
【０００６】
なお、水添分解と酸化亜鉛により脱硫を行う方式では、３００〜４００℃で水添脱硫を行うため、水素の添加が必要であり、複雑な排熱利用法の適用が必要である。また、銅、マンガンなどの遷移金属酸化物により酸素存在下で脱臭を行うと、メルカプタンが常温で部分酸化されることでジスルフィドが生成して異臭の発生源となるが、スルフィドなどのメルカプタン以外の硫黄化合物を除去することは困難である。
【０００７】
このように、都市ガスなどに含まれる硫黄化合物の除去を長期間にわたり効果的に行うことが困難であるという課題があった。
【０００８】
本発明は、上記従来のこのような課題を考慮し、都市ガスなどに含まれる硫黄化合物の除去を長期間にわたり効果的に行うことができる硫黄化合物除去方法を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
第一の本発明（請求項１に対応）は、プロトンをイオン交換サイトにもつゼオライトおよび／または脱アルミニウム処理が行われたゼオライトに硫黄化合物を含むガスを通過させ、前記ゼオライトを利用して前記硫黄化合物を吸着する硫黄化合物吸着ステップと、
Ｈ−Ｙ型ゼオライト、ＭＦＩ型ゼオライト、およびアルカリ金属および／またはアルカリ土類金属をイオン交換サイトに有するゼオライトを除く、硫化水素吸着剤および／または硫化水素吸収剤に、前記硫黄化合物吸着ステップで利用された前記ゼオライトを通過した前記ガスを通過させ、前記硫黄化合物吸着ステップで発生した硫化水素を除去する硫化水素除去ステップと、を備え、
前記硫化水素吸着剤および／または前記硫化水素吸収剤は、前記硫黄化合物吸着ステップで利用された前記ゼオライトとは異なる、硫化水素吸着剤および／または硫化水素吸収剤である、硫黄化合物除去方法である。
第二の本発明（請求項２に対応）は、前記硫黄化合物吸着ステップは、室温で行われる第一の本発明の硫黄化合物除去方法である。
【００１０】
第三の本発明（請求項３に対応）は、前記硫化水素吸着剤は、（ａ）銅、亜鉛、マンガン、鉄、白金族元素の内の少なくとも一つまたはその金属酸化物、および／または（ｂ）活性炭を有する第一の本発明の硫黄化合物除去方法である。
【００１１】
第四の本発明（請求項４に対応）は、前記硫化水素吸着剤は、銅、亜鉛、マンガン、鉄、銀の内の少なくとも一つをイオン交換サイトに有するゼオライトである第一の本発明の硫黄化合物除去方法である。
【００１２】
第五の本発明（請求項５に対応）は、前記硫化水素吸収剤は、アルカリ性を示す固体または溶液である第一の本発明の硫黄化合物除去方法である。
【００１３】
第六の本発明（請求項６に対応）は、前記硫化水素吸着剤は、銅、亜鉛、マンガン、鉄の内の少なくとも一つを有し、２００℃以上に保たれている第一の本発明の硫黄化合物除去方法である。
【００１４】
第七の本発明（請求項７に対応）は、前記硫黄化合物を含むガスは、ＴＢＭを含む燃料ガスである第一の本発明の硫黄化合物除去方法である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
都市ガスでは、ガス漏れ対策から意図的に燃料ガスに微量の硫黄化合物系付臭剤を混入させる。この付臭剤成分は都市ガス供給会社などにより異なるが、日本を例に取ると、ターシャリーブチルメルカプタン（以下ＴＢＭと略す）、ジメチルスルフィド（以下ＤＭＳと略す）、テトラヒドロチオフェンが用いられ、その濃度は数ｐｐｍである。
【００１８】
本発明者は、種々の硫黄化合物を含む天然ガス、コークス炉ガスと異なり、都市ガスでは、既知構造で既知濃度の硫黄化合物を意図的に混入させているため、それらの硫黄化合物に対して効果的な吸着剤を選択することでその吸着除去が可能であることに着目した。
【００１９】
そして、本発明者は、たとえば本発明にかかる実施の形態の燃料電池システムの構成図である図１に示されているような、第一吸着剤（Ｈ−Ｙ型ゼオライトを脱アルミニウム処理した超安定Ｙ型ゼオライト）に硫黄化合物を含むガス（都市ガス１３Ａ）を通過させる硫黄化合物除去手段１１と、第二吸着剤（Ｎａ−Ｘ）に第一吸着剤に通過させられたガスを通過させる硫化水素除去手段１２とを備えた硫黄化合物除去装置を発明した。ここに、硫黄化合物除去装置は、水蒸気改質器（Ｒｕ触媒）１１、シフト反応器１２、選択酸化反応器１３を有する水素精製器を介して、スタック３１を有する高分子固体電解質型燃料電池に接続されている。
以下では、本実施の形態の硫黄化合物除去装置の構成および動作について説明する。なお、本実施の形態の硫黄化合物除去装置の動作について説明しながら、本発明の硫黄化合物除去方法の実施の形態について説明する。
【００２０】
（１）まず、本発明者は、第一ステップでイオン交換サイトにプロトンを持つゼオライト（沸石）もしくは脱アルミニウム処理を行ったゼオライトを含む吸着体を利用することでこれらの硫黄化合物の吸着除去を行えばよいという考えに想到した。
【００２１】
日本では、一般に添加される付臭剤としてはＴＢＭ、ＤＭＳが選ばれることが多いが、この中でＤＭＳがより吸着されにくいため、破過が早い。
【００２２】
これらの硫黄化合物をゼオライトを用いて吸着するためには、細孔内に硫黄化合物が入ることが重要である。ＴＢＭの分子の大きさは、約６Åなので、細孔径の大きな酸素１０員環以上の口径を持つゼオライトが望ましい。この様なゼオライトとして、Ｙ型、Ｘ型などのフォージャサイト型ゼオライトやＭＦＩ型ゼオライト、ベータ型ゼオライトが挙げられる。
【００２３】
なお、近年は酸素１２員環以上のゼオライトが多数合成されており、これらを用いてもよいが、このような酸素１２員環以上のゼオライトの入手は未だ困難であるというのが実状である。
【００２４】
また、燃料ガス中のＴＢＭやＤＭＳといった臭気に対して、イオン交換サイトにアルカリ金属またはアルカリ土類金属を有するゼオライトでは、初期に高い吸着特性を示すものの、吸着量は小さく、破過が始まると急激に吸着特性は低下し、吸着体を通過したガス中の硫黄化合物濃度が上昇する。
【００２５】
さて、Ｈ型ゼオライトや脱アルミニウムゼオライトなど強酸点を持つゼオライトでは、長時間にわたり高い除去率を維持するが、しばらく吸着を行うと排出ガス中に微量の硫化水素が検出される。これは、ＴＢＭがゼオライトの酸点で硫化水素とオレフィンに転化する反応が起こり、オレフィンはゼオライトに吸着されるが、硫化水素は吸着破過が起こったために排出ガス中に検出されたと考えられる。なお、脱アルミニウム処理を施すことにより、強酸点は増大するが、脱アルミニウムの方法としては、水熱処理、酸溶液中での加熱処理、四塩化珪素などの珪素化合物ガス中での加熱などが知られている。
【００２６】
そこで、本発明者は、このようなゼオライトの性質に着目し、上述の第一ステップに引き続き、酸性質を持つゼオライトの下流に硫化水素吸着剤もしくは硫化水素吸収剤を有する第二ステップを具備すればよいことに思い至ったわけである。
【００２７】
（２）硫化水素吸着剤としては、銅、亜鉛、マンガン、鉄、白金族元素のうちいずれかの金属ないしは金属酸化物もしくは活性炭を含むものが望ましい。吸着機構は、金属に対しては、硫化水素の硫黄原子が遷移金属に配位したり、硫化物を形成したりしているものと考えられる。
【００２８】
これらの金属ないしは金属酸化物は活性炭に担持されていることが望ましい。活性炭は、比表面積が１０００〜３０００ｍ²／ｇと高いため、遷移金属を高分散に担持することができる。なお、活性炭自身も官能基を有しているため、硫化水素を吸着できる場合もある。
【００２９】
（３）硫化水素吸着剤としては、イオン交換サイトにアルカリ金属、アルカリ土類金属、銅、亜鉛、マンガン、鉄、銀のうちいずれかの金属を有するゼオライトを用いることが望ましい。これらの金属イオンが硫化水素吸着に果たす役割は、前述の機構と基本的には同じと考えられる。ゼオライトは金属をイオン交換できるが、これらの金属は、単原子もしくはクラスター状で存在し、かつゼオライトの比表面積は大きいため、硫化水素の吸着量を増すことができる。
【００３０】
（４）硫化水素吸収剤としてアルカリ性を示す物質を含む固体もしくはアルカリ性を示す溶液を用いることができる。これらの吸収剤の吸収機構は、中和反応である。アルカリ性を示す物質を含む固体としては、アミン添着活性炭などが挙げられ、アルカリ性を示す水溶液としては、水酸化カリウムや水酸化ナトリウムを溶解させた水溶液が挙げられる。
【００３１】
（５）硫化水素吸着剤として用いる亜鉛、銅、マンガンを含む吸着剤は、２００℃以上に保たれていることが望ましい。これらの物質は、特に還元雰囲気下、高温で用いると硫化物を形成し、高い硫化水素除去能力を発揮する。
【００３２】
（６）このような硫黄化合物吸着方法は、燃料電池用の燃料ガスの前処理として用いることができる。高分子電解質型燃料電池では、燃料から水蒸気改質により水素が生成され、水素中のＣＯを除去した後、スタックに供給される。水蒸気改質触媒としては、Ｒｕ系触媒やＮｉ系触媒が用いられるが、いずれの触媒も硫黄化合物は触媒毒となり劣化が進行する。そこで上述の硫黄化合物吸着方法を用いることにより、長期間にわたり安定した運転が可能となる。
【００３３】
（７）前述したように、これらの硫黄化合物をゼオライトを用いて吸着するためには、細孔内に硫黄化合物が入ることが重要である。ＴＢＭの分子の大きさは、約６Åなので、細孔径の大きな酸素１０員環以上の口径を持つゼオライトが望ましい。この様なゼオライトとして、Ｙ型、Ｘ型などのフォージャサイト型ゼオライトやＭＦＩ型ゼオライト、ベータ型ゼオライトが挙げられる。
【００３４】
なお、上述のような硫黄化合物吸着方法は、空気中の臭気成分の脱臭にも用いることができる。この場合には、第一吸着剤におけるメルカプタン、スルフィドの吸着機構は同じように進行すると考えられるが、第二吸着ステップで起こる反応は用いるものにより異なってくる。具体的には、アルカリ金属などで起こる中和反応では同じ状況が起こると考えられるが、遷移金属上では部分酸化によるＳ−Ｓ結合の生成反応が起こる可能性がある。ただし、硫化水素を効果的に除去できるという点には、両者において何ら変わりがない。
【００３５】
以下では、上述した硫黄化合物吸着方法の具体的な実施例について説明する。
【００３６】
（実施例１）
種々の吸着剤について都市ガス付臭剤の吸着挙動を調べた。吸着剤としては、Ｈ−Ｙ型ゼオライト（ＳｉＯ₂／Ａｌ₂Ｏ₃モル比＝５．５）、Ｈ−Ｙ型ゼオライトを６００℃で水蒸気気流中加熱し脱アルミニウム処理を施した超安定Ｙ型ゼオライト（以下ＵＳＹと略）、Ｈ−ＺＳＭ−５（ＳｉＯ₂／Ａｌ₂Ｏ₃モル比＝５０）、Ｈ−β型ゼオライト（ＳｉＯ₂／Ａｌ₂Ｏ₃モル比＝２０）、Ｎａ−Ｙ型ゼオライト（ＳｉＯ₂／Ａｌ₂Ｏ₃モル比＝５．７）、１０Ｘ（Ｃａ−Ｘ、ＳｉＯ₂／Ａｌ₂Ｏ₃モル比＝２．５）、Ｃａ−Ａ型ゼオライト（ＳｉＯ₂／Ａｌ₂Ｏ₃モル比＝２）を用いた。吸着剤は、圧縮成型後２．０〜３．３ｍｍに破砕した試料１．８ｇを内径１７ｍｍの試料管に充填し、用いた。この試料に、都市ガス（１３Ａ）を０．１３ｍ／ｓで流通させ、ＦＰＤを検出器とするガスクロマトグラフにより吸着挙動を調べた。前処理は窒素気流中５００℃で１ｈ行い、吸着は室温で行った。本試験における都市ガス中の付臭剤はＤＭＳとＴＢＭであり、濃度は各２．４ｐｐｍであった。
【００３７】
付臭剤吸着挙動は、試料により大きく異なり、開始後２〜４時間は優れた特性を示すが数時間後には急激に出口ガス中の付臭剤濃度が増加する試料と、初期から１０時間経過してもあまり出口ガス中の付臭剤濃度が変化しない試料に分かれた。このため、都市ガス流通開始から、９時間経過後の付臭剤除去率で吸着剤の優劣を判断した。結果及び９時間後の出口ガス中のＨ₂Ｓの濃度を（表１）に示した。なお、Ｎ．Ｄ．（ｎｏｔｄｅｔｅｃｔｅｄ）は、検出されなかったことを意味する。
【００３８】
（表１）に示すように、プロトンをイオン交換サイトに持つゼオライトは初期には高い吸着特性を示すが、急激に出口ガス中の硫黄化合物の濃度が上昇した。一方、Ｈ型、脱アルミニウム型のゼオライトは除去率は高い硫黄化合物除去率を続けることができるものの、硫化水素の発生が認められる。ただし、この除去率は吸着剤の量を増したり、流速を下げることにより、さらに上げることができる。
【００３９】
【表１】

（実施例２）
ＵＳＹを吸着剤として、（実施例１）と同様の条件でさらに継続的に試験を行ったところ、１００時間後のＤＭＳ除去率、ＴＢＭ除去率、硫化水素濃度はそれぞれ、３５％、４７％、４５０ｐｐｂであり、硫化水素濃度の増大が認められた。そこで、第一段に第一吸着剤としてＵＳＹをおき、第二段に第二吸着剤としてさらに硫化水素吸着剤をおき、硫化水素の出口ガス濃度を調べた。吸着剤の形状、充填量、試料管形状、前処理条件は、第一吸着剤と同じにした。第二吸着剤としては、活性炭、酸化亜鉛、酸化銅担持活性炭、三酸化二鉄、酸化マンガン担持活性炭、Ｐｄ／活性炭、Ｒｕ／活性炭、アミン添着活性炭、Ｎａ−Ｙ型ゼオライト（ＳｉＯ₂／Ａｌ₂Ｏ₃モル比＝５．７）、Ｈ−Ｙ型ゼオライト（ＳｉＯ₂／Ａｌ₂Ｏ₃モル比＝５．５）、を用いた。また、Ｎａ−Ｙを交換率１００％になるよう仕込んだ金属塩水溶液でイオン交換したのち、焼成して用いたＣａ−Ｙ、Ｃｕ−Ｙ、Ｚｎ−Ｙ、Ｍｎ−Ｙ、Ｆｅ−Ｙ、Ａｇ−Ｙを用いた。１０時間後と１００時間後の出口ガス中の硫化水素濃度を（表２）に示した。
【００４０】
（表２）に示すように、Ｈ−Ｙでは、１００時間後には、硫化水素は破過してきているが、これはＨ−Ｙでは硫化水素の吸着容量が少ないためである。一方、活性炭、酸化亜鉛、酸化銅担持活性炭、三酸化二鉄、酸化マンガン担持活性炭、貴金属系吸着剤、アミンを添着しアルカリ性にした活性炭や、アルカリ金属、アルカリ土類金属、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ａｇをイオン交換サイトに含むゼオライトは、硫化水素に対して、大きな吸着容量を持っているため、１００時間後でも吸着飽和に至っていなかった。
【００４１】
【表２】

なお、従来の活性炭を利用した硫黄化合物除去方法は、（１）２時間後には比較的高い除去率（ＤＭＳに対しては４０％、ＴＢＭに対しては６０％）を示すが、（２）９時間後には極めて低い除去率（ＤＭＳに対して１０％、ＴＢＭに対しては２０％）を示す。
【００４２】
（実施例３）
次に、第一段に第一吸着剤としてＵＳＹを、第二段にさらに硫化水素吸収剤として５００ｍｌの吸収液を満たしたガス吸収瓶をおき、硫化水素の出口ガス濃度を調べた。吸収液としては、５Ｎの水酸化ナトリウム水溶液もしくは水を用いた。実施例２と同様の条件で実験を行い、１０時間後と１００時間後の吸収液下流のガス中の硫化水素濃度を（表３）に示した。
【００４３】
（表３）に示すように、水では、１００時間後には、硫化水素は破過してきているが、これは水の硫化水素溶解量を超えるためである。一方、水酸化ナトリウム水溶液では、中和反応により硫化水素を除去できるために、水に比べて高い吸収量を得ることができた。以上より、アルカリ性を示す溶液を第二ステップの硫化水素吸収剤として用いることにより、長期間にわたり効果的に硫黄化合物を除去できる。
【００４４】
【表３】

（実施例４）
ＵＳＹを第一吸着剤として、第二段にさらに硫化水素吸着剤をおき、硫化水素の出口ガス濃度を調べた。吸着剤の形状、充填量、試料管形状、前処理条件は、第一吸着剤と同じにしたが、第二段の吸着剤は触媒層温度が、１５０、２００、３００℃となるようにそれぞれ加熱した。第二吸着剤としては酸化亜鉛、銅／アルミナ、酸化マンガンを用いた場合の結果を（表４）に示した。
【００４５】
（表４）に示すように、１０時間後ではいずれの吸着剤も優れた特性を示しているが、１５０℃の吸着剤では、５００時間後に硫化水素が破過してきていることがわかる。以上より、第二ステップの硫化水素吸着剤が亜鉛、銅、マンガンを含み２００℃以上に保たれていることが望ましい。
【００４６】
【表４】

（実施例５）
ＵＳＹを第一段吸着剤、Ｎａ−Ｘ（１３Ｘ）を第二吸着剤として、ペレット状のものを各２リットル用いて、吸着塔をつくり、水蒸気改質器（Ｒｕ触媒）２１、シフト反応器２２、選択酸化反応器２３を有する水素精製器さらには、スタック３１を有する１．２ｋＷ級の高分子固体電解質型燃料電池に接続した（図１参照）。ガスとしてはＤＭＳとＴＢＭを含む都市ガス１３Ａを原料として、５Ｌ／ｍｉｎ流通させ、連続試験を行い、定期的に水蒸気改質器下流のメタン濃度よりメタン転化率を求めた。一方、第二吸着剤を除いた吸着塔を用いて、同様に連続試験を行い、水蒸気改質触媒のメタン転化率の経時変化を調べた。結果を（表５）に示した。
【００４７】
（表５）に示すように、第二吸着剤を用いることにより、長期間にわたりより安定して燃料電池を運転することができる。つまり、上述の硫黄化合物除去方法を利用した脱硫は、燃料電池運転の前処理としても好適である。
【００４８】
【表５】

このように、本発明は、ガス中に含まれる硫黄化合物（特にメルカプタン化合物）を含むガスの脱硫に適した硫黄化合物の除去方法であって、暖房、給湯、乾燥、調理、冷蔵、空調機器などにおいて利用される脱臭にも適用可能であり、特に燃料ガスなど酸素濃度の極めて低い雰囲気中に含まれる硫黄化合物を効果的にかつ長期間にわたり除去できる硫黄化合物の除去方法を提供できる。
【００４９】
【発明の効果】
以上述べたところから明らかなように、本発明は、都市ガスなどに含まれる硫黄化合物の除去を長期間にわたり効果的に行うことができるという長所を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる実施の形態の燃料電池システムの構成図である。
【符号の説明】
１１硫黄化合物除去手段
１２硫化水素除去手段
２１水蒸気改質器（Ｒｕ触媒）
２２シフト反応器
２３選択酸化反応器
３１スタック

Claims

プロトンをイオン交換サイトにもつゼオライトおよび／または脱アルミニウム処理が行われたゼオライトに硫黄化合物を含むガスを通過させ、前記ゼオライトを利用して前記硫黄化合物を吸着する硫黄化合物吸着ステップと、
Ｈ−Ｙ型ゼオライト、ＭＦＩ型ゼオライト、およびアルカリ金属および／またはアルカリ土類金属をイオン交換サイトに有するゼオライトを除く、硫化水素吸着剤および／または硫化水素吸収剤に、前記硫黄化合物吸着ステップで利用された前記ゼオライトを通過した前記ガスを通過させ、前記硫黄化合物吸着ステップで発生した硫化水素を除去する硫化水素除去ステップと、を備え、
前記硫化水素吸着剤および／または前記硫化水素吸収剤は、前記硫黄化合物吸着ステップで利用された前記ゼオライトとは異なる、硫化水素吸着剤および／または硫化水素吸収剤である、硫黄化合物除去方法。
前記硫黄化合物吸着ステップは、室温で行われる請求項１記載の硫黄化合物除去方法。
前記硫化水素吸着剤は、（ａ）銅、亜鉛、マンガン、鉄、白金族元素の内の少なくとも一つまたはその金属酸化物、および／または（ｂ）活性炭を有する請求項１記載の硫黄化合物除去方法。
前記硫化水素吸着剤は、銅、亜鉛、マンガン、鉄、銀の内の少なくとも一つをイオン交換サイトに有するゼオライトである請求項１記載の硫黄化合物除去方法。
前記硫化水素吸収剤は、アルカリ性を示す固体または溶液である請求項１記載の硫黄化合物除去方法。
前記硫化水素吸着剤は、銅、亜鉛、マンガン、鉄の内の少なくとも一つを有し、２００℃以上に保たれている請求項１記載の硫黄化合物除去方法。
前記硫黄化合物を含むガスは、ＴＢＭを含む燃料ガスである請求項１記載の硫黄化合物除去方法。