(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）燃料ガスと水素の混合ガスを水素添加脱硫器に導く入口マニホールドと、
ｂ）水素と燃料ガスを受け入れる前記入口マニホールドと繋がり、前記水素と燃料ガスの混合ガス中の硫黄及び硫黄化合物を硫化水素に転化する触媒を含み、更に前記燃料ガスと水素の混合ガス中の硫化水素を取り除くため吸着剤を含む触媒層と、
ｃ）前記触媒層と隣接し、燃料ガスと水素の混合ガスが後段の触媒層に流入する前にそのガスを加熱する熱交換セクションと、
ｄ）高温の改質プロセスガスを前記熱交換セクションを通過させるためのガス導管と、前記熱交換セクションは前記熱交換セクションを流れる改質プロセスガスを冷却する作用を持ち、
ｅ）前記熱交換セクションに隣接し、前記熱交換セクションから冷却されたプロセスガスを受け取り、冷却された前記プロセスガスから前記熱交換セクションで少なくとも部分的に交換される熱を発生させる発熱反応で一酸化炭素を取り除く転化部と
から成る炭化水素系の燃料ガスの水素添加脱硫器。
【請求項２】
前記熱交換セクションの中にあり、前記高温のプロセスガスから熱を奪う作用をする水蒸気ラインを備える請求項１記載の水素添加脱硫器。
【請求項３】
前記触媒層は、転化部を取り囲み且つ環状の形を有する請求項１記載の水素添加脱硫器。
【請求項４】
前記熱交換セクションは前記触媒層と前記転化部の間に挟まれている請求項１記載の水素添加脱硫器。
【請求項５】
ａ）燃料ガスと水素ガスの混合ガスを水素添加脱硫器に導く入口マニホールドと、ｂ）水素と燃料ガスを受け入れる前記入口マニホールドと繋がり、水素と燃料ガスの混合ガスの硫黄及び硫黄化合物を硫化水素に転化する触媒を含む触媒層と、
ｃ）前記触媒層に隣接し、燃料ガスと水素の混合ガスが後方の触媒層に入る前にそのガスを加熱する熱交換セクションと、
ｄ）高温の改質プロセスガスを前記熱交換セクションを通過させるためのガス導管と、前記熱交換セクションは前記熱交換セクションを流れる改質プロセスガスを冷却する作用を持ち、
ｅ）前記熱交換セクションに隣接し、前記熱交換セクションから冷却されたプロセスガスを受け取り、冷却された前記プロセスガスから前記熱交換セクションで少なくとも部分的に交換される熱を発生させる発熱反応で一酸化炭素を取り除く転化部と
から成る炭化水素系の燃料ガスの水素添加脱硫器。
【請求項６】
前記触媒層は、転化部を取り囲み且つ環状の形を有する請求項５記載の水素添加脱硫器。
【請求項７】
前記熱交換セクションは前記触媒層と前記転化部の間に挟まれている請求項６記載の水素添加脱硫器。
【請求項８】
ａ）燃料ガスと水素ガスの混合ガスを水素添加脱硫器に導くステップと、
ｂ）前記水素と燃料ガスの混合ガス中の硫黄と硫黄化合物を硫化水素に転化する触媒を含む触媒層を設けるステップと、
ｃ）前記触媒層内に燃料ガスと水素の混合ガスを通過させるステップと、
ｄ）前記触媒層に隣接する熱交換セクションを提供するステップと、
ｅ）前記熱交換セクションに高温の改質プロセスガスを通過させ、その内部で改質プロセスガスを冷却し、同時に前記燃料ガスと水素の混合ガスを加熱するステップと、
ｆ）前記熱交換セクションに隣接して転化部を配設するステップと、
ｇ）前記熱交換セクションから冷却されたプロセスガスを前記改質セクションへ流し、前記転化部において前記冷却されたプロセスガスから発熱反応で一酸化炭素を取り除き、前記熱交換セクションで前記発熱反応の熱の少なくとも一部は交換されるステップと
から成る燃料ガスから硫黄及び硫黄化合物を取り除く方法。
【請求項９】
前記高温のプロセスガスから熱を吸収するため前記熱交換セクションに水蒸気ラインを設けるステップを備える請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記転化部を前記触媒層で囲むステップを備える請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記熱交換セクションは前記触媒層と前記転化部に挟まれてなる請求項１０記載の方法。
【発明の詳細な説明】
発明の属する技術分野
本発明は、燃料ガス流から硫黄及び硫黄化合物を取り除くために有効な水素添加脱硫器に係る。特に本発明は、プロセスガス転化部と熱交換関係を有して運転される水素添加脱硫器に関する。
従来の技術
燃料電池発電プラントは、電力を発生するために、水素の発生源を必要とする。水素生成用の一般的な方法は、水素含有ガスを得るため触媒の存在の下で、炭化水素系ガスあるいは他の流体を水蒸気反応させることである。通常炭化水素は改質触媒の被毒を防ぐため、蒸気改質反応過程を通る前に脱流される。
硫黄化合物はいくつかの反応過程を経て、炭化水素から取り除かれる。硫化水素のような無機硫黄化合物はストリッピング又は吸着によって取り除かれる。例えばメルカプタン及び硫化物のようなより不安定な有機硫黄化合物は、熱反応や触媒反応により無機化合物に分解され、ストリッピングや吸着によって取り除かれる。より安定性の高い有機硫黄化合物、即ち二硫化物やチオフェンは触媒反応により分解され、水素添加脱硫反応過程により取り除かれる。水素添加脱硫反応過程で炭化水素は、水素の存在下で触媒反応がなされ、有機硫黄化合物を引き続く吸着やストリツピングで取り除かれる無機化合物へ転化される。
U.S.Patent Nos.4,181,503(1980-1-1発行R.R.Lesieul,et al.,)及び4,976,747(1990-12-11発行D.F.SzydlowsRi,et al.,)は、燃料ガスから硫黄と硫黄化合物を取り除くシステム、及び一酸化炭素も取り除くシステムについて述べている。これらのシステムはいずれも分離された反応層を持っており、ガスはそれらの反応層を流れるシステムとなっている。そしてそのシステムは、一つの反応層から出て次の反応層へ入る燃料ガスの温度を制御するための熱交換器を備えている。各システムは分離された水素添加脱硫層及び硫化水素吸着層を有している。分離された脱硫層を持つ理由は、最も効果的に作用する温度が異なるためである。更にそのシステムは、一酸化炭素を二酸化炭素に転化する分離された転化層と、そこへ流入する燃料ガスの温度を制御する熱交換器を備えている。前述の二つの特許で述べられている燃料ガスシステムはかなり大規模で複雑である。従って燃料ガスから硫黄と一酸化炭素を取り除くための、よりコンパクトで簡易な複合システムを提供することが望まれる。
U.S.Patent No.3,909,299(1975-9-30発行Thomas J.Corrigan)は、冷却用にバーナ空気を採用した転化器と結合された燃料改質器を含む燃料電池システムについて述べられている。転化器が機能し始めると、その発熱反応で発生した熱は余熱されたバーナ空気を介して改質器に伝達される。改質器及び転化器は共通の筐体に配置され、転化器が改質器を取り巻く構成に成っている。このような構成は小型プラントでは実用的であるが、大型プラントでは多くの熱交換と精確な温度制御を必要とするため、扱いづらくなる。
発明の詳細な説明
本発明は、ガス熱交換器と転化器とを熱的に結合した燃料ガス用の水素添加脱硫器に関する。発電プラント内の改質器から出た高温のガスは、改質器へ供給される水蒸気を加熱することに使われる。この構成は改質器から出たプロセスガスを転化反応に適した温度に冷却する。転化部は二段で転化反応をする構成が好ましいが一段の転化部もまた使用できる。
水素添加脱硫器の反応層は、一つの触媒層内に必要量の触媒と硫化水素吸着剤を全て含む。水素添加脱硫器の反応層は触媒と吸着剤との混合層、又は触媒と吸着剤とを交互に層状に重ねたものである。典型的には、触媒層の出口端には吸着剤のみを入れ、残った微量の硫黄や、触媒によって生成された硫化水素を取り除く。加えて水素添加脱硫層に入る燃料ガスの温度は、硫黄及び硫黄化合物を硫化水素に触媒転化するために最適な温度に高められ、また水素添加脱硫層を通過して出ていく燃料ガスの温度は、ペレット状の酸化亜鉛層で硫化水素を吸着するに適した温度に下げられる。
本発明の目的は、燃料ガスより硫黄、硫黄化合物、一酸化炭素を取り除くため燃料ガス水素添加脱硫器と転化器との組合せ体を提供するものである。
更に本発明の目的は、様々なプロセス過程で燃料ガスの温度が水素脱硫反応層や転化層の温度を制御するために使用される組合せ体を提供することにある。
本発明の他の目的は、燃料ガス中の硫黄と硫黄化合物を水素により処理して硫化水素に転化するための貴金属触媒と、燃料ガスから硫化水素を取り除くためのペレット状の吸着剤で構成される混床式あるいは複層式の水素添加脱硫層の水素添加脱硫器を提供することにある。
更に他の目的は、高温のプロセスガスが水素添加脱硫器に入る燃料ガスに熱を与え、更に水素添加脱硫器を通る蒸気に熱を与える水素添加脱硫器を提供することにある。
ここに記述した又は他の目的並びに利点は、添付図面に基づいて説明する実施形態の記載から、十分明確になるであろう。
発明の最適の実施の形態
添付図面に、本発明の実施形態の水素添加脱硫器と転化器の断面を示す。符号２で示す全体の水素添加脱硫器は、内側円筒容器壁４を有し、この内側円筒容器壁４内には転化部６が設けられている。全体の水素添加脱硫器２は、また外側円筒容器壁８と中間円筒壁５を有する。中間円筒壁５と外壁８との間のエリアには、転化部６を囲む環状の水素添加脱硫部１０を有している。転化部６の上端部と水素添加脱硫部１０は、上部板１２で閉じられている。転化部６の下端は板１４で閉じられ、水素添加脱硫部１０の下端は環状版１６で閉じられている。水素添加脱硫器の底板１８は、水素添加脱硫部１０の内側に上向きに伸びている環状壁２０を支持している。転化部６は上部板１２から吊り下がっている。底板１８、環状壁２０、転化部底板１４は結合されて、ライン２４からの原燃料ガスとリサイクル水素の混合ガスを受け入れる下部空間２２を形成している。
原燃料ガスと水素の混合ガスは空間２２に入り、中間円筒壁５と環状壁２０で挟まれる環状通路２６を通って上部に流れる。その通路２６は矢印Ａで示すように水素化脱硫部１０へ続く。原燃料ガスと水素ガスとの混合ガスは約４９℃（１２０°Ｆ）でその空間に入る。内壁４と中間壁５との間のスペースは環状通路２８を形成し、この通路はライン３２に接続された中間３０に繋がっており、ライン３２には発電プラント改質器からの高温プロセスガスが流入する。プロセスガスは約４２７℃（８００°Ｆ）の温度で空間に入り、矢印Ｂで示すように通路２８を通って下部へ流れる。通路２８には入り口７２と出口３８を有する螺旋状の水蒸気過熱管３４が配設される。管３４は入口７２で約１７７℃（３５０°Ｆ）、出口３８で約３７１℃（７００°Ｆ）となる水蒸気を運ぶ。水蒸気の流路は矢印Ｃで示す。水蒸気は出口３８から改質器（図示せず）へ流れる。
通路２６と２８は中間壁５で分割され、通路２８の高温のプロセスガスは通路２６内の原燃料ガスと水素の混合ガスを加熱すると共に、管３４内の水蒸気も加熱する。高温のプロセスガスは螺旋コイル３４内の水蒸気と通路２６内の燃料ガスと水素の混合ガスの両方に吸収される以上の熱を有している。この余剰熱は壁４を介して転化器の壁４の側にある熱交換プレートコイル７０に回収される。これによりプロセスガスが適正な転化器入口温度まで冷却される。プレートコイル７０により熱回収することは、また高温のプロセスガスを適度の温度に調整し、原燃料ガスと水素の混合ガス及び水蒸気が所望の出口温度を超えて加熱されることを防ぐ。プロセスガスは通路２８から転化部の入口の空間４０へ流れる。プロセスガスが入口空間４０に入ったときには、約１９１〜２０４℃（３７５〜４００°Ｆ）に冷却されている。そして原燃料ガスと水素の混合ガスは、通路２６を通過し水素添加脱硫部１０に入るまでには約３２９℃（６２５°Ｆ）に到達する。水素添加脱硫部の外壁８は断熱材４２によって断熱され、水素添加脱硫部１０内の温度は反応に適正な値に維持される。加熱された原燃料ガスと水素の混合ガスは通路２６から水素添加脱硫層４４を下方へ流れる。脱硫層４４は脱硫触媒４６と硫黄吸着剤４８の混合したペレットからなり、それは環状スクリーンで支持されている。
本発明の触媒成分は、特に低硫黄濃度の炭化水素ガス、即ち硫黄含有量約５０ｐｐｍ以下の炭化水素ガスの水素添加脱硫の水素化反応に適している。
炭化水素系のガスに含まれる有機硫黄化合物の水素化反応率は、本発明の貴金属触媒の活性点との接触によって加速される。本発明の触媒成分は有機硫黄化合物の水素化反応を促進し、硫化水素を生成する。典型的な有機硫黄化合物の水素化反応は次式で示される。
Ｃ2Ｈ5ＳＨ＋Ｈ2→Ｃ2Ｈ6＋Ｈ2Ｓ；
Ｃ2Ｈ5ＳＳＣ2Ｈ5＋３Ｈ2→２Ｃ2Ｈ6＋２Ｈ2Ｓ；そして
Ｃ4Ｈ4Ｓ＋４Ｈ2→Ｃ4Ｈ10＋Ｈ2Ｓ；
本発明の貴金属触媒は、プラチナ、パラジウム、ロジウム、イリジウム、オスミウム、ルテニウム、あるいはこれらの混合物から成る貴金属のプラチナ系から選ばれる。プラチナ、パラジウム、ロジウムは、グループの中でも手に入りやすく、それ故好まれる。プラチナは特に良い。一般的には温度が高い程、触媒は高い反応活性を示し、そしてより完全に近い水素化分解反応あるいは硫化水素への転化反応を示す。
本発明による貴金属成分触媒は従来の遷移金属触媒とは異なる。貴金属成分触媒は、事前に加硫することなく硫黄含有成分の水素化分解を促進する。しかも貴金属成分触媒は、硫黄含有量の低い炭化水素系燃料ガスに晒されても活性化が失われることはない。
大きな触媒活性表面積を得るため、貴金属は不活性担持体の表面の薄い膜に分散される。その担持体は、水素添加脱硫反応下で安定且つ不活性で、そして高い比表面積（５０ｍ2／ｇ以上）を提供しなければならない。その膜は、ハンドリング時の耐摩耗性、周りの触媒の自重による応力からの圧壊、温度サイクル時におこる内応力からの粉砕等がおきないように物理的に必要最小限頑丈にしなければならない。
例えばこれらの基準に見合う材質には耐火性物質の酸化金属系及び活性炭がある。耐火性金属の酸化金属がより好ましい。本発明の膜として使用するに適する耐火性金属の酸化金属としては、アルミナ及びアルミナで安定化されたランタンがある。アルミナに安定化されたランタンは市販されている（直径３１．８ｍｍ〜１２７ｍｍ｛１／８インチ〜１／２インチ｝のペレツト型、高さと直径の割合が１対２，比表面積は約１００ｍ2／ｇ）。そのような材料の入手先としては、W.R.Grace & Co.とEngelhard等がある。
触媒活性貴金属は、一般的な方法で不活性担持体に分散される。典型例としては、金属塩は溶液にして不活性担持体に分散され、そしてその溶媒は蒸発させられて不活性担持体の表面に緻密な金属塩の膜を残す方法である。その分散されたプラチナの量は広範囲に異なるが、一般的には重量比で０．０２〜０．５％の間である。ここで重量比とは貴金属と不活性担持体の重量比である。
水素化分解反応により生成された硫化水素化合物は、水素添加脱硫反応を完全にするために炭化水素燃料ガスから取り除かなければならない。これは炭化水素燃料ガスをガススクライバーの中を通して離脱したり、又は硫化水素吸着層の中を通すことにより達成される。
酸化金属粒子、例えば酸化鉄、酸化銅、酸化ニッケル、酸化亜鉛は、硫化水素吸着剤として使用される。酸化亜鉛は好ましい硫化水素吸着剤である。硫化水素と酸化亜鉛の反応は特に高い平衡定数を持ち、次式の右方向への反応が有利に進む。
ＺｎＯ＋Ｈ2Ｓ→ＺｎＳ＋Ｈ2Ｏ
燃料電池燃料処理ユニットのように水蒸気が反応ガスの中に存在する場合、この性質は非常に重要である。酸化亜鉛は商用的に適当なペレツトとして入手可能で、例えば直径４．８ｍｍ（３／１６インチ）の押し出し成型品、又は直径９．５ｍｍ（３／８インチ）の球形で利用できる。一つの層に脱硫触媒と吸着剤を混合することで、硫化水素による触媒の被毒は大きく減少される。通常低温であれば有るほど、水素添加脱硫層出口でのＨ2Ｓレベルを低い平衡状態にするのに好都合である。
前述のように燃料ガスを水素の混合ガスは、触媒反応における最適温度である約３２９℃（６２５°Ｆ）で水素添加脱硫層４４へ流入する。脱硫層４４を通過して下方向に流れると、それがスクリーン５０を通過して出口空間５２へ流れ出すまでに約２７４℃（５２５°Ｆ）になる。この入り口から出口までの温度の減少分は、環状通路２６を通過した燃料ガスと水素の混合ガスによる冷却プロセス、及び断熱材４２を通して周囲への放熱の結果である。低温は硫化水素吸着反応をより有利にする。脱硫ガスは空間５２から改質器と接続しているライン５４へ流れる。
前述したように改質プロセスガスはライン３２を通って組合せ体２へ戻る。転化器入口空間４０の低温のプロセスガスはスクリーン５６通過後、上方向に流れ転化器６へ入る。転化器６は触媒ペレツトを有する。ペレット５８の触媒はプロセスガス中の一酸化炭素を次の反応式で二酸化炭素へ変換する。
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→Ｈ2＋ＣＯ2
上述の転化反応は発熱反応であり、それ故熱を生み出す。転化器６は２段転化とすることが好ましく、最初の段６０は断熱されているため、生成熱は積極的に制御されない。転化器６の断熱セクションを出たガス温度は約１９１℃（３７５°Ｆ）から約２６０℃（５００°Ｆ）に上昇する。転化器６はまた第２段６２を有し、そこを通過したガス温度は複合熱交換コイル６４によって積極的に制御される。熱交換コイル６４は内コイル部６６、外コイル部６８及び転化部壁コイル部７０を有している。冷却剤は入口の通路３６を通って、内コイル部６６に入り、連絡パイプ７４を通って外コイル部６８へ移動する。それからパイプ７６を経て壁コイル部７０へ移動する。冷却剤は転化部から熱を奪い取るだけでなく、高温のプロセスガスが転化部に入る前にプロセスガスの持っている余剰熱を取り去る働きもする。この２つの機能は転化部の入口に必要なガス温度を確保し、燃料ガスと水素ガスの混合ガス及び過熱蒸気の適正温度も確保する。この熱交換関係、即ち高温のプロセスガス、蒸気過熱器、燃料−水素混合ガス予熱器、転化器冷却剤の熱交換関係は、コンパクトな水素添加脱硫器の設計とそれぞれの箇所の最適温度設定を可能とする熱的相互関係を生み出している。冷却剤はライン７８を通って転化部を出る。冷却剤の通路は矢印Ｄによって示されている。
冷却剤としては加圧水が良く、それは圧力は約７．０３ｋｇ／ｃｍ2（１００ｐｓｉ）〜１７．６ｋｇ／ｃｍ2（２５０ｐｓｉ）、温度は約１４９℃（３００°Ｆ）から約１７７℃（３５０°Ｆ）の単相流で入口３６から入る。単相流冷却剤の温度は、その圧力の水の沸点より低い約−３．８℃（２５°Ｆ）で有るべきである。ライン７８を通って転化器を出ていく冷却剤は、水、蒸気の２層流となってプラント内にある水蒸気分離器（図示せず）に入る。事実、冷却剤は、加圧水が沸騰することにより冷却剤それ自体の温度を著しく上昇することなく、転化器のプロセスガスが冷却するに十分な冷却作用をしている。沸騰水を使うことにより、一定温度の冷却剤が転化部６を流れ、そして熱交換コイル６４の壁部７０を循環する冷却剤がプロセスガスの温度を下げることを可能にしている。熱交換コイル６４は脚８０によって支持される。
プロセスガスは約１９１℃（３７５°Ｆ）で断熱ゾーン６０に入り、約２６０℃（５００°Ｆ）で断熱ゾーン６０を出て、ライン８２より出る。ライン８２は発電プラントの電池本体に繋がっている。断熱材８５は転化部６を出ていく低温のガスを、通路２８を流れている高温のプロセスガスＢから守るために取り付けられている。転化部６の上端部は板１２とフィルタ８６で仕切られた空間８４を含んでいる。フィルタ８６は触媒層５８の上にあり、触媒相５８の上にあり、触媒粉が転化器のガスに乗って流出することを防いでいる。水素リサイクルライン８８は空間８４に開口しており、原燃料ライン２４と直通している。リサイクルライン８８は反応前の原燃料ガスに水素を加え、水素添加脱硫層の反応を高める効果がある。
水素添加脱硫層、高温プロセスガス冷却システム、水蒸気加熱システム、原燃料ガス供給システム及び転化器の組み合わせ、そしてすべての熱交換関係を組み合わせることによって、コンパクトな組合せ体の提供が可能になったことが容易に分かる。高温プロセスガス冷却システムと結合された水素添加脱硫触媒と吸着触媒の組み合わせは、水素添加脱硫反応において、高温の水素添加脱硫反応入り口から低温の吸着反応出口まで必要な温度勾配を与えることによって、模範的な硫黄転換反応及び硫黄吸着反応を提供できる。
本発明の開示した実施形態の数多くのバリエーションと変形が本発明のコンセプトを離脱することなく実施できるので、特許請求の範囲の記載以外のかかる変形を制限することは意図しない。
0003742657.tif 000002