KR101968297B1 - Catalyst for producing Synthetic-Natural-Gas of higher heating level and Use thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 활성금속인 철과 니켈 100 중량부를 기준으로, 철 및 니켈이 각각 80 내지 95 중량부 및 5 내지 20 중량부이고 스피넬 구조의 magnetite를 함유하는 Ni 및 Fe 함유 촉매 존재 하에, 일산화탄소로부터 메탄 및 C2-C4 파라핀 함유 합성천연가스를 제조한다. 본 발명에 따른 촉매는, FT 합성반응 및 메탄화 반응이 동시에 일어나도록 2종 이상의 활성금속을 사용하는 촉매로서, 수소 및 일산화탄소로부터 주로 메탄으로 구성되고 C2-C4 파라핀 함량이 높은 11,000 Kcal/Nm3 ~ 19,000 Kcal/Nm3의 고발열량의 합성천연가스의 생산이 가능하며, 높은 C1-C4 생산성으로 인하여 기존 천연가스합성공정에 비하여 공정의 간소화가 가능한 촉매이다. The present invention relates to a process for the production of a catalyst for catalytic reduction of carbon monoxide from carbon monoxide to carbon monoxide in the presence of Ni and Fe containing a magnetite of spinel structure and 80 to 95 parts by weight and 5 to 20 parts by weight of iron and nickel, And a C2-C4 paraffin-containing synthetic natural gas. The catalyst according to the present invention is a catalyst which uses two or more active metals so that the FT synthesis reaction and the methanation reaction coexist simultaneously. The catalyst is composed of hydrogen and carbon monoxide mainly composed of methane and has a high C2-C4 paraffin content of 11,000 Kcal / Nm 3 It is possible to produce high-calorific synthetic natural gas of ~ 19,000 Kcal / Nm 3 , and it is a catalyst that can simplify the process compared to existing natural gas synthesis process due to high C1-C4 productivity.

Description

고열량 합성천연가스 생산용 촉매 및 이의 용도 {Catalyst for producing Synthetic-Natural-Gas of higher heating level and Use thereof}Catalysts for the production of high calorific value synthetic natural gas and their uses

본 발명은 고열량 합성천연가스 생산용 촉매 및 이의 제조방법 및 용도에 관한 것이다. 본 발명에 따른 촉매는 수소 및 일산화탄소로부터 메탄 및 C2-C4 파라핀 함량이 높은 고발열량의 합성천연가스 생산이 가능하고, 높은 C1-C4 생산성으로 인하여 공정 간소화를 가능하게 한다. TECHNICAL FIELD The present invention relates to a catalyst for producing high calorific value synthetic natural gas and a method for producing the same and a use thereof. The catalyst according to the present invention is capable of producing high-calorific synthetic natural gas having a high content of methane and C2-C4 paraffin from hydrogen and carbon monoxide, and enables a process simplification due to high C1-C4 productivity.

천연가스는 CH4가 주성분이며 연소시 SO2는 거의 발생시키지 않고 NOx, 먼지, CO2 등을 석탄 또는 오일 보다 훨씬 적게 발생시키는 청정연료이므로 그 수요가 전세계적으로 계속 증가하고 있다. 그러나, 향후 천연가스의 공급이 수요 증가를 따르지 못할 것이 예상됨에 따라 석탄, 바이오매스, 폐기물 등의 탄소 함유 물질을 가스화하여 H2와 CO의 혼합물인 합성가스를 생산하고, 촉매를 사용하여 합성가스를 메탄화시켜 합성천연가스(SNG : synthetic natural gas)를 생산하는 촉매 메탄화 기술이 전세계적으로 새로운 관심을 받고 있다.Natural gas is a major component of CH 4 , and it is a clean fuel that generates less SO 2 and less NOx, dust, and CO 2 than coal or oil during combustion, and its demand is continuously increasing worldwide. However, it is anticipated that the supply of natural gas will not follow the increase in demand. Therefore, it is expected that gasification of carbon-containing materials such as coal, biomass, and waste will produce syngas which is a mixture of H 2 and CO, (SNG: synthetic natural gas) by methane conversion has been attracting new interest worldwide.

석탄은 가채연한이 200년 이상으로 현재의 화석연료 중에 가장 길고, 열량당 가격이 상대적으로 저렴하며, 전세계 다양한 지역에 분포되어 수급 및 에너지 안보 측면에서 유리하다는 장점이 있다. Coal is more than 200 years old and has the longest current fossil fuel, relatively low price per calorie, distributed in various regions around the world, and is advantageous in terms of supply and energy security.

석탄가스화 기술은 석탄이 갖고 있는 에너지의 대부분을 화학에너지(chemical energy)로 전환함으로써 후단 정제공정에서의 온도변화로 인한 전체공정의 효율감소가 적다. 석탄가스화 반응의 주요 생산물은 일산화탄소와 수소이며 이들 가스는 연소 시 큰 발열량을 내게 된다. 즉, 가스화반응에 의해 시료 내의 상당부분 에너지가 일산화탄소나 수소 같이 화학에너지를 포함한 가스로 변환되고 이들 가스는 급속 냉각을 시키더라도 자체의 화학에너지가 그대로 유지되어 필요시 연소를 시키면 가스터빈이나 증기터빈을 통해 에너지를 재회수할 수 있다는 장점을 갖고 있다.Coal gasification technology converts most of the energy of coal into chemical energy, which reduces the efficiency of the entire process due to the temperature change in the downstream purification process. The main products of the coal gasification reaction are carbon monoxide and hydrogen, and these gases give a large calorific value when burned. That is, a large part of energy in the sample is converted into gas containing chemical energy such as carbon monoxide or hydrogen by the gasification reaction, and even if the gas is rapidly cooled, the chemical energy of the gas is kept as it is. The energy can be reacquired.

석유자원의 무분별한 소비로 인하여 유가 상승세 및 최근 셰일가스 개발로 인한 석탄의 수요 감소로 석탄 가격의 하향세가 지속되고 있다. 또한, 중국의 석탄화학산업 발전계획에 의하여, 비교적 가채연한이 길고 가격이 저렴한 석탄을 이용한 에너지 및 화학제품 생산기술이 주목을 받고 있다. 그 중 석탄으로부터의 합성천연가스 생산기술은 1960년대 미국 내 천연가스 수요의 급증으로 인하여 석탄의 메탄화 공정을 개발하면서 시작되어, 1970년대 석유파동을 거쳐 현재까지 활발하게 연구되고 있다. Coal prices have been on a downward trend due to rising oil prices due to indiscriminate consumption of petroleum resources and the recent decline in demand for coal due to the development of shale gas. In addition, according to the development plan of coal chemical industry in China, energy and chemical production technology using coal, which is relatively long and cheap in price, is attracting attention. Among them, synthetic natural gas production technology started from the development of coal methane production process due to the surge of natural gas demand in the United States in the 1960s.

석탄가스화(Coal Gasification) 기술은 석탄을 가스화기에 주입하여 불완전 연소시켜 CO와 H2를 주성분으로 하는 합성가스(Syngas)를 제조한 후, 가스정제 공정을 거쳐서 COS, H2S등의 황화합물을 제거하고, 합성/발전 공정을 이용하여 합성천연가스(Synthetic Natural Gas, SNG), 합성석유(Coal to Liquid, CTL), 화학제품(메탄올, DME 등) 및 전력을 생산하는 기술이다.Coal gasification technology is a process of producing synthesis gas (Syngas) composed mainly of CO and H 2 by incompletely burning coal by injecting coal into a gasifier and then producing a mixture of sulfur compounds such as COS and H 2 S (SNG), Coal to Liquid (CTL), chemical products (methanol, DME, etc.) and power using synthetic / power generation processes.

석탄가스화 시스템은 가스화기, 산소공급 장치인 공기분리설비, 가스정제설비로 구성되며, 최종 활용목적에 따라 다른 설비가 연계된다.The coal gasification system consists of a gasifier, an air separation unit as an oxygen supply unit, and a gas purification unit.

석탄가스화 기술 중 가장 널리 알려진, 가스화 복합발전(IGCC)은 저급연료를 고온·고압 조건에서 불완전연소 및 가스화반응을 시켜 합성가스를 만들어 정제공정을 거친 후 가스터빈 및 증기터빈을 구동하는 친환경 차세대 발전기술이다.The IGCC, the most widely known coal gasification technology, is an eco-friendly next generation power generation system in which a low-grade fuel is subjected to incomplete combustion and gasification under the conditions of high temperature and high pressure to produce syngas and then subjected to a purification process to drive gas turbines and steam turbines Technology.

합성천연가스(SNG)는 석탄으로부터 얻어진 천연가스일 수 있다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 석탄으로부터 SNG를 얻는 방법에는 석탄 가스화를 통해 얻어진 합성가스를 메탄합성 반응을 통해 얻는 방법(Gasification), 석탄을 직접 수소와 반응시켜 SNG를 얻는 방법(Hydrogasification), 촉매를 이용하여 석탄을 저온에서 증기와 반응시켜 SNG를 얻는 방법(Catalytic Gasification)이 있다.Synthetic natural gas (SNG) may be natural gas obtained from coal. As shown in Fig. 9, there are a method for obtaining SNG from coal, a method for obtaining synthesis gas obtained through coal gasification through methane synthesis reaction, a method for obtaining SNG by reacting coal directly with hydrogen (Hydrogasification) There is a method of obtaining SNG by reacting coal with steam at low temperature (catalytic gasification).

현재까지 개발된 석탄의 가스화로부터 합성천연가스 생산공정은 석탄의 가스화 공정 및 석탄가스화로 생산된 합성가스의 메탄화 공정으로 이루어져 있다. 석탄의 가스화 공정 자체도 복잡하지만, 현재까지의 합성가스 메탄화 공정은 2 ~ 3기의 메탄화 반응기로 이루어지거나, 메탄화 공정과 C2-C4 파라핀 생산공정이 연계되는 방식으로 공정구성이 복잡하여 공정운영 및 설비확보에 어려움이 있다. From the gasification of coal to the present, the synthetic natural gas production process consists of the gasification process of coal and the methanation process of syngas produced by coal gasification. Although the gasification process of coal itself is complicated, the syngas methanation process to date is composed of two or three methanation reactors, or the methanation process and the C2-C4 paraffin production process are linked, and the process configuration is complicated There are difficulties in securing the operation of the process and securing facilities.

합성천연가스 생산 공정의 핵심기술인 촉매기술은 Haldor-Topsoe, BASF, Johson & Metthey 및 Sud-Chemie사 등에 의하여 주로 니켈계 촉매를 중심으로 개발되었다. The catalyst technology, which is the core technology of the synthetic natural gas production process, was mainly developed by nickel catalysts such as Haldor-Topsoe, BASF, Johson & Metthey and Sud-Chemie.

Ni 계 촉매는 2몰의 일산화탄소로부터 1몰의 메탄과 1몰의 물을 생성하여 생성물의 조성은 대부분 메탄으로 이루어진다. 그로 인하여, Ni계 촉매로부터 생산된 합성천연가스의 발열량은 약 8500 Kcal/Nm3으로, LNG(약 10,500 Kcal/Nm3) 및 LPG(약 12,000 Kcal/Nm3) 비하여 매우 낮기 때문에, 상기와 같이 C2-C4 파라핀 생산공정을 연계하는 등 공정이 복잡해지고 있다. 따라서, 메탄 및 C2-C4 파라핀 동시 생산이 가능한 촉매의 개발 및 이를 통한 공정 간소화 노력이 계속되고 있다. The Ni-based catalyst produces 1 mole of methane and 1 mole of water from 2 moles of carbon monoxide, and the product composition is mostly composed of methane. As a result, the calorific value of the synthetic natural gas produced from the Ni-based catalyst is about 8500 Kcal / Nm 3, which is much lower than that of LNG (about 10,500 Kcal / Nm 3 ) and LPG (about 12,000 Kcal / Nm 3 ) The process is complicated by linking the C2-C4 paraffin production process. Therefore, efforts have been made to develop a catalyst capable of simultaneous production of methane and C2-C4 paraffin, and to simplify the process thereof.

본 발명의 목적은 수소 및 일산화탄소로부터 메탄 및 C2-C4 파라핀 함량이 높은 고발열량의 합성천연가스(SNG) 생산이 가능하고, 높은 C1-C4 생산성으로 인하여 공정 간소화가 가능한 촉매 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.An object of the present invention is to provide a catalyst capable of producing high-heat-generating synthetic natural gas (SNG) having a high content of methane and C2-C4 paraffin from hydrogen and carbon monoxide and capable of simplifying processes owing to high C1-C4 productivity and a method for producing the same I want to.

본 발명의 제1양태는 11,000 Kcal/Nm3 ~ 19,000 Kcal/Nm3의 고발열량을 발휘하는 조성의 합성천연가스를 제조하는 방법에 있어서, 활성금속인 철과 니켈 100 중량부를 기준으로, 철 및 니켈이 각각 80 내지 95 중량부 및 5 내지 20 중량부이고 스피넬 구조의 magnetite를 함유하는 Ni 및 Fe 함유 촉매 존재 하에, 일산화탄소로부터 메탄 및 C2-C4 파라핀 함유 합성천연가스를 제조하는 a단계를 포함하는 것이 특징인 방법을 제공한다.In a first aspect of the present invention, there is provided a method for producing a synthetic natural gas having a composition capable of exhibiting a high heating amount of 11,000 Kcal / Nm 3 to 19,000 Kcal / Nm 3, comprising the steps of: Comprising the step of producing a synthetic natural gas containing methane and C2-C4 paraffins from carbon monoxide in the presence of Ni and Fe containing catalysts each containing 80 to 95 parts by weight and 5 to 20 parts by weight of nickel and containing magnetite of spinel structure ≪ / RTI >

본 발명의 제2양태는 11,000 Kcal/Nm3 ~ 19,000 Kcal/Nm3의 고발열량을 발휘하는 조성의 합성천연가스 생산용 촉매로서, 활성금속인 철과 니켈 100 중량부를 기준으로, 철 및 니켈이 각각 80 내지 95 중량부 및 5 내지 20 중량부이고 스피넬 구조의 magnetite를 함유하는 것이 특징인 Ni 및 Fe 함유, FT 합성 및 메탄화 동시 반응용 촉매를 제공한다.A second aspect of the present invention is a process for the preparation of a composition comprising 11,000 Kcal / Nm < 3 > ~ 19,000 Kcal / Nm 3 in a synthesis gas production catalyst of the following composition exhibiting calorific, based on the active metal of iron and nickel on 100 parts by weight, iron and nickel are respectively 80 to 95 parts by weight and 5 to 20 parts by weight Ni and Fe < RTI ID = 0.0 > , A catalyst for simultaneous FT synthesis and methanation.

본 발명의 제3양태는 11,000 Kcal/Nm3 ~ 19,000 Kcal/Nm3의 고발열량을 발휘하는 조성의 합성천연가스 생산용 Ni 및 Fe 함유 촉매를 제조하는 방법에 있어서, 철과 니켈 100 중량부를 기준으로, 철 및 니켈이 각각 80 내지 95 중량부 및 5 내지 20 중량부가 되도록 Fe계 전구체 및 Ni계 전구체를 혼합하여 전구체 용액을 제조하는 제1단계; 침전제와 증류수의 혼합용액을 제조하는 제2단계; 상기 제1단계에서 얻어진 용액을 상기 제2단계에서 얻어진 용액과 혼합하는 제3단계; 상기 제3단계에서 얻어진 혼합용액을 침전여과하는 제4단계; 및 제4단계에서 얻어진 여과물을 건조 및 450 내지 650 ℃에서 소성하여, 스피넬 구조의 magnetite를 함유하면서 비표면적이 75 내지 150 m2/g이고 기공의 평균입경이 4 내지 8 nm인 촉매를 제조하는 제5단계를 포함하는 것이 특징인 촉매 제조방법을 제공한다.A third aspect of the present invention is 11,000 Kcal / Nm 3 A method of manufacturing a ~ 19,000 Synthesis of the following composition exhibiting calorific of Kcal / Nm 3 natural gas production Ni and Fe-containing catalyst, based on iron and nickel of 100 parts by weight of iron and nickel, each 80 to 95 parts by weight And 5 to 20 parts by weight of a Fe precursor and a Ni precursor to prepare a precursor solution; A second step of preparing a mixed solution of a precipitant and distilled water; A third step of mixing the solution obtained in the first step with the solution obtained in the second step; A fourth step of precipitating and filtering the mixed solution obtained in the third step; And the filtrate obtained in the fourth step is dried and calcined at 450 to 650 ° C to prepare a catalyst having a specific surface area of 75 to 150 m 2 / g and an average particle size of pores of 4 to 8 nm, containing magnetite of spinel structure And a fifth step of preparing the catalyst.

이하, 본 발명을 자세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명자들은 실험을 통해, 촉매 조성에 따라 다음과 같은 결과들을 처음으로 확인하였다: Through experiments, the inventors first confirmed the following results according to the catalyst composition:

(i) Fe 단일금속 촉매의 경우, 발열량은 매우 높지만, CO to CO2 전환율이 높아, SNG 수율이 낮기 때문에 SNG 합성용 촉매로서 적합하지 않다. (i) In the case of the Fe single metal catalyst, the exothermic amount is very high, but since the CO to CO 2 conversion is high and the SNG yield is low, it is not suitable as a catalyst for SNG synthesis.

(ii) Ni 활성메탈의 첨가에 의하여 CO 전환율은 모든 조성비에서 100%에 근접하였으며, CO to CO2 전환율이 감소하였다.(ii) The CO conversion rate was close to 100% in all composition ratios and the CO to CO 2 conversion was decreased by the addition of Ni active metal.

(iii) Ni 활성메탈의 첨가에 의하여 CH4 선택도는 2배 이상 증가되었으며, Ni 비율이 전체 활성메탈 중 20% 이상일 경우 약 90%의 CH4 선택도를 보였다. C2-C4 선택도 및 C5+ 선택도는 Ni 활성메탈 첨가에 의하여 크게 감소하였으며, C2-C4 탄화수소 내 paraffin 선택도는 Ni 첨가에 의하여 100%에 도달하였다. (iii) CH 4 selectivity increased more than two fold by addition of Ni active metal, and showed about 90% CH 4 selectivity when Ni ratio was more than 20% of total active metal. The C 2 -C 4 selectivity and C 5+ selectivity were greatly reduced by the addition of Ni active metal, and the C 2 -C 4 hydrocarbons Paraffin selectivity reached 100% by Ni addition.

(iv) SNG 수율은 Ni 첨가 및 첨가량에 따라 탄화수소 선택도 중 C5+ 선택도가 감소하여 증가하였으나, Fe:Ni이 50:50, 80:20 촉매의 경우 높은 SNG 수율에 비하여 발열량이 매우 낮은 문제점을 발견하였다. 예컨대, Ni 첨가시 Fe 단일 금속 촉매에 비하여, 발열량은 19,000 Kcal/Nm3에서 10,000 Kcal/Nm3로 크게 저하되었으며, Fe:Ni이 50:50 및 80:20에서 큰 차이는 없었다. 즉, 활성메탈 중 Ni의 비율이 20% 이상일 경우, 높은 CH4 선택도 및 낮은 C2-C4 선택도로 인하여, 발열량이 낮아지기 때문에, 고열량 SNG의 합성에는 적합하지 않다.(iv) The SNG yield was increased by decreasing the C 5+ selectivity of hydrocarbon selectivity depending on the amount of Ni added and added. However, the Fe: Ni 50:50 and 80:20 catalysts showed very low calorific value I found a problem. For example, when Ni was added, the calorific value was greatly reduced from 19,000 Kcal / Nm 3 to 10,000 Kcal / Nm 3 , and there was no significant difference between Fe: Ni at 50:50 and 80:20. That is, when the proportion of Ni in the active metal is 20% or more, the amount of heat generated is low due to the high CH 4 selectivity and the low C 2 -C 4 selectivity.

(v) Fe:Ni이 95:5에서 SNG 발열량은 14,300 Kcal/Nm3 으로, 50:50 및 80:20에 비하여 높다는 것을 발견하였다. 활성메탈 중 철의 비율이 80% 미만일 경우, Ni에 의한 메탄화반응이 우세하여 생성물의 C2-C4 탄화수소 선택성이 저하되어 발열량이 낮아지는 것을 발견하였다.(v) The SNG calorific value of Fe: Ni of 95: 5 was found to be 14,300 Kcal / Nm 3 higher than that of 50:50 and 80:20. When the ratio of iron in the active metal is less than 80%, it has been found that the methanation reaction by Ni predominates and the C2-C4 hydrocarbon selectivity of the product is lowered and the calorific value is lowered.

본 발명은 이러한 발견에 기초한 것으로, 본 발명은 Fischer-Tropsh 합성반응 및 메탄화 반응이 동시에 일어나는 Ni 및 Fe 함유 촉매에서 활성 메탈 중 Ni 비율을 20wt% 미만으로 조절하여 Ni에 의한 메탄화반응 우세를 저해하여 C2-C4 선택도가 높은 조성비의 고발열량 합성천연가스를 제조하는 것이 특징이다. The present invention is based on this finding, and it is an object of the present invention to provide a process for producing a Ni-Fe-containing catalyst in which the Fischer-Tropsh synthesis reaction and the methanation reaction are simultaneously carried out by controlling the Ni ratio in the active metal to less than 20 wt% And is characterized in that a high calorific value synthetic natural gas having a composition ratio of C 2 -C 4 selectivity is produced.

본 발명에 따른 Ni 및 Fe 함유 촉매는 활성금속인 철과 니켈 100 중량부를 기준으로, 철 및 니켈이 각각 80 내지 95 중량부 및 5 내지 20 중량부이므로, 니켈이 주된 촉매가 아니라 철이 주된 촉매이며, 11,000 Kcal/Nm3 ~ 19,000 Kcal/Nm3의 고발열량을 발휘하는 조성의 합성천연가스를 생산할 수 있다.The Ni- and Fe-containing catalyst according to the present invention is characterized in that iron and nickel 80 to 95 parts by weight and 5 to 20 parts by weight Weight part, nickel is not the main catalyst but iron is the main catalyst, and 11,000 Kcal / Nm 3 It is possible to produce synthetic natural gas with a composition capable of exhibiting a high heating value of ~ 19,000 Kcal / Nm 3 .

상기 촉매 중 활성금속은 철산화물, 니켈산화물, 철, 니켈, 철-니켈 합금 또는 이의 혼합물일 수 있다. 또한, 상기 촉매는 산화상태에서 magnetite의 스피넬 구조를 포함할 수 있으며, 환원 상태에서 주로 magnetite의 스피넬 구조로 이루어질 수 있다.The active metal in the catalyst may be iron oxide, nickel oxide, iron, nickel, iron-nickel alloy or a mixture thereof. In addition, the catalyst may include a spinel structure of magnetite in an oxidized state, and a spinel structure of magnetite mainly in a reduced state.

본 발명에 따른 Ni 및 Fe 함유 촉매는, FT 합성반응 및 메탄화 반응이 동시에 일어나도록 2종 이상의 활성금속을 사용하는 촉매로서, 수소 및 일산화탄소로부터 주로 메탄으로 구성되고 C2-C4 파라핀 함량이 높은 고발열량의 합성천연가스의 생산이 가능하며, 높은 C1-C4 생산성으로 인하여 기존 천연가스합성공정에 비하여 공정의 간소화가 가능한 촉매이다. The Ni and Fe containing catalyst according to the present invention is a catalyst which uses two or more kinds of active metals so that the FT synthesis reaction and the methanation reaction coexist simultaneously and is a catalyst composed mainly of hydrogen and carbon monoxide and methane and having a high content of C2- It is possible to produce synthetic natural gas with a calorific value and can simplify the process compared to the existing natural gas synthesis process due to high C1-C4 productivity.

<Fischer-Tropsch 합성 반응><Fischer-Tropsch synthesis reaction>

nCO + 2nH2 → -(CH2)n- + nH2O nCO + 2nH 2 → - (CH 2) n- + nH 2 O

<메탄화 반응><Methanation reaction>

nCO + 3nH2 ↔ nCH4 + nH2O nCO + 3nH 2 ↔ nCH 4 + nH 2 O

본 발명에 따른 Ni 및 Fe 함유 촉매는, 비표면적이 75 내지 150 m2/g이고 기공의 평균입경이 4 내지 8 nm일 수 있다.The Ni- and Fe-containing catalyst according to the present invention may have a specific surface area of 75 to 150 m 2 / g and an average particle size of pores of 4 to 8 nm.

Fischer-Tropsh 합성반응 및 메탄화 반응이 동시에 일어나는 Fe 및 Ni 함유 촉매는 SNG 합성시 Fischer-Tropsh 합성반응을 통하여 SNG 내 C2~C4 조성비를 높일 수 있으며, 메탄화 반응을 통한 Fischer-Tropsh 합성반응의 미반응 CO 및 CO2를 메탄화하여, SNG 수율을 높일 수 있다. 이러한 효과들로 인하여, Fischer-Tropsh 합성반응 및 메탄화반응이 동시에 일어나는 상기 방법으로 높은 수율로 고발열량의 SNG 합성이 가능하다.Fischer-Tropsh The Fe and Ni-containing catalysts simultaneously reacting with the Fischer-Tropsh synthetic and methanation reaction can increase the C2 to C4 composition ratio in the SNG through the Fischer-Tropsh synthesis reaction in the SNG synthesis. Unreacted CO and CO 2 can be methanized to increase SNG yield. Due to these effects, it is possible to synthesize SNG with high yield in high yield by the above-mentioned method in which Fischer-Tropsh synthesis reaction and methanation reaction occur at the same time.

본 발명에 따른 촉매에 의해 제조되는 합성천연가스는 11,000 Kcal/Nm3 ~ 19,000 Kcal/Nm3의 높은 발열량을 발휘하는 조성을 가질 수 있다. 일구체예로, 합성천연가스는 메탄 : C2-C4 파라핀 (몰비) = 1 : 0.05 ~ 0.5 일 수 있다.The synthetic natural gas produced by the catalyst according to the present invention may have a composition that exhibits a high calorific value of 11,000 Kcal / Nm 3 to 19,000 Kcal / Nm 3 . In one embodiment, the synthetic natural gas may be methane: C2-C4 paraffin (molar ratio) = 1: 0.05-0.5.

본 발명에 따라 11,000 Kcal/Nm3 ~ 19,000 Kcal/Nm3의 고발열량을 발휘하는 조성의 합성천연가스 생산용 Ni 및 Fe 함유 촉매를 제조하는 방법은,In accordance with the present invention, 11,000 Kcal / Nm &lt; 3 &gt; A method of producing a Ni- and Fe-containing catalyst for producing a synthetic natural gas having a composition capable of exhibiting a high calorific value of 19,000 Kcal / Nm 3 ,

철과 니켈 100 중량부를 기준으로, 철 및 니켈이 각각 80 내지 95 중량부 및 5 내지 20 중량부가 되도록 Fe계 전구체 및 Ni계 전구체를 혼합하여 전구체 용액을 제조하는 제1단계; A first step of preparing a precursor solution by mixing an Fe-based precursor and a Ni-based precursor so that iron and nickel are 80 to 95 parts by weight and 5 to 20 parts by weight, respectively, based on 100 parts by weight of iron and nickel;

침전제와 증류수의 혼합용액을 제조하는 제2단계; A second step of preparing a mixed solution of a precipitant and distilled water;

상기 제1단계에서 얻어진 용액을 상기 제2단계에서 얻어진 용액과 혼합하는 제3단계; A third step of mixing the solution obtained in the first step with the solution obtained in the second step;

상기 제3단계에서 얻어진 혼합용액을 침전여과하는 제4단계; 및A fourth step of precipitating and filtering the mixed solution obtained in the third step; And

제4단계에서 얻어진 여과물을 건조 및 450 내지 650 ℃에서 소성하여, 스피넬 구조의 magnetite를 함유하면서 비표면적이 75 내지 150 m2/g이고 기공의 평균입경이 4 내지 8 nm인 촉매를 제조하는 제5단계를 포함한다. The filtrate obtained in the fourth step is dried and calcined at 450 to 650 ° C to prepare a catalyst having a specific surface area of 75 to 150 m 2 / g and an average particle size of pores of 4 to 8 nm containing magnetite of spinel structure And a fifth step.

여기서, 활성금속의 조성비 및 소성온도에 따라 기공구조 및 phase의 특이성이 나타나는 것으로 유추된다.Here, it is deduced that the pore structure and the phase specificity appear depending on the composition ratio of the active metal and the firing temperature.

Fe계 전구체의 비제한적인 예는 질산철, 염화철, 황산철, 초산철 및 이들의 혼합물이 있고, Ni계 전구체의 비제한적인 예는 질산니켈, 염화니켈, 황산니켈, 초산니켈 및 이들의 혼합물이 있다.Non-limiting examples of Fe-based precursors include iron nitrate, iron chloride, iron sulfate, iron acetate, and mixtures thereof. Non-limiting examples of the Ni-based precursor include nickel nitrate, nickel chloride, nickel sulfate, .

본 발명에 따른 촉매는 촉매성능을 용이하게 조절할 수 있는 조촉매를 더 함유할 수 있으며, 조촉매 성분의 비제한적인 예로는 Mn, Cu, Co, Zn, K, Ce, Mg 및 이의 조합이 있다. Cu, Co 조촉매의 경우 메탄 및 파라핀 선택도를 높일 수 있으며, Mn의 경우 Fe 활성금속의 안정성 증진, Ce의 경우 Ni 활성금속의 안정성 증진 등, 촉매 안정성 및 고열량 SNG 합성을 위한 탄화수소 선택도 증진에 효과가 있다.The catalyst according to the present invention may further contain a cocatalyst capable of easily controlling the catalyst performance. Non-limiting examples of the cocatalyst component include Mn, Cu, Co, Zn, K, Ce, . Increase of selectivity of methane and paraffin for Cu and Co co-catalysts, enhancement of stability of Fe-active metals for Mn and enhancement of hydrocarbon selectivity for catalyst stability and high calorie SNG synthesis, .

상기 조촉매 성분은 사용되는 Fe 및 Ni 금속 100 중량부를 기준으로 0.5 내지 5 중량부를 유지하는 것이 바람직하다. 상기 조촉매의 중량부가 하한 미만일 경우, 조촉매에 의한 증진효과가 미흡하여 바람직하지 않고, 상한을 초과할 경우 조촉매에 의하여 원하지 않는 부반응이 발생하여 바람직하지 않다.The cocatalyst component is preferably maintained at 0.5 to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of Fe and Ni metals to be used. When the weight of the cocatalyst is less than the lower limit, the effect of promoting the cocatalyst is insufficient, which is undesirable. If the weight of the cocatalyst is more than the upper limit, undesired side reactions may occur due to the cocatalyst.

본 발명에 따른 촉매는 활성이 없는 구조증진제 성분을 더 포함할 수 있으며, 비제한적인 예로 알루미나 또는 실리카와 같은 금속산화물일 수 있다. 구조증진제는 Fe 산화물 구조에 활성금속 분산을 위하여 사용될 수 있다. 따라서, 알루미나 지지체를 다른 니켈/철 전구체와 사용하지 아니하고, 알루미늄 전구체(예, 질산알루미늄(Al(NO3)3·9H2O))를 사용하여 공침법에 의해 구조증진제를 촉매에 추가할 수 있다. 또한, 알루미늄 전구체를 사용하는 경우, 촉매의 전체 조성 중 활성금속의 비율을 극대화 할 수 있기 때문에, 반응활성이 높은 촉매의 제조가 가능하다.The catalyst according to the present invention may further comprise an inactive structural promoter component, and may be a metal oxide such as, but not limited to, alumina or silica. Structural enhancers can be used for the active metal dispersion in the Fe oxide structure. Thus, structure enhancing agents can be added to the catalyst by coprecipitation using an aluminum precursor (e.g., aluminum nitrate (Al (NO 3 ) 3 .9H 2 O) without the use of an alumina support with other nickel / iron precursors have. Further, when an aluminum precursor is used, since the ratio of the active metal in the overall composition of the catalyst can be maximized, it is possible to produce a catalyst having a high reaction activity.

조촉매의 전구체 및/또는 구조증진제의 전구체는 제1단계의 전구체 용액에 추가로 더 포함될 수 있다.The precursor of the cocatalyst and / or the precursor of the structure enhancer may further be included in the precursor solution of the first step.

조촉매의 전구체 및/또는 구조증진제의 전구체의 비제한적인 예로는, 질산화물, 염화물, 황산화물, 초산화물 및 이들의 혼합물이 있다.Non-limiting examples of precursors of the cocatalyst and / or of the structure enhancer include nitrates, chlorides, sulfur oxides, super oxides, and mixtures thereof.

제2단계는 침전제와 증류수의 혼합용액을 제조하는 단계로서, 활성금속 및/또는 조촉매 전구체 및/또는 구조증진제 전구체를 공침하기 위해 침전제 혼합용액은 염기성 화합물 수용액인 것이 좋다.The second step is a step of preparing a mixed solution of a precipitant and distilled water. In order to coprecipitate the active metal and / or cocatalyst precursor and / or the structure enhancer precursor, the precipitant mixture solution is preferably an aqueous solution of a basic compound.

침전제의 비제한적인 예로는 암모니아수, 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화마그네슘, 탄산암모늄, 탄산나트륨, 탄산칼륨 및 이들의 혼합물 등이 있다.Non-limiting examples of precipitating agents include aqueous ammonia, sodium hydroxide, potassium hydroxide, magnesium hydroxide, ammonium carbonate, sodium carbonate, potassium carbonate, and mixtures thereof.

침전제는 활성금속 및 조촉매 및 구조증진제 성분의 1당량에 대하여 0.9 내지 1.1 당량비 범위로 사용하는 것이 바람직하다. 상기 염기성 화합물의 사용량이 0.9 당량비 미만이면 촉매성분의 침전이 완전하지 않으며, 1.1 당량비를 초과하는 경우에는 침전된 촉매성분이 다시 녹거나 용액의 pH가 너무 올라가는 문제가 발생한다. 또한, 상기 염기성 화합물 수용액의 pH는 6 ~ 9 범위를 유지하는 것이 바람직하다.The precipitant is preferably used in an amount of 0.9 to 1.1 equivalents based on 1 equivalent of the active metal and the promoter and the structural enhancer component. If the amount of the basic compound used is less than 0.9 equivalent, the precipitation of the catalyst component is not complete. If the amount of the basic compound exceeds 1.1 equivalent, the precipitated catalyst component may be re-dissolved or the pH of the solution may be excessively increased. In addition, the pH of the basic compound aqueous solution is preferably maintained in a range of 6 to 9.

제3단계는 촉매 전구체 용액과 침전제 용액을 혼합하는 단계이다. 제3단계에서 얻어진 혼합용액은 슬러리 상태일 수 있다. The third step is to mix the catalyst precursor solution and the precipitant solution. The mixed solution obtained in the third step may be in a slurry state.

제3단계는 혼합시 가열교반할 수 있다. 상기 제조된 슬러리는 일정시간 가열교반 과정을 거치며, 가열 온도 및 가열 시간은 60 내지 100 ℃ 및 1 시간 내지 5 시간이 바람직하다.The third step may be heating and stirring at the time of mixing. The slurry is heated and stirred for a predetermined time, and the heating temperature and heating time are preferably 60 to 100 ° C and 1 to 5 hours.

가열온도 및 가열시간이 상기 하한 미만일 경우 활성성분 및 조촉매의 균일한 분산이 어렵기 때문에 바람직하지 않고, 상기 상한을 초과할 경우 촉매 입자 사이즈가 증가하여 활성점이 감소하고 많은 시간이 소요되어 효율적이지 않으므로 바람직하지 않다.If the heating temperature and the heating time are less than the lower limit, it is difficult to uniformly disperse the active component and the promoter. If the heating temperature and the heating time are above the upper limit, the catalyst particle size increases and the active point decreases. So it is not desirable.

제4단계는 침전여과 과정이다. 침전여과 과정에서 슬러리는 탈 이온수를 사용하여 세척되며, 이때 사용되는 탈 이온수의 양은 슬러리 질량 1g 당 30 내지 50 ml를 사용하여 3 내지 5 회 세척하는 것이 바람직하다.The fourth step is the precipitation filtration process. In the precipitation filtration, the slurry is washed with deionized water, and the amount of deionized water used is preferably washed three to five times using 30 to 50 ml per 1 g of the slurry mass.

상기 탈 이온수의 양 및 세척횟수가 하한 미만일 경우, 전구체 및 침전제로 인한 불순물의 제거가 미흡하기 때문에 바람직하지 않고, 상한을 초과할 경우 상한과 큰 차이가 없어, 비효율적이기 때문에 바람직하지 않다.If the amount of the deionized water and the number of times of washing are less than the lower limit, the removal of the impurities due to the precursor and the precipitant is insufficient, which is undesirable and when the upper limit is exceeded, there is no significant difference from the upper limit.

상기 제4단계를 통하여 얻어진 여과물의 함수율은 50 내지 80 % 가 바람직하다.The water content of the filtrate obtained through the fourth step is preferably 50 to 80%.

상기 함수율이 하한 미만일 경우 슬러리 여과에 상당한 시간이 소요되어 비효율적이기 때문에 바람직하지 않고, 상한을 초과할 경우, 건조시 슬러리내 수분의 급격한 증발로 공극이 형성되어 탄소침적이 심화되고, 촉매수명이 감소할 수 있다.When the moisture content is less than the lower limit, it takes a considerable time to perform slurry filtration, which is not preferable because it takes a considerable time. When the upper limit is exceeded, pores are formed due to rapid evaporation of moisture in the slurry during drying, can do.

제5단계는 여과물의 건조 및 소성과정이다. 여과물은 90 내지 110℃의 온도에서 슬러리 1g 당 3 내지 5 시간 동안 건조하는 것이 바람직하며, 건조 후 얻어진 생성물은 450 내지 650 ℃에서 4 내지 6 시간 동안 소성하는 것이 바람직하다. The fifth step is the drying and calcination of the filtrate. The filtrate is preferably dried for 3 to 5 hours per 1 g of the slurry at a temperature of 90 to 110 캜, and the product obtained after drying is preferably calcined at 450 to 650 캜 for 4 to 6 hours.

상기 건조 온도가 하한 미만일 경우, 슬러리 건조에 상당한 시간이 소요되어 효율적이지 않고, 상한을 초과할 경우, 슬러리내 수분의 급격한 증발로 공극이 형성되어 탄소침적이 심화되고, 촉매수명이 감소할 수 있다.If the drying temperature is lower than the lower limit, it takes a considerable time to dry the slurry, which is not efficient. When the drying temperature exceeds the upper limit, voids are formed due to rapid evaporation of moisture in the slurry, .

상기 건조 시간이 하한일 경우, 슬러리의 건조상태가 미흡하기 때문에 바람직하지 않고, 상한을 초과할 경우, 상한과 크게 다르지 않아, 비효율적이기 때문에 바람직하지 않다. When the drying time is lower than the above-mentioned range, the drying condition of the slurry is insufficient, which is undesirable. When the drying time is over the upper limit, the drying time is not significantly different from the upper limit and is inefficient.

상기 소성온도가 하한 미만이면 제조 과정에 사용된 용매 및 유기 불순물이 소성에 의해 완전히 제거하기가 어렵고, 활성성분과 증진제의 균일한 분산이 저하되며, 촉매 강도가 약하기 때문에 바람직하지 않고, 상한을 초과할 경우 촉매 활성성분의 소결(sintering) 현상에 의한 촉매성분의 비표면적 및 활성점을 감소시켜 촉매활성을 저하시키는 문제가 발생하므로 상기 범위를 유지하는 것이 바람직하다. If the firing temperature is less than the lower limit, the solvent and the organic impurities used in the production process are difficult to be completely removed by firing, the uniform dispersion of the active ingredient and the promoter is lowered, the catalyst strength is weak, The specific surface area and the active site of the catalyst component due to sintering of the catalytically active component may be reduced to lower the catalytic activity, so that the above range is preferably maintained.

합성천연가스의 발열량은 촉매 소성 온도의 증가에 따라 550 ℃ 까지 14,300 Kcal/Nm3에서 12,300 Kcal/Nm3까지 감소하는 경향을 보였으며, 600 ℃ 이상에서는 다시 14,400 Kcal/Nm3 까지 증가하는 경향을 보였다. SNG 수율은 발열량과 반대 경향을 보였으며, 550 ℃ 소성 촉매에서 70% 이상으로 가장 높았다.The calorific value of synthetic natural gas tended to decrease from 14,300 Kcal / Nm 3 to 12,300 Kcal / Nm 3 up to 550 ° C as the catalytic firing temperature increased, and again to 14,400 Kcal / Nm 3 above 600 ° C It looked. The SNG yield showed a tendency to be opposite to the heating value, and it was the highest as 70% or more in the calcination catalyst at 550 ° C.

상기 과정들을 통하여 얻어진 최종생성물의 비표면적은 75 내지 150 m2/g이 바람직하며, 기공의 평균입경은 4 내지 8 nm가 바람직하다.The specific surface area of the final product obtained through the above processes is preferably 75 to 150 m 2 / g, and the average particle diameter of the pores is preferably 4 to 8 nm.

상기 비표면적이 하한 미만일 경우, 활성금속 및 증진제의 분산이 미흡하여 바람직하지 않고, 상한을 초과할 경우 활성금속 및 증진제의 분산성이 높아지지만, 촉매 강도가 저하되어 바람직하지 않다.When the specific surface area is less than the lower limit, dispersion of the active metal and the promoter is insufficient, which is undesirable. When the specific surface area exceeds the upper limit, the dispersibility of the active metal and the enhancer is increased.

상기 기공크기가 하한 미만일 경우, 또는 상한을 초과할 경우 메탄화 반응이 미흡하여 액상탄화수소 생성률이 증가하며, 그로 인하여, SNG 수율이 저하된다.When the pore size is less than the lower limit or exceeds the upper limit, the methanation reaction is insufficient and the liquid hydrocarbon generation rate is increased, thereby lowering the SNG yield.

상기 최종생성물의 형태는 철산화물, 니켈산화물, 철 또는 니켈알루미네이트 등으로 이루어질 수 있으며, 스피넬 구조의 magnetite를 포함할 수 있다. 또한, 활성화(환원)된 촉매는 철산화물, 니켈산화물, 철, 니켈, 철-니켈 합금으로 이루어질 수 있다. 이때, 활성금속인 철산화물은 Fe2O3, Fe3O4, 또는 둘다이고, 니켈산화물은 NiO, Ni2O3, 또는 둘다일 수 있으며, 주로 스피넬 구조의 magnetite로 이루어질 수 있다. The form of the final product may be iron oxide, nickel oxide, iron or nickel aluminate, and may include magnetite of spinel structure. In addition, the activated (reduced) catalyst can be made of iron oxide, nickel oxide, iron, nickel, iron-nickel alloy. At this time, the iron oxide as the active metal is Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , or both, Nickel oxide may be any of NiO, Ni 2 O 3, or both, it may be composed of mainly magnetite in spinel structure.

상기 최종생성물의 조성은 활성금속인 철과 니켈 100 중량부를 기준으로, 철 및 니켈이 각각 80 내지 95 중량부 및 5 내지 20 중량부인 것이 바람직하다.The composition of the final product is preferably 80 to 95 parts by weight and 5 to 20 parts by weight, respectively, based on 100 parts by weight of iron and nickel, which are active metals.

상기 철의 조성이 하한 미만일 경우, Ni에 의한 메탄화반응이 우세하여 생성물의 C2-C4 탄화수소 선택성이 저하되어 발열량이 낮기 때문에 바람직하지 않고, 상한을 초과할 경우 Fe의 특성이 우세하여 수성가스 전환반응으로 인한 SNG 수율이 저하되고 올레핀 선택도가 높기 때문에 바람직하지 않다.When the composition of the iron is below the lower limit, the methanation reaction by Ni predominates and the C2-C4 hydrocarbon selectivity of the product is lowered to lower the calorific value, and when the upper limit is exceeded, the Fe characteristic is dominant, The SNG yield due to the reaction is lowered and olefin selectivity is high, which is not preferable.

상기 니켈의 조성이 하한 미만일 경우, 메탄화반응이 미흡하여 SNG 수율이 저하되어 바람직하지 않고, 상한을 초과할 경우 FT 합성반응이 미흡하여 생성물의 C2-C4 탄화수소 선택도가 낮기 때문에 바람직하지 않다.When the composition of the nickel is below the lower limit, the methanation reaction is insufficient and SNG yield is lowered. When the upper limit is exceeded, the FT synthesis reaction is insufficient and the product has a low C2-C4 hydrocarbon selectivity.

또한, 본 발명은 11,000 Kcal/Nm3 ~ 19,000 Kcal/Nm3의 고발열량을 발휘하는 조성의 합성천연가스를 제조하는 방법으로서,The present invention is 11,000 Kcal / Nm 3 A method for producing a synthetic natural gas having a composition capable of exhibiting a high heating value of 19,000 Kcal / Nm 3 ,

활성금속인 철과 니켈 100 중량부를 기준으로, 철 및 니켈이 각각 80 내지 95 중량부 및 5 내지 20 중량부이고 스피넬 구조의 magnetite를 함유하는 Ni 및 Fe 함유 촉매 존재 하에, 일산화탄소로부터 메탄 및 C2-C4 파라핀 함유 합성천연가스를 제조하는 a단계를 포함하는 것이 특징인 방법을 제공한다.A method for producing a catalyst for catalytic reduction of methane and C2-C8 hydrocarbons from carbon monoxide in the presence of Ni and an Fe-containing catalyst containing 80 to 95 parts by weight and 5 to 20 parts by weight of iron and nickel, respectively, and containing magnetite of spinel structure, C4 paraffin-containing synthetic natural gas. &Lt; RTI ID = 0.0 &gt; A &lt; / RTI &gt;

이때, a단계 이전 또는 이후에, 300 ∼ 600 ℃의 온도 범위의 수소 분위기에서 촉매를 환원하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include reducing the catalyst in a hydrogen atmosphere at a temperature ranging from 300 to 600 ° C before or after the step a.

본 발명에 따른 Fe 및 Ni 함유 촉매에 의해 합성가스를 동시에 FT 합성반응 및 메탄화반응하게 함으로써, C1-C4의 고발열량 합성천연가스를 제조할 수 있다. By subjecting the synthesis gas to the FT synthesis reaction and the methanation reaction simultaneously with the Fe- and Ni-containing catalysts according to the present invention, the C1-C4 high heat amount synthetic natural gas can be produced.

따라서, a단계에서 메탄의 선택도는 33~82 카본 몰 % 이고, C2-C4 탄화수소의 선택도는 3~17 카본 몰 % 범위이며, C2-C4 탄화수소 중 파라핀의 비율이 90 ~ 100 카본몰 % 범위일 수 있다. Thus, in step a The selectivity of methane is 33-82 carbon mole%, the selectivity of C2-C4 hydrocarbon is 3-17 carbon mole%, and the proportion of paraffin among C2-C4 hydrocarbon is 90-100 carbon mole%.

a단계의 일산화탄소 함유 공급가스는 석탄, 바이오매스, 또는 탄소 함유 폐기물을 가스화하여 생산된 합성가스 또는 이로부터 정제된 가스일 수 있다.The carbon monoxide-containing feed gas in step a may be a syngas produced by gasifying coal, biomass, or carbon-containing waste, or purified gas therefrom.

a단계에서 공급가스(feed gas)의 H2/CO 비는 1.5 내지 3.5 인 것이 바람직하다. The H 2 / CO ratio of the feed gas in step a is preferably 1.5 to 3.5.

상기 H2/CO 비가 하한 미만일 경우 수성가스전환반응에 의한 SNG 수율 저하 및 탄소침적 발생이 심화되기 때문에 바람직하지 않고, 상한을 초과할 경우 C2-C4 탄화수소의 선택도가 낮아, SNG의 발열량이 감소하기 때문에 바람직하지 않다.When the H 2 / CO ratio is lower than the lower limit, the SNG yield is lowered due to the water gas conversion reaction and the carbon deposition is increased. When the upper limit is exceeded, the selectivity of the C 2 -C 4 hydrocarbon is low, It is not preferable.

상기 합성천연가스 합성 반응 조건은 일반적으로 사용되는 것으로 특별히 한정하지는 않는다.The synthetic natural gas synthesis reaction conditions are not particularly limited as they are generally used.

본 발명의 촉매는 고정층, 유동층 및 슬러리 반응기에서 300 ∼ 600 ℃의 온도 범위의 수소 분위기에서 환원한 후에 반응에 활용할 수 있다. The catalyst of the present invention can be used for the reaction after being reduced in a hydrogen atmosphere at a temperature range of 300 to 600 ° C in a fixed bed, a fluidized bed, and a slurry reactor.

상기 a단계에서, 반응 온도는 300 ∼ 400 ℃, 반응 압력은 20 ∼ 40 bar, 공간속도는 1000 ml/gcat·h ∼ 10000 ml/gcat·h 인 것이 바람직하다. In the step a, the reaction temperature is preferably 300 to 400 ° C, the reaction pressure is 20 to 40 bar, and the space velocity is 1000 ml / g cat · h to 10000 ml / g cat · h.

본 발명의 방법으로 제조된 촉매 상에서 350 ℃, 30 기압 및 6000 ml/gcat·h 공간속도의 반응 조건에서 전환율은 90 ∼ 100 카본 몰% 범위를 나타낸다. Conversion rates in the reaction conditions of 350 ° C, 30 atm and 6000 ml / g cat.h space speed on the catalyst prepared by the process of the present invention show a range of 90-100 carbon mole%.

제조되는 합성천연가스의 조성은 메탄이 33~82 카본 몰 % 이며, C2-C4 탄화수소가 3~17 카본 몰 % 범위를 나타낸다. C2-C4 탄화수소 중 파라핀의 비율은 90 ~ 100 카본몰 % 범위를 나타내며, 부산물인 C5이상 탄화수소, 구체적으로 C5-C12의 가솔린 유분은 6 ∼ 13 카본 몰% 범위를 나타낸다.The composition of the synthetic natural gas produced is 33 to 82 carbon mole% of methane and 3 to 17 carbon mole% of C2-C4 hydrocarbon. The ratio of paraffins in C2-C4 hydrocarbons is in the range of 90-100 carbon mole%, and by-products C5 or higher hydrocarbons, specifically C5-C12 gasoline oil fractions, range from 6 to 13 carbon mole%.

본 발명은, 2종 이상의 금속을 이용하여 제조된 촉매로서, FT 합성반응 및 메탄화 반응을 동시에 이용하여, 메탄으로 주로 구성되고 C2-C4 파라핀 함량이 높은 고발열량의 합성천연가스의 생산과 공정 간소화가 가능한 촉매를 제조할 수 있다. The present invention relates to a catalyst prepared by using two or more metals, which is produced by simultaneously using FT synthesis reaction and methanation reaction, to produce a high-calorific synthetic natural gas composed mainly of methane and having a high content of C2- A catalyst capable of being simplified can be produced.

도 1은 실시예 1 및 비교예 1~3에서 제조된 촉매에 의한 전환율 및 탄화수소 선택도를 나타낸 것이다.
도 2는 실시예 1 및 비교예 1~3에서 제조된 촉매에 의한 SNG의 발열량 및 수율을 나타낸 것이다.
도 3, 도 4, 및 도 5는 각각 실시예 2~5 및 비교예 4에서 제조된 촉매의 X-선 회절분석(XRD), 승온-환원 특성분석(TPR) 및 BET 기공특성분석 결과이다.
도 6은 실시예 2~5 및 비교예 4에서 제조된 촉매에 의한 전환율 및 탄화수소 선택도를 나타낸 것이다.
도 7은 실시예 2~5 및 비교예 4에서 제조된 촉매에 의한 SNG 발열량 및 수율을 나타낸 것이다.
도 8에 실시예 6 및 7 및 비교예 5에서의 전환율 및 탄화수소 선택도를 나타낸 것이다.
도 9는 석탄으로부터 SNG를 얻는 방법에 대한 개념도이다.
FIG. 1 shows the conversion and hydrocarbon selectivity of the catalyst prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 3.
FIG. 2 shows the amounts of heat generated and yields of SNG by the catalyst prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 3. FIG.
FIGS. 3, 4, and 5 are XRD, RTP, and BET pore characterization results of the catalysts prepared in Examples 2 to 5 and Comparative Example 4, respectively.
6 shows conversion rates and selectivities of hydrocarbons by the catalysts prepared in Examples 2 to 5 and Comparative Example 4. FIG.
7 shows the SNG calorific value and yield according to the catalysts prepared in Examples 2 to 5 and Comparative Example 4. Fig.
FIG. 8 shows conversion ratios and hydrocarbon selectivities in Examples 6 and 7 and Comparative Example 5.
9 is a conceptual diagram of a method for obtaining SNG from coal.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명의 기술적 특징을 명확하게 예시하기 위한 것일 뿐 본 발명의 보호범위를 한정하는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the following examples are intended to clearly illustrate the technical features of the present invention and do not limit the scope of protection of the present invention.

<< 실시예Example 1,  One, 비교예Comparative Example 1 내지  1 to 3> Fe:Ni3> Fe: Ni 비율에 따른 고열량  High calorific value by ratio 합성천연가스Synthetic natural gas 합성용 Fe- Synthesis Fe- NiNi 이종금속 촉매 제조 Manufacture of heterogeneous metal catalysts

촉매조성은 각각 50Fe-50Ni-20Al, 80Fe-20Ni-20Al, 95Fe-5Ni-20Al, 98Fe-2Ni-20Al이 되도록, 하기 표 1(조성에 따른 Fe-Ni 촉매의 금속 전구체 사용량)과 같이 질산철 (Fe(NO3)3·9H2O), 질산니켈 (Ni(NO3)2·6H2O) 및 질산알루미늄(Al(NO3)3·9H2O)을 200ml 증류수에 녹여 전구체 용액을 제조하였다.The amounts of the metal precursors used in the Fe-Ni catalyst according to the composition shown in Table 1 below were adjusted so that the catalyst compositions were 50 Fe-50 Ni-20 Al, 80 Fe-20 Ni-20 Al, 95 Fe-5 Ni-20 Al and 98 Fe- (Fe (NO 3) 3 · 9H 2 O), nickel nitrate (Ni (NO 3) 2 · 6H 2 O) and aluminum nitrate (Al (NO 3) 3 · 9H 2 O) of a precursor solution by dissolving in 200ml of distilled water .

Figure 112017016721661-pat00001
Figure 112017016721661-pat00001

침전제 용액은 하기 표 2(조성에 따른 Fe-Ni 촉매의 침전제 사용량)와 같이 99.5 %의 탄산칼륨(K2CO3)을 각각 300 ml의 증류수에 녹여 제조하였다. The precipitant solution was prepared by dissolving 99.5% potassium carbonate (K 2 CO 3 ) in 300 ml of distilled water as shown in Table 2 (the amount of the precipitant used in the Fe-Ni catalyst according to the composition).

Figure 112017016721661-pat00002
Figure 112017016721661-pat00002

상기 전구체 용액은 격렬한 교반하의 침전제 용액에 첨가하여 침전 슬러리를 제조하고, 80 ℃에서 3 시간 동안 교반한 후, 생성된 침전물을 여과하고 증류수 1,000 ml로 여러 차례 나누어 세척하였다. 상기 과정으로 생성된 수산화철 cake는 함수율이 55%가 될 때까지 여과 및 건조하였다. 건조된 수산화철 cake는 건조오븐에서 110 ℃에서 12 시간 동안 건조 후, 소성로에서 air 분위기 하에, 450 ℃에서 4 시간 동안 소성하였다. The precursor solution was added to precipitant solution under vigorous stirring to prepare a precipitate slurry. After stirring at 80 ° C for 3 hours, the resulting precipitate was filtered and washed several times with 1,000 ml of distilled water. The resulting ferric hydroxide cake was filtered and dried until the water content became 55%. The dried iron hydroxide cake was dried in a drying oven at 110 DEG C for 12 hours and then calcined at 450 DEG C for 4 hours in an air atmosphere in a firing furnace.

하기 표 3(조성에 따른 Fe-Ni 촉매의 XRF 분석 결과)에 제조된 촉매의 X-선 형광 분석(XRF) 결과를 나타내었다. X-ray fluorescence analysis (XRF) of the catalyst prepared in the following Table 3 (XRF analysis of Fe-Ni catalyst according to composition) is shown.

Figure 112017016721661-pat00003
Figure 112017016721661-pat00003

제조된 촉매는 상기 표 3과 같이 XRF 분석 결과와 상기 디자인 한 촉매조성이 일치하였으며, 이로부터 상기 촉매 제조방법에 의하여, 촉매 활성금속 비율에 따라 디자인 된 촉매조성과 일치하게 제조할 수 있음을 확인하였다.As shown in Table 3, the catalyst prepared was in conformity with the designed catalyst composition, and from the result, it was confirmed that the prepared catalyst could be prepared in accordance with the catalyst composition designed according to the catalyst active metal ratio Respectively.

상기 제조된 촉매는 1/2인치 스테인레스 고정층 반응기에 1 g의 실시예 및 비교예에서 제조된 촉매를 장입하고, 400 ℃의 H2 분위기 하에서 6시간 동안 환원 처리한 후에, 반응온도, 350 ℃, 반응압력 30 bar, 공간속도 6,000 ml/gcat·h의 조건에서 반응물인 합성가스는 H2/CO 비를 3으로 고정하여 반응기로 주입하여 SNG 합성반응을 수행하였다.The prepared catalyst was charged into a 1/2-inch stainless steel fixed bed reactor with 1 g of the catalyst prepared in Example and Comparative Example, reduced under H 2 atmosphere at 400 ° C. for 6 hours, The synthesis gas, which is a reactant, was injected into the reactor at a H 2 / CO ratio of 3 at a reaction pressure of 30 bar and a space velocity of 6,000 ml / g cat · h.

하기 도 1에 실시예 및 비교예에 의한 전환율 및 탄화수소 선택도를 나타내었다.FIG. 1 shows the conversion and hydrocarbon selectivity according to Examples and Comparative Examples.

Ni 활성메탈의 첨가에 의하여 CO 전환율은 모든 조성비에서 100%에 근접하였으며, CO to CO2 전환율이 감소하였다. Fe 단일촉매의 경우, CO to CO2 전환율이 매우 높았다.By the addition of Ni active metal, CO conversion was close to 100% in all composition ratios and CO to CO 2 conversion was decreased. In the case of the Fe single catalyst, CO to CO 2 conversion was very high.

Ni 활성메탈의 첨가에 의하여 CH4 선택도는 2배 이상 증가되었으며, Ni 비율이 전체 활성메탈 중 20% 이상일 경우 약 90%의 CH4 선택도를 보였다. C2-C4 선택도 및 C5+ 선택도는 Ni 활성메탈 첨가에 의하여 크게 감소하였으며, C2-C4 탄화수소 내 paraffin 선택도는 Ni 첨가에 의하여 100%에 도달하였다. The CH 4 selectivity was increased more than two times by the addition of Ni active metal. When the Ni ratio was more than 20% of the total active metal, CH 4 selectivity was about 90%. The C 2 -C 4 selectivity and C 5+ selectivity were greatly reduced by the addition of Ni active metal, and the C 2 -C 4 hydrocarbons Paraffin selectivity reached 100% by Ni addition.

탄화수소 선택도 중 C5+ 선택도의 감소는 SNG 수율의 향상을 유도할 수 있으나, CH4 선택도의 증가 및 C2-C4 선택도의 감소는 SNG의 발열량의 감소로 이어지기 때문에, 비교적 C2-C4 선택도가 높은 조성비(활성 메탈 중 Ni 비율이 20% 미만)가 최적으로 판단된다. A decrease in the C 5+ selectivity of the hydrocarbon selectivity may lead to an improvement in the SNG yield but an increase in the CH 4 selectivity and a decrease in the C 2 -C 4 selectivity lead to a decrease in the amount of heat generated by the SNG, A composition ratio (Ni ratio of active metal less than 20%) having a high degree of C 2 -C 4 selectivity is optimum.

하기 도 2에 실시예 및 비교예에 의한 SNG의 발열량 및 수율을 나타내었다.FIG. 2 shows the amounts of heat generated and yields of SNG according to Examples and Comparative Examples.

Ni 첨가시 Fe 단일 금속 촉매에 비하여, 발열량은 19,000 Kcal/Nm3에서 10,000 Kcal/Nm3로 크게 저하되었으며, Fe:Ni이 50:50 및 80:20에서 큰 차이는 없었다. Fe:Ni이 95:5에서 SNG 발열량은 14,300 Kcal/Nm3 으로, 50:50 및 80:20에 비하여 높았다. SNG 수율은 Ni 첨가 및 첨가량에 따라 증가하였으나, Fe:Ni이 50:50, 80:20 촉매의 경우 높은 SNG 수율에 비하여 발열량이 매우 낮았으며, Ni이 첨가되지 않은 촉매의 경우 발열량은 매우 높지만, 수율이 매우 낮았다.Compared with the Fe single metal catalyst, the calorific value was greatly reduced from 19,000 Kcal / Nm 3 to 10,000 Kcal / Nm 3 when Ni was added, and there was no significant difference between Fe: Ni at 50:50 and 80:20. At Fe: Ni of 95: 5, the SNG calorific value was 14,300 Kcal / Nm 3, which was higher than 50:50 and 80:20. SNG yield increased with Ni addition and addition amount. However, the heating value was very low compared with the high SNG yield in case of Fe: Ni 50:50 and 80:20 catalyst, and the heating value was very high in case of catalyst not containing Ni, The yield was very low.

따라서 Fe 단일금속 촉매의 경우, CO to CO2 전환율이 높아, SNG 수율이 낮기 때문에 SNG 합성용 촉매로서 적합하지 않으며, 활성메탈 중 Ni의 비율이 20% 이상일 경우, 높은 CH4 선택도 및 낮은 C2-C4 선택도로 인하여, 발열량이 낮아지기 때문에, 고열량 SNG의 합성에는 적합하지 않다.Therefore, Fe single metal catalysts are not suitable as SNG synthesis catalysts because of high CO to CO 2 conversion and low SNG yield. When the proportion of Ni in the active metal is more than 20%, high CH 4 selectivity and low C Due to the choice of 2 to 4 , the amount of heat generated is lowered, so that it is not suitable for the synthesis of a high heat amount SNG.

<실시예 2~5> 소성온도에 따른 고열량 합성천연가스 합성용 Fe-Ni 이종금속 촉매 제조<Examples 2 to 5> Production of Fe-Ni hetero metal catalyst for synthesis of high calorific value synthetic natural gas according to firing temperature

촉매조성은 95Fe-5Ni-20Al이 되도록, 각각 하기 표와 같이 질산철 (Fe(NO3)3·9H2O), 질산니켈 (Ni(NO3)2·6H2O) 및 질산알루미늄(Al(NO3)3·9H2O) 각각 50 g, 1.81 g 및 20.34 g을 200ml 증류수에 녹여 전구체 용액을 제조하였다.(Fe (NO 3 ) 3 .9H 2 O), nickel nitrate (Ni (NO 3 ) 2 .6H 2 O) and aluminum nitrate (Al (NO 3 ) 3 .9H 2 O) were dissolved in 200 ml of distilled water to prepare a precursor solution.

상기 전구체 용액은 99.5 %의 탄산칼륨(K2CO3) 38 g과 300 ml의 증류수가 섞인 용액에 격렬한 교반하에서 첨가하여 침전 슬러리를 80 ℃에서 3 시간 동안 교반한 후, 생성된 침전물을 여과하고 증류수 1,000 ml로 여러 차례 나누어 세척하였다. 상기 과정으로 생성된 수산화철 cake는 함수율이 55%가 될 때까지 여과 및 건조하였다. 건조된 수산화철 cake는 건조오븐에서 110 ℃에서 12 시간 동안 건조 후, 소성로에서 air 분위기 하에, 각각 450℃, 500℃, 550℃, 600℃, 700 ℃에서 4 시간 동안 소성하였다.The precursor solution was added to a solution of 99.5% potassium carbonate (K 2 CO 3 ) (38 g) and 300 ml of distilled water under vigorous stirring, the precipitate slurry was stirred at 80 ° C for 3 hours, and the resulting precipitate was filtered And washed several times with 1,000 ml of distilled water. The resulting ferric hydroxide cake was filtered and dried until the water content became 55%. The dried iron hydroxide cake was dried at 110 ° C for 12 hours in a drying oven, and then calcined at 450 ° C, 500 ° C, 550 ° C, 600 ° C and 700 ° C for 4 hours in an air atmosphere in a sintering furnace.

상기에서 제조된 철-니켈 이종금속 촉매의 X-선 형광분석 (XRF), X-선 회절분석(XRD), 승온-환원 특성분석(TPR) 및 BET 기공특성분석 결과를 각각 하기 표 4(조성에 따른 Fe-Ni 촉매의 XRF 분석 결과), 도 3, 도 4, 및 도 5에 나타내었다.The results of X-ray fluorescence analysis (XRF), X-ray diffraction analysis (XRD), heating-reduction characteristics analysis (TPR) and BET pore characterization of the iron-nickel dissimilar metal catalysts prepared above are shown in Table 4 XRF analysis of the Fe-Ni catalyst according to the present invention) is shown in FIG. 3, FIG. 4, and FIG.

Figure 112017016721661-pat00004
Figure 112017016721661-pat00004

제조된 촉매는 상기 표 4과 같이 XRF 분석 결과와 상기 디자인 한 촉매조성이 일치하였으며, 소성온도에 따른 변화는 관찰되지 않았다. 이로부터 상기 촉매 제조방법에 의하여, 촉매 소성온도에 따른 변화 없이, 디자인 된 촉매조성과 일치하게 제조할 수 있음을 확인하였다.As shown in Table 4, the prepared catalyst had the same XRF analysis and the designed catalyst composition, and no change was observed according to the firing temperature. From the above, it was confirmed that the catalyst can be manufactured in accordance with the designed catalyst composition without changing the calcination temperature by the catalyst production method.

도 3의 XRD 분석 결과, 활성메탈 비율의 대부분을 차지하는 Fe의 산화물인 Fe2O3 및 Fe3O4 peak가 주로 나타났으며, NiO peak 및 Fe와 Ni의 aluminate peak이 관찰되었다. 소성온도 550 ℃ 이상에서 crystal size 증가에 의하여 peak intensity가 두드러지게 증가하였다. As a result of the XRD analysis of FIG. 3, Fe 2 O 3 and Fe 3 O 4 , which are oxides of Fe occupying most of the active metal ratio peak NiO peak and aluminate peaks of Fe and Ni were observed. At the calcination temperature above 550 ℃, the peak intensity increased significantly by crystal size increase.

환원 후 촉매의 XRD peak 중 Fe2O3 peak는 관찰되지 않거나 intensity가 크게 감소하였으며, 대부분이 Fe3O4를 나타내는 peak가 주된 peak로 나타났다. 그 외에도 촉매 환원에 의하여 iron metal peak 및 Fe-Ni alloy peak이 관찰되었으며, 촉매 소성온도의 증가에 따라 intensity가 증가하였다. The Fe 2 O 3 peak in the XRD peak of the catalyst after reduction was not observed or the intensity was greatly decreased, and the peak indicating Fe 3 O 4 was the main peak. In addition, iron metal peak and Fe-Ni alloy peak were observed by catalytic reduction and intensity increased with increasing catalytic firing temperature.

도 4의 승온-환원 특성분석(TPR) 결과, 소성온도가 증가할수록 Fe-Ni bimetallic oxide 및 aluminate 형성이 증가되어, Fe2O3 →Fe3O4 환원 peak (340 → 400 ℃), Fe3O4 → Fe & aluminate 환원 peak (470 → 700 ℃)가 고온으로 shift 되었다. FIG temperature rise of 4 - is the more reduced the characterization (TPR) result, the firing temperature increase increases the Fe-Ni bimetallic oxide and aluminate formed, Fe 2 O 3 → Fe 3 O 4 reduction peak (340 → 400 ° C.), Fe 3 O 4 → Fe & aluminate reduction peak (470 → 700 ° C.) was shifted to high temperature.

도 5의 BET 기공특성 분석 결과, 촉매 소성온도의 증가에 따라 활성성분의 소결에 의한 기공성 감소로 인하여, 촉매 N2 흡착량이 감소하였으며, hysteresis의 분포가 상대압이 높은 쪽으로 shift되었다. 하기 표 5(소성온도에 따른 95Fe-5Ni-20Al 촉매의 기공특성)의 비표면적 및 기공부피는 촉매 소성온도에 따라 감소하는 경향을 보였으며, 특히, 550 ℃ 이상에서 비표면적이 크게 감소하였다. 기공크기는 촉매 소성온도에 따라 증가하였으며, 도 5의 기공분포도에서 각 실시예에 의한 촉매의 기공분포는 소성온도 증가에 따라 주로 2~6 nm 의 분포에서 6~12 nm로 shift 되었다. As a result of analyzing the BET pore characteristics of FIG. 5, the adsorption amount of catalyst N 2 decreased and the distribution of hysteresis shifted to a higher relative pressure due to the decrease of porosity due to sintering of the active ingredient with increasing catalytic firing temperature. The specific surface area and the pore volume of the 95Fe-5Ni-20Al catalyst according to the firing temperature shown in Table 5 were decreased with the firing temperature of the catalyst. Particularly, the specific surface area was significantly reduced at 550 ° C or higher. The pore size increased with the calcination temperature of the catalyst. In the pore distribution diagram of FIG. 5, the pore distribution of the catalyst according to each example was shifted from 6 to 12 nm in the range of 2 to 6 nm with increasing calcination temperature.

Figure 112017016721661-pat00005
Figure 112017016721661-pat00005

제조된 촉매는 1/2인치 스테인레스 고정층 반응기에 1 g의 실시예 및 비교예에서 제조된 촉매를 장입하고, 400 ℃의 H2 분위기 하에서 6시간 동안 환원 처리한 후에, 반응온도, 350 ℃, 반응압력 30 bar, 공간속도 6,000 ml/gcat·h의 조건에서 반응물인 합성가스는 H2/CO 비를 3으로 고정하여 반응기로 주입하여 SNG 합성반응을 수행하였다. The prepared catalyst was charged in a 1/2-inch stainless steel fixed bed reactor with 1 g of the catalyst prepared in Examples and Comparative Examples, reduced under H 2 atmosphere at 400 ° C. for 6 hours, Under the conditions of pressure 30 bar and space velocity 6,000 ml / g cat · h, synthesis gas as a reactant was injected into the reactor with the H 2 / CO ratio fixed at 3 to perform SNG synthesis reaction.

하기 도 6에 실시예 및 비교예에 의한 전환율 및 탄화수소 선택도를 나타내었다.FIG. 6 shows the conversion and hydrocarbon selectivity according to Examples and Comparative Examples.

95Fe-5Ni-20Al 촉매의 CO 전환율은 700 ℃ 소성촉매를 제외하고 소성온도에 관계없이 100%에 근접하였으나, 700 ℃ 소성 촉매의 경우 metal-aluminate 형성에 의하여, 다른 촉매에 비하여 CO 전환율이 크게 감소되었으며, WGS 활성이 매우 높았다. 550 ℃ 소성촉매의 경우 CO to CO2 전환율 및 C5+ 선택도가 가장 낮았다. The CO conversion of 95Fe-5Ni-20Al catalyst was close to 100% regardless of the calcination temperature except for the calcination temperature of 700 ℃. However, the calcination catalyst at 700 ℃ showed a significant reduction of CO conversion by the formation of metal-aluminate And the activity of WGS was very high. The CO 2 to CO 2 conversion and the C 5+ selectivity were the lowest in the calcined catalyst at 550 ℃.

탄화수소 선택도의 경우, 촉매 소성온도의 증가에 따라 550 ℃까지 CH4 선택도가 증가하였으며, paraffin 선택도는 소성온도 550 ℃ 이상에서 모두 100%를 나타내었다. 700 ℃ 소성 촉매의 경우 높은 C2-C4 선택도롤 나타내어, 발열량이 높을 것으로 예상되지만, 낮은 CO 전환율 및 높은 WGS 활성으로 인하여 SNG 합성반응에는 적합하지 않은 것으로 판단된다.In the case of hydrocarbon selectivity, CH 4 selectivity increased up to 550 ℃ with increasing catalytic firing temperature, and paraffin selectivity was 100% at all firing temperatures above 550 ℃. In the case of the calcination catalyst at 700 ° C, the high C 2 -C 4 selectivity is shown as a roll, which is expected to have a high calorific value, but it is not suitable for the SNG synthesis reaction due to low CO conversion and high WGS activity.

하기 도 7에 실시예 및 비교예에 의한 SNG 발열량 및 수율을 나타내었다.FIG. 7 shows the SNG heating amount and yield according to Examples and Comparative Examples.

발열량은 촉매 소성 온도의 증가에 따라 550 ℃ 까지 14,300 Kcal/Nm3에서 12,300 Kcal/Nm3까지 감소하는 경향을 보였으며, 600 ℃ 이상에서는 다시 14,400 Kcal/Nm3 까지 증가하는 경향을 보였다. SNG 수율은 발열량과 반대 경향을 보였으며, 550 ℃ 소성 촉매에서 70% 이상으로 가장 높았다.The calorific value tended to decrease from 14,300 Kcal / Nm 3 to 12,300 Kcal / Nm 3 up to 550 ° C as the catalyst firing temperature increased, and again to 14,400 Kcal / Nm 3 above 600 ° C Of the total. The SNG yield showed a tendency to be opposite to the heating value, and it was the highest as 70% or more in the calcination catalyst at 550 ° C.

따라서 촉매의 소성온도가 450도 이하에서는 제조 과정에 사용된 용매 및 유기 불순물이 소성에 의해 완전히 제거하기가 어렵고, 활성성분과 증진제의 균일한 분산이 저하되며, 촉매 강도가 약하기 때문에 고발열량 SNG 합성용 촉매로서 적합하지 않고, 650도를 초과할 경우 Fe-aluminate 및 Ni-Aluminate의 과도한 형성으로 인한 환원도 감소 및 활성저하, 소결에 의한 기공구조 형성의 미흡에 의하여 고발열량 SNG 합성 촉매로서 적합하지 않다.Therefore, when the firing temperature of the catalyst is below 450 ° C., the solvent and organic impurities used in the production process are difficult to completely remove due to firing, the uniform dispersion of the active ingredient and the promoter is lowered and the catalyst strength is weak. And it is suitable as SNG synthesis catalyst due to insufficient decrease of purity due to excessive formation of Fe-aluminate and Ni-Aluminate and insufficient activity and formation of pore structure by sintering when the temperature exceeds 650 ° C not.

<< 실시예Example 6~7> Fe- 6-7> Fe- NiNi 이종금속 촉매의 합성가스 H Synthesis gas H of heterogeneous metal catalyst 22 /CO ratio에 따른 SNG 합성 반응 특성/ SNG Synthesis Reaction Characteristics by CO Ratio

실시예 4의 95Fe-5Ni-20Al, 550℃ 소성촉매를 1/2인치 스테인레스 고정층 반응기에 1 g 장입하고, 400 ℃의 H2 분위기 하에서 6시간 동안 환원 처리한 후에, 반응온도, 350 ℃, 반응압력 30 bar, 공간속도 6,000 ml/gcat·h의 조건에서 반응물인 합성가스는 H2/CO 비를 1 내지 3으로 하여 반응기로 주입하여 SNG 합성반응을 수행하였다. 1 g of 95 Fe-5Ni-20Al calcined catalyst of Example 4 at 550 캜 was charged into a 1/2-inch stainless steel fixed bed reactor and subjected to reduction treatment at 400 캜 under an H 2 atmosphere for 6 hours. Under the conditions of a pressure of 30 bar and a space velocity of 6,000 ml / g cat · h, the synthesis gas, which is a reactant, was injected into the reactor at an H 2 / CO ratio of 1 to 3 to perform SNG synthesis reaction.

Figure 112017016721661-pat00006
Figure 112017016721661-pat00006

하기 도 8에 실시예 및 비교예 의한 전환율 및 탄화수소 선택도를 나타내었다.The conversion and hydrocarbon selectivity according to Examples and Comparative Examples are shown in FIG.

CO 전환율 및 CO to HC 전환율은 H2/CO ratio 증가에 따라 증가하였으며, CO to CO2 전환율은 WGS 활성 감소에 의하여 감소하였다. H2/CO ratio가 1.5 미만에서는 CO to CO2 전환율이 40% 이상으로 매우 높아 SNG 수율이 CO to HC 전환율이 낮아 SNG 합성에 적합하지 않음을 확인할 수 있다.CO conversion and CO to HC conversion increased with increasing H 2 / CO ratio and CO to CO 2 conversion decreased with decreasing WGS activity. When the H 2 / CO ratio is less than 1.5, the conversion of CO to CO 2 is very high, more than 40%, indicating that the SNG yield is not suitable for SNG synthesis due to low CO to HC conversion.

H2/CO ratio 증가에 따라 CH4 선택도 및 paraffin 선택도가 증가하였으며, C2-C4 선택도는 감소하였다. H2/CO ratio가 1.5 미만에서는 paraffin 선택도가 낮아 고열량 SNG 합성에 적합하지 않음을 확인할 수 있다.The CH 4 selectivity and paraffin selectivity increased with increasing H 2 / CO ratio and the C2-C4 selectivity decreased. When the H 2 / CO ratio is less than 1.5, the paraffin selectivity is low, indicating that it is not suitable for high-temperature SNG synthesis.

이상에서와 같이 본 발명을 상기 의 실시예를 통해 설명하였지만 본 발명이 반드시 여기에만 한정되는 것은 아니며 본 발명의 범주와 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형실시가 가능함은 물론이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 특정 실시 형태로 국한되는 것이 아니며, 본 발명에 첨부된 특허청구의 범위에 속하는 모든 실시 형태를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. Accordingly, the scope of protection of the present invention is not limited to the specific embodiments but should be construed as including all embodiments belonging to the claims attached hereto.

Claims (20)

메탄 : C2-C4 파라핀 (몰비) = 1 : 0.05 ~ 0.5의 고발열량을 발휘하는 조성의 합성천연가스를 제조하는 방법에 있어서,
활성금속인 철과 니켈 100 중량부를 기준으로, 철 및 니켈이 각각 80 내지 95 중량부 및 5 내지 20 중량부이고 스피넬 구조의 자철석(magnetite)을 함유하는 Ni 및 Fe 함유 촉매 존재 하에, 일산화탄소 및 수소가 1.5 내지 3.5의 비율(수소/일산화탄소)로 함유된 공급가스로부터 메탄 및 C2-C4 파라핀 함유 합성천연가스를 제조하는 a단계를 포함하는 것이 특징인 방법.
A method for producing a synthetic natural gas having a composition exhibiting a high heating value of methane: C2-C4 paraffin (molar ratio) = 1: 0.05-0.5,
The present inventors have found that in the presence of Ni and Fe containing catalysts each containing 80 to 95 parts by weight and 5 to 20 parts by weight of iron and nickel and containing magnetite of spinel structure based on 100 parts by weight of iron and nickel as active metals, Comprising producing a methane and a C2-C4 paraffin-containing synthetic natural gas from a feed gas contained in a ratio of 1.5 to 3.5 (hydrogen / carbon monoxide).
제1항에 있어서, a단계는 상기 촉매에 의해 Fischer-Tropsh(FT) 합성반응 및 메탄화 반응이 동시에 일어나는 것이 특징인 방법.The process according to claim 1, wherein step (a) is carried out simultaneously with the Fischer-Tropsh (FT) synthesis reaction and the methanation reaction. 제1항에 있어서, 상기 촉매 중 활성금속은 철산화물, 니켈산화물, 철, 니켈, 철-니켈 합금 또는 이의 혼합물인 것이 특징인 방법.The method of claim 1, wherein the active metal in the catalyst is iron oxide, nickel oxide, iron, nickel, iron-nickel alloy or mixtures thereof. 제3항에 있어서, 활성금속인 철산화물은 Fe2O3, Fe3O4, 또는 둘다이고, 니켈산화물은 NiO, Ni2O3, 또는 둘다인 것이 특징인 방법. The process of claim 3, wherein the iron oxide that is an active metal is Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , Nickel oxide is the method that the NiO, Ni 2 O 3, or both characteristics. 제1항에 있어서, a단계 이전 또는 이후에, 300 ∼ 600 ℃의 온도 범위의 수소 분위기에서 촉매를 환원하는 단계를 더 포함하는 것이 특징인 방법.2. The method of claim 1, further comprising reducing the catalyst in a hydrogen atmosphere at a temperature ranging from 300 to 600 &lt; 0 &gt; C before or after step a. 제1항에 있어서, 상기 촉매는 비표면적이 75 내지 150 m2/g이고 기공의 평균입경이 4 내지 8 nm인 것이 특징인 방법.The process according to claim 1, wherein the catalyst has a specific surface area of 75 to 150 m 2 / g and an average pore size of 4 to 8 nm. 제1항에 있어서, 상기 촉매는 350 ℃, 30 기압 및 6000 ml/gcat·h 공간속도의 반응 조건에서 CO 전환율이 90 ∼ 100 카본 몰% 범위인 것이 특징인 방법.2. The process of claim 1, wherein the catalyst has a CO conversion in the range of 90 to 100 carbon mole% under reaction conditions of 350 &lt; 0 &gt; C, 30 atm and 6000 ml / g cat.h space. 제1항에 있어서, a단계에서 메탄의 선택도는 33~82 카본 몰 % 이고, C2-C4 탄화수소의 선택도는 3~17 카본 몰 % 범위이며, C2-C4 탄화수소 중 파라핀의 비율이 90 ~ 100 카본몰 % 범위인 것이 특징인 방법.The method of claim 1, wherein the selectivity of methane in stage a is 33-82 carbon mole%, the selectivity of C2-C4 hydrocarbon is in the range of 3-17 carbon mole%, the ratio of paraffins in C2- 100 carbon mole%. 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, a단계에서 반응 압력은 20 ∼ 40 바(bar)이고, 반응 온도는 300 ∼ 400 ℃이고, 공간속도는 1000 ml/gcat·h ∼ 10000 ml/gcat·h 인 것이 특징인 방법.The process according to claim 1, wherein the reaction pressure in step a is 20 to 40 bar, the reaction temperature is 300 to 400 ° C, and the space velocity is 1000 ml / g cat.h to 10000 ml / g cat.h Feature method. 제1항에 있어서, a단계의 일산화탄소 및 수소가 함유된 공급가스는 석탄, 바이오매스, 또는 탄소 함유 폐기물을 가스화하여 생산된 합성가스 또는 이로부터 정제된 가스인 것이 특징인 방법.The method according to claim 1, wherein the carbon monoxide and hydrogen-containing feed gas in step a is a syngas produced from gasification of coal, biomass, or carbon-containing waste or purified gas therefrom. 일산화탄소 및 수소가 1.5 내지 3.5의 비율(수소/일산화탄소)로 함유된 공급가스로부터 메탄 : C2-C4 파라핀 (몰비) = 1 : 0.05 ~ 0.5의 고발열량을 발휘하는 조성의 합성천연가스의 생산용 촉매로서,
활성금속인 철과 니켈 100 중량부를 기준으로, 철 및 니켈이 각각 80 내지 95 중량부 및 5 내지 20 중량부이며, 스피넬 구조의 자철석(magnetite)을 함유하는 것이 특징인 Ni 및 Fe 함유, FT 합성 및 메탄화 동시 반응용 촉매.
A catalyst for the production of synthetic natural gas having a composition exhibiting a high heating value of methane: C2-C4 paraffin (molar ratio) = 1: 0.05 to 0.5 from a feed gas containing carbon monoxide and hydrogen at a ratio of 1.5 to 3.5 (hydrogen / carbon monoxide) as,
Characterized in that it contains 80 to 95 parts by weight and 5 to 20 parts by weight of iron and nickel, respectively, based on 100 parts by weight of iron and nickel, which are active metals, and contains magnetite of spinel structure, FT synthesis And a catalyst for simultaneous methanation.
삭제delete 제13항에 있어서, 활성금속은 철산화물, 니켈산화물, 철, 니켈, 철-니켈 합금 또는 이의 혼합물인 것이 특징인 촉매.14. Catalyst according to claim 13, characterized in that the active metal is iron oxide, nickel oxide, iron, nickel, iron-nickel alloy or mixtures thereof. 제15항에 있어서, 활성금속인 철산화물은 Fe2O3, Fe3O4, 또는 둘다이고, 니켈산화물은 NiO, Ni2O3, 또는 둘다인 것이 특징인 촉매. The method of claim 15, wherein the active metal of iron oxide is Fe 2 O 3, Fe 3 O 4, or both, Nickel oxide NiO, Ni 2 O 3, or both, characterized in that the catalyst. 제13항에 있어서, 상기 촉매는 비표면적이 75 내지 150 m2/g이고 기공의 평균입경이 4 내지 8 nm인 것이 특징인 촉매.14. The catalyst according to claim 13, wherein the catalyst has a specific surface area of 75 to 150 m &lt; 2 &gt; / g and an average pore size of 4 to 8 nm. 제13항에 있어서, 상기 촉매는 350 ℃, 30 기압 및 6000 ml/gcat·h 공간속도의 반응 조건에서 CO 전환율이 90 ∼ 100 카본 몰% 범위인 것이 특징인 촉매.14. The catalyst according to claim 13, wherein the catalyst has a CO conversion in the range of 90 to 100 carbon mole% under reaction conditions of 350 DEG C, 30 atm and 6000 ml / g cat.h space velocity. 일산화탄소 및 수소가 1.5 내지 3.5의 비율(수소/일산화탄소)로 함유된 공급가스로부터 메탄 : C2-C4 파라핀 (몰비) = 1 : 0.05 ~ 0.5의 고발열량을 발휘하는 조성의 합성천연가스의 생산용 Ni 및 Fe 함유 촉매를 제조하는 방법에 있어서,
철과 니켈 100 중량부를 기준으로, 철 및 니켈이 각각 80 내지 95 중량부 및 5 내지 20 중량부가 되도록 Fe계 전구체 및 Ni계 전구체를 혼합하여 전구체 용액을 제조하는 제1단계;
침전제와 증류수의 혼합용액을 제조하는 제2단계;
상기 제1단계에서 얻어진 용액을 상기 제2단계에서 얻어진 용액과 혼합하는 제3단계;
상기 제3단계에서 얻어진 혼합용액을 침전여과하는 제4단계; 및
제4단계에서 얻어진 여과물을 건조 및 450 내지 650 ℃에서 소성하여, 스피넬 구조의 자철석(magnetite)을 함유하면서 비표면적이 75 내지 150 m2/g이고 기공의 평균입경이 4 내지 8 nm인 촉매를 제조하는 제5단계를 포함하는 것이 특징인 촉매 제조방법.
(Ni) for the production of a synthetic natural gas having a composition that exhibits a high heating value of methane: C2-C4 paraffin (molar ratio) = 1: 0.05 to 0.5 from a feed gas containing carbon monoxide and hydrogen at a ratio of 1.5 to 3.5 (hydrogen / carbon monoxide) And a method for producing an Fe-containing catalyst,
A first step of preparing a precursor solution by mixing an Fe-based precursor and a Ni-based precursor so that iron and nickel are 80 to 95 parts by weight and 5 to 20 parts by weight, respectively, based on 100 parts by weight of iron and nickel;
A second step of preparing a mixed solution of a precipitant and distilled water;
A third step of mixing the solution obtained in the first step with the solution obtained in the second step;
A fourth step of precipitating and filtering the mixed solution obtained in the third step; And
The filtrate obtained in the fourth step is dried and calcined at 450 to 650 ° C to obtain a catalyst having a magnetite of spinel structure and having a specific surface area of 75 to 150 m 2 / g and an average particle diameter of 4 to 8 nm And a fifth step of producing the catalyst.
제19항에 있어서, 제4단계에서 얻어진 여과물의 함수율이 50 내지 80 % 인 것이 특징인 촉매 제조방법.
The catalyst production method according to claim 19, wherein the water content of the filtrate obtained in the fourth step is 50 to 80%.
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