KR102147421B1 - System for preparation of synthetic fuel with slurry bubble column reactor operating in two or more FT modes - Google Patents

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Abstract

본 발명은 2이상의 모드로 작동하는 슬러리 기포탑 반응기를 구비한 합성연료 제조 장치; 및 이의 용도에 관한 것이다.
2이상의 모드로 작동하는 슬러리 기포탑 반응기는 (a) Fe : Cu : K : SiO2 = 100 : 1 ~ 10 : 1 ~ 20 : 10 ~ 50 중량비를 갖는 피셔-트롭시 합성용 철계 촉매 또는 (b) 철 원자수 100%에 대하여 ferrihydrite의 상분율 중 철 원자수가 10 내지 100%이고 hematite의 상분율 중 철 원자수가 0 내지 90%인 피셔-트롭시 합성용 철계 촉매를 사용하며, 250℃ ~ 280 ℃에서 저온 FT 모드로 운전하여 C19+를 제1 왁스량으로 함유하는 합성연료를 생산하고, 290℃ ~ 350 ℃에서 고온 FT 모드로 운전하여 C19+를 제1 왁스량 보다 작은 제2 왁스량으로 함유하는 합성연료를 생산하면서 저온 FT 모드 보다 배출가스(off-gas)의 배출량이 큰 것이 특징이며, 합성연료 제조 장치는 슬러리 기포탑 반응기가 고온 FT 모드로 운전시 연동하여 작동되는 것으로,고온 FT 모드로 운전시 배출되는 고발열량의 가스를 이용하는 연소기, 열교환기, 동력기 또는 발전기를 구비한 것이다.
The present invention is a synthetic fuel production apparatus having a slurry bubble column reactor operating in two or more modes; And its use.
The slurry bubble column reactor operating in at least two modes (a) Fe: Cu: K : SiO 2 = 100: 1 ~ 10: 1 ~ 20: 10 ~ 50 weight ratio of the Fischer having-Tropsch iron-based catalyst, or for the synthesis (b ) Fischer-Tropsch synthesis iron-based catalyst with 10 to 100% of iron atoms in the phase fraction of ferrihydrite and 0 to 90% of iron atoms in the phase fraction of hematite with respect to 100% of the number of iron atoms, 250℃ ~ 280 Operate in low temperature FT mode at ℃ to produce synthetic fuel containing C 19+ as the first wax amount, and operate in high temperature FT mode at 290 ℃ ~ 350 ℃ to make C 19+ a second wax smaller than the first wax amount. While producing synthetic fuel contained in a large amount, the off-gas emission is greater than that of the low-temperature FT mode, and the synthetic fuel production device is operated in conjunction with the slurry bubble column reactor when operating in the high-temperature FT mode. It is equipped with a combustor, a heat exchanger, a power generator, or a generator that uses gas of high calorific value discharged during operation in the high-temperature FT mode.

Description

2이상의 FT 모드로 작동하는 슬러리 기포탑 반응기 구비한 합성연료 제조 장치 {System for preparation of synthetic fuel with slurry bubble column reactor operating in two or more FT modes}Synthetic fuel manufacturing apparatus with slurry bubble column reactor operating in two or more FT modes}

본 발명은 2이상의 FT 모드로 작동하는 슬러리 기포탑 반응기를 구비한 합성연료 제조 장치; 및 이의 용도에 관한 것이다.The present invention is a synthetic fuel production apparatus having a slurry bubble column reactor operating in two or more FT mode; And its use.

1923년 독일의 화학자인 피셔(Fischer)와 트롭시(Tropsch)에 의하여 개발된 피셔-트롭시 합성법(F-T 합성법)으로 인해, 석탄, 천연가스, 바이오매스 등으로부터 합성가스를 거쳐 액체 탄화수소를 제조하는 것이 가능해졌다. 석탄으로부터 제조하는 공정을 Coal-to-liquids(CTL), 천연가스로부터 제조하는 공정을 Gas-to-liquids(GTL), 바이오매스로부터 제조하는 공정을 Biomass-to-liquids(BTL)이라고 하며, 최근에는 유사한 공정들을 통칭하여 XTL("X" rexource-to-liquids)라고 부른다. Due to the Fischer-Tropsch synthesis method (FT synthesis method) developed in 1923 by German chemists Fischer and Tropsch, liquid hydrocarbons are produced from coal, natural gas, biomass, etc. through syngas. It became possible. The process of manufacturing from coal is called Coal-to-liquids (CTL), the process of manufacturing from natural gas is called Gas-to-liquids (GTL), and the process of manufacturing from biomass is called Biomass-to-liquids (BTL). Similar processes are collectively called XTL ("X" rexource-to-liquids).

이러한 공정들은 우선 각각의 원료물질을 가스화, 개질(reforming) 등의 방법을 이용하여 합성가스로 전환시키는데, 액체 연료를 제조하기 위해 XTL 공정에 적합한 합성가스의 조성은 하기 반응식 1에 나타난 바와 같이 수소와 일산화탄소의 비가 대략 2 정도라고 알려져 있다. These processes first convert each raw material into syngas using methods such as gasification and reforming.The composition of syngas suitable for the XTL process to produce liquid fuel is hydrogen as shown in Reaction Formula 1 below. It is known that the ratio of and carbon monoxide is about 2.

[반응식 1][Scheme 1]

CO + 2H2 + -[CH2]-n → -[CH2]-n+1 + H2OCO + 2H 2 + -[CH 2 ]- n → -[CH 2 ]- n+1 + H 2 O

(CO, 2H2 , -[CH2]-n 및 H2O는 각각 일산화탄소, 수소, 사슬길이 n인 탄화수소(탄소수 n) 및 물이다.)(CO, 2H 2 , -[CH 2 ]- n and H 2 O are respectively carbon monoxide, hydrogen, a hydrocarbon with a chain length of n (carbon number n) and water.)

수소의 비율이 2를 초과하여 높아지면 메탄의 선택도가 높아져 C5+(탄소수 5이상의 탄화수소)의 선택도가 상대적으로 낮아지기 때문에 적합하지 않다. 반응식 1에서, 상기 형태의 선형 사슬을 갖는 탄화수소뿐 아니라, 올레핀, 옥시게네이트(oxygenate: 알코올, 알데히드, 케톤 등 산소원자 포함 분자) 등도 부산물로서 생성된다.When the ratio of hydrogen exceeds 2, the selectivity of methane increases, and the selectivity of C 5+ (hydrocarbon having 5 or more carbon atoms) is relatively low, which is not suitable. In Scheme 1, not only hydrocarbons having a linear chain of the above form, but also olefins, oxygenates (molecules containing oxygen atoms such as alcohols, aldehydes, ketones, etc.) are produced as by-products.

XTL 공정의 주목적 중 하나는 액체 연료를 얻는 것이므로 반응촉매, 합성가스의 비율, 온도 및 압력 등을 최적화하여 선형 탄화수소, 특히 생산성의 지표인 C5+의 선형 탄화수소를 높은 선택도로 제조하는 것이 최근의 추세이다. One of the main objectives of the XTL process is to obtain a liquid fuel, so it is a recent trend to produce linear hydrocarbons, especially C 5+ linear hydrocarbons, which are an indicator of productivity, with high selectivity by optimizing the reaction catalyst, ratio of syngas, temperature and pressure. It is a trend.

피셔-트롭시 코발트 촉매는 환원된 금속 상태에서 활성을 보이므로 어떤 식으로든지 반응 전에 충분히 환원과정을 거쳐야 한다. 촉매 개발을 위한 실험실적인 규모에서는 반응기에 소성이 끝난 촉매를 충진한 채로 환원가스를 흘리면서 환원온도까지 승온시키는 in situ 환원법을 주로 사용하지만, 환원 온도는 대개 반응온도보다 매우 높고, 별도의 환원가스 주입장치가 필요하므로 상업적인 반응기에서는 다른 방법을 사용하기도 한다. 대개의 상업적인 공정에서는 별도의 촉매 환원 장치를 두고 환원가스 (수소와 비활성기체의 혼합물로서 수소의 비는 약 5~10% 수준이다)를 공급하여 환원을 한다. Fischer-Tropsch cobalt catalyst shows activity in the reduced metal state, so it must be sufficiently reduced before the reaction in any way. In the laboratory scale for catalyst development, the in-situ reduction method is mainly used to raise the temperature to the reduction temperature while flowing the reducing gas while the reactor is filled with the calcined catalyst, but the reduction temperature is usually much higher than the reaction temperature, and a separate reducing gas is injected. Because equipment is required, other methods are sometimes used in commercial reactors. In most commercial processes, a separate catalytic reduction device is provided and reduction is performed by supplying a reducing gas (a mixture of hydrogen and an inert gas with a hydrogen ratio of about 5 to 10%).

피셔-트롭쉬 합성반응에 활성을 보이는 물질로는 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 루테늄(Ru) 등의 VIII 그룹 금속물질이 보고되고 있다. 그 중에서 철(Fe) 계 촉매는 낮은 제조단가, 우수한 성능, 수성-가스전환반응 (WGS , Water-Gas Shift)에도 활성을 보인다는 점 때문에 석탄간접액화와 연계된 피셔-트롭쉬 합성반응에 특히 장점을 보인다. 철계촉매는 고온에서 메탄 선택도가 낮고, 탄화수소 중 올레핀 선택도가 높고, 제품은 액체 연료 이외에 올레핀 계열이 많이 생성된다. As a material showing activity in the Fischer-Tropsch synthesis reaction, VIII group metal materials such as iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), and ruthenium (Ru) have been reported. Among them, iron (Fe)-based catalysts are particularly suitable for Fischer-Tropsch synthesis reactions linked to indirect coal liquefaction because of their low manufacturing cost, excellent performance, and activity in water-gas shift reactions (WGS, Water-Gas Shift). It shows an advantage. Iron-based catalysts have low methane selectivity at high temperatures, high olefin selectivity among hydrocarbons, and products produce many olefins in addition to liquid fuels.

FT 합성반응용 Fe계 촉매에서는 ε'-F2.2C, χ-Fe2 .5C 등의 Fe계 탄화물이 활성종으로 알려져 있다. 그러나 제조 직후의 Fe계 촉매는 대부분 Fe계 산화물로 이루어져 있기 때문에, FT 합성반응을 수행하기 전에 CO를 포함한 환원성 가스를 이용하여 활성화 전처리를 반드시 수행하여야 한다.In the Fe-based catalyst for the FT synthesis reaction, the Fe-based carbide, such as ε'-F 2.2 C, χ- Fe 2 .5 C is known as an active species. However, since the Fe-based catalyst immediately after preparation consists mostly of Fe-based oxides, the activation pretreatment must be performed using a reducing gas including CO before performing the FT synthesis reaction.

일반적으로는 철계 산화물 촉매는 압력과 무관하게 CO로만 구성된 환원가스에서는 환원이 잘 되나, 피셔-트롭시 합성반응 조건과 같이 고압의 합성가스 분위기에서는 환원이 잘 안된다.In general, iron-based oxide catalysts can be reduced well in a reducing gas consisting only of CO irrespective of pressure, but are not well reduced in a high-pressure syngas atmosphere such as the Fischer-Tropsch synthesis reaction conditions.

또한, Fe계 촉매에서는 FT 합성반응 중에 부산물로 발생하는 H2O 및 CO2에 의해 활성종인 Fe계 탄화물이 재산화(re-oxidation) 및 탈탄화(de-carburization)될 가능성이 높기 때문에, 고환원성 및 고침탄성 촉매 개발이 매우 중요하다.In addition, in the Fe-based catalyst, there is a high possibility of re-oxidation and de-carburization of the active species of Fe-based carbides by H 2 O and CO 2 generated as by-products during the FT synthesis reaction. The development of reducing and highly carburizing catalysts is very important.

한편, FT 합성공정의 발전은 Sasol에서의 오랜 개발경험에 기초하여 촉매와 함께 반응기의 진보가 주로 이루어졌으며, 초기의 고정상 반응기(Arge)에서 순환식 유동층 반응기(Synthol)로 그리고 고정식 유동층 반응기(Advanced Synthol)와 슬러리 반응기(Slurry)로 점차로 FT 반응기 형태가 진보하여 왔으며(도 1), 최근의 Sasol에서는 슬러리 반응기를 사용하면 기존의 다관식 고정상반응기에 비해 plant 비용을 25~30% 절감할 수 있다고 보고한 바 있다. 반응기 형태에 따라 반응 특성과 생성물의 분포가 달라지므로 목표로 하는 최종생성물에 따라 적절히 선택해야 한다.On the other hand, the development of the FT synthesis process was mainly based on the advancement of the reactor along with the catalyst based on the long development experience in Sasol, and from the initial fixed bed reactor (Arge) to a circulating fluidized bed reactor (Synthol) and a fixed fluidized bed reactor (Advanced Synthol) and slurry reactor (Slurry) have gradually progressed in the form of FT reactor (Fig. 1), and in recent Sasol, using a slurry reactor can reduce plant cost by 25-30% compared to the existing multi-tubular fixed bed reactor. I have reported. Since reaction characteristics and product distribution vary depending on the reactor type, it must be appropriately selected according to the target end product.

고정상 반응기 및 슬러리 반응기는 중간 유분과 왁스를 주로 생산하는 저온FT(LTFT) 공정에 사용되고 순환식 유동층 반응기와 고정식 유동층 반응기는 나프타와 올레핀을 주로 생산하는 고온 FT(HTFT) 공정에 사용되는 것으로 알려져 있으며 각 공정에서 생성물의 선택성은 하기 표 1에 나타내는 바와 같다.Fixed bed reactors and slurry reactors are known to be used in low temperature FT (LTFT) processes that mainly produce intermediate oil and wax, and circulating fluidized bed reactors and fixed fluidized bed reactors are known to be used in high temperature FT (HTFT) processes that mainly produce naphtha and olefins. The selectivity of the product in each process is as shown in Table 1 below.

Figure 112018076176325-pat00001
Figure 112018076176325-pat00001

저온 FT 공정에서는 60% 이상이 디젤보다 고비점인 탄화수소가 생성되므로 수소화 분해(hydrocracking) 등의 후속 공정을 거쳐 디젤을 추가로 제조하고, 디왁싱 (dewaxing) 공정을 거쳐서 왁스 성분은 고품질의 윤활기유로 전환하여 사용한다. In the low-temperature FT process, more than 60% of hydrocarbons with a higher boiling point than diesel are produced, so diesel is additionally manufactured through a subsequent process such as hydrocracking, and the wax component is converted into a high-quality lubricant base oil through a dewaxing process. Switch to use.

기존의 FT 공정 개발은 투자비용의 절감을 위하여 플랜트의 대형화 및 이를 위한 단위 반응기의 대형화 가능기술의 개발에 중점을 두었다. 그러나, 이러한 대형 플랜트의 공급이 어려운 현지 상황을 고려하여 맞춤형 플랜트의 개발도 요구되고 있다. 특히, 소규모이면서 이동 가능한 플랜트는 입지조건이 훨씬 유리해지고 대상 가스전 선정에 제한이 줄어드는 이점이 있다. 하지만, 아직까지 이러한 소규모 CTL 플랜트 기술이 상용수준으로는 개발되지 않았다.Existing FT process development has focused on the development of a technology that can increase the size of the plant and the unit reactor for this in order to reduce the investment cost. However, in consideration of the local situation where it is difficult to supply such a large-scale plant, development of a customized plant is also required. In particular, small-scale and movable plants have the advantage of having a much more favorable location condition and reducing restrictions on the selection of target gas fields. However, so far, such small CTL plant technology has not been developed at the commercial level.

본 발명에 따라 (a) Fe : Cu : K : SiO2 = 100 : 1 ~ 10 : 1 ~ 20 : 10 ~ 50 중량비를 갖는 피셔-트롭시 합성용 철계 촉매 또는 (b) 철 원자수 100%에 대하여 ferrihydrite의 상분율 중 철 원자수가 10 내지 100%이고 hematite의 상분율 중 철 원자수가 0 내지 90%인 피셔-트롭시 합성용 철계 촉매를 슬러리 기포탑 반응기에 사용하면, 주생성물로 왁스를 생산하기 위해 250℃ ~ 280 ℃에서 저온 FT 모드로 그리고 연료용 기름 및 고발열량의 배출가스를 생산하기 위해 290℃ ~ 350 ℃에서 고온 FT 모드로 운전할 수 있다는 것을 발견하였으며, 이를 응용하여 (i) 동일한 슬러리 기포탑 반응기가 2이상의 FT 모드로, 반응기가 설치될 지역의 수요에 따라 선택적으로 운전가능하도록 설계되고, (ii) 2이상의 FT 모드로 선택운전가능한 슬러리 기포탑 반응기와 연계하여 슬러리 기포탑 반응기에서 배출되는 미반응 가스 및 생성된 C1~C4의 가스로부터 연소기를 통해 열 또는 스팀을, 또는 터빈이나 가스엔진으로 이루어진 발전기를 통해 전기를, 기름과 동시에 생산하는 복합형(Polygeneration) 합성연료 제조 장치를 제공하고자 한다.According to the present invention, (a) Fe:Cu:K:SiO 2 = 100: 1 to 10: 1 to 20: an iron catalyst for Fischer-Tropsch synthesis having a weight ratio of 10 to 50 or (b) 100% of the number of iron atoms On the other hand, when an iron-based catalyst for Fischer-Tropsch synthesis with 10 to 100% of iron atoms in the phase fraction of ferrihydrite and 0 to 90% of iron atoms in the phase fraction of hematite is used in a slurry bubble column reactor, wax is produced as the main product. It was found that it can be operated in low temperature FT mode at 250°C to 280°C in order to produce fuel oil and high heat emission gas at 290°C to 350°C. The slurry bubble column reactor is in FT mode of 2 or more, depending on the demand of the region where the reactor will be installed. It is designed to be selectively operated, and (ii) unreacted gas discharged from the slurry bubble column reactor and generated C1~C4 gas discharged from the slurry bubble column reactor in connection with the slurry bubble column reactor selectively operable in two or more FT modes through the combustor or It is intended to provide a polygeneration synthetic fuel manufacturing apparatus that simultaneously produces steam or electricity through a generator made of a turbine or gas engine.

본 발명의 제1양태는 The first aspect of the present invention

(i) 2이상의 모드로 작동하는 슬러리 기포탑 반응기로서, (i) a slurry bubble column reactor operating in two or more modes,

(a) Fe : Cu : K : SiO2 = 100 : 1 ~ 10 : 1 ~ 20 : 10 ~ 50 중량비를 갖는 피셔-트롭시 합성용 철계 촉매 또는 (b) 철 원자수 100%에 대하여 ferrihydrite의 상분율 중 철 원자수가 10 내지 100%이고 hematite의 상분율 중 철 원자수가 0 내지 90%인 피셔-트롭시 합성용 철계 촉매를 사용하며, (a) Fe: Cu: K: SiO 2 = 100: 1 to 10: 1 to 20: 10 to 50 iron-based catalyst for Fischer-Tropsch synthesis having a weight ratio of or (b) ferrihydrite phase with respect to 100% of iron atoms An iron-based catalyst for Fischer-Tropsch synthesis having 10 to 100% iron atoms in the fraction and 0 to 90% iron atoms in the phase fraction of hematite is used,

250℃ ~ 280 ℃에서 저온 FT 모드로 운전하여 C19+를 제1 왁스량으로 주로 함유하는 합성연료를 생산하고,It is operated in low temperature FT mode at 250℃ ~ 280℃ to produce synthetic fuel mainly containing C 19+ as the first amount of wax.

290℃ ~ 350 ℃에서 고온 FT 모드로 운전하여 C19+를 제1 왁스량 보다 작은 제2 왁스량으로 함유하는 합성연료를 생산하면서 저온 FT 모드 보다 배출가스(off-gas)의 배출량이 큰 것인, 슬러리 기포탑 반응기; 및It is operated in high temperature FT mode at 290℃ ~ 350℃ to produce synthetic fuel containing C 19+ in a second amount of wax less than the first amount of wax, while the emission of off-gas is greater than in low temperature FT mode. Phosphorus, slurry bubble column reactor; And

(ii) 상기 슬러리 기포탑 반응기와 연계하여 슬러리 기포탑 반응기에서 배출되는 미반응 가스 및 생성된 C1~C4의 가스로부터, 열 또는 스팀을 생산하는 연소기 또는 전기를 생산하는 터빈 또는 가스엔진이 구비된 발전기(ii) In connection with the slurry bubble column reactor, from the unreacted gas discharged from the slurry bubble column reactor and the generated C1 to C4 gas, a combustor that produces heat or steam or a turbine or gas engine that produces electricity is provided. generator

를 구비하여, 합성연료 및 이외 다른 에너지원을 동시에 제공가능한 복합형(polygeneration) 합성연료 제조 장치를 제공한다.A polygeneration capable of providing synthetic fuel and other energy sources at the same time It provides a synthetic fuel manufacturing apparatus.

본 발명의 제2양태는 제1양태에 따른 복합형 합성연료 제조 장치의 슬러리 기포탑 반응기에서, 저온 FT 모드 및 고온 FT 모드를 통해 합성가스로부터 액체 탄화수소를 제조하는 방법을 제공한다.A second aspect of the present invention provides a method for producing a liquid hydrocarbon from syngas through a low-temperature FT mode and a high-temperature FT mode in a slurry bubble column reactor of the hybrid synthetic fuel production apparatus according to the first aspect.

본 발명의 제3양태는 제1양태의 복합형 합성연료 제조 장치에서, 슬러리 기포탑 반응기를 저온 FT 모드 및 고온 FT 모드로 운전하여 합성가스로부터 액체 탄화수소를 제조하면서, 상기 슬러리 기포탑 반응기에서 배출되는 미반응 가스 및 생성된 C1~C4의 가스로부터 열, 스팀, 및/또는 전기를 생산하는 방법을 제공한다.In the third aspect of the present invention, in the composite synthetic fuel manufacturing apparatus of the first aspect, the slurry bubble column reactor is operated in a low-temperature FT mode and a high-temperature FT mode to produce a liquid hydrocarbon from the synthesis gas, and discharge from the slurry bubble column reactor. To produce heat, steam, and/or electricity from unreacted gases and generated C1-C4 gases. Provides a way.

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

석탄 간접 액화 시스템은, 일반적으로 석탄을 주원료로 가스화공정 --> 정제공정 --> 액화공정을 통해 최종적으로 왁스형태의 합성연료를 제조한다. 여기서 가스화공정은 석탄을 수소와 일산화탄소를 주로 포함하는 합성가스로 변환시키는 공정이다. 그리고 정제공정은 가스화공정을 통해 제조된 합성가스를 집진 및 탈황(黃)하고, 각종 불순물을 제거하는 공정이다. 마지막에서 액화공정은 정제된 합성가스를 촉매 상에서 반응시켜 액상 합성연료로 변환시키는 공정이다.In the indirect coal liquefaction system, in general, coal is used as the main raw material through the gasification process -> refining process -> liquefaction process to finally produce a wax-type synthetic fuel. Here, the gasification process is a process of converting coal into a synthetic gas mainly containing hydrogen and carbon monoxide. In addition, the refining process is a process of collecting and desulfurizing the synthetic gas produced through the gasification process, and removing various impurities. Lastly, the liquefaction process is a process of converting the purified synthetic gas into liquid synthetic fuel by reacting it over a catalyst.

피셔-트롭쉬 합성 반응기로서 슬러리 기포탑 반응기(SBCR 반응기)는 고정층 반응기보다 열전달 효율이 높으며, 반응기의 축방향에 따라 압력강하 및 온도구배가 없고(즉, hot spot이 존재하지 않음), 운전 중에도 촉매의 첨가/배출 및 재생이 가능할 뿐만 아니라, 고정층 반응기 보다 대용량의 FT 반응기 설계가 가능하다.As a Fischer-Tropsch synthesis reactor, the slurry bubble column reactor (SBCR reactor) has higher heat transfer efficiency than the fixed bed reactor, and there is no pressure drop and temperature gradient along the axial direction of the reactor (i.e., no hot spot), even during operation. The catalyst can be added/discharged and regenerated, and it is possible to design a larger FT reactor than a fixed bed reactor.

슬러리 기포탑 반응기 내 합성가스 분배기를 통해 합성가스(CO + H2)를 공급시키면, 합성가스가 기포가 되면서 균일하게 분산되어 슬러리에 함유된 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch; FT) 합성용 촉매와 접촉하여 탄화수소, 올레핀, oxygenate 등 합성연료를 생성한다. 이때 반응기내의 액상 탄화수소와 촉매입자가 혼합되어 슬러리상으로 얻어지게 된다. 상기 반응기의 내부 액면이 상승하면 내부에 설치된 여과장치를 통하여 촉매입자를 걸러낸 후 배출하며, 이 때 배출된 여과액은 왁스와 같은 고비점의 탄화수소로 업그레이딩 (upgrading)과 같은 후속 공정으로 보내져 연료로 만들어진다. 상기 반응기의 상부로는 미반응 가스(CO + H2), 반응 중 생성된 가스(CO2, C2~C4, H2O 등) 그리고 증기상태의 탄화수소가 배출되며, 응축기를 통하여 휘발유 및 경유와 같은 저비점의 탄화수소를 회수하게 된다. (도 2)When syngas (CO + H 2 ) is supplied through the syngas distributor in the slurry bubble column reactor, the syngas becomes bubbles and is uniformly dispersed to form a catalyst for Fischer-Tropsch (FT) synthesis contained in the slurry. In contact with, it produces synthetic fuels such as hydrocarbons, olefins and oxygenates. At this time, liquid hydrocarbons and catalyst particles in the reactor are mixed to obtain a slurry. When the inner liquid level of the reactor rises, the catalyst particles are filtered through a filtration device installed inside and then discharged, and the discharged filtrate is sent to a subsequent process such as upgrading to a high boiling point hydrocarbon such as wax. It is made of fuel. Unreacted gas (CO + H 2 ), gas generated during the reaction (CO 2 , C 2 ~ C 4 , H 2 O, etc.), and vaporous hydrocarbons are discharged to the top of the reactor, and gasoline and Low-boiling hydrocarbons such as diesel are recovered. (Figure 2)

본 발명은 (a) Fe : Cu : K : SiO2 = 100 : 1 ~ 10 : 1 ~ 20 : 10 ~ 50 중량비를 갖는 피셔-트롭시 합성용 철계 촉매 또는 (b) 철 원자수 100%에 대하여 ferrihydrite의 상분율 중 철 원자수가 10 내지 100%이고 hematite의 상분율 중 철 원자수가 0 내지 90%인 피셔-트롭시 합성용 철계 촉매의 경우 슬러리 기포탑 반응기(SBCR 반응기)에서 저온 뿐만 아니라 고온에서 높은 촉매 활성을 발휘할 수 있다는 것을 발견하였으며, 이에 기초한 것이다. 본 발명은 이러한 상기 촉매를 이용하는 SBCR 반응기를 2이상의 FT 모드로 작동시켜, 왁스 생산 최대화를 위해 250℃ ~ 280 ℃에서 저온 FT 모드로 운전하고, 경유 또는 휘발유 생산 목적을 위해 290℃ ~ 350 ℃에서 고온 FT 모드에서 운전하는 것이 특징이다. 따라서, 본 발명은 동일한 슬러리 기포탑 반응기에서 운전 mode를 바꿈으로 다양한 탄화수소 제품을 생산하여 사용할 수 있다.The present invention is (a) Fe: Cu: K: SiO 2 = 100: 1 to 10: 1 to 20: 10 to 50 with respect to the Fischer-Tropsch synthesis iron catalyst having a weight ratio or (b) 100% of the number of iron atoms In the case of the iron-based catalyst for Fischer-Tropsch synthesis, which has 10 to 100% iron atoms in the phase fraction of ferrihydrite and 0 to 90% iron atoms in the hematite phase fraction, in a slurry bubble column reactor (SBCR reactor) at low and high temperatures. It has been found that it can exert high catalytic activity, and is based on this. The present invention operates the SBCR reactor using the above catalyst in two or more FT modes, operating in low temperature FT mode at 250°C to 280°C to maximize wax production, and at 290°C to 350°C for the purpose of producing diesel or gasoline. It is characterized by operating in high temperature FT mode. Accordingly, the present invention can produce and use various hydrocarbon products by changing the operation mode in the same slurry bubble column reactor.

또한, 본 발명에 따라 상기 철계 촉매를 사용한 슬러리 기포탑 반응기에서 저온 FT 모드 및 고온 FT 모드로 호환하여 피셔-트롭시 합성을 수행하면, 고온 FT 모드 운전시 생성되는 C19+ 왁스량은 저온 FT 모드 운전시 생성되는 C19+ 왁스량 보다 작고 대신 메탄과 같은 가스 생성물이 10wt%(총 FT 생성혼합물 기준) 이상, 바람직하게는 15wt% 이상, 더바람직하게는 18wt% 이상, 더욱 더 바람직하게는 20wt% 이상으로 생산되어 슬러리 기포탑 반응기에서 배출가스(off-gas)로 배출될 수 있다. 따라서, 290℃ ~ 350 ℃에서 고온 FT 모드로 피셔-트롭시 합성 수행시 슬러리 기포탑 반응기에서 배출되는 고발열량의 배출가스의 에너지를 활용하여 열원, 동력원 및/또는 전력원으로 사용하는 것이 본 발명의 또 다른 특징이다.In addition, if the Fischer-Tropsch synthesis is performed in a slurry bubble column reactor using the iron-based catalyst in a low-temperature FT mode and a high-temperature FT mode in accordance with the present invention, the amount of C 19+ wax generated during high-temperature FT mode operation is low-temperature FT. Less than the amount of C 19+ wax generated during mode operation, instead, gas products such as methane are 10 wt% or more (based on the total FT product mixture), preferably 15 wt% or more, more preferably 18 wt% or more, even more preferably It is produced in more than 20wt% and can be discharged as off-gas from the slurry bubble column reactor. Therefore, when performing Fischer-Tropsch synthesis in high-temperature FT mode at 290°C to 350°C, the present invention utilizes the energy of the exhaust gas of high calorific value discharged from the slurry bubble column reactor to be used as a heat source, a power source, and/or a power source. Is another characteristic of

290℃ ~ 350 ℃에서 고온 FT 모드로 작동하는 슬러리 기포탑 반응기에서 배출되는 배출가스는, 메탄가스 뿐만 아니라 C2~4를 함유하는 고발열량 가스가 다량이므로 이를 연소하여 열원으로 사용하거나, 직접 가스터빈이나 가스엔진을 돌려 동력 및/또는 전기를 생산할 수 있다. The exhaust gas discharged from the slurry bubble column reactor operating in the high-temperature FT mode at 290℃ ~ 350℃ contains not only methane gas but also high calorific gas containing C2~4, so it is burned and used as a heat source or directly gas turbine Or a gas engine to generate power and/or electricity.

따라서, 본 발명에 따라 2 이상의 모드로 작동하는 슬러리 기포탑 반응기를 이용한 합성연료 제조 장치는 회분이 40wt% 이상, 또는 50 wt% 이상인 저등급 석탄을 사용하는 석탄 가스화기와 연계하여, FT 모드 전환을 통해 다양한 탄화수소 제품을 생산할 수 있을 뿐만 아니라, 고온 FT 모드로의 전환을 통해 전기 및 석유 공급 인프라가 미미한 석탄 탄광지역에 석탄으로부터 자동차용 연료 및 고발열량 가스를 이용한 열, 동력 및/또는 전력을 반응기가 설치될 지역의 수요에 따라 다양하게 제공할 수 있다(도 3).Therefore, according to the present invention, using a slurry bubble column reactor operating in two or more modes Synthetic fuel manufacturing equipment can produce various hydrocarbon products through FT mode conversion, in conjunction with coal gasifiers using low-grade coal with ash content of 40 wt% or more, or 50 wt% or more, as well as conversion to high-temperature FT mode. Through the coal mine area where electricity and oil supply infrastructure is insignificant. Fuel for automobiles from coal and Heat, power and/or power using high-calorific gas is determined according to the demand of the region where the reactor will be installed. It can be provided in various ways (Fig. 3).

본 발명에 따른 합성연료 제조 장치는 합성연료 및 이외 다른 에너지원을 동시에 제공가능한 복합형(polygeneration) 합성연료 제조 장치로서,The synthetic fuel manufacturing apparatus according to the present invention is a polygeneration capable of simultaneously providing synthetic fuel and other energy sources. As a synthetic fuel manufacturing device,

(i) 2이상의 모드로 작동하는 슬러리 기포탑 반응기로서, (i) a slurry bubble column reactor operating in two or more modes,

(a) Fe : Cu : K : SiO2 = 100 : 1 ~ 10 : 1 ~ 20 : 10 ~ 50 중량비를 갖는 피셔-트롭시 합성용 철계 촉매 또는 (b) 철 원자수 100%에 대하여 ferrihydrite의 상분율 중 철 원자수가 10 내지 100%이고 hematite의 상분율 중 철 원자수가 0 내지 90%인 피셔-트롭시 합성용 철계 촉매를 사용하며, (a) Fe: Cu: K: SiO 2 = 100: 1 to 10: 1 to 20: 10 to 50 iron-based catalyst for Fischer-Tropsch synthesis having a weight ratio of or (b) ferrihydrite phase with respect to 100% of iron atoms An iron-based catalyst for Fischer-Tropsch synthesis having 10 to 100% iron atoms in the fraction and 0 to 90% iron atoms in the phase fraction of hematite is used,

250℃ ~ 280 ℃에서 저온 FT 모드로 운전하여 C19+를 제1 왁스량으로 주로 함유하는 합성연료를 생산하고,It is operated in low temperature FT mode at 250℃ ~ 280℃ to produce synthetic fuel mainly containing C 19+ as the first amount of wax.

290℃ ~ 350 ℃에서 고온 FT 모드로 운전하여 C19+를 제1 왁스량 보다 작은 제2 왁스량으로 함유하는 합성연료를 생산하면서 저온 FT 모드 보다 배출가스(off-gas)의 배출량이 큰 것인, 슬러리 기포탑 반응기; 및It is operated in high temperature FT mode at 290℃ ~ 350℃ to produce synthetic fuel containing C 19+ in a second amount of wax less than the first amount of wax, while the emission of off-gas is greater than in low temperature FT mode. Phosphorus, slurry bubble column reactor; And

(ii) 상기 슬러리 기포탑 반응기와 연계하여 슬러리 기포탑 반응기에서 배출되는 미반응 가스 및 생성된 C1~C4의 가스로부터, 열 또는 스팀을 생산하는 연소기 또는 전기를 생산하는 터빈 또는 가스엔진이 구비된 발전기를 구비한다. (ii) In connection with the slurry bubble column reactor, from the unreacted gas discharged from the slurry bubble column reactor and the generated C1 to C4 gas, a combustor that produces heat or steam or a turbine or gas engine that produces electricity is provided. Equipped with a generator.

상기 연소기 및/또는 발전기 대신 또는 이와 병행하여 열교환기 및/또는 동력기를 사용할 수 있으며, 이 역시 본 발명의 범주에 속한다.A heat exchanger and/or power generator may be used instead of or in parallel with the combustor and/or generator, which also falls within the scope of the present invention.

본 발명의 피셔-트롭시 합성반응에서 사용되는 철계 촉매는 철 원자수 100%에 대하여 ferrihydrite의 상분율 중 철 원자수가 10 내지 100%이고 hematite의 상분율 중 철 원자수가 0 내지 90%이며, 예컨대 Fe : Cu : K : SiO2 = 100 : 1 ~ 10 : 1 ~ 20 : 10 ~ 50 중량비를 갖는 것일 수 있다. The iron-based catalyst used in the Fischer-Tropsch synthesis reaction of the present invention has 10 to 100% of iron atoms in the phase fraction of ferrihydrite with respect to 100% of the number of iron atoms, and 0 to 90% of the phase fraction of hematite, for example Fe: Cu: K: SiO 2 = 100: 1 to 10: 1 to 20: It may have a weight ratio of 10 to 50.

이때, ferrihydrite는 부분적으로 수화된 철의 산화-수산화물(iron oxy-hydroxide)로서 FeOOH·nH2O (0<n<1)의 일반식으로 표현되는 철계 화합물을 의미할 수 있다. 즉, ferrihydrite는 철 원자 1몰에 대해 물 분자가 1몰 미만인, 부분적으로 수화된 철 수산화물을 총칭할 수 있다. 구체적으로, ferrihydrite는 Fe5O7(OH)·4H2O, (Fe3 +)2O3·0.5H2O, Fe9O2(OH)23, 5Fe203·9H20, Fe5HO8·4H20, 및 Fe203·2FeOOH·2.6H20 등의 화학식으로 표현될 수 있으며, 이들 화학식은 본질적으로 동등하며 전술한 바와 같은 일반식 FeOOH·nH2O (0<n<1)로 환산될 수 있다.At this time, ferrihydrite is an iron oxy-hydroxide of partially hydrated iron and may mean an iron-based compound represented by the general formula of FeOOH·nH 2 O (0<n<1). In other words, ferrihydrite may collectively refer to partially hydrated iron hydroxide, in which water molecules are less than 1 mole per mole of iron atoms. Specifically, ferrihydrite is Fe 5 O 7 (OH) 4H 2 O, (Fe 3 + ) 2 O 3 0.5H 2 O, Fe 9 O 2 (OH) 23 , 5Fe 2 0 3 9H 2 0, Fe 5 HO 8 ·4H 2 0, and Fe 2 0 3 ·2FeOOH · 2.6H 2 0, etc., and these chemical formulas are essentially equivalent and the general formula FeOOH·nH 2 O (0< It can be converted to n<1).

hematite는 철의 산화물(iron oxide) 중의 하나로서 α-Fe2O3의 일반식으로 표현되는 철계 화합물을 의미할 수 있다. hematite는 사방 6면체 격자계(rhombohedral lattice system)로 결정화될 수 있으며, 철의 산화-수산화물(iron oxy-hydroxide) 중의 하나인 괴타이트(goethite)(일반식: α-FeOOH)가 산화되어 hematite로 전환될 수 있다.Hematite is one of iron oxides and may mean an iron-based compound represented by the general formula of α-Fe 2 O 3 . Hematite can be crystallized in a rhombohedral lattice system, and goethite (general formula: α-FeOOH), one of iron oxy-hydroxides, is oxidized and converted to hematite. Can be.

상기 철계 촉매의 활성화시 반응 압력은 피셔-트롭시 합성을 위한 반응 압력과 동일할 수 있다. 바람직하기로, 반응 압력은 1 내지 3 MPa일 수 있다. 또한, 반응 압력 이외에 반응 온도 및 공간속도도 활성화시와 피셔-트롭시 합성시 동일할 수 있다. 바람직하기로, 반응 온도 240 내지 300℃, 공간속도 2 내지 20 NL/g(cat)/h에서 수행될 수 있다.The reaction pressure upon activation of the iron-based catalyst may be the same as the reaction pressure for Fischer-Tropsch synthesis. Preferably, the reaction pressure may be 1 to 3 MPa. In addition, the reaction temperature and space velocity in addition to the reaction pressure may be the same during activation and during Fischer-Tropsch synthesis. Preferably, it may be carried out at a reaction temperature of 240 to 300° C. and a space velocity of 2 to 20 NL/g (cat) /h.

본 발명에서 사용하는 특정 상분율의 철계 촉매는 피셔-트롭시 합성반응 조건과 같은 고압(1.0 ~ 3.0 MPa)에서도 반응물인 합성가스에 의해 활성화될 수 있으므로, 순수 CO 또는 저압(상압 ~ 0.5 MPa)의 합성가스를 이용하는 별도의 촉매 활성화 공정 없이, 피셔-트롭시 합성반응 조건하에 피셔-트롭시 합성용 철계 촉매를 활성화시킴과 동시에 활성화된 피셔-트롭시 합성용 촉매에 의해 피셔-트롭시 합성반응을 수행할 수 있다. 따라서, 반응 초기에 별도의 촉매 활성화를 위한 별도의 장치 없이 슬러리 기포탑 반응기에 새로운 촉매를 주입하고 피셔-트롭시 합성 반응을 시작할 수 있다. 또한, 피셔-트롭시 합성 반응 수행도중(somewhere along the line) 촉매 활성화를 위한 별도의 장치 없이 촉매의 손실을 보충하기 위해 촉매를 가동 중 직접 반응기에 주입할 수 있다. 게다가, 촉매의 비활성화로 인한 촉매의 교체 시 촉매 활성화를 위한 별도의 장치 없이 촉매의 배출하면서 미사용 또는 재생 촉매를 가동 중 직접 반응기에 주입하여 피셔-트롭시 합성 반응을 연속적으로 수행할 수 있다.The iron-based catalyst of a specific phase fraction used in the present invention can be activated by the syngas as a reactant even at high pressure (1.0 to 3.0 MPa) such as the Fischer-Tropsch synthesis reaction conditions, so pure CO or low pressure (normal pressure to 0.5 MPa) Fischer-Tropsch synthesis reaction by activating the iron-based catalyst for Fischer-Tropsch synthesis under Fischer-Tropsch synthesis reaction conditions without a separate catalyst activation process using the synthesis gas of Can be done. Therefore, at the beginning of the reaction Separate device for separate catalyst activation Without it, a new catalyst can be injected into the slurry bubble column reactor and the Fischer-Tropsch synthesis reaction can be started. In addition, during the Fischer-Tropsch synthesis reaction (somewhere along the line), the catalyst is running to compensate for the loss of catalyst without a separate device for catalyst activation. It can be injected directly into the reactor. In addition, when the catalyst is replaced due to deactivation of the catalyst, the catalyst is discharged without a separate device for activating the catalyst, while the unused or regenerated catalyst is operated directly in the reactor. Fischer-Tropsch synthesis reaction can be carried out continuously by injection.

본 발명의 피셔-트롭시 합성반응에서 합성가스는 일산화탄소와 수소 또는 일산화탄소와 수소에 불순물로 불활성 기체, 메탄, 이산화탄소 중 어느 하나가 혼합된 것 중에서 선택된 것을 사용할 수 있다.In the Fischer-Tropsch synthesis reaction of the present invention, the synthesis gas may be selected from a mixture of carbon monoxide and hydrogen, or carbon monoxide and hydrogen as impurities, inert gas, methane, or carbon dioxide.

합성가스는 H2/CO가 0.7 내지 2.5이 되도록 조절한 것을 사용할 수 있다. 바람직하기로, 상기 합성가스는 전체 합성가스의 부피를 기준으로 0.1 내지 20%의 CO2를 추가로 포함하는 것을 사용할 수 있다.Synthetic gas may be H 2 /CO adjusted to be 0.7 to 2.5. Preferably, the synthesis gas may be used that additionally contains 0.1 to 20% of CO 2 based on the volume of the total synthesis gas.

상기 합성가스는 일산화탄소와 수소를 1 : 1 ~ 2의 비율로 혼합된 것, 가장 바람직하기로는 일산화탄소와 수소를 1 : 1의 비율로 사용하는 것이 생성물의 수득율 측면에서 좋은데, 부수적으로 불순물로 이산화탄소나 메탄 또는 다른 불활성 기체가 포함될 수 있다. 상기 일산화탄소와 수소의 비율은 부피비를 의미한다. 아울러 본 발명 전체에 걸쳐서 피셔-트롭시 반응에서의 합성 가스의 비는 부피비를 의미한다.The synthesis gas is a mixture of carbon monoxide and hydrogen in a ratio of 1:1 to 2, and most preferably carbon monoxide and hydrogen in a ratio of 1:1 is good in terms of product yield. Methane or other inert gases may be included. The ratio of carbon monoxide and hydrogen means a volume ratio. In addition, throughout the present invention, the ratio of the synthesis gas in the Fischer-Tropsch reaction means a volume ratio.

상기 합성가스는 공간속도가 2.5 ~ 24.0 NL/gcat/hr인 범위 내에서 공급될 수 있다. 상기 공간속도 보다 미만일 경우에도 반응 진행에는 큰 무리가 없으나 탄화수소의 단위시간당 생산성이 낮은 문제가 발생하며 상기 공간속도 보다 많은 합성가스를 주입할 경우 일산화탄소의 전환율이 감소할 수 있다.The syngas may be supplied within a space velocity of 2.5 to 24.0 NL/g cat /hr. Even if it is less than the space velocity, there is no great difficulty in the progress of the reaction, but there is a problem in that the productivity per unit time of hydrocarbon is low, and when syngas that is greater than the space velocity is injected, the conversion rate of carbon monoxide may decrease.

본 발명의 복합형 합성연료 제조 장치는 왁스 생산 최대화 목적을 위해 슬러리 기포탑 반응기를 저온 FT 모드로 운전하고, 경유 또는 휘발유 생산 목적을 위해 슬러리 기포탑 반응기를 고온 FT 모드로 운전할 수 있다. The composite synthetic fuel production apparatus of the present invention may operate the slurry bubble column reactor in a low temperature FT mode for the purpose of maximizing wax production, and operate the slurry bubble column reactor in a high temperature FT mode for the purpose of producing diesel or gasoline.

또한, 본 발명의 복합형 합성연료 제조 장치는 슬러리 기포탑 반응기와 연동하여 작동되는 것으로, 왁스를 크래킹하는 반응기를 더 구비할 수 있다.In addition, the composite synthetic fuel production apparatus of the present invention is operated in conjunction with the slurry bubble column reactor, and may further include a reactor for cracking wax.

또한, 본 발명의 복합형 합성연료 제조 장치는 석탄으로부터 자동차용 연료와, 열, 동력 및/또는 전력을 공급하는 메탄 및 C2~4 함유 고발열량 배출가스를 제공할 수 있다.In addition, the hybrid synthetic fuel manufacturing apparatus of the present invention can provide fuel for automobiles from coal, and high calorific emission gas containing methane and C2-4 to supply heat, power and/or power.

본 발명에 따라 철 원자수 100%에 대하여 ferrihydrite의 상분율 중 철 원자수가 10 내지 100%이고 hematite의 상분율 중 철 원자수가 0 내지 90%인 피셔-트롭시 합성용 철계 촉매를 슬러리 기포탑 반응기에 사용하면, 250℃ ~ 280 ℃에서 저온 FT 모드로 및 290℃ ~ 350 ℃에서 고온 FT 모드로 호환하여 운전할 수 있다. According to the present invention, an iron-based catalyst for Fischer-Tropsch synthesis having 10 to 100% of iron atoms in the phase fraction of ferrihydrite with respect to 100% of iron atoms and 0 to 90% of iron atoms in the phase fraction of hematite was used as a slurry bubble column reactor. If used, it can be operated interchangeably in low temperature FT mode at 250℃ ~ 280℃ and high temperature FT mode at 290℃ ~ 350℃.

이와 같이 본 발명에 따라 2 이상의 모드로 작동하는 슬러리 기포탑 반응기를 이용한 합성연료 제조 장치는 석탄 가스화기와 연계하여, FT 모드 전환을 통해 다양한 탄화수소 제품을 생산할 수 있을 뿐만 아니라, 고온 FT 모드로의 전환을 통해 전기 및 석유 공급 인프라가 미미한 석탄 탄광지역에 석탄으로부터 자동차용 연료 및 고발열량 가스를 이용한 열, 동력 및/또는 전력을 제공할 수 있다.As described above, the synthetic fuel production apparatus using a slurry bubble column reactor operating in two or more modes according to the present invention can produce various hydrocarbon products through FT mode conversion in connection with a coal gasifier, as well as conversion to high temperature FT mode. Through this, it is possible to provide heat, power, and/or power using automobile fuel and high calorific gas from coal to coal mine areas where the electricity and oil supply infrastructure is insignificant.

290℃ ~ 350 ℃에서 고온 FT 모드로 작동하는 슬러리 기포탑 반응기에서 배출되는 배출가스는, 메탄가스 뿐만 아니라 C2~4를 함유하는 고발열량 가스이므로 이를 연소하여 스팀을 형성하거나, 직접 가스터빈이나 가스엔진을 돌려 동력 및/또는 전기를 생산할 수 있다.The exhaust gas discharged from the slurry bubble column reactor operating in the high-temperature FT mode at 290°C to 350°C is a high calorific gas containing not only methane gas but also C2~4, so it is burned to form steam or directly gas turbine or gas. Engines can be turned to generate power and/or electricity.

도 1은 고온 FT 및 저온 FT에 사용하는 FT 반응기 형태의 종류를 나타낸 것이다.
도 2는 합성연료 제조를 위해 슬러리 기포탑 반응기를 사용한 시스템의 개략적인 개념도를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 2 이상의 FT 모드로 작동하는 슬러리 기포탑 반응기를 이용한 복합형 합성연료 제조 장치가 석탄 가스화기와 연계되어 있고, 고온 FT 모드로의 전환을 통해 석탄으로부터 자동차용 연료와 고발열량 배출 가스를 이용한 전력을 제공하는 공정을 보여주는 전체공정도이다.
1 shows the types of FT reactor types used for high temperature FT and low temperature FT.
2 is a schematic conceptual diagram of a system using a slurry bubble column reactor for producing synthetic fuel.
3 is a diagram using a slurry bubble column reactor operating in two or more FT modes according to an embodiment of the present invention. The hybrid synthetic fuel manufacturing device is linked to the coal gasifier, and the conversion to the high-temperature FT mode allows the It is an overall process diagram showing the process of providing power using high calorific emission gas.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. However, these examples are for illustrative purposes only, and the scope of the present invention is not limited to these examples.

[본 발명에 따른 슬러리 [Slurry according to the present invention 기포탑Bubble tower 반응기 합성연료 제조] Reactor Synthetic Fuel Manufacturing]

도 2에 도시된 바와 같이, 슬러리 기포탑 반응기(SBCR) 형태로 FT 반응기를 설계하고 여기에 석탄 가스화기를 연결하여 합성연료 제조를 위한 시스템을 구축하였다. 이때, 슬러리 기포탑 반응기는 Fe : Cu : K : SiO2 = 100 : 1 ~ 10 : 1 ~ 20 : 10 ~ 50 중량비를 갖는 철계 촉매를 사용하였다.As shown in FIG. 2, an FT reactor was designed in the form of a slurry bubble column reactor (SBCR), and a coal gasifier was connected thereto to construct a system for producing synthetic fuel. At this time, the slurry bubble column reactor used an iron-based catalyst having a weight ratio of Fe: Cu: K: SiO 2 = 100: 1 to 10: 1 to 20: 10 to 50.

실시예Example 1 ~ 3: 고온 FT 1 to 3: high temperature FT 모드로Mode 운전하여 합성연료 생산 Synthetic fuel production by driving

FT 합성시 반응 온도를 290℃, 310℃ 및 325℃로 각각 설정하고 하기 표 2 ~표 4와 같은 조건에서 합성연료를 제조하였다.In the synthesis of FT, the reaction temperature was set to 290°C, 310°C, and 325°C, respectively, and synthetic fuels were prepared under the conditions shown in Tables 2 to 4 below.

Figure 112018076176325-pat00002
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Figure 112018076176325-pat00003
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Figure 112018076176325-pat00004
Figure 112018076176325-pat00004

상기 실시예 1 내지 3에서 제조한 합성연료의 탄화수소 조성을 분석한 결과를 하기 표 5에 나타내었다.The results of analyzing the hydrocarbon composition of the synthetic fuels prepared in Examples 1 to 3 are shown in Table 5 below.

Figure 112018076176325-pat00005
Figure 112018076176325-pat00005

상기 표 5를 통해, 본 발명에 따라 SBCR 반응기 내에서 기존 사용하던 운전조건보다 높은 290℃, 310℃ 및 325℃ 조건하에서 피셔 트롭시 합성 반응을 수행한 경우, 실시예 1~3에 따라 제조된 합성연료 중 전체 생성물 중량 기준으로 C5-11 탄화수소의 비율이 29 중량% 이상이고 C12-18 탄화수소의 비율이 8 내지 15 중량%이고 C19+ 탄화수소의 비율이 20 중량% 이하로 생성되었음을 확인할 수 있으며, 이로써 전체 합성연료 중 경유와 휘발유의 생산은 증가하고 왁스의 생산은 감소하였음을 알 수 있다. 또한, 감소된 C19+ 탄화수소 대신 메탄이 (총 FT 생성혼합물 기준) 15wt% 이상으로 생산되어 슬러리 기포탑 반응기에서 배출가스(off-gas)로 배출될 수 있다. 따라서, 고온 FT 모드로 피셔-트롭시 합성 수행시 슬러리 기포탑 반응기에서 배출되는 C1-4 함유 고발열량의 배출가스의 에너지를 활용하여 열원, 동력원 및/또는 전력원으로 사용할 수 있다.According to Table 5, when the Fischer Tropsch synthesis reaction was performed under the conditions of 290°C, 310°C, and 325°C higher than the operating conditions previously used in the SBCR reactor according to the present invention, prepared according to Examples 1 to 3 It is confirmed that the proportion of C 5-11 hydrocarbons is 29% by weight or more, the proportion of C 12-18 hydrocarbons is 8 to 15% by weight, and the proportion of C 19+ hydrocarbons is 20% by weight or less based on the total product weight in the synthetic fuel. As a result, it can be seen that the production of diesel and gasoline among all synthetic fuels increased and the production of wax decreased. In addition, instead of the reduced C 19+ hydrocarbon, methane (based on the total FT product mixture) is produced in an amount of 15 wt% or more, and can be discharged as off-gas from the slurry bubble column reactor. Therefore, when the Fischer-Tropsch synthesis is performed in the high-temperature FT mode, the energy of the exhaust gas containing C 1-4 containing high calorific value discharged from the slurry bubble column reactor can be utilized as a heat source, a power source, and/or a power source.

실시예 4: 저온 FT 모드로 운전하여 합성연료 생산Example 4: Production of synthetic fuel by operating in low temperature FT mode

저온 FT 모드로 반응 온도를 260℃로 설정하고 하기 표 6과 같은 조건에서 합성연료를 제조하였다.In the low-temperature FT mode, the reaction temperature was set to 260°C, and a synthetic fuel was prepared under the conditions shown in Table 6 below.

Figure 112018076176325-pat00006
Figure 112018076176325-pat00006

상기 실시예 4에서 제조한 합성연료의 탄화수소 조성을 분석하였다. 그 결과를 하기 표 7에 나타내었다.The hydrocarbon composition of the synthetic fuel prepared in Example 4 was analyzed. The results are shown in Table 7 below.

Figure 112018076176325-pat00007
Figure 112018076176325-pat00007

상기 표 7을 통해, 저온 FT 모드로 SBCR 반응기의 운전조건을 260℃ 조건하에서 피셔 트롭시 합성 반응을 수행한 경우, 실시예 4에 따라 제조된 합성연료 중 전체 생성물 중량 기준으로 C5-11 탄화수소의 비율이 25 중량% 미만이고 C12-18 탄화수소의 비율이 15 중량%이고, C19+ 탄화수소의 비율이 30 중량% 이상으로 생성되었음을 확인할 수 있으며, 이로써 전체 합성연료 중 가스, 경유와 휘발유의 생산은 감소하고 왁스의 생산은 증가하였음을 알 수 있다.According to Table 7 above, when the Fischer Tropsch synthesis reaction was performed under 260°C as the operating conditions of the SBCR reactor in the low-temperature FT mode, C 5-11 hydrocarbons based on the total product weight of the synthetic fuel prepared according to Example 4 It can be seen that the ratio of is less than 25% by weight, the ratio of C 12-18 hydrocarbons is 15% by weight, and the ratio of C 19+ hydrocarbons is more than 30% by weight, and thus the ratio of gas, diesel and gasoline among the total synthetic fuels It can be seen that production decreased and wax production increased.

Claims (12)

(i) 2이상의 모드로 작동하는 슬러리 기포탑 반응기로서,
(a) Fe : Cu : K : SiO2 = 100 : 1 ~ 10 : 1 ~ 20 : 10 ~ 50 중량비를 갖는 피셔-트롭시 합성용 철계 촉매 또는 (b) 철 원자수 100%에 대하여 ferrihydrite의 상분율 중 철 원자수가 10 내지 100%이고 hematite의 상분율 중 철 원자수가 0 내지 90%인 피셔-트롭시 합성용 철계 촉매를 사용하며,
250℃ ~ 280 ℃에서 저온 FT 모드로 운전하여, 합성가스로부터 C19+를 제1 왁스량으로 주로 함유하는 합성연료를 생산하고,
300℃ 초과 350 ℃ 이하에서 고온 FT 모드로 운전하여, 합성가스로부터 C19+를 제1 왁스량 보다 작은 제2 왁스량으로 함유하는 합성연료를 생산하면서 저온 FT 모드 보다 배출가스(off-gas)의 배출량이 큰 것인, 슬러리 기포탑 반응기; 및
(ii) 상기 슬러리 기포탑 반응기와 연계하여 슬러리 기포탑 반응기에서 배출되는 미반응 가스 및 생성된 C1~C4의 가스로부터, 열 또는 스팀을 생산하는 연소기 또는 전기를 생산하는 터빈 또는 가스엔진이 구비된 발전기
를 구비하여, 합성연료 및 이외 다른 에너지원을 동시에 제공가능한 복합형(polygeneration) 합성연료 제조 장치.
(i) a slurry bubble column reactor operating in two or more modes,
(a) Fe: Cu: K: SiO 2 = 100: 1 to 10: 1 to 20: 10 to 50 iron-based catalyst for Fischer-Tropsch synthesis having a weight ratio of or (b) ferrihydrite phase with respect to 100% of iron atoms An iron-based catalyst for Fischer-Tropsch synthesis having 10 to 100% iron atoms in the fraction and 0 to 90% iron atoms in the phase fraction of hematite is used,
By operating in low-temperature FT mode at 250℃ ~ 280℃, producing synthetic fuel mainly containing C 19+ in the first wax amount from synthesis gas,
By operating in high temperature FT mode above 300℃ and below 350℃, producing synthetic fuel containing C 19+ in a second wax amount smaller than the first wax amount from the synthesis gas, and off-gas compared to the low-temperature FT mode The discharge of the large, slurry bubble column reactor; And
(ii) In connection with the slurry bubble column reactor, from the unreacted gas discharged from the slurry bubble column reactor and the generated C1 to C4 gas, a combustor that produces heat or steam or a turbine or gas engine that produces electricity is provided. generator
A polygeneration capable of providing synthetic fuel and other energy sources at the same time Synthetic fuel manufacturing equipment.
제1항에 있어서, 왁스 생산 최대화 목적을 위해 슬러리 기포탑 반응기를 저온 FT 모드로 운전하고,
경유 또는 휘발유 생산 목적을 위해 슬러리 기포탑 반응기를 고온 FT 모드로 운전하는 것이 특징인 합성연료 제조 장치.
The method of claim 1, wherein the slurry bubble column reactor is operated in a low temperature FT mode for the purpose of maximizing wax production,
Synthetic fuel manufacturing apparatus characterized by operating a slurry bubble column reactor in high temperature FT mode for the purpose of producing diesel or gasoline.
제1항에 있어서, 석탄으로부터 자동차용 연료와, 열, 동력 및/또는 전력을 공급하는 메탄 및 C2~4 함유 고발열량 배출가스를 제공하는 것이 특징인 합성연료 제조 장치.
The synthetic fuel manufacturing apparatus according to claim 1, characterized in that it provides fuel for automobiles from coal, and methane and C2-4 containing high calorific emission gas to supply heat, power and/or power.
제1항에 있어서, 슬러리 기포탑 반응기와 연동하여 작동되는 것으로, 왁스를 크래킹하는 반응기를 더 구비한 것이 특징인 합성연료 제조 장치.
The synthetic fuel production apparatus according to claim 1, which is operated in conjunction with the slurry bubble column reactor and further comprises a reactor for cracking wax.
제1항에 있어서, 반응 초기에 별도의 촉매 활성화를 위한 별도의 장치 없이 슬러리 기포탑 반응기에 제1항에 규정된 바와 같은 새로운 피셔-트롭시 합성용 철계 촉매를 주입하고 피셔-트롭시 합성 반응을 시작하는 것이 특징인 합성연료 제조 장치.
The method of claim 1, wherein at the beginning of the reaction Separate device for separate catalyst activation Injecting the new Fischer-Tropsch synthesis iron-based catalyst as specified in claim 1 into the slurry bubble column reactor without starting the Fischer-Tropsch synthesis reaction. Synthetic fuel manufacturing device characterized by that.
제1항에 있어서, 피셔-트롭시 합성 반응 수행도중(somewhere along the line) 촉매 활성화를 위한 별도의 장치 없이 촉매의 손실을 보충하기 위해 촉매를 가동 중 직접 반응기에 주입하는 것이 특징인 합성연료 제조 장치.
The catalyst according to claim 1, wherein the catalyst is operated to compensate for the loss of the catalyst without a separate device for catalyst activation somewhere along the line. Synthetic fuel production device characterized by direct injection into the reactor.
제1항에 있어서, 촉매의 비활성화로 인한 촉매의 교체 시 촉매 활성화를 위한 별도의 장치 없이 촉매의 배출하면서 미사용 또는 재생 촉매를 가동 중 직접 반응기에 주입하여 피셔-트롭시 합성 반응을 연속적으로 수행하는 것이 특징인 합성연료 제조 장치.
The method of claim 1, wherein when the catalyst is replaced due to deactivation of the catalyst, the unused or regenerated catalyst is directly transferred to the reactor while discharging the catalyst without a separate device for activating the catalyst. Synthetic fuel production apparatus characterized by continuously performing the Fischer-Tropsch synthesis reaction by injection.
제1항에 있어서, ferrihydrite는 FeOOH·nH2O (0<n<1)인 것이 특징인 합성연료 제조 장치.
The apparatus of claim 1, wherein the ferrihydrite is FeOOH·nH 2 O (0<n<1).
제1항에 있어서, 상기 합성가스는 H2/CO가 0.7 내지 2.5가 되도록 조절한 것을 사용하는 것이 특징인 합성연료 제조 장치.
The synthetic fuel manufacturing apparatus according to claim 1, wherein the synthesis gas is adjusted so that H 2 /CO is 0.7 to 2.5.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 복합형 합성연료 제조 장치의 슬러리 기포탑 반응기에서, 250℃ ~ 280 ℃의 저온 FT 모드 및 300℃ 초과 350 ℃ 이하의 고온 FT 모드를 통해 합성가스로부터 액체 탄화수소를 제조하는 방법.
In the slurry bubble column reactor of the composite synthetic fuel production apparatus according to any one of claims 1 to 9, the synthesis gas through a low temperature FT mode of 250°C to 280°C and a high temperature FT mode of more than 300°C and 350°C or less A method of producing a liquid hydrocarbon from
제10항에 있어서, 슬러리 기포탑 반응기를 저온 FT 모드로 운전하여 주생성물로 왁스를 생산하고,
슬러리 기포탑 반응기를 고온 FT 모드로 운전하여 연료용 기름을 생산하는 것이 특징인 방법.
The method of claim 10, wherein the slurry bubble column reactor is operated in a low temperature FT mode to produce wax as a main product,
A method characterized by producing oil for fuel by operating a slurry bubble column reactor in high temperature FT mode.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 복합형 합성연료 제조 장치에서,
슬러리 기포탑 반응기를 250℃ ~ 280 ℃의 저온 FT 모드 및 300℃ 초과 350 ℃ 이하의 고온 FT 모드로 운전하여 합성가스로부터 액체 탄화수소를 제조하면서,
상기 슬러리 기포탑 반응기에서 배출되는 미반응 가스 및 생성된 C1~C4의 가스로부터 열, 스팀, 및/또는 전기를 생산하는 방법.
In the composite synthetic fuel manufacturing apparatus according to any one of claims 1 to 9,
The slurry bubble column reactor was operated in a low temperature FT mode of 250°C to 280°C and a high temperature FT mode of more than 300°C and not more than 350°C to produce a liquid hydrocarbon from syngas,
To produce heat, steam, and/or electricity from the unreacted gas discharged from the slurry bubble column reactor and the generated C1-C4 gas Way.
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