KR100896428B1 - Production method of solid acid catalyst from spent oil shale for catalytic cracking of polymeric materials and heavy oil and production method of light oil using thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 오일셰일 열분해 잔류물을 이용한 유기 고분자 및 중질유 열분해용 고체산 촉매 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 오일셰일 레토르팅 공정이 끝나고 남는 잔류물과 알칼리를 이용하여 오일셰일 공정에 사용할 수 있는 비정질 실리카알루미나 촉매를 제조하는 방법에 관한 것이다. 또한 본 발명은 상기 촉매를 사용하여 오일셰일 레토르팅에서 회수한 셰일오일을 경질화하여 경질오일을 수득하는 방법 및 폐플라스틱으로부터 경질오일을 수득하는 방법을 포함한다.The present invention relates to a method for preparing an organic polymer and a solid acid catalyst for heavy oil pyrolysis using oil shale pyrolysis residues, and more particularly, to use in oil shale processes using residues and alkalis remaining after the oil shale retorting process is completed. The present invention relates to a method for preparing an amorphous silica alumina catalyst. The present invention also includes a method of hardening shale oil recovered by oil shale retorting using the catalyst to obtain hard oil and a method of obtaining hard oil from waste plastic.

즉, 본 발명은 오일셰일 공정에 사용하는 촉매로서 레토르팅 폐기물인 오일셰일 열분해 잔류물로부터 제조한 저가 촉매를 사용함으로써, 오일셰일 공정 현장에서 바로 촉매의 합성이 가능할 뿐 아니라 오일셰일 경질화 공정에 소요되는 촉매의 제조비용을 감소시킬 수 있으며, 오일셰일 개발시 오일셰일 잔류물 매립 등으로 인한 지하수 및 토양 오염 감소에도 일조할 수 있는 것이다.That is, the present invention uses a low-cost catalyst prepared from the oil shale pyrolysis residue, which is a retorting waste, as the catalyst used in the oil shale process. It can reduce the production cost of the catalyst, and also contribute to the reduction of groundwater and soil pollution due to landfilling of oil shale residues in oil shale development.

오일셰일, 잔류물, 알칼리, 반응물, 경질오일 Oil shale, residue, alkali, reactant, light oil

Description

오일셰일 열분해 잔류물을 이용한 유기 고분자 및 중질유 열분해용 고체산 촉매 제조방법 및 이를 이용한 경질오일 수득방법{Production method of solid acid catalyst from spent oil shale for catalytic cracking of polymeric materials and heavy oil and Production method of light oil using thereof}Production method of solid acid catalyst from spent oil shale for catalytic cracking of polymeric materials and heavy oil and Production method of light oil using pretty}

본 발명은 오일셰일 열분해 잔류물을 이용한 유기 고분자 및 중질유 열분해용 고체산 촉매 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 오일셰일 레토르팅 공정이 끝나고 남는 잔류물과 알칼리를 이용하여 오일셰일 공정에 사용할 수 있는 비정질 실리카알루미나 촉매를 제조하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for preparing an organic polymer and a solid acid catalyst for heavy oil pyrolysis using oil shale pyrolysis residues, and more particularly, to use in oil shale processes using residues and alkalis remaining after the oil shale retorting process is completed. The present invention relates to a method for preparing an amorphous silica alumina catalyst.

또한 본 발명은 상기 촉매를 사용하여 오일셰일 레토르팅에서 회수한 셰일오일을 경질화하여 경질오일을 수득하는 방법 및 폐플라스틱으로부터 경질오일을 수득하는 방법을 포함한다.The present invention also includes a method of hardening shale oil recovered by oil shale retorting using the catalyst to obtain hard oil and a method of obtaining hard oil from waste plastic.

오일셰일(Oil Shale)이란 유기물질인 케로젠(kerogen)을 함유한 암석으로, 레토르팅(retorting)을 통하여 오일셰일 원석 중량의 5% 내지 20%를 합성원유로 회수할 수 있다. Oil Shale is a rock containing an organic substance, keogen, and can recover 5% to 20% of the weight of the oil shale ore as synthetic crude oil through retorting.

오일셰일은 미국, 중국, 호주, 러시아, 브라질, 모로코, 요르단 등에 원유로 환산하였을 때 2조 배럴이 넘는 막대한 양이 매장되어 있으며 탐사위험이 기존의 재래원유보다 상대적으로 적은 장점을 가지고 있다. Oil shale has a huge amount of more than 2 trillion barrels of oil in the United States, China, Australia, Russia, Brazil, Morocco and Jordan, and has a relatively low exploration risk compared to conventional crude oil.

오일셰일로부터 합성원유를 얻기 위해서는 오일셰일 원석을 공기가 차단된 상태에서 400℃ 이상으로 가열하여 오일셰일 내 케로젠을 열분해시키는데 이를 레토르팅이라 부른다. In order to obtain synthetic crude oil from the oil shale, the oil shale gemstone is heated to 400 ° C. or more in a state where air is blocked, thereby pyrolyzing kerosene in the oil shale. This is called retorting.

한편, 레토르팅이 끝나면 상당한 양의 열분해 잔류물이 남게 되는데 부피가 원래 원석보다 커지게 되어 처리가 어려울 뿐 아니라, 이를 그대로 매립할 경우 유기물이나 중금속 유출로 인한 토양 및 지하수 오염 가능성이 있어 오일셰일 개발의 주요 문제점으로 지적되어 왔다.On the other hand, after the retorting, a considerable amount of pyrolysis residues are left, and the volume becomes larger than the original raw materials, which makes it difficult to process the oil. It has been pointed out as a major problem of development.

또한, 레토르팅이 끝나고 수득한 셰일오일의 품질이 낮아 그 용도가 선박용이나 공업용 연료에 한정되어 막대한 자원 가치에도 불구하고 전세계적으로 이용이 제한되고 있는 실정이다.In addition, the quality of the shale oil obtained after the retorting is low, its use is limited to ships or industrial fuels, and the use of the shale oil is restricted worldwide despite the enormous resource value.

따라서 상기한 문제점을 해결하기 위해, 오일셰일로부터 합성원유를 효율적으로 생산하기 위한 방법들이 다수 개발되었는 데, 그 예로서 오일셰일을 산으로 전처리하여 레토르팅 효율을 높이는 방법(US 특허 5277796호, US 특허 6936159호), 추출 등에 의하여 셰일오일 내 불순물을 제거함으로써 합성원유 품질을 높이는 방법(US 공개 2004/0222134호, US 공개 2005/0167337호), 탈황, 탈질 촉매를 사용하여 셰일오일 품질을 향상시키는 방법(US 특허 3948755호, US 특허 4086158호, US 특허 4153540호, US 특허 4716142호, US 특허 4948495호) 등이 그것이다. Therefore, in order to solve the above problems, a number of methods for efficiently producing synthetic crude oil from oil shale have been developed. For example, a method of increasing the retorting efficiency by pre-treating the oil shale with acid (US Patent 5277796, US Patent 6936159), a method of improving synthetic crude oil quality by removing impurities in shale oil by extraction, etc. (US Publication 2004/0222134, US Publication 2005/0167337), and desulfurization and denitrification catalyst to improve shale oil quality. And the like (US Patent 3948755, US Patent 4086158, US Patent 4153540, US Patent 4716142, US Patent 4948495), and the like.

그러나, 상기의 종래 방법들은 오일셰일 전처리나 정제 과정에 고가의 추출제나 상용 촉매가 필요하게 되어 공정비용을 상승시키게 되므로 오일셰일 개발 경제성에 악영향을 미치는 단점이 지적되고 있다.However, the above conventional methods require an expensive extractant or a commercial catalyst for oil shale pretreatment or refining process, thereby increasing the process cost.

또한 오일셰일 열분해 잔류물로부터 미네랄 원료나 건자재를 합성하는 기술들도 일부 개발되었는 데, 예로서 탄산 나트륨 및 중탄산 나트륨을 얻는 방법(US 특허 6854809호), 시멘트 원료를 제조하는 방법(US 특허 6835244호) 등이 그것이다. 그러나, 상기의 종래 방법들은 오일셰일 열분해 잔류물을 오일셰일 공정이 아니라 별도의 용도로 사용하기 위한 것이었다.In addition, some techniques for synthesizing mineral raw materials or dry materials from oil shale pyrolysis residues have been developed, for example, a method for obtaining sodium carbonate and sodium bicarbonate (US Pat. No. 6,854,809), and a method for preparing cement raw materials (US Pat. No. 6,835,244). ) And so on. However, the above conventional methods were to use the oil shale pyrolysis residue for a separate use, not the oil shale process.

*종래 기술의 문헌 정보*Literature information of the prior art

1. US 특허 5277796호 1.US Patent 5277796

2. US 특허 6936159호2.US Patent 6936159

3. US 공개 2004/0222134호3.US Publication No. 2004/0222134

4. US 공개 2005/0167337호4.US Publication 2005/0167337

5. US 특허 3948755호5.US Patent 3948755

6. US 특허 4086158호6.US Patent 4086158

7. US 특허 4153540호7.US Patent 4153540

8. US 특허 4716142호8.US Patent 4716142

9. US 특허 4948495호9.US Patent 4948495

따라서 본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 제반문제점을 해결하기 위하여, 오일셰일 열분해 잔류물과 알칼리를 고온에서 반응시켜 실리카와 알루미나 소스를 대량으로 추출하고, 이를 상온에서 공침(coprecipitation)시킨 후, 잔존 불순물을 제거하여 촉매 활성이 우수한 고체산 촉매를 안정적으로 합성할 수 있도록 하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to solve the problems of the prior art as described above, by reacting the oil shale pyrolysis residue and alkali at a high temperature to extract a large amount of silica and alumina source, after coprecipitation at room temperature In addition, the remaining impurities are removed to stably synthesize a solid acid catalyst having excellent catalytic activity.

또한 본 발명의 고체산 촉매를 셰일오일 경질화 공정 및 폐플라스틱의 접촉식 열분해 오일화 공정에 사용하여 경질오일 수준의 오일을 효과적으로 생산할 수 있도록 하는 것이다.In addition, the solid acid catalyst of the present invention can be used in the shale oil hardening process and the catalytic pyrolysis oilification process of waste plastic to effectively produce light oil level oil.

즉, 본 발명의 주된 목적은 오일셰일 열분해 잔류물로부터 저가의 고체산 촉매를 제조하는 방법과 이러한 방법에 의해 제조한 고체산 촉매를 셰일오일을 경질화하는 공정 및 폐플라스틱 열분해 오일화하는 공정에 사용하여 이들로부터 경질오일 수준의 열분해 오일을 얻는 방법을 제공하는 것이다.That is, the main object of the present invention is to prepare a low-cost solid acid catalyst from oil shale pyrolysis residue, to harden shale oil, and to process waste plastic pyrolysis oilification of the solid acid catalyst prepared by such a method. To provide a process for obtaining light oil pyrolysis oils from these.

특히 오일셰일 공정에 사용하는 촉매로서 레토르팅 폐기물인 오일셰일 열분해 잔류물로부터 제조한 저가 촉매를 사용함으로써 공정 현장에서 바로 합성이 가능할 뿐 아니라 오일셰일 경질화 공정에 소요되는 촉매의 제조비용을 감소시킬 수 있도록 하는 것이며, 또한 본 발명에 의해 제조된 촉매는 레토르팅 폐기물을 감소시킬 수 있어 오일셰일 열분해 잔류물 매립으로 인한 토양오염 및 지하수오염 등의 환경오염을 방지할 수 있도록 하는 것이다.In particular, by using a low-cost catalyst prepared from the oil shale pyrolysis residue, a retorting waste, as a catalyst used in the oil shale process, not only can it be directly synthesized at the process site, but it also reduces the production cost of the catalyst for the oil shale hardening process. In addition, the catalyst prepared by the present invention can reduce the retorting waste to prevent environmental pollution such as soil pollution and groundwater pollution caused by the oil shale pyrolysis residue landfill.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 오일셰일 열분해 잔류물을 이용한 유기 고분자 및 중질유 열분해용 고체산 촉매 제조방법은 오일셰일 열분해 잔류물과 알칼리를 반응시켜 오일셰일 열분해 잔류물-알칼리 반응물을 얻고 이 반응물을 공침시켜 숙성시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, an organic polymer and a method for preparing a solid acid catalyst for heavy oil pyrolysis using an oil shale pyrolysis residue of the present invention are obtained by reacting an oil shale pyrolysis residue with an alkali to obtain an oil shale pyrolysis residue-alkali reactant. It characterized in that it comprises the step of aging by reacting the reactants.

그리고, 상기 고체산 촉매를 이용하여 경질 오일을 수득하는 방법은,And, a method of obtaining a light oil using the solid acid catalyst,

상기 고체산 촉매의 존재하에서 중질유나 폐플라스틱을 무산소 조건에서 가열하는 것을 특징으로 한다.In the presence of the solid acid catalyst is characterized in that the heavy oil or waste plastic is heated under anoxic conditions.

본 발명은, 우수한 촉매 활성을 지닌 고체산 촉매를 폐기물인 오일셰일 열분해 잔류물로부터 대량으로 수득할 수 있으며, 수득한 촉매를 사용하여 중질유나 플라스틱 폐기물로부터 경질오일 수준의 액체연료를 생산할 수 있으므로 해당 공정에 널리 활용될 수 있는 등의 유용한 효과를 제공한다.According to the present invention, solid acid catalysts having excellent catalytic activity can be obtained in large quantities from oil shale pyrolysis residues, and the obtained catalysts can be used to produce light oil level liquid fuel from heavy oil or plastic waste. Useful effects such as widespread use in the process.

특히 오일셰일 공정에 사용하는 촉매로서 레토르팅 폐기물인 오일셰일 열분해 잔류물로부터 제조한 저가 촉매를 사용함으로써 오일셰일 공정 현장에서 바로 합성이 가능할 뿐 아니라 오일셰일 경질화 공정에 소요되는 촉매의 제조비용을 감소시킬 수 있으며, 오일셰일 개발시 오일셰일 잔류물 매립 등으로 의한 지하수 및 토양 오염 감소에도 일조할 수 있는 효과를 제공한다.In particular, by using a low-cost catalyst prepared from the oil shale pyrolysis residue, a retorting waste, as a catalyst used in the oil shale process, not only can it be directly synthesized in the oil shale process but also the cost of preparing the catalyst for the oil shale hardening process The oil shale development can reduce the groundwater and soil pollution caused by oil shale residue reclamation.

이하 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

도 1은 본 발명에 따른 오일셰일 열분해 잔류물로부터 고체산 촉매를 제공하는 절차를 나타낸 것이다.1 shows a procedure for providing a solid acid catalyst from an oil shale pyrolysis residue according to the present invention.

본 발명의 고체산 촉매 제조시 사용되는 주요한 재료는 오일셰일 열분해 잔류물과 알칼리이다.The main materials used in the preparation of the solid acid catalyst of the present invention are oil shale pyrolysis residues and alkalis.

먼저 본 발명에서는 오일셰일 열분해 잔류물과 알칼리를 반응시켜 오일셰일 열분해 잔류물-알칼리 반응물 획득하는 데, 상기 반응조건은 500∼700℃의 온도에서 0.5∼2시간 반응시키도록 한다. First, in the present invention, the oil shale pyrolysis residue is reacted with an alkali to obtain an oil shale pyrolysis residue-alkali reactant. The reaction conditions are allowed to react for 0.5 to 2 hours at a temperature of 500 to 700 ° C.

그리고 상기 오일셰일 열분해 잔류물 100중량부에 대하여 알칼리를 70~300중량부 반응시키는 데, 이는 알칼리가 70중량부 미만이 되면 고체산 촉매 제조시 필요한 실리카, 알루미나 이온이 부족한 문제가 있고, 300중량부를 초과하더라도 알칼리 사용량의 증가에 따른 촉매의 특성 향상이 미미하기 때문이다.And 70 to 300 parts by weight of the alkali is reacted with respect to 100 parts by weight of the oil shale pyrolysis residue, which is insufficient when the alkali is less than 70 parts by weight, there is a problem in the lack of silica, alumina ions required for the production of a solid acid catalyst, 300 This is because even if the portion is exceeded, the improvement of the characteristics of the catalyst due to the increase in the amount of alkali used is insignificant.

그리고 상기 알칼리로는 수산화나트륨, 수산화칼륨, 탄산나트륨, 탄산칼륨 및 수산화칼슘으로 구성된 군 중 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 사용할 수도 있으나, 본 발명에서는 알칼리의 종류를 특별히 제한하지 않는 것으로 상기한 종류 이외의 알칼리를 사용할 수 있음은 물론이다.The alkali may be any one or a mixture of two or more selected from the group consisting of sodium hydroxide, potassium hydroxide, sodium carbonate, potassium carbonate and calcium hydroxide, but the present invention does not particularly limit the type of alkali other than those described above. Of course, alkali can be used.

상기와 같이 반응된 오일셰일 열분해 잔류물 - 알칼리 반응물은 실리카와 알루미나 이온을 가지는 데, 상기 반응물을 정제수에 공침시킨 후 숙성시켜 고체산 촉매를 합성한다. 이때 상기 숙성조건은 실리카와 알루미나 이온으로부터 고체산 촉매를 합성할 정도면 되는 것으로, 예를 들면 20~30℃에서 6~36시간 동안 숙성하는 데, 상기 온도가 30℃를 초과할 경우 오일셰일 열분해 잔류물 - 알칼리 반응물 내의 실리카와 알루미나 이온이 결정형으로 전이하게 되므로 촉매 활성이 낮아지는 문제점이 있으며 20℃ 미만일 경우 촉매의 합성이 어렵기 때문이며, 숙성 시간이 6시간 미만이 되면 합성이 완료되지 않고 36시간을 초과하더라도 더 이상 합성이 진행되지 않기 때문이다.The oil shale pyrolysis residue-alkali reactant reacted as described above has silica and alumina ions, and the reactants are co-precipitated in purified water and then aged to synthesize a solid acid catalyst. At this time, the aging conditions are enough to synthesize a solid acid catalyst from silica and alumina ions, for example, aged for 6 to 36 hours at 20 ~ 30 ℃, if the temperature exceeds 30 ℃ oil shale pyrolysis Residue-Since silica and alumina ions in alkali reactant are transferred to crystalline form, there is a problem that catalyst activity is lowered, and it is difficult to synthesize catalyst when less than 20 ℃, and synthesis is not completed when aging time is less than 6 hours. This is because the synthesis does not proceed any more than time.

한편 상기와 같이 제조한 고체산 촉매는 순도를 증가시키기 위한 세척단계와, 강도를 강화시키기 위한 소성 단계를 추가로 실시할 수 있는 데, 이때 세척단계는 고체산 촉매의 순도를 향상시킬 수 있으면 족한 것으로, 그 실시를 제한하지 않는다. 상기 세척단계는 일례로서 숙성이 끝난 고체산 촉매를 60∼80℃의 정제수로 2∼5회 세척할 수도 있으며, 다른 례로서 염화암모늄 수용액 등의 약산성 용액을 사용하면 세척효율을 증진시켜 고체산 촉매의 활성을 보다 향상시킬 수 있다. 특히 1.0∼2.0 몰농도의 염화암모늄 수용액으로 세척할 수도 있으며, 상기 1.0∼2.0 몰농도의 염화암모늄 수용액은 고체산 촉매의 활성을 보다 향상시킬 수 있도록 하는 것이다.Meanwhile, the solid acid catalyst prepared as described above may further include a washing step for increasing purity and a firing step for enhancing strength, wherein the washing step is sufficient if the purity of the solid acid catalyst can be improved. It does not restrict the implementation. In the washing step, for example, the aged solid acid catalyst may be washed 2 to 5 times with purified water at 60 to 80 ° C., and as another example, when a weak acid solution such as an aqueous ammonium chloride solution is used, the washing efficiency may be improved. The activity of can be improved more. In particular, the aqueous solution may be washed with an aqueous ammonium chloride solution of 1.0 to 2.0 molarity, and the aqueous ammonium chloride solution of 1.0 to 2.0 molarity may improve the activity of the solid acid catalyst.

그리고 상기 소상단계 역시 상기 고체산 촉매의 강도를 향상시킬 수 있는 정도면 족한 것으로, 그 일례로서 상기 세척된 고체산 촉매를 600~700℃에서 4~8시간 동안 소성할 수도 있는 것으로, 상기 소성온도와 시간은 고체산 촉매의 강도를 향상시킬 수 있는 조건이다.In addition, the small-phase step is also sufficient to improve the strength of the solid acid catalyst, for example, the washed solid acid catalyst may be calcined at 600 ~ 700 ℃ for 4 to 8 hours, the firing temperature And time are conditions that can improve the strength of a solid acid catalyst.

상기한 바와 같이, 본 발명은 오일셰일 열분해 잔류물과 알칼리를 재료로 하여 다양한 조건에 의해 고체산 촉매를 제조한 바, 본 발명의 목적에 부합하는 고체산 촉매를 얻기 위해서는 오일셰일 열분해 잔류물과 알칼리로부터 전술한 수치범위를 조건으로 제조하는 것이 바람직하다.As described above, according to the present invention, a solid acid catalyst is prepared by various conditions using an oil shale pyrolysis residue and an alkali. In order to obtain a solid acid catalyst meeting the object of the present invention, the oil shale pyrolysis residue and It is preferable to make the above-mentioned numerical range on condition of alkali.

그리고 상기와 같이 제조된 본 발명에 따른 고체산 촉매의 비표면적, 평균 공극 직경 및 X-ray 회절에 대한 물성을 ASTM 관련 규정에 의하여 측정한 결과는 하기 표 1과 같았다.And the results of measuring the specific surface area, average pore diameter and physical properties for X-ray diffraction of the solid acid catalyst according to the present invention prepared as described above are shown in Table 1 below.

고체산 촉매의 물성측정 결과.Measurement results of the solid acid catalyst. 비표면적Specific surface area 평균 공극 직경Average pore diameter X-ray 회절X-ray diffraction 35∼186㎡/g35 to 186㎡ / g 60∼100Å60-100Å 비정질Amorphous

한편, 본 발명은 상기한 고체산 촉매를 이용하여 중질유를 경질화하는 방법을 포함하는 데, 상기한 방법에서 제조한 고체산 촉매의 존재하에서 중질유를 무산소 조건에서 가열하여 경질 오일을 수득할 수 있다.On the other hand, the present invention includes a method for hardening heavy oil using the solid acid catalyst described above, the heavy oil can be heated under anoxic conditions in the presence of the solid acid catalyst prepared in the above method to obtain a light oil. .

이때 상기 중질유로서는 원유 증류 잔사, 역청 및 오일셰일 레토르팅으로부터 얻은 셰일오일로 이루어진 군 중 선택된 어느 하나 또는 2종 이상의 것을 사용할 수 있다.At this time, as the heavy oil, any one or two or more selected from the group consisting of crude oil distillation residue, bitumen and shale oil obtained from oil shale retorting may be used.

그리고 상기 중질유 100중량부에 대하여 상기 고체산 촉매 5~40중량부를 이용할 수 있는 바, 상기 고체산 촉매가 5중량부 미만이면 촉매의 작용이 미미하게 되고 40중량부를 초과하더라도 더 이상의 향상된 반응이 나타나지 않기 때문이다. 5 to 40 parts by weight of the solid acid catalyst may be used with respect to 100 parts by weight of the heavy oil. When the solid acid catalyst is less than 5 parts by weight, the action of the catalyst becomes insignificant, and even if the amount exceeds 40 parts by weight, no further improved reaction appears. Because it does not.

추가적으로 상기에서 반응로에 중질유 환류장치를 추가로 설치하면, 경질오일만을 선택적으로 회수하고, 환류장치를 통해 배출되는 상기 중질오일의 분획을 반응로에 환류시켜 재차 가열하여 열분해함으로써 원하는 경질오일만을 회수할 수 있게 된다. 상기 중질유 환류에 의한 경질오일의 선택적 회수에 대한 일례로서 중질유 환류장치의 온도는 150∼350℃로 유지하고, 이보다 비점이 높은 분획을 반응기에 환류시켜 재차 열분해할 수 있다.In addition, if a heavy oil reflux device is additionally installed in the reactor, only light oil is selectively recovered, and only the desired light oil is recovered by refluxing the fraction of the heavy oil discharged through the reflux device by heating it back to pyrolysis. You can do it. As an example of the selective recovery of light oil by the reflux of the heavy oil, the temperature of the heavy oil reflux apparatus is maintained at 150 to 350 ° C., and a fraction having a higher boiling point may be refluxed in the reactor to be pyrolyzed again.

상기 중질유로부터 경질오일을 회수하는 방법의 일례로서, 오일셰일 레토르팅으로부터 회수한 셰일오일 100중량부에 대하여 상기 고체산 촉매 5∼40중량부의 존재하 및 무산소 조건에서 200∼500℃로 가열하여 경질오일을 회수할 수 있는 것이다.As an example of a method for recovering light oil from the heavy oil, it is heated to 200 to 500 ℃ in the presence of 5 to 40 parts by weight of the solid acid catalyst and anoxic conditions with respect to 100 parts by weight of shale oil recovered from oil shale retorting Hard oil can be recovered.

또한 본 발명의 고체산 촉매는 폐플라스틱의 열분해 오일화 공정에서도 이용할 수 있는 데, 상기의 방법에서 제조한 고체산 촉매의 존재하에 폐플라스틱을 무산소 조건에서 가열하여 경질오일을 회수할 수도 있는 바, 상기 폐플라스틱으로는 올레핀계 폐플라스틱을 사용할 수 있으며, 상기 올레핀계 폐플라스틱으로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등이 있다.In addition, the solid acid catalyst of the present invention can also be used in the pyrolysis oilification process of waste plastics. In the presence of the solid acid catalyst prepared in the above method, the waste plastics can be heated under anoxic conditions to recover hard oil. The waste plastic may be an olefin waste plastic, and the olefin waste plastic may be polyethylene, polypropylene, or the like.

상기에서 폐플라스틱은 본 발명에 의해 제조한 고체산 촉매 존재하에서 무산소 조건으로 350∼450℃의 온도에서 가열하여 경질오일을 얻을 수 있는 것이며, 촉매의 사용량은 폐플라스틱 100중량부에 대하여 상기 고체산 촉매 5∼40중량부를 이용하며, 그 이유는 전술한 중질유로부터 경질오일을 회수하는 방법에서와 같다.In the above, the waste plastic is obtained in the presence of the solid acid catalyst prepared according to the present invention by heating at 350 to 450 ° C. under anoxic conditions to obtain hard oil, and the amount of catalyst used is 100 parts by weight of the waste acid. 5 to 40 parts by weight of catalyst is used, for the same reason as in the method for recovering light oil from the heavy oil described above.

본 발명에서는 중질유 및 폐플라스틱으로부터 경질오일을 얻기 위하여 다양한 조건에 의해 중질유 및 폐플라스틱을 열분해한 바, 상기에서 언급한 본 발명의 고체산 촉매하에서 무산소 조건과 전술한 수치범위의 온도로 가열하는 것이, 가장 바람직한 경질오일 수준의 열분해 오일을 획득할 수 있다.In the present invention, in order to obtain light oil from heavy oil and waste plastic, the heavy oil and waste plastic are pyrolyzed under various conditions. The most preferred light oil level of pyrolysis oil can be obtained.

이하 본 발명의 내용을 실시예 및 시험예를 통하여 구체적으로 설명한다. 그러나 이들은 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 권리범위가 하기의 실시예 및 시험예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the content of the present invention will be described in detail through examples and test examples. However, these are intended to explain the present invention in more detail, and the scope of the present invention is not limited by the following examples and test examples.

(실시예 1)(Example 1)

오일셰일 열분해 잔류물로부터 고체산 촉매의 제조.Preparation of solid acid catalyst from oil shale pyrolysis residue.

미국 콜로라도산 오일셰일에 대하여 레토르팅이 끝나고 발생한 잔류물 100g과 수산화나트륨 120g을 균질하게 섞고, 소성로에서 1.5시간 고온으로 가열하여 오일셰일 열분해 잔류물-수산화나트륨 반응물을 얻었다.100 g of the residue generated after the retorting and 120 g of sodium hydroxide were homogeneously mixed with the Colorado oil shale, and heated to a high temperature in a kiln for 1.5 hours to obtain an oil shale pyrolysis residue-sodium hydroxide reactant.

상기 반응물을 정제수에 녹인 다음, 상온에서 8시간 동안 숙성시켜 촉매를 공침시켰다. 혼합물에 포함된 미반응 수산화나트륨을 제거하기 위하여 1몰 농도의 염화 암모늄 용액으로 수회 세척하고 여과지로 고액분리하여 불순물 용액과 촉매를 분리하였다. The reaction was dissolved in purified water and then aged at room temperature for 8 hours to coprecipitate the catalyst. In order to remove the unreacted sodium hydroxide contained in the mixture, it was washed several times with 1 molar concentration of ammonium chloride solution and solid-liquid separated by filter paper to separate the impurity solution and the catalyst.

그리고 촉매의 기계적 성질을 증진시키고 잔류 불순물을 제거하기 위하여 소성로에서 600℃로 4시간 동안 가열하여 본 발명의 고체산 촉매를 수득하였다. The solid acid catalyst of the present invention was obtained by heating at 600 ° C. for 4 hours in order to enhance the mechanical properties of the catalyst and to remove residual impurities.

도 2에 상기에서 제조한 고체산 촉매의 SEM 사진을 나타내었다.2 shows a SEM photograph of the solid acid catalyst prepared above.

(실시예2)Example 2

오일셰일 열분해 잔류물로부터 제조한 고체산 촉매의 물리적 특성 분석Physical Characterization of Solid Acid Catalysts Prepared from Oil Shale Pyrolysis Residues

실시예 1에서 수득한 고체산 촉매의 물리화학적 특성을 파악하기 위하여 X선 회절 분석과 BET 표면적 측정 등의 물리적 특성 분석을 실시하여 도 3에 나타내었다.In order to determine the physicochemical properties of the solid acid catalyst obtained in Example 1, physical properties such as X-ray diffraction analysis and BET surface area measurement were performed and shown in FIG. 3.

도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1에서 수득한 촉매의 XRD 회절분석 결과, 고체산 촉매는 완만한 피크를 나타내고 있어 결정을 나타내지 않는 비정질 특성을 지님을 알 수 있었다.As can be seen in FIG. 3, XRD diffraction analysis of the catalyst obtained in Example 1 showed that the solid acid catalyst showed a gentle peak and had an amorphous property without showing crystals.

그리고 물리적 특성을 ASTM 관련 규정에 의해 분석한 결과, 실시예 1에서 수득한 비정질 실리카알루미나 촉매는 158 ㎡/g의 표면적을 갖고, 70.8Å의 공극 직경을 갖는 것으로 나타났다. As a result of analyzing the physical properties according to ASTM-related regulations, the amorphous silica alumina catalyst obtained in Example 1 was found to have a surface area of 158 m 2 / g and a pore diameter of 70.8 mm 3.

(실시예 3)(Example 3)

오일셰일 열분해 잔류물로부터 제조한 고체산 촉매의 열분해 활성 분석 Pyrolysis Activity Analysis of Solid Acid Catalyst Prepared from Oil Shale Pyrolysis Residue

실시예 1에서 수득한 고체산 촉매의 열분해 활성을 확인하기 위하여, 열중량 분석기(Rubotherm, 독일)를 사용하여 플라스틱 촉매 열분해를 수행하였다. 0.8밀리리터(ml) 용량의 알루미나 용기에 저밀도 폴리에틸렌 0.05g과 실시예 1에서 수득한 고체산 촉매 0.05g을 장입한 후, 질소 가스를 분당 60밀리리터의 유량으로 공급하여 무산소 조건을 유지하면서 전기로를 이용하여 분당 5℃씩 600℃까지 승온하며 온도에 따른 무게 감량을 측정하였다. In order to confirm the pyrolysis activity of the solid acid catalyst obtained in Example 1, plastic catalytic pyrolysis was performed using a thermogravimetric analyzer (Rubotherm, Germany). After charging 0.05 g of the low density polyethylene and 0.05 g of the solid acid catalyst obtained in Example 1 into a 0.8 milliliter (ml) alumina container, nitrogen gas was supplied at a flow rate of 60 milliliters per minute to maintain anoxic conditions. The temperature was increased by 5 ℃ per minute to 600 ℃ and the weight loss was measured according to the temperature.

비교를 위하여 비교예로서 촉매를 넣지 않고 저밀도 폴리에틸렌 0.05g만을 장입한 경우에 대하여 동일한 조건에서 열분해 실험을 실시하였다.For comparison, a pyrolysis experiment was carried out under the same conditions in the case where only 0.05 g of low density polyethylene was charged without adding a catalyst as a comparative example.

도 4에 도시된 바와 같이, 실시예 1에서 제조한 고체산 촉매를 사용하였을 경우 무촉매보다 80℃ 이상 낮은 열분해 개시 온도를 나타내어 본 발명에 의해 합성된 촉매의 우수한 활성이 입증되었다.As shown in FIG. 4, when the solid acid catalyst prepared in Example 1 was used, the pyrolysis initiation temperature was lowered by at least 80 ° C. than the noncatalyst, thereby demonstrating excellent activity of the catalyst synthesized by the present invention.

(실시예4)Example 4

오일셰일 잔류물로부터 제조한 고체산 촉매에 의한 셰일오일 촉매 열분해Pyrolysis of Shale Oil Catalysts by Solid Acid Catalysts Prepared from Oil Shale Residues

1ℓ 용량의 반응기에 실시예 1에서 수득한 촉매 4g과 오일셰일 레토르팅에서 얻은 API(American Petroleum Institute) 비중이 24.9°인 셰일오일 40g을 장입하고, 전기로를 사용하여 반응기의 온도를 40분 동안 450℃까지 가열하고 이후 반응기 온도를 450℃로 유지하였다.4 g of the catalyst obtained in Example 1 and 40 g of shale oil having a specific gravity of 24.9 ° from the American Petroleum Institute (API) obtained from oil shale retorting were charged into a 1 liter reactor, and the temperature of the reactor was maintained for 40 minutes using an electric furnace. Heat up to 450 ° C. and then maintain reactor temperature at 450 ° C.

열분해 생성물의 원활한 이동과 무산소 조건 유지를 위하여 질소 가스를 분당 60 ㎖로 반응기 내부로 공급하였으며, 효율적인 크래킹을 위하여 비점이 250℃보다 높은 중질유분에 대해서는 반응기 내부로 환류시켜 재차 크래킹을 시도하였다.Nitrogen gas was fed into the reactor at 60 ml / min for smooth movement of the pyrolysis product and maintenance of anoxic conditions, and cracking was attempted again by refluxing the heavy oil having a boiling point higher than 250 ° C. for efficient cracking.

열분해 생성물 중 응축이 되지 않는 비응축성 가스는 대기 중에 배출시키고 응축성 가스는 컨덴서로 응축시켜 액상 생성물과 함께 집유하였다. The non-condensable gas which was not condensed in the pyrolysis product was discharged to the atmosphere, and the condensable gas was condensed with a condenser and collected together with the liquid product.

그리고 비교를 위한 비교예로서, 촉매를 넣지 않고 오일셰일 레토르팅에서 얻은 API 비중이 24.9°인 동일한 셰일오일 40g만을 장입한 경우에 대하여 동일한 조건에서 열분해를 실시하였다.As a comparative example for comparison, pyrolysis was carried out under the same conditions in the case where only 40 g of the same shale oil having a specific gravity of 24.9 ° of API obtained in oil shale retorting was loaded without a catalyst.

실시예 1에서 제조한 고체산 촉매를 사용하였을 때 촉매를 사용하지 않은 단순 열분해보다 우수한 열분해 결과를 나타낸 바, 반응 개시 온도를 50℃ 이상 낮출 수 있었으며 경질오일 회수율 역시 76.3%를 나타내어 촉매를 사용하지 않은 단순 열분해에서 얻은 69.4%보다 크게 향상시킬 수 있었다. When using the solid acid catalyst prepared in Example 1 showed better pyrolysis results than the simple pyrolysis without the catalyst, the reaction initiation temperature could be lowered by more than 50 ℃ and light oil recovery was also 76.3% to not use the catalyst It was able to improve more than 69.4% obtained from simple pyrolysis.

또한, 오일셰일 레토르팅으로부터 얻은 셰일오일은 API 비중이 24.9°로 높아 기존의 정유 공정에의 투입이 곤란하나, 실시예 1에서 제조한 고체산 촉매를 사용하여 셰일오일을 열분해할 경우, 경질 오일의 API 비점을 32°로 크게 낮출 수 있어 기존의 정유 공정에 투입 가능한 합성원유로 경질화할 수 있었다. In addition, the shale oil obtained from the oil shale retorting is difficult to add to the existing oil refining process due to the API specific gravity of 24.9 °, but when the shale oil is thermally decomposed using the solid acid catalyst prepared in Example 1, The oil's API boiling point can be significantly lowered to 32 °, making it harder to synthesize crude oil that can be added to existing refinery processes.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. As described above, although described with reference to a preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art will be variously modified and modified within the scope of the present invention without departing from the spirit and scope of the invention described in the claims below. It will be appreciated that it can be changed.

도 1은 본 발명에 의한 고체산 촉매의 제조 절차를 나타낸 도면.1 is a view showing a procedure for producing a solid acid catalyst according to the present invention.

도 2는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 고체산 촉매의 SEM 사진.2 is a SEM photograph of a solid acid catalyst prepared according to an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 고체산 촉매의 XRD 회절 분석 결과를 나타낸 그래프.Figure 3 is a graph showing the XRD diffraction analysis of the solid acid catalyst prepared according to an embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 고체산 촉매를 사용하여 저밀도 폴리에틸렌의 열분해를 실시하였을 때의 온도에 따른 무게 감소량 측정 결과 및 촉매를 사용하지 않은 무촉매 상태에서 저밀도 폴리에틸렌의 열분해를 실시하였을 때의 온도에 따른 무게 감소량 측정 결과를 나타낸 그래프. Figure 4 is a result of measuring the weight loss according to the temperature when the thermal decomposition of low-density polyethylene using a solid acid catalyst prepared according to an embodiment of the present invention and pyrolysis of low-density polyethylene in the non-catalyst state without using a catalyst A graph showing the weight loss measurement results according to temperature.

Claims (15)

오일셰일 열분해 잔류물과 알칼리를 반응시켜 오일셰일 열분해 잔류물-알칼리 반응물을 얻고 이 반응물을 공침시켜 숙성시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 오일셰일 열분해 잔류물을 이용한 유기 고분자 및 중질유 열분해용 고체산 촉매 제조방법.The solid for pyrolysis of organic polymers and heavy oils using an oil shale pyrolysis residue, comprising the step of reacting the oil shale pyrolysis residue with an alkali to obtain an oil shale pyrolysis residue-alkali reactant and coprecipitating the reactant. Acid catalyst preparation method. 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 오일셰일 열분해 잔류물과 알칼리를 500~700℃에서 0.5~2시간 반응시키는 것을 특징으로 하는 오일셰일 열분해 잔류물을 이용한 유기 고분자 및 중질유 열분해용 고체산 촉매 제조방법.A method for producing a solid acid catalyst for pyrolysis of organic polymers and heavy oils using an oil shale pyrolysis residue, wherein the oil shale pyrolysis residue is reacted with an alkali at 500 to 700 ° C. for 0.5 to 2 hours. 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 오일셰일 열분해 잔류물 100중량부에 대하여 알칼리 70~300중량부를 반응시키는 것을 특징으로 하는 오일셰일 열분해 잔류물을 이용한 유기 고분자 및 중질유 열분해용 고체산 촉매 제조방법.A method for producing a solid acid catalyst for pyrolysis of organic polymers and heavy oils using an oil shale pyrolysis residue, characterized in that 70 to 300 parts by weight of alkali is reacted with respect to 100 parts by weight of the oil shale pyrolysis residue. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 알칼리는 수산화나트륨, 수산화칼륨, 탄산나트륨, 탄산칼륨 및 수산화칼슘으로 구성된 군 중 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 오일셰일 열분해 잔류물을 이용한 유기 고분자 및 중질유 열분해용 고체산 촉매 제조방법.The alkali is a solid acid catalyst for producing organic polymers and heavy oil pyrolysis using oil shale pyrolysis residues, characterized in that any one or a mixture of two or more selected from the group consisting of sodium hydroxide, potassium hydroxide, sodium carbonate, potassium carbonate and calcium hydroxide. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 오일셰일 열분해 잔류물-알칼리 반응물은 20~30℃에서 6~36시간 동안 숙성시키는 것을 특징으로 하는 오일셰일 열분해 잔류물을 이용한 유기 고분자 및 중질유 열분해용 고체산 촉매 제조방법.The oil shale pyrolysis residue-alkali reactant is aged for 6 to 36 hours at 20 ~ 30 ℃, characterized in that the production of solid acid catalyst for organic polymer and heavy oil pyrolysis using oil shale pyrolysis residue. 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 숙성단계 후, After the aging step, 상기 제조된 고체산 촉매를 세척하는 단계와, 상기 세척된 촉매를 소성하는 단계를 추가로 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 오일셰일 열분해 잔류물을 이용한 유기 고분자 및 중질유 열분해용 고체산 촉매 제조방법.The method of preparing a solid acid catalyst for pyrolysis of organic polymers and heavy oils using oil shale pyrolysis residues, further comprising the step of washing the prepared solid acid catalyst and calcining the washed catalyst. 제 6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 세척단계는, 상기 제조된 고체산 촉매를 0.1~2.0 몰농도의 염화암모늄 수용액으로 세척하는 것을 특징으로 하는 오일셰일 열분해 잔류물을 이용한 유기 고분자 및 중질유 열분해용 고체산 촉매 제조방법.The washing step is a method for producing a solid acid catalyst for pyrolysis of organic polymers and heavy oils using an oil shale pyrolysis residue, wherein the prepared solid acid catalyst is washed with an aqueous solution of ammonium chloride at a concentration of 0.1 to 2.0 moles. 제 6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 소성단계는, 상기 세척된 고체산 촉매를 600~700℃에서 4~8시간 동안 소성하는 것을 특징으로 하는 오일셰일 열분해 잔류물을 이용한 유기 고분자 및 중질유 열분해용 고체산 촉매 제조방법. The calcining step is a solid acid catalyst for producing organic polymers and heavy oil pyrolysis using oil shale pyrolysis residues, wherein the washed solid acid catalyst is calcined at 600 to 700 ° C. for 4 to 8 hours. 중질유로부터 경질 오일을 수득하는 방법에 있어서,In the process for obtaining light oil from heavy oil, 상기 제 1항 내지 제 8항 중 선택된 어느 한 항의 방법으로 제조된 고체산 촉매의 존재하에서 중질유를 무산소 조건에서 가열하는 것을 특징으로 하는 고체산 촉매를 이용한 경질오일 수득방법.A method for obtaining light oil using a solid acid catalyst, characterized in that the heavy oil is heated under anoxic conditions in the presence of the solid acid catalyst prepared by the method of any one of claims 1 to 8. 제 9항에 있어서, The method of claim 9, 상기 중질유 100중량부에 대하여 상기 고체산 촉매 5~40중량부를 이용하는 것을 특징으로 하는 고체산 촉매를 이용한 경질오일 수득방법.A light oil obtaining method using a solid acid catalyst, characterized in that 5 to 40 parts by weight of the solid acid catalyst based on 100 parts by weight of the heavy oil. 제 9항에 있어서, The method of claim 9, 상기 중질유는 원유 증류 잔사, 역청 및 오일셰일 레토르팅으로부터 얻은 셰일오일로 이루어진 군 중 선택된 어느 하나 또는 2종 이상의 것임을 특징으로 하는 고체산 촉매를 이용한 경질오일 수득방법.The heavy oil is any one or two or more selected from the group consisting of crude oil distillation residues, bitumen and oil shale retorting from the group consisting of light oil using a solid acid catalyst. 제 9항에 있어서,The method of claim 9, 환류장치를 사용하여 배출되는 상기 중질오일의 분획을 반응로에 환류시켜 재차 가열하는 것을 특징으로 하는 고체산 촉매를 이용한 경질오일 수득방법.A method of obtaining light oil using a solid acid catalyst, characterized in that the fraction of the heavy oil discharged using a reflux device is refluxed in a reactor and heated again. 폐플라스틱으로부터 경질 오일 수득에 있어서,In obtaining light oil from waste plastic, 특허청구범위 제1항 내지 제8항 중 선택된 어느 한 항의 방법에 의해 제조한 고체산 촉매 존재하에서 폐플라스틱을 무산소 조건에서 가열하는 것을 특징으로 하는 고체산 촉매를 이용한 경질오일 수득방법.A method for obtaining light oil using a solid acid catalyst, characterized in that the waste plastic is heated under anoxic conditions in the presence of a solid acid catalyst prepared by the method of any one of claims 1 to 8. 제 13항에 있어서, The method of claim 13, 폐플라스틱 100중량부에 대하여 상기 고체산 촉매 5~40중량부를 이용하는 것을 특징으로 하는 고체산 촉매를 이용한 경질오일 수득방법.A method of obtaining light oil using a solid acid catalyst, characterized in that 5 to 40 parts by weight of the solid acid catalyst is used based on 100 parts by weight of waste plastic. 제13항에 있어서, The method of claim 13, 상기 폐플라스틱은 올레핀계 폐플라스틱임을 특징으로 하는 고체산 촉매를 이용한 경질오일 수득방법.The waste plastic is a method for obtaining light oil using a solid acid catalyst, characterized in that the olefin waste plastics.
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