KR100927105B1 - Catalyst for autothermal reforming of methane for producing synthetic gas??2??????for Fischer­Tropsch process, catalyst layer structure for reactor and manufacturing method to produce synthetic gas for Fischer­Tropsch process by using the same - Google Patents

Catalyst for autothermal reforming of methane for producing synthetic gas??2??????for Fischer­Tropsch process, catalyst layer structure for reactor and manufacturing method to produce synthetic gas for Fischer­Tropsch process by using the same Download PDF

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Abstract

본 발명은 피셔-트롭쉬 액화공정용 합성가스 제조공정에 사용되는 메탄 자열개질촉매 및 이를 이용한 메쉬형 촉매층, 그리고 이를 이용한 피셔-트롭쉬용 합성가스 제조방법에 관한 것으로, The present invention relates to a methane autothermal reforming catalyst used in the synthesis gas for Fischer-Tropsch liquefaction process, a mesh type catalyst layer using the same, and a method for producing the synthesis gas for Fischer-Tropsch using the same,

그 주된 목적은 주된 반응으로 메탄 또는 천연가스를 부분산화반응하고 부가되는 반응으로 수증기개질반응과 (역)수성가스전이반응{(reverse) water gas shift reaction, (R)WGS}에 의해 수소와 일산화탄소로 전환하면서, 피셔-트롭쉬 공정(Fischer-Tropsch Process)에 적합한 수소와 일산화탄소 비율(H2/CO≒2)을 얻는데 필요한 촉매 및 촉매층과 이를 이용한 반응조건을 제시하는 데 있다.Its main purpose is the partial reaction of methane or natural gas as the main reaction and the addition of hydrogen and carbon monoxide by the steam reforming reaction and the reverse water gas shift reaction. In the conversion to the present invention, the present invention provides a catalyst and a catalyst layer required for obtaining a hydrogen to carbon monoxide ratio (H 2 / CO 2) suitable for the Fischer-Tropsch process and reaction conditions using the same.

본 발명의 구성은 고표면적 알루미나 담체와, 촉매 전체 무게 대비 팔라듐 금속 2~4wt%로 조성된 피셔-트롭쉬 액화공정용 합성가스 제조 촉매 및 이 촉매를 메쉬형 금속판을 불규칙 유로를 유발하면서 원하는 촉매양에 따라 용이하게 그 수의 조절이 가능한 형태로 적층한 촉매층, 그리고 이를 이용한 합성가스 제조방법을 그 기술적 사상의 특징으로 한다. The composition of the present invention is a high surface area alumina carrier, a catalyst for preparing a synthesis gas for the Fischer-Tropsch liquefaction process composed of 2 to 4 wt% of palladium metal relative to the total weight of the catalyst, and a catalyst having a irregular channel in a mesh metal plate. The catalyst layer is laminated in a form that can be easily adjusted according to the amount, and the synthesis gas production method using the same features the technical idea.

자열개질, 팔라듐, 피셔-트롭쉬용 합성가스, 메쉬형 촉매층, 촉매부분산화반응 Autothermal reforming, palladium, Fischer-Tropsch syngas, mesh catalyst layer, catalytic partial oxidation

Description

피셔­트롭쉬 액화공정용 합성가스 제조공정에 사용되는 메탄 자열개질촉매 및 이를 이용한 메쉬형 촉매층, 그리고 이를 이용한 피셔­트롭쉬용 합성가스 제조방법{Catalyst for autothermal reforming of methane for producing synthetic gas(H2/CO≒2)for Fischer­Tropsch process, catalyst layer structure for reactor and manufacturing method to produce synthetic gas for Fischer­Tropsch process by using the same}Methane autothermal reforming catalyst used in the synthesis gas for Fischer Tropsch liquefaction process, mesh type catalyst layer using the same, and method for producing synthetic gas for Fischer Tropsch using the same {H2 / CO ≒ 2) for Fischer Tropsch process, catalyst layer structure for reactor and manufacturing method to produce synthetic gas for Fischer Tropsch process by using the same}

본 발명은 피셔-트롭쉬 액화공정용 합성가스 제조공정에 사용되는 메탄 자열개질촉매 및 이를 반응기에 적용한 메쉬형 촉매층, 그리고 이를 이용한 피셔-트롭쉬용 합성가스 제조방법에 관한 것으로, 자세하게는 피셔-트롭쉬 액화공정을 위한 합성가스 제조 과정에서 필요한 촉매의 활성이 높고, 목표치인 수소와 일산화탄소 생성 비율이 2와 근접하고, 수소와 일산화탄소의 선택도를 높여 주는 촉매 조성과, 이러한 촉매를 반응기에 장치시 불규칙적으로 유로가 발생하도록 지지대에 쌓아 올린 형태의 촉매구조체 구조와, 이를 이용한 반응물인 물과 산소 및 공간속도 등의 조건을 달리하여 피셔-트롭쉬 반응에 적합한 수소와 일산화탄소를 생산하는 방법에 대한 것이다.The present invention relates to a methane autothermal reforming catalyst used in a synthesis gas for Fischer-Tropsch liquefaction process, a mesh type catalyst layer applied to the reactor, and a method for producing a synthesis gas for Fischer-Tropsch using the same, The catalyst composition required in the syngas production process for the Ropsch liquefaction process is high, the target composition of hydrogen and carbon monoxide is close to 2, and the catalyst composition increases the selectivity of hydrogen and carbon monoxide. It is about a method of producing hydrogen and carbon monoxide suitable for the Fischer-Tropsch reaction by changing the structure of the catalyst structure in the form of an irregular flow path on the support and the conditions such as water, oxygen, and space velocity. .

연료개질기(reformer)는 연료전지 및 소형 수소발생장치 외에도 합성가스 제조를 위한 천연가스 및 메탄의 개질장치로 수요가 늘고 있다. 특히 소형 및 원거리 가스전(stranded 또는 remote gas well)등 경제적인 이유로 개발이 어려워 태워지고 있는 가스전의 개발에 고유가 및 온실가스 배출 규제 등이 강화됨에 따라 사용가능성이 증대되고 있다. In addition to fuel cells and small hydrogen generators, fuel reformers are in demand as reformers for natural gas and methane for syngas production. In particular, as the development of gas fields, which are difficult to develop due to economic reasons such as small and remote gas wells (stranded or remote gas wells), is being burned, the availability of them is increasing.

2004년 기준 태워지는 가스양이 하루에 100억 ft3 규모로 이 양은 유럽연합의 하루 사용량의 25% 또는 미국 내 하루 가스 사용량의 17% 정도 규모이다. 현재 매장량 기준으로 1조 ft3(1 Trillion cubic feet, Tcf)이하를 소형 가스전으로 분류할 때, 규모에 따라 약 1,400여 가스전이 전 세계적으로 산재되어 있는 것으로 조사되었다. As of 2004, the amount of gas burned was 10 billion ft 3 per day, which is 25% of the EU's daily use or 17% of the US's use of gas per day. When classifying under the current criteria reserves 1 trillion ft 3 (1 Trillion cubic feet, Tcf) with a small gas fields, gas fields, depending on the size of about 1,400 that were investigated are scattered around the world.

천연가스 주성분인 메탄은 SP3 혼성궤도 형성에 의해 메탄의 탄소 원자와 수소원자의 결합에너지가 매우 크기 때문에, 메탄을 활성화시키기 위해서는 매우 큰 에너지가 필요하다.Since methane, which is the main component of natural gas, has a very large binding energy of carbon atoms and hydrogen atoms of methane by forming an SP 3 hybrid orbit, very large energy is required to activate methane.

이러한 메탄을 이용하여 연료를 개질하는 방법에는 여러 가지 방법이 있는데, 일반적으로 1)수증기 개질(Steam reforming), 2)부분 산화 개질(Partial reforming), 3)자열 개질(Autothermal reforming) 방법을 이용한다.There are various methods of reforming fuel using methane. Generally, 1) steam reforming, 2) partial reforming, and 3) autothermal reforming are used.

수증기 개질의 경우, 1300℃ 이상에서 촉매 없이도 반응을 일으키지만, Pt나 Rh와 같은 촉매를 사용하면 800℃에서 반응이 일어나며, 이때 생산되는 합성가스의 수소와 일산화탄소 비율은 대략 3으로 알려져 있다. 그러나 이 방법은 필요한 스팀의 양이 메탄의 3배 정도이고, 강한 흡열반응이라 에너지 소모가 크며, 수소와 일산화탄소 비율이 피셔-트로쉬용 합성가스로 적절치 않다.  In the case of steam reforming, the reaction occurs without a catalyst at 1300 ° C. or higher, but when a catalyst such as Pt or Rh is used, the reaction occurs at 800 ° C., and the hydrogen and carbon monoxide ratio of the produced synthesis gas is known to be about 3. However, this method requires about three times as much steam as methane, a strong endothermic reaction, which consumes a lot of energy, and the hydrogen-carbon monoxide ratio is not suitable for Fischer-Trosch syngas.

부분 산화 개질의 경우, 동일 처리양 기준으로 촉매 부피가 수증기 개질의 약 1/100으로 컴팩트화에 유리하나, 수소와 일산화탄소 비율이 1.5 정도로 또한 적합하지 않다. In the case of partial oxidation reforming, it is advantageous to compact the catalyst volume to about 1/100 of the steam reforming on the basis of the same amount of treatment, but also the hydrogen to carbon monoxide ratio of 1.5 is also not suitable.

이를 보완하기 위해, 흡열반응인 수증기 개질(steam reforming) 반응과 발열반응인 부분 산화개질(partial oxidation) 반응이 동시에 일어나서, 조업에너지 절감 효과가 있으며, 반응물인 물과 산소의 공급비를 조절함에 따라 생성물인 수소와 일산화탄소 비율을 조절할 수 있어, 수소와 일산화 탄소 비율이 대략 2로 생성시킬 수 있는, 자열개질(autothermal reforming) 방식이 중요한 활용 방법으로 등장하고 있으므로, 이러한 특성을 부합할 수 있어 현 추세가 자열개질(autothermal reforming)인 이유가 된다.To compensate for this, the steam reforming reaction, which is an endothermic reaction, and the partial oxidation reforming reaction, which is an exothermic reaction, occur simultaneously, thereby reducing operating energy and controlling the supply ratio of reactants, water and oxygen. Autothermal reforming, which can control the ratio of hydrogen and carbon monoxide as a product, and can produce hydrogen and carbon monoxide ratio of about 2, has emerged as an important application method, and thus can meet these characteristics. Is the reason for autothermal reforming.

피셔-트롭쉬 공정을 위한 합성가스 제조와 관련하여 조사된 특허 동향을 보면, 발전기에 있는 가스액화기술은 90년대 이후 증가세를 보이고 있고, 미국에서의 특허활동이 가장 활발하며, 일본의 경우 합성가스제조 분야가 우세한 반면 그 외 지역 특허는 피셔-트롭쉬공정 분야가 우세하였다. 각 분야별 내에서는 촉매제조 보다는 공정에 비율이 높은 추세가 나타났다. 이는 우수한 촉매도 중요하지만, 개질장치의 고효율화를 위한 반응기 구조 및 반응기간 연결, 운전조건 등의 기술도 중요한 부분을 차지함을 말해준다. Patent trends investigated for syngas production for the Fischer-Tropsch process show that gas liquefaction technology in generators has been on the rise since the 1990s, with the most active patent activity in the US, and syngas in Japan. The manufacturing sector dominated, while other regional patents prevailed in the Fischer-Tropsch process. Within each sector, there was a trend toward higher proportions in the process than in the production of catalysts. This is important for good catalysts, but technology such as reactor structure, reaction period connection, and operating conditions for high efficiency of reforming equipment is also important.

합성가스제조의 경우 많이 인용되는 대표 특허가 촉매부분(Ni계 US 5,368,835, 귀금속계 US 6,293,979, 촉매구조 US 4,793,904)를 비롯하여, 공정분야에서 자열개질은 US 5,023,276(1991. 6. 11, ENGELHARD CORP., 수소농축가스 제조용), 부분산화는 US 6,016,868(2000, 1. 25, World Energy Systems), 그리고 수증기개질은 US 4,579,985(1986. 4. 1, ENGELHARD CORP.)로 조사되었다.In the case of syngas production, representative patents cited widely include catalyst parts (Ni-based US 5,368,835, precious metals-based US 6,293,979, catalyst structure US 4,793,904), and thermal reforming in the process field is US 5,023,276 (June 11, 1991, ENGELHARD CORP. , Partial hydrogen oxidation, US 6,016,868 (2000, 1.25, World Energy Systems), and steam reforming were US 4,579,985 (April 1, 1986, ENGELHARD CORP.).

특히 합성가스 제조시 사용되는 귀금속계 촉매에 관한 특허(US 6,293,979)는 메탄 또는 천연가스의 합성가스로의 변환시 Be, Mg, Ca 또는 이의 혼합물이 미리 코팅된 지지체에 코발트 산화물이 침착된 촉매를 사용한 기술이며, 자열개질(US 5,023,276) 특허는 접촉부분산화법 및 선택적 수증기개질법을 이용하여 탄화수소계 원료로부터 수소농축가스를 제조하기 위한 기술이다. 또한 비활성 지지체의 외표면에 알카리 금속을 담지한 다음, 니켈과 코발트를 동시에 공침한 촉매(USP 6,293,979)가 공개되었지만, 효과적인 자열개질(autothermal reforming) 장치에 대한 연구 결과 보고가 대다수이고, 본 개질 반응에 고활성을 띠는 촉매 조성과 적합 조성비에 대한 연구결과는 보고되지 않고 있다.In particular, the patent on noble metal catalysts used in syngas production (US 6,293,979) describes a technique using a catalyst in which cobalt oxide is deposited on a support in which Be, Mg, Ca or a mixture thereof is pre-coated upon conversion of methane or natural gas into syngas. The autothermal reforming (US 5,023,276) patent is a technique for producing hydrogen enriched gas from hydrocarbon-based raw materials using a catalytic partial oxidation method and a selective steam reforming method. In addition, although a catalyst (USP 6,293,979) supporting an alkali metal on the outer surface of an inert support and then co-precipitating nickel and cobalt has been disclosed, many reports have been reported on an effective autothermal reforming device. The results of studies on the catalytic activity and the suitable composition ratio of high activity have not been reported.

개질기에 사용함에 있어서 촉매의 형상은 보통, 분말, 펠렛 및 모노리스형으로 구분된다. 또한 벌집형으로 막대형태의 빈 공간이 연결되어 있는 모노리스(monolith)형 촉매는 벽을 통하여 열이 용이하게 전달되므로 촉매의 온도가 균일해지고 압력손실이 낮아서 높은 유량의 반응기체를 처리하는데 적합한 형태이다.(세라믹 모노리스, US 5,648,582; 지르코니아(ZrO2)계 모노리스, US 5,639,401; 금속 모노리스, US 5,786,296, 제 5,648,582 및 제 6,221,280 B1, 유럽특허 303438, Feb. 1989, Freni 외, J. of Power Sources 87 (2000), 28-38). 이러한 장점을 살리면서 더 보완하는 방법이 금속 메쉬들의 셀이 불규칙적으로 배열되게 적층한 방법이 반응가스들의 유로를 선형이 아닌 공간적으로 유발하여 반응성을 향상시킬 수 있다. When used in reformers, the shape of the catalyst is usually divided into powder, pellet and monolithic. In addition, the monolith type catalyst, which has a honeycomb-shaped rod-shaped void space, is easily transferred through the wall, so that the temperature of the catalyst is uniform and the pressure loss is low. (Ceramic monolith, US 5,648,582; zirconia (ZrO 2 ) based monolith, US 5,639,401; metal monolith, US 5,786,296, 5,648,582 and 6,221,280 B1, EP 303438, Feb. 1989, Freni et al., J. of Power Sources 87 ( 2000), 28-38). Taking advantage of these advantages, the more complementary method is a method in which cells of metal meshes are arranged in an irregular arrangement so that the reaction gas can be spatially induced rather than linearly, thereby improving reactivity.

발열반응인 촉매부분산화반응의 기동 방법의 예로 미합중국 특허 제 6,221,280 B1에 의하면 외부 가열로에 의해 반응물의 온도를 반응개시 온도 이상으로 올리는 방법이 제시되었다. 하지만 외부 가열로를 포함한 촉매부분산화반응 장치는 에너지 효율이 낮은 단점이 있다. 미합중국 특허 제 5,648,582에 제시된 다른 기동 방법으로 스파커(sparker)에 의한 메탄이나 암모니아의 완전연소 및 이 연소열에 의해 촉매의 온도를 약 1000℃까지 상승시킨 후, 적정비율의 메탄과 산소 혼 합물을 주입하여 촉매부분산화반응을 기동하는 방안이 있다. 하지만 스파커(sparker) 사용은 폭발 및 고온에 의한 촉매 파손의 위험성이 있다는 문제점이 있다.As an example of a method of starting the catalytic partial oxidation reaction, which is an exothermic reaction, US Pat. No. 6,221,280 B1 suggests a method of raising the temperature of the reactants above the initiation temperature by an external heating furnace. However, catalytic partial oxidation reaction apparatus including an external furnace has a disadvantage of low energy efficiency. Another start-up method described in U.S. Patent No. 5,648,582 is the complete combustion of methane or ammonia by a sparker and the heat of combustion to raise the temperature of the catalyst to about 1000 ° C, followed by injection of an appropriate ratio of methane and oxygen mixture. There is a way to start the catalytic partial oxidation reaction. However, the use of sparkers has the problem that there is a risk of catalyst damage due to explosion and high temperature.

열전도가 뛰어난 촉매 구조체이기도 한 금속 모노리스의 또 다른 용도로 촉매부분산화반응기의 반응 기동 장치가 있다. 금속 모노리스의 양쪽 끝에 전선을 연결하고 전기를 공급하면, 전기 저항에 의해 금속 모노리스가 가열되고, 모노리스의 구멍을 통하여 흐르는 기체도 가열된다.(T. Kirchner 등, Chemical Engineering Science, 51권, 2409 page, 1996년; S. R. Nakouzi 등, AIChE Journal, 44권, 184 page, 1998년) 촉매부분산화반응의 기동 장치로 전기가열기가 사용된 예는 대한민국 특허 제 10-0558970과 US 10/735,257가 있다. Another use of the metal monolith, which is also a catalyst structure with excellent thermal conductivity, is a reaction starting device of a catalytic partial oxidation reactor. When electric wires are connected at both ends of the metal monolith and electricity is supplied, the metal monolith is heated by the electrical resistance, and the gas flowing through the hole of the monolith is also heated (T. Kirchner et al., Chemical Engineering Science, Vol. 51, page 2409). , 1996; SR Nakouzi et al., AIChE Journal, Vol. 44, 184 page, 1998) Examples of the use of an electric heater as a starting device for catalytic partial oxidation reaction include Korean Patent Nos. 10-0558970 and US 10 / 735,257.

이러한 이유로 본 특허에서는 위에 언급된 금속 메쉬형 촉매 구조체와 기동장치로 금속 모노리스를 활용하였다.For this reason, this patent utilizes metal monoliths as the metal mesh catalyst structure and starting device mentioned above.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 주된 반응으로 메탄 또는 천연가스를 부분산화반응하고 부가되는 반응으로 수증기개질반응과 (역)수성가스전이반응{(reverse) water gas shift reaction, (R)WGS}에 의해 수소와 일산화탄소로 전환하면서, 피셔-트롭쉬 공정(Fischer-Tropsch Process)에 적합한 수소와 일산화탄소 비율(H2/CO≒2)을 얻는데 필요한 촉매를 제공하는데 있다.An object of the present invention for solving the above problems is a partial oxidation reaction of methane or natural gas as the main reaction and the addition of steam reforming reaction and (reverse) water gas shift reaction, ( R) WGS} to convert hydrogen and carbon monoxide, providing the catalyst necessary to obtain a hydrogen and carbon monoxide ratio (H 2 / CO 2) suitable for the Fischer-Tropsch Process.

본 발명의 목적은 주된 반응으로 메탄 또는 천연가스를 부분산화반응하고 부가되는 반응으로 수증기개질반응과 (역)수성가스전이반응{(reverse) water gas shift reaction, (R)WGS}에 의해 수소와 일산화탄소로 전환하면서, 피셔-트롭쉬 공정(Fischer-Tropsch Process)에 적합한 수소와 일산화탄소 비율(H2/CO≒2)을 얻는데 필요한 촉매를 반응기에 장치시 불규칙적으로 유로가 발생하도록 지지대에 쌓아 올린 형태의 촉매층 구조체를 제공하는 데 있다.It is an object of the present invention to partially hydrogenate methane or natural gas as a main reaction and to add hydrogen by means of steam reforming and (reverse) water gas shift reaction (R) WGS}. While converting to carbon monoxide, the catalyst required to obtain the hydrogen and carbon monoxide ratio (H 2 / CO ≒ 2) suitable for the Fischer-Tropsch Process is stacked on the support so that irregular flow paths are generated in the reactor. It is to provide a catalyst layer structure of.

본 발명의 목적은 주된 반응으로 메탄 또는 천연가스를 부분산화반응하고 부가되는 반응으로 수증기개질반응과 (역)수성가스전이반응{(reverse) water gas shift reaction, (R)WGS}에 의해 수소와 일산화탄소로 전환하면서, 피셔-트롭쉬 공정(Fischer-Tropsch Process)에 적합한 수소와 일산화탄소 비율(H2/CO≒2)을 얻는데 필요한 촉매층을 이용한 합성가스 제조방법을 제공하는데 있다.It is an object of the present invention to partially hydrogenate methane or natural gas as a main reaction and to add hydrogen by means of steam reforming and (reverse) water gas shift reaction (R) WGS}. The present invention provides a method for preparing a synthesis gas using a catalyst layer necessary to obtain a hydrogen and carbon monoxide ratio (H 2 / CO 2) suitable for the Fischer-Tropsch process while converting to carbon monoxide.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 피셔-트롭쉬 액화공정용 합성가스(H2/CO≒2) 제조를 위한 메탄 자열개질용 촉매에 있어서,The present invention to achieve the object as described above and to solve the conventional drawbacks in the catalyst for methane autothermal reforming for the production of Fischer-Tropsch liquefaction process synthesis gas (H 2 / CO ≒ 2),

고표면적 알루미나담체와; 담체와 촉매 전체 촉매 무게 대비 팔라듐 2 ~ 4wt%로 조성되어 소성된 것을 특징으로 하는 피셔-트롭쉬 액화공정용 합성가스 제 조공정에 사용되는 메탄 자열개질촉매를 제공함으로써 달성된다.High surface area alumina carrier; It is achieved by providing a methane autothermal reforming catalyst used in the manufacturing process of the synthesis gas for the Fischer-Tropsch liquefaction process characterized in that the composition is calcined 2 to 4wt% relative to the total weight of the carrier and the catalyst catalyst.

상기 고표면적 알루미나담체는 감마 알루미나(γ-alumina)이고, 비표면적은 100m2/g 보다 큰 것을 사용한 것을 특징으로 한다.The high surface area alumina carrier is gamma alumina (γ-alumina), and the specific surface area is characterized by using a larger than 100m 2 / g.

상기 소성 조건은 공기 분위기에서 650 ~ 900℃에서 수행된 것을 특징으로 한다.The firing conditions are characterized in that carried out at 650 ~ 900 ℃ in an air atmosphere.

또한 본 발명은 피셔-트롭쉬 액화공정용 합성가스(H2/CO≒2) 제조를 위해, 고온단열재로 단열된 자열개질반응기 케이스의 내부 전단부에 기동장치인 전기가열기를 설치하고, 전기가열기 후단부에 촉매층을 장착하고, 전기가열기 전단부에 설치한 열전쌍과; 상기 전기가열기와 워시코트된 촉매층 사이에 열전쌍과; 워시코트된 메쉬형 촉매층 후단부에 설치된 열전쌍을 더 포함하여 구성한 자열개질반응기에 사용되는 촉매층 구조에 있어서,In addition, the present invention is to install the electric heater as a starting device in the inner front end of the autothermal reforming reactor case insulated with a high temperature insulation material for the production of Fischer-Tropsch liquefaction process synthesis gas (H 2 / CO ≒ 2), A thermocouple mounted at the rear end of the heater and installed at the front end of the electric heater; A thermocouple between the electric heater and the washcoat catalyst layer; In the catalyst layer structure used in the autothermal reforming reactor further comprises a thermocouple installed at the rear end of the washcoat mesh type catalyst layer,

상기 촉매층은 전기가열기 밑단 공간부에 일정간격 이격된 지점의 자열개질반응기 케이스 내부에서 상향 절곡된 지지대를 적어도 2개 이상 설치하고, 이 지지대에 팔라듐이 담지된 촉매가 워시코트된 다수개의 메쉬형 금속판을 적층하여 구성한 메쉬형 촉매층으로 구성한 것을 특징으로 하는 피셔-트롭쉬 액화공정용 합성가 스 제조공정에 사용되는 메탄 자열개질촉매를 이용한 메쉬형 촉매층을 제공함으로써 달성된다.The catalyst layer has a plurality of mesh types provided with at least two supports bent upwardly in the autothermal reforming reactor case spaced at a predetermined interval in the bottom space of the electric heater, and the catalyst coated with palladium on the support was washed. It is achieved by providing a mesh catalyst layer using a methane autothermal reforming catalyst used in the synthesis gas production process for the Fischer-Tropsch liquefaction process, characterized by consisting of a mesh catalyst layer formed by laminating a metal plate.

상기 메쉬형 촉매층을 구성하는 메쉬형 금속판은 팔라듐이 담지된 촉매가 메쉬 금속판 총량의 약 15wt%가 워시코트된 것을 특징으로 한다.The mesh metal plate constituting the mesh catalyst layer is characterized in that about 15 wt% of the total amount of the mesh metal plate is washed with the palladium-containing catalyst.

상기 메쉬형 촉매층을 구성하는 메쉬형 금속판은 50 ~ 100마이크로미터 두께의 철-크롬-알루미늄, 니켈-크롬 합금, 또는 니켈-크롬-알루미늄 등의 1000℃ 내외에서 변질이 안되는 합금판으로 구성된 것을 특징으로 한다. The mesh metal plate constituting the mesh catalyst layer is composed of an alloy plate which is not deteriorated at about 1000 ° C. such as iron-chromium-aluminum, nickel-chromium alloy, or nickel-chromium-aluminum having a thickness of 50 to 100 micrometers. It is done.

상기 메쉬형 촉매층을 구성하는 메쉬형 금속판의 면적 오프닝%는 60 ~ 70%인 것을 사용한 것을 특징으로 한다.The area opening% of the mesh metal plate constituting the mesh catalyst layer is characterized by using 60 to 70%.

상기 메쉬형 촉매층을 구성하는 메쉬형 금속판은 상하로 이웃하는 메쉬형 금속판의 메쉬 구멍이 수직한 유로를 이루지 않고 불규칙 유로를 가지게 배치되도록 적층한 것을 특징으로 한다.The mesh metal plate constituting the mesh catalyst layer is laminated so that the mesh holes of the mesh metal plate adjacent up and down are arranged to have an irregular flow path without forming a vertical flow path.

또한 본 발명은 피셔-트롭쉬 액화공정용 합성가스(H2/CO≒2) 제조를 위해, 고온단열재로 단열된 자열개질반응기 케이스의 내부 전단부에 기동장치인 전기가열기를 설치하고, 전기가열기 후단부에 촉매층을 장착하고, 전기가열기 전단부에 설 치한 열전쌍과; 상기 전기가열기와 워시코트된 촉매층 사이에 열전쌍과; 워시코트된 메쉬형 촉매층 후단부에 설치된 열전쌍을 더 포함하여 구성한 자열개질반응기를 구비하여, In addition, the present invention is to install the electric heater as a starting device in the inner front end of the autothermal reforming reactor case insulated with a high temperature insulation material for the production of Fischer-Tropsch liquefaction process synthesis gas (H 2 / CO ≒ 2), A thermocouple mounted at the rear end of the heater and installed at the front end of the electric heater; A thermocouple between the electric heater and the washcoat catalyst layer; It is provided with an autothermal reforming reactor further comprising a thermocouple installed at the rear end of the washcoat mesh type catalyst layer,

산소 또는 공기 중의 하나 그리고 스팀이 별도의 공급라인에서 공급되는 메탄 또는 천연가스 중의 하나와 혼합하는 단계와;Mixing one of oxygen or air and one of steam or methane or natural gas supplied in a separate feed line;

기동을 위한 모노리스형태의 전기가열기를 가열하는 단계와; Heating a monolithic type electric heater for starting;

이후 산소 또는 공기 중의 하나, 스팀 그리고 메탄 또는 천연가스 중의 하나가 혼합된 반응기체를 팔라듐이 높은 표면적의 알루미나에 담지된 촉매(PdO/Al2O3)가 워시코트된 다수개의 메쉬형 금속판이 적층되어 충전된 메쉬형 촉매층에 공급하여 촉매부분산화반응하는 단계와;Later, a plurality of mesh-shaped metal plates wash-coated with a catalyst (PdO / Al 2 O 3 ) supported on alumina having a high surface area of palladium were mixed with one of oxygen or air, steam and one of methane or natural gas. Supplying the packed mesh type catalyst layer to catalytic partial oxidation;

상기 촉매부분산화반응이후, 촉매부분산화, 스팀개질반응 그리고 수성가스전이반응이 외부의 에너지 공급 없이 지속되어 피셔-트롭쉬 액화반응에 최적인 비율과 높은 수율로 수소와 일산화탄소를 생산하는 단계로 이루어지되,After the catalytic partial oxidation reaction, the catalytic partial oxidation, steam reforming reaction and water gas transfer reaction are continued without external energy supply to produce hydrogen and carbon monoxide at the optimum ratio and high yield for the Fischer-Tropsch liquefaction reaction. But

상기 촉매부분산화반응에 공급하는 메탄 또는 천연가스는 메쉬 촉매층 후단의 열전대 온도가 200℃ ~ 250℃ 영역에 도달했을 시점에 주입되도록 구성하는 것을 특징으로 하는 피셔-트롭쉬 액화공정용 합성가스 제조공정에 사용되는 메탄 자열개질촉매를 이용한 피셔-트롭쉬용 합성가스 제조방법을 제공함으로써 달성된다.Methane or natural gas supplied to the catalytic partial oxidation reaction Fischer-Tropsch liquefaction process synthesis gas manufacturing process, characterized in that configured to be injected when the thermocouple temperature of the rear end of the mesh catalyst layer reaches 200 ℃ ~ 250 ℃ region It is achieved by providing a method for producing a synthesis gas for Fischer-Tropsch using a methane autothermal reforming catalyst used in.

상기 촉매부분산화반응하는 단계는 메쉬형 촉매층에 적층된 메쉬 금속판의 적층 숫자를 조절하여 촉매량을 조절함으로써 촉매부분산화반응을 제어하는 것을 특징으로 한다.The step of catalytic partial oxidation is characterized in that the catalytic partial oxidation reaction is controlled by controlling the amount of catalyst by adjusting the number of stacked layers of the mesh metal plate laminated on the mesh type catalyst layer.

본 발명의 촉매는 다양한 성분이 조합되어 알루미나에 담지되고, 소성 및 환원과정을 거처 합성된 여러 촉매를 이용하여 메탄 자열개질(autothermal reforming) 반응을 수행할 때, 기존에 발표된 4성분계 촉매와 유사한 활성을 가진 팔라듐만이 담지된 촉매를 제공함으로써 경제적이면서도 높은 활성을 가지면서도 수소와 일산화탄소 생성비가 2에 근접한 촉매라는 장점을 가진다.The catalyst of the present invention is similar to the conventional four-component catalyst when the methane autothermal reforming reaction is carried out using various catalysts combined with various components, supported on alumina, and synthesized through calcination and reduction. Only palladium having an active activity has the advantage of being a catalyst having economical and high activity and having a hydrogen and carbon monoxide generation ratio close to two by providing a supported catalyst.

또한 본 발명의 촉매층 구조체는 팔라듐만이 담지된 촉매를 사용하여 반응가스 유로를 불규칙하게 유발하여 반응성을 높이고, 원하는 촉매양을 용이하게 조절할 수 있다는 장점을 가진다.In addition, the catalyst layer structure of the present invention has the advantage of using the catalyst on which only palladium is loaded to cause the reaction gas flow path irregularly to increase the reactivity and easily control the desired amount of catalyst.

또한 본 발명의 팔라듐만이 담지된 촉매를 사용한 촉매층 구조체를 사용한 피셔-트롭쉬용 합성가스 제조방법은 촉매부분산화반응이후, 촉매부분산화, 스팀개질반응 그리고 수성가스전이반응이 외부의 에너지 공급 없이 지속되어 피셔-트롭쉬 액화반응에 최적인 비율과 높은 수율로 수소와 일산화탄소를 생산시 제조 단가가 줄어들고, 운전 용이성이 확보되는 장점을 가진 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대된다.In addition, the Fischer-Tropsch synthesis gas production method using the catalyst layer structure using the catalyst containing only palladium of the present invention after the catalytic partial oxidation reaction, catalytic partial oxidation, steam reforming reaction and water gas transition reaction is continued without external energy supply As a result, the production cost is reduced when hydrogen and carbon monoxide are produced at the optimum ratio and high yield for the Fischer-Tropsch liquefaction reaction, and it is a useful invention having the advantages of ensuring ease of operation.

본 발명은 구성은, 고활성 알루미나 담체표면에 팔라듐이 담지된 촉매는 함침법에 의해 제조된다. According to the present invention, a catalyst in which palladium is supported on a surface of a highly active alumina carrier is produced by an impregnation method.

함침은 일반적인 방법으로 행하여지는데, 먼저 물에 고표면적 알루미나를 투입하여 이를 교반시키고, 팔라듐 전구체와 알루미나졸을 넣어 교반한다. 이후 121~900℃에서 소성[25℃→121℃(1시간)→121℃(30분)→232℃(1시간)→232℃(30분)→565℃(2시간)→565℃(30분)→900℃(2시간)→900℃(30분)→25℃(4시간)]하면 촉매가 얻어진다. Impregnation is carried out by a general method. First, high surface area alumina is added to water and stirred, and then a palladium precursor and alumina sol are added and stirred. It is then fired at 121-900 ° C [25 ° C → 121 ° C (1 hour) → 121 ° C (30 minutes) → 232 ° C (1 hour) → 232 ° C (30 minutes) → 565 ° C (2 hours) → 565 ° C (30 Minute) → 900 ° C. (2 hours) → 900 ° C. (30 minutes) → 25 ° C. (4 hours)] to obtain a catalyst.

상기 본 발명에서 제시되는 촉매의 조성은, 고표면적 알루미나(γ-alumina) 담체와 담체와 촉매 전체 촉매 무게 기준으로 팔라듐 금속 2 ~ 4wt%이 담지되었다. The composition of the catalyst proposed in the present invention is a high surface area alumina (γ-alumina) carrier, 2 to 4 wt% of the palladium metal based on the weight of the carrier and the catalyst as a whole.

상기 팔라듐 조성비를 한정한 이유는 2wt%이하일 경우 반응 진행율이 충분치 못하여 촉매로써의 기능을 다하지 못하게 되어 최소 담지량을 2wt%로 제한하였으며, 담체 비표면적에 비해 과량이 금속이 담지될 경우 소결현상으로 인해 촉매 활성점이 감소할 수 있음으로 함량을 4wt%으로 제한하였다. The reason for limiting the palladium composition ratio is that the reaction progress is not sufficient at 2wt% or less, thereby preventing the function as a catalyst, thereby limiting the minimum supported amount to 2wt%, due to the sintering phenomenon when the metal is supported in excess of the specific surface area of the carrier. The content of the catalyst was limited to 4 wt% because the catalytically active point could be reduced.

또한 상기에서 고표면적 알루미나는 감마 알루미나를 말하는 것이다. In addition, the high surface area alumina refers to gamma alumina.

알루미나가 합성되면서 소성하는 과정에서 소성온도에 의해 알파(alpha)상 알루미나(alumina), 베타(beta)상 알루미나(alumina), 감마(gamma)상 알루미나(alumina)로 종류가 나뉘어지게, 이중에서 비표면적이 가장 넓은 것이 감마(gamma) 알루미나이다. 이러한 세가지 알루미나의 비표면적은 아래와 같다.As the alumina is synthesized and fired, it is divided into alpha phase alumina, beta phase alumina, and gamma phase alumina by firing temperature. The largest surface area is gamma alumina. The specific surface area of these three aluminas is as follows.

Alpha alumina : < 10m2/gAlpha alumina: <10 m 2 / g

Beta alumina : 10 ~ 100m2/gBeta alumina: 10 to 100 m 2 / g

gamma alumina : >100m2/ggamma alumina:> 100m 2 / g

상기에서 제조된 촉매는 소성과정을 거치게 되는데, 소성 과정을 거치는 이유는 활성물질을 담지하거나 촉매를 성형하는 과정에서 촉매에 남게 되는 불필요한 성분이나 윤활제 등을 고온에서 가열하여 제거하기 위함이다. The catalyst prepared above is subjected to a calcination process. The reason for the calcination process is to remove and remove unnecessary components or lubricants left in the catalyst at a high temperature while supporting the active material or forming the catalyst.

소성 조건은 공기 분위기에서 650 ~ 900℃에서 수행하게 된다. 이때 900℃로 한정한 이유는 불필요한 성분 및 윤활제가 제거되기 위해서는 최소 650℃ 온도에서 소성이 이루어져야 하고, 반응조건이 이 온도를 넘지 않으며, 900℃ 이상의 온도에서 소성하는 경우 알루미나 담체의 상변이가 일어나서 담체 표면적이 줄어들게 됨으로 활성점 분포수가 줄어들게 된다. Firing conditions are performed at 650 ~ 900 ℃ in an air atmosphere. In this case, the reason for limiting to 900 ° C. is that at least 650 ° C. should be fired in order to remove unnecessary components and lubricants, and the reaction conditions do not exceed this temperature. As the carrier surface area decreases, the number of active site distributions decreases.

소성시간도 각 온도별로 30분에서 2시간으로 불필요한 성분과 윤활제 등이 제거 되는데 필요한 시간을 주면서 너무 많이 주면 담지된 금속의 소결현상이 발생과 담체의 상변이가 일어나게 되어 촉매의 활성저하가 발생하는 것을 방지하기 위함이다.The firing time is also 30 minutes to 2 hours at each temperature, giving too much time to remove unnecessary components and lubricants, resulting in sintering of the supported metal and phase change of the carrier. To prevent this.

상기 촉매는 금속 메쉬판에 워시코트되어 적층되며, 금속 메쉬판은 반응가스 유로가 위에서 아래로 직선형인 하니컴이나 모노리스 형태가 아니라, 불규칙한 유로를 유발할 수 있게 지지대에 적층한 것을 사용한다. The catalyst is washed and laminated on a metal mesh plate, and the metal mesh plate is not a honeycomb or monolithic form in which the reaction gas flow path is straight from top to bottom, but is used in that it is laminated on a support to cause an irregular flow path.

상기 워시코트된 금속 메쉬형 촉매층은 자열개질반응기 케이스의 벽 사이의 공간에 고온단열재를 채워서 워시코트된 금속 메쉬형 촉매층의 열손실을 방지하도록 구성한다.The washcoat metal mesh catalyst layer is configured to fill a high temperature insulation material in the space between the walls of the autothermal reforming reactor case to prevent heat loss of the washcoat metal mesh catalyst layer.

또한 상기 자열개질반응기 내부 전단부에 기동장치인 전기가열기를 설치하고, 후단부에 금속 메쉬형 촉매층을 적층하여 장착한다. 전기가열기 전단부에 설치한 열전쌍(T1)과; 상기 전기가열기와 워시코트된 촉매층 사이에 열전쌍(T2)과; 워시코트된 메쉬형 촉매층 후단부에 설치된 열전쌍(T3)을 더 포함하여 구성한다(도 2참조).In addition, an electric heater as a starting device is installed at the front end of the autothermal reforming reactor, and a metal mesh catalyst layer is stacked and mounted at the rear end. A thermocouple T1 installed at the front end of the electric heater; A thermocouple (T 2) between the electric heater and the washcoat catalyst layer; It further comprises a thermocouple (T3) provided on the rear end of the washcoat mesh type catalyst layer (see Fig. 2).

반응기체는 메탄 또는 천연가스와, 산소 또는 공기에 스팀을 선택적으로 함유한 기체를 공급하도록 구성한다.The reactor body is configured to supply a gas containing methane or natural gas and steam containing oxygen or air selectively.

상기 반응기체는 산소(O2) 대 탄소 부피 비율이 0.5 ~ 0.67의 비율로 주입되도록 구성한다. 이와 같이 수치한정한 이유는 비율이 이보다 작을 경우 연소에 의한 발생열량이 낮아 촉매층 온도가 낮아져 메탄 또는 천연가스의 전환율이 낮아지거나 수소 분율이 높아질 수 있고, 높을 경우 완전연소 비율이 높아 급격한 온도 상승이 일어나 촉매층에 코크가 생성되어 촉매 비활성화의 원인이 될 수 있기 때문이다.The reactor is configured to inject oxygen (O 2 ) to carbon volume ratio at a ratio of 0.5 to 0.67. The reason for the numerical limitation is that if the ratio is smaller than this, the amount of heat generated by combustion is low, so that the temperature of the catalyst bed is low, so that the conversion rate of methane or natural gas may be low, or the hydrogen fraction may be high. This is because coke may form in the catalyst layer and cause catalyst deactivation.

상기 스팀(H2O)은 스팀 대 탄소 부피 비율이 0.5 ~ 1.0의 비율로 주입되도록 구성한다. 이와 같이 수치한정한 이유는 비율이 이보다 작을 경우 코크가 생성/침적되어 촉매 비활성화 및 압력증가로 문제가 되며, 높을 경우 H2/CO의 비율이 2 이상으로 증가되어 피셔-트롭쉬용 합성가스 제조가 어렵기 때문이다.The steam (H 2 O) is configured to be injected at a ratio of steam to carbon volume ratio of 0.5 to 1.0. Thus numerical limitation reason is coke is created / deposited is increased equal to or greater than 2 ratio of high and a problem with catalyst deactivation and the increase in pressure, H 2 / CO is less than the ratio of the Fischer-Tropsch swiyong the synthesis gas Because it is difficult.

또한 상기 본 발명의 촉매 및 비교된 촉매들의 여러 성분들을 포함하여 제조하여 대비 실시하였는데, 각 원소의 제조 조성비를 살펴보면 전체 촉매 무게 중 중량분율(wt%)로 본 발명의 촉매 PdO는 2~4 wt%, 그리고 비교대상 촉매들 중 BaO는 8.8~14 wt%, CeO2는 34.7~38.6 wt%, SrO는 1.1~2 wt% 그리고 나머지는 지지체인 감마 알루미나로 이루어진 것이다. In addition, the present invention was prepared by comparing various components of the catalyst of the present invention and the comparative catalysts. Looking at the composition ratio of each element, the catalyst PdO of the present invention was present in a weight fraction (wt%) of the total catalyst weight of 2 to 4 wt. %, And BaO of 8.8 to 14 wt% of the catalysts to be compared, 34.7 to 38.6 wt% of CeO 2 , 1.1 to 2 wt% of SrO and gamma alumina as the support.

<표 1> 본 발명의 촉매 및 비교 검토된 촉매들의 함량TABLE 1 Contents of the catalysts of the present invention and comparative catalysts

Figure 112007078903570-pat00001
Figure 112007078903570-pat00001

상기 본 발명의 금속 메쉬판에 귀금속이 워시코트된 촉매층은 공간속도가 36,000 - 144,000hr-1인 것을 사용한다. 상기와 같은 구간의 공간속도를 사용하는 이유는 부분산화반응의 경우 공간속도가 낮은 경우 완전산화 확률이 높으며, 너무 높으면 미반응 결과물이 나올 수 있기 때문이다.The catalyst layer in which the precious metal is washcoat on the metal mesh plate of the present invention uses a space velocity of 36,000-144,000 hr -1 . The reason for using the space velocity in the above section is that in the case of partial oxidation reaction, if the space velocity is low, the probability of complete oxidation is high, and if it is too high, an unreacted result may be obtained.

또한 본 발명은 반응기에 주입되는 메탄 또는 천연가스는 촉매층 후단 온도(T3)가 200℃ ~ 250℃ 영역에 도달했을 시점에 주입되도록 구성한다. 이와 같이 온도를 한정한 이유는 메탄 또는 천연가스는 T3가 그 이하 온도에서는 부분산화가 기동되지 않기 때문이다. 그 이상의 온도에서는 급격한 반응의 진행이 우려되기 때문이다. In addition, the present invention is configured such that the methane or natural gas injected into the reactor is injected when the rear end temperature (T3) of the catalyst bed reaches the 200 ℃ ~ 250 ℃ region. The reason for limiting the temperature is that partial oxidation does not start at a temperature below T3 of methane or natural gas. This is because the reaction proceeds abruptly at higher temperatures.

상기와 같은 촉매층이 충전된 장치를 보다 상세히 설명하면, 반응기에 주입되는 반응기체는 메탄 또는 천연가스 중의 하나 그리고 산소 또는 공기 중의 하나 그리고 스팀이 혼합된 혼합기체가 순차적으로 주입되며 촉매층에 도달하면서 일부가 완전산화하며, 이때 발생되는 열로 인하여 부분산화 촉매층의 온도가 상승하면서 빠른 시간 안에 촉매부분산화반응이 기동된다. Referring to the apparatus filled with the catalyst layer as described above in detail, the reactor gas injected into the reactor is one of methane or natural gas and one of oxygen or air and a mixture of steam is sequentially injected to reach the catalyst bed Is completely oxidized, and the catalytic partial oxidation reaction is started in a short time as the temperature of the partial oxidation catalyst layer rises due to the heat generated.

메탄 또는 천연가스가 주입된 후 부분산화반응이 기동되면, 워시코트된 금속 메쉬형 촉매층(11) 및 후단부 온도가 상승하며 메탄 또는 천연가스의 전환이 더욱 진행되며, 피셔-트롭쉬 액화반응에 최적인 비율과 높은 수율로 수소와 일산화탄소로 전환된다.When the partial oxidation reaction is started after the injection of methane or natural gas, the washcoat metal mesh catalyst layer 11 and the rear end temperature rise, and the conversion of methane or natural gas proceeds further, and the Fischer-Tropsch liquefaction reaction is performed. It is converted to hydrogen and carbon monoxide at optimum rates and high yields.

상기 메쉬형 촉매층에 사용되는 워시코트의 양은 중량비로 금속 메쉬판 질량의 15 ~ 20wt%를 사용하였다. 상기와 같이 수치 한정한 이유는 하한수치 보다 낮으면 금속 메쉬형 촉매층에 코팅되지 않는 부분이 커져 효율이 떨어지며, 상한수치 보다 높으면 메쉬 셀이 막히는 등 균일한 코팅이 되지 않기 때문이다.The amount of the washcoat used in the mesh catalyst layer was 15 to 20wt% of the mass of the metal mesh plate by weight ratio. The reason for the numerical limitation as described above is that the lower the lower limit value, the greater the uncoated portion of the metal mesh type catalyst layer, and the lower the efficiency. If the upper limit is higher than the upper limit value, the uniformity is not obtained.

상기 메쉬형 촉매층을 구성하는 메쉬형 금속판은 50 ~ 100마이크로미터 두께의 것을 사용하였다. 상기와 같이 수치 한정한 이유는 하한수치 보다 낮으면 작업성이 떨어지고 쉽게 변형이 되며, 상한수치 보다 높으면 반응기내 불필요한 부피를 채우게 된다. The mesh metal plate constituting the mesh catalyst layer is 50 to 100 micrometers The thick one was used. The reason for the numerical limitation as described above is that lower than the lower limit value workability is easily deformed, if higher than the upper limit value to fill the unnecessary volume in the reactor.

상기 메쉬형 촉매층을 구성하는 메쉬형 금속판의 면적 오프닝%는 60 ~ 70%의 것을 사용하였다. 상기와 같이 수치 한정한 이유는 하한수치 보다 낮으면 압력조절이 어려우며, 상한수치 보다 높으면 워시코트되는 촉매의 양에 제약이 따르게 된다. The area opening% of the mesh metal plate constituting the mesh catalyst layer was 60 to 70%. The reason for the numerical limitation as described above is that it is difficult to control the pressure if it is lower than the lower limit value.

상기와 같은 장치에 구성에 의한 반응 공정은 다음과 같다.The reaction process by a structure in the above apparatus is as follows.

기동장치인 전기가열기를 켜고, 산소와 물을 공급하면 반응기 내부의 온도가 올라가기 시작한다. T3온도가 200 oC 이상이 되면 250 oC가 되기 전에, 메탄 또는 천연가스를 주입하고 이 때 촉매부분산화 반응이 기동된다. When the electric heater is turned on and the oxygen and water are supplied, the temperature inside the reactor starts to rise. When the T 3 temperature is above 200 o C, before the temperature reaches 250 o C, methane or natural gas is injected and the catalytic partial oxidation reaction is started.

이 촉매부분산화에 의한 발열에너지는 경우에 따라 메쉬 촉매층에서 스팀에 의하여 흡열반응인 수증기개질공정의 열원으로 작용하여 자열개질반응공정이 가능 하게 된다.The exothermic energy by partial catalytic oxidation acts as a heat source of the steam reforming process, which is an endothermic reaction by steam in the mesh catalyst layer, thereby enabling the autothermal reforming reaction process.

상기 산소를 함유한 기체는 공기에 산소의 함량을 높인 기체인데, 그 산소의 함량(부피분율)은 완전히 순산소인 100% 산소에서부터 21% 산소까지이다. 이와 같은 수치 한정한 이유는 공급가스(feed gas) 부분산화에 필요한 연료(fuel)로 산소가 필요한데, 100% 산소를 이용할 수도 있고, 공기 중 산소(21%) 까지도 이용할 수 있기 때문이다.The oxygen-containing gas is a gas having an increased oxygen content in air, and the oxygen content (volume ratio) is from 100% oxygen which is completely pure oxygen to 21% oxygen. The reason for the numerical limitation is that oxygen is required as a fuel required for partial oxidation of the feed gas, since 100% oxygen may be used and oxygen in the air (21%) may be used.

이하 본 발명의 실시 예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the configuration and the operation of the embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 촉매를 위하여 사용된 촉매들의 자열개질 반응 결과를 종합한 것으로, 도시된 바와 같이 PdO/Al2O3가 메탄 전환율 및 H2/CO 비율에서 다른 종류들 보다 월등히 우월한 결과를 보이며, 다만 PdO/Ce/Ba/Sr/Al2O3 만이 유사한 활성을 보이나 작업성이나 경제성 측면을 고려하면 PdO/Al2O3 촉매가 자열개질촉매로 적정함을 나타낸다. 사용되는 성분의 수가 줄어들며, 제조공정상의 단계의 수가 현저히 줄어들기 때문에 기인한다. 즉, 본 발명은 알루미나에 각 성분들을 혼합하여 만든 졸을 담지한 후 소성 건조를 거친 후 또 Pd 전구체를 이용하여 담지하여 소성-건조하면 합성공정이 끝나게 되어 획기적으로 공정이 줄어들게 된다.FIG. 1 shows the results of autothermal reforming of the catalysts used for the catalyst of the present invention. As shown, PdO / Al 2 O 3 is superior to other types in the methane conversion and H 2 / CO ratios. Only PdO / Ce / Ba / Sr / Al 2 O 3 shows similar activity, but considering the workability and economic aspects, PdO / Al 2 O 3 catalyst is suitable as autothermal reforming catalyst. This is because the number of components used is reduced and the number of steps in the manufacturing process is significantly reduced. That is, according to the present invention, after the sol made by mixing each component in alumina, and then calcined and dried, and then calcined-dried by using Pd precursor, the synthesis process ends and the process is drastically reduced.

도 2a는 본 발명을 위하여 촉매들의 활성을 확인하기 위하여 사용된 자열개질반응기이고, 도 2b는 본 발명을 위하여 촉매들의 활성을 확인하기 위하여 사용된 자열개질반응기에 장착되는 메쉬형 촉매층의 구조도를 도시하고 있는데,Figure 2a is an autothermal reforming reactor used to confirm the activity of the catalysts for the present invention, Figure 2b is a structural diagram of a mesh type catalyst layer mounted to the autothermal reforming reactor used to confirm the activity of the catalysts for the present invention I'm doing it

본 발명에서 반응기체가 자열개질산화반응기에 주입되면 처음 통과하는 곳은 전기가열기(10)이며, 금속 모노리스 양쪽 끝에 단락 및 누전을 방지하며 전기봉을 용접한 형태이고, 금속 모노리스는 얇은 금속판을 물결 형태로 구부린 것과 평판을 겹친 것을 감아서 만들었다. In the present invention, when the reactor is injected into the autothermal reforming oxidation reactor, the first place is an electric heater (10), which prevents short circuits and short circuits at both ends of the metal monolith and welds the electrode, and the metal monolith waves the thin metal plate. It was made by winding the form and overlapping the plate.

전기가열기(10) 밑단에는 공간부에 의해 일정간격 이격된 곳에 설치되는 메쉬형 촉매층(11)이 지지대(12)에 꽂혀 위치하며, 이 촉매층이 촉매가 워시코트된 금속 메쉬형이다. At the bottom of the electric heater 10, a mesh catalyst layer 11, which is installed at a predetermined interval by the space part, is inserted into the support 12, and the catalyst layer is a metal mesh type in which the catalyst is washcoat.

워시코트된 금속 메쉬형 촉매층(11)과 자열개질반응기 케이스(14)의 벽 사이의 공간은 고온단열재(13)를 채워서 워시코트된 금속 메쉬형 촉매층(11)의 열손실을 방지한다. The space between the washcoat metal mesh catalyst layer 11 and the wall of the autothermal reforming reactor case 14 fills the high temperature insulation material 13 to prevent heat loss of the washcoat metal mesh catalyst layer 11.

세 개의 열전쌍(thermocouple, T1, T2, T3)을 조합공정에 설치하는데, T1은 전기가열기(10) 전단부를, T2는 전기가열기(10)와 금속메쉬 촉매층(11) 사이의 온도를 측정하고, T3는 금속메쉬촉매층(11) 후단부를 측정하는데, T3가 메탄 또는 천연가스 주입 시기 및 반응기 조업상태를 판단하는 중요 지표로 사용된다. Three thermocouples (thermocouples, T1, T2, T3) are installed in the combination process, where T1 measures the front end of the electric heater 10 and T2 measures the temperature between the electric heater 10 and the metal mesh catalyst layer 11. In addition, T3 is used to measure the rear end of the metal mesh catalyst layer 11, and T3 is used as an important indicator for determining when to inject methane or natural gas and to operate the reactor.

본 발명의 반응기 및 열교환기의 재질은 스테인리스 스틸과 같은 저가 재료로 제작이 가능하다.The material of the reactor and heat exchanger of the present invention can be made of a low cost material such as stainless steel.

이하 바람직한 실시 예를 통해 보다 구체적인 본 발명의 구성 및 효과에 대하여 설명한다. 그러나 이러한 실시예들이 본 발명의 범주를 한정하지는 않는다.Hereinafter, the configuration and effects of the present invention will be described in more detail with reference to preferred embodiments. However, these embodiments do not limit the scope of the present invention.

(실시 예 1) - 금속 메쉬형 촉매층의 제조법Example 1 Preparation of Metal Mesh Type Catalyst Layer

본 발명의 촉매는 귀금속이 금속 메쉬에 워시코트된 형태의 촉매이다. 본 실시 예에서 제조한 금속 메쉬 촉매층은 고온에서 견디는 내구성이 있도록 100마이크로미터 두께의 철-크롬-알루미늄 합금(FeCralloy)판을 사용하였고 면적 오프닝%는 60%였다. The catalyst of the present invention is a catalyst in the form in which the precious metal is washcoat to the metal mesh. The metal mesh catalyst layer prepared in this example used an iron-chromium-aluminum alloy (FeCralloy) plate having a thickness of 100 micrometers to have high temperature durability, and the area opening percentage was 60%.

제조한 금속 메쉬형 촉매층은 미리 산화시켜 세라믹 계열의 워시코트 물질과 금속계의 메쉬와의 접착력 향상을 기하였다. The prepared metal mesh catalyst layer was oxidized in advance to improve adhesion between the ceramic-based washcoat material and the metal mesh.

구체적으로 설명하면, 고 표면적 알루미나 분말을 증류수에 혼합한 슬러리에 팔라듐의 무게비율이 2~4 wt%가 되게 전구체인 팔라듐 나이트레이트(Pd nitrate)(담체 무게가 10 그램일 때 팔라듐 전구체는 약 2.75그램)와 물, 알루미나졸을 섞은 후 스터링 바를 이용하여 완전히 혼합한다. Specifically, palladium nitrate (Pd nitrate), which is a precursor having a weight ratio of 2 to 4 wt% of palladium in a slurry of high surface area alumina powder mixed in distilled water, has a palladium precursor of about 2.75 Grams), water, and alumina sol, then mix thoroughly using a stir bar.

귀금속 전구체가 용해된 슬러리에 금속 메쉬를 하나씩 또는 수 개씩 담가 코팅한 후, 900℃까지 소성하면 귀금속이 워시코트된 금속 메쉬들이 완성된다. After immersing and coating the metal mesh one by one or several in the slurry in which the noble metal precursor is dissolved, and firing up to 900 ℃ to complete the metal mesh coated with the precious metal.

본 발명 실시 예에서 제조된 촉매의 워시코트 양은 메쉬 총량의 약 15 ~ 20wt%이고 팔라듐 귀금속의 함량은 워시코트한 촉매 기준으로 2~4 중량%이다. The washcoat amount of the catalyst prepared in the embodiment of the present invention is about 15 to 20wt% of the total mesh and the content of palladium noble metal is 2 to 4% by weight based on the washcoat catalyst.

(실시 예 2) - 자열개질반응 장치의 기동(Example 2)-Start of the autothermal reforming apparatus

본 실시 예에서는 팔라듐이 워시코트된 금속 메쉬형 촉매층을(직경 4cm, 높이 2cm, 부피 약 25cc)를 내경이 5cm인 스테인리스스틸 재질의 자체기동 자열개질 반응기 내부에 지지대(12) 위에 적층하였다. 워시코트된 금속 메쉬형 촉매가 충전된 촉매층(11)과 자체기동 자열개질 반응기 벽 사이의 공간은 고온 단열재(13)(두께 0.5cm)로 채워서 열손실을 줄였다. In the present embodiment, a palladium-washed metal mesh catalyst layer (4 cm in diameter, 2 cm in height, about 25 cc in volume) was laminated on the support 12 in a self-starting autothermal reforming reactor made of stainless steel with an inner diameter of 5 cm. The space between the catalyst layer 11 filled with the washcoat metal mesh catalyst and the self-starting autothermal reforming reactor wall was filled with a high temperature insulation material 13 (0.5 cm thick) to reduce heat loss.

상기와 같이 구성된 자열개질 반응기는 외부 퍼니스를 사용하지 않았다. The autothermal reforming reactor configured as above did not use an external furnace.

반응기체인 산소와 스팀을 각 2.5L/min, 0.205 mol/min (steam/carbon 비율=1.0)의 유속(산소/메탄=0.5, 공간속도 36,000hr-1)으로 유지하면서 반응기에 주입하면, 촉매층 전단부 온도(도 2a의 T2)가 600℃로, 촉매층 후단부 온도(도 2a의 T3)가 250℃로 증가하며, 이때 메탄을 5L/min으로 주입하면 T2는 급격히, T3가 점차적으로 승온된다. When the reactor chain oxygen and steam are injected into the reactor while maintaining the flow rate (oxygen / methane = 0.5, space velocity 36,000hr- 1 ) at 2.5L / min and 0.205 mol / min (steam / carbon ratio = 1.0), the catalyst bed shear The negative temperature (T2 in FIG. 2A) is increased to 600 ° C, and the rear end temperature (T3 in FIG. 2A) is increased to 250 ° C. At this time, when methane is injected at 5 L / min, T2 is rapidly increased and T3 is gradually raised.

이때 전기가열기(10) 전원을 끄면, T2가 서서히 감소하며 T3보다 100℃ 낮은 온도로 일정하게 유지되며 자열개질반응이 기동됨을 도 3에서 볼 수 있다. At this time, when the electric heater 10 is turned off, it can be seen in FIG. 3 that T2 gradually decreases and is constantly maintained at a temperature lower than T3 and the autothermal reforming reaction is started.

또한 반응이 개시된 후 반응가스의 유량, 스팀/탄소, 그리고 산소/탄소의 비율 등을 점차적으로 바꾸어 주었을 때 T2와 T3가 변하며 반응의 결과 (각 성분들의 조성, H2/CO 비율) 정도가 변화됨을 확인할 수 있었다 (도 4a 와 도 4b). 산소/메탄 비율 증가는 부분산화 양론식에서 완전산화쪽으로 일부 변화하며 반응기 내부 온도가 상승되며, 메탄 전환율이 증가하게 된다. In addition, T2 and T3 change when the flow rate of the reaction gas, steam / carbon, and oxygen / carbon ratio are gradually changed after the reaction is started, and the result of the reaction (composition of each component, H 2 / CO ratio) is changed. It could be confirmed (FIGS. 4A and 4B). Increasing the oxygen / methane ratio changes partially from stoichiometric to complete oxidation, increasing the temperature inside the reactor and increasing the methane conversion.

반응 생성가스를 가스크로마토그래프에 의해 분석하여 운전조건에 따라 메탄 전환율 ~ 90%, H2/CO 비율은 2 ~ 3 이였음을 확인하였다 (도 5a 와 도 5b). The reaction product gas was analyzed by gas chromatograph to confirm that the methane conversion rate was 90% and the H 2 / CO ratio was 2 to 3 depending on the operating conditions (FIGS. 5A and 5B).

반응가스의 유량 및 산소/탄소의 비율의 변화는 메탄전환율에, 스팀/메탄의 비율은 수소발생량 및 H2/CO에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 조사되었다 (도 6a 와 도 6b). The change in the flow rate of the reaction gas and the ratio of oxygen / carbon was found to have the greatest effect on the methane conversion rate, and the ratio of steam / methane to the hydrogen generation amount and H 2 / CO (FIGS. 6A and 6B).

메탄 또는 천연가스는 산소와 같이 주입하게 될 경우 반응기 도입 부분에서 연소가 일어나 산소의 소모가 촉진되어 촉매층에서 부분산화 등의 반응에 제한을 줄 수 있으므로, 촉매층 후단 온도가 200℃ ~ 250℃ 영역에 도달했을 시점에 주입하는 것이 좋다. When methane or natural gas is injected together with oxygen, combustion takes place at the introduction part of the reactor, which promotes the consumption of oxygen, which may limit the reaction such as partial oxidation in the catalyst layer. It is better to inject it when it is reached.

T3가 이 영역보다 낮은 경우 메탄 또는 탄화수소를 주입하면 반응이 기동되지 않으며, 이 상태에서 전기가열기 전원을 끄면, T1, T2, 그리고 T3 온도가 모두 함께 내려가며 운전을 할 수 없게 된다. If T3 is lower than this zone, the reaction will not start if methane or hydrocarbons are injected, and if the heater is turned off in this state, the T1, T2, and T3 temperatures will all go down together, preventing operation.

메탄 전환율(%)={출구가스 (CO+CO2) 유량}×100 / {출구가스 (CH4+CO+CO2) 유량}Methane Conversion Rate (%) = {Outlet Gas (CO + CO 2 ) Flow Rate} × 100 / {Outlet Gas (CH 4 + CO + CO 2 ) Flow Rate}

H2+CO(%)={출구가스 (H2+CO) 유량}×100 / {출구가스 (H2+CO+CO2) 유량}H 2 + CO (%) = {outlet gas (H 2 + CO) flow rate} × 100 / {outlet gas (H 2 + CO + CO 2 ) flow rate}

H2/CO={출구가스 H2 유량} / {출구가스 CO 유량}H 2 / CO = {outlet gas H 2 flow rate} / {outlet gas CO flow rate}

(실시 예 3) - 공급 스팀 및 산소 비율에 따른 H2/CO 비율 변화(Example 3)-H 2 / CO ratio change according to the feed steam and oxygen ratio

각 공간속도에서 스팀/카본 비율에 따른 메탄전환율, T2, T3, H2+CO 선택도, 그리고 H2/CO 값을 표 2에 나타내었다. The methane conversion, T2, T3, H 2 + CO selectivity, and H 2 / CO values according to steam / carbon ratio at each space velocity are shown in Table 2.

부가적으로 스팀/카본의 비율은 같지만 유량을 늘려 공간속도가 증가하는 경우, 메탄 전환율이 증가함과 동시에 생성가스 조성은 수소와 CO2가 증가하며, CO는 감소하였다.이는 다음과 같은 수성가스전이반응(water gas shift reaction, WGS)과 르샤틀리에(Le Chatelier) 법칙(외부의 어떤 자극으로 평형이 깨졌을 때, 그 계는 자극의 영향을 최소화하는 방향으로 변화한다)에 기인한 것으로 판단된다. In addition, if the steam / carbon ratio is the same, but the space velocity is increased by increasing the flow rate, the methane conversion rate increases, the composition of hydrogen gas and CO 2 increases, and the CO decreases. This may be due to the water gas shift reaction (WGS) and Le Chatelier's law (when equilibrium is broken by some external stimulus, the system changes in a way that minimizes the effects of the stimulus). .

CO + H2O → CO2 + H2 CO + H 2 O → CO 2 + H 2

공간속도의 증가는 메탄전환율을 증가시켰으며, 스팀/카본의 비율 증가는 H2 발생을 증가시켜 H2/CO 값을 증가시키고, 산소/카본의 증가는 메탄 산화를 증가시켜 수소의 발생을 감소시키므로 H2/CO 값을 감소시켰다. 이 밖에도 메탄 전환율은 촉매 성능과 반응온도와 밀접한 관계가 있으므로, 촉매의 세심한 제조와 반응가스의 예열 후 주입의 경우 큰 효과를 볼 수 있다.Increasing the space velocity increased the methane conversion rate, and increasing the steam / carbon ratio increased H 2 generation to increase H 2 / CO value, while increasing oxygen / carbon increased methane oxidation to reduce hydrogen generation. Thus reducing the H 2 / CO value. In addition, the methane conversion rate is closely related to the catalyst performance and the reaction temperature. Thus, the careful preparation of the catalyst and the injection of the reactant gas after preheating can have a great effect.

도 7a 내지 7h는 본 발명의 실시예 또는 비교예들에 사용된 다양한 촉매들의 반응 후 표면사진을 보이고 있는데, 도 7a는 반응 후 본 발명 Pd/Al2O3 촉매 사진이 고, 도 7b는 반응 후의 비교예 Pd-Ce/Al2O3 촉매 사진이고, 도 7c는 반응 후 의 비교예 Pd-Ba/Al2O3 촉매 사진이고, 도 7d는 반응 후의 비교예 Pd-Sr/Al2O3 촉매 사진이고, 7e는 반응 후의 비교예 Pd-Ba-Ce/Al2O3 촉매 사진이고, 도 7f는 반응 후의 비교예 Pd-Ba-Sr/Al2O3 촉매 사진이고, 도 7g는 반응 후의 비교예 Pd-Sr-Ce/ Al2O3 촉매 사진이고, 도 7h는 반응 후의 비교예 Pd-Sr-Ce-Ba/Al2O3 촉매사진이다. Figures 7a to 7h shows a surface photograph after the reaction of the various catalysts used in the examples or comparative examples of the present invention, Figure 7a is a photograph of the present invention Pd / Al 2 O 3 catalyst after the reaction, Figure 7b is a reaction Comparative Example Pd-Ce / Al 2 O 3 catalyst photograph after the reaction, FIG. 7C is a comparative example Pd-Ba / Al 2 O 3 catalyst photograph after the reaction, and FIG. 7D shows comparative example Pd-Sr / Al 2 O 3 after the reaction. A photograph of the catalyst, 7e is a photograph of the comparative example Pd-Ba-Ce / Al 2 O 3 catalyst after the reaction, Figure 7f is a photograph of the comparative example Pd-Ba-Sr / Al 2 O 3 catalyst after the reaction, Figure 7g is after the reaction Comparative Example Pd-Sr-Ce / Al 2 O 3 Catalyst Photograph, FIG. 7H is a Comparative Example Pd-Sr-Ce-Ba / Al 2 O 3 Catalyst Photograph after Reaction.

도시된 바와 같이 Pd와 함께 보조 성분들이 한 가지 함유된 경우(도 7b, 도 7c, 도 7d)의 경우는 나타나지 않지만, Pd와 함께 보조 성분들이 두 개 이상의 조합으로 함유된 경우(도 7e, 도 7f, 도 7g)의 경우 입자의 응집현상이 발생했음을 확인할 수 있다. 이는 소결이나 신터링에 의한 활성점 감소를 유발할 수 있으므로, 바로 활성과 연결되는 중요한 결점이다. As shown, there is no case in which one auxiliary component is included with Pd (FIGS. 7B, 7C and 7D), but the auxiliary component is contained in two or more combinations with Pd (FIGS. 7E and 7D). 7f and 7g), it can be seen that aggregation of particles has occurred. This can lead to a decrease in the active site by sintering or sintering, which is an important drawback directly linked to the activity.

또한 응집현상이 나타나지 않은 경우에도(도 7b, 도 7c, 도 7d) 도 1에서 보듯이 반응성이 현저히 떨어지거나 (도 7c), H2/CO 비율이 너무 높은 결과를 나타내었다(도 7b, 도 7d). In addition, even when no aggregation phenomenon was observed (FIGS. 7B, 7C and 7D), as shown in FIG. 1, the reactivity was remarkably decreased (FIG. 7C), or the H 2 / CO ratio was too high (FIG. 7B and FIG. 7). 7d).

또한 4성분계의 경우도 (도 7h) 약간의 whisker 형태의 탄소침적도 관찰되는 바, 도 7a의 본 발명에서 제안하는 촉매가 단독 성분임에도 불구하고 활성이나 반응 후 물리적 형상 변화 등에서 현저하게 우월함을 보여주고 있다. In addition, even in the case of a four-component system (Fig. 7h) a slight whisker carbon deposition is also observed, even though the catalyst proposed in the present invention of Figure 7a is a single component shows that it is remarkably superior in activity or physical shape change after the reaction, etc. Giving.

본 실시 예에서 수행한 공간속도 144,000 hr-1의 경우 메탄유량 20 L/min으 로 1.2 Nm3/hr의 처리 유량으로 환산되며, 이는 피셔-트롭쉬 공정을 통하여 합성유 0.1 배럴/day를 제조할 수 있는 규모이다.In the case of the space velocity 144,000 hr -1 carried out in this embodiment, a methane flow rate of 20 L / min is converted into a treatment flow rate of 1.2 Nm 3 / hr, which is required to produce 0.1 barrel / day of synthetic oil through the Fischer-Tropsch process. It is scale.

표 2. 반응조건에 따른 자열개질 활성 [catalyst volume = 25 cm3]Table 2. Autothermal Reforming Activity According to Reaction Conditions [catalyst volume = 25 cm 3 ]

Figure 112007078903570-pat00002
Figure 112007078903570-pat00002

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다. The present invention is not limited to the above-described specific preferred embodiments, and various modifications can be made by any person having ordinary skill in the art without departing from the gist of the present invention claimed in the claims. Of course, such changes will fall within the scope of the claims.

도 1은 본 발명을 위하여 사용된 촉매들의 활성 비교 그래프이고, 1 is a graph comparing the activity of the catalysts used for the present invention,

도 2a는 본 발명을 위하여 촉매들의 활성을 확인하기 위하여 사용된 자열개질반응기이고,Figure 2a is an autothermal reforming reactor used to confirm the activity of the catalysts for the present invention,

도 2b는 본 발명을 위하여 촉매들의 활성을 확인하기 위하여 사용된 자열개질반응기에 장착되는 메쉬형 촉매층의 구조도이고,Figure 2b is a structural diagram of a mesh type catalyst layer mounted on the autothermal reforming reactor used to confirm the activity of the catalysts for the present invention,

도 3은 본 발명의 촉매를 활용한 전기가열기 활용 반응기의 기동 추이를 보인 그래프이고,3 is a graph showing the start-up trend of the reactor using the electric heater using the catalyst of the present invention,

도 4a는 본 발명 촉매를 활용한 자열개질 장치 운전에서 온도 프로화일(0.5 < steam/C < 1, 0.5 < O2/C < 0.67)을 보인 그래프이고,Figure 4a is a graph showing the temperature profile (0.5 <steam / C <1, 0.5 <O 2 / C <0.67) in the operation of the autothermal reformer using the catalyst of the present invention,

도 4b는 본 발명 촉매를 활용한 자열개질 장치 운전에서 온도 프로화일(steam/C= 1 또는 0.6, O2/C=0.5)을 보인 그래프이고,Figure 4b is a graph showing the temperature profile (steam / C = 1 or 0.6, O 2 / C = 0.5) in the autothermal reformer operation using the catalyst of the present invention,

도 5a는 본 발명 촉매를 활용한 자열개질 장치 운전에서 탄전환율, H2+CO 분율 및 H2/CO 비율 프로화일(0.5 < steam/C < 1, 0.5 < O2/C < 0.67)을 보인 그래프이고,Figure 5a is a graph showing the carbon conversion rate, H 2 + CO fraction and H 2 / CO ratio profile (0.5 <steam / C <1, 0.5 <O 2 / C <0.67) in the autothermal reformer operation using the catalyst of the present invention ego,

도 5b는 본 발명 촉매를 활용한 자열개질 장치 운전에서 탄전환율, H2+CO 분율 및 H2/CO 비율 프로화일(steam/C= 1 또는 0.6, O2/C=0.5)을 보인 그래프이고,Figure 5b is a graph showing the carbon conversion rate, H 2 + CO fraction and H 2 / CO ratio profile (steam / C = 1 or 0.6, O 2 / C = 0.5) in the operation of the autothermal reformer using the catalyst of the present invention,

도 6a은 본 발명 촉매를 활용한 자열개질 장치 운전에서 반응물 및 생성물의 추이 프로화일(0.5 < steam/C < 1, 0.5 < O2/C < 0.67)을 보인 그래프이고, Figure 6a is a graph showing the transition profile (0.5 <steam / C <1, 0.5 <O 2 / C <0.67) of the reactants and products in the operation of the autothermal reformer using the catalyst of the present invention,

도 6b는 본 발명 촉매를 활용한 자열개질 장치 운전에서 반응물 및 생성물의 추이 프로화일(steam/C= 1 또는 0.6, O2/C=0.5)을 보인 그래프이고,Figure 6b is a graph showing the transition profile (steam / C = 1 or 0.6, O 2 / C = 0.5) of the reactants and products in the operation of the autothermal reformer using the catalyst of the present invention,

도 7a 내지 7h는 본 발명의 실시예 또는 비교예에 따라 사용된 촉매들의 반응 후 표면사진이다.7A to 7H are surface photographs after the reaction of the catalysts used according to the examples or comparative examples of the present invention.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

(10) : 전기가열기(EH) (10): Electric Heater (EH)

(11) : 워시코트된 금속 메쉬 촉매층(11): washcoat metal mesh catalyst layer

(12) : 금속메쉬 지지대(12): metal mesh support

(13) : 고온단열재 (13): high temperature insulation

(14) : 자체기동 자열개질반응기 케이스(14): self-starting autothermal reforming reactor case

(T) : 열전쌍(thermocouple) (T): thermocouple

Claims (10)

피셔-트롭쉬 액화공정용 합성가스(H2/CO≒2) 제조를 위한 메탄 자열개질용 촉매에 있어서,In the catalyst for methane autothermal reforming for the production of Fischer-Tropsch liquefaction process synthesis gas (H 2 / CO ≒ 2), 비표면적이 100m2/g 보다 큰 알루미나담체와; 담체와 촉매 전체 촉매 무게 대비 팔라듐 2 ~ 4wt%로 조성되어 소성된 것을 특징으로 하는 피셔-트롭쉬 액화공정용 합성가스 제조공정에 사용되는 메탄 자열개질촉매.Alumina carrier having a specific surface area of greater than 100 m 2 / g; A methane autothermal reforming catalyst used in a synthesis gas manufacturing process for the Fischer-Tropsch liquefaction process, which is composed of 2 to 4 wt% of palladium relative to the total weight of the carrier and the catalyst. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 알루미나담체는 감마 알루미나(γ-alumina)인 것을 특징으로 하는 피셔-트롭쉬 액화공정용 합성가스 제조공정에 사용되는 메탄 자열개질촉매.The alumina carrier is a methane autothermal reforming catalyst used in the synthesis gas manufacturing process for Fischer-Tropsch liquefaction process, characterized in that gamma alumina (γ-alumina). 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 소성 조건은 공기 분위기에서 650 ~ 900℃에서 수행된 것을 특징으로 하는 피셔-트롭쉬 액화공정용 합성가스 제조공정에 사용되는 메탄 자열개질촉매.The firing conditions are methane autothermal reforming catalyst used in the synthesis gas manufacturing process for Fischer-Tropsch liquefaction process, characterized in that carried out in an air atmosphere at 650 ~ 900 ℃. 피셔-트롭쉬 액화공정용 합성가스(H2/CO≒2) 제조를 위해, 고온단열재(13)로 단열된 자열개질반응기 케이스(14)의 내부 전단부에 기동장치인 전기가열기(10)를 설치하고, 전기가열기(10) 후단부에 촉매층을 장착하고, 전기가열기 전단부에 설치한 열전쌍(T1)과; 상기 전기가열기와 워시코트된 촉매층 사이에 열전쌍(T2)과; 워시코트된 메쉬형 촉매층 후단부에 설치된 열전쌍(T3)을 더 포함하여 구성한 자열개질반응기에 사용되는 촉매층 구조에 있어서,Electric heater (10) as a starting device in the inner front end of the autothermal reforming reactor case (14) insulated with a high temperature insulating material (13) for the production of Fischer-Tropsch liquefaction process synthesis gas (H 2 / CO ≒ 2) And a thermocouple (T1) mounted at the rear end of the electric heater (10) and installed at the front end of the electric heater; A thermocouple (T 2) between the electric heater and the washcoat catalyst layer; In the catalyst layer structure used in the autothermal reforming reactor further comprises a thermocouple (T3) installed on the rear end of the washcoat mesh type catalyst layer, 상기 촉매층은 전기가열기(10) 밑단 공간부에 일정간격 이격된 지점의 자열개질반응기 케이스(14) 내부에서 상향 절곡된 지지대(12)를 적어도 2개 이상 설치하고, 이 지지대에 상기 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 따른 팔라듐이 담지된 촉매가 워시코트된 다수개의 메쉬형 금속판을 적층하여 구성한 메쉬형 촉매층(11)으로 구성한 것을 특징으로 하는 피셔-트롭쉬 액화공정용 합성가스 제조공정에 사용되는 메탄 자열개질촉매를 이용한 메쉬형 촉매층.The catalyst layer is provided with at least two support members 12 which are bent upward in the autothermal reformer case 14 at predetermined intervals in the bottom space of the electric heater 10, and the supporters 1 to 1 above. Fischer-Tropsch liquefaction process for syngas production process characterized in that the palladium-carrying catalyst according to any one of the three characterized in that the mesh-type catalyst layer (11) consisting of laminating a plurality of mesh-shaped metal plate wash Mesh type catalyst layer using methane autothermal reforming catalyst used. 제 4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 메쉬형 촉매층(11)을 구성하는 메쉬형 금속판은 팔라듐이 담지된 촉매가 메쉬 금속판 총량의 15 ~ 20 wt%가 워시코트된 것을 특징으로 하는 피셔-트롭쉬 액화공정용 합성가스 제조공정에 사용되는 메탄 자열개질촉매를 이용한 메쉬형 촉매층.The mesh metal plate constituting the mesh catalyst layer 11 is used in the synthesis gas manufacturing process for the Fischer-Tropsch liquefaction process, wherein the catalyst on which the palladium is loaded is 15 to 20 wt% of the total amount of the mesh metal plate. Mesh type catalyst layer using a methane autothermal reforming catalyst. 제 4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 메쉬형 촉매층(11)을 구성하는 메쉬형 금속판은 50 ~ 100마이크로미터두께의 합금판으로 1000℃ 내외에서 변질이 안되는 합금판으로 구성된 것을 특징으로 하는 피셔-트롭쉬 액화공정용 합성가스 제조공정에 사용되는 메탄 자열개질촉매를 이용한 메쉬형 촉매층.Fischer-Tropsch liquefaction process synthesis gas manufacturing process, characterized in that the mesh-like metal plate constituting the mesh catalyst layer 11 is composed of an alloy plate of 50 ~ 100 micrometers thick alloy plate does not deteriorate around 1000 ℃ Mesh type catalyst layer using methane autothermal reforming catalyst used in. 제 4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 메쉬형 촉매층(11)을 구성하는 메쉬형 금속판 면적 오프닝%는 60 ~ 70%인 것을 사용한 것을 특징으로 하는 피셔-트롭쉬 액화공정용 합성가스 제조공정에 사용되는 메탄 자열개질촉매를 이용한 메쉬형 촉매층.The mesh-type metal plate area opening% constituting the mesh-type catalyst layer 11 is 60-70%, and the mesh-type using the methane autothermal reforming catalyst used in the synthesis gas manufacturing process for the Fischer-Tropsch liquefaction process is used. Catalyst bed. 제 4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 메쉬형 촉매층(11)을 구성하는 메쉬형 금속판은 상하로 이웃하는 메쉬형 금속판의 메쉬 구멍이 수직한 유로를 이루지 않고 불규칙 유로를 가지게 배치되도록 적층한 것을 특징으로 하는 피셔-트롭쉬 액화공정용 합성가스 제조공정에 사 용되는 메탄 자열개질촉매를 이용한 메쉬형 촉매층.Fischer-Tropsch liquefaction process, characterized in that the mesh metal plate constituting the mesh catalyst layer 11 is laminated so that the mesh holes of the neighboring mesh metal plate is arranged to have an irregular flow path without forming a vertical flow path Mesh type catalyst layer using methane autothermal reforming catalyst used in syngas production process. 피셔-트롭쉬 액화공정용 합성가스(H2/CO≒2) 제조를 위해, 고온단열재(13)로 단열된 자열개질반응기 케이스(14)의 내부 전단부에 기동장치인 전기가열기(10)를 설치하고, 전기가열기(10) 후단부에 촉매층을 장착하고, 전기가열기 전단부에 설치한 열전쌍(T1)과; 상기 전기가열기와 워시코트된 촉매층 사이에 열전쌍(T2)과; 워시코트된 메쉬형 촉매층 후단부에 설치된 열전쌍(T3)을 더 포함하여 구성한 자열개질반응기를 구비하여, Electric heater (10) as a starting device in the inner front end of the autothermal reforming reactor case (14) insulated with a high temperature insulating material (13) for the production of Fischer-Tropsch liquefaction process synthesis gas (H 2 / CO ≒ 2) And a thermocouple (T1) mounted at the rear end of the electric heater (10) and installed at the front end of the electric heater; A thermocouple (T 2) between the electric heater and the washcoat catalyst layer; The autothermal reforming reactor further comprises a thermocouple (T3) installed at the rear end of the washcoat mesh type catalyst layer, 산소 또는 공기 중의 하나 그리고 스팀이 별도의 공급라인에서 공급되는 메탄 또는 천연가스 중의 하나와 혼합하는 단계와;Mixing one of oxygen or air and one of steam or methane or natural gas supplied in a separate feed line; 기동을 위한 모노리스형태의 전기가열기를 가열하는 단계와; Heating a monolithic type electric heater for starting; 이후 산소 또는 공기 중의 하나, 스팀 그리고 메탄 또는 천연가스 중의 하나가 혼합된 반응기체를, 팔라듐이 100m2/g 보다 큰 비표면적을 갖는 알루미나에 담지된 촉매(PdO/Al2O3)가 워시코트된 다수개의 메쉬형 금속판이 적층되어 충전된 메쉬형 촉매층에 공급하여 촉매부분산화반응하는 단계와;Afterwards, the reaction mixture in which one of oxygen or air, steam and one of methane or natural gas is mixed, and the catalyst (PdO / Al 2 O 3 ) supported on alumina having a specific surface area of palladium of greater than 100 m 2 / g is washed. Stacking the plurality of mesh metal plates and supplying them to the filled mesh catalyst layer for catalytic partial oxidation; 상기 촉매부분산화반응이후, 촉매부분산화, 스팀개질반응 그리고 수성가스전이반응이 외부의 에너지 공급 없이 지속되어 피셔-트롭쉬 액화반응에 최적인 비율로 수소와 일산화탄소를 생산하는 단계로 이루어지되,After the catalytic partial oxidation reaction, the catalytic partial oxidation, steam reforming reaction, and water gas transfer reaction are continued without external energy supply to produce hydrogen and carbon monoxide at the optimum ratio for the Fischer-Tropsch liquefaction reaction, 상기 촉매부분산화반응에 공급하는 메탄 또는 천연가스는 메쉬 촉매층 후단의 열전대(T3) 온도가 200℃ ~ 250℃ 영역에 도달했을 시점에 주입되도록 구성하는 것을 특징으로 하는 피셔-트롭쉬 액화공정용 합성가스 제조공정에 사용되는 메탄 자열개질촉매를 이용한 피셔-트롭쉬용 합성가스 제조방법.Methane or natural gas supplied to the catalytic partial oxidation reaction Fischer-Tropsch liquefaction process, characterized in that the configuration is configured to be injected when the temperature of the thermocouple (T3) at the rear end of the mesh catalyst layer reaches the 200 ℃ ~ 250 ℃ region Fischer-Tropsch synthesis gas production method using a methane autothermal reforming catalyst used in the gas production process. 제 9항에 있어서,The method of claim 9, 상기 촉매부분산화반응하는 단계는 메쉬형 촉매층(11)에 적층된 메쉬 금속판의 적층 숫자를 조절하여 촉매량을 조절함으로써 촉매부분산화반응을 제어하는 것을 특징으로 하는 피셔-트롭쉬 액화공정용 합성가스 제조공정에 사용되는 메탄 자열개질촉매를 이용한 피셔-트롭쉬용 합성가스 제조방법.The step of catalytic partial oxidation is Fischer-Tropsch liquefaction process synthesis gas production characterized in that for controlling the catalytic partial oxidation reaction by controlling the amount of catalyst by controlling the number of layers of the mesh metal plate laminated on the mesh type catalyst layer 11 Fischer-Tropsch syngas production method using a methane autothermal reforming catalyst used in the process.
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