JPS5951336B2 - 重質炭化水素の処理用触媒 - Google Patents

重質炭化水素の処理用触媒

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JPS5951336B2
JPS5951336B2 JP54032269A JP3226979A JPS5951336B2 JP S5951336 B2 JPS5951336 B2 JP S5951336B2 JP 54032269 A JP54032269 A JP 54032269A JP 3226979 A JP3226979 A JP 3226979A JP S5951336 B2 JPS5951336 B2 JP S5951336B2
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tower
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coke
iron
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史朗 相沢
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は重質炭化水素を処理するための触媒、特に鉄の
酸化還元反応を利用して還元鉄とスチームの反応により
水素を製造するプロセスに用いられる触媒に関する。
従来、重質油を、ニッケル、バナジウムのような金属の
酸化物をボーキサイトなどに担持させた触媒の存在下で
接触分解させて軽質化するとともに上記触媒上にコータ
を沈積させ、ついて該コークを沈積した触媒をスチーム
と接触させることにより、気体炭化水素および水素に富
むガスを製造する方法(特公昭50−30596号参照
)が提案されている。
しかしながら、この方法においては使用する触媒はいわ
ゆる合成触媒であるため高温下での反応ではその劣化が
避けらi′Lない。
また、この方法ではコークが沈積した触媒をそのままス
チームと接触させるのでガス化帯域から出るガス中の水
素濃度はあまり高くならない。
また本発明者らは、さきに常圧蒸留残渣油、減圧蒸留残
渣油などの重質油をニッケル鉱石の存在下で接触分解さ
せることにより該重質油に含有される重金属類を脱除す
るとともに軽質化する方法を発明したが(特開昭49−
10202号公報参照)、その後の研究により、上記重
質油をラテライトの存在下で接触分解すると分解生成油
の収率は上記ニッケル鉱石を使用した場合に比しやや低
下するが、重質油の軽質化の進行に伴いコークの生成量
が多くなること、そしてコークを沈積したラテライトを
ガス気流中で加熱すれば該ラテライ1〜中の酸化鉄が極
めて速やかに還元され、したがって該還元された状態の
ラテライトをスチームと接触させると水素が容易に生成
することを知り、重質油の接触分解による軽質化に際し
て触媒としてラテライトを使用すること、および該接触
分解によりコークを沈積させたラテライトを還元処理し
たのちスチームと接触させた水素に富むガスを生成させ
る方法を開発し、提案した(特願昭52−114361
号明細書)。
本発明者らは上記方法に用いられる触媒について研究を
続けたところ、触媒としてはラテライトまたはその類似
物が使用可能で、特定の組成および物性を有するもので
あればその由来の如何に依らずばパ同等の効果が奏せら
れることを発見し本発明に到達した。
すなわち、本発明は酸化焼成後の化学組成がFe50〜
60重量%、Ni0.1〜10重量%およびCa020
重量%以下からなるものであり、さらにこれにA1□0
3 + MgO+5in2= 5〜60重量%を添加す
れば好ましく、かつ比表面積が0.1〜30m27g、
みかけ比重が2.5〜4.0であることを特徴とする重
質炭化水素を酸化処理ないしは分解処理し、該組成中の
酸化鉄分を還元し、還元された鉄とスチームとの反応に
より水素を製造するプロセスに用いる触媒組成物に関す
る。
このプロセスとしては次のような実施の態様がある。
i (添付図第1図参照) 重質炭化水素(H)を分解(分解塔1)して軽質油(L
)を製造した後、触媒(C)上に付着したコークスを酸
素含有ガス(A)により部分酸化するとともに触媒中の
鉄を環元しく再生塔2)、還元鉄とスチーム(S)
との反応により水素(G)を製造する。
(ガス化塔3)。なお硫黄含有量の高い重質炭化水素
を処理した場合には、分解塔1においてコークとともに
硫黄分が触媒上に濃縮沈積される。
次いでこの硫黄分は再生塔2において還元状態の鉄と反
応して硫化鉄となり排ガス中の硫黄分は大巾に減少する
この際CaOが存在すればこの硫黄分の捕捉効果は促進
される。
さらにガス化塔3において、この触媒に捕捉された硫黄
分、すなわち、硫化鉄および硫化カルシウムはスチーム
Sと反応し、硫黄分は硫化水素として放出され、触媒C
は酸化再生される。
なおこの際、スチームとともに炭酸ガスを導入すればこ
の再生効果は促進される触媒Cは矢印のように循環する
ii(第2図参照) 重質炭化水素を部分酸化するとともに触媒中の酸化鉄を
還元しく酸化塔1に酸素を含有するガスA、例えば空気
を供給して、塔頂よりCOとH2に富むなるガスGを得
る)、還元鉄とスチームSとの反応により水素G′を製
造する(ガス化塔3)。
もしくは、重質炭化水素の分解反応と還元された鉄とス
チームSとの反応を同時的に行ない分解留分及び水素G
′を製造しくガス化塔3)、触媒上に付着したコータを
酸素含有ガスAにより部分酸化するとともに触媒中の酸
化鉄を還元する(酸化塔1)。
iii (第3図参照) 重質炭化水素を部分酸化するとともに触媒中の酸化鉄を
還元した後(酸化塔1に酸素含有ガスAを供給して塔頂
よりCO十H2に富むガスGを発生)、触媒C上に付着
したコークを還元雰囲気下で燃焼除去しく酸化塔1′に
酸素含有ガスA′を供給して塔頂よりCO+H2に富む
ガスG′を発生)、還元鉄とスチームSとの反応により
水素G//を製造する(ガス化塔3)。
なおこのii、 iiiのプロセスにおいても、iと同
様に硫黄含有量の高い重質炭化水素を処理した場合、酸
化塔1,1′にて硫黄分は還元状態の鉄と反応して硫化
鉄となる。
この硫黄を捕捉した触媒はガス化塔3においてスチーム
Sと反応し硫黄分は硫化水素として放出され、触媒Cは
酸化再生される。
上記各プロセスに共通する還元鉄とスチームとの反応(
スチームアイアン反応)の条件は次の通りである。
(イ)流動床にて行なわれる (口)圧力は常圧でもよいし生成する水素の使用条件に
合わせて加圧でもよい。
一般には0〜15kg/Cm2G (ハ)反応温度は550〜950℃が適当であるが好ま
しくは700〜850℃がよい スチームアイアン反応は鉄の還元度合が大きいほど反応
速度が早く、上記i −1iiのプロセスで得られる還
元度合は反応温度や触媒滞留時間などによって変化する
が、通常は、平均還元率として25〜45%である(還
元率はFe2O3の酸素に対する放出された酸素の割合
を表わす)このような還元度合のものは極めて酸化速度
が早< 700−850℃であまり差がないが、600
℃以下ではやや酸化速度が遅くなる。
また、上記プロセスではスチームアイアン反応に供され
る触媒上のコークはガス化塔に入る前に大部分除去され
ているが、なお若干コークが付着しており、反応温度が
850℃を越えると水性ガス反応が顕著になるため生成
水素中に一酸化炭素や二酸化炭素が増加し、水素の精製
工程が複雑となる。
上記触媒の組成において、Feを30〜60重量%と限
定した理由は、30%未満ではガス化塔におけるH2発
生量が減少し、また水性ガス反応の割合が相対的に増加
しH2濃度が減少する。
さらに再生塔における硫黄の捕捉率が低下するという欠
点が生じ、また60%を超えるとボギング貞触媒粒子の
融着または凝集現象)が起り易くなるからである。
Niを0.1〜10重量%と限定した理由は、0.1%
未満ではガス化塔における硫化物分解率が低下し、また
10%を超えると、ニッケルフェライトの生成が起るた
めガス化塔におけるH2発生量が減少する。
またCaOを20重量%以下とした理由は、20%を超
えるとガス化塔におけるH2濃度の低下(水性ガス反応
の促進)、触媒強度の低下等の欠点が生じ、またCaO
は鉄の還元を促進する働きをもつから0.01%以上、
含有するのが好ましい。
さらに硫化物分解率の向上、触媒強度の向上、ホギング
抑制効果の向上、重質炭化水素の分解の促進等をはかる
ために、SiO3,Al2O3および/またはMgOを
含有させるのが好ましいが、その量は一般にはSin、
+ Al2O+ MgO= 5〜60重量%とする。
5%未満ではホギング抑制効果が著しく低下し、60%
を超えると、ガス化塔におけるH2発生量の減少、再生
塔における硫黄捕捉率の低下が起る。
上記触媒の調製に際して、天然の鉄鉱石例えばラテライ
ト、磁鉄鉱、赤鉄鉱、磁鉄鉱、磁鉄鉱等を粉砕、造粒、
焼成等の処理を行なうことにより使用できるが、酸また
はアルカリで処理してもよく、またラテライト鉱石にN
iO粉末およびニッケル鉱石とかCa(OH)2、石灰
石、ドロマイトさらにはシリカ、アルミナ等を適宜添加
、混合し、造粒、焼成して所望の組成とすることもでき
る。
さらにFe、 Ni、 Ca、 AI、 Si、 Mg
等の水酸化物、酸化物、炭酸塩、硫酸塩、硝酸塩、塩化
物、硫化物等の化合物もしくはそれらを適宜に含む鉱石
を所望組成となるように混合、粉砕、造粒、焼成して調
製することができる。
何れにしても上記の組成を満足することが重要である。
重質炭化水素の分解あるいは部分酸化を行なう場合には
反応塔内もしくは反応塔出口でコーキングを起すことが
よくあるが、そのデコーキング方法として触媒粒子の熱
エネルギー(低温部分の加熱)あるいは運動エネルギー
(コークかきとり)を利用するのが効果的であるので、
この種の流動触媒は高い強度、一般には、流動摩滅抵抗
(ACC法)が35時間/1%粉化以上を持つのが望ま
れる。
重質炭化水素分解およびスチームアイアン反応において
バランスの良い触媒活性を保つには比表面積0.1〜3
0m・7gとする必要があり、例えばある特定の条件下
に製造されたラテライト平衡触媒の比表面積は通常0.
5〜3 m□/gの範囲にある。
比表面積の増加と共にみかけ比重は減少する傾向にある
が、経済性や公害面からは粉塵化しないことが望ましく
、また前述の反応塔出口のテ゛ニーキングに効果のある
流動摩滅抵抗35時間/1%粉化を満足するためにはみ
かけ比重は2.5〜4.0にする必要がある。
そのためには、前述の組成を有する物も粉砕、混線、造
粒、焼成等の工程により)上記物性を有する触媒を調整
するのであるが、これらの工程における条件は前述の原
料、組成により異なるため、−概に特定できない。
例えば、ラテライト等の非常に風化の進んだ天然鉱石の
場合は適当に粉砕し、混線時の水分を適宜調整して造′
粒、焼成することにより比表面積及びみかけ比重を所望
の値にできる。
一般に焼成温度を1000〜1250℃とするのがよく
、また造粒は10μ以下に粉砕してから混練し、破砕造
粒するか押出し成形後球形化する方法によるがよい。
いずれにしても、この比表面積が0.1〜3.0m27
g、みかけ比重が2.5〜4.0の範囲を満足する必要
がある。
なお、みかけ比重の測定は水銀ポロシメーターを用いて
、容器に試料0.5gを入れて水銀で満かして減圧状態
から大気圧に戻したときの水銀量から求める方法が簡便
である。
本発明の触媒により処理される重質炭化水素は常圧蒸留
残渣油、減圧蒸留残渣油、溶剤膜れき残渣油、タールサ
ンド、シェルオイル、石炭液化油などからなる残渣油を
包含する高コンラドソン炭素の安価な重質油及び石炭な
どが有利に適用される。
本発明の一実施の態様をラテライトを触媒として重質油
に適用した場合につき説明する。
ラテライトは水酸化アルミニウムと水酸化鉄に富んでい
るものであって、一般に30%以上の鉄分を含有してい
るが、本発明では鉄分含量の多いものほど好ましく、特
に10μ以下に粉砕し、水分を調整して混線乾燥後10
00℃程度で3時間焼成したものが有利に適用できる。
上記ラテライトの存在下で重質油を接触分解するには固
定床方式でも可能であるが工業的には流動床方式を採用
するのがよく、重質油を450〜600℃の温度および
0〜15kg/cm2Gの圧力に保持されている流動床
に導入し、一方天然のラテライトを粉砕し、60〜60
0ミクロンの平均粒径に造粒し、900℃以上の温度で
焼成したものを上記流動床に導入して接触させる。
上記接触による分解反応の進行に伴って、軽質化された
分解生成油とコークが生成する。
このようにして生成する分解生成油は流動化ガスと共に
系外に回収され、一方生成したコークはラテライト触媒
上に沈積する。
この触媒上におけるコークの沈積量は上記接触分解の進
行と共に増加するものであるが、本発明では上記沈積量
を触媒に対して2重量%乃至15重量%になるように調
整することが好ましく、特に2〜8重量%が好ましい。
上記コークの沈積量が少なすぎると次の再生工程におい
てタテライ1〜中の鉄が十分に還元されなくなり、他方
、触媒上におけるコーク沈積量が多くなりすぎると触媒
の活性が低下して分解生成油の収率の減少をきたし、か
つ触媒上のコークの固化が不十分となって、これが媒体
となり、粒子の付着で粗粒が生成する原因となるので好
ましくない。
又さらに硫黄含有量の高い重質油を処理した場合には、
コークとともに、硫黄分が触媒上に濃縮沈積される。
上述のようにしてコークを沈積させたラテライト触媒は
、ついで、酸素を含有するガス気流中で還元雰囲気下に
750〜950℃の温度に加熱することにより極めて速
やかに還元状態になる。
このラテライトが還元状態になる態様は、ラテライト中
の酸化鉄が下記式(1)〜(3)により還元されること
によるもと考えられる。
Fe2O3+C−+Fe3O4+CO+CO2・・・・
・・(1)Fe304+C→FeO+CO+C02・”
”(2)FeO+C、−+ Fe+CO十CO2・・・
・・・(3)上記還元反応は、反応温度が高いほど、ま
た触媒上のコーク沈積量が多いほど有利であるが、反応
温度に関しては950℃を越える高温ではホギングが生
じ又反応器材質に与える影響が少なくないので好ましく
なく、したがって750〜950℃の温度を適用するこ
とが好ましい。
また、コーク沈積量に関しては既に述べたとおりである
が、ラテライトの特性として2〜15重量%のコークの
沈積量で十分に還元が行われる。
C+02 → CO2・・・・・・(4)C+1/2
02 → CO・・・・・・(5)また、上式(4X
5)により、コークの部分燃焼が生じ、系全体の熱量と
される。
又、触媒上のコークとともに硫黄分が存在する場合は、
これらの硫黄分は還元状態の鉄と反応して硫化鉄となり
、排ガス中の硫黄分は大巾に減少する。
尚、カルシウムが存在すればこの硫黄分の捕捉効果は促
進される。
実際の操作に際しては前述した接触分解と同様循環流動
床方式で行うのが有利である。
すなわち、750−950℃の温度、0〜15kg/c
m2Gの圧力に保持された流動床再生帯域に分解帯域で
コークを沈積したラテライト触媒を給送するとともに空
気を導入して上記コークの一部を部分燃焼して系全体の
熱量を供給し、ラテライト中の酸化鉄を還元する。
なお、上記反応により生成する二酸化炭素および一酸化
炭素を含む排ガス(反応式(1)〜(5)参照)は系外
へ排出する。
次に、上述のようにして還元されたラテライト触媒をス
チームと接触させる。
この接触により、次式(6)〜(8)により水素が生成
する。
Fe+H20→FeO+H2・・・・・・(6)FeO
+H20→Fe3O4+H2・・・・・・(7)Fe3
04+H20→Fe2O3+H2・・・・・・(8)上
記反応は平衡論的には低温の方が有利であるが、実際の
操業上の観点からすれば分解温度と触媒再生温度との間
の温度を採用することが好ましく、600〜850℃の
温度が適している。
また、触媒に捕捉された硫黄、すなわち硫化鉄および硫
化カルシウムもスチームと反応し、硫黄分は硫化水素と
して放出され、触媒は酸化再生される。
なおこの際、スチームとともに炭酸ガスを導入すればこ
の再生効果は促進される。
この反応操作は流動床方式で行うことが好ましく、再生
帯域において還元処理されたラテライトとスチームをガ
ス化帯域へ給送し、前記ガス化帯域内においては600
〜850℃の温度、0〜15kg/cm2Gの圧力に保
持しながら両者を接触させ、反応式(6)〜(8)にし
たがって水素を生成させる。
なお、上記ガス化帯域においてもサテライト上に若干残
存しているコークの一部がスチームと反応して(9)、
(10)式の水性ガス化反応を起し水素濃度を下げる
しかしこの反応は、残存コーク量をできるだけ、少なく
するか或いは、反応温度を下げることにより抑制できる
C+H20→ CO+H2(9) C+2H20→ CO2+2H2(10)このように、
ガス化帯域内では主として鉄の酸化反応が起るため、系
外へ取り出される生成ガス中の水素濃度が極めてか高く
なり、一般に、乾燥基準で80容量%以上になる。
なお、上述のようにして鉄が酸化されたラテライトは分
解帯域或いは必要により再生帯域へ循環して再利用され
る。
又、分解帯域についても熱バランス上再生帯域間との触
媒循環も可能である。
以下に本発明の実際上の操業方式を添付図面の第4図に
示した工程説明図を参照して説明する。
第4図において、重質油(H)を管4によって分解塔1
の下部の450〜600℃の温度および0〜15kg/
cm2Gの圧力に保たれている流動床に導入する。
該流動床では粒状の触媒が管5から導入される流動化ガ
スによって流動している。
なお、流動ガスとしては通常はスチームが用いられるが
、炭化水素ガスを用いてもよい。
分解塔1で該重質油が触媒によって接触分解されて分解
生成油とコークになる。
軽質化された分解生成油(L)は流動化ガス(F)とと
もにガス状で管6から取り出される。
一方、コークは触媒上に沈積して移送管7を経て再生塔
2へ送られる。
再生塔2は750〜950℃の温度、0〜15kg/c
m2Gの圧力に保たれ、管8から供給される酸素含有ガ
ス(A)によって触媒上に沈積したコークの一部を部分
燃焼して系全体の熱量を供給するとともに、触媒中の鉄
を還元する。
酸化鉄とコークとの反応およびコークと酸素との反応に
よって生成した二酸化炭素および一酸化炭素を含む排ガ
ス(G)は管9から放出される。
750〜950℃まで加熱された触媒粒子は管10およ
び管11を経てそれぞれ分解塔1およびガス化塔3へ送
られる。
還元鉄を含有する触媒は移送管11を経てガス化塔3へ
送られ、そこで管12から供給されるスチーム(S)に
よって鉄の酸化を受けて水素を生成する。
なお、ガス化塔3内は600−850℃の温度および0
〜15kg/cm2Gの圧力に保たれる。
ガス化塔3内では主として鉄の酸化反応が起こるため管
13から取り出されるガス化塔3からの生成ガス(G′
)中の水素濃度が極めて高く、通常は、乾燥基準で80
容量%以上である。
酸化された触媒は管14を経て分解塔1へ循環される。
以上述べたように、本発明によると簡単な方法で調製し
つる触媒を用いて重質油の接触分解を行ない軽質油と水
素を工業的有利に製造しうるという利点か゛ある。
又、重質炭化水素の部分酸化処理によっても水素を工業
的に有利に製造しうる利点もある。
以下実施例により本発明をさらに詳細に説明する。
実施例 1 ラテライト鉱石を10μ以下に粉砕したのち、水分量2
4%になるように水を加えて播潰機で15分間混練し、
破砕造粒機で破砕造粒した。
造粒品を1200℃で3時間焼成したところほぼ球状の
粒子を得た。
焼成品の組成はFe39.1wt%、Ni2.6wt%
、 MgO19,5wt%、5iO217,5wt%、
Al2031.0w1%、 Ca00,04wt%で、
比表面積1.7m27gであった。
この粒子を実施例3の条件下で使用すると100時間以
降は活性及び物理性状が安定であった。
平衡触媒は酸化鉄の酸化還元活性にすぐれ、粉化も少な
かった。
平衡触媒のみかけ比重は2.75であった。
なおACO法に準じた流動摩滅抵抗測定器で流動摩滅抵
抗を測定したところ、42h/1%粉化であった(Uo
=94cm/s : 10時間)。
実施例 2 実施例1で用いたラテライト鉱石の10μ以下の微粉を
ニーダ−で充分混練したのち、押出し成型機(ダイス径
0.5mm)で成型し、球状化機で球状粒子に造粒した
造粒品を1200℃で3時間焼成した。
この粒子を実施例1と同様に使用したところ、平衡触媒
活性はほぼ同等であったが、強度はやや強かった(触媒
流動摩滅抵抗47h/1%粉化)。
平衡触媒のみかけ比重は2.87であった。
実施例 3 実施例1の調製法に従がい、NiO粉末、Ca(OH)
2を適宜に加えて各種組成の触媒を調製し、粒度を平均
粒径0.2mmとした。
得られた触媒の組成を表1に示す。
又、これらの触媒の比表面積は1.6〜2.0m27g
、みかけ比重3.5〜3.8であった。
予め触媒の一部をH2Sによす850℃で硫化物化し、
約0.8重量%の硫黄含量の触媒とした。
上記触媒を添付の第5図に示される処理操作に用い、重
質油の分解−再生−ガス化操作をワンスルーで行なった
すなわち、用いられた装置のシメンジョンと原料油の組
成は次の通りであった。
径(回 高さく@ 分解塔1 12.7 1.6 再生塔2 15.1 1.8 ガス化塔3 10.2 1.9比較例
1 実施例3と同様の方法により触媒組成が Fe13.5重量%、Ni2,8重量%、Ca00.8
重量%、A1□Oa + MgO+ 5102が82.
9重量%で比表面積が0.07m□/gのものを用いて
操業した結果を表5に示す。
上述のように発生ガス量が少なく、又さらに水素濃度が
かなり低かった。
実施例 4 第4図に示す三基循環流動床装置を用いて重質油の分解
軽質化および水素製造実験を行なった。
反応器の材質はステンレスであり、分解塔は5インチで
高さが1.6m、再生塔は6インチで高さが1.8m、
ガス化塔は4インチで高さが1.9mであり、各浴出口
にはサイクロンを設置した。
用いた重質油は実施例3と同じものであり、触媒として
ラテライトを粉砕液破砕造粒し、乾燥後1160℃で3
時間焼成して粒径70〜400ミクロンの粒子を使用し
た。
その焼成後の組成は、Fe49.7重量%、Nil、
44重量%、AI。
032.85重量%、Mg05.54重量%、5i08
.61重量%、Ca0O,04重量%テ比表面積は3.
2m27g、みかけ比重3.29であった。
以下設定反応条件と実験結果を示す。
設定条件:圧力O〜1kg/cm2G 分解塔・・・・・・反応温度540℃、触媒ホールドア
ツプ10kg、分解塔から再生塔への触媒循環量40k
g/h、重質油供給速度4.3kg/h、スチーム供給
速度2.9kg/h 再生塔・・・・・・反応温度830℃、触媒ホールドア
ツプ11kg、空気供給速度2m□/h ガス化塔・・・・・・反応温度750、触媒ホールドア
ツプ12kg、スチーム供給速度1.9kg/h実験結
果: 分解塔 収 率 ガス13.1重量%、油70.0重
量%、コーク16.9重量% ガス組成 H237,4モル%、CH4 20,3モル%、H2S1.5 モル% 再生塔 ガス組成 CO/C02二1.25モル1モル
* 80230ppm。
H2S 150 ppm、N0IO pm ガス化塔 ガス組成 H293,1モル%、CH40,
6モル%、COO,7モル %、C021,7モル%、 H2S3.9モル% 発生水素量:11ONA/ kg−重質油
【図面の簡単な説明】
第1図、第2図および第3図は本発明の触媒が適用され
るプロセスの各実施態様を示すフローシートであり、第
4図および第5図は本発明の実施例に採用されたフロー
シートを示す。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1Fe30〜60重量%、Ni001〜10重量%およ
    びCa020重量%以下の組成より成りかつ比表面積が
    0.1〜30m2/g、みかけ比重が2.5〜4.0で
    あることを特徴とする流動床条件下に重質炭化水素を酸
    化ないしは分解し、該組成中の酸化鉄を還元し、還元さ
    れた鉄とスチームとの反応により水素を製造するプロセ
    スに用いる触媒組成物。
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