KR100986241B1 - Catalytic for steam reforming of tar produced from biomass gasification process and method of steam reforming of tar using the same - Google Patents

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Abstract

바이오매스 가스화 공정시 발생되는 타르의 수증기 개질 반응에 있어 타르의 분해 활성 및 안정성 및 수소 생산을 증가시킬 수 있는 타르의 수증기 개질용 촉매 및 이를 이용한 타르의 수증기 개질 방법이 개시되어 있다. 상기 타르의 수증기 개질용 촉매는 바이오매스 가스화 공정시 발생되는 타르의 수증기 개질 공정에서 사용되며, 세륨 산화물 및 지르코늄 산화물을 포함하는 지지체와, 상기 지지체 내에 담지된 니켈을 포함한다. 상기와 같이 세륨 산화물 및 지르코늄 산화물을 혼합 사용하는 니켈 촉매를 이용하여 수소, 일산화탄소의 합성가스를 생성하는 수증기 개질 공정을 수행할 경우 기존의 상용화된 니켈 촉매(Ni/Al2O3/SiO2)에 비해 타르의 분해 활성이 우수하고, 시간이 경과하더라도 촉매의 활성 감소가 매우 적어 교체없이 장시간 이용할 수 있다. 이에 따라, 바이오매스 가스화 공정에서 발생된 타르의 촉매적 수증기 개질 반응에 의한 분해 효율을 증가시킬 수 있다. Disclosed are a catalyst for steam reforming of tar that can increase the decomposition activity and stability of tar and the hydrogen production in the steam reforming reaction of tar generated during the biomass gasification process, and a method for steam reforming of tar using the same. The tar steam reforming catalyst is used in the tar steam reforming process generated during the biomass gasification process, and includes a support including cerium oxide and zirconium oxide, and nickel supported in the support. As described above, when performing a steam reforming process of generating a synthesis gas of hydrogen and carbon monoxide using a nickel catalyst using a mixture of cerium oxide and zirconium oxide (Ni / Al 2 O 3 / SiO 2 ) Compared with tar, the decomposition activity of tar is excellent, and even if time passes, the activity of catalyst is very small and can be used for a long time without replacement. Accordingly, the decomposition efficiency due to the catalytic steam reforming reaction of tar generated in the biomass gasification process can be increased.

Description

타르의 수증기 개질용 촉매 및 이를 이용한 타르의 수증기 개질 방법{Catalytic for steam reforming of tar produced from biomass gasification process and method of steam reforming of tar using the same}Catalyst for steam reforming of tar and steam reforming method using tar {catalytic for steam reforming of tar produced from biomass gasification process and method of steam reforming of tar using the same}

본 발명은 타르(tar)의 수증기 개질 촉매 및 이를 이용한 타르의 수증기 개질 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 바이오매스 가스화 공정(biomass gasification process)시 발생되는 타르를 촉매적 수증기 개질시켜 수소, 일산화탄소 및 이산화탄소로 가장 효율적으로 분해할 수 있는 타르의 수증기 개질용 촉매 및 이를 이용한 타르의 수증기 개질 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a steam reforming catalyst of tar and a method of steam reforming tar using the same. More specifically, the catalyst for reforming tar of steam that can be most efficiently decomposed into hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide by catalytic steam reforming of the tar generated during the biomass gasification process, and the method of reforming tar using the same It is about.

바이오매스 가스화 공정에서는 발생가스 내 높은 타르의 함량이 문제가 되고 있다. 상기 바이오매스 가스화 공정은 유동층 가스화기를 사용할 경우, 약 5 내지 75 g/Nm3 정도의 타르가 생성하는데, 상기 타르 함량은 가스터빈이나 가스엔진 등의 운전에 허용된 최대 수치를 넘는다. 따라서, 상기 발생가스 내 타르의 함량을 최소화 시키는 공정이 요구되고 있으며, 일반적으로 타르를 수소 및 일산화탄소를 포함하는 합성기체로 전환시키는 방법이 사용되고 있다. 이러한 방법의 예로는 촉매적 수증기 개질(steam reforming) 방법, 열적 촉매적 개질 방법, 촉매적 부분 산화 방법 및 비촉매적 부분 산화 방법을 사용할 수 있다. 이때, 상기 타르는 합성기체로 전환되어 전력생산을 위한 기체 원료(gas fuel), 메탄올, DME(dimethyl ether) 및 Fischer-Tropsch 오일과 같은 청정 수송원료의 합성을 위한 공급물질로 사용된다. In the biomass gasification process, a high tar content in the generated gas is a problem. In the biomass gasification process, when a fluidized bed gasifier is used, tar of about 5 to 75 g / Nm 3 is generated, and the tar content exceeds the maximum value allowed for operation of a gas turbine or a gas engine. Therefore, a process for minimizing the content of tar in the generated gas is required, and in general, a method for converting tar into a synthetic gas containing hydrogen and carbon monoxide is used. Examples of such methods may include catalytic steam reforming, thermal catalytic reforming, catalytic partial oxidation and noncatalytic partial oxidation. At this time, the tar is converted into a synthetic gas and used as a feed material for synthesizing clean transport materials such as gas fuel, methanol, DME (dimethyl ether) and Fischer-Tropsch oil for power generation.

일반적으로, 상기 바이오매스 가스화 공정에서 발생된 타르를 분해하는 가장 효율적인 방법으로 촉매적 수증기 개질 방법이 이용되고 있다. 상기 바이오매스 가스화 공정을 통해 발생된 타르의 주요 성분으로는 벤젠, 톨루엔 등을 포함하는 단일고리 방향족 탄화수소류 약 66%와, 나프탈렌 등의 다환 방향족 탄화수소류 약 22%를 포함한다. 따라서, 상기 촉매적 수증기개질은 타르의 주요 성분인 벤젠, 톨루엔 및 나프탈렌 등을 이용하여 연구되고 있으며, 지금까지 사용된 촉매로는 감람석(olivine), 백운석(dolomite)과 같은 천연광물 또는 실리콘 산화물(SiO2) 또는 알루미늄 산화물(Al2O3) 등을 지지체로 사용하는 니켈 촉매를 들 수 있다. In general, catalytic steam reforming is used as the most efficient method for decomposing tar generated in the biomass gasification process. The main components of tar generated through the biomass gasification process include about 66% of monocyclic aromatic hydrocarbons including benzene, toluene, and about 22% of polycyclic aromatic hydrocarbons such as naphthalene. Therefore, the catalytic steam reforming has been studied using benzene, toluene and naphthalene, which are the main components of tar, and the catalysts used so far include natural minerals such as olivine, dolomite, or silicon oxide ( And a nickel catalyst using SiO 2 ) or aluminum oxide (Al 2 O 3 ) or the like as a support.

촉매적 수증기 개질 방법은 방향족 탄화수소 함유 기체를 약 700 내지 1000℃의 고온에서 촉매하에 수증기와 반응시켜 수소, 일산화탄소로 전환시킨다. 이때, 상기 일산화탄소의 일부는 낮은 온도에서 수증기의 수소와 가스 이동 반응(gas shift reaction)하여 이산화탄소로 전환된다. 이 방법은 전형적으로 방향족 탄화수소 함유 기체와 수증기를 혼합한 후 예열된 반응기에 주입함으로써 수행되며, 상기 반응기에서 탄화수소의 분해, 산화, 재조립이 이루어진다. The catalytic steam reforming process converts an aromatic hydrocarbon containing gas into hydrogen, carbon monoxide by reacting with steam under a catalyst at a high temperature of about 700 to 1000 ° C. At this time, a portion of the carbon monoxide is converted to carbon dioxide by a gas shift reaction with hydrogen of steam at a low temperature. This process is typically carried out by mixing aromatic hydrocarbon containing gas and water vapor and then injecting it into a preheated reactor in which the decomposition, oxidation and reassembly of the hydrocarbon takes place.

그러나, 천연광물 촉매를 사용하는 경우 타르의 수증기 개질 반응에 유용하 기는 하지만 낮은 활성, 낮은 강도, 녹는점에 의한 안정성 저하 등이 문제점으로 제시되었다. 또한, 상용화되고 있는 상기 실리콘 산화물(SiO2) 또는 알루미늄 산화물(Al2O3) 등을 지지체로 사용하는 니켈 촉매의 경우 높은 활성을 보이나 탄소침적에 의한 촉매의 비활성화가 빠르게 진행되는 단점을 갖는다. However, the use of natural mineral catalysts, although useful for the steam reforming reaction of tar, has been suggested as problems such as low activity, low strength, deterioration of stability by melting point. In addition, the nickel catalyst using the commercially available silicon oxide (SiO 2 ) or aluminum oxide (Al 2 O 3 ), etc. as a support shows a high activity but has the disadvantage that the deactivation of the catalyst by carbon deposition proceeds quickly.

이에 따라, 상기 수증기 개질 반응에 사용되는 촉매의 문제점을 해결하기 위해, 니켈(Ni) 촉매 뿐만 아니라 백금(Pt), 로듐(Rh), 루세늄(Ru), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni) 등의 전이금속을 사용하는 촉매들이 제조되었다. 상기 바이오매스 가스화 공정에서 타르의 분해에 사용되는 로듐(Rh)을 이용하는 촉매 기술은 토미시지 케이치(Tomishige Keichi)에게 허여된 미합중국 공개특허 제2003-0115800호에 개시되어 있다. 이때, 상기 미합중국 공개특허 제2003-0115800호에 개시된 로듐 촉매는 세륨 산화물(CeO2)과 실리콘 산화물(SiO2)을 지지체로 이용하여 로듐(Rh)을 담지시킨 촉매(Rh/CeO2/SiO2)로서, 타르의 수증기 개질 반응에서 활성, 안정성 및 수소 생산에 대한 선택도 측면에서 매우 우수한 결과를 보였다. 그러나, 상기 로듐 촉매에 사용되는 로듐(Rh)은 고가의 귀금속 원소로서 비용적인 부담이 커서, 바이오매스 가스화 공정시 타르의 수증기 개질 공정에 필요한 촉매로 사용되기에는 실효성이 매우 낮다.Accordingly, in order to solve the problem of the catalyst used in the steam reforming reaction, not only nickel (Ni) catalyst but also platinum (Pt), rhodium (Rh), ruthenium (Ru), palladium (Pd), nickel (Ni) Catalysts using such transition metals have been prepared. Catalyst technology using rhodium (Rh) used in the decomposition of tar in the biomass gasification process is disclosed in US Patent Publication No. 2003-0115800 issued to Tomishige Keichi. In this case, the rhodium catalyst disclosed in US Patent Publication No. 2003-0115800 is a catalyst (Rh / CeO 2 / SiO 2 ) supporting rhodium (Rh) using cerium oxide (CeO 2 ) and silicon oxide (SiO 2 ) as a support. In the steam reforming of tar, the results were very good in terms of activity, stability and selectivity for hydrogen production. However, rhodium (Rh) used in the rhodium catalyst has a high cost burden as an expensive noble metal element, and is very low in effectiveness to be used as a catalyst for tar steam reforming in the biomass gasification process.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 목적은 바이오매스 가스화 공정에서 발생된 타르의 수증기 개질 반응에 있어 활성 및 안정성 및 수소 생산을 증가시킬 수 있는 타르의 수증기 개질용 촉매를 제공하는데 있다.One object of the present invention for solving the above problems is to provide a tar steam reforming catalyst that can increase the activity and stability and hydrogen production in the steam reforming reaction of tar generated in the biomass gasification process.

본 발명의 다른 목적은 상기 타르의 분해 활성, 안정성 및 수소 생산을 증가시킬 수 있는 촉매를 이용한 타르의 수증기 개질 방법을 제공하는데 있다. Another object of the present invention is to provide a method for steam reforming of tar using a catalyst that can increase the decomposition activity, stability and hydrogen production of the tar.

상술한 일 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 타르의 수증기 개질용 촉매는, 바이오매스 가스화 공정시 발생되는 타르의 수증기 개질 공정에서 사용되며, 세륨 산화물 및 지르코늄 산화물을 포함하는 지지체와, 상기 지지체 내에 담지된 니켈을 포함한다.The tar steam reforming catalyst according to an embodiment of the present invention for achieving the above object is used in a steam reforming process of tar generated during a biomass gasification process, and includes a support including cerium oxide and zirconium oxide. And nickel supported in the support.

일 예로서, 상기 세륨 산화물 및 지르코늄 산화물을 포함하는 지지체는 25 내지 75 중량%의 세륨 산화물을 함유할 수 있다. 상기 촉매는 니켈을 5 내지 15 중량%의 범위로 포함할 수 있다.As an example, the support including cerium oxide and zirconium oxide is 25 To 75% by weight of cerium oxide. The catalyst may comprise nickel in the range of 5 to 15% by weight.

상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 타르의 수증기 개질 방법은 세륨 산화물 및 지르코늄 산화물을 포함하는 지지체와, 상기 지지체 내에 담지된 니켈을 포함하는 촉매를 포함하는 반응기를 마련한다. 바이오매스 가스화 공정시 발생된 타르에 수증기를 혼합하여 혼합물을 생성한다. 상기 혼합물을 반응기로 공급하여 상기 촉매의 존재하에서 상기 타르를 분해한다.According to another aspect of the present invention, a method for steam reforming of tar provides a reactor including a support including cerium oxide and zirconium oxide and a catalyst including nickel supported in the support. Steam is mixed with tar generated during the biomass gasification process to produce a mixture. The mixture is fed to a reactor to decompose the tar in the presence of the catalyst.

일 예로서, 상기 세륨 산화물 및 지르코늄 산화물을 포함하는 지지체는 25 내지 75 중량%의 세륨 산화물을 함유하며, 상기 촉매는 상기 니켈을 5 내지 15 중량%의 범위로 포함할 수 있다. As an example, the support including cerium oxide and zirconium oxide is 25 To 75% by weight of cerium oxide, the catalyst may comprise the nickel in the range of 5 to 15% by weight.

이때, 상기 타르를 분해하는 공정은 500 내지 750℃의 온도에서 수행할 수 있다. At this time, the process of decomposing the tar may be carried out at a temperature of 500 to 750 ℃.

본 발명에 따르면, 상술한 구성을 갖는 바이오매스 가스화 공정에서 발생된 타르의 촉매적 수증기 개질 방법에서는 바이오매스 가스화 공정시 발생되는 타르를 높은 활성과, 시간에 따른 활성 감소가 적은 세륨 산화물(CeO2)과 지르코늄 산화물(ZrO2)을 포함하는 지지체에 니켈을 담지한 촉매를 사용하여 수소 및 일산화탄소를 포함하는 합성가스로 전환시킬 수 있다. According to the present invention, in the catalytic steam reforming process of tar generated in the biomass gasification process having the above-described configuration, cerium oxide (CeO 2) having high activity and less activity decrease with time generated in the biomass gasification process is generated. ) And a zirconium oxide (ZrO 2 ) can be converted into a synthesis gas containing hydrogen and carbon monoxide using a catalyst supported on nickel.

상기와 같은 본 발명의 바이오매스 가스화 공정에서 발생된 타르의 수증기 개질용 촉매에 따르면, 상기 촉매는 세륨 산화물(CeO2) 및 지르코늄 산화물(ZrO2)을 포함하는 지지체와, 상기 지지체 내에 담지된 니켈을 포함한다.According to the tar steam reforming catalyst generated in the biomass gasification process of the present invention, the catalyst includes a support including cerium oxide (CeO 2 ) and zirconium oxide (ZrO 2 ), and nickel supported in the support. It includes.

이러한 타르의 수증기 개질 공정에 사용되는 니켈 촉매는 기존의 상용화된 니켈 촉매(Ni/Al2O3/SiO2)에 비해 타르의 분해 공정의 활성화가 우수하고, 시간이 경과하더라도 촉매의 활성 감소가 매우 적어 교체없이 장시간 이용할 수 있다. 따라서, 바이오매스 가스화 공정에서 발생된 타르의 촉매적 수증기 개질 반응에 의한 분해 효율을 증가시킬 수 있다. Nickel catalysts used in the steam reforming process of tar have better activation of the decomposition process of tar than conventional commercially available nickel catalysts (Ni / Al 2 O 3 / SiO 2 ), and the catalyst activity decreases over time. It is very small and can be used for a long time without replacement. Therefore, the decomposition efficiency by the catalytic steam reforming reaction of tar generated in the biomass gasification process can be increased.

이하, 본 발명의 실시예들에 따른 바이오매스 가스화 공정에서 발생된 타르의 수증기 개질용 촉매 및 이를 이용한 타르의 수증기 개질 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하지만, 본 발명이 하기의 실시예들에 제한되는 것은 아니며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다. 첨부된 도면에 있어서, 각 구성 요소들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. Hereinafter, the tar steam reforming catalyst generated in the biomass gasification process according to the embodiments of the present invention and the steam reforming method of tar using the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The present invention is not limited thereto, and one of ordinary skill in the art may implement the present invention in various other forms without departing from the technical spirit of the present invention. In the accompanying drawings, the dimensions of each component is shown in an enlarged scale than actual for clarity of the invention.

특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Specific structural to functional descriptions are merely illustrated for the purpose of describing the embodiments of the present invention, and the embodiments of the present invention may be embodied in various forms and include all modifications and equivalents included in the spirit and scope of the present invention. It is to be understood to include to substitutes.

본 출원에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this application, the terms "comprise" or "having" are intended to indicate that there is a feature, number, step, action, component, part, or combination thereof that is practiced, and that one or more other features or numbers are present. It should be understood that it does not exclude in advance the possibility of the presence or addition of steps, actions, components, parts or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지는 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Terms such as those defined in the commonly used dictionaries should be construed as having meanings consistent with the meanings in the context of the related art and shall not be construed in ideal or excessively formal meanings unless expressly defined in this application. Does not.

타르의 수증기 Tar vapor 개질용For reforming 니켈 촉매 및 이를 이용한 타르의 수증기 개질 방법 Nickel catalyst and method for steam reforming of tar using same

셀룰로오스(cellulose) 등의 바이오매스를 가스화하는 공정은 고압에서 수행되는데, 이때 생성된 가스 내에는 타르(tar)가 높은 함량으로 함유되어 있다. 따라서, 상기 타르(tar)를 분해하기 위하여 가스화된 생성물에 촉매적 수증기 개질 공정이 수행되며, 수소(H2) 및 일산화탄소(CO)를 포함하는 합성가스가 제조된다. The process of gasifying biomass, such as cellulose, is carried out at a high pressure, in which the generated gas contains a high content of tar. Accordingly, a catalytic steam reforming process is performed on the gasified product to decompose the tar, and a synthesis gas including hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO) is produced.

이때, 상기 타르의 수증기 개질 공정은 고온의 타르 분해 장비 내에서 수행된다. At this time, the tar steam reforming process is performed in a high temperature tar decomposition equipment.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수증기 개질 공정이 수행되는 타르 분해 장비를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.1 is a schematic configuration diagram illustrating a tar decomposition equipment in which a steam reforming process is performed according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 상기 수증기 개질 공정이 수행되는 타르 분해 장비(10)는 상기 가스화된 생성물 중 타르의 주요 성분인 벤젠과 수증기를 제공하여 혼합시키는 혼합기(20)와, 혼합기(20)에 연결되어 수소와 헬륨의 혼합가스 및 질소를 각각 제공하는 가스 제공부(30,32)들과, 상기 혼합된 원료들이 반응하는 반응기(40)와, 반응기(40)를 가열하기 위한 가열기(50)와, 가열기(50)의 온도를 조절하는 온도 조 절기(52)와, 반응기(40)와 연결되어 생성된 혼합 가스를 급냉시키기 위한 응축기(60)와, 응축된 혼합 가스를 분석하는 가스 분석기(70)와, 상기 혼합기(20), 반응기(40), 응축기(60) 및 가스 분석기(70)를 연결하는 가스 라인(80, 82, 84)들을 포함한다. Referring to FIG. 1, the tar decomposition equipment 10 in which the steam reforming process is performed is connected to a mixer 20 and a mixer 20 for providing and mixing benzene and water vapor, which are main components of tar, in the gasified product. And gas providing units 30 and 32 providing mixed gas and nitrogen of hydrogen and helium, a reactor 40 to which the mixed raw materials react, a heater 50 for heating the reactor 40, and , A temperature controller 52 for adjusting the temperature of the heater 50, a condenser 60 for quenching the mixed gas generated by being connected to the reactor 40, and a gas analyzer 70 for analyzing the condensed mixed gas. ), And gas lines 80, 82, 84 connecting the mixer 20, the reactor 40, the condenser 60, and the gas analyzer 70.

이때, 상기 바이오매스를 가스화하는 공정에서 생성된 상기 타르는 벤젠, 톨루엔 등의 단일 고리 방향족 탄화수소가 약 66 중량%, 나프탈렌 등의 다환 방향족 탄화수소가 약 22 중량%로 대부분을 차지하고 있다. 본 발명에서는 상기 타르의 주요 성분인 벤젠(약 37.9 중량%)을 이용하여 촉매적 수증기 개질 공정을 수행한다.At this time, the tar produced in the process of gasifying the biomass comprises about 66% by weight of monocyclic aromatic hydrocarbons such as benzene and toluene, and about 22% by weight of polycyclic aromatic hydrocarbons such as naphthalene. In the present invention, a catalytic steam reforming process is performed using benzene (about 37.9 wt%), which is a major component of the tar.

혼합기(20)는 150 내지 180℃ 정도의 온도로 유지되며, 벤젠과 수증기 혼합물을 예열시킬 수 있다. 상기 벤젠과 수증기의 혼합물은 가스 라인(80)을 따라 반응기로 이송되며, 500 내지 750℃의 온도의 반응기(40) 내부에서 수증기와 반응하여 수소(H2), 일산화탄소(CO)를 포함하는 혼합가스 및 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 수증기(H2O) 등을 생성할 수 있다. 이때, 반응기(40)의 온도는 가열기(50)에 의해 가열되며, 온도 조절기(52)를 통해 온도 범위를 유지시킬 수 있다. 상기 혼합가스의 생성 반응에서는 활성이 우수한 니켈 촉매가 사용된다. Mixer 20 is maintained at a temperature of about 150 to 180 ℃, it is possible to preheat the benzene and steam mixture. The mixture of benzene and water vapor is sent to the reactor along the gas line 80, and reacts with water vapor in the reactor 40 at a temperature of 500 to 750 ℃ mixed with hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO) Gas and carbon dioxide (CO 2 ), methane (CH 4 ), water vapor (H 2 O) and the like can be produced. At this time, the temperature of the reactor 40 is heated by the heater 50, it is possible to maintain the temperature range through the temperature controller 52. In the reaction for producing the mixed gas, a nickel catalyst having excellent activity is used.

여기서, 반응기(40)의 전, 후에 연결된 가스 라인(80, 82)들은 수증기의 응축을 막기 위해 100 내지 150℃의 온도로 유지시킬 수 있다. 이때, 상기 수증기 개질 반응이 매우 발열성이므로, 반응기(40)는 양호한 절연을 달성하기 위해 수정(quartz)으로 구성된다. Here, the connected gas lines 80 and 82 before and after the reactor 40 may be maintained at a temperature of 100 to 150 ° C to prevent condensation of water vapor. At this time, since the steam reforming reaction is very exothermic, the reactor 40 is composed of quartz to achieve good insulation.

가스 제공부(30, 32)들은 수소와 헬륨의 혼합가스를 제공하는 제1 가스 제공부(30)와, 질소를 제공하는 제2 가스 제공부(32)를 포함한다. 상기 수소와 헬륨의 혼합가스는 수증기가 제공되기 전에 벤젠이 풍부한 조건을 유지하기 위해 제공된다. 상기 질소는 상기 벤젠과 수증기의 혼합물을 가스 라인(80, 82, 84)들을 통해 이송시키는 캐리어 가스로서 이용된다. The gas providing units 30 and 32 include a first gas providing unit 30 providing a mixed gas of hydrogen and helium, and a second gas providing unit 32 providing nitrogen. The mixed gas of hydrogen and helium is provided to maintain benzene-rich conditions before water vapor is provided. The nitrogen is used as a carrier gas to convey the mixture of benzene and water vapor through gas lines 80, 82, 84.

본 발명에서는, 상기 벤젠과 수증기의 개질 반응에 사용되는 촉매로서 세륨 산화물(CeO2)과 지르코늄 산화물(ZrO2)을 포함하는 지지체에 니켈(Ni)을 담지시킨 촉매를 사용한다. 상기 촉매는 니켈 및 지지체를 포함하는 전체 촉매 구조물을 의미한다. 예를 들면, 상기 촉매는 약 55 내지 70 중량%의 세륨 산화물 및 니켈 함침을 위한 표면적을 넓히기 위하여 약 15 내지 30 중량%의 지르코늄 산화물을 혼합한 지지체와, 약 5 내지 15 중량%의 전이금속, 바람직하게는 니켈(Ni)을 포함한다. In the present invention, a catalyst in which nickel (Ni) is supported on a support including cerium oxide (CeO 2 ) and zirconium oxide (ZrO 2 ) is used as the catalyst used for the reforming reaction of benzene and steam. By catalyst is meant the entire catalyst structure comprising nickel and the support. For example, the catalyst may comprise about 55 to 70% by weight of cerium oxide and a support mixed with about 15 to 30% by weight zirconium oxide to increase the surface area for nickel impregnation, about 5 to 15% by weight of transition metal, Preferably it contains nickel (Ni).

여기서, 상기 세륨 산화물 및 지르코늄 산화물과 상승 작용을 하는 금속인 니켈(Ni)은 벤젠의 수증기 개질 반응에 활성화 촉매로서 작용한다. 그리고, 상기 세륨 산화물(CeO2)은 고비점의 탄화수소를 산화시킴으로써 탄화수소의 침적을 억제시킨다. 이를 위해 상기 세륨 산화물 및 지르코늄 산화물을 포함하는 지지체는 25 내지 75 중량%의 세륨 산화물을 함유하는 것이 바람직하다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 촉매 내 고형 탄화수소의 함량은 0.0001 내지 0.3% 정도일 수 있다. 상기 지르코늄 산화물(ZrO2)은 지르코늄(Zr)의 함량이 증가됨에 따라 촉매의 표면적과 니켈(Ni)의 분포도가 향상되어 촉매의 활성을 증가시킨다. Here, nickel (Ni), a metal synergistically with the cerium oxide and zirconium oxide, acts as an activation catalyst in the steam reforming reaction of benzene. In addition, the cerium oxide (CeO 2 ) suppresses the deposition of hydrocarbons by oxidizing a hydrocarbon having a high boiling point. For this purpose, the support including the cerium oxide and zirconium oxide preferably contains 25 to 75% by weight of cerium oxide. According to one embodiment of the invention, the content of the solid hydrocarbon in the catalyst may be about 0.0001 to 0.3%. The zirconium oxide (ZrO 2 ) increases the surface area of the catalyst and the distribution of nickel (Ni) as the content of zirconium (Zr) increases, thereby increasing the activity of the catalyst.

또한, 상기 세륨 산화물(CeO2)과 지르코늄 산화물(ZrO2)를 포함하는 지지체를 갖는 니켈 촉매는 세륨 산화물(CeO2)과 지르코늄 산화물(ZrO2) 각각을 단독 사용한 촉매보다 니켈 촉매의 표면적이 넓고, 산화 환원적 특성이 우수하다. 상기 우수한 산화환원 특성을 갖는 촉매에 의해 수증기 개질 반응에서 생성되는 탄소 성분들이 수증기를 해리흡착하면서 생성된 수산기(hydroxyl group)와 용이하게 반응할 수 있어 촉매 활성을 증가시킬 수 있다. Further, the cerium oxide (CeO 2) and nickel catalyst has a support comprising zirconium oxide (ZrO 2) is cerium oxide (CeO 2) and zirconium oxide (ZrO 2) the surface area of the nickel catalyst wider than the sole use of the catalyst, respectively Excellent redox property. By the catalyst having the excellent redox property, the carbon components generated in the steam reforming reaction can easily react with the hydroxyl group generated while dissociating and adsorbing steam, thereby increasing the catalytic activity.

이에 따라, 상기 세륨 산화물과 지르코늄 산화물을 포함하는 니켈 촉매는 80% 이상의 높은 활성을 가지며, 탄화수소의 침적을 효과적으로 방지하여 촉매 표면을 반응성이 좋은 최적의 상태로 유지할 수 있다. Accordingly, the nickel catalyst including the cerium oxide and zirconium oxide has a high activity of 80% or more, and effectively prevents the deposition of hydrocarbons to maintain the catalyst surface in an optimal state with good reactivity.

반응기(40) 내에서 촉매 표면 상에 공급된 혼합물 중의 벤젠의 탄화수소와 수증기는 신속하게 반응하여 수소(H2)와 일산화탄소(CO)를 포함하는 합성기체를 생성하고, 미량의 이산화탄소(CO2), 수증기(H2O) 및 미반응 메탄(CH4)의 생성과 더불어 발열 반응에 의한 열도 발생된다. 따라서, 고온의 합성기체(H2, CO)는 물을 이용하는 응축기(60)를 통과시켜 냉각시킴으로써 다음 공정에 적합한 온도로 조절된다.The hydrocarbons and water vapor of benzene in the mixture supplied on the catalyst surface in the reactor 40 react rapidly to produce a synthesis gas comprising hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO), and trace amounts of carbon dioxide (CO 2 ). In addition to the generation of water vapor (H 2 O) and unreacted methane (CH 4 ), heat is also generated by the exothermic reaction. Therefore, the high temperature synthesis gas (H 2 , CO) is adjusted to a temperature suitable for the next process by cooling through the condenser 60 using water.

상기 냉각된 합성 기체의 성분양은 가스 라인과 연결된 가스 분석기(70)로 분석될 수 있다. 가스 분석기(70)는 가스 크로마토그래피(GC)를 사용하며, 수소를 분석하는 GC-TCD(Gas Chromatography - Thermal Conductivity Detector)와, 탄소원소를 포함하는 가스들은 분석하는 GC-FID(Gas Chromatography - Flame Ionization Detector)를 포함한다. 여기서, 수소는 생성물 기체로부터 분리되어 재사용될 수 있다. The component amount of the cooled synthesis gas may be analyzed by the gas analyzer 70 connected to the gas line. The gas analyzer 70 uses gas chromatography (GC), a gas chromatography-thermal conductivity detector (GC-TCD) for analyzing hydrogen, and a gas chromatography-flame (GC-FID) for analyzing gases including carbon elements. Ionization Detector). Here, hydrogen can be separated from the product gas and reused.

언급된 바와 같이, 본 발명의 바이오매스 가스화 공정시 발생된 타르의 수증기 개질용 촉매는 탄화수소 침적을 방지하며, 촉매 자체의 반응 활성이 높으며, 활성이 시간에 따라 감소하는 정도가 상용화된 니켈 촉매(Ni/Al2O3/SiO2)에 비해 더 적어 장시간 사용할 수 있다. 구체적으로, 세륨 산화물과 지르코늄 산화물을 혼합 사용하는 니켈 촉매는 표면적이 넓으며, 우수한 산소수송능과 산소저장능을 가져 산화환원적 특성이 높으므로 활성이 더욱 우수함을 알 수 있다. 또한, 상기 세륨 산화물(CeO2) 및 지르코늄 산화물(ZrO2)을 포함하는 니켈 촉매는 고비점의 탄화수소를 산화시킴으로써 탄화수소의 침적을 효과적으로 방지하여 촉매 표면을 반응성이 좋은 최적의 상태로 유지할 수 있다. As mentioned, the tar steam reforming catalyst generated in the biomass gasification process of the present invention prevents the deposition of hydrocarbons, has a high reaction activity of the catalyst itself, and the degree to which the activity decreases with time is commercialized. It is less than Ni / Al 2 O 3 / SiO 2 ) and can be used for a long time. Specifically, it can be seen that the nickel catalyst using a mixture of cerium oxide and zirconium oxide has a wide surface area, has excellent oxygen transport ability and oxygen storage ability, and thus has a high redox characteristic, so that the activity is more excellent. In addition, the nickel catalyst including the cerium oxide (CeO 2 ) and zirconium oxide (ZrO 2 ) can effectively prevent the deposition of hydrocarbons by oxidizing a high boiling point hydrocarbon to maintain the catalyst surface in an optimal state with good reactivity.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매를 이용한 타르의 수증기 개질 방법을 다음과 같이 기술할 수 있다. Hereinafter, a method for steam reforming of tar using a catalyst according to an embodiment of the present invention may be described as follows.

먼저, 세륨 산화물 및 지르코늄 산화물을 포함하는 지지체와, 상기 지지체 내에 담지된 니켈을 포함하는 촉매를 포함하는 반응기(40)을 마련한다. 이때, 상기 촉매의 상기 지지체는 25 내지 75 중량%의 세륨 산화물을 함유할 수 있으며, 상기 니켈은 5 내지 15 중량%의 범위로 포함될 수 있다. 상기 촉매는 타르의 수증기 개질 반응에서 생성되는 탄소 성분들을 수증기의 해리흡착에 의해 생성된 수산기(hydroxyl group)와 용이하게 반응시키는 역할을 한다. First, a reactor 40 including a support including cerium oxide and zirconium oxide and a catalyst containing nickel supported in the support is prepared. In this case, the support of the catalyst may contain 25 to 75% by weight of cerium oxide, the nickel may be included in the range of 5 to 15% by weight. The catalyst serves to easily react the carbon components generated in the steam reforming reaction of tar with a hydroxyl group generated by dissorption and adsorption of steam.

이어서, 바이오매스 가스화 공정시 발생된 타르에 수증기를 혼합하여 혼합물을 형성한다. 일 예로서, 상기 타르의 주요 성분인 벤젠을 사용할 수 있다. 상기 벤젠 및 물은 타르 분해 장비(10)의 혼합기(20)에 주입된다. 이때, 혼합기(20)는 150 내지 180℃의 온도로 예열되어 상기 물을 수증기 상태로 상기 타르와 혼합된다. Subsequently, water vapor is mixed with the tar generated during the biomass gasification process to form a mixture. As an example, benzene, which is a main component of the tar, may be used. The benzene and water are injected into the mixer 20 of the tar cracking equipment 10. At this time, the mixer 20 is preheated to a temperature of 150 to 180 ℃ is mixed with the tar in the water vapor state.

이어서, 상기 혼합물을 반응기(40)로 공급하여 상기 촉매의 존재하에서 상기 타르를 분해한다. 이때, 상기 혼합물을 반응기(40)로 공급하기 위하여 캐리어 가스를 이용한다. 상기 캐리어 가스의 예로는 수소, 헬륨, 질소 등이 사용될 수 있다. 이들 가스는 단독으로 사용되거나, 혼합되어 사용될 수 있다. 상기 혼합물 및 캐리어 가스는 상기 촉매가 수용되어 있는 반응기(40)로 가스 라인(80)을 통해 이송되며, 모든 가스 라인(80, 82, 84)들은 수증기의 응축을 막기 위하여 100 내지 150℃의 온도로 유지된다. 상기 혼합물을 500 내지 750℃의 온도 조건 및 촉매 존재하에서 타르 분해 반응한다. 상기 타르 분해 반응에 의해 수소 및 일산화탄소를 포함하는 합성 가스를 포함하는 반응물을 얻을 수 있다. The mixture is then fed to reactor 40 to decompose the tar in the presence of the catalyst. At this time, a carrier gas is used to supply the mixture to the reactor 40. Examples of the carrier gas may include hydrogen, helium, nitrogen, and the like. These gases may be used alone or in combination. The mixture and carrier gas are passed through a gas line 80 to a reactor 40 in which the catalyst is contained, all of the gas lines 80, 82, 84 having a temperature of 100 to 150 ° C. to prevent condensation of water vapor. Is maintained. The mixture is tar cracked under temperature conditions of 500 to 750 ° C. and in the presence of a catalyst. By the tar decomposition reaction, a reactant including a synthesis gas containing hydrogen and carbon monoxide can be obtained.

여기서, 상기 반응물은 발열 반응에 의해 고온으로 생성되므로, 반응물을 저장하기 이전에 냉각시키는 냉각 공정을 수행할 수 있다. 상기 반응물의 냉각은 응축기(60)를 통해 수행되며, 수소 기체는 상기 반응물 기체로부터 분리되어 저장될 수 있다. Here, since the reactants are generated at a high temperature by an exothermic reaction, a cooling process may be performed to cool the reactants before storing them. Cooling of the reactants is carried out through the condenser 60, the hydrogen gas may be stored separated from the reactant gas.

상기와 같이, 세륨 산화물(CeO2) 및 지르코늄 산화물(ZrO2)을 포함하는 니켈 촉매를 사용한 타르의 수증기 개질 공정에서는 반응 시간이 증가하여도 촉매의 활성 감소가 매우 적어 촉매의 교체없이 장시간 공정을 수행할 수 있다. 또한, 기존의 니켈 촉매보다 우수한 활성을 갖는 촉매를 사용함으로써, 바이오매스 가스화 공정에서 발생된 타르의 분해 효율이 증가될 수 있다. As described above, in the steam reforming process of tar using a nickel catalyst containing cerium oxide (CeO 2 ) and zirconium oxide (ZrO 2 ), even if the reaction time increases, the decrease in the activity of the catalyst is very small. Can be done. In addition, by using a catalyst having better activity than the conventional nickel catalyst, the decomposition efficiency of tar generated in the biomass gasification process can be increased.

상술한 타르의 수증기 개질용 촉매 및 이를 이용한 타르의 수증기 개질 방법은 이하의 실시예들로서 더욱 상세히 설명하는 바, 본 발명의 범위가 이들 실시예들에 국한되는 것은 아님을 밝혀 둔다. The above-described tar reforming catalyst for tar and steam reforming tar using the same will be described in more detail with reference to the following examples, and the scope of the present invention is not limited to these examples.

활성이 우수한 타르의 수증기 Tar water vapor with good activity 개질용For reforming 니켈 촉매 제조 Nickel catalyst manufacturers

바이오매스 가스화 공정에서 발생된 타르의 수증기 개질용 촉매는 공침법(coprecipitation)을 이용하여 제조된 지지체를 하기 실시예 1~3 및 비교예 1~5에서와 같이 준비하고, 상기 지지체를 니켈 전구체 수용액에 담지시킨 다음 건조 및 소성시켜 제조하였다. The tar steam reforming catalyst generated in the biomass gasification process is prepared by using a coprecipitation method as in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 5, and the support is a nickel precursor aqueous solution It was prepared by supporting it, then drying and baking.

실시예Example 1 One

타르의 수증기 개질용 촉매용 금속 산화물 지지체는 세륨 산화물(Cerium oxide)과 지르코늄 산화물(zirconium oxide)을 75 : 25의 중량비로 반응시켜 공침법(coprecipitation)으로 제조하였다. 이어서, 니켈 전구체인 니켈 질산 수용액(Ni(NO3)3·6H2O)에 상기 지지체를 넣고 녹이는 담지 공정을 수행하였으며, 내부에 침전물이 생성되었다. 상기 침전물이 존재하는 용액을 약 120℃ 정도의 온도에서 건조기에서 2시간 동안 증발시켰다. 이때, 상기 담지 공정 및 건조 공정은 원하는 양의 니켈(Ni)이 담지될 때까지 반복하였다. 이어서, 상기 증발된 침전물을 약 120℃ 온도의 건조기에서 약 24시간 동안 완전히 건조시킨 후 공기 분위기에서 약 500℃ 정도의 온도에서 약 5시간 동안 소성시킴으로써, 타르의 수증기 개질용 촉매를 제조하였다. 이때, 상기 니켈의 중량은 전체 촉매 중량의 약 15 중량%이 되도록 제조되었다. Tar metal vapor support for steam reforming was prepared by coprecipitation by reacting cerium oxide and zirconium oxide in a weight ratio of 75:25. Subsequently, a supporting process was performed in which the support was placed in an aqueous nickel nitrate solution (Ni (NO 3 ) 3 .6H 2 O), which was a nickel precursor, and dissolved, and a precipitate was formed therein. The solution in which the precipitate is present was evaporated for 2 hours in a dryer at a temperature of about 120 ℃. At this time, the supporting process and drying process was repeated until the desired amount of nickel (Ni) is supported. Subsequently, the evaporated precipitate was completely dried in a dryer at a temperature of about 120 ° C. for about 24 hours and then calcined at about 500 ° C. in an air atmosphere for about 5 hours to prepare a catalyst for tar reforming of steam. At this time, the weight of the nickel was prepared to be about 15% by weight of the total catalyst weight.

실시예Example 2 2

실시예 2는 실시예 1과 실질적으로 동일한 방법으로 타르의 수증기 개질용 촉매를 제조하되, 실시예 1과는 달리 니켈의 중량을 전체 촉매 중량의 약 10 중량%가 되도록 제조되었다. Example 2 prepared a catalyst for steam reforming of tar in substantially the same manner as in Example 1, but, unlike Example 1, the weight of nickel was made to be about 10% by weight of the total catalyst weight.

실시예Example 3 3

실시예 3은 실시예 1과 실질적으로 동일한 방법으로 타르의 수증기 개질용 촉매를 제조하되, 실시예 1과는 달리 니켈의 중량을 전체 촉매 중량의 약 5 중량%가 되도록 제조되었다. Example 3 prepared a catalyst for steam reforming of tar in substantially the same manner as in Example 1, but unlike Example 1, the weight of nickel was made to be about 5% by weight of the total catalyst weight.

비교예Comparative example 1 One

비교예 1은 실시예 1과 실질적으로 동일한 방법으로 타르의 수증기 개질용 촉매를 제조하되, 실시예 1과는 달리 금속 산화물 지지체로서 알루미늄 산화물(Al2O3)을 포함하는 지지체를 제조하였다.Comparative Example 1 prepared a catalyst for steam reforming of tar in substantially the same manner as in Example 1, but unlike Example 1, a support including aluminum oxide (Al 2 O 3 ) as a metal oxide support was prepared.

비교예Comparative example 2 2

비교예 2는 실시예 1과 실질적으로 동일한 방법으로 타르의 수증기 개질용 촉매를 제조하되, 실시예 1과는 달리 금속 산화물 지지체로서 세륨 산화물(CeO2)을 포함하는 지지체를 제조하였다.Comparative Example 2 prepared a catalyst for steam reforming of tar in substantially the same manner as in Example 1, but unlike Example 1, a support including cerium oxide (CeO 2 ) as a metal oxide support was prepared.

비교예Comparative example 3 3

비교예 3은 실시예 1과 실질적으로 동일한 방법으로 타르의 수증기 개질용 촉매를 제조하되, 실시예 1과는 달리 금속 산화물 지지체로서 지르코늄 산화물(ZrO2)을 포함하는 지지체를 제조하였다.Comparative Example 3 prepared a catalyst for steam reforming of tar in substantially the same manner as in Example 1, but unlike Example 1, a support including zirconium oxide (ZrO 2 ) as a metal oxide support was prepared.

비교예Comparative example 4 4

비교예 4는 실시예 1과 실질적으로 동일한 방법으로 타르의 수증기 개질용 촉매를 제조하되, 실시예 1과는 달리 금속 산화물 지지체로서 감람석(Olivine)을 포함하는 지지체를 사용하였다. 이때, 상기 감람석의 조성은 SiO2 36.1중량%, MgO 35.1중량%, Fe2O3 12.3중량%, CaO 3.4중량% 및 Al2O3 1.3중량%이다. 또한, 상기 촉매는 담지법(incipient wetness method)이 아니라 함침법(excess solution impregnation method)으로 니켈을 함침시켰으며, 약 110℃ 온도의 건조기에서 24시간 동안 건조시킨 후 공기 분위기에서 약 550℃ 정도의 온도에서 5시간 동안 소성시켰다. Comparative Example 4 prepared a catalyst for steam reforming of tar in substantially the same manner as in Example 1, but unlike Example 1, a support including olivine was used as the metal oxide support. At this time, the composition of the olivine is SiO 2 36.1% by weight, MgO 35.1% by weight, Fe 2 O 3 12.3% by weight, CaO 3.4% by weight and Al 2 O 3 1.3% by weight. In addition, the catalyst was impregnated with nickel (excess solution impregnation method), not the incipient wetness method, and after drying for 24 hours in a dryer of about 110 ℃ temperature of about 550 ℃ in the air atmosphere It was calcined at the temperature for 5 hours.

비교예Comparative example 5 5

비교예 5는 실리콘 산화물과 알루미늄 산화물을 포함하는 지지체 내에 니켈을 담지한 상용화된 니켈 촉매(Ni/Al2O3-SiO2)(상품명 : Katalco 46-6Q, 제조사 : Johnson & Mattheys)를 준비하였다. 이때, 상기 상용화된 니켈 촉매의 니켈의 중량은 전체 촉매 중량의 16 중량%이다. Comparative Example 5 prepared a commercially available nickel catalyst (Ni / Al 2 O 3 -SiO 2 ) (trade name: Katalco 46-6Q, manufacturer: Johnson & Mattheys) supporting nickel in a support including silicon oxide and aluminum oxide. . At this time, the weight of nickel of the commercially available nickel catalyst is 16% by weight of the total catalyst weight.

타르의 수증기 Tar vapor 개질용For reforming 니켈 촉매의 활성 평가 Activity Evaluation of Nickel Catalyst

상기 실시예 1~3 및 비교예 1~5에 의해 제조된 각각의 니켈 촉매의 활성 시험시 압력 저하가 발생하는 것을 피하기 위해, 펠레트화 및 분쇄 공정을 수행하여 20 내지 50 mesh 범위의 크기로 선별하였다. 이어서, 상기 니켈 촉매를 이용하여 타르의 수증기 개질용 타르 분해 장비에서 벤젠을 수증기 개질 반응시켜 활성을 평가하였다. 이때, 상기 벤젠은 일반적인 바이오매스 가스화 공정 시 발생되는 타르의 함량(5~75g/Nm3)의 약 800 배가 넘는 함량으로 제공되었다. In order to avoid the pressure drop in the activity test of each of the nickel catalysts prepared by Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 5, the pelletizing and pulverizing process was performed to select a size in the range of 20 to 50 mesh. It was. Subsequently, the activity was evaluated by steam reforming benzene in the tar cracking equipment for tar steam reforming using the nickel catalyst. At this time, the benzene was provided in an amount of more than about 800 times the content of tar (5-75 g / Nm 3 ) generated in the general biomass gasification process.

구체적으로, 타르 분해 장비를 준비하여 예열, 공냉시키고, 상기 실시예 1~3 및 비교예 1~5의 타르의 수증기 개질용 니켈 촉매 약 0.3g을 반응기 내에 공급하였다. 이때, 상기 니켈 촉매는 약 10%의 수소 및 헬륨의 혼합 가스를 100ml/분으로 제공하면서, 약 750℃의 온도로 3시간 동안 환원시켰다. 상기 타르의 주요 성분인 벤젠과 물을 혼합기에 일차로 혼합하여 혼합물을 형성시켰으며, HPLC(High performance liquid chromatography) 펌프를 사용하여 각각 0.7ml/분, 1.0 ml/분의 속도로 반응기로 주입하였다. 상기 반응기 내부는 550 내지 700℃의 온도를 유지하였으며, 약 1시간 동안 반응이 수행되었다. 이때, 캐리어 가스로 질소가 사용되었으며, 40ml/분의 속도로 주입되었다.Specifically, tar decomposition equipment was prepared, preheated and air cooled, and about 0.3 g of the tar catalyst for reforming the tar of the tars of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 5 was supplied into the reactor. At this time, the nickel catalyst was reduced to a temperature of about 750 ℃ for 3 hours while providing a mixture gas of about 10% hydrogen and helium at 100ml / min. Benzene and water, which are the main components of the tar, were first mixed into a mixer to form a mixture, and injected into the reactor at a rate of 0.7 ml / min and 1.0 ml / min using an HPLC (High performance liquid chromatography) pump, respectively. . The inside of the reactor was maintained at a temperature of 550 to 700 ℃, the reaction was performed for about 1 hour. At this time, nitrogen was used as a carrier gas and injected at a rate of 40 ml / min.

반응 후 생성된 가스는 10분 간격으로 테플론 가스 봉투를 이용하여 샘플링 하였다. 샘플링된 가스는 주사기를 이용하여 가스 분석기로서 GC에 주입되였다. 구체적으로, 수소는 GC-TCD로 분석하였으며, 운반가스로 아르곤(Ar)을 사용하였다. 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄은 GC-FID로 분석하였으며, 운반가스로 헬륨(He)을 사용하였다. 모든 GC에 사용된 칼럼은 5ft×1/8"의 carboxen 1000(Supelco사)이며, 약 40℃의 온도에서 약 1분 동안 유지하고 20℃/분의 속도로 225℃의 온도까지 승온시킨 다음 최종적으로 1분간 유지한 후 벤젠의 전환율 및 생성 가스를 분석하였다.The gas produced after the reaction was sampled using a Teflon gas bag at 10 minute intervals. The sampled gas was injected into the GC as a gas analyzer using a syringe. Specifically, hydrogen was analyzed by GC-TCD, and argon (Ar) was used as a carrier gas. Carbon monoxide, carbon dioxide, and methane were analyzed by GC-FID, and helium (He) was used as a carrier gas. The column used for all GCs was a 5ft × 1/8 ”carboxen 1000 (Supelco), held at a temperature of about 40 ° C. for about 1 minute, heated up to a temperature of 225 ° C. at a rate of 20 ° C./min, and finally After maintaining for 1 minute to benzene conversion and product gas was analyzed.

이때, 벤젠의 전환율은 아래의 식(1)을 이용하여 계산하였다.At this time, the conversion rate of benzene was calculated using the following formula (1).

Figure 112007075850129-pat00001
Figure 112007075850129-pat00001

[B] : Benzene의 몰농도(mol%)[B]: Benzene molarity (mol%)

상기 타르의 주요 성분인 벤젠의 수증기 개질 공정에서의 사용된 지지체의 종류에 따른 촉매 활성 평가는 표 1에 개시되어 있다. 이때, 표 1의 실시예 1~3의 촉매에서 CeO2 ZrO2의 함량비(중량%)는 75:25이다. Evaluation of the catalytic activity according to the type of support used in the steam reforming process of benzene, which is the main component of the tar, is shown in Table 1. At this time, CeO 2 and in the catalyst of Examples 1 to 3 of Table 1 The content ratio (wt%) of ZrO 2 is 75:25.

[표 1] 실시예 1~3 및 비교예 1~5로 제조된 벤젠 수증기 개질용 촉매의 활성Table 1 Activity of the catalyst for benzene steam reforming prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 5

Figure 112007075850129-pat00002
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상기 표 1에 기재된 상기 실시예 1~3 및 비교예 1~5에 대한 촉매의 활성 평가 결과를 살펴보면, 반응 온도와 니켈의 함량이 증가함에 따라 벤젠의 전환율이 증가하였으며, 벤젠의 전환율을 기준으로 할 경우 촉매 활성은 Ni/ZrO2 < Ni/CeO2 < Ni/Al2O3 < Ni/CeO2(75%)/ZrO2(25%)의 순으로 증가되었음을 알 수 있었다. Looking at the results of the evaluation of the activity of the catalyst for Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 5 described in Table 1, as the reaction temperature and the content of nickel increased the conversion of benzene increased, based on the conversion of benzene In this case, it was found that the catalytic activity was increased in the order of Ni / ZrO 2 <Ni / CeO 2 <Ni / Al 2 O 3 <Ni / CeO 2 (75%) / ZrO 2 (25%).

또한, 본 발명의 15 중량%의 니켈이 담지된 니켈 촉매는 상용화된 16중량%의 니켈이 담지된 촉매 Katalpo 46-6Q에 비교할 경우 동일한 반응 온도 조건에서 보다 우수한 촉매 활성을 갖는 것을 알 수 있었다. In addition, it was found that the nickel catalyst of 15 wt% nickel of the present invention had better catalytic activity under the same reaction temperature conditions as compared to 16 wt% of nickel supported catalyst Katalpo 46-6Q.

또한, 상기 비교예 1의 산화 알루미늄(Al2O3)을 포함하는 지지체를 사용한 니켈 촉매에 비해 낮은 표면적에도 불구하고 상기 실시예 1의 세륨 산화물(CeO2)과 지르코늄 산화물(ZrO2)을 혼합한 지지체를 사용하는 니켈 촉매가 더 높은 활성을 갖는 것을 알 수 있었다. 이를 확인하기 위해 승온 환원법(Temperature-programmed reduction : TPR) 실험을 수행하였다. In addition, the cerium oxide (CeO 2 ) and the zirconium oxide (ZrO 2 ) of Example 1 are mixed despite the lower surface area compared to the nickel catalyst using the support including aluminum oxide (Al 2 O 3 ) of Comparative Example 1. It was found that the nickel catalyst using one support had higher activity. Temperature-reduction (TPR) experiments were performed to confirm this.

도 2는 실시예 1에 따른 촉매의 승온 환원법(TPR) 실험시 수소 소비량과 비교예 1~3 및 비교예 5에 따른 촉매의 승온 환원법(TPR) 실험시 수소 소비량을 나타내는 그래프이다. 도 2에 있어서, 상기 "I"는 실시예 1에 따른 촉매를 사용한 경우이며, "Ⅱ"는 비교예 3에 따른 촉매를 사용한 경우이며, "Ⅲ"는 비교예 2에 따른 촉매를 사용한 경우이며, "Ⅳ"는 비교예 1에 따른 촉매를 사용한 경우이며, "Ⅴ"는 비교예 5에 따른 촉매를 사용한 경우에서의 승온 환원법(TPR) 실험시 수소 소비량을 나타낸다. Figure 2 is a graph showing the hydrogen consumption in the temperature reduction method (TPR) experiment of the catalyst according to Example 1 and the hydrogen consumption in the temperature reduction method (TPR) experiment of the catalyst according to Comparative Examples 1 to 3 and Comparative Example 5. In FIG. 2, "I" is a case using the catalyst according to Example 1, "II" is a case using the catalyst according to Comparative Example 3, and "III" is a case using the catalyst according to Comparative Example 2. , "IV" is the case of using the catalyst according to Comparative Example 1, "V" is the hydrogen consumption in the temperature reduction method (TPR) experiment when using the catalyst according to Comparative Example 5.

도 2를 참조하면, 세륨 산화물(CeO2), 지르코늄 산화물(ZrO2) 및 세륨 산화물과 지르코늄 산화물의 혼합물(CeO2/ZrO2)을 포함하는 촉매들은 대체적으로 높은 환원성을 가짐을 확인하였다. 이때, 상기 실시예 1(I)의 니켈 촉매(Ni/CeO2/ZrO2)는 두 곳에서 등성이를 보이며 가장 넓은 peak 면적을 갖음을 확인하였다. 또한, 상기 실시예 1(I)의 니켈 촉매가 상기 비교예 1(Ⅳ)의 산화 알루미늄을 포함하는 니켈 촉매(Ni/Al2O3)에 비해 상대적으로 높은 환원성을 갖음을 확인하였고, 상기 비교예 5(Ⅴ)의 상용화된 니켈 촉매(Ni/Al2O3/SiO2)에 비해서도 높은 환원성을 갖음을 확인하였다. 따라서, 본 발명의 우수한 산화환원 특성을 갖는 니켈 촉매는 수증기 개질 반응에서 생성되는 탄소 성분들을 수증기가 해리흡착하면서 생성된 수산기(hydroxyl group)와 용이하게 반응시킬 수 있으며, 향상된 촉매 활성을 갖는 것으로 나타났다. Referring to FIG. 2, it was confirmed that catalysts including cerium oxide (CeO 2 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), and a mixture of cerium oxide and zirconium oxide (CeO 2 / ZrO 2 ) generally have high reducibility. At this time, the nickel catalyst (Ni / CeO 2 / ZrO 2 ) of Example 1 (I) showed isotropy at two locations and had the widest peak area. In addition, it was confirmed that the nickel catalyst of Example 1 (I) has a relatively high reducibility compared to the nickel catalyst (Ni / Al 2 O 3 ) containing aluminum oxide of Comparative Example 1 (IV). It was confirmed that the present invention had high reducibility compared to the commercially available nickel catalyst of Example 5 (V) (Ni / Al 2 O 3 / SiO 2 ). Therefore, the nickel catalyst having excellent redox properties of the present invention can be easily reacted with the hydroxyl group generated by dissorption and adsorption of steam components of the carbon components generated in the steam reforming reaction, and has been shown to have improved catalytic activity. .

도 3은 실시예 1에 따른 촉매를 사용한 벤젠의 수증기 개질 공정에서 반응시간에 따라 계산된 벤젠의 전환율과 비교예 1 및 비교예 5에 따른 촉매를 사용한 벤젠의 수증기 개질 공정에서의 반응 시간에 따라 계산된 벤젠의 전환율을 나타내는 그래프이다. 도 3에 있어서, "■"는 비교예 1에 따른 촉매를 사용한 경우이며, "●"는 비교예 5에 따른 촉매를 사용한 경우이며, "▲"는 실시예 1에 따른 촉매를 사용한 경우에 있어서의 수증기 개질 공정 시간에 따른 벤젠의 전환율을 나타낸다. 또한, 표 2에서는 상기 타르의 주요 성분인 벤젠의 수증기 개질 공정에서의 촉매 사용에 따라 발생된 고형 탄화수소(coke, 이하 '코크'라고 한다)의 함유율을 제시하고 있다. 이때, 상기 표 2의 코크양은 총 니켈 촉매에 대한 코크양을 백분율로 구한 값이다.3 shows the conversion of benzene calculated by reaction time in the steam reforming process of benzene using the catalyst according to Example 1 and the reaction time of the steam reforming process of benzene using the catalysts according to Comparative Examples 1 and 5 It is a graph showing the calculated conversion of benzene. In FIG. 3, "■" is the case where the catalyst according to Comparative Example 1 is used, "●" is the case when the catalyst according to Comparative Example 5 is used, and "▲" is the case where the catalyst according to Example 1 is used. This shows the conversion of benzene over the steam reforming process time. In addition, Table 2 shows the content of solid hydrocarbons (coke, hereinafter referred to as 'coke') generated by the use of a catalyst in the steam reforming process of benzene, which is a major component of the tar. At this time, the amount of coke in Table 2 is a value obtained by calculating the amount of coke relative to the total nickel catalyst as a percentage.

[표 2] 실시예 1 및 비교예 1, 5로 제조된 촉매로 벤젠의 수증기 개질 반응시 발생된 코크양[Table 2] Coke amount generated during the steam reforming reaction of benzene with catalysts prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 5

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도 3을 참조하면, 실시예 1에 따른 니켈 촉매를 사용하는 경우가 비교예 1 및 비교예 5에 따른 니켈 촉매에 비해 벤젠의 수증기 개질 반응의 초기 벤젠의 전환율이 80% 이상으로 높으며, 반응 시간에 따른 벤젠의 전환율의 감소가 훨씬 작게 발생되는 것으로 나타났다. 이러한 결과는, 상기 표 2에 기재된 상기 실시예 1 및 비교예 1, 5로 제조된 촉매의 열처리시 발생되는 코크양을 관련시켜 설명할 수 있으며, 상기 코크양은 촉매 수명을 저하시키는 요인으로 작용됨을 알 수 있다. 즉, 상기 비교예 1 및 5에 따른 지지체를 포함하는 니켈 촉매의 경우에는 니켈 촉매 내부에 고형 탄화수소(코크)가 각각 17.4%, 8.3%로 생성되어 촉매의 활성 반응을 감소시키며, 상기 벤젠의 전환율도 큰 폭으로 감소됨을 알 수 있었다. 그러나, 본 발명의 상기 실시예 1에 따른 니켈 촉매는 코크양이 0.1%로 거의 생성되지 않아 코크에 의한 촉매의 활성 저하가 매우 적은 것을 알 수 있었다. Referring to FIG. 3, when the nickel catalyst according to Example 1 is used, the conversion rate of the initial benzene in the steam reforming reaction of benzene is higher than 80% compared to the nickel catalysts according to Comparative Examples 1 and 5, and the reaction time is higher. The decrease in the conversion of benzene was found to occur much smaller. These results can be explained in relation to the amount of coke generated during the heat treatment of the catalysts prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 5 described in Table 2, and the amount of coke acts as a factor that lowers the catalyst life. Able to know. That is, in the case of the nickel catalyst including the support according to Comparative Examples 1 and 5, solid hydrocarbons (coke) are generated at 17.4% and 8.3%, respectively, in the nickel catalyst to reduce the active reaction of the catalyst, and the conversion rate of benzene It can be seen that also greatly reduced. However, it was found that the nickel catalyst according to Example 1 of the present invention had almost no coke amount of 0.1%, so that the activity of the catalyst caused by coke was very low.

이와 같이, 타르의 수증기 개질 공정에 사용되는 본 발명의 니켈 촉매(Ni/CeO2/ZrO2)는 세륨 산화물 및 지르코늄 산화물을 혼합한 지지체를 사용함으로써, 기존의 상용화된 니켈 촉매(Ni/Al2O3/SiO2)에 비해 타르 분해 반응의 활성이 우수하고, 시간이 경과하더라도 활성 감소가 적어 교체없이 장시간 이용할 수 있다. 따라서, 바이오매스 가스화 공정에서 발생된 타르의 촉매적 수증기 개질 반응에 의 한 분해 효율을 증가시킬 수 있다. As described above, the nickel catalyst (Ni / CeO 2 / ZrO 2 ) of the present invention used in the steam reforming process of tar is used by using a support mixed with cerium oxide and zirconium oxide, thereby making it a commercially available nickel catalyst (Ni / Al 2). Compared to O 3 / SiO 2 ), the activity of tar decomposition is excellent, and the activity decreases little over time, and thus can be used for a long time without replacement. Therefore, the decomposition efficiency by the catalytic steam reforming reaction of tar generated in the biomass gasification process can be increased.

상술한 본 발명의 타르의 수증기 개질용 니켈 촉매는 세륨 산화물 및 지르코늄 산화물을 혼합한 지지체를 사용함으로써, 기존의 상용화된 니켈 촉매(Ni/Al2O3/SiO2)에 비해 타르 분해(cracking)의 활성이 우수하고, 시간이 경과하더라도 활성 감소가 적어 교체없이 장시간 이용할 수 있다. 따라서, 바이오매스 가스화 공정에서 발생된 타르의 촉매적 수증기 개질 반응에 의한 분해 효율을 증가시킬 수 있다. The tar catalyst for reforming tar of the present invention uses a support mixed with cerium oxide and zirconium oxide, thereby cracking tar compared to conventional commercially available nickel catalysts (Ni / Al 2 O 3 / SiO 2 ). The activity of is excellent, and even if time passes, there is little activity decrease and can use for a long time without replacement. Therefore, the decomposition efficiency by the catalytic steam reforming reaction of tar generated in the biomass gasification process can be increased.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to the preferred embodiments of the present invention, those of ordinary skill in the art may vary the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention described in the claims below. It will be appreciated that modifications and variations can be made.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수증기 개질 공정이 수행되는 타르 분해 챔버를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.1 is a schematic diagram illustrating a tar decomposition chamber in which a steam reforming process is performed according to an embodiment of the present invention.

도 2는 실시예 1에 따른 촉매의 승온 환원법(TPR) 실험시 수소 소비량과 비교예 1~3 및 비교예 5에 따른 촉매의 승온 환원법(TPR) 실험시 수소 소비량을 나타내는 그래프이다. Figure 2 is a graph showing the hydrogen consumption in the temperature reduction method (TPR) experiment of the catalyst according to Example 1 and the hydrogen consumption in the temperature reduction method (TPR) experiment of the catalyst according to Comparative Examples 1 to 3 and Comparative Example 5.

도 3은 실시예 1에 따른 촉매를 사용한 벤젠의 수증기 개질 공정에서 반응시간에 따라 계산된 벤젠의 전환율과 비교예 1 및 비교예 5에 따른 촉매를 사용한 벤젠의 수증기 개질 공정에서의 반응 시간에 따라 계산된 벤젠의 전환율을 나타내는 그래프이다.3 shows the conversion of benzene calculated by reaction time in the steam reforming process of benzene using the catalyst according to Example 1 and the reaction time of the steam reforming process of benzene using the catalysts according to Comparative Examples 1 and 5 It is a graph showing the calculated conversion of benzene.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

10 : 타르 분해 장비 20 : 혼합기10: tar decomposition equipment 20: mixer

30 : 가스 제공부 40 : 반응기30: gas providing unit 40: reactor

50 : 가열기 52 : 온도 조절기50: heater 52: thermostat

60 : 응축기 70 : 가스 분석기60: condenser 70: gas analyzer

80 : 가스 라인80: gas line

Claims (6)

바이오매스(biomass) 가스화 공정시 발생되는 타르(tar)의 수증기 개질 공정에서 700 내지 750℃의 온도에서 사용되며, 세륨 산화물 및 지르코늄 산화물을 포함하는 지지체와 상기 지지체 내에 담지된 니켈을 포함하되, 전체 촉매 중에서 상기 니켈은 15 중량%를 포함하고, 상기 세륨 산화물과 상기 지르코늄 산화물의 혼합 중량비는 75% : 25%인 것을 특징으로 하는 타르의 수증기 개질용 촉매.It is used at a temperature of 700 to 750 ° C. in a tar steam reforming process generated during a biomass gasification process, and includes a support including cerium oxide and zirconium oxide and nickel supported on the support. In the catalyst, the nickel contains 15% by weight, and the mixed weight ratio of the cerium oxide and the zirconium oxide is 75%: 25% of the catalyst for steam reforming of tar. 삭제delete 삭제delete 세륨 산화물 및 지르코늄 산화물을 포함하는 지지체와 상기 지지체 내에 담지된 니켈을 포함하되, 전체 촉매 중에서 상기 니켈은 15 중량%를 포함하고, 상기 세륨 산화물과 상기 지르코늄 산화물의 혼합 중량비는 75% : 25%인 것을 특징으로 하는 촉매를 포함하는 반응기를 마련하는 단계;A support comprising cerium oxide and zirconium oxide and nickel supported in the support, wherein the nickel comprises 15 wt% of the total catalyst, and the mixed weight ratio of the cerium oxide and the zirconium oxide is 75%: 25% Providing a reactor comprising a catalyst; 바이오매스 가스화 공정시 발생된 타르에 수증기를 혼합하여 혼합물을 생성하는 단계; 및 Mixing water vapor with tar generated during the biomass gasification process to generate a mixture; And 상기 혼합물을 반응기로 공급하여 상기 촉매의 존재하에서 700 내지 750℃의 온도에서 상기 타르를 분해하는 단계를 포함하는 타르의 수증기 개질 방법.Supplying the mixture to a reactor to decompose the tar at a temperature of 700 to 750 ° C. in the presence of the catalyst. 삭제delete 삭제delete
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