KR101421825B1 - 수증기-이산화탄소 개질에 의한 합성가스 제조용 촉매 및 이를 이용한 합성가스 제조방법 - Google Patents

수증기-이산화탄소 개질에 의한 합성가스 제조용 촉매 및 이를 이용한 합성가스 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이산화탄소를 이용한 천연가스로부터 합성가스 제조용 촉매, 특히 수증기-이산화탄소 개질에 의한 합성가스 제조에 유용한 촉매에 관한 것으로, 본 발명에 따른 촉매는 1) 건식혼합을 이용하여 세륨으로 수식된 지르코니아 및 알루미나 담체를 제조하는 단계; 2) 니켈 및 마그네슘 산화물 분말을 각각 준비하는 단계; 및 3) 단계 1)의 담체 분말과 단계 2)의 금속 분말을 혼합하여 소성하는 단계를 포함하는 방법에 의해 제조된다. 본 발명에 따른 촉매를 사용하여 제조된 합성가스의 수소/일산화탄소의 비율이 2.0±0.2로 조절될 수 있어 합성석유화학제품(왁스, 나프타, 디젤 등)을 생산하는데 효율적인 합성가스를 용이하게 제공할 수 있다.

Description

수증기-이산화탄소 개질에 의한 합성가스 제조용 촉매 및 이를 이용한 합성가스 제조방법{CATALYSTS FOR PREPARING SYN-GAS BY STEAM-CARBON DIOXIDE REFORMING REACTION AND PROCESS FOR PREPARING SYN-GAS USING SAME}
본 발명은 이산화탄소를 이용한 천연가스로부터 합성가스 제조용 촉매, 특히 수증기-이산화탄소 개질(SCR)에 의한 합성가스 제조에 유용한 촉매 및 그 제조방법에 관한 것이다.
촉매와 산화제를 사용하여 천연가스의 주성분인 메탄으로부터 수소와 일산화탄소의 혼합물, 이른바 합성가스를 제조하는 개질공정은 이미 오래전에 공업화되어 화학산업의 중요한 기초공정이 되고 있다.
메탄의 개질공정에 의해 제조되는 합성가스는 C1 화학의 근간이 되는 물질로서 메탄올, 수소, 암모니아 등을 제조하는 공정에 적용되고 있으며, 최근 들어서는 합성가스 제조를 통한 액체 연료나 산소함유 화합물의 생산이 천연가스의 중요한 활용 방법으로 등장하고 있다.
탄화수소로부터 합성가스를 제조하기 위한 산화제로서 산소, 수증기, 이산화탄소 또는 이들의 혼합기체가 사용되어 왔고, 이러한 산화제의 종류에 따라 각각 다른 특성의 촉매를 개발하는 연구가 많이 진행되어 왔다.
메탄으로부터 합성가스를 제조하는 개질 방법으로는 수증기 개질반응, 이산화탄소 개질반응, 부분산화 개질반응, 자열 개질반응, 삼중개질반응 등이 있다.
그 중에서 수증기 개질반응은 다음 반응식 1에 따라 진행되며, 주로 니켈계 촉매가 사용되고 있다.
반응식 1
CH4 + H2O → CO + 3H2, △Hㅀ298 = +206 kJ/mol
이러한 수증기 개질공정에서는 개질촉매의 탄소 침적에 의한 촉매 비활성화 방지가 가장 중요한 문제로 지적되고 있다. 상기 탄소 침적은 반응물 중의 수소원자 : 탄소원자의 몰비 및 산소원자 : 탄소원자의 몰비에 의해 열역학적으로 계산될 수 있기 때문에, 메탄의 수증기 개질공정에서는 탄소침적에 의한 촉매 비활성화를 막기 위해 수증기를 과량 첨가하여 수소원자 : 탄소원자의 몰비 및 산소원자 : 탄소원자의 몰비를 높여 사용하였다. 이에 따라, 수성가스화 반응이 상대적으로 촉진되어 수소 : 일산화탄소의 몰비가 3 : 1 이상인 합성가스가 얻어지는 바, 높은 수소함량을 필요로 하는 암모니아 제조 공정 또는 고농도의 수소 제조를 위한 합성가스 공정에 적합하다. 현재 공업적으로 사용되는 메탄의 수증기 개질공정은 730 ~ 860 ℃, 20 ~ 40 기압에서 메탄 : 수증기의 몰비가 1 : 4 ~ 6인 조건에서 운전되고 있다.
한편, 수증기 개질반응에서 촉매로서 거의 대부분 니켈계 촉매가 사용되고 있다. 그러나 탄소침적에 의한 촉매 비활성화로 촉매수명이 단축된다는 문제가 있다 [S.H. Lee, W.C. Cho, W.S. Ju, B.H. Cho, Y.C. Lee, Y.S. Baek, Catal. Today 84 (2003) 133]. 기존의 수증기 개질 촉매보다 우수한 개질 촉매가 공업용 촉매로 개발되기 위해서는 코크 저항성뿐만 아니라 열안정성 및 기계적 안정성을 갖추어야 하는데, 이를 충족시키기 위해서는 수증기 개질 촉매의 α-알루미나 담체와 같이 적절한 담체의 선정이 매우 중요하다.
상기 수증기 개질 촉매로서 지르코니아 담지 촉매가 일부 알려져 있다. 즉, 탄화수소의 수증기 개질 촉매로서 니켈에 코발트를 첨가한 지르코니아 담지 니켈 촉매가 공개된바 있고[미국특허 제4,026,823호(1975)], 또 다른 방법으로 니켈 촉매에 란타늄, 세륨 등의 금속과 은의 적정 비율을 조촉매로 첨가한 것을 일반적인 담체인 알루미나, 실리카, 마그네시아, 지르코니아 등에 담지한 촉매가 공개된 바 있다[미국특허 제4,060,498호]. 그리고, 지르코니아와 알루미나의 혼합 담체에 이리듐을 담지한 탄화수소의 수증기 개질 촉매가 각각 공개된바 있다[미국특허 제4,297,205호(1980), 제4,240,934호(1978)]. 그러나, 상기 방법들의 경우 높은 공간속도에서 수증기 개질반응에 적용할 경우 활성이 낮아지거나 촉매가 비활성화되는 문제가 있어 지르코니아를 수증기 개질 반응에 이용하기 위해서는 반응의 활성 및 고온에서의 열안정성, 그리고 높은 기체 공간속도에서의 활성을 유지할 수 있도록 수식할 필요가 있다.
이와 관련하여 한국특허등록 제10-0394076호(합성가스제조용 니켈계 개질촉매 및 이를 이용하는 수증기 개질에 의한 천연가스로부터 합성가스의 제조방법)는 지르코니아 1 몰을 기준으로 세륨이 0.01 ~ 1.0 몰비로 함유된 세륨으로 수식된 지르코니아 담체 상에 니켈 5 ~ 20중량%가 담지된 것을 특징으로 하는 합성가스 제조용 니켈계 개질촉매(Ni/Ce-Zr2)를 제시한다. 상기 촉매는 공침법 또는 졸겔법을 사용하여 지르코니아 담체 또는 세륨으로 수식된 지르코니아 담체를 제조한 후 함침법 또는 용융법에 의해 니켈을 담지함으로써 제조되었다.
한편, 메탄의 이산화탄소 개질반응은 다음 반응식 2와 같이 진행되며, 메탄의 수증기 개질반응에서와 유사한 니켈계 촉매와 귀금속계 촉매가 주로 활용되고 있다.
반응식 2
CH4 + CO2 → 2CO + 2H2, △Hㅀ298 = +247.3 kJ/mol
이산화탄소를 이용한 메탄의 개질반응은 일산화탄소 함량이 매우 높은 합성가스 (H2 : CO = 1 : 1)를 제조할 수 있기 때문에 생성된 합성가스는 디메틸에테르(dimethyl ether, DME)의 제조공정에 활용이 가능하다. 그러나, 탄소침적에 의한 촉매 비활성화가 심하게 일어나기 때문에 탄소침적이 크게 문제가 되지 않는 고가의 귀금속계 촉매가 제시되었다. 일례로, 미국특허 제5,068,057호에서는 Pt/Al2O3 및 Pd/Al2O3 촉매가 공지되었고, 국제특허공개 WO 92/11,199호에서는 이리듐을 비롯한 로듐, 루테늄 등의 귀금속 담지 알루미나 촉매가 높은 활성과 긴 수명을 나타낸다고 제시된 바 있다. 그러나 귀금속계 촉매는 니켈계 촉매에 비해 탄소침적에 대한 저항성이 크고 활성이 좋은 반면에 값이 비싸기 때문에 공업적으로 이용하기에는 부적합하다.
이와 같이, 수증기와 이산화탄소를 이용한 메탄의 개질반응에서 탄소침적을 최소화하고, 공업적 활용이 용이하도록 생산 원가를 낮출 수 있는 촉매 개발이 꾸준히 시도되고 있다.
본 발명은 수증기-이산화탄소 개질 반응 촉매의 활성과 안정성이 뛰어나 코크 형성에 의한 촉매 비활성화를 방지하여 긴 수명을 유지하면서도 높은 수율로 합성가스 또는 수소를 제조할 수 있는 합성가스 제조용 니켈계 개질촉매를 제공하고자 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은
1) 건식혼합을 이용하여 세륨으로 수식된 지르코니아 및 알루미나 담체를 제조하는 단계;
2) 니켈 및 마그네슘 산화물 분말을 각각 준비하는 단계; 및
3) 단계 1)의 담체 분말과 단계 2)의 금속 분말을 혼합하여 소성하는 단계를 포함하는 방법에 의해 제조된, 합성가스를 제조하기 위한 개질반응용 촉매를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 촉매를 이용하여 수증기-이산화탄소 개질반응에 의해 합성가스를 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 촉매는 메탄의 수증기-이산화탄소(SCR) 개질반응에 의한 합성가스를 제조함에 있어 탄소침적을 최소화 하고 합성석유화학제품(왁스, 나프타, 디젤 등)을 생산하는데 효율적인 합성가스 비율(2.0±0.2)을 갖는 합성가스를 제조할 수 있고, 이로 인해 합성물질의 생산비용을 절감할 수 있다. 본 발명에 따른 촉매 및 이를 이용한 공정은 GTL(gas to liquid) FPSO(floating production, storage and offloading; 부유식 생산저장하역설비), 더 나아가 DME FPSO에 적용할 수 있어 앞으로 다양한 공업적 활용이 용이해 질 것을 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 합성가스 제조과정 중 천연가스로부터 생성된 메탄의 전환율을 시간의 함수로 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 합성가스의 구성성분 중 수소와 일산화탄소의 몰비를 시간의 함수로 나타낸 그래프이다.
본 발명은 수증기에 의한 개질촉매에서 탄소침적에 비교적 우수한 마그네슘 및 란탄계열을 이용하여 제조된 니켈계 개질 촉매에 관한 것이다.
구체적으로 본 발명은
1) 건식혼합을 이용하여 세륨으로 수식된 지르코니아 및 알루미나 담체를 제조하는 단계;
2) 니켈 및 마그네슘 산화물 분말을 각각 준비하는 단계; 및
3) 단계 1)의 담체 분말과 단계 2)의 금속 분말을 혼합하여 소성하는 단계를 포함하는 방법에 의해 제조된, 합성가스를 제조하기 위한 개질반응용 촉매를 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 단계 2)에서 니켈 및 마그네슘 산화물 분말의 중량비는 1: 1 ~ 20 이고, 더욱 바람직하게는 1: 1 ~ 3 이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 단계 1)에서 세륨, 지르코니아 및 알루미나의 중량비는 1: 5 ~ 10 : 20 ~ 40 이고, 상기 범위를 벗어나면 탄소침적이 생겨 바람직하지 못하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 단계 3)의 소성은 700 ~ 1200 ℃ 의 온도에서 공기 중에서 실시할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 단계 3)의 혼합은 건식 혼합 후 건조하여 반죽 및 압출하는 과정에 의해 실시될 수 있다. 촉매 제조에 일반적으로 사용되는 함침법이나 용융법을 사용하지 않는 것이 종래기술과 구별되는 특징 중 하나이다.
상기 개질촉매는 세륨 수식된 지르코니아/알루미나 담체(Ce-ZrO2/Al2O3) 내에 활성성분인 니켈과 마그네슘이 5 ~ 20 중량% 로 담지된 것이 바람직하다. 담지량이 상기 범위를 벗어나면 수소/일산화탄소 비율이 2에 근접하는 합성가스를 제조하기 곤란할 수 있다.
본 발명은 또한 상기 촉매를 사용하여 반응온도 700 ~ 1200 ℃, 반응압력 15 ~ 20 bar, 공간속도 4000 ~ 7000 h-1의 조건으로 이산화탄소, 수증기 및 메탄을 공급하여 개질반응을 수행하는 것을 특징으로 하는 합성가스의 제조방법을 제공한다. 이러한 개질반응을 통하여 제조된 합성가스의 수소/일산화탄소의 비율이 2.0 ±0.2 이므로 합성석유화학제품(왁스, 나프타, 디젤 등)을 생산하는데 효율적인 합성가스를 용이하게 제공할 수 있다.
이와 같은 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
기존의 수증기-이산화탄소 개질 반응에 사용된 촉매의 경우 높은 공간속도에서 촉매의 비활성화가 관측되거나 활성이 낮아지는 문제점을 나타내었다. 반면에, 본 발명에 사용된 니켈 개질촉매의 경우 세륨으로 수식된 지르코니아/알루미나 담체상에 니켈/마그네슘 금속을 일정량 담지시켜 니켈 개질 촉매를 제조함으로써, 이를 이용한 메탄 천연가스의 수증기-이산화탄소 개질반응시 일산화탄소 및 수소의 혼합물인 합성가스를 고수율로 제조할 수 있는 특징이 있다.
본 발명에 따른 메탄 천연가스의 수증기-이산화탄소 개질반응에 사용하는 니켈 개질 촉매는 세륨 수식된 지르코니아/알루미나 담체(Ce-ZrO2/Al2O3)내에 활성성분인 니켈과 마그네슘이 5 ~ 20 중량% 로 담지된 개질촉매인 것이 바람직하다. 니켈/마그네슘의 담지량이 상기 범위를 벗어나 세륨 수식된 지르코니아/알루미나 담체에 대하여 5 중량% 미만이면 낮은 활성을 나타내는 문제가 있고, 20 중량%를 초과하면 코크의 침적에 의한 촉매의 비활성화가 발생하여 바람직하지 못하다.
이때, 담체로서 사용된 세륨이 수식된 지르코니아/알루미나 담체(Ce-ZrO2/Al2O3)는 지르코니아/알루미나와 세륨이 혼성되어 있는 것으로 지르코니아/알루미나 1 몰을 기준으로 세륨(Ce)이 0.01 ~ 1.0 몰비 범위로 함유되며, 세륨이 1.0 몰비를 초과하여 과량으로 수식되면 촉매의 활성이 낮아지는 문제가 있다.
본 발명에 따른 니켈계 개질촉매를 제조함에 있어서 지르코니아계/알루미나 담체에 세륨을 수식하는 방법이나 니켈/마그네슘을 담지하는 방법은 일반적으로 알려져 있는 공지의 방법, 즉 공침법, 침전퇴적법, 졸겔법, 용융법, 함침법 대신 건식 혼합 후 건조, 반죽, 압출, 소성하는 방법을 사용한다.
가장 바람직하게는 원하는 비율로 세리아, 지르코니아, 알루미나를 혼합하여 세륨으로 수식된 지르코니아/알루미나 담체를 얻을 수 있다. 혼합방법은 볼밀 방법등 업계에서 일반적으로 사용되는 건식 혼합방법이면 특별히 제한되지 않는다.
또한, 니켈과 마그네슘의 경우에도 산화니켈, 산화마그네슘의 산화물로 파우더 형태로 섞어 이를 세륨으로 수식된 지르코니아/알루미나 담체와 함께 혼합하여 반죽 및 압출 후 소성하는 과정을 거친다. 소성은 700 ~ 1200 ℃의 온도에서 공기중에서 5 ~ 8 시간 실시하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 촉매의 개질 활성을 측정시에는 실험실에서 제작한 전형적인 고정층 촉매 반응장치를 사용한다. 그리고, 반응전의 전처리 과정으로 상기 촉매를 1 ~ 2 mm 입자크기를 갖도록 성형, 분쇄한 후 필요한 양만큼 반응기에 충진한 후 반응하기 전에 5% 수소로 700 ℃에서 1시간 동안 환원한 후 사용한다.
그런 다음, 반응물로서 메탄과 수증기를 1 : 1 ~ 3의 몰비, 이산화탄소 0.4 ~ 1의 몰비로 반응기에 주입하고 필요한 경우에 질소를 희석기체로 첨가한다. 이때, 반응기의 온도는 전기히터와 프로그램 가능한 자동온도 조절장치에 의해 700 ~ 1200 ℃의 범위로 조절되며, 반응압력은 15 ~ 20 bar이고, 공간속도가 4000 ~ 7000 h-1가 되도록 질량 유량 조절기(Mass Flow Controller)로 기체의 유량을 조절하면서 기체를 주입하여 연속적으로 반응시킴으로써, 합성가스를 제조할 수 있다. 반응전후 기체의 조성은 반응장치에 직접 연결된 기체 크로마토그래프로 분석하며, 이때 기체의 분리를 위해서 프로팍(poropak) 컬럼이 사용된다.
이상과 같은 방법에서 개질촉매의 고온에서의 활성과 열안정성을 측정하기 위하여 750 ℃에서 활성을 시간의 흐름에 따라 측정하고, 초기 활성과 200분 후의 활성을 생성물 중의 수소의 수율 및 메탄의 전환율을 통하여 측정하였다.
본 발명에 따른 개질촉매를 이용하여 천연가스로부터 합성가스를 제조하는 방법은 기존 지르코니아 담지 니켈 개질 촉매의 활성보다 더 나은 활성을 나타내고, 또한 촉매의 활성 개선으로 높은 기체 공간속도에서도 높은 활성을 유지할 수 있어 공업용 촉매로 활용할 수 있는 가능성을 제시할 수 있다.
이하, 본 발명을 다음의 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는바, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
세리아, 지르코니아, 알루미나를 각각 하기 표 1의 함량이 되도록 넣고 건조된 상태에서 혼합하였다. 표 1에 표기된 성분의 함량을 제외한 나머지 함량을 알루미나의 함량으로 한다. 마그네슘, 니켈, 알루미나도 같은 공정으로 진행되며 하기 표 1의 함량이 되도록 혼합하였다. 각각 최종 900℃에서 6시간 동안 소성하여 파우더를 제조하였다. 두 종류의 파우더를 충분히 혼합(mixing)한 후 3℃/min의 속도로 750℃까지 승온하여 6시간 동안 소성시켰다. 얻어진 촉매의 물리적인 특성은 표1, 2에 나타내었다.
Figure 112012103098479-pat00001
Figure 112012103098479-pat00002
실시예 2
실시예 1에서 제조한 촉매(1hole type)을 사용하여 SCR 공정(Steam, Carbon dioxide Reforming)에 적용하였다. 운전조건은 온도 900℃, 압력 18bar를 유지하였으며 수증기, 이산화탄소, 메탄의 주입 유량을 변경하여 4000hr-1 및 7000hr-1의 공간속도로 메탄의 개질반응을 수행하였다. 주입된 가스의 비율과 반응결과는 아래 표 3, 도 1 및 도 2와 같다.
Figure 112012103098479-pat00003
상기 결과로부터, 개질반응을 통하여 제조된 합성가스의 수소/일산화탄소의 비율이 2.0±0.2인 것을 확인할 수 있고 메탄 전환율도 매우 높게 유지되고 있음을 알 수 있다.
비교예 1
함침법을 이용하고 활성성분으로서 Ni을 지지체인 Ce-Zr/MgAlOx 에 담지한 촉매(한국특허 출원 제2008-0075787호)를 사용하여 900℃, 압력 18bar의 반응 조건에서 혼합 개질반응을 수행한 결과는 표 4와 같다.
Figure 112012103098479-pat00004
동등한 수준의 메탄 전환율을 나타내는 공간속도를 비교해 볼 때, 실시예의 촉매가 비교예의 경우보다 훨씬 큰 것을 알 수 있다. 이는 반응기 크기를 최소화할 수 있어서 상용화 반응기 설계시 1/3 ~ 1/5의 용량으로 같은 CH4 전환율을 나타낼 수 있다는 것, 즉 경제성이 높다는 것을 의미한다.
또한, 실시예의 촉매를 사용하는 경우 반응가스 중 CO2 함량을 비교예에 비해 2배 이상 높일 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 반응가스 중 CO2 함량이 높은 가스를 사용할 수 있어 유리하고, 또한, 반응 후 남아있는 CO2를 다량 회수할 수 있어 타 공정보다 CO2 처리능력이 높다는 장점이 있다.

Claims (9)

1) 건식혼합을 이용하여 세륨으로 수식된 지르코니아 및 알루미나 담체를 제조하는 단계;
2) 니켈 및 마그네슘 산화물 분말을 각각 준비하는 단계; 및
3) 단계 1)의 담체 분말과 단계 2)의 금속 산화물 분말을 혼합하여 소성하는 단계를 포함하고,
상기 단계 3)의 혼합은 건식 혼합 후 건조하여 반죽 및 압출하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 합성가스를 제조하기 위한 개질반응용 촉매의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 개질반응은 수증기-이산화탄소 개질반응인 것을 특징으로 하는 개질반응용 촉매의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 2)에서 니켈 및 마그네슘 산화물 분말의 중량비는 1: 2 ~ 10인 것을 특징으로 하는 개질반응용 촉매의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 1)에서 세륨, 지르코니아 및 알루미나의 중량비는 1: 5 ~ 10 : 20 ~ 40 인 것을 특징으로 하는 개질반응용 촉매의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 3)의 소성은 700 ~ 1200℃의 온도에서 공기 중에서 실시하는 것을 특징으로 하는 개질반응용 촉매의 제조방법.
삭제
제1항에 있어서,
상기 개질반응용 촉매는 세륨 수식된 지르코니아/알루미나 담체(Ce-ZrO2/Al2O3) 내에 활성성분인 니켈과 마그네슘이 5 ~ 20 중량% 로 담지된 것을 특징으로 하는 개질반응용 촉매의 제조방법.
제1항 내지 제5항 및 제7항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 촉매를 사용하여 반응온도 700 ~ 1200℃, 반응압력 15 ~ 20 bar, 기체공간속도 4000~7000 h-1의 조건으로 이산화탄소, 수증기 및 메탄을 공급하여 개질반응을 수행하는 것을 특징으로 하는 합성가스의 제조방법.
제8항에 있어서,
상기 개질반응을 통하여 제조된 합성가스의 수소/일산화탄소의 비율이 2.0±0.2인 것을 특징으로 하는 합성가스의 제조방법.
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