KR100247521B1 - Catalyst for oxydizing hydrogen sulfide gas and recovery method of sulfur using the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 황화수소가스의 선택적 산화용 촉매로서 황화 수소 가스의 선택적 산화용 촉매에 있어서, 바나듐과 인의 비정질 혼합산화물((VO)2P2O7); 및 상기 비정질 혼합산화물이 담지되는 비산성이며 비염기성인 담체;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 촉매는 물이 존재하는 조건에서도 높은 촉매활성을 유지하므로 정유공장이나 제철공장에서 다량으로 발생되는 황화수소를 무독성의 원소 황으로 전화시켜 회수가능하도록 함으로써, 황화수소로 인한 환경오염문제를 크게 줄일 수 있게 해 준다.A catalyst for selective oxidation of hydrogen sulfide gas as a catalyst for selective oxidation of hydrogen sulfide gas, comprising: amorphous mixed oxides of vanadium and phosphorus ((VO) 2 P 2 O 7 ); And a non-acidic and non-basic carrier on which the amorphous mixed oxide is supported. Since the catalyst of the present invention maintains high catalytic activity even in the presence of water, by converting hydrogen sulfide, which is generated in a refinery or steel mill, into non-toxic elemental sulfur, it can be recovered, thereby greatly reducing the environmental pollution problem caused by hydrogen sulfide. It allows you.

Description

황화수소 가스 산화용 촉매 및 이를 이용한 황의 회수방법{Catalyst for oxydizing hydrogen sulfide gas and recovery method of sulfur using the same}Catalyst for oxydizing hydrogen sulfide gas and recovery method of sulfur using the same}

본 발명은 황화수소 가스를 직접 산화시킬 수 있는 촉매 및 이를 이용하여 유독성 황화수소 가스를 처리하여 원소 황을 회수하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 물이 포함되어 있는 상태에서도 황화수소 가스를 직접 선택적으로 산화시킬 수 있는 촉매 및 이 촉매상에서 황화수소를 선택적으로 산화시켜 무독성의 고체상인 원소 황을 회수하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a catalyst capable of directly oxidizing hydrogen sulfide gas and a method for recovering elemental sulfur by treating a toxic hydrogen sulfide gas using the same, and more particularly, directly to selectively oxidize hydrogen sulfide gas even in the presence of water. And a method for recovering elemental sulfur that is a non-toxic solid phase by selectively oxidizing hydrogen sulfide on the catalyst.

황화수소는 무색으로서 악취를 발생시키는 기체이며, 대기오염을 일으키는 물질 중의 하나로 작용한다. 황화수소는 생물학적 작용에 의해서 다량 발생될 수 있지만 최근에는 산업시설이 증가함에 따라 각종 산업시설로부터도 다량 발생되고 있으며, 이로 인해 대기오염의 문제가 보다 심각해지고 있다. 황화수소는 일단 대기중으로 배출되면 이를 효과적으로 제거할 방법이 거의 없으며, 배출시설의 구조와 운전방법 등에 따라 그 피해 정도를 경감시킬 수 있으므로, 산업시설로부터 배출되는 황화수소가 대기중으로 방출되기 전에 효율적으로 제거하는 방법이 절실히 요구되고 있다.Hydrogen sulfide is a colorless, odorous gas and acts as one of the substances that cause air pollution. Hydrogen sulfide can be generated in large quantities by biological action, but recently, as industrial facilities increase, a large amount of hydrogen sulfide is also generated from various industrial facilities, which causes more serious air pollution. Hydrogen sulfide is hardly removed once it is discharged into the atmosphere, and the damage can be reduced according to the structure and operation method of the discharge facility. Therefore, hydrogen sulfide discharged from industrial facilities can be efficiently removed before being released into the atmosphere. There is an urgent need for a method.

황화수소를 다량 발생시키는 산업시설로는 원유나 천연가스의 정제 공장, 제철 공장 등을 들수 있고, 석탄 가스화 설비도 새로운 배출원으로 등장하게 될 전망이어서, 특히 이들 산업시설에서 발생되는 황화수소를 제거하는 방법의 개발이 보다 시급한 실정이다.Industrial facilities that generate large amounts of hydrogen sulfide include crude oil, natural gas refining plants, and steel mills. Coal gasification facilities are also expected to emerge as new sources of emissions, especially in the process of removing hydrogen sulfide from these industrial facilities. Development is more urgent.

현재까지 황화수소를 제거하는 방법으로서는 주로 클라우스 반응(Claus reaction)이 이용되어 왔는데, 이 방법에 의하면, 1개의 고온로와 2-3개의 촉매반응기로 이루어진 반응시스템에 의해 황화수소가 열적 산화 공정(thermal oxidation)과 촉매 반응 공정(catalytic reaction)을 거치면서 무독성의 원소 황으로 제거될 수 있다.Until now, the method of removing hydrogen sulfide has mainly been the Claus reaction, in which hydrogen sulfide is thermally oxidized by a reaction system consisting of one high temperature furnace and two to three catalytic reactors. ) And catalytic reactions can be removed with non-toxic elemental sulfur.

먼저, 열적 산화 공정에서는 황화수소(H2S)의 1/3을 1100-1200℃ 정도의 고온로에서 산화시켜 이산화황(SO2)으로 전환시킨다.First, in the thermal oxidation process, one-third of hydrogen sulfide (H 2 S) is oxidized in a high temperature furnace at about 1100-1200 ° C. and converted to sulfur dioxide (SO 2 ).

2H2S + 3O2→ 2SO2+ 2H2O. (1)2H 2 S + 3 O 2 → 2SO 2 + 2H 2 O. (1)

이어서, 계속되는 촉매 반응 공정에서는 미전환된 황화수소와 고온로에서 생성된 이산화황을 2:1의 몰비로 조절하여 알루미나(Al2O3) 촉매상에서 클라우스 반응으로 알려진 축합반응에 의해 원소 황으로 전환시킨다.Subsequently, in the subsequent catalytic reaction process, unconverted hydrogen sulfide and sulfur dioxide produced in a high temperature furnace are controlled at a molar ratio of 2: 1, and converted to elemental sulfur by a condensation reaction known as Klaus reaction on an alumina (Al 2 O 3 ) catalyst.

Figure pat00001
(2)
Figure pat00001
(2)

그러나, 클라우스 공정은 다음과 같은 이유로 인해 황 회수율에 한계가 있어 황화수소의 처리효율을 바람직한 수준으로 증가시키기가 곤란하다.However, the Klaus process has a limited sulfur recovery rate for the following reasons, making it difficult to increase the treatment efficiency of hydrogen sulfide to a desirable level.

첫째, 클라우스 반응은 열역학적으로 가역 반응이므로 평형 전환율이 제한되어 있다.First, the Klaus reaction is thermodynamically reversible, so the equilibrium conversion is limited.

둘째, 정반응에서 생성되는 물을 제거하기가 곤란하므로, 결과적으로 클라우스 반응의 역반응이 우세하게 되어 황화수소를 원소 황으로 제거하는 비율이 낮아진다.Second, since it is difficult to remove the water produced in the forward reaction, as a result, the reverse reaction of the Klaus reaction predominates, and the rate of removing hydrogen sulfide with elemental sulfur is lowered.

셋째, 황화수소와 고온로에서 생성되는 이산화황의 몰비를 화학량론적 비 (H2S/SO2= 2:1)로 정확하게 조절하기가 어려우므로, 반응의 효율이 떨어진다.Third, it is difficult to accurately control the molar ratio of hydrogen sulfide and sulfur dioxide generated in a high temperature furnace to a stoichiometric ratio (H 2 S / SO 2 = 2: 1), thereby reducing the efficiency of the reaction.

전술한 바와 같은 문제점 등으로 인해, 클라우스 공정에서는 통상 3-5% 정도의 미처리 가스가 배출되게 된다. 이러한 미처리 가스를 이전과 같이 소각(incineration) 처리할 경우에는 약 1000ppm 이상의 이산화황이 생성되는데, 이는최근 강화되고 있는 환경법상 배출 기준치를 초과하는 높은 값이다.Due to the problems described above, in the Klaus process, about 3-5% of the untreated gas is usually discharged. Incineration of these untreated gases produces more than about 1000 ppm of sulfur dioxide, which is a high value exceeding the recently tightened environmental law emission standards.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 클라우스 공정에서 배출되는 미처리 황화물(tail-gas)을 처리하기 위한 부가적인 공정이 필요하게 되었다. 현재 클라우스 공정의 후처리 공정(Tail Gas Treatment: TGT)으로서 여러 가지 방법이 개발되어 실제로 현장에서 이용되고 있다. 그러나, 이들 공정은 대체로 흡착(adsorption)이나 흡수법(absorption)을 이용한 것이므로 처리후에 페기물을 발생시키거나, 주기적인 재생공정을 필요로 한다는 점에서 설비의 연속적인 가동을 어렵게 하고 있다. 이러한 후처리 공정으로서는 다음과 같은 공정들이 이용되어 왔다.In order to solve the above problems, an additional process for treating untreated sulfide (tail-gas) discharged from the Klaus process is required. Currently, various methods have been developed and used in the field as tail gas treatment (TGT) of the Klaus process. However, these processes generally use adsorption or absorption methods, which makes it difficult to continuously operate the equipment in that wastes are generated after treatment or periodic regeneration processes are required. As the post-treatment process, the following processes have been used.

먼저, 후처리 공정 중 가장 효율이 높은 공정으로서 미처리 가스를 수소화 (Hydrogenation)한 다음 생성되는 황화수소를 촉매상에서 선택 산화시켜 원소 황으로 회수함으로써 황화수소를 제거하는 공정을 들 수 있다.First, a process of removing hydrogen sulfide by hydrogenation of an untreated gas and then selectively oxidizing the produced hydrogen sulfide on a catalyst and recovering elemental sulfur as the most efficient process among post-treatment processes.

2H2S + O2→ 2/nSn+ 2H2O. (3)2H 2 S + O 2 → 2 / nS n + 2H 2 O. (3)

이러한 방법을 이용한 것으로서 대표적인 방법이 모돕(MODOP : Mobil Direct Oxidation Process: EP-0 078 690-A2)과 수퍼클라우스(Super Claus: US 5,286,697)공정이다.Representative methods using this method are MODOP (MODOP: Mobil Direct Oxidation Process: EP-0 078 690-A2) and Super Claus (US 5,286,697) process.

모돕 공정은 이산화티탄(TiO2)계 촉매상에서 황화수소를 화학량론적 비로 산소와 반응시켜 직접 원소 황으로 전환시키는 공정으로서, 클라우스 공정을 포함하는 3단계 공정으로 사용될 경우 원소 황으로의 전환율이 99.6% 이상으로 매우 높다. 그러나, 촉매 반응기로 유입시키기 전에 미반응 가스 중에 포함되어 있는 수분을 탈수(dehydration)과정을 거쳐 4% 미만으로 낮추어야 한다는 점에서 수분으로 인한 제한을 받는다.The Modoop process converts hydrogen sulfide with oxygen in a stoichiometric ratio directly to elemental sulfur on a titanium dioxide (TiO 2 ) -based catalyst.The conversion rate to elemental sulfur is more than 99.6% when used in a three-step process including the Klaus process. Very high. However, the moisture contained in the unreacted gas must be lowered to less than 4% through dehydration before entering the catalytic reactor.

한편, 수퍼클라우스 공정은 모돕 공정과 유사한 공정이지만 탈수과정이 없이 산화철(Fe2O3)계 촉매상에서 황화수소와 과량의 산소를 반응시켜 원소 황을 직접 회수하는 방법으로서, 모돕 공정과 마찬가지로 원소 황의 회수율이 99% 이상으로 매우 높다. 그러나, 수퍼클라우스 공정은 탈수과정을 수반하지 않으므로, 물에 의한 촉매의 피독을 방지하고 클라우스 역반응을 제한하기 위해서는 보통 당량비의 10배 이상으로 과량의 산소를 반응시켜야 한다, 따라서, 처리해야 할 전체 가스의 양이 증가하게 되고, 산소를 전술한 바와 같이 높은 당량비로 반응시켜야 하므로 2부피% 이상의 고농도 황화수소 가스를 처리하기가 곤란하다는 단점이 있다.On the other hand, the superclaus process is similar to the Mododo process, but recovers elemental sulfur directly by reacting hydrogen sulfide and excess oxygen on an iron oxide (Fe 2 O 3 ) catalyst without dehydration. This is very high, over 99%. However, since the superclaus process does not involve dehydration, in order to prevent poisoning of the catalyst by water and to limit the Klaus reaction, it is usually necessary to react excess oxygen at an order of 10 or more times the equivalent ratio, thus the total gas to be treated. Since the amount of is increased and oxygen must be reacted at a high equivalent ratio as described above, there is a disadvantage in that it is difficult to process a high concentration hydrogen sulfide gas of 2 vol% or more.

또 다른 방법으로는, 바나듐계 촉매를 사용하여 황화수소를 원소 황으로 전환하는 방법이 보고된 바 있다. 예를 들면, 비염기성 담체에 담지되어 있는 형태의 순수한 V2O5촉매를 개시한 미국특허 4,311,683호에는 100psig, 232℃ 이하의 온도 조건하에 황화수소농도가 500ppm인 반응가스로부터 75-90%의 황 회수율을 얻는다고 기재되어 있다. 또한, 미국특허 4,576,814호에는, V2O5-Bi2O3로 된 2성분계 촉매를 이용하여 246℃ 이하의 온도, 3부피%의 물이 존재하는 조건하에서 황 회수율이 70-80%에 이르는 것으로 기재되어 있고, 미국특허 5,512,258호에는 A4±xV2±yO9(A: Mg, Ca, Zn, 0≤x≤0.2, 0≤y≤0.5) 촉매계를 이용할때 황화수소 2부피%, 이산화황 1부피%와 당량비의 산소 (1부피%)를 포함하는 반응가스가 30부피%의 수증기를 포함하는 경우 반응온도 220℃에서 황화수소의 전환율이 70-90%에 이른다고 기재되어 있으나, 원소 황의 회수율은 그다지 바람직한 수준에는 못미친다.As another method, a method of converting hydrogen sulfide into elemental sulfur using a vanadium-based catalyst has been reported. For example, US Pat. No. 4,311,683, which discloses a pure V 2 O 5 catalyst in the form of a non-basic carrier, discloses 75-90% sulfur from a reaction gas having a hydrogen sulfide concentration of 500 ppm under a temperature condition of 100 psig and 232 ° C or less. It is described to obtain a recovery rate. In addition, U.S. Patent No. 4,576,814 discloses a 70-80% sulfur recovery rate using a two-component catalyst of V 2 O 5 -Bi 2 O 3 at a temperature of 246 ° C. or lower and in the presence of 3% by volume of water. U.S. Patent 5,512,258 discloses 2 vol% hydrogen sulfide when using A 4 ± x V 2 ± y O 9 (A: Mg, Ca, Zn, 0 ≦ x ≦ 0.2, 0 ≦ y ≦ 0.5) catalyst system, When the reaction gas containing 1% by volume of sulfur dioxide and oxygen (1% by volume) contains 30% by volume of water vapor, the conversion rate of hydrogen sulfide reaches 70-90% at the reaction temperature of 220 ° C. Is less than desirable.

상기와 같은 현재까지의 촉매들의 경우 고온에서는 생성되는 황이 물의 존재하에 클라우스 반응에서 역반응을 거치게 되어 이산화황이 부산물로 생성됨으로써 황 선택도가 저하하게 되는 문제가 있다. 따라서, 통상 저온에서 황화수소의 처리반응을 실시하였는데, 저온에서는 촉매 자체가 장기간 사용 후 비활성화되는 문제가 있고 또한 황산화(sulfatation) 자체가 촉매의 비활성화 원인으로 작용한다고 알려져 있다.In the case of the catalysts to date as described above, sulfur generated at high temperature undergoes a reverse reaction in the Klaus reaction in the presence of water, and thus sulfur selectivity is generated as a byproduct, thereby degrading sulfur selectivity. Therefore, the hydrogen sulfide is generally treated at a low temperature. At low temperatures, the catalyst itself is inactivated after long-term use, and sulfation is known to act as a cause of the catalyst deactivation.

따라서, 본 발명의 목적은 전술한 문제를 해결하여 물이 과량 존재하는 경우에도 황 선택도를 바람직한 수준으로 유지할 수 있고 비활성화 현상도 현저하게 감소시킬 수 있는, 황화수소의 선택적 산화반응용 촉매를 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a catalyst for the selective oxidation of hydrogen sulfide, which can solve the above-mentioned problems and maintain sulfur selectivity at a desirable level even in the presence of excess water and can significantly reduce the deactivation phenomenon. will be.

본 발명의 다른 목적은 상기 촉매를 이용하여 물이 과량으로 존재하는 경우에도 황화수소를 선택적으로 산화시켜 원소 황을 회수하는 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for recovering elemental sulfur by selectively oxidizing hydrogen sulfide even when excess water is present using the catalyst.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에서는 황화 수소 가스의 선택적 산화용 촉매에 있어서, 바나듐과 인의 비정질 혼합산화물((VO)2P2O7); 및 상기 비정질 혼합산화물이 담지되는 비산성이며 비염기성인 담체;를 포함하는 것을 특징으로 하는 황화수소 가스의 선택적 산화용 촉매가 제공된다.In the present invention to achieve the above object, in the catalyst for the selective oxidation of hydrogen sulfide gas, vanadium and phosphorus amorphous mixed oxide ((VO) 2 P 2 O 7 ); And a non-acidic and non-basic carrier on which the amorphous mixed oxide is carried. There is provided a catalyst for selective oxidation of hydrogen sulfide gas.

상기 비산성/비염기성인 담체는 이산화규소, 탄화규소, 알파-알루미나로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 담체형 촉매인 경우, 담체의 중량은 촉매 전체 중량을 기준으로 60중량% 이하인 것이 바람직하다.As the non-acidic / non-basic carrier, it is more preferable to use any one selected from the group consisting of silicon dioxide, silicon carbide, and alpha-alumina. In the case of a carrier catalyst, the weight of the carrier is preferably 60% by weight or less based on the total weight of the catalyst.

본 발명의 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명에서는 황화수소 가스의 선택적 산화용 촉매가 장착된 반응기 내로 황화수소 가스를 함유하는 반응가스, 산소 및 수증기의 혼합기체를 유입시키는 단계; 및 상기 반응기 내의 반응온도를 240 내지 350℃로 유지하고, 상기 산소/황화수소의 부피비를 0.5 내지 1.0 유지하며, 공간속도를 3,000 내지 500,000/hr로 유지하는 조건하에서 산화반응시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 황화수소로부터 원소 황을 회수하는 방법이 제공된다.In order to achieve another object of the present invention, the present invention comprises the steps of introducing a mixed gas of the reaction gas containing hydrogen sulfide gas, oxygen and steam into a reactor equipped with a catalyst for the selective oxidation of hydrogen sulfide gas; And maintaining the reaction temperature in the reactor at 240 to 350 ° C., maintaining the volume ratio of oxygen / hydrogen sulfide to 0.5 to 1.0, and oxidizing under a condition of maintaining the space velocity at 3,000 to 500,000 / hr. A method for recovering elemental sulfur from hydrogen sulfide is provided.

상기 방법에서, 상기 반응온도는 250 내지 325℃로 유지하고, 상기 산소/황화수소의 부피비는 0.5 내지 0.6으로 유지하고, 공간속도를 3,000 내지 100,000 /hr로 유지하는 것이 바람직하다.In the above method, the reaction temperature is maintained at 250 to 325 ℃, the volume ratio of the oxygen / hydrogen sulfide is maintained at 0.5 to 0.6, and the space velocity is preferably maintained at 3,000 to 100,000 / hr.

이하, 본 발명에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명의 촉매는 바나듐과 인의 혼합산화물을 포함하며, 이것은 (VO)2P2O7상 또는 비정질 혼합상으로 되어 있고 경우에 따라 담체에 담지된 형태로 존재한다. 먼저 (VO)2P2O7상으로 되어 있는 촉매를 제조하는 경우에는, 옥살산 수용액에 V2O5와 H3PO4를 용해하여 혼합용액을 만든 후, 증발건조법으로 수분을 제거한다음 얻은 결과물을 약 500℃에서 질소분위기하에서 여러시간동안 열처리함으로써 만들어진다. 비정질 혼합산화물 촉매의 경우에는, 옥살산 수용액에 V2O5와 NH4H2PO4를 용해하여 혼합용액을 만든 다음, 여기에 담체를 첨가하고 증발건조시켜 수분을 제거한 후 공기분위기하의 약 450℃에서 여러시간동안 열처리함으로써 만들어진다. 본 발명의 V-P-O는 단독으로도 촉매활성을 나타내지만 담체에 담지된 형태로도 촉매활성을 나타낸다. 담체에 담지된 형태인 경우 담체의 중량은 촉매 전체 중량에 대해 60중량% 이하로 하는 것이 바람직하다. 이는 본 발명의 촉매가 황화수소의 선택적 산화반응에 참여하여 작용하는 메카니즘상의 특징에 기인한다. 즉, 반응과정에서 황화수소에 의해 촉매가 환원되어 격자산소 (lattice oxygen)를 잃게 되고, 격자산소를 잃은 촉매는 기상의 산소로부터 다시 격자산소를 제공받음으로써 활성이 유지되는 산화-환원 메카니즘에 따라 촉매반응이 진행된다. 따라서, 본 반응의 활성 유지는 촉매가 포함하는 격자산소의 양 및 기상의 산소에 의한 촉매의 산화여부 및 그 정도에 의해 좌우된다. 그러므로, 혼합산화물의 담지량이 적은 경우에는 촉매가 가지는 격자산소의 양이 적어서 낮은 공간속도에서는 장시간 반응 후에, 높은 공간속도에서는 비교적 단시간 반응 후에 활성의 저하현상이 나타난다.The catalyst of the invention comprises a mixed oxide of vanadium and phosphorus, which is in the (VO) 2 P 2 O 7 phase or in the amorphous mixed phase and optionally present in a supported form on the carrier. First, in the case of preparing a catalyst composed of (VO) 2 P 2 O 7 phase, a mixed solution is prepared by dissolving V 2 O 5 and H 3 PO 4 in an aqueous oxalic acid solution, and then removing water by evaporation to dryness. Is made by heat treatment at about 500 ° C. under nitrogen atmosphere for several hours. In the case of an amorphous mixed oxide catalyst, V 2 O 5 and NH 4 H 2 PO 4 are dissolved in an aqueous oxalic acid solution to prepare a mixed solution, and then a carrier is added thereto, evaporated to dryness to remove moisture, and then subjected to about 450 ° C. under an air atmosphere. It is made by heat treatment for several hours at. The VPO of the present invention exhibits catalytic activity alone but also in the form supported on a carrier. In the case of the form supported on the carrier, the weight of the carrier is preferably 60% by weight or less based on the total weight of the catalyst. This is due to the mechanism characteristic of the catalyst of the present invention in which it participates in the selective oxidation of hydrogen sulfide. That is, the catalyst is reduced by hydrogen sulfide during the reaction to lose lattice oxygen, and the catalyst which loses lattice oxygen is catalyzed by an oxidation-reduction mechanism in which activity is maintained by receiving lattice oxygen from gaseous oxygen again. The reaction proceeds. Therefore, the maintenance of the activity of the present reaction depends on the amount of lattice oxygen contained in the catalyst and whether or not the oxidation of the catalyst is caused by oxygen in the gas phase. Therefore, when the supported amount of mixed oxide is small, the amount of lattice oxygen included in the catalyst is small, and thus the activity decreases after a long time reaction at low space velocity and a relatively short time reaction at high space velocity.

전술한 바와 같은 과정에 의해 제조된 촉매의 존재하에, 황화수소를 함유하는 가스와 산소가스를 250 내지 350℃에서 반응시키면 황화수소가 원활하게 산화되어 원소 황의 형태로 회수된다. 이 경우, 반응온도를 250℃ 미만으로 낮추면 촉매의 비활성화가 일어나며, 350℃를 초과하는 경우에는 황의 회수율이 떨어진다. 이때의 반응조건은 산소/황화수소 비가 0.5 내지 1.0 범위이고, 유입가스의 공간속도가 3,000 내지 1,000,000/h 범위인 것이 바람직하며, 더욱 바람직한 반응조건은 반응온도는 250 내지 325℃이며, 산소/황화수소 비는 0.5 내지 1.0 범위이고, 유입가스의 공간속도는 3,000 내지 500,000/h 범위이면 바람직하다. 한편, 공간속도를 3,000 내지 100,000/h 범위로 하고 다른 반응조건을 상기와 동일하게 한다면 더욱 바람직하다.In the presence of a catalyst prepared by the above-described process, when the gas containing hydrogen sulfide and oxygen gas are reacted at 250 to 350 ° C., hydrogen sulfide is smoothly oxidized and recovered in the form of elemental sulfur. In this case, when the reaction temperature is lowered below 250 ° C., the catalyst is deactivated, and when it exceeds 350 ° C., the recovery of sulfur falls. At this time, the reaction conditions of the oxygen / hydrogen sulfide ratio is in the range of 0.5 to 1.0, the space velocity of the inlet gas is preferably in the range of 3,000 to 1,000,000 / h, more preferably the reaction temperature is 250 to 325 ℃, oxygen / hydrogen sulfide ratio Is in the range of 0.5 to 1.0, and the space velocity of the inlet gas is preferably in the range of 3,000 to 500,000 / h. On the other hand, it is more preferable if the space velocity is in the range of 3,000 to 100,000 / h and the other reaction conditions are the same as above.

이하, 실시예를 통하여 본 발명의 특징을 보다 구체적으로 설명하되 본 발명이 반드시 하기 실시예로만 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the features of the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not necessarily limited to the following Examples.

〈실시예 1〉<Example 1>

10중량%의 옥산살 수용액 400ml에 V2O56.0g과 H3PO46.5g을 용해하여 혼합용액을 제조하고, 증발건조시켜 수분을 제거하여 VOHPO4·0.5H2O를 제조하였다. 이것을 500℃에서 질소분위기하에 4시간동안 처리하여 (VO)2P2O7상을 포함하는 V-P-O 촉매를 제조하였다. 이 촉매를 반응기에 채운 다음 여기에 황화수소 5부피%, 산소 2.5부피%, 나머지량의 헬륨을 포함하는 혼합기체를 공급하였다.6.0 g of V 2 O 5 and 6.5 g of H 3 PO 4 were dissolved in 400 ml of 10 wt% oxalic acid aqueous solution, and a mixed solution was prepared by evaporation to dryness to remove VOHPO 4 .0.5H 2 O. This was treated under nitrogen atmosphere at 500 ° C. for 4 hours to prepare a VPO catalyst including (VO) 2 P 2 O 7 phase. The catalyst was charged to the reactor, and then supplied with a mixed gas containing 5% by volume of hydrogen sulfide, 2.5% by volume of oxygen, and the remaining amount of helium.

공간속도를 12,000/h 로 고정하고 반응온도를 220 내지 370℃로 변화시키면서 황화수소의 산화반응을 실시한 후 황화수소의 전환율, 황 선택도 및 황 회수율을 측정하여 표 1에 나타내었다.After the space velocity was fixed at 12,000 / h and the reaction temperature was changed to 220 to 370 ° C., the oxidation reaction of hydrogen sulfide was performed, and the conversion rate, sulfur selectivity, and sulfur recovery rate of hydrogen sulfide were measured.

반응온도에 따른 황화수소의 전화율과 이산화황의 선택도Conversion Rate of Hydrogen Sulfide and Selectivity of Sulfur Dioxide According to Reaction Temperature 온도(℃)Temperature (℃) H2S 전환율 (%)H 2 S conversion rate (%) SO2선택도(%)SO 2 selectivity (%) 황 회수율 (%)Sulfur recovery rate (%) 220250275300325350370220250275300325350370 9795939087837897959390878378 99.599989694918799.5999896949187 96.594.191.186.481.875.567.996.594.191.186.481.875.567.9

상기 표 1로부터 알 수 있듯이, 220-325℃의 반응온도 범위에서 황회수율이 80% 이상인 것으로 나타났다. 그러나, 220℃에서는 촉매의 비활성화 현상으로 장시간 사용하는 경우 황 회수율이 급격하게 감소되어 실용적이지 못하였다. 따라서, 본 발명의 촉매에 의하면, 촉매의 비활성화 현상에도 불구하고 주로 245℃ 이하의 온도에서 사용되었던 종래의 촉매에 비해 고온에서 촉매의 비활성화 없이 안정되게 장기간 사용될 수 있다.As can be seen from Table 1, the sulfur recovery yield was found to be more than 80% in the reaction temperature range of 220-325 ℃. However, at 220 ° C., the sulfur recovery rate is rapidly decreased when the catalyst is used for a long time due to the deactivation of the catalyst. Therefore, according to the catalyst of the present invention, it can be used stably for a long time without deactivation of the catalyst at a high temperature in comparison with the conventional catalyst that was used mainly at a temperature of 245 ℃ or less despite the catalyst deactivation phenomenon.

〈실시예 2〉<Example 2>

혼합기체에 5-30부피%의 수증기를 첨가하여 반응기체로 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건하에 황화수소의 산화반응을 실시하여 얻은 결과를 하기 표 2에 황화수소 전환율, 이산화황 선택도 및 황회수율로서 나타내었다.The hydrogen sulfide conversion rate, sulfur dioxide selectivity and sulfur are shown in Table 2 below, except that 5-30% by volume of water vapor is added to the mixed gas, and hydrogen sulfide oxidation is carried out under the same conditions as in Example 1. Expressed as recovery.

수분함량에 따른 황화수소의 산화반응에 대한 결과Results of Oxidation Reaction of Hydrogen Sulfide with Water Content 수분함량(%)Moisture content (%) 구 분division 온 도 (℃)Temperature (℃) 250250 275275 300300 325325 55 전환율(%)% Conversion 9696 9494 9090 8888 선택도(%)Selectivity (%) 9696 9393 9191 8888 황회수율(%)Yellow recovery rate (%) 92.292.2 87.487.4 81.981.9 77.477.4 1010 전환율(%)% Conversion 9494 9292 8989 8484 선택도(%)Selectivity (%) 9696 9292 8989 8585 황회수율(%)Yellow recovery rate (%) 90.290.2 84.684.6 79.279.2 71.471.4 2020 전환율(%)% Conversion 9292 9090 8686 8080 선택도(%)Selectivity (%) 9595 9090 8585 8181 황회수율(%)Yellow recovery rate (%) 87.487.4 81.081.0 73.173.1 64.864.8 3030 전환율(%)% Conversion 9090 8585 8181 7575 선택도(%)Selectivity (%) 9595 9090 8787 7979 황회수율(%)Yellow recovery rate (%) 85.585.5 76.576.5 70.570.5 59.359.3

상기 표 2로부터, 바나듐과 인의 혼합산화물 촉매는 과량의 수증기 존재하에서도 황회수율이 비교적 높다. 수증기의 함량이 높을수록 황회수율이 떨어지는 경향을 보이고는 있지만, 반응온도를 조절함으로써 수증기 함량이 30%인 경우에도 80% 이상의 황회수율을 얻을 수 있다.From Table 2, the mixed oxide catalyst of vanadium and phosphorus has a relatively high yield of sulfur even in the presence of excess water vapor. The higher the content of water vapor, the lower the yield of sulfur is, but by adjusting the reaction temperature, even when the content of water vapor is 30%, more than 80% of sulfur recovery can be obtained.

〈실시예 3〉<Example 3>

10중량%의 옥산살 수용액 700ml에 V2O56.0g과 NH4H2PO48.4g을 용해하여 혼합용액을 제조하고, 여기에 담체로서 이산화규소를 17g 첨가한 후 증발건조시켜 수분을 제거하였다. 이어서, 130℃에서 약 6시간 건조한 후, 450℃에서 약 6시간 동안 공기를 흘려주면서 소성하였다. 이렇게 하여 얻은 촉매를 XRD (X-ray diffraction )로 확인한 결과 비정질이었다. 또한, 담지 전후의 담체의 무게를 비교하여 촉매상인 비정질의 V-P-O가 약 40중량% 담지되어 있는 것 (V-P-O(40중량%)/SiO2)을 확인하였다. 담체로 사용된 이산화규소의 비표면적은 300m2/g이고, 평균기공직경은 150Å이었다 (Davisil, Aldrich 사 제조). 제조된 촉매를 반응기에 채운 다음 실시예 1과 동일한 조건하에서 황화수소의 산화반응을 실시하여 그 결과를 표 3에 나타내었다.Dissolving 6.0 g of V 2 O 5 and 8.4 g of NH 4 H 2 PO 4 in 700 ml of 10 wt% aqueous solution of oxalic acid to prepare a mixed solution, followed by addition of 17 g of silicon dioxide as a carrier, followed by evaporation to dryness to remove moisture. It was. Subsequently, after drying at 130 ° C. for about 6 hours, firing was performed while flowing air at 450 ° C. for about 6 hours. The catalyst thus obtained was confirmed to be XRD (X-ray diffraction), and was amorphous. In addition, by comparing the weight of the carrier before and after supporting, it was confirmed that about 40% by weight of amorphous VPO as a catalyst phase was supported (VPO (40% by weight) / SiO 2 ). The specific surface area of silicon dioxide used as the carrier was 300 m 2 / g and the average pore diameter was 150 mm 3 (manufactured by Davisil, Aldrich). The prepared catalyst was charged in a reactor and then subjected to oxidation of hydrogen sulfide under the same conditions as in Example 1, and the results are shown in Table 3.

반응온도에 따른 V-P-O(40중량%)/SiO2촉매에 의한 황화수소의 산화반응Oxidation of Hydrogen Sulfide by VPO (40 wt%) / SiO 2 Catalyst According to Reaction Temperature 온도(℃)Temperature (℃) H2S 전환율 (%)H 2 S conversion rate (%) SO2선택도(%)SO 2 selectivity (%) 황 회수율 (%)Sulfur recovery rate (%) 250275300325250275300325 9796939097969390 9998989599989895 96.094.191.185.596.094.191.185.5

상기 표 3으로부터 알 수 있듯이, V-P-O가 40중량% 정도로 담지되어 있는 촉매 역시 비담체형 혼합산화물 촉매에 상당하는 정도의 황회수율의 성취를 가능하게 한다.As can be seen from Table 3, the catalyst on which V-P-O is loaded at about 40% by weight also enables the achievement of the sulfur recovery equivalent to that of the uncarried mixed oxide catalyst.

〈실시예 4〉<Example 4>

산소/황화수소의 비와 물의 존재여부에 따른 촉매의 활성을 알아보기 위해, 실시예 1에서, 반응온도를 250℃, 공간속도를 96,000/h로 하고, 혼합기체에 물을 첨가하지 않은 것과 물을 30부피% 첨가한 것을 반응기체로 사용하여 산소/황화수소의 비를 하기 표 4에 기재되어 있는 것과 같이 변화시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건하에 황화수소의 산화반응을 실시하여 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.In order to determine the activity of the catalyst according to the ratio of oxygen / hydrogen sulfide and the presence of water, in Example 1, the reaction temperature was 250 ° C., the space velocity was 96,000 / h, and water was not added to the mixed gas. Hydrogen sulfide was oxidized under the same conditions as in Example 1 except that 30 vol% of the added oxygen was used as a reactor to change the oxygen / hydrogen sulfide ratio as described in Table 4 below. Table 4 shows.

산소/황화수소 비 및 물의 존재여부에 따른 황화수소의 산화반응Oxidation reaction of hydrogen sulfide according to oxygen / hydrogen sulfide ratio and presence of water 산소/황화수소비Oxygen / Sulfide Consumption 물이 첨가되지 않은 경우If no water is added 물이 30부피% 첨가된 경우When 30% by volume of water is added 전환율(%)% Conversion 선택도(%)Selectivity (%) 황회수율(%)Yellow recovery rate (%) 전환율(%)% Conversion 선택도(%)Selectivity (%) 황회수율(%)Yellow recovery rate (%) 0.40.50.60.81.00.40.50.60.81.0 90959899999095989999 99998876709999887670 89.194.186.275.269.389.194.186.275.269.3 73909597987390959798 99938363429993836342 72.383.778.961.141.272.383.778.961.141.2

황화수소를 원소 황으로 전환시키는 산화반응에서의 반응식에 따른 산소/황화수소 당량비인 1/2 미만의 비로 산소가 존재하는 경우에는 물의 존재여부에 관계 없이 선택도는 높으나 전환율이 낮고, 1/2을 초과하는 비로 산소가 존재하는 경우에는 전환율은 높으나 선택도가 크게 떨어진다. 따라서, 산소가 당량비로 존재하는 경우, 즉 산소/황화수소 비=0.5인 경우에 최적의 황회수율을 얻을 수 있다.When oxygen is present at a ratio of less than 1/2, which is the oxygen / hydrogen sulfide equivalent ratio according to the reaction in the oxidation reaction for converting hydrogen sulfide to elemental sulfur, the selectivity is high but the conversion rate is low, and exceeds 1/2, regardless of the presence of water. In the presence of oxygen, the conversion is high but the selectivity is greatly reduced. Therefore, an optimum sulfur recovery yield can be obtained when oxygen is present in an equivalent ratio, that is, when oxygen / hydrogen sulfide ratio = 0.5.

〈실시예 5〉<Example 5>

반응가스 중에 존재하는 황화수소의 농도에 따른 촉매활성을 알아보기 위해, 실시예 1에서 반응온도를 270℃로 하고, 반응가스 중의 황화수소의 농도를 변화시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건하에 황화수소의 산화반응을 실시하여 그 결과를 하기 표 5에 나타내었다.In order to determine the catalytic activity according to the concentration of hydrogen sulfide present in the reaction gas, the reaction temperature was set to 270 ° C in Example 1, and hydrogen sulfide under the same conditions as in Example 1 except that the concentration of hydrogen sulfide in the reaction gas was changed. To perform the oxidation reaction of the results are shown in Table 5.

반응가스 중의 황화수소 농도에 따른 황화수소의 산화반응Oxidation of Hydrogen Sulfide with Different Hydrogen Sulfide Concentrations in Reaction Gas 황화수소농도(부피%)Hydrogen sulfide concentration (vol%) H2S 전환율 (%)H 2 S conversion rate (%) SO2선택도(%)SO 2 selectivity (%) 황 회수율 (%)Sulfur recovery rate (%) 51020405102040 9394969793949697 9898979698989796 91.192.193.193.191.192.193.193.1

상기 표 5로부터 알 수 있듯이, V-P-O 촉매를 사용하여 반응가스 중의 황화수소 농도에 관계 없이 높은 황회수율을 얻을 수 있다.As can be seen from Table 5, using the V-P-O catalyst it is possible to obtain a high sulfur recovery rate irrespective of the hydrogen sulfide concentration in the reaction gas.

〈실시예 6〉<Example 6>

공간 속도에 따른 반응효율을 알아보기 위해, 반응온도를 270℃로 한 점을 제외하고는 실시예1과 동일한 방법으로 반응을 진행하여 그 결과를 하기 표 6에 나타내었다.In order to determine the reaction efficiency according to the space velocity, the reaction was carried out in the same manner as in Example 1 except that the reaction temperature was set to 270 ° C. and the results are shown in Table 6 below.

공간속도에 따른 황화수소의 산화반응Oxidation of Hydrogen Sulfide According to Space Velocity 공간속도 (/h)Space velocity (/ h) H2S 전환율 (%)H 2 S conversion rate (%) SO2선택도(%)SO 2 selectivity (%) 황 회수율 (%)Sulfur recovery rate (%) 1,0003,00010,000100,0001,000,0001,0003,00010,000100,0001,000,000 93.994.094.394.592.093.994.094.394.592.0 98.598.098.298.398.598.598.098.298.398.5 92.592.192.692.990.692.592.192.692.990.6

표 6으로부터 알 수 있듯이, 황 회수율은 공간속도와 거의 무관하게 높은 것으로 나타났으며, 1,000,000/h 정도의 높은 공간속도에서도 사용될 수 있을 정도로 촉매의 활성이 좋았다. 그러나, 이상의 표로 알 수 있듯이1,000,000/h 이상인 경우에는 황회수율이 미약하나마 저하되는 것을 알 수 있다. 이상의 공간속도에 따른 황화수소의 산화반응에 관한 실시예에 관한 자료인 상기 표6으로부터, 공간속도가 3,000 내지 1,000,000/h의 범위로 반응조건을 유지하면 바람직함(황화수소 전환율이 92% 이상, 황회수율이 90% 이상)을 알 수 있으며, 비록 상기 표 6에는 구체적인 수치로 나타나 있지는 않으나, 공간속도가 100,000/h와 1,000,000/h인 경우의 중간값인 500,000/h(황회수율이 91%정도로 예상)를 상한으로 하는 공간속도범위를 3,000 내지 500,000/h로 유지하면 더 바람직한 결과을 얻을 수 있음은 자명하다. 또한, 상기 표6에 나타난 바와 같이 공간속도를 3,000 내지 100,000/h범위로 유지하면 가장 바람직한 효과(황회수율이 92% 이상)가 나타나고 있음을 알 수 있다.As can be seen from Table 6, the sulfur recovery was almost high regardless of the space velocity, and the catalyst activity was good enough to be used even at a high space velocity of about 1,000,000 / h. However, as can be seen from the above table, in the case of 1,000,000 / h or more, it can be seen that the yield of sulfur is slightly reduced. From the above Table 6, which is data on an example of the oxidation reaction of hydrogen sulfide according to the above space velocity, it is preferable to maintain the reaction conditions in the range of 3,000 to 1,000,000 / h (hydrogen sulfide conversion of 92% or more, sulfur recovery yield). More than 90%), although not shown in Table 6 above, 500,000 / h, which is the median of the space velocity of 100,000 / h and 1,000,000 / h, is expected to be 91%. It is obvious that more preferable results can be obtained by maintaining the space velocity range with the upper limit as 3,000 to 500,000 / h. In addition, as shown in Table 6, it can be seen that the most desirable effect (recovery rate of 92% or more) is maintained when the space velocity is maintained in the range of 3,000 to 100,000 / h.

이상 살펴 본 바와 같이 본 발명에 따르면, 물이 존재하는 조건하에서도 황화수소를 직접 선택적으로 높은 효율로 산화시켜 높은 황회수율을 달성할 수 있으므로, 정유공장이나 제철공장에서 다량으로 발생되는 황화수소를 무독성의 원소 황으로 전환시켜 회수함으로써, 황화수소로 인한 환경오염문제를 크게 줄일 수 있다.As described above, according to the present invention, since hydrogen sulfide can be achieved by directly oxidizing hydrogen sulfide to a high efficiency selectively even under the presence of water, hydrogen sulfide generated in a large amount in a refinery or an iron and steel plant is non-toxic. By converting and recovering elemental sulfur, it is possible to greatly reduce the environmental pollution problem caused by hydrogen sulfide.

Claims (5)

황화 수소 가스의 선택적 산화용 촉매에 있어서, 바나듐과 인의 비정질 혼합산화물((VO)2P2O7); 및 상기 비정질 혼합산화물이 담지되는 비산성이며 비염기성인 담체;를 포함하는 것을 특징으로 하는 황화수소 가스의 선택적 산화용 촉매.A catalyst for the selective oxidation of hydrogen sulfide gas, comprising: amorphous mixed oxides of vanadium and phosphorus ((VO) 2 P 2 O 7 ); And a non-acidic and non-basic carrier on which the amorphous mixed oxide is supported. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 담체는 이산화규소, 탄화규소 및 알파-알루미나로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 황화수소 가스의 선택적 산화용 촉매.The carrier is a catalyst for the selective oxidation of hydrogen sulfide gas, characterized in that selected from the group consisting of silicon dioxide, silicon carbide and alpha-alumina. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 담체는 촉매 전체 중량에 대해 60 중량% 이하로 포함되는 것을 특징으로하는 황화수소 가스의 선택적 산화용 촉매.The carrier is a catalyst for the selective oxidation of hydrogen sulfide gas, characterized in that contained in 60% by weight or less based on the total weight of the catalyst. 제1항, 제2항 중 선택된 어느 한 항의 황화수소 가스의 선택적 산화용 촉매가 장착된 반응기 내로 황화수소 가스를 함유하는 반응가스, 산소 및 수증기의 혼합기체를 유입시키는 단계; 및Introducing a mixed gas of a reaction gas containing hydrogen sulfide gas, oxygen, and water vapor into a reactor equipped with a catalyst for the selective oxidation of the hydrogen sulfide gas of any one of claims 1 and 2; And 상기 반응기 내의 반응온도를 240 내지 350℃로 유지하고, 상기 산소/황화수소의 부피비를 0.5 내지 1.0 유지하며, 공간속도를 3,000 내지 500,000/hr로 유지하는 조건하에서 산화반응시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 황화수소로부터 원소 황을 회수하는 방법.Maintaining a reaction temperature in the reactor at 240 to 350 ° C., maintaining a volume ratio of oxygen / hydrogen sulfide at 0.5 to 1.0, and oxidizing under a condition of maintaining a space velocity at 3,000 to 500,000 / hr. A method for recovering elemental sulfur from hydrogen sulfide. 제4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 반응온도는 250 내지 325℃로 유지하고, 상기 산소/황화수소의 부피비는 0.5 내지 0.6으로 유지하고, 공간속도를 3,000 내지 100,000 /hr로 유지하는 것을 특징으로 하는 황화수소로부터 원소 황을 회수하는 방법.The reaction temperature is maintained at 250 to 325 ℃, the volume ratio of the oxygen / hydrogen sulfide is maintained at 0.5 to 0.6, the method for recovering elemental sulfur from hydrogen sulfide, characterized in that the space velocity is maintained at 3,000 to 100,000 / hr.
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