JPH04227056A - 二酸化硫黄の酸化触媒、その製造方法及び二酸化硫黄の酸化方法 - Google Patents

二酸化硫黄の酸化触媒、その製造方法及び二酸化硫黄の酸化方法

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JPH04227056A
JPH04227056A JP3136048A JP13604891A JPH04227056A JP H04227056 A JPH04227056 A JP H04227056A JP 3136048 A JP3136048 A JP 3136048A JP 13604891 A JP13604891 A JP 13604891A JP H04227056 A JPH04227056 A JP H04227056A
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catalyst
sulfur dioxide
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temperature
oxide
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JP3136048A
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Stephan Blumrich
シュテファン ブルームリッヒ
Wolfgang Honnen
ヴォルフガング ホネン
Bernd Engler
ベルント エンクラー
Edgar Koberstein
エドガー コーベルシュタイン
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Evonik Operations GmbH
Original Assignee
Degussa GmbH
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Publication date
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    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B17/00Sulfur; Compounds thereof
    • C01B17/69Sulfur trioxide; Sulfuric acid
    • C01B17/74Preparation
    • C01B17/76Preparation by contact processes
    • C01B17/78Preparation by contact processes characterised by the catalyst used
    • C01B17/79Preparation by contact processes characterised by the catalyst used containing vanadium
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/16Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of arsenic, antimony, bismuth, vanadium, niobium, tantalum, polonium, chromium, molybdenum, tungsten, manganese, technetium or rhenium
    • B01J23/20Vanadium, niobium or tantalum
    • B01J23/22Vanadium
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D53/00Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
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    • B01D53/74General processes for purification of waste gases; Apparatus or devices specially adapted therefor
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、次の成分:A1)  
酸化バナジウム及び A2)  触媒的活性物質としてのアルカリ金属酸化物
及び/又は−硫酸塩、及び B )  表面積拡大成分としての酸化物の形の珪素及
び/又はアルミニウム を含有する、酸素を含むガス流中に含有された二酸化硫
黄を酸化するための触媒に関する。
【0002】
【従来の技術】今日発生している環境汚染の源泉は、道
路交通の他にまた燃焼過程及び工業装置からの廃ガスで
ある。廃ガス中に主として含有された空気有害物質、す
なわち酸化窒素、一酸化炭素、炭化水素及び二酸化硫黄
は、その環境汚染作用のために周知である。
【0003】有害物質の放出量を低減するための一次措
置が全有害物質放出量に対して小さい効果しか有しない
場合には、二次措置、例えば触媒的廃ガス清浄方法を使
用しなければならない。
【0004】化石燃料の燃焼過程の大部分は、過理論量
の燃料−空気組成物で起る。このために適当な触媒的廃
ガス清浄方法は、アンモニアによる脱窒素のための周知
のSCR法及び一酸化炭素、炭化水素及び二酸化硫黄(
さらに処理されて硫酸となる)を酸化するための貴金属
含有酸化触媒の使用である。DE−PS3601378
に記載された方法は両方法の組合せであり、この方法を
用いると硫酸の生成下に廃ガスからNOx及びSO2が
除去されうる。
【0005】製造技術的理由から、モノリス状の貴金属
含有酸化触媒はまだそれ自体不可欠な大きい幾何学的寸
法で得られていない。従来、必要な触媒容積を得るため
には個々の小さいモノリスを上下に配置することが必要
であった。ダストを含有する廃ガスからダストが相互に
接触するモノリスの接合部に固着するので、高価な除塵
送風機が多数設置されなければならない。さらに特に、
この触媒の貴金属成分は重要なコスト要因であり、同要
因は小さい廃ガス清浄装置の場合にはなるほど許容され
うるが、大きい装置、例えば火力発電所又は大型発電所
の場合には、投資コストを不利にする。最後に触媒的活
性貴金属成分は、煙道ガス中に存在していて、触媒の失
活を招く有毒成分に対して極めて鋭敏である。
【0006】既に記載したように、ダストを含有する廃
ガス中の触媒は、所謂除すす−又は除塵送風機によって
清浄に保持される。このような送風機は触媒の流動側及
び触媒パッケージの接合部に付着されたダストを熱蒸気
又は熱風によって渦状に吹き上げ、これによって同ダス
トを廃ガス流に再び供給し、触媒管中を連行し、このよ
うにして反応器から除去する。触媒反応器におけるコス
ト高な除すす送風機の数を少なくするためには、モノリ
ス−又はハネカム触媒を装着したこのような反応器にお
いてできるだけ少ない流動面及び接合部を有することが
不可避的に必要である。このための要件は、できるだけ
大きい固体長を有するモノリス体又はハネカム体を製造
しうることである。しかし、この要件は貴金属含有積層
触媒の場合にはまだ実現されえない。
【0007】また、除すす−又は除塵送風機の使用はモ
ノリス状又はハネカム状の触媒の場合のみ有効である。 したがって嵩物質状の触媒は清浄されえない。それとゆ
うのもダストは堆積触媒の比較的深い位置にのみ侵入し
、閉塞が生じているからである。同時にこの場合堆積触
媒の管理はずれの渦状吹き上げの危険も生じるであろう
【0008】一方、所謂接触法で二酸化硫黄を三酸化硫
黄、つまり硫酸の無水物に変えるために従来使用された
貴金属触媒(例えば白金)又は特に非金属酸化物触媒(
例えば担体物質として二酸化珪素を有する五酸化バナジ
ウム及びアルカリ金属硫酸塩)は、専ら(押出成形物又
はリングとして)嵩物質状で使用された。この技術は前
記の理由から、特に酸化硫黄を含有する廃ガスがダスト
を含む場合、このような廃ガスの処理ためには問題があ
った。ダストの堆積は触媒の篩分けによって除去されな
ければならなかった。したがってこのような触媒の寿命
は主として機械的強さによって決定された。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、酸素
を含有する任意のガス流及び酸素又は酸素含有ガスの混
じったガス流中に含有された二酸化硫黄を三酸化硫黄に
変化させるのに適している触媒を提供することである。 このような触媒は、ダストを含まないガス流を処理する
ための充填層に適した成形体として及び圧力損失を受け
やすい廃ガス−及び煙道ガス清浄装置で使用するための
モノリス状及びハネカム状成形体として及び/又はダス
トを含有する気流、廃ガス流又は煙道ガス流の場合に使
用され、嵩物質状触媒用に使用されるすべての形に容易
にもたらされかつモノリス又はハネカム体として製造さ
れなければならない。このために、本発明に相応する目
的に従来使用された触媒の配合とは異なる配合が開発さ
れた。それとゆうのも従来使用された触媒は充填体とし
て十分な耐摩耗性を有していないか又は十分な強さを有
するハネカム体にうまく加工できなかった。
【0010】
【課題を解決するための手段】前記課題は、次の成分:
A1)  酸化バナジウム及び A2)  触媒的活性物質としてのアルカリ金属酸化物
及び/又は−硫酸塩、及び B )  表面積拡大成分としての酸化物の形の珪素及
び/又はアルミニウム を含有する、酸素を含むガス流中に含有された二酸化硫
黄を酸化するための触媒において、該触媒がさらにC)
  担体物質及びセラミック結合剤としてのアナターゼ
形及び/又はルチル形酸化チタン を含有しかつ該触媒が場合によりモノリス状及びハネカ
ム状の完全触媒として形成されており、同触媒中で成分
A)〜C)の混合物がA1):A2):B):C)=(
0.01〜0.2):(0.01〜0.2):(0.0
01〜0.5):1、好ましくは(0.02〜0.08
):(0.02〜0.08):(0.005〜0.05
):1の成分金属間の原子比で微細に焼結された形で存
在することを特徴とする前記の二酸化硫黄を酸化するた
めの触媒によって解決された。
【0011】本発明による酸化触媒は前記の使用分野で
次の要求に適合する:該触媒は、二酸化硫黄を唯一つの
工程で90%より多く三酸化硫黄に変えることができる
【0012】該触媒は、長さ1000mmまでのモノリ
ス体及びハネカム体の形で製造できかつダストを含有す
るガスを作用させる際の清浄状態の保持に対する前記の
諸要求に完全に適合する。必要な変換が行われる温度範
囲は、特に低い温度の方に極めて広い。触媒の速度論的
特性は著しく改善されている、そとゆうのも従来使用さ
れた大抵の貴金属含有触媒においては酸化反応が本発明
のように一次の時間法則に従って進行せず、そのために
必要な触媒容積の設計の際、特に高い変換要求の際難点
が生じる可能性があるからである。該触媒は所謂完全触
媒である、つまり完全に触媒活性物質から成っており、
この物質は例えば煙道ガス中に含有されたダストによる
摩耗によって繰返し露出される。
【0013】また、本発明は前記触媒の製造方法に関す
る。該方法は、成分A)〜C)を微細な形でセラミック
素材の加圧成形又は押出し用に常用される添加物、湿潤
剤、支持物質、素物体結合剤、変形助剤及び場合により
孔形成剤を添加して十分に加工して均質素材となし、同
素材を圧縮成形するか又は押出して所望の素物体、好ま
しくはモノリス−又はハネカム素物体となし、この素物
体を高々60℃までの徐徐の温度上昇下に環境空気の湿
分を調節しながら乾燥し、次に同素物体を環境空気の温
度を少なくとも500℃〜高々800℃に段階的に上昇
させながら焼成しかつこの範囲の温度で少なくとも12
時間、好ましくは14〜48時間、特に18〜36時間
焼結することを特徴としている。
【0014】湿潤剤としては脱塩水、アンモニア水溶液
、モノエタノールアミン及びアルコールを使用すること
ができる。
【0015】支持物質としては例えば種々の大きさのガ
ラス繊維を使用することができる。
【0016】製造すべきペーストに変形後に所謂素物体
の状態で十分な安定性を付与する結合剤としては、セル
ロース誘導体、すなわちカルボキシメチルセルロース又
は未置換のセルロースである。
【0017】また結合剤としては、ポリエチレン、ポリ
プロピレン、ポリビニルアルコール、ポリエチレンオキ
シド、ポリアクリルアミド又はポリスチロールも使用さ
れる。
【0018】圧縮成形を容易にするため又は押出能力を
改善するために、変形−及び/又は滑り助剤、すなわち
ベントナイト、アルミナ、有機酸、パラフィン、ロウ、
シリコーン油を加える。
【0019】最後にまた、本発明の完全触媒の多孔性(
孔容積、孔分布)を適当な孔形成剤の添加によって意識
的に調節することもできる。このような物質は、例えば
、適用すべき焼成温度で燃焼してしまう微細な木炭(活
性炭)又は木材パルプである。
【0020】出発物質を十分に混合して均質な混練素材
を得るためには、有利には混練機を使用することができ
る。この場合シグマ形羽根又は剪断的摩擦羽根を有する
混練機が有利である。該方法は極めて簡単である。技術
的に費用がかり、環境汚染的な、従ってまた高価な工程
は避ける。均質な酸化物混合物を得るための共沈及び粉
砕過程は省略する。該方法は製造を明らかに安価にし、
同時に費用をかけて製造した出発物質の依存性を除く。
【0021】該方法の特別な利点は、出発物質として例
外なく市販されている酸化物及び化学的に温度安定な硫
酸塩が使用されるので、付加的な加工手段を条件とする
水酸化物−又は酸化物水和物前工程の使用を省略するこ
とができるできることである。
【0022】頻繁に使用される、酸化チタンを含有する
脱窒素触媒(この中で触媒作用は酸化チタンに帰せられ
る)とは反対に、本発明よる二酸化硫黄の酸化触媒の場
合には、酸化チタンは成分C)として専ら触媒活性物質
A)及びその表面積拡大添加物B)のセラミック担体及
び結合剤の機能を引き受ける。
【0023】触媒活性物質A)の必須部分として使用さ
れるアルカリ金属酸化物又は−硫酸塩A2)は本発明の
触媒組成物において380〜500℃の使用温度で活性
物質A1)の融剤の機能を引き受ける。またA1)及び
A2)は触媒の使用物質の焼結時に結合剤C)及び表面
積拡大添加物B)の間の焼結過程を促進する。
【0024】また本発明は、本発明の触媒を気流又は酸
素を含有する廃ガス又は煙道ガス中に存在する二酸化硫
黄の酸化のために使用することに関する。
【0025】
【実施例】例1 シグマ形の羽根を有する混練機で、次の物質を混合し、
7時間の混練工程を施す:   次に混練素材をスクリュウ押出機で押出して成形体
となし、1℃/時の温度上昇及び約100〜80%の相
対湿度で50℃に加熱し、その際十分に乾燥し、次に2
時間毎に最大50℃の段階で600℃にさらに加熱する
。 次いでこの温度での24時間の焼結のために空気により
熱処理する。このハネカム体は正方形断面のセル3×3
、セル幅5.5mm及び肉厚1.3mmを有する。
【0026】活性試験は実験室試験装置で次の条件下で
行った:
【0027】
【表1】
【0028】図1は、約20000/hの空間速度に相
当する面積負荷AV=52m/hでの該触媒の触媒活性
の温度従属性を示す。変換率は375℃で低い水準にあ
るが、次に50℃の幅の温度上昇で急に増大し、約42
5℃から36〜37%で安定する。
【0029】図2は、SO2の変換率が触媒の面積負荷
に従属することを示す。AV値は先ず長さ350mmの
ハネカム触媒で16.4m/hであった。AV値はその
都度30mmずつ切り取って順々に52m/hに高めら
れた。実際の動作にとって有利な、4〜10m/hのA
Vの範囲はこの実験室試験装置では調整されえないが、
AV=15m/hから既に80%の変換率が得られるの
で、前記の範囲では90%を越える変換率が得られ、そ
れどころか明らかに100%を超過する。
【0030】例2〜6 次の物質を剪断的摩擦羽根を有する混練機で混合し、1
2時間混練してペーストを製造する(すべての数値はk
g): ─────────────────────────
──────────          例                          
     2       3      4    
   5       6  成    分 ─────────────────────────
──────────酸化チタン(アナターゼ形)  
 30.0    180.0   180.0   
  40.0     40.0二酸化珪素     
               0.9      2
.7     2.7      1.2      
1.2メタバナジン酸アンモニウム    1.0  
    6.0    12.0      2.66
     2.66硫酸カリウム          
        1.5      9.0     
9.0      2.0      3.0水   
                        1
6.5    100.0   100.0     
20.5     20.0クレー         
               1.5      9
.0     9.0      2.0      
2.0ガラス繊維                 
   3.18    19.0    19.0  
    4.23     4.23有機融剤    
                  1.235  
  7.5     7.5      2.0   
   2.0───────────────────
────────────────このペーストを混練
後に押出機に入れて、ハネカム体に成形する。例2、5
及び6の場合には幅75×75mm及び長さ500mm
の所謂四分の一モノリスが押出され、例3及び4の場合
には幅150×150mm及び長さ1000の完全モノ
リスが押出された。例1のような乾燥及び焼成後に、石
炭−乾式燃焼によるパイロット装置及び同様に石炭−乾
式燃焼による工業規模の装置で試験が行われた。両装置
における煙道ガスの組成は通常の変動範囲の限界内では
例1で記載した組成に相応するが、但しなお約12容量
%のCO2及び50mg/m3未満のダスト分が存在す
る点が異なっていた。
【0031】パイロット装置の場合には煙道ガスを脱塵
後に等速的に流し、電気ヒーターによって所望の温度に
加熱する。触媒は、合わせて12個のガス試料取出し部
及び温度測定部を使う断熱反応器中に存在する。本出願
人のDESONOX(登録商標)法によれば、煙道ガス
は先ずSCR法(選択的触媒還元)により脱窒素される
。本発明の酸化触媒はNH3による酸化窒素の還元のた
めの触媒の直後に設置した。本発明の方法により側縁の
長さ150mm×150mm及び75mm×75mm、
長さ1000mm及び500mmの大きさで製造した要
素を、反応の詳細な測定の理由からパイロット装置の反
応区間に沿って各150mmの長さを有する要素に分割
した。このような要素を合わせて8個直列的に取付けた
【0032】図3及び図4は選択された例からの試料に
関する450℃及び425℃での測定結果の評価を示し
、1/AVに対する−ln(1−η)のプロットは一次
反応の意義により選択した。2.3の縦座標値は90%
の変換率に相当する。
【0033】ここで実測された結果は、90%を越える
SO2からSO3への変換率が難なく達成され、貴金属
触媒の場合に必要な、450℃の最低温度への固定はも
はや不要でありかつSO2の酸化動態がほぼ一次の時間
法則に従うことを示す。工業規模の装置で使用した試料
を、1000時間を越える使用時間後に取り出し、前記
のパイロット装置に取り付けて活性を測定した。活性の
低下は確認されなかった。
【0034】例7〜10 摩擦羽根を有する混練機で次の物質(すべての数値はg
)を混合し、5時間混練する: ─────────────────────────
─────────              例                          
         7          8    
   9       10    成    分 ─────────────────────────
─────────  酸化チタン(熱分解)    
       667          〃    
   〃        〃  二酸化珪素(熱分解)
            70          〃
       〃        〃  メタバナジン
酸アンモニウム      37.1        
〃       〃        〃  硫酸カリウ
ム                    20.2
       40.4       0      
 32.3  硫酸セシウム            
        20.2        0    
    40.4      8.1  水     
                        2
60          〃       〃    
    〃  クレー               
           25.3        〃 
      〃        〃  ガラス繊維  
                    72.4 
       〃       〃        〃
  常用有機融剤+カルボキシ   メチルセルロース               
 15.7        〃       〃   
     〃  アンモニア            
          30          〃  
     〃        〃──────────
────────────────────────混
練後に得られたペーストを加工して押出成形品にする。 乾燥及び焼成は例1と同様に行った、但し乾燥の最終温
度は60℃であり、最終湿度は70%の相対湿度である
。焼成時の温度は500℃にしか高めず、次にこの温度
で48時間焼結を行った。
【0035】図5は、このように製造された触媒の、例
1で記載した試験条件下での活性特性が時間に依存する
ことを示す。
【0036】例11〜15 剪断的摩擦羽根を有する混練機で次の物質(すべての数
値はg)を混合し、5時間混練する:   ───────────────────────
──────────           例                          
       11      12      13
      14      15    成  分   ───────────────────────
──────────  酸化チタン(アナターゼ形   80重量%+ルチル形20重量%)   700 
    700     770     470  
   700  二酸化珪素(沈殿珪酸)      
     70      70       2  
   300  酸化アルミニウム(γ−Al2O3)
                         
           70  五酸化バナジウム  
              7.5   130  
    42      42      42  硫
酸カリウム                  16
0.0    10      42      42
      42  水              
              300     250
     220     300     300 
 クレー                     
    30      25      25   
   25      25  ガラス繊維     
                73      7
3      73      73      73
  有機融剤+カルボキシメチル   セルロース                  
   17      17      17    
  17      17  アンモニア      
               50      50
      50      50      50 
 ────────────────────────
─────────例11〜14の製造は例1と同様に
行った。製造した触媒は成分A1、A2、B及びCの濃
度範囲に関して提案された限界値をカバーする。必要な
すべての製造手段、つまり混練、押出し、乾燥、焼成及
び焼結はこの範囲で容易に実施することができることが
判明した。ともかく特定の触媒活性を有する、機械的に
安定な成形体が得られる。
【0037】例11は、このような組成の触媒がすでに
低温度でも極めて高い活性を有することを示した。
【0038】例15は、Al2O3の併用も高められた
活性をもたらすことを示した。
【図面の簡単な説明】
【図1】温度に従属する例1の触媒のSO2変換率(A
V=52m/h)を示すグラフである。
【図2】面積負荷(AV)に従属する例1の触媒のSO
2変換率(温度450℃)を示すグラフである。
【図3】例2〜6の触媒の450℃における、1/AV
に対する−ln(1−変換率)のグラフである。
【図4】例2〜6の触媒の425℃における、1/AV
に対する−ln(1−変換率)のグラフである。
【図5】例7〜10の触媒の、AV=23m/hにおけ
るSO2変換率を示すグラフである。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  次の成分: A1)  酸化バナジウム及び A2)  触媒的活性物質としてのアルカリ金属酸化物
    及び/又は−硫酸塩、及び B )  表面積拡大成分としての酸化物の形の珪素及
    び/又はアルミニウムを含有する、酸素を含むガス流中
    に含有された二酸化硫黄を酸化するための触媒において
    、該触媒がさらに C)  担体物質及びセラミック結合剤としてのアナタ
    ーゼ形及び/又はルチル形酸化チタン を含有しかつ該触媒が場合によりモノリス状及びハネカ
    ム状の完全触媒として形成されており、同触媒中で成分
    A)〜C)の混合物が A1):A2):B):C)=(0.01〜0.2):
    (0.01〜0.2):(0.001〜0.5):1の
    成分金属間の原子比で微細に焼結された形で存在するこ
    とを特徴とする二酸化硫黄を酸化するための触媒。
  2. 【請求項2】  請求項1記載の触媒を製造するに当り
    、成分A)〜C)を微細な形でセラミック素材の加圧成
    形又は押出し用に常用される添加物、湿潤剤、支持物質
    、素物体結合剤、変形助剤及び場合により孔形成剤を添
    加して十分に加工して均質素材となし、同素材を圧縮成
    形するか又は押出して所望の素物体、好ましくはモノリ
    ス−又はハネカム素物体となし、この素物体を高々60
    ℃までの徐徐の温度上昇下に環境空気の湿分を調節しな
    がら乾燥し、次に同素物体を環境空気の温度を少なくと
    も500℃〜高々800℃に段階的に上昇させながら焼
    成しかつこの範囲の温度で少なくとも12時間焼結する
    ことを特徴とする、前記触媒の製造方法。
  3. 【請求項3】  請求項1記載の触媒を使用して、空気
    流中又は酸素を含有する廃ガス流又は煙道ガス流中に存
    在する二酸化硫黄を酸化する方法。
JP3136048A 1990-06-08 1991-06-07 二酸化硫黄の酸化触媒、その製造方法及び二酸化硫黄の酸化方法 Pending JPH04227056A (ja)

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