JP4860077B2 - 窒素酸化物の高温での選択的接触還元用触媒の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に、廃触媒を用いた窒素酸化物の高温での選択的接触還元用触媒に関する。より具体的には、本発明は、精油工程の水素脱硫工程で排出されたアルミナ系の廃触媒を再利用することにより製造される窒素酸化物の高温での選択的接触還元用触媒の製造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、窒素酸化物は、炭化水素と共に、環境に悪影響を及ぼす酸性雨及び光酸化の主な原因として知られている。現在、韓国を含む殆どの国では、許容される基準値以上の窒素酸化物の排出が厳しく禁じられている。このため、燃焼系で排出される排気ガスから窒素酸化物を除去するための技術が提案されている。
【０００３】
窒素酸化物（ＮＯx）を効果的に除去する技術としては、通常、触媒と還元剤を一緒に使用する選択的接触還元（ＳＣＲ；Selective Catalytic Reduction）、触媒を使用しないで還元剤だけを使用する選択的非接触還元（ＳＮＣＲ；Selective Non-Catalytic Reduction）、燃焼炉内の燃焼状態を制御する低窒素酸化物バーナ技術（low-NOx burner）などに分類できる。この中で、二次汚染の発生、除去効率、作業コストなどを考慮すると、選択的接触還元が窒素酸化物を除去するための効果的な技術として評価されている。通常、選択的接触還元技術を使用すると、窒素酸化物を９０％以上の除去効率で除去することができ、かつ、その使用耐久期間は約２〜５年となり得る。その他、前記技術は、焼却炉内で猛毒性ダイオキシンを窒素酸化物と共に除去できるため、技術的に有益である。
【０００４】
このような選択的接触還元に有益な触媒は、その外形によって押出成形ハニカム（honeycomb）触媒、金属板（metal plate）触媒、ペレット（pellet）触媒に分類できる。最近の使用動向を見ると、蒸気発電所（steam power plant）及び焼却炉で押出成形ハニカム触媒及び金属板形態の触媒が広く使用されている。触媒の担体として有益なものは、チタニア、アルミナ、シリカ、ジルコニアなどであり、触媒の組成は、主としてバナジウム、モリブデン、ニッケル、タングステン、鉄、銅のような活性金属の酸化物を含有し、さらに、温度範囲を拡張し、かつ触媒の耐久性を強化する活性金属成分を含む。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
最近、チタニア、アルミナ、シリカ、ジルコニアのような無機酸化物の担体に触媒成分であるバナジウム、モリブデン、ニッケル、タングステンを担持させた後、熱処理によって酸化物の結晶相を含有させて製造される選択的接触還元用触媒が知られるようになった。
【０００６】
これに関連し、米国特許第５，８２７，４８９号は、チタニア、アルミナ、シリカ及びジルコニアのような無機酸化物担体に、バナジウム、モリブデン、ニッケル及びタングステンなどの触媒組成物を担持させることにより、結晶相の酸化物を含有する選択的接触還元用触媒を製造する方法を開示している。前記特許は、選択的接触還元用触媒として、硫黄酸化物に対して優れた耐毒性を示す担体及び触媒組成物を用い、活性金属の担持量、触媒の比表面積、孔径などを自由に調節して、適切な硫酸塩が添加された最適性能を有する触媒を製造し得る利点を有する。その一方で、前記特許は、担体及び触媒として使用する個々の単一物質（又は前駆物質）を触媒の製造及び混合方法で製造しなければならないので、製造コストが高くなるという欠点を有する。
【０００７】
したがって、窒素酸化物の選択的接触還元用触媒は、硫黄酸化物、水分及び粉塵に対して耐毒性を示す担体、活性金属の担持量、及び担体の比表面積及び孔径を自由に選択することにより、低温、中温及び高温での触媒活性を示すにように製造することができる。例えば、プラチナ系触媒は低温で使用され、バナジウムを担持させたチタニア触媒は中温で使用され、ゼオライト触媒は高温で使用される。
【０００８】
高温での選択的接触還元用触媒の場合、通常、大きい比表面積を有し、かつ、一定の限定量の活性金属をその中に含有する必要がある。大きい比表面積は、担体の結晶構造と密接に関連する。大きい比表面積を有する担体の例としては、アナターゼ結晶構造を有するチタニア、γ−アルミナ結晶構造を有するアルミナ、及びモルデナイトなどのゼオライトが挙げられる。高温での活性金属として有益なものは、バナジウム、タングステン、モリブデンなどがあるが、バナジウムは適正量以下で使用すべきであり、モリブデン及びタングステンは適正量以上で使用すべきである。
【０００９】
前述した触媒に関しては、バナジウムで担持させたアナターゼ結晶構造を有するチタニア担体を含有する触媒を選択的接触還元用触媒として使用することが、触媒の性能及び耐久性の面で最も好ましい。しかし、前記触媒は２００〜４００℃、好ましくは２５０〜３５０℃の限られた温度範囲でのみ使用できるが、これはバナジウムの特性及びチタニア担体の比表面積及び孔径に起因するものである。特に、アナターゼ結晶構造を有するチタニアは、多量の微小孔に起因する大きな比表面積を有し、約５５０℃で１０ｍ2／ｇの比表面積を有するルチル結晶構造に相転移する。一方、γ−アルミナは、排気ガスからの硫黄酸化物による毒性のため限定的に使用される。しかし、γ−アルミナは、１０００℃以上で約１〜５ｍ2／ｇの比表面積を有する構造に相転移されるため、毒性の課題を解決できれば高温での担体として適切である。４００〜６００℃の高温で良好な触媒性能を有する、押出成形されたゼオライト系触媒は、大きな比表面積と水分に起因した毒性のため押出成形が難しいので、広く使用されていない。しかし実際には、高温用触媒は５００℃以下の温度でガスタービン、船舶用エンジン及び発電所に適用されてきた。
【００１０】
一方、精油工場では、原油に含まれた硫黄成分を除去するための水素脱硫工程が必須的に用いられ、このような水素脱硫過程に使用された廃触媒が副産物として排出されている。しかし、このような廃触媒を再利用せずに廃棄処理する場合には、それらの処理コストが継続的にかかるため、経済的な観点では不利である。
【００１１】
この点に関しては、韓国特許公開第９５−７２２７７号及び米国特許第６，１７１，５６６号が精油工場の水素脱硫工程で排出された廃触媒を再利用について言及している。廃触媒などを再利用して製造した選択的接触還元用触媒は、単独物質を組み合わせた工程により製造した触媒に比べて、製造コストの低減、硫黄酸化物に対する固有の耐毒性、窒素酸化物の還元のための優れた活性を有する高含量の金属組成物を含有するなど、比較的有益である。しかしながら、選択的接触還元用触媒の製造に使用できる廃触媒は、全廃触媒の総排出量に対してわずか３０％の回収率で再利用可能であり、したがって前記課題を解決するための研究が続けられている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記従来技術の問題点を解決するため、精油工場の水素脱硫工程で排出される廃触媒を徹底的に検討した結果、少量のバナジウム及び多量のモリブデンで担持された大きな比表面積を有するアルミナ担体（好ましくは、γアルミナ）を含有する廃触媒を再利用して窒素酸化物の選択的接触還元用触媒を製造することができることを見出した。還元剤としてアンモニアの存在下で選択的接触還元に使用される場合、前記製造された触媒は、従来の触媒に比べて、適量の金属成分と良好な耐毒性を有するため、高温での窒素酸化物の選択的除去活性がより優れている。
【００１３】
したがって、本発明の目的は、高温で窒素酸化物に対する優れた選択的除去活性と硫黄酸化物に対する良好な耐毒性を有する触媒を提供することにある。
【００１４】
本発明のもう一つの目的は、精油工場の水素脱硫工程で排出される廃触媒を使用して窒素酸化物の高温での選択的接触還元用触媒を製造する方法を提供することにある。
【００１５】
本発明によれば、下記の段階を含むことを特徴とする窒素酸化物の高温での選択的接触還元用触媒の製造方法が提供される。
ａ）精油工場の水素脱硫工程で排出された、アルミナ担体に４重量％以下のバナジウム、４重量％以下のニッケル、５重量％以上のモリブデン及び１重量％以下の硫黄を含有する廃触媒を熱処理した後に水洗する前処理段階、
ｂ）チタニアの重量を基準として３〜１０重量％のタングステンを担持させたチタニアを調製する段階、
ｃ）前記前処理した廃触媒を粉砕した後、該粉砕した廃触媒を水及び酸を添加しながら前記タングステンを担持させたチタニアと均質に混合する段階、
ｄ）前記混合物を脱水処理してその中に含まれる剰余水分及び活性金属成分を除去する段階、
ｅ）前記脱水処理した混合物を１００〜２００℃で９時間以上乾燥した後、該乾燥した混合物をすりつぶす段階、及び
ｆ）前記すりつぶした混合物を押出成形することにより、又は構造体に前記すりつぶした混合物を被覆した後、一定温度及び湿度の条件下で乾燥し、該乾燥した構造体を焼成することにより触媒体を形成する段階。
【００１６】
本発明の前記及びその他の目的、特徴及びその他の利点は、添付図面を参照する後述される詳細な説明からより明確に理解することができる。
図１は、本発明により廃触媒を用いて窒素酸化物の高温での選択的接触還元用触媒を製造する工程を示す図である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明による窒素酸化物の高温での選択的接触還元用触媒の製造方法を示す。
本発明において、精油工場の水素脱硫工程で排出され、硫黄酸化物に対する耐毒性を有する廃触媒を使用する。この際に、廃触媒は、少量のバナジウム及び多量のモリブデンで担持されたアルミナ担体を含有する。この廃触媒は、１００〜１８０ｍ2／ｇの比較的大きな比表面積と１００〜１８０Åの孔径を有するアルミナ担体、好ましくはγアルミナ担体に、４重量％以下のバナジウム、４重量％以下のニッケル、５重量％以上のモリブデン及び１重量％以下の硫黄を含有する。少量のバナジウム及びニッケルと多量のモリブデンを含有する廃触媒を使用するのは、本発明の触媒が高温での触媒活性と硫黄酸化物に対する耐毒性を有しなければならないからである。
【００１８】
特に、バナジウム含量が４重量％を超える場合には、最終的に製造される触媒が、高温で多量の硫黄を含む排ガスに含有された窒素酸化物をアンモニアの存在の下に選択的に還元させる過程において、二酸化硫黄を三酸化硫黄に酸化させる。さらに、硫黄成分が１重量％を超えて存在する場合は、この成分は触媒毒として作用して最終に製造される触媒の活性が低下してしまう。一方、様々な不純物と一緒に存在する廃触媒中の油、炭素及び硫黄の一部を除去するため、この廃触媒を好ましくは３００〜４００℃で３〜５時間熱処理する。標準工程条件である前記熱処理温度では、炭素及び硫黄の一部（特に炭素）を効果的に除去することができる。その後、前記熱処理された廃触媒を、好ましくは、回分式曝気槽（batch-typed aeration bath）で約１時間ほど水で洗浄する水洗工程により、廃触媒に蓄積された硫黄成分及び過量の金属成分を除去する。
【００１９】
前記廃触媒に加えて、タングステンが担持されたチタニアを製造した後、前記前処理された廃触媒と混合する。タングステンをチタニアで担持する場合には、水に溶解できるアンモニウムメタタングステートを使用することが好ましい。ここで、タングステンが担持されたチタニアは、好ましくは５０〜１００ｍ2／ｇの比表面積と１５０〜２００Åの孔径を有し、かつ、アナターゼ結晶構造をも有する。この場合、チタニア重量を基準に３〜１０重量％のタングステンを担持させる。
【００２０】
その後、前処理した廃触媒を粉砕した後に、該粉砕した廃触媒をタングステンで担持したチタニア原料と５０：５０〜７０：３０の重量比で均質に混合する。前記廃触媒が５０重量％未満である場合、混合物中の活性金属が不足し、比表面積が大きくなりすぎるため問題となる。一方、廃触媒が７０重量％を超えると、混合物中の活性金属が多すぎ、その比表面積が小さくなりすぎるため問題となる。
【００２１】
前記粉砕及び混合段階は、湿式ボールミル反応器を使用して、好ましくは３〜４時間行われ、滴当量の水及び酸が添加されて、最終にスラリー状態の混合物が得られる。この際、前記酸は、廃触媒に含有された過量の金属成分を溶出するために使用される。このような溶出した活性金属成分は、前記タングステンで担持されたチタニア担体に再分散される。換言すれば、酸中に活性金属成分を溶出させると、廃触媒のアルミナ担体が過大な比表面積を有するようになり、剰余活性金属成分は、タングステンが担持された大きな比表面積を有するチタニア担体の孔に吸着される。添加される酸は、バナジウム、ニッケル、モリブデン及び有機成分のような活性金属を溶解し得るものでなければならない。過剰の酸の添加により、金属だけではなくアルミナ担体も溶解してしまうので、適量を使用する。そのような酸の例としてシュウ酸を挙げることができ、添加されるシュウ酸の量は、廃触媒に含有される金属成分に依存して、廃触媒を基準として１〜５重量％で添加することが好ましい。
【００２２】
その後、前記スラリー状態の混合物は、フィルタプレス（filter press）を用いて１．４７ＭＰａ（１５ｋｇ／ｃｍ2）の圧力下で均一に脱水して、含有された剰余水分と金属成分を除去し、最終に脱水ケーキを得る。
【００２３】
こうして得られた脱水ケーキを１００〜２００℃で９時間以上乾燥させ、好ましくは１００メッシュ以上の粒子サイズまですりつぶす。水分が除去されるこの乾燥段階は、添加した水及び酸を除去した後に残留する、溶解した活性金属をタングステンで担持されたチタニアを主として担持させるために実施される。前記すりつぶされた混合物は、好ましくはハニカム中に押出成形されるか、又は構造体を被覆して触媒体を形成し、好ましくは１００〜１２０℃の恒温恒湿状態で２４時間以上乾燥させた後、好ましくは４５０〜５５０℃で３時間以上焼成させて、本発明の触媒を製造する。このときに使用される前記構造体としては、発泡性メタル(sparking metal)又はコーデェライト（cordierite）のようなセラミックが好ましい。
【００２４】
本発明によると、上述したように製造された窒素酸化物の高温での選択的接触還元用触媒は、最終的に１〜３重量％のバナジウム、１〜３重量％のニッケル、２〜８重量％のモリブデン、及び１〜７重量％のタングステンをアルミナ及びチタニア混合担体に含有し、かつ、比表面積が１００〜１５０ｍ2／ｇ、孔径が１２０〜１８０Åである特性を有する。その他、本発明の触媒は、２４０〜４８０℃の活性温度で９０％以上の窒素酸化物の転換率を有する。特に、ニ酸化硫黄を三酸化硫黄に酸化するバナジウムの少量が触媒中に含まれているため、本発明の触媒は、多量の硫黄成分が含まれた排気ガス中に含有される窒素酸化物を高温で還元剤としてアンモニアを存在させた状態で選択的に還元することができる。
【００２５】
本発明の具体的な説明は、以下に記載される実施例によって得られるが、本発明はこの範囲に限定されるものではない。
【００２６】
【実施例】
（実施例１）
水素脱硫工程から排出された、不純物の除去された廃触媒を４００℃で３時間熱処理した後、水洗し、これを“触媒Ａ”と名付けた。
アンモニウムメタタングステートを固体含量が２０〜２５重量％であるメタチタン酸スラリーに添加し、均質に混合した。ここでは、アンモニアメタタングステートをスラリーの固体重量を基準として５重量％の量で添加した。その後、５５０℃で２時間熱処理し、これを“触媒Ｂ”と名付けた。
２５０ｇの触媒Ａを粉砕し、ボールミル反応器内で２５０ｇの触媒Ｂと混合した後、５００ｇの水と８ｇのシュウ酸を加えながら混合段階を行った。次いで、この混合物を１．４７ＭＰａ（１５ｋｇ／ｃｍ2）の圧力でフィルタプレスし、１２０℃で２４時間乾燥し、１２０メッシュの粒子の大きさになるまですりつぶした。その後、４５０℃で３時間焼成を行って粉末形態の触媒を生成し、これを“触媒Ｃ”と名付けた。
触媒Ａ、Ｂ及びＣの各化学組成をＸＲＦ及びＩＣＰ法を用いて分析し、その結果を下記の表１に示す。
【００２７】
【表１】
【００２８】
また、触媒Ａ、Ｂ及びＣの物理的特性を下記の表２に示すように決定した。
【００２９】
【表２】
【００３０】
ガス時間空間速度が１００，０００／ｈｒである苛酷条件で、一酸化窒素（ＮＯ）５００ｐｐｍ及びアンモニア（ＮＨ3）５００ｐｐｍの存在下で触媒Ａ、Ｂ及びＣの性能試験を行い、反応温度を３０〜５００℃の範囲で５℃／分の速度で昇温させた。その結果は下記の表３に示した。
【００３１】
【表３】
【００３２】
上記表から分かるように、比表面積が１００〜１５０ｍ2／ｇであり、孔径が１２０〜８０Åであり、１〜３重量％のバナジウム、１〜３重量％のニッケル、２〜８重量％のモリブデン及び１〜７重量％のタングステンを含有する触媒は、２４０〜４８０℃の活性温度において１００％の窒素還元触媒活性を有するので、高温で窒素酸化物の選択的接触還元に適する。
【００３３】
（実施例２）
焼成過程を実施しなかったことを除いて、実施例１の触媒Ｃと同じ方法で触媒体用の混合原料を製造した。この混合原料４６重量％、水４２重量％、軽油１重量％、メチルセルロース４重量％、ガラス繊維３重量％及びカオリナイト４重量％を混合し、練った後、それぞれ１００セルと２５セルを有するハニカム形状に押出成形した。各押出成形したハニカムを１２０℃で２４時間乾燥し、４５０℃で３時間焼成して触媒Ｄを製造した。
触媒Ｄの化学組成を下記の表４に示すようにＸＲＦ及びＩＣＰ法を用いて分析した。
【００３４】
【表４】
【００３５】
触媒Ｄを還元剤としてアンモニアを存在させた状態で窒素酸化物の除去活性に対する試験を行った。この触媒体の性能試験をガス時間空間速度が５，０００／ｈｒである選択的接触還元反応器の操作条件において、５００ｐｐｍの一酸化窒素（ＮＯ）及び５００ｐｐｍのアンモニア（ＮＨ3）の存在下で実施し、反応温度を３０〜５００℃として５℃／ｍｉｎの速度で昇温させた。その結果を下記の表５に示した。
【００３６】
【表５】
【００３７】
前記表の結果から、触媒体の除去活性が２４０〜４８０℃の高温範囲で優れることが見出された。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように、本発明の方法により製造された触媒と、チタニア又はアルミナ担体だけを含有する触媒を、高温での選択的接触還元用触媒として使用する場合、前者の触媒は後者の触媒と比べて優れた触媒性能を有する。本発明によれば、廃触媒を最大効率で再利用することができるため、触媒の製造コストを低くすることができる。そのほか、本発明の触媒は、硫黄酸化物に対する優れた耐毒性を有する。したがって、高温で多量の硫黄を含有する排ガス中の窒素酸化物に対する高い除去効率を得ることができる。
【００３９】
これまで本発明を例示的な方法で説明してきたが、本発明で使用される用語は、限定的というよりは説明のために用いられていることを理解すべきである。前記の示唆から本発明では、多くの修正や変形例が可能である。したがって、本発明は特許請求の範囲内で上述したもの以外の方式で実施できることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明により廃触媒を用いて窒素酸化物の高温での選択的接触還元用触媒を製造する工程を示す図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に、廃触媒を用いた窒素酸化物の高温での選択的接触還元用触媒に関する。より具体的には、本発明は、精油工程の水素脱硫工程で排出されたアルミナ系の廃触媒を再利用することにより製造される窒素酸化物の高温での選択的接触還元用触媒の製造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、窒素酸化物は、炭化水素と共に、環境に悪影響を及ぼす酸性雨及び光酸化の主な原因として知られている。現在、韓国を含む殆どの国では、許容される基準値以上の窒素酸化物の排出が厳しく禁じられている。このため、燃焼系で排出される排気ガスから窒素酸化物を除去するための技術が提案されている。
【０００３】
窒素酸化物（ＮＯx）を効果的に除去する技術としては、通常、触媒と還元剤を一緒に使用する選択的接触還元（ＳＣＲ；Selective Catalytic Reduction）、触媒を使用しないで還元剤だけを使用する選択的非接触還元（ＳＮＣＲ；Selective Non-Catalytic Reduction）、燃焼炉内の燃焼状態を制御する低窒素酸化物バーナ技術（low-NOx burner）などに分類できる。この中で、二次汚染の発生、除去効率、作業コストなどを考慮すると、選択的接触還元が窒素酸化物を除去するための効果的な技術として評価されている。通常、選択的接触還元技術を使用すると、窒素酸化物を９０％以上の除去効率で除去することができ、かつ、その使用耐久期間は約２〜５年となり得る。その他、前記技術は、焼却炉内で猛毒性ダイオキシンを窒素酸化物と共に除去できるため、技術的に有益である。
【０００４】
このような選択的接触還元に有益な触媒は、その外形によって押出成形ハニカム（honeycomb）触媒、金属板（metal plate）触媒、ペレット（pellet）触媒に分類できる。最近の使用動向を見ると、蒸気発電所（steam power plant）及び焼却炉で押出成形ハニカム触媒及び金属板形態の触媒が広く使用されている。触媒の担体として有益なものは、チタニア、アルミナ、シリカ、ジルコニアなどであり、触媒の組成は、主としてバナジウム、モリブデン、ニッケル、タングステン、鉄、銅のような活性金属の酸化物を含有し、さらに、温度範囲を拡張し、かつ触媒の耐久性を強化する活性金属成分を含む。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
最近、チタニア、アルミナ、シリカ、ジルコニアのような無機酸化物の担体に触媒成分であるバナジウム、モリブデン、ニッケル、タングステンを担持させた後、熱処理によって酸化物の結晶相を含有させて製造される選択的接触還元用触媒が知られるようになった。
【０００６】
これに関連し、米国特許第５，８２７，４８９号は、チタニア、アルミナ、シリカ及びジルコニアのような無機酸化物担体に、バナジウム、モリブデン、ニッケル及びタングステンなどの触媒組成物を担持させることにより、結晶相の酸化物を含有する選択的接触還元用触媒を製造する方法を開示している。前記特許は、選択的接触還元用触媒として、硫黄酸化物に対して優れた耐毒性を示す担体及び触媒組成物を用い、活性金属の担持量、触媒の比表面積、孔径などを自由に調節して、適切な硫酸塩が添加された最適性能を有する触媒を製造し得る利点を有する。その一方で、前記特許は、担体及び触媒として使用する個々の単一物質（又は前駆物質）を触媒の製造及び混合方法で製造しなければならないので、製造コストが高くなるという欠点を有する。
【０００７】
したがって、窒素酸化物の選択的接触還元用触媒は、硫黄酸化物、水分及び粉塵に対して耐毒性を示す担体、活性金属の担持量、及び担体の比表面積及び孔径を自由に選択することにより、低温、中温及び高温での触媒活性を示すにように製造することができる。例えば、プラチナ系触媒は低温で使用され、バナジウムを担持させたチタニア触媒は中温で使用され、ゼオライト触媒は高温で使用される。
【０００８】
高温での選択的接触還元用触媒の場合、通常、大きい比表面積を有し、かつ、一定の限定量の活性金属をその中に含有する必要がある。大きい比表面積は、担体の結晶構造と密接に関連する。大きい比表面積を有する担体の例としては、アナターゼ結晶構造を有するチタニア、γ−アルミナ結晶構造を有するアルミナ、及びモルデナイトなどのゼオライトが挙げられる。高温での活性金属として有益なものは、バナジウム、タングステン、モリブデンなどがあるが、バナジウムは適正量以下で使用すべきであり、モリブデン及びタングステンは適正量以上で使用すべきである。
【０００９】
前述した触媒に関しては、バナジウムで担持させたアナターゼ結晶構造を有するチタニア担体を含有する触媒を選択的接触還元用触媒として使用することが、触媒の性能及び耐久性の面で最も好ましい。しかし、前記触媒は２００〜４００℃、好ましくは２５０〜３５０℃の限られた温度範囲でのみ使用できるが、これはバナジウムの特性及びチタニア担体の比表面積及び孔径に起因するものである。特に、アナターゼ結晶構造を有するチタニアは、多量の微小孔に起因する大きな比表面積を有し、約５５０℃で１０ｍ2／ｇの比表面積を有するルチル結晶構造に相転移する。一方、γ−アルミナは、排気ガスからの硫黄酸化物による毒性のため限定的に使用される。しかし、γ−アルミナは、１０００℃以上で約１〜５ｍ2／ｇの比表面積を有する構造に相転移されるため、毒性の課題を解決できれば高温での担体として適切である。４００〜６００℃の高温で良好な触媒性能を有する、押出成形されたゼオライト系触媒は、大きな比表面積と水分に起因した毒性のため押出成形が難しいので、広く使用されていない。しかし実際には、高温用触媒は５００℃以下の温度でガスタービン、船舶用エンジン及び発電所に適用されてきた。
【００１０】
一方、精油工場では、原油に含まれた硫黄成分を除去するための水素脱硫工程が必須的に用いられ、このような水素脱硫過程に使用された廃触媒が副産物として排出されている。しかし、このような廃触媒を再利用せずに廃棄処理する場合には、それらの処理コストが継続的にかかるため、経済的な観点では不利である。
【００１１】
この点に関しては、韓国特許公開第９５−７２２７７号及び米国特許第６，１７１，５６６号が精油工場の水素脱硫工程で排出された廃触媒を再利用について言及している。廃触媒などを再利用して製造した選択的接触還元用触媒は、単独物質を組み合わせた工程により製造した触媒に比べて、製造コストの低減、硫黄酸化物に対する固有の耐毒性、窒素酸化物の還元のための優れた活性を有する高含量の金属組成物を含有するなど、比較的有益である。しかしながら、選択的接触還元用触媒の製造に使用できる廃触媒は、全廃触媒の総排出量に対してわずか３０％の回収率で再利用可能であり、したがって前記課題を解決するための研究が続けられている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記従来技術の問題点を解決するため、精油工場の水素脱硫工程で排出される廃触媒を徹底的に検討した結果、少量のバナジウム及び多量のモリブデンで担持された大きな比表面積を有するアルミナ担体（好ましくは、γアルミナ）を含有する廃触媒を再利用して窒素酸化物の選択的接触還元用触媒を製造することができることを見出した。還元剤としてアンモニアの存在下で選択的接触還元に使用される場合、前記製造された触媒は、従来の触媒に比べて、適量の金属成分と良好な耐毒性を有するため、高温での窒素酸化物の選択的除去活性がより優れている。
【００１３】
したがって、本発明の目的は、高温で窒素酸化物に対する優れた選択的除去活性と硫黄酸化物に対する良好な耐毒性を有する触媒を提供することにある。
【００１４】
本発明のもう一つの目的は、精油工場の水素脱硫工程で排出される廃触媒を使用して窒素酸化物の高温での選択的接触還元用触媒を製造する方法を提供することにある。
【００１５】
本発明によれば、下記の段階を含むことを特徴とする窒素酸化物の高温での選択的接触還元用触媒の製造方法が提供される。
ａ）精油工場の水素脱硫工程で排出された、アルミナ担体に４重量％以下のバナジウム、４重量％以下のニッケル、５重量％以上のモリブデン及び１重量％以下の硫黄を含有する廃触媒を熱処理した後に水洗する前処理段階、
ｂ）チタニアの重量を基準として３〜１０重量％のタングステンを担持させたチタニアを調製する段階、
ｃ）前記前処理した廃触媒を粉砕した後、該粉砕した廃触媒を水及び酸を添加しながら前記タングステンを担持させたチタニアと均質に混合する段階、
ｄ）前記混合物を脱水処理してその中に含まれる剰余水分及び活性金属成分を除去する段階、
ｅ）前記脱水処理した混合物を１００〜２００℃で９時間以上乾燥した後、該乾燥した混合物をすりつぶす段階、及び
ｆ）前記すりつぶした混合物を押出成形することにより、又は構造体に前記すりつぶした混合物を被覆した後、一定温度及び湿度の条件下で乾燥し、該乾燥した構造体を焼成することにより触媒体を形成する段階。
【００１６】
本発明の前記及びその他の目的、特徴及びその他の利点は、添付図面を参照する後述される詳細な説明からより明確に理解することができる。
図１は、本発明により廃触媒を用いて窒素酸化物の高温での選択的接触還元用触媒を製造する工程を示す図である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明による窒素酸化物の高温での選択的接触還元用触媒の製造方法を示す。
本発明において、精油工場の水素脱硫工程で排出され、硫黄酸化物に対する耐毒性を有する廃触媒を使用する。この際に、廃触媒は、少量のバナジウム及び多量のモリブデンで担持されたアルミナ担体を含有する。この廃触媒は、１００〜１８０ｍ2／ｇの比較的大きな比表面積と１００〜１８０Åの孔径を有するアルミナ担体、好ましくはγアルミナ担体に、４重量％以下のバナジウム、４重量％以下のニッケル、５重量％以上のモリブデン及び１重量％以下の硫黄を含有する。少量のバナジウム及びニッケルと多量のモリブデンを含有する廃触媒を使用するのは、本発明の触媒が高温での触媒活性と硫黄酸化物に対する耐毒性を有しなければならないからである。
【００１８】
特に、バナジウム含量が４重量％を超える場合には、最終的に製造される触媒が、高温で多量の硫黄を含む排ガスに含有された窒素酸化物をアンモニアの存在の下に選択的に還元させる過程において、二酸化硫黄を三酸化硫黄に酸化させる。さらに、硫黄成分が１重量％を超えて存在する場合は、この成分は触媒毒として作用して最終に製造される触媒の活性が低下してしまう。一方、様々な不純物と一緒に存在する廃触媒中の油、炭素及び硫黄の一部を除去するため、この廃触媒を好ましくは３００〜４００℃で３〜５時間熱処理する。標準工程条件である前記熱処理温度では、炭素及び硫黄の一部（特に炭素）を効果的に除去することができる。その後、前記熱処理された廃触媒を、好ましくは、回分式曝気槽（batch-typed aeration bath）で約１時間ほど水で洗浄する水洗工程により、廃触媒に蓄積された硫黄成分及び過量の金属成分を除去する。
【００１９】
前記廃触媒に加えて、タングステンが担持されたチタニアを製造した後、前記前処理された廃触媒と混合する。タングステンをチタニアで担持する場合には、水に溶解できるアンモニウムメタタングステートを使用することが好ましい。ここで、タングステンが担持されたチタニアは、好ましくは５０〜１００ｍ2／ｇの比表面積と１５０〜２００Åの孔径を有し、かつ、アナターゼ結晶構造をも有する。この場合、チタニア重量を基準に３〜１０重量％のタングステンを担持させる。
【００２０】
その後、前処理した廃触媒を粉砕した後に、該粉砕した廃触媒をタングステンで担持したチタニア原料と５０：５０〜７０：３０の重量比で均質に混合する。前記廃触媒が５０重量％未満である場合、混合物中の活性金属が不足し、比表面積が大きくなりすぎるため問題となる。一方、廃触媒が７０重量％を超えると、混合物中の活性金属が多すぎ、その比表面積が小さくなりすぎるため問題となる。
【００２１】
前記粉砕及び混合段階は、湿式ボールミル反応器を使用して、好ましくは３〜４時間行われ、滴当量の水及び酸が添加されて、最終にスラリー状態の混合物が得られる。この際、前記酸は、廃触媒に含有された過量の金属成分を溶出するために使用される。このような溶出した活性金属成分は、前記タングステンで担持されたチタニア担体に再分散される。換言すれば、酸中に活性金属成分を溶出させると、廃触媒のアルミナ担体が過大な比表面積を有するようになり、剰余活性金属成分は、タングステンが担持された大きな比表面積を有するチタニア担体の孔に吸着される。添加される酸は、バナジウム、ニッケル、モリブデン及び有機成分のような活性金属を溶解し得るものでなければならない。過剰の酸の添加により、金属だけではなくアルミナ担体も溶解してしまうので、適量を使用する。そのような酸の例としてシュウ酸を挙げることができ、添加されるシュウ酸の量は、廃触媒に含有される金属成分に依存して、廃触媒を基準として１〜５重量％で添加することが好ましい。
【００２２】
その後、前記スラリー状態の混合物は、フィルタプレス（filter press）を用いて１．４７ＭＰａ（１５ｋｇ／ｃｍ2）の圧力下で均一に脱水して、含有された剰余水分と金属成分を除去し、最終に脱水ケーキを得る。
【００２３】
こうして得られた脱水ケーキを１００〜２００℃で９時間以上乾燥させ、好ましくは１００メッシュ以上の粒子サイズまですりつぶす。水分が除去されるこの乾燥段階は、添加した水及び酸を除去した後に残留する、溶解した活性金属をタングステンで担持されたチタニアを主として担持させるために実施される。前記すりつぶされた混合物は、好ましくはハニカム中に押出成形されるか、又は構造体を被覆して触媒体を形成し、好ましくは１００〜１２０℃の恒温恒湿状態で２４時間以上乾燥させた後、好ましくは４５０〜５５０℃で３時間以上焼成させて、本発明の触媒を製造する。このときに使用される前記構造体としては、発泡性メタル(sparking metal)又はコーデェライト（cordierite）のようなセラミックが好ましい。
【００２４】
本発明によると、上述したように製造された窒素酸化物の高温での選択的接触還元用触媒は、最終的に１〜３重量％のバナジウム、１〜３重量％のニッケル、２〜８重量％のモリブデン、及び１〜７重量％のタングステンをアルミナ及びチタニア混合担体に含有し、かつ、比表面積が１００〜１５０ｍ2／ｇ、孔径が１２０〜１８０Åである特性を有する。その他、本発明の触媒は、２４０〜４８０℃の活性温度で９０％以上の窒素酸化物の転換率を有する。特に、ニ酸化硫黄を三酸化硫黄に酸化するバナジウムの少量が触媒中に含まれているため、本発明の触媒は、多量の硫黄成分が含まれた排気ガス中に含有される窒素酸化物を高温で還元剤としてアンモニアを存在させた状態で選択的に還元することができる。
【００２５】
本発明の具体的な説明は、以下に記載される実施例によって得られるが、本発明はこの範囲に限定されるものではない。
【００２６】
【実施例】
（実施例１）
水素脱硫工程から排出された、不純物の除去された廃触媒を４００℃で３時間熱処理した後、水洗し、これを“触媒Ａ”と名付けた。
アンモニウムメタタングステートを固体含量が２０〜２５重量％であるメタチタン酸スラリーに添加し、均質に混合した。ここでは、アンモニアメタタングステートをスラリーの固体重量を基準として５重量％の量で添加した。その後、５５０℃で２時間熱処理し、これを“触媒Ｂ”と名付けた。
２５０ｇの触媒Ａを粉砕し、ボールミル反応器内で２５０ｇの触媒Ｂと混合した後、５００ｇの水と８ｇのシュウ酸を加えながら混合段階を行った。次いで、この混合物を１．４７ＭＰａ（１５ｋｇ／ｃｍ2）の圧力でフィルタプレスし、１２０℃で２４時間乾燥し、１２０メッシュの粒子の大きさになるまですりつぶした。その後、４５０℃で３時間焼成を行って粉末形態の触媒を生成し、これを“触媒Ｃ”と名付けた。
触媒Ａ、Ｂ及びＣの各化学組成をＸＲＦ及びＩＣＰ法を用いて分析し、その結果を下記の表１に示す。
【００２７】
【表１】
また、触媒Ａ、Ｂ及びＣの物理的特性を下記の表２に示すように決定した。
【００２９】
【表２】
ガス時間空間速度が１００，０００／ｈｒである苛酷条件で、一酸化窒素（ＮＯ）５００ｐｐｍ及びアンモニア（ＮＨ3）５００ｐｐｍの存在下で触媒Ａ、Ｂ及びＣの性能試験を行い、反応温度を３０〜５００℃の範囲で５℃／分の速度で昇温させた。その結果は下記の表３に示した。
【００３１】
【表３】
上記表から分かるように、比表面積が１００〜１５０ｍ2／ｇであり、孔径が１２０〜８０Åであり、１〜３重量％のバナジウム、１〜３重量％のニッケル、２〜８重量％のモリブデン及び１〜７重量％のタングステンを含有する触媒は、２４０〜４８０℃の活性温度において１００％の窒素還元触媒活性を有するので、高温で窒素酸化物の選択的接触還元に適する。
【００３３】
（実施例２）
焼成過程を実施しなかったことを除いて、実施例１の触媒Ｃと同じ方法で触媒体用の混合原料を製造した。この混合原料４６重量％、水４２重量％、軽油１重量％、メチルセルロース４重量％、ガラス繊維３重量％及びカオリナイト４重量％を混合し、練った後、それぞれ１００セルと２５セルを有するハニカム形状に押出成形した。各押出成形したハニカムを１２０℃で２４時間乾燥し、４５０℃で３時間焼成して触媒Ｄを製造した。
触媒Ｄの化学組成を下記の表４に示すようにＸＲＦ及びＩＣＰ法を用いて分析した。
【００３４】
【表４】
触媒Ｄを還元剤としてアンモニアを存在させた状態で窒素酸化物の除去活性に対する試験を行った。この触媒体の性能試験をガス時間空間速度が５，０００／ｈｒである選択的接触還元反応器の操作条件において、５００ｐｐｍの一酸化窒素（ＮＯ）及び５００ｐｐｍのアンモニア（ＮＨ3）の存在下で実施し、反応温度を３０〜５００℃として５℃／ｍｉｎの速度で昇温させた。その結果を下記の表５に示した。
【００３６】
【表５】
前記表の結果から、触媒体の除去活性が２４０〜４８０℃の高温範囲で優れることが見出された。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように、本発明の方法により製造された触媒と、チタニア又はアルミナ担体だけを含有する触媒を、高温での選択的接触還元用触媒として使用する場合、前者の触媒は後者の触媒と比べて優れた触媒性能を有する。本発明によれば、廃触媒を最大効率で再利用することができるため、触媒の製造コストを低くすることができる。そのほか、本発明の触媒は、硫黄酸化物に対する優れた耐毒性を有する。したがって、高温で多量の硫黄を含有する排ガス中の窒素酸化物に対する高い除去効率を得ることができる。
【００３９】
これまで本発明を例示的な方法で説明してきたが、本発明で使用される用語は、限定的というよりは説明のために用いられていることを理解すべきである。前記の示唆から本発明では、多くの修正や変形例が可能である。したがって、本発明は特許請求の範囲内で上述したもの以外の方式で実施できることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明により廃触媒を用いて窒素酸化物の高温での選択的接触還元用触媒を製造する工程を示す図である。
Claims (10)
- 下記の段階を含むことを特徴とする、２４０〜４８０℃の活性温度で９０％以上の窒素酸化物の転換率を有する窒素酸化物の選択的接触還元のための触媒の製造方法。
ａ）精油工場の水素脱硫工程で排出された、アルミナ担体に４重量％以下のバナジウム、４重量％以下のニッケル、５重量％以上のモリブデン及び１重量％以下の硫黄を含有する廃触媒を熱処理した後に水洗する前処理段階、
ｂ）チタニアの重量を基準として３〜１０重量％のタングステンを担持させたチタニアを調製する段階、
ｃ）前記前処理した廃触媒を粉砕した後、該粉砕した廃触媒を水及び酸を添加しながら前記タングステンを担持させたチタニアと均質に混合する段階であって、前記の廃触媒及びタングステンを担持させたチタニアが、５０：５０〜７０：３０の重量比で混合される段階、
ｄ）前記混合物を脱水処理してその中に含まれる剰余水分及び活性金属成分を除去する段階、
ｅ）前記脱水処理した混合物を１００〜２００℃で９時間以上乾燥した後、該乾燥した混合物をすりつぶす段階、及び
ｆ）前記すりつぶした混合物を押出成形することにより、又は構造体に前記すりつぶした混合物を被覆した後、一定温度及び湿度の条件下で乾燥し、該乾燥した構造体を焼成することにより触媒体を形成する段階。 - 前記ｃ）段階の酸がシュウ酸であり、該シュウ酸を廃触媒を基準として１〜５重量％の量で添加する請求項１に記載の方法。
- 前記チタニアがアナターゼ結晶構造を有する請求項１又は２に記載の方法。
- 前記廃触媒中のアルミナ担体が１００〜１８０ｍ2／ｇの比表面積と１００〜１８０Åの孔径とを有する請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
- 前記アルミナ担体がγ−アルミナからなる請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ａ）段階の熱処理を３００〜４００℃で３〜５時間行う請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ｆ）段階の乾燥を１００〜１２０℃で２４時間以上行う請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ｆ）段階の焼成を４５０〜５５０℃で３時間以上行う請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
- 請求項１〜８のいずれか一項に記載の製造方法で製造された、窒素酸化物を２４０〜４８０℃の活性温度で９０％以上の窒素酸化物の転換率で選択的接触還元するための触媒。
- 前記触媒が、アルミナ及びチタニア混合担体に１〜３重量％のバナジウム、１〜３重量％のニッケル、２〜８重量％のモリブデン及び１〜７重量％のタングステンを含有し、かつ、１００〜１５０ｍ2／ｇの比表面積及び１２０〜１８０Åの孔径を有する請求項９に記載の触媒。
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