JP5294927B2 - 炭化水素油の脱硫方法及び燃料電池システム - Google Patents
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Description
前記固体酸系脱硫剤が、酸化アルミニウムを20〜99.9質量%および硫黄を0.10〜3.00質量%含有し、比表面積が150m 2 /g以上、ならびに細孔容積が0.35ml/g以上であり、かつピリジン吸着フーリエ変換赤外分光分析により測定したルイス酸点に起因するピーク(1450±5cm -1 )のピーク高さI 1450 に対するブレンステッド酸点に起因するピーク(1540±5cm -1 )のピーク高さI 1540 の比(I 1540 /I 1450 )が0.12以下であるルイス酸系脱硫剤であり、
前記炭化水素油を、ゼオライト系吸着剤と接触させ、次いで、前記固体酸系脱硫剤と接触させることを特徴とする炭化水素油の脱硫方法。
〔2〕前記酸化アルミニウムがγ−アルミナであることを特徴とする上記〔1〕に記載の炭化水素油の脱硫方法。
〔3〕前記ゼオライト系吸着剤が、A型ゼオライト、フェリエライト、ZSM−5、モルデナイト、L型ゼオライト、βゼオライト及びフォージャサイト型ゼオライトよりなる群から選ばれることを特徴とする上記〔1〕に記載の炭化水素油の脱硫方法。
〔4〕前記ゼオライト系吸着剤の陽イオンが、ナトリウムイオン、カリウムイオン及びカルシウムイオンよりなる群から選ばれることを特徴とする上記〔3〕に記載の炭化水素油の脱硫方法。
〔5〕前記ルイス酸系脱硫剤による脱硫方法の前処理として、活性炭系脱硫剤、またはピリジン吸着フーリエ変換赤外分光分析により測定したルイス酸点に起因するピーク(1450±5cm-1)のピーク高さI1450に対するブレンステッド酸点に起因するピーク(1540±5cm-1)のピーク高さI1540の比(I1540/I1450)が0.12を超えるブレンステッド酸系脱硫剤のいずれか1つ、または両方を用いて、予め脱硫することを特徴とする上記〔1〕に記載の炭化水素油の脱硫方法。
〔6〕前記ルイス酸系脱硫剤による脱硫方法の前処理として、前記活性炭系脱硫剤を用いて、予め脱硫し、次いで、前記ゼオライト系吸着剤と接触させ、さらにその後に、前記ブレンステッド酸系脱硫剤を用いて脱硫し、最後に前記ルイス酸系脱硫剤を用いて脱硫することを特徴とする上記〔5〕に記載の炭化水素油の脱硫方法。
〔7〕100℃以下の温度で前記脱硫剤と前記炭化水素油とを接触させることを特徴とする上記〔1〕〜〔6〕のいずれかに記載の炭化水素油の脱硫方法。
〔8〕前記炭化水素油が、灯油又は軽油であり、硫黄分が0.1〜10質量ppmであることを特徴とする上記〔1〕〜〔7〕のいずれかに記載の炭化水素油の脱硫方法。
前記脱硫手段で脱硫した炭化水素油を前記燃料電池の原燃料として使用することを特徴とする燃料電池システム。
本発明の炭化水素油の脱硫方法は、固体酸系脱硫剤を用いて、炭化水素油の硫黄分を低減する。ここで、本発明の炭化水素油の脱硫方法に用いる固体酸系脱硫剤は、固体酸からなる或いは該固体酸を含む脱硫剤である。固体酸系脱硫剤に用いられる固体酸は、好ましくは酸化アルミニウム(いわゆるアルミナ)を20〜99.9質量%、硫黄を0.10〜3.00質量%含有し、比表面積が好ましくは150m2/g以上であり、細孔容積が好ましくは0.35ml/g以上であり、ピリジン吸着フーリエ変換赤外分光分析(FT−IR)により測定したルイス酸点に起因するピーク(1450±5cm-1)のピーク高さI1450に対するブレンステッド酸点に起因するピーク(1540±5cm-1)のピーク高さI1540の比(I1540/I1450)が好ましくは0.12以下である。また、該固体酸は、250℃から700℃までの質量減少率(A)に対する250℃から1000℃までの質量減少率(B)の比(B/A)が1.3以上のものであることが好ましい。
上述した固体酸は、そのまま本発明の脱硫方法における脱硫剤として用いることができるが、固体酸に、シリカ、アルミナ、ゼオライトなどの他の無機微粒子や活性炭などを混合して、粘土やピッチなどのバインダーを加えて成形および焼成し、脱硫剤が吸着し難い硫黄化合物の吸着性能を向上させたり、メソ孔及びマクロ孔の存在量を増やしたりして、硫黄化合物の拡散速度を向上させてもよい。また、酸化金属を担持したり混合したりするなどして、金属と複合化することにより、吸着性能を向上させてもよい。金属としては、ルイス酸性を向上させるために、特にガリウムを担持することが好ましい。
本発明の脱硫方法は、ベンゾチオフェン類及びジベンゾチオフェン類からなる群から選択される少なくとも一種の硫黄化合物を含有する炭化水素油を、ゼオライト系吸着剤と接触させ、次いで、上述した固体酸系脱硫剤と接触させるものである。
炭化水素油中の水分やアルコールなどの含酸素化合物は、固体酸系脱硫剤、特には、ルイス酸系脱硫剤の脱硫性能を低下させるので、固体酸系脱硫剤と接触させる前に、前処理として、ゼオライト系吸着剤により炭化水素油を予め処理することが必要である。
本発明の脱硫方法は、炭化水素油を、ゼオライト系吸着剤と接触させ、次いで、上述した固体酸系脱硫剤と接触させるものであるが、更に予備脱硫を行ってもよい。ここで、炭化水素油の脱硫方法にピリジン吸着フーリエ変換赤外分光分析により測定したルイス酸点に起因するピーク(1450±5cm-1)のピーク高さI1450に対するブレンステッド酸点に起因するピーク(1540±5cm-1)のピーク高さI1540の比(I1540/I1450)が0.12以下の固体酸を用いた脱硫剤(即ち、ルイス酸系脱硫剤)を用いる場合、該脱硫方法の予備脱硫に用いる脱硫剤としては、活性炭系脱硫剤、及びピリジン吸着フーリエ変換赤外分光分析により測定したルイス酸点に起因するピーク(1450±5cm-1)のピーク高さI1450に対するブレンステッド酸点に起因するピーク(1540±5cm-1)のピーク高さI1540の比(I1540/I1450)が0.12を超える固体酸を用いた脱硫剤(即ち、ブレンステッド酸系脱硫剤)が好ましく、両者のいずれか、あるいは両方で、予め脱硫する方法が、本発明に含まれる。なお、本発明では、上述のように、I1540/I1450比が0.12以下である固体酸系脱硫剤をルイス酸系脱硫剤と称し、I1540/I1450比が0.12を超える固体酸系脱硫剤をブレンステッド酸系脱硫剤と称するため、上記を言い換えると、ルイス酸系脱硫剤を用いた脱硫方法の予備脱硫として、活性炭系脱硫剤、またはブレンステッド酸系脱硫剤とを、何れか一つ、又は両方を用いて予め脱硫する方法が、本発明に含まれる。
本発明の燃料電池システムは、上述した方法により炭化水素油を脱硫する脱硫手段と、燃料電池とを具え、脱硫手段で脱硫した炭化水素油を燃料電池の原燃料として使用することを特徴とする。ここで、脱硫手段としては、公知の脱硫器を用いることができ、例えば、脱硫器に上述したゼオライト系吸着剤、固体酸系脱硫剤を充填し、炭化水素油を流通させることで、炭化水素油を脱硫する。なお、本発明の燃料電池システムは、該脱硫手段及び燃料電池の他に、通常、脱硫された炭化水素油を改質して水素を含む改質ガスを生成させる改質手段を具え、該改質ガスを用いて燃料電池で発電を行う。ここで、改質手段には、通常、公知の改質触媒が充填される。
〔流通式脱硫実験〕
内容積10mlの透明耐圧ガラス製カラムに、ゼオライト系吸着剤として主に電荷補償陽イオンがカリウムで、結晶細孔径が約3ÅのA型ゼオライト(カリウムA型ゼオライト、関東化学株式会社製モレキュラーシーブ3A−1/16)を粉砕し、粒子サイズ0.36〜0.71mmに整粒して、さらに400℃で3時間乾燥した後に、2.0ml充填した。その上部に、ルイス酸系脱硫剤として硫酸根アルミナ系脱硫剤(分光分析ピーク比I1540/I14500.000、比表面積329m2/g、細孔容積0.71ml/g、γ−アルミナ含有率99.5質量%、硫黄含有率0.5質量%、粒子サイズ0.36〜0.71mm)8.0mlを充填した。充填は、硫黄分30質量ppb以下の脱硫灯油でスラリー状にして行った。
内容積10mlの透明耐圧ガラス製カラムに、実施例1と同じ硫酸根アルミナ系脱硫剤10mlを充填し、実施例1と同様の実験を実施した。
〔流通式脱硫実験〕
内容積4.2Lの透明ガラス製カラムに、活性炭系脱硫剤として繊維状活性炭(クラレケミカル社製FR−25、比表面積2660m2/g、細孔容積0.94ml/g)を0.2L充填した。その上部に、実施例1と同じゼオライト系吸着剤を粉砕し、粒子サイズ0.36〜0.71mmに整粒して、さらに400℃で3時間乾燥した後に、0.3L充填した。さらにその上部に、ブレンステッド酸系脱硫剤として銅を担持した硫酸根アルミナ系脱硫剤(分光分析ピーク比I1540/I14500.144、比表面積282m2/g、細孔容積0.70ml/g、銅含有率0.5質量%、アルミナ含有率99.0質量%、硫黄含有率0.5質量%、粒子サイズ0.36〜0.71mm)を0.7L充填した。最後に、その上部に、ルイス酸系脱硫剤として硫酸根アルミナ系脱硫剤(分光分析ピーク比I1540/I14500.000、比表面積306m2/g、細孔容積0.71ml/g、γ−アルミナ含有率99.5質量%、硫黄含有率0.5質量%、粒子サイズ0.36〜0.71mm)3.0Lを充填した。充填は、硫黄分30質量ppb以下の脱硫灯油でスラリー状にして行った。
なお、上記で特に説明をしていない、脱硫剤と灯油の物性等の測定は、次の試験方法に準じて行った。
・蒸留性状:JIS K2254に準拠して測定した。
・密度(15℃):JIS K2249に準拠して測定した。
・炭化水素の成分組成(芳香族分、飽和分、オレフィン分):英国石油協会(The Institute of Petroleum)規格IP標準法391/95(屈折率検出器を用いた高速液体クロマトグラフによる中間留出物の芳香族炭化水素の分析)に準拠して測定した。
・硫黄分(全硫黄分):燃焼酸化-紫外蛍光法で分析した。
・硫黄化合物タイプ分析(ベンゾチオフェンよりも軽質の硫黄化合物に由来する硫黄分、ベンゾチオフェン及びベンゾチオフェンよりも重質であり4−メチルジベンゾチオフェンよりも軽質の硫黄化合物に由来する硫黄分、4−メチルジベンゾチオフェン及び4−メチルジベンゾチオフェンよりも重質の硫黄化合物に由来する硫黄分):GC−ICP−MSで分析した。
・窒素分:JIS K2609に記載の微量電量滴定法に準拠して測定した。
・アルミナ含有量:試料をアルカリ融解したものを酸性溶液中に溶解し、ICP−AES(誘導結合プラズマ発光分析装置)で分析した。
・アルミナの種類:X線回折で分析した。
・硫黄含有量:燃焼酸化して、二酸化硫黄の赤外線吸収強度を測定することで分析した。
・比表面積:窒素吸着法により測定し、BET(Brunouer-Emmett-Teller)法により算出した。
・細孔容積:窒素吸着法により測定した。
・ルイス酸量とブレンステッド酸量の割合:ピリジン吸着フーリエ変換赤外分光分析(FT-IR)装置(Nicolet社製Avatar360)により分析した。試料約0.0070gを10mmφのディスク状に成型し、セルに固定して、500℃で1時間真空排気した後、30℃に冷却して真空下でリファレンスの測定を行い、100℃に昇温して5分間ピリジンを吸着させた。150℃に昇温し、1時間真空排気を行うことで物理吸着していたピリジンを除去した後に、30℃に冷却して真空下でサンプルの測定を行い、得られたデータとリファレンスデータを用いてフーリエ変換により吸光度表示した。ルイス酸点に起因する吸光度のピークは1450±5cm-1に、ブレンステッド酸点に起因する吸光度のピークは1540±5cm-1に、ルイス酸とブレンステッド酸との両方に起因する吸光度のピークは1490±5cm-1に検出された。ルイス酸点(1450±5cm-1)のピーク高さをI1450、ブレンステッド酸点(1540±5cm-1)のピーク高さをI1540とし、ルイス酸量に対するブレンステッド酸量の比I1540/I1450を求めた。
Claims (9)
- 固体酸系脱硫剤を用いて、ベンゾチオフェン類及びジベンゾチオフェン類からなる群から選択される少なくとも一種の硫黄化合物を含有する炭化水素油の硫黄分を低減する炭化水素油の脱硫方法であって、
前記固体酸系脱硫剤が、酸化アルミニウムを20〜99.9質量%および硫黄を0.10〜3.00質量%含有し、比表面積が150m 2 /g以上、ならびに細孔容積が0.35ml/g以上であり、かつピリジン吸着フーリエ変換赤外分光分析により測定したルイス酸点に起因するピーク(1450±5cm -1 )のピーク高さI 1450 に対するブレンステッド酸点に起因するピーク(1540±5cm -1 )のピーク高さI 1540 の比(I 1540 /I 1450 )が0.12以下であるルイス酸系脱硫剤であり、
前記炭化水素油を、ゼオライト系吸着剤と接触させ、次いで、前記固体酸系脱硫剤と接触させることを特徴とする炭化水素油の脱硫方法。 - 前記酸化アルミニウムがγ−アルミナであることを特徴とする請求項1に記載の炭化水素油の脱硫方法。
- 前記ゼオライト系吸着剤が、A型ゼオライト、フェリエライト、ZSM−5、モルデナイト、L型ゼオライト、βゼオライト及びフォージャサイト型ゼオライトよりなる群から選ばれることを特徴とする請求項1に記載の炭化水素油の脱硫方法。
- 前記ゼオライト系吸着剤の陽イオンが、ナトリウムイオン、カリウムイオン及びカルシウムイオンよりなる群から選ばれることを特徴とする請求項3に記載の炭化水素油の脱硫方法。
- 前記ルイス酸系脱硫剤による脱硫方法の前処理として、活性炭系脱硫剤、またはピリジン吸着フーリエ変換赤外分光分析により測定したルイス酸点に起因するピーク(1450±5cm-1)のピーク高さI1450に対するブレンステッド酸点に起因するピーク(1540±5cm-1)のピーク高さI1540の比(I1540/I1450)が0.12を超えるブレンステッド酸系脱硫剤のいずれか1つ、または両方を用いて、予め脱硫することを特徴とする請求項1に記載の炭化水素油の脱硫方法。
- 前記ルイス酸系脱硫剤による脱硫方法の前処理として、前記活性炭系脱硫剤を用いて、予め脱硫し、次いで、前記ゼオライト系吸着剤と接触させ、さらにその後に、前記ブレンステッド酸系脱硫剤を用いて脱硫し、最後に前記ルイス酸系脱硫剤を用いて脱硫することを特徴とする請求項5に記載の炭化水素油の脱硫方法。
- 100℃以下の温度で前記脱硫剤と前記炭化水素油とを接触させることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の炭化水素油の脱硫方法。
- 前記炭化水素油が、灯油又は軽油であり、硫黄分が0.1〜10質量ppmであることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の炭化水素油の脱硫方法。
- 請求項1〜8のいずれかに記載の方法により炭化水素油を脱硫する脱硫手段と、燃料電池とを具え、
前記脱硫手段で脱硫した炭化水素油を前記燃料電池の原燃料として使用することを特徴とする燃料電池システム。
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