KR20070056129A - A desulfurization system and method for desulfurizing a fuel stream - Google Patents

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에릭 제이. 웨스턴
스티브 알. 스피비
케리 씨. 웨스턴
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쥐드-케미 인코포레이티드
지오켐 엘엘씨
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Abstract

비탈황 연료전지 탄화수소 연료류를 공급하는 단계 및 이 연료류를 적어도 하나의 선택적 황 흡착제 및 칼슘이온교환 제올라이트를 함유하는 일련의 황 흡착 베드 시스템을 통해 통과시켜 실질적으로 탈황된 탄화수소 연료류를 생산하는 단계를 포함하는 실질적으로 탈황된 탄화수소 연료류를 100℃ 미만의 온도에서 생산하는 방법.Supplying a non-sulfur fuel cell hydrocarbon fuel stream and passing the fuel stream through a series of sulfur adsorption bed systems containing at least one selective sulfur adsorbent and a calcium ion exchange zeolite to produce substantially desulfurized hydrocarbon fuel streams. A method for producing a substantially desulfurized hydrocarbon fuel stream comprising the step at a temperature of less than 100 ° C.

탈황, 연료류, 선택적 황 흡착제, 칼슘이온교환 제올라이트, 연료전지 Desulfurization, fuels, selective sulfur adsorbents, calcium ion exchange zeolites, fuel cells

Description

탈황시스템 및 연료류의 탈황방법{A DESULFURIZATION SYSTEM AND METHOD FOR DESULFURIZING A FUEL STREAM}Desulfurization System and Desulfurization Method of Fuels {A DESULFURIZATION SYSTEM AND METHOD FOR DESULFURIZING A FUEL STREAM}

본 발명은 비탈황 탄화수소 연료류(fuel stream), 특히 천연 가스, 프로판 또는 액화 석유 가스(LPG)를, 100℃ 미만의 온도에서 일련의 황 흡착 베드 시스템을 통해 통과시킴으로써, 구체적으로는 수소 발생을 위한, 보다 구체적으로는 연료전지 프로세싱 트레인(processing train) 내에서 이용되는, 실질적으로 탈황된 탄화수소 연료류를 생산하는 신규의 방법에 관한 것으로, 여기서 일련의 황 흡착 베드 시스템은 제올라이트 황 흡착제 및 적어도 하나의 선택적 황 흡착제를 함유한다. 본 발명은 추가적으로, 실질적으로 탈황된 탄화수소 연료류, 특히 탈황된 천연가스, 프로판 또는 LPG로부터 연료전지 프로세싱 트레인 내에서 전기를 발생하는 시스템에 관한 것으로, 여기서 탄화수소 연료류는 상기 기술한 일련의 황 흡착제 베드 시스템을 이용하여 탈황된다. 본 발명은 추가적으로, 탄화수소 연료류, 특히 천연 가스, 프로판 또는 LPG를 상온만큼 낮은 온도에서 탈황하기 위한, 연료전지 프로세싱 트레인 내에서의 수소 발생에 이용하는 탈황시스템을 포함한다.The present invention allows the passage of non-sulfur hydrocarbon fuel streams, in particular natural gas, propane or liquefied petroleum gas (LPG), through a series of sulfur adsorption bed systems at temperatures below 100 ° C. And, more particularly, to a novel process for producing substantially desulfurized hydrocarbon fuel streams for use in fuel cell processing trains, wherein the series of sulfur adsorption bed systems comprises a zeolite sulfur adsorbent and at least one Contains a selective sulfur adsorbent. The invention further relates to a system for generating electricity in a fuel cell processing train from substantially desulfurized hydrocarbon fuels, in particular desulfurized natural gas, propane or LPG, wherein the hydrocarbon fuels are a series of sulfur adsorbents described above. Desulfurization is carried out using a bed system. The present invention further includes a desulfurization system used for hydrogen evolution in a fuel cell processing train for desulfurizing hydrocarbon fuels, in particular natural gas, propane or LPG at temperatures as low as room temperature.

특히, 정지상 용도(stationary application) 또는 자동차와 같은 운송수단에 이용하기에 적합한, 양성자 교환 막(PEM) 연료전지와 같은, 종래의 저온 연료전지 프로세싱 트레인에 이용하기 위한 수소의 발생을 위해, 탄화수소 연료류가 다수의 종래 연료 공급원에서 유도될 수 있는데, 바람직한 이들 연료 공급원에는 천연가스, 프로판 및 LPG가 포함된다. 종래의 수소 발생 시스템, 특히 연료전지 프로세싱 트레인에서는, 탄화수소 연료류는 탈황시스템 상부를 통과 및/또는 탈황시스템을 통해 통과하여 탈황된다. 이후, 그러한 연료전지 프로세싱 트레인을 위한 이 탈황된 탄화수소 연료류는 개질기(reformer)로 유입되고, 여기서 연료류는 수소-풍부 연료류로 전환된다. 개질기에서부터 연료류는 1 이상의 열교환기를 통과하여 연료류 내의 CO 함유량이 감소되는 쉬프트 컨버터(shift converter)로 진행한다. 이 쉬프트 컨버터에서부터 연료류는 다시 다양한 열 교환기를 통과하고, 이후 1 이상의 촉매 베드를 보유한 선택적인 산화기(oxidizer) 또는 선택적인 메탄화기(methanizer)를 통과하고, 그 이후에 수소 풍부 연료류는 연료전지 스택(stack)으로 유입되어 전기를 발생시키는데 이용된다.In particular, for the generation of hydrogen for use in conventional low temperature fuel cell processing trains, such as proton exchange membrane (PEM) fuel cells, suitable for use in stationary applications or in vehicles such as automobiles. Flows can be derived from a number of conventional fuel sources, preferred fuel sources of which include natural gas, propane and LPG. In conventional hydrogen generation systems, in particular fuel cell processing trains, hydrocarbon fuel streams are desulfurized by passing over and / or through the desulfurization system. This desulfurized hydrocarbon fuel for such a fuel cell processing train is then introduced to a reformer, where the fuel is converted to a hydrogen-rich fuel stream. From the reformer, the fuel stream passes through one or more heat exchangers and proceeds to a shift converter where the CO content in the fuel stream is reduced. From this shift converter the fuel flows again through various heat exchangers and then through an optional oxidizer or optional methanizer with one or more catalyst beds, after which the hydrogen rich fuel stream It enters the cell stack and is used to generate electricity.

기체상 또는 액체상의 원료 연료(raw fuel), 구체적으로, 천연가스, 프로판 및 LPG는 특히 연료전지 프로세싱 트레인을 위한 수소 발생을 위한 연료 공급원으로서 유용하다. 불행하게도, 실제로 모든 원료 연료는 상대적으로 높은 수준, 즉 1000pm 정도만큼 높은 수준까지, 자연적으로 발생하는 다양한 황 화합물을 함유하나, 전형적으로는 20 내지 500ppm 범위만큼 함유하는데, 이러한 자연적으로 발생하는 다양한 황 화합물에는 황화 카르보닐, 황화 수소, 테트라 하이드로 티오펜과 같은 티오펜, 황화 디메틸, 다양한 머캅탄, 이황화물, 설폭사이드(sulfoxide), 기타 유기 황화물, 고분자량의 유기 황 화합물 및 이들의 조합이 포함되나, 이에 한정되 지는 않는다. 게다가, 탄화수소 연료류, 특히 천연가스, 프로판 및 LPG는 상이한 공급원을 가질 수 있으므로, 연료류에 존재할 수 있는 황 화합물의 중량 및 조성은 상당히 다양할 수 있다. Raw or gaseous raw fuels, in particular natural gas, propane and LPG, are particularly useful as fuel sources for hydrogen generation for fuel cell processing trains. Unfortunately, virtually all raw fuels contain a variety of naturally occurring sulfur compounds up to a relatively high level, ie as high as 1000 pm, but typically contain in the range of 20 to 500 ppm, which is a variety of naturally occurring sulfur. Compounds include carbonyl sulfide, hydrogen sulfide, thiophenes such as tetrahydro thiophene, dimethyl sulfide, various mercaptans, disulfides, sulfoxides, other organic sulfides, high molecular weight organic sulfur compounds and combinations thereof However, it is not limited thereto. In addition, hydrocarbon fuels, in particular natural gas, propane and LPG may have different sources, so the weight and composition of sulfur compounds that may be present in the fuel stream may vary considerably.

탄화수소 연료류 내에 이들 황-함유 화합물의 존재는 연료전지 스택 자체를 포함하여 연료전지 프로세싱 트레인의 구성부재에 매우 유해할 수 있으며, 따라서 충분히 제거되어야만 한다. 만약 충분히 제거되지 않는다면, 황 화합물은 연료전지 프로세싱 트레인의 구성부재의 수명을 단축시킬 것이다.The presence of these sulfur-containing compounds in hydrocarbon fuel streams can be very detrimental to the components of the fuel cell processing train, including the fuel cell stack itself, and must therefore be sufficiently removed. If not removed sufficiently, sulfur compounds will shorten the life of components of the fuel cell processing train.

연료전지 프로세싱 트레인은 일반적으로 단일 탈황시스템을 포함하므로, 이러한 연료전지 프로세싱 트레인에 이용하기 위해 특별히 효율적인 탈황시스템이 요구된다. 게다가, 그러한 용도를 위한 탈황시스템은 이들의 교체 이전에 연장된 시간 동안 사용될 필요가 있을 수 있기 때문에, 고성능이어야 한다.Since fuel cell processing trains generally include a single desulfurization system, a particularly efficient desulfurization system is required for use in such fuel cell processing trains. In addition, desulfurization systems for such applications must be high performance, as they may need to be used for an extended time before their replacement.

종래에 "탈황"이라고 불리는 몇몇 방법이 수소 발생을 위한 기체 및 액체 연료류에서 황을 제거하는데 이용되어 왔다. "물리적인" 황 흡착제를 이용하여 이러한 탄화수소류(hydrocarbon stream)에서 황-오염 화합물을 흡착하는 방법은, 이 방법의 상대적으로 낮은 자본 및 운전비용 때문에 그러한 탄화수소 연료류에서 황 화합물을 제거하는 가장 일반적인 방법이다(본 명세서에서는, 용어 "흡착(adsorption)" 및 "흡수(absorption)"은 동일한, 포함적인 의미이다). 물리적 흡착제가 유용하지만, 이들은 특정 작업 환경 하에서는 흡착제 유래의 황 화합물이 이탈되기 쉬울 수 있다. 게다가, 그러한 물리적 황 흡착제에 의해 흡착될 수 있는 황 화합물의 양에는 종종 제한이 있다.Several methods, conventionally called "desulfurization", have been used to remove sulfur from gas and liquid fuel streams for hydrogen evolution. Adsorption of sulfur-polluted compounds in these hydrocarbon streams using "physical" sulfur adsorbents is the most common method of removing sulfur compounds from such hydrocarbon fuels because of their relatively low capital and operating costs. Method (in this specification, the terms “adsorption” and “absorption” are the same, inclusive meaning). While physical adsorbents are useful, they can be susceptible to the release of sulfur compounds from adsorbents under certain working conditions. In addition, there is often a limit to the amount of sulfur compounds that can be adsorbed by such physical sulfur adsorbents.

탈황제로서 유용한 추가적인 형태의 흡착제는 "화학적" 황 흡착제이다. 그러나, 화학적 탈황에는 보통, 비탈황 탄화수소 연료류가 화학적 흡착 탈황 시스템을 통과하기 전에 약 150℃ 내지 400℃의 온도로 가열되는 탈황 베드가 필요하다. 게다가, 화학적 탈황 방법이 이용될 경우에 기타 실시상의 문제점이 발생할 수도 있다.An additional form of adsorbent useful as a desulfurizer is a "chemical" sulfur adsorbent. However, chemical desulfurization usually requires a desulfurization bed where the non-sulfurization hydrocarbon fuel stream is heated to a temperature of about 150 ° C. to 400 ° C. before passing through the chemisorption desulfurization system. In addition, other practical problems may arise when chemical desulfurization methods are used.

탄소 연료류에 대한 다수의 상이한 탈황 방법이 제안되어 왔지만, 특히 상대적으로 낮은 온도 및 압력에서 연장된 시간 동안 확장된 범위의 황 농도로 촉진된 황의 흡착을 달성하기 위한 개선된 탈황 방법이 여전히 요구되고 있다. 더욱이, 유의적인 양의 광범위한 황 화합물, 예컨대 특히 황화수소, 황화 카르보닐, 테트라 하이드로 티오펜, 황화 디메틸, 다양한 머캅탄, 이황화물, 설폭사이드, 기타 유기 황화물, 다양한 고분자량의 황-함유 화합물 및 이의 조합을 흡착하는 탈황 시스템에 대한 요구가 여전히 존재하고 있다. 게다가, 탈황 시스템이 연장된 시간 동안 이러한 광범위한 황 화합물을 효과적으로 흡착하여 가능한 한 황 화합물의 "브레이크쓰루(breakthrough)"를 지연시키는 것이 중요하다. "브레이크쓰루"는 탈황 이후에 공급류에 잔류하는 임의의 황 화합물의 농도가 소정의 농도 이상일 경우에 발생한다. 황 화합물에 대한 전형적인 "브레이크쓰루" 농도는 1ppm 정도에서 발생한다. 게다가, 탄화수소 연료류 내에 존재하는 실제 임의의 황 화합물 중 하나에 의한 브레이크쓰루는, 모든 황 화합물이 특히 연료전지 프로세싱 트레인을 위한 수소 발생 시스템의 구성부재에 해를 끼치는 것과 같이 불리하다.Although many different desulfurization methods have been proposed for carbon fuels, there is still a need for an improved desulfurization process to achieve promoted adsorption of sulfur with an extended range of sulfur concentrations, especially for extended periods of time at relatively low temperatures and pressures. have. Moreover, significant amounts of a wide range of sulfur compounds such as hydrogen sulfide, carbonyl sulfide, tetrahydro thiophene, dimethyl sulfide, various mercaptans, disulfides, sulfoxides, other organic sulfides, various high molecular weight sulfur-containing compounds and their There is still a need for desulfurization systems that adsorb combinations. In addition, it is important for the desulfurization system to effectively adsorb such a wide range of sulfur compounds for an extended period of time to delay the "breakthrough" of the sulfur compounds as much as possible. "Breakthrough" occurs when the concentration of any sulfur compound remaining in the feed stream after desulfurization is above a predetermined concentration. Typical "breakthrough" concentrations for sulfur compounds occur at around 1 ppm. In addition, breakthrough by any one of the actual sulfur compounds present in the hydrocarbon fuel stream is disadvantageous, such that all sulfur compounds harm components of the hydrogen generation system, particularly for fuel cell processing trains.

추가적으로, 종래 기술의 몇몇 흡착제는 몇몇 황 화합물에 대하여는 흡착제 로서 효과적이지만, 탄화수소 연료류 내에 존재하는 황 화합물 몇몇을 제거하면서 조차도 추가적인 황 화합물의 생성물을 합성할 수 있다(이러한 추가적인 황 화합물을 이하 "합성 황 화합물(synthesized sulfur compound)"이라 한다). 탈황시스템이 가능한 한 광범위하게 및 가능한 한 가장 긴 시간 동안 이러한 합성 황 화합물의 생성을 회피하는 것이 중요하다.In addition, some adsorbents of the prior art are effective as adsorbents for some sulfur compounds, but are capable of synthesizing the product of additional sulfur compounds even by removing some of the sulfur compounds present in hydrocarbon fuel streams. Sulfur compound ("synthesized sulfur compound"). It is important that the desulfurization system avoid the production of these synthetic sulfur compounds as broadly as possible and for the longest possible time.

본 발명의 이러한 양태 및 추가적인 양태는 아래 기술할 본 발명의 바람직한 구체예에 대한 설명으로부터 자명하게 될 것이다.These and further aspects of the invention will be apparent from the description of the preferred embodiments of the invention described below.

발명의 개요Summary of the Invention

본 발명은 특히 연료전지 프로세싱 트레인에 이용하기 위한 수소 발생을 위해 실질적으로 탈황된 탄화수소 연료류를 공급하는 방법으로서, 비탈황 탄화수소 연료류를 제공하는 단계, 칼슘이온교환 제올라이트(calcium exchanged zeolite) 황 흡착제 및 적어도 하나의 선택적 황 흡착제를 함유하는 일련의 황 흡착 베드 시스템을 포함하는 탈황시스템을 준비하는 단계, 및 비탈황 탄화수소 연료류를 최적으로는 100℃ 미만의 온도에서 탈황시스템을 통해 또는 그 상부를 통과시켜 탈황 수준이 약 50ppb 정도만큼 낮은 실질적으로 탈황된 탄화수소 연료류를 생성하는 단계를 포함하는 방법이다. 선택적 황 흡착제(들)의 조성 및 선택, 및 탈황시스템 내에서 선택적 흡수제(들) 및 칼슘이온교환 제올라이트의 이용 순서는 연료류에 존재하는 황 화합물의 조성에 좌우된다.The present invention is a method of supplying a substantially desulfurized hydrocarbon fuel for hydrogen generation, in particular for use in a fuel cell processing train, the method comprising the steps of providing a non-sulfurized hydrocarbon fuel, a calcium exchanged zeolite sulfur adsorbent And preparing a desulfurization system comprising a series of sulfur adsorption bed systems containing at least one optional sulfur adsorbent, and passing non-desulfurized hydrocarbon fuel streams through or above the desulfurization system, optimally at a temperature below 100 ° C. Passing through to produce a substantially desulfurized hydrocarbon fuel stream with a desulfurization level as low as about 50 ppb. The composition and selection of the selective sulfur adsorbent (s) and the order of use of the selective absorbent (s) and calcium ion exchange zeolites in the desulfurization system depend on the composition of the sulfur compounds present in the fuel stream.

본 발명은 또한 실질적으로 탈황된 탄화수소 연료류를 이용하여 연료전지 프로세싱 트레인에서 전기를 발생시키는 시스템으로서, 상기 기술된 탈황시스템을 포함하는 연료전지 프로세싱 트레인을 준비하는 단계, 비탈황 탄화수소 연료전지 연료류를 탈황시스템을 통해 바람직하게는 100℃ 미만에서 통과시키는 단계, 및 실질적으로 탈황된 탄화수소 연료류를 연료전지 프로세싱 트레인의 잔류 성분에 주입하는 단계를 포함한다. The present invention also provides a system for generating electricity in a fuel cell processing train using substantially desulfurized hydrocarbon fuel streams, the method comprising the steps of preparing a fuel cell processing train comprising the desulfurization system described above, a non-sulfur hydrocarbon fuel cell fuel stream Is passed through a desulfurization system, preferably below 100 ° C., and a step of injecting substantially desulfurized hydrocarbon fuel streams into the remaining components of the fuel cell processing train.

본 발명은 또한, 특히 연료전지 프로세싱 트레인에 이용하는 수소의 발생을 위한 탈황시스템으로서, 이는 비탈황 탄화수소 연료류, 구체적으로 천연가스, 프로판 또는 LPG를 수취하는 흡입구, 전술한 일련의 흡착제 베드 시스템, 및 실질적으로 탈황된 탄화수소 연료류를 수소 발생 시스템의 잔류 성분을 향하여 다운스트림(downsteam)으로 통과시키는 배출구를 포함한다.The present invention also relates to a desulfurization system, in particular for the generation of hydrogen for use in fuel cell processing trains, which comprises intake ports for receiving non-sulfurized hydrocarbon fuels, in particular natural gas, propane or LPG, a series of adsorbent bed systems described above, and And an outlet for passing the substantially desulfurized hydrocarbon fuel stream downstreams towards the remaining components of the hydrogen generation system.

본 발명은 또한, 특히 선택적 황 흡착제(들) 및 칼슘이온교환 제올라이트를 함유하는 연료전지 프로세싱 트레인에 이용하는 수소의 발생을 위한 일련의 황 흡착 베드 시스템이다. 특정의 선택적 황 흡착제 또는 흡착제들, 및 일련의 황 흡착제 베드 내부에 선택적 황 흡착제 또는 흡착제들 및 제올라이트의 이용 순서는 탄화수소 연료류에 존재하는 황 화합물의 조성 및 양에 좌우된다. 칼슘이온교환 제올라이트와 함께 1 이상의 선택적 황 흡착제가 이용되어 본 발명의 일련의 흡착제 베드 시스템을 형성할 수 있다. 특히 바람직한 선택적 황 흡착제 중 하나는 1 이상의 망간 화합물, 산화철 및 넓은 표면적의 담체, 특히 알루미나를 함유한다. 대안적인 바람직한 선택적 황 흡착제는 1 이상의 망간 화합물, 산화구리 및 결합제 물질을 함유한다.The invention is also a series of sulfur adsorption bed systems for the generation of hydrogen, particularly for use in fuel cell processing trains containing selective sulfur adsorbent (s) and calcium ion exchange zeolites. The order of use of certain selective sulfur adsorbents or adsorbents and the selective sulfur adsorbents or adsorbents and zeolites within the series of sulfur adsorbent beds depends on the composition and amount of sulfur compounds present in the hydrocarbon fuel stream. One or more optional sulfur adsorbents may be used with calcium ion exchange zeolites to form the series of adsorbent bed systems of the present invention. One particularly preferred selective sulfur adsorbent contains at least one manganese compound, iron oxide and a carrier of a large surface area, in particular alumina. Alternative preferred selective sulfur adsorbents contain one or more manganese compounds, copper oxide and binder material.

도 1은 합성 천연가스 공급류에서 특정 황 화합물의 제거를 위한, 실시예 1에서 논의된 칼슘이온교환 제올라이트의 성능을 나타내는 그래프이다.1 is a graph showing the performance of calcium ion exchange zeolites discussed in Example 1 for the removal of certain sulfur compounds in a synthetic natural gas feed stream.

도 2는 실시예 1의 합성 천연가스 공급류에서 실시예 1의 황 화합물의 제거를 위한 실시예 2의 선택적 황 흡착제에 대한 성능을 나타내는 그래프이다.FIG. 2 is a graph showing the performance of the selective sulfur adsorbent of Example 2 for removal of the sulfur compound of Example 1 in the synthetic natural gas feed stream of Example 1. FIG.

도 3은 실시예 3에서 논의된 바와 같이, 실시예 1의 합성 천연가스 공급류에서 실시예 1의 황 화합물을 제거하기 위한 실시예 1의 제올라이트와 실시예 2의 선택적 황 흡착제의 혼합물에 대한 성능을 나타내는 그래프이다.3 is a performance of a mixture of the zeolite of Example 1 and the optional sulfur adsorbent of Example 2 to remove the sulfur compounds of Example 1 from the synthetic natural gas feed of Example 1, as discussed in Example 3; A graph representing.

발명의 바람직한 구체예의 게시Publication of Preferred Embodiments of the Invention

본 발명은 실질적으로 탈황된 탄화수소 연료류를 수소 발생 시스템, 특히 연료전지 프로세싱 트레인에 공급하는 방법을 포함한다. 그러한 수소 발생 시스템, 특히 연료전지 프로세싱 트레인에 이용하기 위한 원료 연료, 예컨대 천연가스, 프로판 및 LPG는 이들이 이용되기 전에 자연적으로 발생하는 상대적으로 높은 농도의 황 화합물의 존재 때문에 탈황되어야만 하는데, 이러한 황 화합물에는 황화 수소, 황화 카르보닐, 테트라 하이드로 티오펜과 같은 티오펜, 황화 디메틸, 머캅탄(에틸, 메틸 프로필 및 터셔리 부틸 머캅탄을 포함), 기타 황화물, 다양한 고분자량의 유기 황 화합물 및 이들의 조합이 포함되나, 이에 한정되지는 않는다. 이러한 황 화합물은 수소 발생 시스템 및 연료전지 프로세싱 트레인의 구성부재에 손상을 입힐 수 있다. 이러한 황 화합물의 다수의 조합 및 많은 양이 연료류에 존재할 수도 있지만, 어떤 상황에서는, 연료류에 존재하는 황 화합물이 겨우 1 또는 2개의 황 화합물로 제한될 수도 있다. 원료 연료류가 100℃ 이하의 작업 온도에서 기체 상태로 존재하는 천연가스를 함유할 경우에는, 황 화합물, 예컨대 황화 카르보닐, 황화 수소, 테트라 하이드로 티오펜, 황화 디메틸, 머캅탄, 기타 유기 황 화합물, 및 이들의 조합의 농도가 약 100ppm만큼 높을 수 있다. 그러한 높은 농도의 황 화합물의 존재는, 만일 제거되지 않는다면, 연료전지 프로세싱 트레인 구성부재의 포이즈닝(poisoning)을 초래하고, 연료전지 스택 자체를 오염시킬 수 있다. 별로 많지 않은 단일의 황 화합물의 존재조차도 연료전지 프로세싱 트레인의 구성부재를 손상시킬 수 있기 때문에 실질적으로 모든 황 화합물의 제거를 완료하는 것이 필요하다.The present invention includes a method of supplying a substantially desulfurized hydrocarbon fuel stream to a hydrogen generation system, in particular a fuel cell processing train. Such hydrogen generating systems, in particular raw fuels for use in fuel cell processing trains, such as natural gas, propane and LPG, must be desulfurized because of the presence of naturally occurring relatively high concentrations of sulfur compounds before they are used. Examples include hydrogen sulfide, carbonyl sulfide, thiophenes such as tetrahydro thiophene, dimethyl sulfide, mercaptans (including ethyl, methyl propyl and tertiary butyl mercaptans), other sulfides, various high molecular weight organic sulfur compounds and their Combinations include, but are not limited to. Such sulfur compounds can damage components of the hydrogen generation system and fuel cell processing trains. Although many combinations and large amounts of such sulfur compounds may be present in the fuel stream, in some situations, the sulfur compounds present in the fuel stream may be limited to only one or two sulfur compounds. When the raw fuel contains natural gas present in the gaseous state at a working temperature of 100 ° C. or lower, sulfur compounds such as carbonyl sulfide, hydrogen sulfide, tetrahydro thiophene, dimethyl sulfide, mercaptan and other organic sulfur compounds , And combinations thereof may be as high as about 100 ppm. The presence of such high concentrations of sulfur compounds, if not removed, can result in poisoning of the fuel cell processing train components and can contaminate the fuel cell stack itself. It is necessary to complete the removal of substantially all of the sulfur compounds because even the presence of only a few sulfur compounds can damage the components of the fuel cell processing train.

본 발명의 탈황시스템은 다수의 상이한 수소 발생 방법에 이용될 수 있지만, 특히 바람직한 용도 중 하나는 연료전지 프로세싱 트레인에 대한 용도이다. 하나의 바람직한 용도는 연료전지 프로세싱 트레인의 범주 내에 있다고 하더라도, 본 명세의 목적을 위해서는 모든 수소 발생 시스템이 포함된다.The desulfurization system of the present invention can be used in a number of different hydrogen generation methods, but one particularly preferred use is for fuel cell processing trains. Although one preferred use is within the scope of a fuel cell processing train, all hydrogen generating systems are included for the purposes of this specification.

놀랍게도, 본 발명자는, 제올라이트 흡착제, 구체적으로는 칼슘이온교환 제올라이트, 보다 구체적으로는 칼슘이온교환 X 제올라이트와 함께 이용되는 1 이상의 선택적 황 흡착제를 함유하는 탈황시스템으로서 일련의 황 흡착 베드 시스템을 이용할 경우에, 연료전지 프로세싱 트레인을 위한 탄화수소 연료류의 황 함량을 50ppb 정도의 농도까지 낮추는 유의적인 탈황이 달성될 수 있다는 것을 밝혀냈다. 일련의 황 흡착제 베드 시스템의 성분의 조성 및 이용 순서는 탄화수소 공급류에 존재하는 황 화합물의 조성 및 양에 따라 조절될 수 있다. Surprisingly, the inventors have found that when using a series of sulfur adsorption bed systems as desulfurization systems containing zeolite adsorbents, in particular one or more optional sulfur adsorbents used in combination with calcium ion exchange zeolites, more specifically calcium ion exchange X zeolites. In turn, it has been found that significant desulfurization can be achieved which lowers the sulfur content of hydrocarbon fuels for fuel cell processing trains to concentrations on the order of 50 ppb. The composition and order of use of the components of the series of sulfur adsorbent bed systems can be adjusted according to the composition and amount of sulfur compounds present in the hydrocarbon feed stream.

본 발명의 선택적 황 흡착제(들)은 다양한 흡착제에서 선택된다. 본 출원에 이용되는 "선택적 황 흡착제"란 온도 100℃ 이하 및 압력 약 10-250psig 정도에서 탄화수소 연료전지 연료류, 구체적으로는 천연가스, 프로판, LPG 내에 통상적으로 존재하는 황 화합물, 예컨대 황화 수소, 황화 카르보닐, 테트라 하이드로 티오펜, 황화 디메틸, 머캅탄, 구체적으로는 에틸, 메틸, 프로필, 및 터셔리 부틸 머캅탄 및 이들의 조합 중 적어도 하나를 우세하게 흡착하는 물질을 말한다.The optional sulfur adsorbent (s) of the present invention are selected from a variety of adsorbents. As used herein, “selective sulfur adsorbent” means sulfur compounds such as hydrogen sulfide, which are typically present in hydrocarbon fuel cell fuels, specifically natural gas, propane, LPG, at temperatures up to 100 ° C. and pressures of about 10-250 psig; Refers to a substance that predominantly adsorbs at least one of carbonyl sulfide, tetrahydro thiophene, dimethyl sulfide, mercaptan, specifically ethyl, methyl, propyl, and tertiary butyl mercaptan and combinations thereof.

각각의 선택적 황 흡착제는 연료전지 연료류, 바람직하게는 천연가스에 통상적으로 존재하는 1 이상의 황 화합물을 선택적으로 흡착한다. 그러나, 이러한 흡착제 각각은 특정의 황 화합물 또는 이들 화합물의 조합의 흡착에 대해 선택적인 다른 황 흡착제보다 덜 효과적일 수도 더 효과적일 수도 있다. 게다가, 황 흡착제로서 몇몇의 선택적 황 흡착제가 단독으로 이용될 경우에는 추가적인 문제가 발생할 수 있는데, 왜냐하면 이러한 선택적 황 흡착제가, 존재하는 황 화합물을 특정의 선택적 황 흡착제에 의해서는 연료류에서 제거되지 않는, 상이한 고분자량의 합성 황 화합물로 합성할 수 있기 때문이다. Each selective sulfur adsorbent selectively adsorbs one or more sulfur compounds commonly present in fuel cell fuel streams, preferably natural gas. However, each of these adsorbents may be less or more effective than other sulfur adsorbents that are selective for adsorption of certain sulfur compounds or combinations of these compounds. In addition, additional problems may arise when several selective sulfur adsorbents are used alone as sulfur adsorbents, since such selective sulfur adsorbents do not remove the sulfur compounds present from the fuel stream by certain selective sulfur adsorbents. It is because it can synthesize | combine with the synthetic sulfur compound of different high molecular weight.

놀랍게도, 제올라이트 흡착제, 구체적으로는 칼슘이온교환 제올라이트, 및 보다 구체적으로는 칼슘이온교환 X 제올라이트를 선택적 황 흡착제와 함께 사용함으로써 탈황시스템의 성능이 상당히 강화될 수 있다는 것이 발견되었다. 게다가, 탄화수소 연료전지 연료류 유래의 광범위한 황 화합물의 흡착은 일련의 황 흡착제 베드 시스템에서 1개 이상의 선택적 황 흡착제를 제올라이트 흡착제와 함께 이용할 경우에 발생할 수 있다. 구체적으로, 1개 이상의 선택적 황 흡착제와 칼슘이온교환 제올라이트 흡착제의 조합은 각각의 선택적 황 흡착제 또는 칼슘이온교환 제올라이 트가 개별적으로 이용될 경우보다 성능이 더 좋았다. 더욱이, 일련의 황 흡착제 베드 시스템 내에 선택적 황 흡착제(들) 및 제올라이트의 선택 및 배열은 단일의 선택적 황 흡착제만을 탈황시스템에 이용할 경우에 종종 생성되는 합성 황 화합물의 생성 경향을 감소시킬 수 있다. Surprisingly, it has been found that the performance of the desulfurization system can be significantly enhanced by using zeolite adsorbents, specifically calcium ion exchange zeolites, and more specifically calcium ion exchange X zeolites with selective sulfur adsorbents. In addition, the adsorption of a wide range of sulfur compounds from hydrocarbon fuel cell fuel streams can occur when one or more optional sulfur adsorbents are used with zeolite adsorbents in a series of sulfur adsorbent bed systems. Specifically, the combination of one or more selective sulfur adsorbents and calcium ion exchange zeolite adsorbents performed better than when each selective sulfur adsorbent or calcium ion exchange zeolite was used individually. Moreover, the selection and arrangement of selective sulfur adsorbent (s) and zeolites in a series of sulfur adsorbent bed systems can reduce the tendency of synthetic sulfur compounds often produced when only a single selective sulfur adsorbent is used in the desulfurization system.

추가적으로, 일련의 황 흡착제 베드 시스템 내 흡착제의 특정 배열에 의해 다양한 조합의 황 화합물의 제거가 강화될 수 있다는 것이 밝혀졌다. 예를 들어, 일 형태 또는 일 그룹의 황 화합물의 제거를 위해서는, 일련의 황 흡착제 베드에서 선택적 황 흡착제 앞에 칼슘이온교환 제올라이트를 배치하는 것이 바람직한 반면, 다른 황 화합물 또는 황 화합물의 조합에 대해서는 비탈황 탄화수소 연료전지 연료류가 칼슘이온교환 제올라이트와 접촉하기 이전에 선택적 황 흡착제 중 하나와 접촉하는 것이 바람직하다. 다른 비탈황 탄화수소 연료전지 연료류에 대하여는 2개 이상의 선택적 황 흡착제를 사용하는 것이 바람직할 수 있는데, 이러한 선택적 황 흡착제 중 1개 이상이 일련의 황 흡착제 베드 시스템에서 제올라이트 흡착제 앞에 또는 뒤에 배치된다.In addition, it has been found that removal of various combinations of sulfur compounds can be enhanced by the specific arrangement of adsorbents in a series of sulfur adsorbent bed systems. For example, for the removal of one type or group of sulfur compounds, it is desirable to place calcium ion exchange zeolites in front of the selective sulfur adsorbent in a series of sulfur adsorbent beds, while non-sulfurization for other sulfur compounds or combinations of sulfur compounds. Preferably, the hydrocarbon fuel cell fuel stream is in contact with one of the optional sulfur adsorbents before contacting the calcium ion exchange zeolite. For other non-sulfur hydrocarbon fuel cell fuel streams, it may be desirable to use two or more selective sulfur adsorbents, one or more of which are disposed before or after the zeolite adsorbent in a series of sulfur adsorbent bed systems.

특정의 선택적 황 흡착제에 의해 보다 크고 제거하기가 보다 어려운 황 화합물로 합성될 수도 있는 몇몇의 황 화합물이 이러한 황 흡착제에 의해 합성되기 이전에 제올라이트 흡착제, 구체적으로 칼슘이온교환 제올라이트 흡착제에 의해 공급류에서 제거될 수 있기 때문에, 이러한 시스템에 의한 황 흡착은 더욱 강화된다.Some sulfur compounds, which may be synthesized into larger and more difficult to remove sulfur by certain selective sulfur adsorbents, may be synthesized in the feed stream by zeolite adsorbents, specifically calcium ion exchange zeolite adsorbents, before they are synthesized by such sulfur adsorbents. Since it can be eliminated, the sulfur adsorption by this system is further enhanced.

적절한 선택적 황 흡착제는 실질적으로 망간 화합물을 함유하는 흡착제, 망간 화합물, 산화구리 및 결합제를 함유하는 흡착제, 및 망간 화합물, 산화철 및 넓 은 표면적의 담체, 특히 알루미나를 함유하는 흡착제와 같은 망간-기반 흡착제의 그룹이 포함되나, 이에 한정되지는 않는 흡착제의 그룹에서 선택된다. 이러한 탈황시스템을 위한 기타 유용한 선택적 황 흡착제에는 알루미나와 같은 담체를 보유한 또는 보유하지 않은 산화아연; 산화구리 보유 활성탄; 바람직하게는 소량의 탄소 및 알루미나를 함유하는 산화아연/산화구리의 배합물; 알루미나 보유 산화구리; 및 알루미나와 혼합된 산화구리/산화아연 배합물이 포함되나, 이에 한정되지는 않는다. 기타 유용한 선택적 황 흡착제에는 실리카 또는 알루미나 상의 니켈 및 구리, 아연, 몰리브덴 및 코발트 화합물을 함유하는 다른 공지된 선택적 황 흡착제가 포함될 수 있다. 이러한 선택적 황 흡착제가 각각 다양한 양으로 이용될 수 있고, 탄화수소 연료전지 연료류에 존재하는 특정 황 화합물 및 이의 양에 따라 개별적 성분의 양이 조절되어 전체적 탈황시스템의 흡착 능력을 증강시킬 수 있다.Suitable selective sulfur adsorbents are substantially manganese-based adsorbents such as adsorbents containing manganese compounds, adsorbents containing manganese compounds, copper oxides and binders, and adsorbents containing manganese compounds, iron oxides and carriers with a large surface area, in particular alumina. Groups are selected from, but are not limited to, groups of adsorbents. Other useful optional sulfur adsorbents for such desulfurization systems include zinc oxide with or without carriers such as alumina; Copper oxide containing activated carbon; A combination of zinc oxide / copper oxide, preferably containing a small amount of carbon and alumina; Alumina bearing copper oxide; And copper oxide / zinc oxide blends mixed with alumina. Other useful optional sulfur adsorbents may include nickel and other known selective sulfur adsorbents containing copper, zinc, molybdenum and cobalt compounds on silica or alumina. These selective sulfur adsorbents can be used in various amounts, respectively, and the amount of individual components can be adjusted according to the specific sulfur compounds and their amounts present in the hydrocarbon fuel cell fuel stream to enhance the adsorption capacity of the overall desulfurization system.

특히 바람직한 일 구체예에서, 선택적 황 흡착제는 넓은 표면적의 담체, 바람직하게는 알루미나, 실리카, 실리카-알루미나, 티타니아, 및 기타 무기 내화성 산화물이 포함되는 넓은 표면적의 담체(이들 중 보다 바람직한 담체는 넓은 표면적의 알루미나이다) 상에 산화철과 혼합된 1 이상의 망간 화합물을 함유한다. "넓은 표면적"이라는 용어는 표면적이 100m2/g 보다 넓은 담체를 묘사하는 것이다.In one particularly preferred embodiment, the selective sulfur adsorbent has a large surface area carrier, preferably a large surface area carrier comprising alumina, silica, silica-alumina, titania, and other inorganic refractory oxides, of which more preferred carriers have a large surface area. Alumina), and at least one manganese compound mixed with iron oxide. The term "wide surface area" refers to a carrier having a surface area of greater than 100 m 2 / g.

놀랍게도, 본 발명자는 넓은 표면적의 담체가 넓은 표면적의 알루미나일 경우에, 망간 화합물(들)/산화철 선택적 황 흡착제가 황 화합물을 흡착하는 능력이 증강된다는 것을 밝혀냈다. 넓은 표면적의 알루미나를 보유한 망간 화합물(들)/산 화철 물질을 함유하는 흡착제는 담체가 유사한 표면적을 가진 다른 무기 물질을 함유할 때보다 높은 수준으로 황 화합물을 흡착할 수 있다. 표면적이 100m2/g 이상인 임의의 형태의 알루미나는 본 발명의 범주 내에 있다. 바람직한 담체는 이러한 선택적 황 흡착제 총 중량의 5 내지 25중량%, 바람직하게는 5 내지 20중량%, 및 가장 바람직하게는 5 내지 15중량%를 구성한다. 담체 물질의 주된 기능은 활성 금속화합물의 침착을 위한 넓고 접근가능한 표면적을 제공하는 것이다. Surprisingly, the inventors have found that when a large surface area carrier is a large surface area alumina, the ability of the manganese compound (s) / iron oxide selective sulfur adsorbent to adsorb sulfur compounds is enhanced. Adsorbents containing manganese compound (s) / iron oxide materials having a large surface area of alumina can adsorb sulfur compounds at a higher level than when the carrier contains other inorganic materials with similar surface areas. Any form of alumina having a surface area of at least 100 m 2 / g is within the scope of the present invention. Preferred carriers comprise from 5 to 25%, preferably from 5 to 20%, and most preferably from 5 to 15% by weight of the total weight of this selective sulfur adsorbent. The main function of the carrier material is to provide a wide and accessible surface area for the deposition of the active metal compound.

1 이상의 망간 화합물(들) 이외에, 이러한 선택적 황 흡착제의 넓은 표면적의 담체 상에 침착된 또는 담체를 보유한 금속 화합물에는 산화철이 포함된다. 바람직한 구체예에서, 산화철 및 망간 화합물(들)은 함께 이러한 황 흡착제의 60중량% 이상, 바람직하게는 70중량% 이상 및 가장 바람직하게는 적어도 80중량% 내지 90중량%를 구성한다. In addition to one or more manganese compound (s), metal oxides deposited on or with carriers of a large surface area of such selective sulfur adsorbents include iron oxide. In a preferred embodiment, the iron oxide and manganese compound (s) together constitute at least 60% by weight, preferably at least 70% by weight and most preferably at least 80% to 90% by weight of this sulfur adsorbent.

바람직한 구체예에서, 이러한 선택적 황 흡착제 내에 존재하는 산화철의 양은 망간 화합물(들)의 양을 초과한다. 산화철 대 망간 화합물(들)의 중량 비율은 적어도 1:1 및 바람직하게는 1:1 내지 6:1이어야만 하는 것이 바람직하다. 담체 상의 바람직한 산화철 적재량은 선택적 황 흡착제의 총 중량 대비 40중량% 내지 80중량% 범위, 및 보다 바람직하게는 50 내지 70중량% 범위이다. 다양한 형태의 산화철, 예컨대 FeO 및 Fe2O3 및 이들의 혼합물이 이용될 수 있다.In a preferred embodiment, the amount of iron oxide present in this selective sulfur adsorbent exceeds the amount of manganese compound (s). It is preferred that the weight ratio of iron oxide to manganese compound (s) should be at least 1: 1 and preferably 1: 1 to 6: 1. Preferred iron oxide loadings on the carrier range from 40% to 80% by weight, and more preferably from 50 to 70% by weight relative to the total weight of the optional sulfur adsorbent. Various forms of iron oxides can be used, such as FeO and Fe 2 O 3 and mixtures thereof.

1 이상의 망간 화합물(들)은 선택적 황 흡착제의 총 중량의 15중량% 내지 40중량%, 바람직하게는 20중량% 내지 40중량%를 구성한다. MnO2, Mn2O3, Mn3O4 및 Mn(OH)4 및 이들의 혼합물이 포함되는 다양한 형태의 망간 화합물이 이용될 수 있다.The at least one manganese compound (s) constitutes 15% to 40% by weight, preferably 20% to 40% by weight of the total weight of the selective sulfur adsorbent. Various forms of manganese compounds can be used, including MnO 2 , Mn 2 O 3 , Mn 3 O 4 and Mn (OH) 4 and mixtures thereof.

촉진제 또는 촉진제들이 또한 이러한 선택적 황 흡착제에 첨가될 수 있는데, 바람직하게는 알칼리 금속 산화물 또는 알칼리 토금속 산화물 및 보다 바람직하게는 산화칼슘이 5 내지 15중량%로 첨가된다. 산화칼슘이 바람직한 촉진제이지만, 산화마그네슘과 같은 다른 알칼리 금속 산화물 또는 알칼리 토금속 산화물이 산화칼슘과 더불어 또는 산화칼슘에 대안적으로 이용될 수 있다.Accelerators or accelerators may also be added to these selective sulfur sorbents, preferably from 5 to 15% by weight of alkali metal oxides or alkaline earth metal oxides and more preferably calcium oxide. Calcium oxide is the preferred promoter, but other alkali metal oxides or alkaline earth metal oxides, such as magnesium oxide, may be used in addition to or instead of calcium oxide.

본 발명에 따른 산화철/망간 화합물(들)의 선택적 황 흡착제는 공침전(coprecipitation), 분해(decomposition), 함침 또는 기계적 혼합에 의해 제조될 수 있다. 바람직하게는, 이러한 선택적 황 흡착제는 공침전 또는 분해에 의해 생산된다. 선택된 방법은 선택적 황 흡착제 성분의 철저한 혼합을 보장해야만 한다.Selective sulfur adsorbents of iron oxide / manganese compound (s) according to the present invention may be prepared by coprecipitation, decomposition, impregnation or mechanical mixing. Preferably, such selective sulfur sorbents are produced by coprecipitation or decomposition. The method chosen should ensure thorough mixing of the optional sulfur sorbent components.

수은 세공측정기(porosimetry)로 측정한, 상기 절차에 의해 생성된 산화철/망간 화합물(들) 흡착제의 비세공용적(specific pore volume)은 바람직하게는 0.3cc/g 내지 0.6cc/g이다. 부가적으로, 이러한 선택적 황 흡착제의 다진 용적 밀도(compacted bulk density)는 바람직하게는 0.4 내지 1.1g/cc이다. 일단, 물질이 그 주된 생성물 형태로 존재할 경우에는, 추가적으로 펠릿화 또는 압출 등으로 처리되어 최종의 선택적 황 흡착제로 형성된다. 이러한 선택적 황 흡착제는 바람직하게는 몰딩(molding)으로, 특히 구 또는 펠릿(pellet)의 형태로 성형되는데, 바람직하게는 0.1 cm 내지 1 cm 크기 범위의 직경을 갖는다. 이러한 선택적 황 흡착제의 표면적은 적어도 100m2/g이며 바람직하게는 100m2/g 내지 300m2/g이다.The specific pore volume of the iron oxide / manganese compound (s) adsorbent produced by the procedure, measured by mercury porosimetry, is preferably between 0.3 cc / g and 0.6 cc / g. In addition, the compacted bulk density of such selective sulfur sorbents is preferably between 0.4 and 1.1 g / cc. Once the material is present in its main product form, it is further processed by pelletization or extrusion to form the final selective sulfur adsorbent. Such selective sulfur adsorbents are preferably molded in molding, in particular in the form of spheres or pellets, preferably having a diameter in the range of from 0.1 cm to 1 cm in size. The surface area of such selective sulfur adsorbents is at least 100 m 2 / g and preferably 100 m 2 / g to 300 m 2 / g.

이러한 알루미나 보유 산화철/망간 화합물(들) 선택적 황 흡착제 대 칼슘이온교환 제올라이트 흡착제의 부피비는 1:4 내지 4:1, 바람직하게는 1:3 대 3:1이다. 일련의 선택적 황 흡착제 베드 시스템에서 칼슘이온교환 제올라이트 흡착제와 함께 이러한 선택적 황 흡착제를 이용하는 순서에 있어서, 바람직하게는 이러한 선택적 황 흡착제 앞에 칼슘이온교환 제올라이트 흡착제를 배치한다.The volume ratio of such alumina bearing iron oxide / manganese compound (s) selective sulfur adsorbent to calcium ion exchange zeolite adsorbent is from 1: 4 to 4: 1, preferably from 1: 3 to 3: 1. In a sequence of using such selective sulfur adsorbents with a calcium ion exchange zeolite adsorbent in a series of selective sulfur adsorbent bed systems, the calcium ion exchange zeolite adsorbent is preferably placed before this selective sulfur adsorbent.

이러한 산화철/망간 화합물(들) 선택적 황 흡착제는 그것이 단독으로 이용될 경우에 특히 양호한 황 흡착을 나타냈고, 이때 연료전지 연료류에 함유된 황 화합물은 황화 수소, 황화 카르보닐(COS), 터셔리 부틸 머캅탄(TBM) 및 에틸 머캅탄(EM)이다. 이러한 선택적 황 흡착제가 칼슘이온교환 제올라이트 흡착제와 함께 사용되었을 경우에는 테트라 하이드로 티오펜(THT) 및 황화 디메틸(DMS)을 포함하여 연료전지 연료류에 통상적으로 존재하는 추가적인 황 화합물의 흡착에 대한 증강된 효용성을 나타냈는데, 특이 제올라이트가 일련의 황 흡착제 베드 시스템에서 순서 상 산화철/망간 화합물(들) 흡착제 앞에 배치되었을 경우에 특히 그러하였다. 그러나, 몇몇 탄화수소 연료류는 이러한 추가적 황 화합물을 함유하지 않는다. 이러한 환경에서는, 칼슘이온교환 제올라이트 흡착제 없이 단지 산화철/망간 화합물(들) 선택적 황 흡착제를 이용하는 것이 대안적인 바람직한 구체예이다.These iron oxide / manganese compound (s) selective sulfur adsorbents exhibited particularly good sulfur adsorption when used alone, wherein the sulfur compounds contained in the fuel cell fuel stream are hydrogen sulfide, carbonyl sulfide (COS), tertiary Butyl mercaptan (TBM) and ethyl mercaptan (EM). When such selective sulfur adsorbents are used with calcium ion exchange zeolite adsorbents, they are enhanced for the adsorption of additional sulfur compounds commonly present in fuel cell fuel streams, including tetrahydrothiophene (THT) and dimethyl sulfide (DMS). The utility was shown, particularly when specific zeolites were placed in front of the iron oxide / manganese compound (s) adsorbent in sequence in a series of sulfur adsorbent bed systems. However, some hydrocarbon fuels do not contain such additional sulfur compounds. In such circumstances, it is an alternative preferred embodiment to use only an iron oxide / manganese compound (s) selective sulfur adsorbent without a calcium ion exchange zeolite adsorbent.

기타 선택적 황 흡착제가 탄화수소 연료전지 공급류와 같은 수소 발생 시스템에서 특정 황 화합물의 흡착을 위해, 이러한 선택적 황 흡착제 및 제올라이트 흡 착제와 함께 이용될 수 있다. 예를 들어, 특히 유용한 조합은 칼슘이온교환 제올라이트 및 넓은 표면적의 담체를 보유한 산화철/망간 화합물(들) 선택적 황 흡착제의 조합이며, 산화구리 보유 탄소 또는 알루미나를 보유한 산화구리/산화아연을 함유하는 선택적 황 흡착제를 함유한다. 이러한 선택적 황 흡착제는 본 명세서에서 하기에 보다 자세히 기술되어 있다. 이러한 추가적인 선택적 황 흡착제를 제올라이트 흡착제와 함께 사용하는 순서에 있어서, 탄소/산화구리 또는 산화구리/산화아연 선택적 황 흡착제를 일련의 황 흡착제 베드 시스템에서 첫번째로 배치시키고, 넓은 표면적의 알루미나를 보유한 산화철/망간 화합물(들) 앞에 제올라이트 흡착제를 배치시키는 것이 바람직하다.Other selective sulfur adsorbents may be used with these selective sulfur adsorbents and zeolite adsorbents for the adsorption of certain sulfur compounds in hydrogen generating systems such as hydrocarbon fuel cell feed streams. For example, a particularly useful combination is a combination of calcium ion exchange zeolite and iron oxide / manganese compound (s) selective sulfur adsorbents having a large surface area carrier and selective containing copper oxide containing carbon or alumina with copper oxide / zinc oxide. Contains sulfur adsorbent. Such selective sulfur adsorbents are described in more detail herein below. In the order of using these additional selective sulfur adsorbents with zeolite adsorbents, carbon / copper oxide or copper oxide / zinc oxide selective sulfur adsorbents are first placed in a series of sulfur adsorbent bed systems, and iron oxide / with alumina having a large surface area It is preferred to place the zeolite adsorbent in front of the manganese compound (s).

이러한 조합의 바람직한 일 구체예에서, 제올라이트 흡착제는 바람직하게는 일련의 황 흡착제 베드 내 3성분 시스템 내에 다른 성분의 양과 같거나, 그보다 많으며, 이때 제올라이트 흡착제의 양은 일련의 황 흡착 베드 시스템 내에 존재하는 총 황 흡착제의 80% 이하이며, 알루미나 보유 산화철/망간 화합물(들) 선택적 황 흡착제는 일련의 황 흡착제 베드 시스템의 20부피% 이하를 구성하고 알루미나 보유 탄소/산화구리 또는 산화구리/산화아연의 선택적 황 흡착제도 또한 일련의 황 흡착제 베드 시스템의 20부피% 이하를 구성할 수 있다.In one preferred embodiment of this combination, the zeolite adsorbent is preferably equal to or greater than the amount of other components in the three component system in the series of sulfur adsorbent beds, wherein the amount of zeolite adsorbent is the total amount present in the series of sulfur adsorption bed systems. Up to 80% of sulfur adsorbent, alumina bearing iron oxide / manganese compound (s) The selective sulfur adsorbent constitutes up to 20% by volume of a series of sulfur adsorbent bed systems and is selective sulfur of alumina bearing carbon / copper oxide or copper oxide / zinc oxide The adsorbent may also constitute up to 20% by volume of the series of sulfur adsorbent bed systems.

일련의 황 흡착제 베드 시스템에서 제올라이트 흡착제와 함께 이용될 수 있는 추가적인 바람직한 선택적 황 흡착제는 1 이상의 망간 화합물(들), 산화구리 및 소량의 결합제를 함유할 수 있다. 이러한 선택적 황 흡착제의 망간 화합물(들)은 전술한 선택적 황 흡착제의 망간 화합물에 대하여 이미 기술한 임의의 형태로 이용 될 수 있다. 이러한 선택적 황 흡착제의 망간 화합물(들)은 이러한 선택적 황 흡착제의 50 내지 80중량% 및 바람직하게는 60 내지 75중량%를 구성한다. 산화구리는 이러한 선택적 황 흡착제의 15 내지 40중량% 및 바람직하게는 15 내지 30중량%를 구성한다. 결합제는 이러한 선택적 황 흡착제의 5 내지 20중량%를 구성한다. 바람직한 구체예에서, 결합제는 벤토나이트(bentonite), 규조토, 애터펄자이트(attapulgite), 고령토, 세피올라이트(sepiolite), 일라이트(illite) 및 이들의 혼합물이 포함되는 광범위한 점토(clay)에서 선택된다. 보다 바람직하게는, 결합제는 벤토나이트 점토를 함유한다. 촉진제도 또한 당해 선택적 황 흡착제에 첨가되어 흡착제의 작업 특성을 증강시킬 수 있다. 이러한 흡착제는 종래의 절차에 의해 제조된다. 결합제를 보유한 당해 망간 화합물(들)/산화구리 선택적 황 흡착제의 표면적은 100 내지 300m2/g, 바람직하게는 200 내지 300m2/g이다.Additional preferred optional sulfur adsorbents that may be used with zeolite adsorbents in a series of sulfur adsorbent bed systems may contain one or more manganese compound (s), copper oxide and small amounts of binder. The manganese compound (s) of such selective sulfur adsorbents may be used in any of the forms already described for the manganese compounds of the selective sulfur adsorbents described above. The manganese compound (s) of this selective sulfur adsorbent constitutes 50-80% by weight and preferably 60-75% by weight of this selective sulfur adsorbent. Copper oxide constitutes 15-40% by weight and preferably 15-30% by weight of this selective sulfur adsorbent. The binder constitutes 5-20% by weight of this selective sulfur adsorbent. In a preferred embodiment, the binder is selected from a wide range of clays including bentonite, diatomaceous earth, attapulgite, kaolin, sepiolite, illite and mixtures thereof do. More preferably, the binder contains bentonite clay. Accelerators may also be added to the selective sulfur adsorbents to enhance the working properties of the adsorbents. Such adsorbents are prepared by conventional procedures. The surface area of the manganese compound (s) / copper oxide selective sulfur adsorbent with binder is from 100 to 300 m 2 / g, preferably from 200 to 300 m 2 / g.

이러한 망간 화합물(들)/산화구리/결합제의 선택적 황 흡착제가 단독으로 이용될 경우에는 황화 수소, 황화 카르보닐, 터셔리 부틸 머캅탄, 에틸 머캅탄 및 이들의 혼합물에 대한 상당한 효용성을 나타낸다. 게다가, 이러한 망간 화합물(들)/산화구리/결합제 선택적 황 흡착제가 일련의 황 흡착제 베드 시스템에서 제올라이트 흡착제와 함께 순서대로 이용될 경우에는 전술한 것들과 동일한 형태의 탄화수소 연료전지 공급류 내에 포함된 황 화합물의 유의적인 흡착을 나타냈는데, 이때 선택적 황 흡착제의 조성물은 산화철, 망간 화합물(들) 및 소량의 넓은 표면적의 알루미나를 함유한다.Selective sulfur adsorbents of these manganese compound (s) / copper oxide / binder, when used alone, show significant utility for hydrogen sulfide, carbonyl sulfide, tertiary butyl mercaptan, ethyl mercaptan and mixtures thereof. In addition, the sulfur contained in a hydrocarbon fuel cell feed of the same type as described above when such manganese compound (s) / copper oxide / binder selective sulfur adsorbents are used in sequence with zeolite adsorbents in a series of sulfur adsorbent bed systems. Significant adsorption of the compound was shown wherein the composition of the selective sulfur adsorbent contained iron oxide, manganese compound (s) and a small amount of large surface area alumina.

연료전지 연료류, 구체적으로는 천연가스, 프로판 및 LPG에서 황 화합물을 제거하기 위한 선택적 황 흡착제와 제올라이트 흡착제의 부피비는 1:4 내지 4:1 및 바람직하게는 1:3 내지 3:1이다.The volume ratio of the selective sulfur adsorbent and zeolite adsorbent for removing sulfur compounds from fuel cell fuels, specifically natural gas, propane and LPG, is 1: 4 to 4: 1 and preferably 1: 3 to 3: 1.

소량의 넓은 표면적 알루미나 보유 산화철/망간 화합물(들)로 이용될 수 있는 동일한 형태, 동일한 양, 및 동일한 순서의 다른 선택적 황 흡착제가 또한 이러한 선택적 황 흡착제 및 제올라이트 흡착제와 함께 이용되어 3성분 시스템을 형성하고, 연료전지 연료류에 존재하는 특정 황 화합물의 흡착을 증강시킬 수 있다. 이용되는 특정의 선택적 황 흡착제 또는 흡착제들의 선택은 공급류에 존재하는 특정의 황 화합물 및 이들의 양에 따라 조절될 수 있다.Other optional sulfur adsorbents of the same morphology, same amount, and in the same order, which can be used with small amounts of large surface area alumina bearing iron oxide / manganese compound (s), are also used with these selective sulfur adsorbents and zeolite adsorbents to form a three component system. In addition, the adsorption of specific sulfur compounds present in the fuel cell fuel stream can be enhanced. The selection of the particular selective sulfur adsorbent or adsorbents used may be adjusted depending on the specific sulfur compound present in the feed stream and the amount thereof.

전술한 선택적 황 흡착제 대신에, 또는 이에 추가하여 일련의 황 흡착제 베드 시스템에 제올라이트 흡착제와 함께 이용될 수 있는 추가적인 선택적 황 흡착제는 산화아연만을 함유하거나, 또는 담체와 함께 산화아연을 함유한다. 알루미나가 바람직한 담체이지만, 유사한 성능 특성을 보유한 다른 담체도 이용될 수 있다. 바람직한 구체예에서, 산화아연은 선택적 황 흡착제의 60중량% 이상, 바람직하게는 50 내지 95중량%, 및 보다 바람직하게는 70 내지 90중량%를 구성하며, 나머지 부분은 바람직하게는 알루미나로 구성된다. 이러한 선택적 황 흡착제에 첨가물이 첨가되어 황 화합물을 흡수하는 능력 또는 기타 성능 특성이 증강될 수 있다. 이러한 선택적 황 흡착제의 표면적은 5 내지 75m2/g 및 바람직하게는 10 내지 50m2/g이다. 이러한 산화아연/알루미나 선택적 황 흡착제는 종래의 절차에 의해 제조된다.Instead of, or in addition to, the optional sulfur adsorbents described above, additional optional sulfur adsorbents that may be used with zeolite adsorbents in a series of sulfur adsorbent bed systems contain only zinc oxide, or contain zinc oxide with the carrier. Alumina is the preferred carrier, but other carriers having similar performance characteristics may also be used. In a preferred embodiment, the zinc oxide constitutes at least 60% by weight, preferably 50 to 95% by weight, and more preferably 70 to 90% by weight of the selective sulfur adsorbent and the remainder is preferably composed of alumina. . Additives may be added to these selective sulfur sorbents to enhance the ability to absorb sulfur compounds or other performance characteristics. The surface area of such selective sulfur adsorbents is 5 to 75 m 2 / g and preferably 10 to 50 m 2 / g. These zinc oxide / alumina selective sulfur sorbents are prepared by conventional procedures.

산화아연 알루미나 선택적 황 흡착제가 황 흡착제로서 단독으로 이용될 경우에는, 연료전지 연료류 내에 함유되어 있는 황 화합물이 황화 수소 및 에틸 머캅탄 및 이의 혼합물일 경우에 양호한 황 흡착을 나타냈다.When the zinc oxide alumina selective sulfur adsorbent was used alone as the sulfur adsorbent, good sulfur adsorption was exhibited when the sulfur compounds contained in the fuel cell fuel stream were hydrogen sulfide and ethyl mercaptan and mixtures thereof.

본 발명자는 이러한 알루미나 보유 산화아연 선택적 황 흡착제가 본 발명의 제올라이트 흡착제와 함께 일련의 황 흡착제 베드 시스템에 이용될 경우에 황 화합물의 흡착이 증강된다는 것을 밝혀냈다. 바람직하게는, 일련의 황 흡착제 베드 시스템에서 흡착제의 순서에 있어서, 알루미나 보유 산화아연 선택적 황 흡착제는 제올라이트 뒤에 이용된다. 바람직한 구체예에서, 알루미나 보유 산화아연 선택적 황 흡착제 대 제올라이트 흡착제의 부피비는 1:4 내지 4:1이고 보다 바람직한 구체예에서는 1:3 내지 3:1이다. 선택된 일련의 황 흡착제 베드 시스템이 알루미나 보유 산화아연 선택적 황 흡착제와 함께 제올라이트 흡착제만을 함유하는 것이라고 해도, 연료전지 연료류 내에 황 함량 및 조성물에 따라, 추가적인 선택적 황 흡착제가 또한 일련의 황 흡착제 베드 시스템의 일부로서, 제올라이트 흡착제 및 이러한 선택적 황 흡착제 앞에 또는 뒤에 이용될 수 있다.The inventors have found that the adsorption of sulfur compounds is enhanced when such alumina bearing zinc oxide selective sulfur adsorbents are used in a series of sulfur adsorbent bed systems with the zeolite adsorbents of the present invention. Preferably, in the order of adsorbents in a series of sulfur adsorbent bed systems, the alumina bearing zinc oxide selective sulfur adsorbent is used after the zeolite. In a preferred embodiment, the volume ratio of alumina bearing zinc oxide selective sulfur adsorbent to zeolite adsorbent is from 1: 4 to 4: 1 and in more preferred embodiments from 1: 3 to 3: 1. Although the selected series of sulfur adsorbent bed systems contain only zeolite adsorbents with alumina-bearing zinc oxide selective sulfur adsorbents, depending on the sulfur content and composition in the fuel cell fuel stream, additional optional sulfur adsorbents may also be employed in the series of sulfur adsorbent bed systems. As part, it may be used before or after the zeolite adsorbent and such optional sulfur adsorbent.

일련의 황 흡착제 베드 시스템에 본 발명의 제올라이트 흡착제와 함께 이용될 수 있는 또 다른 선택적 황 흡착제는 소량의 산화구리를 함유하는 활성탄을 함유한다. 바람직한 구체예에서, 이 활성탄은 이러한 선택적 황 흡착제의 80 내지 95중량%, 바람직하게는 85 내지 95중량%를 구성하며, 나머지 부분은 산화구리이다. 첨가물이 조성물에 첨가되어 그 성능을 증강시킬 수 있다. 활성탄/산화구리 선택적 황 흡착제는 종래의 절차에 의해 제조된다. 이 조성물의 표면적은 300 내지 1000m2/g이고, 바람직하게는 500m2/g 내지 1000m2/g이다. 이러한 선택적 황 흡착제는 종래의 절차에 의해 제조된다.Another optional sulfur adsorbent that can be used with the zeolite adsorbent of the present invention in a series of sulfur adsorbent bed systems contains activated carbon containing a small amount of copper oxide. In a preferred embodiment, this activated carbon constitutes 80 to 95% by weight, preferably 85 to 95% by weight of this selective sulfur adsorbent, with the remainder being copper oxide. Additives may be added to the composition to enhance its performance. Activated carbon / copper oxide selective sulfur sorbents are prepared by conventional procedures. The surface area of this composition is 300 to 1000 m 2 / g, preferably 500 m 2 / g to 1000 m 2 / g. Such selective sulfur adsorbents are prepared by conventional procedures.

이러한 활성탄/산화구리 선택적 황 흡착제가 단독으로 이용될 경우에는, 테트라 하이드로 티오펜, 터셔리 부틸 머캅탄, 에틸 머캅탄 및 이들의 혼합물을 흡착하는데 상당한 효용성을 나타냈다.When such activated carbon / copper oxide selective sulfur adsorbent is used alone, it has shown considerable utility in adsorbing tetrahydro thiophene, tertiary butyl mercaptan, ethyl mercaptan and mixtures thereof.

이용되는 활성탄/산화구리 선택적 황 흡착제의 양과 제올라이트 흡착제의 부피비는 1:4 내지 4:1, 바람직하게는 1:3 내지 약 3:1이다. 나아가, 바람직한 선택적 황 흡착제 및 제올라이트 흡착제의 이용 순서는 일련의 황 흡착제 베드 시스템에서 활성탄/산화구리 선택적 황 흡착제 앞에 제올라이트 흡착제를 배치하는 것이다.The volume ratio of activated carbon / copper oxide selective sulfur adsorbent and zeolite adsorbent used is from 1: 4 to 4: 1, preferably from 1: 3 to about 3: 1. Further, the preferred order of use of the selective sulfur adsorbent and zeolite adsorbent is to place the zeolite adsorbent before the activated carbon / copper oxide selective sulfur adsorbent in a series of sulfur adsorbent bed systems.

이러한 활성탄/산화구리 선택적 황 흡착제는 또한 다른 선택적 황 흡착제 및 제올라이트 흡착제와 함께 사용했을 때, 연료전지 공급류에 함유된 광범위한 황 화합물의 흡착에 대하여 양호한 흡착 능력을 나타냈다.These activated carbon / copper oxide selective sulfur adsorbents, when used in conjunction with other selective sulfur adsorbents and zeolite adsorbents, also showed good adsorption capacity for the adsorption of a wide range of sulfur compounds contained in fuel cell feed streams.

일련의 황 흡착제 베드 시스템에 제올라이트 흡착제와 함께 이용될 수 있는 또 다른 유용한 선택적 황 흡착제는 산화구리 및 알루미나 보유 산화아연, 바람직하게는 소량의 탄소도 함께 함유한다. 바람직한 구체예에서, 산화구리는 선택적 황 흡착제의 50 내지 65중량%를 구성하고, 보다 바람직하게는 50 내지 60중량%를 구성한다. 산화아연은 선택적 황 흡착제의 20 내지 35중량%를 구성하고, 알루미나는 선택적 황 흡착제의 5 내지 20중량%, 바람직하게는 10 내지 20중량%를 구성한다. 만 약 이용된다면, 탄소의 양은 10중량% 미만, 바람직하게는 1 내지 10중량%이어야 한다. 산화구리, 산화아연, 알루미나 및 바람직하게는 소량의 탄소를 함유하는 이러한 선택적 황 흡착제의 표면적은 100 내지 300m2/g 및 바람직하게는 100 내지 200m2/g이다. 이러한 선택적 황 흡착제의 제조방법은 종래의 제조방법에 따른다.Another useful optional sulfur adsorbent that can be used with a zeolite adsorbent in a series of sulfur adsorbent bed systems contains copper oxide and alumina bearing zinc oxide, preferably with a small amount of carbon. In a preferred embodiment, the copper oxide constitutes 50 to 65% by weight of the selective sulfur adsorbent, more preferably 50 to 60% by weight. Zinc oxide constitutes 20-35% by weight of the selective sulfur adsorbent, and alumina constitutes 5-20% by weight, preferably 10-20% by weight of the selective sulfur adsorbent. If used, the amount of carbon should be less than 10% by weight, preferably 1 to 10% by weight. The surface area of such selective sulfur adsorbents containing copper oxide, zinc oxide, alumina and preferably small amounts of carbon is from 100 to 300 m 2 / g and preferably from 100 to 200 m 2 / g. The method for producing such selective sulfur adsorbent is in accordance with the conventional production method.

이러한 산화구리/산화아연/알루미나, 바람직하게는 소량의 카본을 함유한 선택적 황 흡착제가 단독으로 이용될 경우, 황화 수소, 터셔리 부틸 머캅탄, 에틸 머캅탄, 황화 카르보닐 및 이들의 혼합물의 흡착에 특히 유용했다. Adsorption of hydrogen sulfide, tertiary butyl mercaptan, ethyl mercaptan, carbonyl sulfide and mixtures thereof when such a copper oxide / zinc oxide / alumina, preferably a selective sulfur adsorbent containing a small amount of carbon, is used alone Was especially useful.

일련의 황 흡착제 베드 시스템에 이용될 경우에, 이러한 선택적 황 흡착제 대 제올라이트 흡착제의 부피비는 1:4 내지 4:1, 바람직하게는 1:3 내지 3:1이다. 연료전지 연료류에서 제거될 황 화합물에 이러한 선택적 황 흡착제가 특히 유용한 황 화합물이 포함되는 경우에는, 일련의 황 흡착제 베드 시스템에서 이러한 황흡착제와 제올라이트 흡착제의 이용 순서에 있어서, 이러한 선택적 황 흡착제 앞에 제올라이트 흡착제가 배치될 것이 요구된다. 산화구리/산화아연/알루미나 및 바람직하게는 탄소를 보유한 선택적 황 흡착제 이외에도, 다른 선택적 황 흡착제가 또한 본 발명의 일련의 황 흡착제 베드 시스템에서 이러한 선택적 황 흡착제의 앞 또는 뒤에 이용될 수도 있다.When used in a series of sulfur adsorbent bed systems, the volume ratio of such selective sulfur adsorbent to zeolite adsorbent is from 1: 4 to 4: 1, preferably from 1: 3 to 3: 1. If the sulfur compound to be removed from the fuel cell fuel stream contains a sulfur compound which is particularly useful for such a selective sulfur adsorbent, the zeolite precedes the selective sulfur adsorbent in the sequence of use of such sulfur adsorbent and zeolite adsorbent in a series of sulfur adsorbent bed systems. The adsorbent is required to be disposed. In addition to copper oxide / zinc oxide / alumina and preferably sulfur bearing adsorbents, other optional sulfur adsorbents may also be used before or after such selective sulfur adsorbents in the series of sulfur adsorbent bed systems of the present invention.

일련의 황 흡착제 베드 시스템에서 제올라이트 흡착제와 함께 이용될 수 있는 추가적인 선택적 황 흡착제는, 단독으로 이용되는 망간 화합물(들)을 함유하는데, 이 망간 화합물은 MO2, Mn2O3, Mn3O4 및 Mn(OH)4 또는 이들의 혼합물을 포함하여 다양한 형태로 이용될 수 있다. 망간 화합물(들)의 표면적은 100 내지 300m2/g, 및 바람직하게는 200 내지 300m2/g이다. 칼슘, 은 및 마그네슘 등 추가적인 물질이 망간 화합물(들)과 함께 혼합되어, 망간 화합물(들)의 성능을 증진시킬 수 있다. 종래의 방법이 이러한 선택적 황 흡착제의 형성에 이용될 수 있다.Additional optional sulfur adsorbents that can be used with zeolite adsorbents in a series of sulfur adsorbent bed systems contain manganese compound (s) used alone, which are MO 2 , Mn 2 O 3 , Mn 3 O 4 And Mn (OH) 4 or mixtures thereof. The surface area of the manganese compound (s) is 100 to 300 m 2 / g, and preferably 200 to 300 m 2 / g. Additional substances such as calcium, silver and magnesium can be mixed with the manganese compound (s) to enhance the performance of the manganese compound (s). Conventional methods can be used to form such selective sulfur adsorbents.

이 망간 화합물(들) 선택적 황 흡착제가 단독으로 이용될 경우에는 황화 수소, 터셔리 부틸 머캅탄, 에틸 머캅탄 및 이들의 혼합물의 흡착에 대해 상당한 효용성을 나타냈다.When this manganese compound (s) selective sulfur adsorbent is used alone, it has shown considerable utility for adsorption of hydrogen sulfide, tertiary butyl mercaptan, ethyl mercaptan and mixtures thereof.

일련의 황 흡착제 베드 시스템에서 제올라이트 흡착제와 이용될 경우에, 이용되는 망간 화합물(들) 대 제올라이트 흡착제의 부피비는 1:4 내지 4:1 및 바람직하게는 1:3 내지 3:1이다. 일련의 황 흡착제 베드 시스템에서 이러한 망간 화합물(들) 선택적 황 흡착제의 이용 순서에 있어서는, 제올라이트 황 흡착제가 망간 화합물(들) 선택적 황 흡착제 앞에 배치되는 것이 바람직하다. 망간 화합물(들) 및 제올라이트 흡착제의 이용 이외에도, 본원에 기술된 다른 선택적 황 흡착제가 본 발명의 일련의 황 흡착제 베드 시스템에서 망간 화합물(들) 선택적 황 흡착제 앞에 또는 뒤에 이용될 수도 있다.When used with zeolite adsorbents in a series of sulfur adsorbent bed systems, the volume ratio of manganese compound (s) to zeolite adsorbents used is from 1: 4 to 4: 1 and preferably from 1: 3 to 3: 1. In the order of use of such manganese compound (s) selective sulfur adsorbents in a series of sulfur adsorbent bed systems, it is preferred that the zeolite sulfur adsorbent is placed before the manganese compound (s) selective sulfur adsorbents. In addition to the use of manganese compound (s) and zeolite adsorbents, other optional sulfur adsorbents described herein may be used before or after the manganese compound (s) selective sulfur adsorbents in the series of sulfur adsorbent bed systems of the present invention.

일련의 황 흡착제 베드 시스템에 제올라이트 흡착제와 이용될 수 있는 추가적인 선택적 황 흡착제는 알루미나 보유 산화구리를 함유할 수 있는데, 여기서 산화구리의 함량은 5 내지 25중량%, 바람직하게는 10 내지 20중량%이고 알루미나의 함량은 75 내지 95중량%, 바람직하게는 80 내지 90중량%이다. 이러한 선택적 황 흡 착제의 표면적은 100 내지 300m2/g, 및 바람직하게는 150 내지 300m2/g이다. 이러한 선택적 황 흡착제는 종래의 절차에 의해 제조된다.Additional optional sulfur adsorbents that may be used with zeolite adsorbents in a series of sulfur adsorbent bed systems may contain alumina bearing copper oxide, where the content of copper oxide is from 5 to 25% by weight, preferably from 10 to 20% by weight. The content of alumina is 75 to 95% by weight, preferably 80 to 90% by weight. The surface area of such selective sulfur adsorbents is 100 to 300 m 2 / g, and preferably 150 to 300 m 2 / g. Such selective sulfur adsorbents are prepared by conventional procedures.

이러한 선택적 황 흡착제가 단독으로 이용될 경우에는, 특히 황화 수소, 황화 카르보닐, 터셔리 부틸 머캅탄, 에틸 머캅탄 및 이들의 혼합물의 흡착에 대한 유용성을 나타냈다. 이외에도, 이러한 산화구리/알루미나 선택적 황 흡착제가 일련의 황 흡착제 베드 시스템에서 제올라이트 흡착제와 함께 순서대로 이용될 경우에는 전술한 바와 같은 동일한 형태의 연료전지 공급류에 함유된 황 화합물에 대한 유의적인 흡착이 나타났다. 일련의 황 흡착제 베드 시스템에서 황 화합물의 흡착을 위해 제올라이트 흡착제와 함께 이용될 경우에, 선택적 황 흡착제 대 제올라이트 흡착제의 부피비는 1:4 내지 4:1, 바람직하게는 1:3 내지 3:1이다. 이러한 선택적 황 흡착제와 제올라이트 흡착제를 일련의 황 흡착제 베드 시스템에 이용하는 순서에 있어서는, 제올라이트 흡착제가 선택적 황 흡착제 앞에 배치되는 것이 바람직하다. 본 발명의 일련의 황 흡착제 베드 시스템에서 황 화합물의 흡착을 위해 다른 선택적 황 흡착제가 또한 이러한 선택적 황 흡착제와 함께 이용될 수 있다.When such selective sulfur adsorbents are used alone, they have shown utility in particular for the adsorption of hydrogen sulfide, carbonyl sulfide, tertiary butyl mercaptan, ethyl mercaptan and mixtures thereof. In addition, when these copper oxide / alumina selective sulfur adsorbents are used in sequence with zeolite adsorbents in a series of sulfur adsorbent bed systems, significant adsorption to the sulfur compounds contained in the same type of fuel cell feed as described above appear. When used with a zeolite adsorbent for adsorption of sulfur compounds in a series of sulfur adsorbent bed systems, the volume ratio of selective sulfur adsorbent to zeolite adsorbent is from 1: 4 to 4: 1, preferably from 1: 3 to 3: 1. . In the order of using such a selective sulfur adsorbent and a zeolite adsorbent in a series of sulfur adsorbent bed systems, the zeolite adsorbent is preferably placed before the selective sulfur adsorbent. Other selective sulfur sorbents may also be used with such selective sulfur sorbents for the adsorption of sulfur compounds in the series of sulfur sorbent bed systems of the present invention.

일련의 흡착제 베드 시스템에 제올라이트 흡착제와 함께 이용될 수 있는 추가적인 선택적 황 흡착제는 산화구리, 산화아연 및 알루미나를 함유하는데, 산화구리의 함량은 15 내지 25중량%이고, 산화아연의 함량은 5 내지 15중량%이며, 알루미나의 함량은 65 내지 85중량%이다. 이러한 선택적 황 흡착제의 표면적은 100 내지 300m2/g, 및 바람직하게는 200 내지 300m2/g이다. 이러한 선택적 황 흡착제 촉매는 종래의 절차에 의해 제조된다.Additional optional sulfur adsorbents that can be used with zeolite adsorbents in a series of adsorbent bed systems contain copper oxide, zinc oxide, and alumina, with copper oxide content of 15 to 25 weight percent and zinc oxide content of 5 to 15 % By weight, and the content of alumina is 65 to 85% by weight. The surface area of such selective sulfur adsorbents is from 100 to 300 m 2 / g, and preferably from 200 to 300 m 2 / g. Such selective sulfur adsorbent catalysts are prepared by conventional procedures.

이러한 선택적 황 흡착제가 단독으로 이용될 경우에는, 황화 수소, 황화 카르보닐, 터셔리 부틸 머캅탄, 에틸 머캅탄 및 이들의 혼합물의 흡착에 특히 유용하다. When such selective sulfur adsorbents are used alone, they are particularly useful for the adsorption of hydrogen sulfide, carbonyl sulfide, tertiary butyl mercaptan, ethyl mercaptan and mixtures thereof.

제올라이트 흡착제와 함께 이용될 경우에, 이러한 선택적 황 흡착제와 제올라이트 흡착제의 부피비는 1:4 내지 4:1 및 바람직하게는 1:3 내지 3:1이다. 이러한 선택적 황 흡착제와 제올라이트 흡착제의 순서에 잇어서는, 제올라이트 흡착제가 선택적 황 흡착제 앞에 배치되는 것이 바람직하다. 이러한 선택적 황 흡착제는 제올라이트 흡착제뿐만 아니라 다른 선택적 흡착제와 함께 이용될 수도 있으며, 상기 논의한 바와 같은 선택이 바람직하다. 예를 들어, 특히 바람직한 일 구체예에서는, 이러한 선택적 황 흡착제가 제올라이트 흡착제와 함께 이용될 수 있고, 전술한 바와 같이 산화철, 망간 화합물들 및 알루미나 선택적 황 흡착제와 함께 이용될 수 있다.When used with a zeolite adsorbent, the volume ratio of this selective sulfur adsorbent to the zeolite adsorbent is from 1: 4 to 4: 1 and preferably from 1: 3 to 3: 1. In this order of selective sulfur adsorbent and zeolite adsorbent, it is preferred that the zeolite adsorbent is placed before the selective sulfur adsorbent. Such selective sulfur adsorbents may be used with the zeolite adsorbent as well as other selective adsorbents, with the choices discussed above being preferred. For example, in one particularly preferred embodiment, such selective sulfur adsorbents may be used with zeolite adsorbents and may be used with iron oxides, manganese compounds and alumina selective sulfur adsorbents as described above.

놀랍게도, 본 발명자는 상기 기술된 선택적 황 흡착제가 1 이상의 선택적 황 흡착제 및 제올라이트 흡착제를 함유한 일련의 황 흡착제 베드 시스템 내에서 이용될 경우에 최적으로 작동한다는 것을 밝혀냈다. 몇몇 형태의 이온교환 제올라이트가 제올라이트 흡착제로서 이용될 수 있지만, 바람직한 이온교환 제올라이트는 칼슘이온교환 제올라이트이다. 칼슘이온교환 제올라이트 A, 제올라이트 X, 제올라이트 Y, 제올라이트 ZSM-5, 제올라이트 베타, 합성 모데나이트 및 이들의 혼합물을 포함하여 다수의 칼슘이온교환 제올라이트가 공지되어 있지만, 바람직한 칼슘이온 교환 제올라이트는 칼슘이온교환 제올라이트 X이다. 특히 바람직한 칼슘이온교환 제올라이트 X는 "LSX"로 알려진 칼슘이온교환, 저실리카 제올라이트 X 및 "LSF"로 알려진 칼슘교환 저실리카 파우자사이트(faujasite)이다. 제올라이트 X의 Si:Al 당량비는 일반적으로 1.0 내지 1.25이다. 평범한 일례를 들면, 종래의 비-칼슘이온교환 전구체로 합성된 LSF는 2.0 SiO2:Al2O3:0.73 Na2O:0.27K2O의 조성을 보유하지만, 때때로 나트륨 및 칼륨 이온 사이의 비율이 LSF의 제조방법에 따라 유의적으로 변화할 수 있다.Surprisingly, the inventors have found that the selective sulfur adsorbents described above work optimally when used in a series of sulfur adsorbent bed systems containing at least one selective sulfur adsorbent and zeolite adsorbent. Although some forms of ion exchange zeolites can be used as zeolite adsorbents, preferred ion exchange zeolites are calcium ion exchange zeolites. Although many calcium ion exchange zeolites are known, including calcium ion exchange zeolites A, zeolite X, zeolite Y, zeolite ZSM-5, zeolite beta, synthetic mordenite and mixtures thereof, preferred calcium ion exchange zeolites are calcium ion exchange Zeolite X. Particularly preferred calcium ion exchange zeolite X is calcium ion exchange, low silica zeolite X known as "LSX", and calcium exchange low silica faujasite known as "LSF". The Si: Al equivalent ratio of zeolite X is generally from 1.0 to 1.25. As an example, LSF synthesized with conventional non-calcium ion exchange precursors has a composition of 2.0 SiO 2 : Al 2 O 3 : 0.73 Na 2 O: 0.27K 2 O, but sometimes the ratio between sodium and potassium ions Significant changes may be made depending on the method of preparation of LSF.

본 발명을 위하여, 제올라이트 X의 상당한 비율의 양이온이 종래의 이온교환 절차, 예컨대 제올라이트 X를 염화칼슘(이에 한정되지는 않는다)과 같은 칼슘염으로 처리하는 절차를 이용하여 칼슘이온으로 이온교환 된다. 몇몇 방법이 이온 교환 절차에 이용될 수 있는데, 이온 교환은 바람직하게는 제올라이트 흡착제가 이의 바람직한 최종 형태, 예컨대 비드 또는 압출물의 형태로 성형된 후에 일어난다. 제올라이트 X는 교환가능한 금속 이온의 50% 이상, 바람직하게는 60% 이상, 보다 바람직하게는 70% 이상, 및 가장 바람직하게는 85 내지 95% 수준으로 이온 교환된다. 나머지 이온은 나트륨 및/또는 칼륨 이온일 수 있다. (참고적으로, "칼슘이온교환 제올라이트 X"는 칼슘 양이온을 적어도 50% 함유하는 제올라이트 X를 의미한다.)For the present invention, a substantial proportion of cations of zeolite X are ion exchanged with calcium ions using conventional ion exchange procedures, such as the treatment of zeolite X with calcium salts such as, but not limited to, calcium chloride. Several methods can be used in the ion exchange procedure, which preferably occurs after the zeolite adsorbent is molded into its preferred final form, such as in the form of beads or extrudates. Zeolite X is ion exchanged to at least 50%, preferably at least 60%, more preferably at least 70%, and most preferably 85 to 95% levels of the exchangeable metal ions. The remaining ions may be sodium and / or potassium ions. (Reference, "calcium ion exchange zeolite X" means zeolite X containing at least 50% calcium cation.)

본 발명의 칼슘이온교환 제올라이트 X는 일반적으로 칼슘이온의 교환 후에도 칼슘이온 이외에 나트륨 또는 칼륨 이온을 함유한다. 그러나, 이러한 나트륨/칼륨 이온의 일부 또는 실질적으로 모두가 다른 양이온으로 이온 교환되어 칼슘이온교환 제올라이트 X의 성능 특성을, 특히 황 흡착에 대하여 증강 또는 개질시킬 수 있다. 예를 들면, 제올라이트 X 상에 이온교환되어 그 성능을 중진시킬 수 있는 추가적인 양이온에는 아연, 카드뮴, 코발트, 니켈, 구리, 철, 망간, 은, 금, 스칸듐, 리튬 및 이들의 조합이 포함된다. 이러한 추가적 금속이온의 이온 교환 비율은 제올라이트 X의 칼슘이온교환 정도에 따라 1%만큼 적게 내지 40%정도까지의 범위일 수 있다. 칼슘이온교환 제올라이트 상에 이온교환된 특정 금속 이온은 본 발명의 일련의 황 흡수제 베드 시스템에 의해 연료전지 연료류에서 제거하려고 의도되는 특정 황 화합물에 좌우된다. The calcium ion exchange zeolite X of the present invention generally contains sodium or potassium ions in addition to calcium ions even after the exchange of calcium ions. However, some or substantially all of these sodium / potassium ions may be ion exchanged with other cations to enhance or modify the performance characteristics of calcium ion exchange zeolite X, in particular with respect to sulfur adsorption. For example, additional cations that can be ion exchanged onto zeolite X to neutralize its performance include zinc, cadmium, cobalt, nickel, copper, iron, manganese, silver, gold, scandium, lithium, and combinations thereof. The ion exchange rate of these additional metal ions may range from as low as 1% to as high as 40%, depending on the degree of calcium ion exchange of zeolite X. The particular metal ion ion-exchanged on the calcium ion exchange zeolite depends on the particular sulfur compound intended to be removed from the fuel cell fuel stream by the series of sulfur absorber bed systems of the present invention.

칼슘이온교환 제올라이트가 상기 황 흡착제로서 이용될 경우에는 다양한 황 물질, 특히 테트라 하이드로 티오펜(THT), 황화 디메틸(DMS), 터셔리 부틸 머캅탄(TBM) 및 에틸 머캅탄(EM)의 흡착에 대해 유의적인 성능을 나타냈다. When calcium ion exchanged zeolites are used as the sulfur adsorbent, they are used for the adsorption of various sulfur materials, in particular tetrahydro thiophene (THT), dimethyl sulfide (DMS), tertiary butyl mercaptan (TBM) and ethyl mercaptan (EM). Significant performance was shown.

게다가, 놀랍게도 상기 기술된 선택적 황 흡착제가 개별적으로 사용되는 경우 성능 및 칼슘이온교환 제올라이트가 개별적으로 사용되는 경우의 성능은 칼슘이온교환 제올라이트 X와 선택적 황 흡착제를 혼합하여 탄화수소 연료전지 공급류의 탈황을 위한 일련의 황 흡착제 베드를 형성함으로써 극적으로 증진될 수 있다는 것을 밝혀냈다. 이러한 선택적 황 흡착제와 칼슘이온교환 제올라이트의 혼합 사용은 종래에 각 성분을 단독으로 이용하여 흡착된 황함유 화합물보다 더 광범위한 황함유화합물의 흡착을 가능하게 한다. 예를 들어, 상기 언급한 선택적 황 흡착제와 상기 기술한 칼슘이온교환 제올라이트 X와 함께 사용함으로써 황화 카르보닐, 황화 수소, 테트라 하이드로 티오펜, 황화 디메틸, 및 다양한 머캅탄, 예컨대 에틸, 메 틸, 프로필, 및 터셔리 부틸 머캅탄 및 이들의 조합을 포함하는 광범위한 황 화합물의 증진된 흡착이 가능하다는 것이 밝혀졌다.In addition, surprisingly, the performance when the selective sulfur adsorbents described above are used individually and the performance when the calcium ion exchange zeolites are used separately are mixed with calcium ion exchange zeolite X and the selective sulfur adsorbent to desulfurize the hydrocarbon fuel cell feed stream. It has been found that it can be dramatically enhanced by forming a series of sulfur adsorbent beds. The mixed use of such selective sulfur adsorbents and calcium ion exchange zeolites enables the adsorption of a wider range of sulfur-containing compounds than the sulfur-containing compounds conventionally adsorbed using each component alone. For example, carbonyl sulfide, hydrogen sulfide, tetrahydro thiophene, dimethyl sulfide, and various mercaptans such as ethyl, methyl, propyl by use in combination with the above-mentioned selective sulfur adsorbents and the calcium ion exchange zeolite X described above It has been found that enhanced adsorption of a wide range of sulfur compounds, including tertiary butyl mercaptan and combinations thereof, is possible.

놀랍게도, 탄화수소 연료 시스템 내에 일반적으로 존재하는 모든 황 화합물에 대한 브레이크쓰루(breakthrough) 시간도 1 이상의 선택적 황 흡착제와 칼슘이온교환 제올라이트 X를 이용함으로써 및 일련의 황 흡착제 베드 시스템 내에 성분의 순서를 정확하게 배열함으로써 연장될 수 있다는 것이 또한 밝혀졌다.Surprisingly, the breakthrough times for all sulfur compounds typically present in hydrocarbon fuel systems are also accurately ordered by using at least one selective sulfur adsorbent and calcium ion exchange zeolite X and in a series of sulfur adsorbent bed systems. It has also been found that by extending it.

놀랍게도, 일련의 황 흡착제 베드 시스템에서 1 이상의 선택적 황 흡착제 앞에 칼슘이온교환 제올라이트 X를 배치함으로써, 합성 황 화합물의 생성 경향이 상당히 감소한다는 것이 밝혀졌다.Surprisingly, it has been found that by placing calcium ion exchange zeolite X in front of one or more selective sulfur adsorbents in a series of sulfur adsorbent bed systems, the tendency to produce synthetic sulfur compounds is significantly reduced.

놀랍게도, 본 발명자는 또한 본 발명의 일련의 황 흡착제 베드 시스템이 종래의 황 흡착에 대하여 정상적으로 이용되던 온도보다 낮은 온도에서 이용될 수 있다는 것을 밝혀냈다. 종래의 화학적 황 흡착제는 적어도 150℃ 내지 400℃의 공급류 온도를 요구하였지만, 본 발명의 일련의 황 흡착 베드 시스템은 100℃ 이하의 온도에서 황 오염물을 흡착하는데 유효하게 이용될 수 있고, 상온만큼 낮은 온도에서도 몇몇 황 화합물의 제거에 대해서는 효과적이다. 더욱이, 낮은 이용온도 때문에, 일련의 황 흡착 베드는 고온이 필요할 때보다 이용하기가 쉽다.Surprisingly, the inventors have also found that the series of sulfur adsorbent bed systems of the present invention can be used at temperatures lower than those normally used for conventional sulfur adsorption. Conventional chemical sulfur adsorbents require a feedstream temperature of at least 150 ° C. to 400 ° C., but the series of sulfur adsorption bed systems of the present invention can be effectively used to adsorb sulfur contaminants at temperatures below 100 ° C. It is effective for the removal of some sulfur compounds even at low temperatures. Moreover, because of the low service temperature, a series of sulfur adsorption beds are easier to use than when high temperatures are needed.

이외에도, 본 발명의 일련의 황 흡착 베드가 이용될 경우에, 공급류 상의 압력은 종래의 연료전지 프로세싱 트레인에서 황 화합물의 흡착에 정상적으로 이용된 것 보다 낮은 압력인, 1 bar 내지 18bar, 바람직하게는 1.7bar 내지 7bar 범위만큼 낮은 범위로 감소될 수 있다.In addition, when a series of sulfur adsorption beds of the present invention are used, the pressure on the feed stream is from 1 bar to 18 bar, preferably lower than that normally used for adsorption of sulfur compounds in conventional fuel cell processing trains. It may be reduced to a range as low as 1.7 bar to 7 bar range.

본 발명자는 또한 상기 기술한 일련의 황 흡착 베드 시스템을 이용하여 실질적으로 탈황된 탄화수소 연료류를 연료전지 프로세서로 공급하는 방법을 밝혀냈다. 이러한 방법에 있어서, 황으로 오염된 연료류는 약 상온 내지 100℃, 바람직하게는 60℃미만, 보다 바람직하게는 상온에서 본 발명의 연료전지 프로세서의 일련의 흡착제 베드 시스템의 상부를 통과하거나, 또는 일련의 흡착제 베드 시스템을 통하여 통과한다. 천연가스, 프로판 또는 LPG와 같이 약 500ppm 이하의 수준으로 황 성분을 함유하는 탄화수소 연료류를 통과시킴으로써, 그러한 황 화합물의 함량에 있어서의 실질적인 감소, 바람직하게는 약 50ppb 미만의 수준으로의 감소가 달성될 수 있다.The inventors also found a method of supplying substantially desulfurized hydrocarbon fuels to a fuel cell processor using the series of sulfur adsorption bed systems described above. In this method, the sulfur-contaminated fuel stream passes through the top of a series of adsorbent bed systems of the fuel cell processor of the present invention at about room temperature to 100 ° C, preferably below 60 ° C, more preferably at room temperature, or Pass through a series of adsorbent bed systems. By passing a hydrocarbon fuel containing sulfur components at a level of about 500 ppm or less, such as natural gas, propane or LPG, a substantial reduction in the content of such sulfur compounds, preferably to a level below about 50 ppb, is achieved. Can be.

본 발명자는 또한 상기 기술한 본 발명의 일련의 황 흡착제 베드 시스템이 특히 연료전지 프로세싱 트레인에 이용하기 위한 탈황기에 이용될 수 있다는 것을 밝혀냈다. 이러한 탈황기는 천연가스, 프로판 또는 LPG와 같은 비탈황 탄화수소 연료류를 수취하는 흡입구, 탄화수소 연료류를 탈황하기 위한 위치에 배치되어 있는, 상기 기술한 바와 같은 본 발명의 일련의 황 흡착제 베드 시스템 및 탈황 탄화수소 연료류가 이후의 공정을 향하여 다운스트림으로 통과하는 배출구를 포함한다. 예를 들어, 탈황된 탄화수소 연료류는 연료전지 프로세싱 트레인을 통과하여 전기의 생성을 위한 연료전지 스택으로 진행한다.The inventors have also found that the series of sulfur adsorbent bed systems of the invention described above can be used in desulfurizers, in particular for use in fuel cell processing trains. This desulfurizer is a series of sulfur sorbent bed systems of the present invention as described above, and desulfurization, arranged at the inlet to receive non-sulfur hydrocarbon fuels such as natural gas, propane or LPG, and at the position for desulfurization of hydrocarbon fuels. The hydrocarbon fuel stream includes an outlet that passes downstream for subsequent processing. For example, desulfurized hydrocarbon fuels pass through a fuel cell processing train to a fuel cell stack for generation of electricity.

놀랍게도, 본 발명자는 또한 실질적으로 탈황된 탄화수소 연료류를 공급하는 방법이 종래의 탈황시스템보다 유리하다는 것을 밝혀냈는데, 이 방법은 광범위한 황 화합물의 탈황을 가능하게하고, 시스템에 대한 브레이크쓰루 시간을 연장시키 며, 합성 황 화합물의 생성을 감소시키고, 공급류에 요구되는 온도 및 압력을 낮출 수 있으며, 특정 공급류에 존재하는 황 화합물에 따라 일련의 황 흡착제 베드 시스템에 이용되는 선택적 황 흡착제의 상이한 조합 및 함량의 선택을 가능하게 하기 때문이다. 본 발명의 조성물 및 방법은 또한 종래의 탈황 방법에서의 황 수준 이하의 황 수준으로 실질적으로 탈황된 탄화수소 연료류의 생성을 가능하게 한다.Surprisingly, the inventors have also found that a method of supplying substantially desulfurized hydrocarbon fuels is advantageous over conventional desulfurization systems, which allows for the desulfurization of a wide range of sulfur compounds and extends the breakthrough time for the system. Different combinations of selective sulfur sorbents used in a series of sulfur sorbent bed systems, depending on the sulfur compounds present in the particular feed stream, reducing the production of synthetic sulfur compounds, reducing the temperature and pressure required for the feed stream. And the content can be selected. The compositions and methods of the present invention also enable the production of hydrocarbon fuels substantially desulfurized to sulfur levels below the sulfur level in conventional desulfurization processes.

본 발명자는 또한, 본 발명의 일련의 황 흡착제 베드 시스템이 종래의 흡착제보다 긴 기간 동안 여전히 높은 수준의 황 흡착도를 달성하면서, 연료전지 프로세서에서 이용될 수 있다는 것을 밝혀냈다.The inventors have also found that the series of sulfur adsorbent bed systems of the present invention can be used in fuel cell processors while still achieving a high level of sulfur adsorption for longer periods of time than conventional adsorbents.

본 발명자는 또한, 본 발명의 일련의 황 흡착제 베드 시스템은, 촉매 베드 주변의 환경이 변화할 경우에 종래의 황 흡착제에서는 종종 발생했던, 흡착된 황 화합물의 이탈이 쉽지 않다는 것도 밝혀냈다.The inventors have also found that the series of sulfur adsorbent bed systems of the present invention is not easy to escape adsorbed sulfur compounds, which often occurs with conventional sulfur adsorbents when the environment around the catalyst bed changes.

하기의 실시예는 본 발명의 예증 목적으로 의도한 것이며 당업자에게 본 발명을 제조 및 이용하는 방법을 교시하기 위함이다. 이러한 실시예는 어떠한 방법으로든 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다.The following examples are intended for purposes of illustration of the invention and are intended to teach those skilled in the art how to make and use the invention. These examples are not intended to limit the invention in any way.

본 발명의 실시를 예증하기 위해서, 발명자는 다양한 황 흡착제가, 단독 및 조합하여 사용될 경우의 성능을 비교하였다. 각각의 실시예에서는, 메탄 93%, 에탄 3%, 프로판 2%, 부탄 0.2%, 이산화탄소 1% 및 질소 0.75%를 함유하는 합성 천연가스 공급류를 이용했다. 또한 이러한 합성 천연가스는 tert-부틸 머캅탄 또는 에틸 머캅탄("머캅탄") 및 테트라 하이드로 티오펜("THT")을 각각 10ppm(황으로서) 함유 했다. 이러한 합성 천연가스를 선택된 황 흡착제 또는 흡착제들 10cc를 베드 내에 함유하는 인공의 반응기를 통해 통과시켰다. 2개의 황 흡착제가 함께 이용될 경우에 흡착제의 양은, 실시예 1에 기술하는 제올라이트 황 흡착제 7.5cc 및 실시예 2에서 기술하는 선택적 황 흡착제 2.5cc였다. 제올라이트 흡착제는 2mm 구의 형태로 존재했다. 선택적 황 흡착제는 분쇄에 의하여 1.6mm 압출물에서 전형적으로 생산된 1.18mm×0.85mm 메쉬 미립자였다. 흡착제의 크기를 선별하여 반응기에 적재했으며, 합성 천연가스 공급류를 반응기를 통해 통과시켰다. 2bar의 압력에서 공간속도를 1500hr-1로 하면서, 공급류의 온도는 38℃로 유지했다. 본 시험에서 "브레이크쓰루"는 흡착 베드를 통과한 후에 천연가스 공급류에서 50ppb 초과의 황이 관찰될 경우에 발생했다고 한다. 공급류의 기체상 황 농도를 측정하기 위해서, Antek 7090 황 분석기가 장착된 Agilent 6890 기체크로마토그래프를 이용하여 분석을 수행했다. 이 기체 크로마토그래프는 황 화합물의 분리를 위하여 60m×320μ의 DB-1 모세관 컬럼을 이용한다. 이 Antek 7090은 황의 분석을 위하여 황 화학발광 분석기(SCD)를 이용한다. 시스템의 작업 검출 한계는 대략 50ppb(몰)였다. 시험 유닛은 자동화 소프트웨어로 제어했다.To illustrate the practice of the present invention, the inventors compared the performance when various sulfur adsorbents were used alone and in combination. In each example, a synthetic natural gas feed containing 93% methane, 3% ethane, 2% propane, 0.2% butane, 1% carbon dioxide and 0.75% nitrogen was used. This synthetic natural gas also contained tert-butyl mercaptan or ethyl mercaptan ("mercaptan") and tetra hydrothiophene ("THT"), respectively, 10 ppm (as sulfur). This synthetic natural gas was passed through an artificial reactor containing 10 cc of the selected sulfur adsorbent or adsorbents in the bed. When two sulfur adsorbents were used together, the amount of adsorbent was 7.5 cc of the zeolite sulfur adsorbent described in Example 1 and 2.5 cc of the selective sulfur adsorbent described in Example 2. Zeolite adsorbent was in the form of 2 mm spheres. The selective sulfur adsorbent was 1.18 mm x 0.85 mm mesh particles typically produced in 1.6 mm extrudate by grinding. The adsorbents were sized and loaded into the reactor, and the synthetic natural gas feed was passed through the reactor. The temperature of the feed stream was maintained at 38 ° C. with a space velocity of 1500 hr −1 at a pressure of 2 bar. In this test, "breakthrough" occurred when more than 50 ppb of sulfur was observed in the natural gas feed after passing through the adsorptive bed. To determine the gaseous sulfur concentration of the feed stream, the analysis was performed using an Agilent 6890 gas chromatograph equipped with an Antek 7090 sulfur analyzer. This gas chromatograph uses a 60m × 320μ DB-1 capillary column for the separation of sulfur compounds. The Antek 7090 uses a sulfur chemiluminescence analyzer (SCD) for the analysis of sulfur. The working detection limit of the system was approximately 50 ppb (mole). The test unit was controlled by automation software.

실시예Example 1 One

머캅탄 및 THT를 함유하는 합성 천연가스를 칼슘이온교환 제올라이트 X만 함유하는 반응기를 통해 통과시켰다. 이 제올라이트 X의 Si:Al 당량비는 1.17이었고, 칼슘이온교환은 70% 였으며 나머지 금속이온은 나트륨 및/또는 칼륨을 함유하는 이 온이었다. 반응기의 온도는 38℃에서 유지시켰고, 압력은 약 2bar에서 유지시켰다. 칼슘이온교환된 제올라이트의 황 흡착도는 도 1에 나타냈는데, 여기서는 268시간에서의 머캅탄에 대한 최초 브레이크쓰루를 보여주고 있다.Synthetic natural gas containing mercaptan and THT was passed through a reactor containing only calcium ion exchange zeolite X. The Si: Al equivalent ratio of this zeolite X was 1.17, the calcium ion exchange was 70%, and the remaining metal ions were ions containing sodium and / or potassium. The temperature of the reactor was maintained at 38 ° C. and the pressure at about 2 bar. The sulfur adsorption of the calcium ion exchanged zeolite is shown in FIG. 1, which shows the initial breakthrough for mercaptan at 268 hours.

실시예Example 2 2

머캅탄 및 THT를 함유한 합성 천연가스를 망간화합물 34중량%, Fe2O3를 함유하는 산화철 54중량% 및 표면적이 294m2/g인 알루미나 12중량%를 함유하는 선택적 황 흡착제만을 함유하는 반응기를 통해 통과시켰다. 이러한 선택적 황 흡착제의 성능은 도 2에 나타냈는데, 여기서 최조 브레이크쓰루는 25시간 미만에서 발생했다. 이때 생성된 황 화합물(들)은 THT에 대한 브레이크쓰루가 100시간이 지날 때까지 발생하지 아니하였으므로 "합성 황 화합물"이다. "합성 황 화합물"은 THT 및/또는 머캅탄과 선택적 황 흡착제와의 상호작용에서 생성된 적어도 하나의 고분자량의 황 화합물인 것으로 생각된다.A reactor containing only 34% by weight of manganese compounds, 54% by weight of iron oxides containing Fe 2 O 3 , and 12% by weight of alumina having a surface area of 294 m 2 / g containing synthetic natural gas containing mercaptan and THT. Passed through. The performance of this selective sulfur adsorbent is shown in FIG. 2 where the peak breakthrough occurred in less than 25 hours. The sulfur compound (s) produced here are “synthetic sulfur compounds” because the breakthrough for THT did not occur until after 100 hours. A "synthetic sulfur compound" is considered to be at least one high molecular weight sulfur compound produced in the interaction of THT and / or mercaptans with a selective sulfur adsorbent.

실시예Example 3 3

실시예 1의 칼슘이온교환 제올라이트를 실시예 2의 선택적 황 흡착제와 함께 반응기에서 이용하여 추가적인 시험을 수행했다. 황 흡착제의 75부피%는 제올라이트였고, 25부피%는 선택적 황 흡착제였다. 혼합된 흡착제 10cc를 이용했다. 반응기에서 제올라이트는 선택적 황 흡착제 앞에 배치했다. 나머지 작업조건 및 공급류의 조성은 실시예 1 및 실시예 2에서와 동일했다. 공급류가 반응기를 통과할 때, 도 3에서 보는 바와 같이 496시간까지는 브레이크쓰루가 발생하지 않았다.Additional tests were performed using the calcium ion exchange zeolite of Example 1 in a reactor with the selective sulfur sorbent of Example 2. 75% by volume of the sulfur adsorbent was zeolite and 25% by volume was the selective sulfur adsorbent. 10 cc of mixed adsorbent was used. Zeolites in the reactor were placed before the selective sulfur adsorbent. The remaining operating conditions and the composition of the feed stream were the same as in Example 1 and Example 2. When the feed stream passed through the reactor, no breakthrough occurred until 496 hours as shown in FIG. 3.

이러한 실시예들에서 명백해진 바와같이, 칼슘이온교환 제올라이트와 선택적 황 흡착제의 조합은 황 브레이크쓰루의 시간을 증가시키며, 합성 황 화합물의 형성을 방지하고, 일련의 황 흡착제 베드 시스템의 수명을 연장시킨다.As will be evident in these embodiments, the combination of calcium ion exchange zeolite and selective sulfur adsorbent increases the time of sulfur breakthrough, prevents the formation of synthetic sulfur compounds, and extends the life of a series of sulfur adsorbent bed systems. .

게시된 구체예에 대하여 다양한 변화 및 변형이 본 발명의 사상에서 벗어남이 없이 만들어 질 수 있으므로, 본 발명은 제한적으로 해석되어서는 않된다.As various changes and modifications can be made to the disclosed embodiments without departing from the spirit of the invention, the invention should not be construed as limiting.

Claims (14)

황 화합물로 오염된 탄화수소 공급류를 공급하는 단계, 및Feeding a hydrocarbon feed contaminated with sulfur compounds, and 선택적 황 흡착제 및 칼슘이온교환 제올라이트 황 흡착제, 바람직하게는 칼슘이온교환 제올라이트 X 또는 LSX를 함유하는 일련의 황 흡착제 베드 시스템을 통해 황-오염 공급류를 통과시켜 실질적으로 탈황된 탄화수소 공급류를 생성하는 단계로서, 상기 칼슘이온교환 제올라이트는 교환가능 금속 이온의 50% 이상, 바람직하게는 70% 이상 및 보다 바람직하게는 85 내지 95%가 칼슘이온과 교환된 것인, 단계를 포함하는, 탄화수소 공급류의 탈황방법.The sulfur-polluted feed stream is passed through a series of sulfur sorbent bed systems containing the selective sulfur adsorbent and calcium ion exchange zeolite sulfur adsorbent, preferably calcium ion exchange zeolite X or LSX to produce a substantially desulfurized hydrocarbon feed stream. Wherein, the calcium ion exchange zeolite comprises at least 50%, preferably at least 70% and more preferably 85 to 95% of the exchangeable metal ions exchanged with calcium ions. Desulfurization method. 제1항에 있어서, 공급류가 상기 일련의 황 흡착제 베드 시스템을 통과할 때, 이 일련의 황 흡착제 베드 시스템의 온도가 상온 내지 100℃인 것이 특징인, 탄화수소 공급류의 탈황방법.The method of claim 1, wherein when the feed stream passes through the series of sulfur sorbent bed systems, the temperature of the series of sulfur sorbent bed systems is between room temperature and 100 ° C. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 선택적 황 흡착제는 망간-기반 황 흡착제를 함유하는 것이 특징인, 탄화수소 공급류의 탈황방법.The method of claim 1 or 2, wherein the selective sulfur adsorbent contains a manganese-based sulfur adsorbent. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 선택적 황 흡착제는 실질적으로 ZnO; CuO 및 탄소; CuO, ZnO 및 담체; 및 CuO 및 알루미나; 및 이의 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택되는 것이 특징인, 탄화수소 공급류의 탈황방법.The method of claim 1, wherein the selective sulfur adsorbent is substantially ZnO; CuO and carbon; CuO, ZnO and carriers; And CuO and alumina; And a mixture thereof, wherein the hydrocarbon feedstock is desulfurized. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 선택적 황 흡착제는 CuO, 망간 화합물 및 결합제를 함유하는 것이 특징인, 탄화수소 공급류의 탈황방법.The method of claim 1 or 2, wherein the selective sulfur adsorbent contains CuO, manganese compounds and binders. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 선택적 황 흡착제는 망간 화합물, 철 화합물 및 넓은 표면적의 알루미나를 함유하는 것이 특징인, 탄화수소 공급류의 탈황방법.The method of claim 1 or 2, wherein the selective sulfur adsorbent contains a manganese compound, an iron compound and a large surface area alumina. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 칼슘이온교환 제올라이트가 추가적으로, 아연, 카드뮴, 코발트, 니켈, 구리, 철, 망간, 은, 금, 스칸듐, 리튬 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹에서 선택된 금속 이온과, 바람직하게는 교환가능 금속 이온의 1% 내지 40%만큼 이온교환되는 것이 특징인, 탄화수소 공급류의 탈황방법.7. The calcium ion exchange zeolite of claim 1, wherein the calcium ion exchange zeolite is further selected from the group consisting of zinc, cadmium, cobalt, nickel, copper, iron, manganese, silver, gold, scandium, lithium, and combinations thereof. A method of desulfurizing a hydrocarbon feed, characterized in that it is ion exchanged with selected metal ions, preferably by 1% to 40% of exchangeable metal ions. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공급류가 선택적 황 흡착제와 접촉하기 이전에 칼슘이온교환 제올라이트와 접촉하는 것이 특징인, 탄화수소 공급류의 탈황방법.8. The method of claim 1, wherein the feed stream is contacted with a calcium ion exchange zeolite prior to contact with the selective sulfur adsorbent. 9. 연료전지 프로세싱 트레인으로 탄화수소 공급류를 공급하는 단계로서, 여기서 이 공급류는 황 화합물, 예컨대 황화 카르보닐, 황화 수소, 테트라 하이드로 티 오펜, 황화 디메틸, 머캅탄, 이황화물(disulfide), 티오펜, 설폭사이드(sulfoxide), 기타 유기 황화물 및 고분자량의 유기 황 화합물 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹에서 선택된 1 이상의 화합물을 함유하는 황화합물로 오염된 것인, 단계, Supplying a hydrocarbon feed stream to a fuel cell processing train, wherein the feed is a sulfur compound such as carbonyl sulfide, hydrogen sulfide, tetrahydrothiophene, dimethyl sulfide, mercaptan, disulfide, thiophene, Contaminated with a sulfur compound containing one or more compounds selected from the group consisting of sulfoxides, other organic sulfides and high molecular weight organic sulfur compounds and combinations thereof, 황-오염 공급류를 칼슘이온교환 제올라이트 X 및 망간-기반 선택적 황흡착제를 함유하는 일련의 황 흡착제 베드 시스템을 통해 통과시켜 실질적으로 탈황된 탄화수소 공급류를 생성하는 단계로서, 상기 칼슘이온교환 제올라이트 X는 바람직하게는 교환가능 금속 이온의 50% 이상, 보다 바람직하게는 70% 이상 및 가장 바람직하게는 85 내지 95%가 칼슘 이온과 교환된 것인, 단계, 및Passing a sulfur-contaminated feed through a series of sulfur adsorbent bed systems containing calcium ion exchange zeolite X and manganese-based selective sulfur adsorbent to produce a substantially desulfurized hydrocarbon feed, wherein the calcium ion exchange zeolite X Is preferably at least 50%, more preferably at least 70% and most preferably 85 to 95% of the exchangeable metal ions exchanged with calcium ions, and 실질적으로 탈황된 탄화수소 공급류를 연료전지 시스템의 나머지 성분으로 전달하는 단계를 포함하는, 탄화수소 연료전지 공급류의 탈황방법.Delivering substantially desulfurized hydrocarbon feed to the remaining components of the fuel cell system. 제9항에 있어서, 공급류가 상기 일련의 황 흡착제 베드 시스템을 통과할 때, 이 일련의 황 흡착제 베드 시스템의 온도는 상온 내지 100℃인 것이 특징인, 탄화수소 연료전지 공급류의 탈황방법.10. The method of claim 9, wherein when the feed stream passes through the series of sulfur sorbent bed systems, the temperature of the series of sulfur sorbent bed systems is between room temperature and 100 ° C. 연료전지 프로세싱 트레인에 이용하기 위한, 선택적 황 흡착제 및 칼슘이온교환 제올라이트를 함유하는 일련의 흡착제 베드 시스템으로서, 상기 선택적 황 흡착제는 MnO2, Mn2O3, Mn3O4 및 Mn(OH)4 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택된 1 이상의 망간 화합물, 산화철, 및 넓은 표면적의 담체를 함유하고, 상기 칼슘이온교환 제올라이트는 교환가능 금속이온의 50% 이상이 칼슘이온과 이온교환된, 바람직하게는 70% 이상이 이온교환된, 가장 바람직하게는 교환가능 금속이온의 85 내지 95%가 칼슘이온과 이온교환된 칼슘이온교환 제올라이트 X를 함유하는 것이 특징인, 일련의 흡착제 베드 시스템.A series of adsorbent bed systems containing selective sulfur adsorbents and calcium ion exchange zeolites for use in fuel cell processing trains, wherein the selective sulfur adsorbents are MnO 2 , Mn 2 O 3 , Mn 3 O 4 and Mn (OH) 4. And at least one manganese compound selected from the group consisting of a mixture thereof, iron oxide, and a carrier having a large surface area, wherein the calcium ion exchange zeolite has at least 50% of the exchangeable metal ions ion exchanged with calcium ions, preferably A series of adsorbent bed systems wherein at least 70% of the exchangeable metal ions, at least 70% of which are ion exchanged, contain calcium ion exchange zeolite X ion exchanged with calcium ions. 연료전지 프로세싱 트레인에 이용하기 위한, 선택적 황 흡착제 및 칼슘이온교환 제올라이트를 함유하는 일련의 흡착제 베드 시스템으로서, 상기 칼슘이온교환 제올라이트는 교환가능 금속 이온의 50% 이상이 칼슘 이온과 이온교환된, 보다 바람직하게는 70% 이상이 이온교환된, 및 가장 바람직하게는 교환가능 금속 이온의 85 내지 95%가 칼슘 이온과 이온교환된 것이고, 상기 선택적 황 흡착제는 MnO2, Mn2O3, Mn3O4 및 Mn(OH)4 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택된 1 이상의 망간 화합물, 산화구리 및 결합제를 함유한 것이 특징인, 일련의 흡착제 베드 시스템. A series of adsorbent bed systems containing selective sulfur adsorbents and calcium ion exchange zeolites for use in fuel cell processing trains, wherein the calcium ion exchange zeolites are more than 50% of exchangeable metal ions ion exchanged with calcium ions. Preferably at least 70% is ion exchanged, and most preferably 85 to 95% of exchangeable metal ions are ion exchanged with calcium ions, the selective sulfur adsorbent being MnO 2 , Mn 2 O 3 , Mn 3 O A series of adsorbent bed systems characterized by containing at least one manganese compound, copper oxide and binder selected from the group consisting of 4 and Mn (OH) 4 and mixtures thereof. 연료전지 프로세싱 트레인에 이용하기 위한, 2개의 선택적 황 흡착제 및 칼슘이온교환 제올라이트를 함유하는 일련의 흡착제 베드 시스템으로서, 상기 칼슘이온교환 제올라이트는 교환가능 금속 이온의 50% 이상이 칼슘 양이온과 이온교환된, 보다 바람직하게는 70% 이상이 이온교환된, 가장 바람직하게는 교환가능 금속 이온 의 85 내지 95%가 칼슘이온과 이온교환된 칼슘이온교환 제올라이트 X를 함유하고, 2개의 선택적 황 흡착제 중 첫번째는 MnO2, Mn2O3, Mn3O4 및 Mn(OH)4 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택된 1 이상의 망간화합물, 산화철 및 넓은 표면적의 담체를 함유하고, 2개의 선택적 황 흡착제 중 두번째는 산화구리 및 활성탄을 함유하는 것이 특징인, 일련의 흡착제 베드 시스템.A series of adsorbent bed systems containing two selective sulfur adsorbents and calcium ion exchange zeolites for use in fuel cell processing trains, wherein the calcium ion exchange zeolites have at least 50% of the exchangeable metal ions ion exchanged with calcium cations. More preferably, 85-95% of the exchangeable metal ions, at least 70% of which are ion exchanged, contain calcium ion exchange zeolite X ion-exchanged with calcium ions, the first of the two selective sulfur adsorbents being One or more manganese compounds selected from the group consisting of MnO 2 , Mn 2 O 3 , Mn 3 O 4 and Mn (OH) 4 and mixtures thereof, iron oxide and a carrier of a large surface area, the second of the two selective sulfur adsorbents A series of adsorbent bed systems characterized by containing copper oxide and activated carbon. 2개의 선택적 황 흡착제 및 칼슘이온교환 제올라이트를 함유하는 일련의 흡착제 베드 시스템으로서, 상기 칼슘이온교환 제올라이트는 교환가능 금속양 이온의 50% 이상이 칼슘 양이온과 이온교환된, 보다 바람직하게는 70% 이상이 이온교환된, 가장 바람직하게는 교환가능 금속 이온의 85 내지 95%가 칼슘이온과 이온교환된 칼슘이온교환 제올라이트 X이고, 2개의 선택적 황 흡착제 중 첫번째는 MnO2, Mn2O3, Mn3O4 및 Mn(OH)4 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택된 1 이상의 망간화합물, 산화철 및 넓은 표면적의 담체를 함유하고, 2개의 선택적 황 흡착제 중 두번째는 산화 아연, 산화 구리 및 알루미나를 함유하는 것이 특징인, 일련의 흡착제 베드 시스템.A series of adsorbent bed systems containing two selective sulfur adsorbents and calcium ion exchange zeolites, wherein the calcium ion exchange zeolites have at least 50% of exchangeable metal cations ion exchanged with calcium cations, more preferably at least 70% 85-95% of these ion-exchanged, most preferably exchangeable metal ions are calcium ion-exchanged zeolite X ion-exchanged with calcium ions, the first of the two selective sulfur adsorbents being MnO 2 , Mn 2 O 3 , Mn 3 One or more manganese compounds selected from the group consisting of O 4 and Mn (OH) 4 and mixtures thereof, iron oxide and a carrier of a large surface area, the second of the two optional sulfur adsorbents containing zinc oxide, copper oxide and alumina Characterized by a series of adsorbent bed systems.
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