KR102267746B1 - Catalyst for methanation, method for preparing the same and method for preparing synthetic natural gas using the same - Google Patents

Catalyst for methanation, method for preparing the same and method for preparing synthetic natural gas using the same Download PDF

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Abstract

본 발명은 촉매 전체 100 중량부에 대하여, Ni 10 내지 70중량부, Ba, Sr, Na, K, Rb, Cs, Mg 및 Ca로 이루어진 그룹에서 선택된 1종의 조촉매 0.5 내지 7중량부 및 금속 지지체 잔부를 포함하는 수열개질 반응이 우수한 메탄화반응 촉매에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 LPG(C2, C3 및 C4 탄화수소)보다 큰 C5 이상의 탄화수소를 포함하는 합성가스를 이용하여 합성천연가스 제조시 메탄화 반응에서 발생하는 탄소침척을 저하시키고, CO2 생성반응을 억제할 수 있는 메탄화반응 촉매가 제공된다. 또한, 상기 메탄화반응 촉매를 이용하여 합성천연가스를 제조함으로서, 합성천연가스의 수율을 증가시킬 수 있는 효과가 있다. The present invention relates to 100 parts by weight of the total catalyst, 10 to 70 parts by weight of Ni, 0.5 to 7 parts by weight of one type of cocatalyst selected from the group consisting of Ba, Sr, Na, K, Rb, Cs, Mg and Ca, and a metal It relates to a methanation catalyst having excellent hydrothermal reforming reaction including a support residue. According to the present invention, using syngas containing C5 or more hydrocarbons larger than LPG (C2, C3 and C4 hydrocarbons) reduces carbon precipitation generated in the methanation reaction during synthetic natural gas production, and suppresses the CO 2 generation reaction. A methanation catalyst capable of being used is provided. In addition, by using the methanation reaction catalyst to produce the synthetic natural gas, there is an effect that can increase the yield of the synthetic natural gas.

Description

메탄화반응 촉매, 이의 제조방법 및 이를 이용한 합성천연가스의 제조방법 {CATALYST FOR METHANATION, METHOD FOR PREPARING THE SAME AND METHOD FOR PREPARING SYNTHETIC NATURAL GAS USING THE SAME}Methanation catalyst, manufacturing method thereof, and manufacturing method of synthetic natural gas using the same

본 발명은 석탄 혹은 바이오매스 등의 가스화를 통하여 얻어지거나 혹은 석유화학산업 등의 부생가스에서 발생하는 합성가스(CO 및 H2 혼합가스)를 이용하여 고열량 합성천연가스(Synthetic natural gas)를 제조에 사용되는 수열개질 반응이 우수한 메탄화반응 촉매, 이의 제조방법 및 상기 촉매를 이용하여 고열량 합성천연가스를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention is obtained through gasification of coal or biomass, or using synthesis gas (CO and H 2 mixed gas) generated from by-gas such as petrochemical industry to produce high-calorie synthetic natural gas (Synthetic natural gas). It relates to a methanation catalyst having excellent hydrothermal reforming reaction used, a method for preparing the same, and a method for producing high-calorie synthetic natural gas using the catalyst.

최근 유가 상승에 따라 천연가스의 가격도 상승하여 저렴한 석탄의 청정연료화에 관심이 많아지고 있다. 석탄 가스화 기술의 발달에 따라 합성가스를 경제적으로 활용할 수 있는 합성천연가스(SNG: Synthetic Natural Gas)의 생산은 최근 미국, 중국 등지에서 활발하게 상업화가 추진되고 있다. With the recent rise in oil prices, the price of natural gas also rises, and interest in converting cheap coal into a clean fuel is increasing. According to the development of coal gasification technology, the production of synthetic natural gas (SNG), which can economically utilize synthetic gas, is being actively commercialized in the United States, China, and the like.

석탄으로부터 합성한 합성천연가스의 경우 메탄을 주성분으로 하고 있으며 발열량은 약 9300 ~ 9500 kcal/Nm3으로 일반적인 천연가스의 발열량 보다 낮다. 특히 국내 도시가스로 사용되는 LNG의 경우 기준발열량이 10,200 kcal/Nm3로 합성천연가스보다 높기 때문에 합성천연가스를 도시가스로 사용하기 위해서는 LPG와 같은 발열량이 높은 연료가스를 혼합해서 사용하여야 한다. 그러나, LPG의 가격은 일반적으로 국제 유가와 연동하기 때문에 천연가스나 석탄보다 가격이 높아 석탄으로부터 제조한 합성천연가스의 원가 경쟁력이 떨어진다.In the case of synthetic natural gas synthesized from coal, methane is the main component and the calorific value is about 9300 ~ 9500 kcal/Nm 3 , which is lower than the calorific value of general natural gas. In particular, in the case of LNG used as domestic city gas, the standard calorific value is 10,200 kcal/Nm 3 , which is higher than that of synthetic natural gas. Therefore, in order to use synthetic natural gas as city gas, a fuel gas with a high calorific value such as LPG must be mixed and used. However, since the price of LPG is generally linked to the international oil price, the price is higher than that of natural gas or coal, so the cost competitiveness of synthetic natural gas manufactured from coal is lowered.

한편, 석탄, 바이오매스 등의 탄소 함유 물질을 가스화하여 수소(H2)와 일산화탄소(CO)의 혼합물인 합성가스를 생산하고, 이 합성가스를 촉매 존재 하에 메탄화시켜 합성 천연 가스를 생산하는 촉매 메탄화 반응 기술에는 일반적으로 Ni 기반 촉매가 사용된다. On the other hand, a catalyst for producing synthetic natural gas by gasifying carbon-containing materials such as coal and biomass to produce synthesis gas, which is a mixture of hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO), and methanating the synthesis gas in the presence of a catalyst Ni-based catalysts are generally used in methanation reaction techniques.

그러나, 상기 메탄화반응기에 공급되는 합성가스에 C5 이상의 탄화수소가 다량 포함된 경우, 탄소침척이나 CO2 생성반응이 우세하게 발생하여, 합성천연가스 생성을 제한하는 문제가 있다.However, when the synthesis gas supplied to the methanation reactor contains a large amount of hydrocarbons of C5 or more, carbon precipitation or CO 2 production reaction occurs predominantly, thereby limiting the production of synthetic natural gas.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 메탄화반응에 있어서, 탄소침척을 저하시키고 CO2 생성반응을 억제하여 더 많은 합성천연가스를 생성할 수 있는 수열개질 반응이 우수한 메탄화반응 촉매 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다. The present invention has been devised to solve the above problems, and in the methanation reaction, methanation with excellent hydrothermal reforming reaction capable of producing more synthetic natural gas by reducing carbon deposition and suppressing the CO 2 production reaction An object of the present invention is to provide a reaction catalyst and a preparation method thereof.

또한, 상기 메탄화반응 촉매를 이용하여 합성천연가스를 생성하는 방법을 제공하고자 한다. Another object of the present invention is to provide a method for generating synthetic natural gas using the methanation catalyst.

본 발명의 일 측면에 따르면, 촉매 전체 100 중량부에 대하여, Ni 10 내지 70중량부, Ba, Sr, Na, K, Rb, Cs, Mg 및 Ca로 이루어진 그룹에서 선택된 1종의 조촉매 0.5 내지 7중량부 및 금속 지지체 잔부를 포함하는 수열개질 반응이 우수한 메탄화반응 촉매가 제공된다.According to an aspect of the present invention, based on 100 parts by weight of the total catalyst, 10 to 70 parts by weight of Ni, 0.5 to one kind of cocatalyst selected from the group consisting of Ba, Sr, Na, K, Rb, Cs, Mg and Ca There is provided a methanation catalyst having excellent hydrothermal reforming reaction comprising 7 parts by weight and the remainder of the metal support.

상기 조촉매는 Ba일 수 있다.The promoter may be Ba.

상기 금속 지지체는 Al2O3, TiO2, ZrO2 및 SiO2로 이루어진 그룹에서 선택된 1종일 수 있다.The metal support may be one selected from the group consisting of Al 2 O 3 , TiO 2 , ZrO 2 and SiO 2 .

상기 금속 지지체가 Al2O3일 수 있다.The metal support may be Al 2 O 3 .

본 발명의 다른 측면에 따르면, Ni 전구체 및 Al, Ti, Zr 및 Si로 이루어진 군에서 선택된 1종의 금속 전구체를 포함하는 제1 용액을 준비하는 단계; Ba, Sr, Na, K, Rb, Cs, Mg 및 Ca로 이루어진 군에서 선택된 1종의 전구체를포함하는 제2 용액을 준비하는 단계; 제1 용액, 제2 용액 및 침전제를 혼합하고 열처리하여 침전물을 생성하는 단계; 상기 침전물을 소성하는 단계를 포함하는 수열개질 반응이 우수한 메탄화반응 촉매의 제조방법이 제공된다. According to another aspect of the present invention, preparing a first solution comprising a Ni precursor and one metal precursor selected from the group consisting of Al, Ti, Zr and Si; Preparing a second solution containing one kind of precursor selected from the group consisting of Ba, Sr, Na, K, Rb, Cs, Mg and Ca; mixing the first solution, the second solution and the precipitant and heat-treating to produce a precipitate; There is provided a method for preparing a methanation catalyst having excellent hydrothermal reforming reaction, including the step of calcining the precipitate.

상기 제1 용액에서 Ni와 Al, Ti, Zr 및 Si로 이루어진 군에서 선택된 1종의 금속의 몰비는 1:1 내지 2일 수 있다. In the first solution, a molar ratio of Ni and one metal selected from the group consisting of Al, Ti, Zr, and Si may be 1:1 to 2.

상기 Ba, Sr, Na, K, Rb, Cs, Mg 및 Ca로 이루어진 군에서 선택된 1종은 상기 Ni 및 Al, Ti, Zr 및 Si로 이루어진 군에서 선택된 1종의 금속 대비 1 내지 20몰%로 포함될 수 있다.The one selected from the group consisting of Ba, Sr, Na, K, Rb, Cs, Mg and Ca is 1 to 20 mol% compared to the one selected from the group consisting of Ni and Al, Ti, Zr and Si. may be included.

상기 제1 용액, 제2 용액 및 침전제를 혼합하는 단계는 pH가 7 이상, 약 40 내지 70℃의 온도에서 수행될 수 있다.The step of mixing the first solution, the second solution, and the precipitant may have a pH of 7 or more, and may be performed at a temperature of about 40 to 70°C.

상기 열처리하여 침전물을 생성하는 단계는 80 내지 120℃의 온도에서 1 내지 3시간 동안 수행될 수 있다. The heat treatment to generate a precipitate may be performed at a temperature of 80 to 120° C. for 1 to 3 hours.

상기 침전물을 소성하는 단계는 600 내지 800℃의 온도에서, 산소분위기에서 1 내지 3시간, 수소분위기에서 30분 내지 2시간 동안 수행될 수 있다.The calcining of the precipitate may be performed at a temperature of 600 to 800° C., in an oxygen atmosphere for 1 to 3 hours, and in a hydrogen atmosphere for 30 minutes to 2 hours.

본 발명의 다른 또 하나의 측면에 따르면, 일산화탄소, 및 수소를 포함하는 합성가스를 탄화수소합성반응기와 제1 메탄화반응기로 분리하여 공급하는 단계;According to another aspect of the present invention, carbon monoxide, and the step of supplying the synthesis gas containing hydrogen to the hydrocarbon synthesis reactor and the first methanation reactor separately;

상기 탄화수소합성반응기에서 배출되는 C5 이상의 탄화수소 화합물을 제1 메탄화반응기로 공급하고, 상기 메탄화반응 촉매의 존재 하에 메탄을 생성하는 단계; 및 제1 메탄화반응기에서 배출되는 가스 및 상기 탄화수소합성반응기에서 배출되는 C1~C4 탄화수소 화합물을 제2 메탄화반응기로 공급하여 메탄을 생성하는 단계를 포함하는 합성천연가스 제조방법이 제공된다.supplying C5 or more hydrocarbon compounds discharged from the hydrocarbon synthesis reactor to a first methanation reactor, and generating methane in the presence of the methanation catalyst; and supplying the gas discharged from the first methanation reactor and the C1-C4 hydrocarbon compound discharged from the hydrocarbon synthesis reactor to the second methanation reactor to generate methane.

본 발명에 따르면 LPG(C2, C3 및 C4 탄화수소)보다 큰 C5 이상의 탄화수소를 포함하는 합성가스를 이용하여 합성천연가스 제조시 메탄화 반응에서 발생하는 탄소침척을 저하시키고, CO2 생성반응을 억제할 수 있는 수열개질 반응이 우수한 메탄화반응 촉매가 제공된다.According to the present invention, using syngas containing C5 or more hydrocarbons larger than LPG (C2, C3 and C4 hydrocarbons) reduces carbon precipitation generated in the methanation reaction during synthetic natural gas production, and suppresses the CO 2 generation reaction. A methanation catalyst with excellent hydrothermal reforming reaction is provided.

또한, 상기 메탄화반응 촉매를 이용하여 합성천연가스를 제조함으로서, 합성천연가스의 수율을 증가시킬 수 있는 효과가 있다. In addition, by using the methanation reaction catalyst to produce the synthetic natural gas, there is an effect that can increase the yield of the synthetic natural gas.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 합성천연가스 제조방법을 개략적으로 나타낸 플로우 차트이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 메탄화반응기에서 수행되는 공정을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 메탄화반응 촉매의 제조방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4는 실시예 1 및 비교예 3에 따른 촉매의 반응이 끝난 후 표면 형태를 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 관찰한 사진이다.
도 5는 실시예 1 및 비교예 3에 따른 촉매의 반응이 끝난 후 산소분위기에서 열중량분석(TGA)를 실시하여 탄소침척 정도를 평가한 결과이다.
도 6은 실시예 5 내지 7 및 비교예 4의 촉매의 CO전환율을 평가한 결과이다.
도 7은 실시예 5 내지 7 및 비교예 4의 촉매의 CH4 선택도를 평가한 결과이다.
1 is a flowchart schematically illustrating a synthetic natural gas manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 schematically shows the process performed in the first methanation reactor according to an embodiment of the present invention.
3 schematically shows a method for preparing a methanation catalyst according to an embodiment of the present invention.
4 is a photograph of the surface shape observed using a scanning electron microscope (SEM) after the reaction of the catalyst according to Example 1 and Comparative Example 3 is finished.
5 is a result of evaluating the degree of carbon precipitation by performing thermogravimetric analysis (TGA) in an oxygen atmosphere after the reaction of the catalysts according to Example 1 and Comparative Example 3 is finished.
6 is a result of evaluating the CO conversion rate of the catalysts of Examples 5 to 7 and Comparative Example 4.
7 is a result of evaluating the CH 4 selectivity of the catalysts of Examples 5 to 7 and Comparative Example 4.

이하, 다양한 실시예를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to various examples. However, the embodiment of the present invention may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below.

본 발명은 수열개질 반응이 우수한 메탄화반응 촉매, 이의 제조방법 및 이를 이용한 메탄의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a methanation catalyst having excellent hydrothermal reforming reaction, a method for preparing the same, and a method for producing methane using the same.

본 발명의 일 측면에 따르면, 일산화탄소, 및 수소를 포함하는 합성가스를 탄화수소합성반응기와 제1 메탄화반응기로 분리하여 공급하는 단계; 상기 탄화수소합성반응기에서 배출되는 C5 이상의 탄화수소 화합물을 제1 메탄화반응기로 공급하고, 본 발명에 따른 메탄화반응 촉매의 존재 하에 메탄을 생성하는 단계; 및 제1 메탄화반응기에서 배출되는 가스 및 상기 탄화수소합성반응기에서 배출되는 C1~C4 탄화수소 화합물을 제2 메탄화반응기로 공급하여 메탄을 생성하는 단계를 포함하는 합성천연가스 제조방법이 제공된다. According to an aspect of the present invention, the step of supplying a synthesis gas containing carbon monoxide and hydrogen to a hydrocarbon synthesis reactor and a first methanation reactor separately; supplying C5 or more hydrocarbon compounds discharged from the hydrocarbon synthesis reactor to a first methanation reactor, and generating methane in the presence of the methanation catalyst according to the present invention; and supplying the gas discharged from the first methanation reactor and the C1-C4 hydrocarbon compound discharged from the hydrocarbon synthesis reactor to the second methanation reactor to generate methane.

상기 일산화탄소, 및 수소를 포함하는 합성가스는 석탄 또는 바이오매스를 산소, 수소 또는 이들의 혼합가스와 반응시켜 제조되는 것일 수 있다. 이 때, 상기 합성가스 내 수소와 일산화탄소의 부피비가 2.0 내지 3.5인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 2.6 내지 3.0일 수 있다. The synthesis gas containing carbon monoxide and hydrogen may be prepared by reacting coal or biomass with oxygen, hydrogen, or a mixed gas thereof. In this case, the volume ratio of hydrogen and carbon monoxide in the synthesis gas is preferably 2.0 to 3.5, and more preferably 2.6 to 3.0.

부피비가 2 미만인 경우 메탄화반응의 경우 양론비적 수소 부족으로 활성금속인 Ni 표면에 휘스커 카본이 도핑되어 비활성화가 일어나며, 피셔-트롭쉬 반응의 경우 사슬 증가 반응을 끊어줄 수소가 부족하므로 비등점이 높은 탄화수소가 생성된다. 반면, 3.5를 초과하는 경우 메탄화 반응과 피셔-트롭쉬 반응 후 최종 생성물에서 미반응한 수소가 잔존하며 이는 수소 취성을 일으켜 가스 배관망에 손상을 일으키는 문제점이 있다.If the volume ratio is less than 2, in the case of methanation reaction, whisker carbon is doped on the Ni surface, which is an active metal, due to lack of stoichiometric hydrogen, and inactivation occurs. hydrocarbons are formed. On the other hand, when it exceeds 3.5, unreacted hydrogen remains in the final product after the methanation reaction and the Fischer-Tropsch reaction, which causes hydrogen embrittlement, causing damage to the gas pipe network.

상기 합성가스는 분리기를 통하여, 탄화수소합성반응기와 제1 메탄화반응기로 분리되어 공급될 수 있다. 이 때, 상기 탄화수소합성반응기는 예를 들어, 등온 반응기일 수 있으며, 탄화수소합성반응기로 공급되는 합성가스의 양은 전체 합성가스의 10 내지 70부피% 일 수 있다. 10 미만인 경우 C2~C4 탄화수소 화합물의 LPG 합성량이 적어 합성천연가스(SNG)와 혼합 후 최종 생성가스의 발열량이 10,200kcal/Nm3보다 낮을 수 있으며, 70% 초과인 경우, C2~C4 화합물의 LPG 합성량이 많아 불필요하게 높은 발열량과 생성가스의 절대량이 적어 경제적이지 않을 수 있다. The synthesis gas may be separated and supplied to the hydrocarbon synthesis reactor and the first methanation reactor through the separator. In this case, the hydrocarbon synthesis reactor may be, for example, an isothermal reactor, and the amount of synthesis gas supplied to the hydrocarbon synthesis reactor may be 10 to 70% by volume of the total synthesis gas. If it is less than 10, the amount of LPG synthesis of C2~C4 hydrocarbon compounds is small, so the calorific value of the final gas after mixing with synthetic natural gas (SNG) may be lower than 10,200kcal/Nm 3 It may not be economical because the amount of synthesis is high, and the absolute amount of generated gas is unnecessarily high.

상기 탄화수소합성반응기에서는 피셔-트롭쉬 반응에 의해 탄화수소 화합물 함유가스가 제조된다(LPG합성반응). 이는 발열반응으로, 고온에 노출시 분해반응을 일으켜 코킹(coking)현상을 유도하기 때문에 낮은 온도를 유지하는 것이 유리하며, 200 내지 400℃ 에서 수행되는 것이 바람직하다. In the hydrocarbon synthesis reactor, a hydrocarbon compound-containing gas is prepared by a Fischer-Tropsch reaction (LPG synthesis reaction). This is an exothermic reaction, and it is advantageous to maintain a low temperature because it induces a coking phenomenon by causing a decomposition reaction when exposed to high temperature, and is preferably performed at 200 to 400°C.

상기 탄화수소합성반응 단계는 탄화수소 화합물 합성촉매의 존재하에서 수행될 수 있으며, 상기 탄화수소 화합물 합성촉매는 Co계열 기반 촉매, Mn계열 기반 촉매 등을 사용할 수 있으며, 2종의 촉매를 사용하는 것도 가능하다. Co계열, Mn계열의 촉매를 사용하는 경우에는 상대적으로 저온에서 반응이 진행되어 액체나 왁스와 같은 파라핀계열의 탄화수소의 생성에 보다 유리한 장점이 있다.The hydrocarbon synthesis reaction step may be performed in the presence of a hydrocarbon compound synthesis catalyst, and the hydrocarbon compound synthesis catalyst may use a Co-based catalyst, a Mn-based catalyst, or the like, and it is also possible to use two types of catalysts. In the case of using a Co-based or Mn-based catalyst, the reaction proceeds at a relatively low temperature, which is advantageous for the production of paraffin-based hydrocarbons such as liquids or waxes.

상기 탄화수소합성반응기에서 배출된 탄화수소 화합물 함유가스는 탄화수소합성반응기의 하단에 설치된 열교환기 및 응축기를 거치면서 열이 회수되고, 수분이 응축, 제거된다. 이 때, 상기 탄화수소 화합물 중 C5 이상의 탄화수소 화합물은 제1 메탄화반응기로 공급되고, C1~C4 탄화수소 화합물은 후술하는 바와 같이 제2 메탄화반응기로 공급되어 메탄화반응이 수행된다. The hydrocarbon compound-containing gas discharged from the hydrocarbon synthesis reactor passes through a heat exchanger and a condenser installed at the lower end of the hydrocarbon synthesis reactor, heat is recovered, and moisture is condensed and removed. At this time, among the hydrocarbon compounds, C5 or higher hydrocarbon compounds are supplied to the first methanation reactor, and C1-C4 hydrocarbon compounds are supplied to the second methanation reactor as described below to perform methanation.

상기 탄화수소합성반응기에서 배출된 C5 이상의 탄화수소 화합물과 분리기에서 공급된 합성가스의 일부는 제1 메탄화반응기로 공급되어 메탄화반응이 수행된다. 상기 반응을 통하여 메탄을 포함하는 가스를 합성할 수 있다. 상기 메탄화반응은 극심한 발열반응으로, 상기 제1 메탄화반응기의 하단에 구비된 열교환기를 통과시켜 열을 회수하여 고온 고압의 스팀을 생성할 수 있다. A portion of the C5 or higher hydrocarbon compound discharged from the hydrocarbon synthesis reactor and the synthesis gas supplied from the separator is supplied to the first methanation reactor to perform methanation. A gas containing methane may be synthesized through the above reaction. The methanation reaction is an extremely exothermic reaction, and heat can be recovered by passing through a heat exchanger provided at the lower end of the first methanation reactor to generate high-temperature and high-pressure steam.

도 2는 제1 메탄화반응기에서 발생하는 반응을 개략적으로 나타낸 것으로, 도 5를 참조하여 설명하면, 제1 메탄화반응기로 공급된 C5 이상의 탄화수소를 유효가스인 CO, H2, CH4 및 C2~C4 탄화수소로 전환하기 위한 반응으로 크래킹 반응과 개질 반응이 있다. 해당 반응은 흡열 반응으로 500oC 이상의 열원이 필요하며, 개질 반응의 경우 스팀을 추가로 공급하여야 한다. 메탄화반응은 심한 발열을 일으므로 반응이 일어나는 상층부밑 영역에서는 700oC의 고온으로 크래킹 또는 개질반응을 하기에 적절한 온도이며 또한, 메탄화반응에서 생성된 H2O를 이용하여 개질반응을 쉽게 유도할 수 있다. 제1 메탄화반응기에서는 다음과 같은 반응이 진행된다.FIG. 2 schematically shows a reaction occurring in the first methanation reactor. Referring to FIG. 5, hydrocarbons of C5 or higher supplied to the first methanation reactor are used as effective gases CO, H 2 , CH 4 and C2. There are cracking reactions and reforming reactions for conversion to ~C4 hydrocarbons. This reaction is an endothermic reaction and requires a heat source of 500 o C or higher, and in the case of reforming reaction, steam must be additionally supplied. Since the methanation reaction generates severe exotherm, it is an appropriate temperature for cracking or reforming at a high temperature of 700 o C in the region below the upper layer where the reaction takes place, and the reforming reaction can be easily performed using H 2 O generated in the methanation reaction. can induce In the first methanation reactor, the following reaction proceeds.

상기 메탄합성단계는 280 내지 720℃의 온도범위에서 수행될 수 있다. 280oC 미만인 경우 촉매 반응을 일으키기엔 낮은 온도이며, 불완전한 메탄화반응을 일으켜 활성금속인 Ni에 휘스커 카본이 생겨 촉매 비활성화를 일으킬 수 있고, 720oC 이상인 경우 고온 노출에 따른 소결현상으로 촉매 비활성화를 일으킬 수 있다.The methane synthesis step may be performed in a temperature range of 280 to 720 °C. 280 o If C is less than a yen low temperature to cause a catalytic reaction, causing an incomplete methanation reaction may be a whisker carbon blossomed in the active metal Ni lead to catalyst deactivation, 720 o C deactivated catalyst at a sintering phenomenon of the high-temperature exposure or more can cause

한편, 제1 메탄화반응기에서는 다음과 같은 반응이 진행된다.Meanwhile, in the first methanation reactor, the following reaction proceeds.

메탄화(methanation): CO + H2→CH4 + H2OMethanation: CO + H 2 →CH 4 + H 2 O

크래킹(cracking): LPG→CO + CO2 + H2 Cracking: LPG→CO + CO 2 + H 2

수열개질(steam reforming): LPG + H2O→CO + CO2 + H2 + HCSteam reforming: LPG + H 2 O→CO + CO 2 + H 2 + HC

건식개질(dry reforming): LPG + CO2→CO + CO2 + H2 + HC + CDry reforming: LPG + CO 2 →CO + CO 2 + H 2 + HC + C

이러한 메탄화 반응에 사용되는 촉매로 일반적으로 Ni 기반 촉매가 사용되는데, 그러나, 상기 메탄화 반응에 공급되는 합성가스에 C5 이상의 탄화수소가 다량 포함된 경우, 촉매의 표면에 탄소침척이 발생하여 촉매의 활성을 저하시키고, 수열개질보다 건식개질 반응이 우세함에 따라, CO2 생성반응이 활발하게 발생하여, 합성천연가스 생성을 제한하는 문제가 있다.As a catalyst used in this methanation reaction, a Ni-based catalyst is generally used. However, when a large amount of C5 or more hydrocarbons is included in the synthesis gas supplied to the methanation reaction, carbon precipitation occurs on the surface of the catalyst and the catalyst is As the activity is lowered and the dry reforming reaction prevails over the hydrothermal reforming, the CO 2 generation reaction occurs actively, thereby limiting the production of synthetic natural gas.

본 발명에 따르면, 촉매 전체 100 중량부에 대하여, Ni 10 내지 70중량부, Ba, Sr, Na, K, Rb, Cs, Mg 및 Ca로 이루어진 그룹에서 선택된 1종의 조촉매 0.5 내지 7중량부 및 금속 지지체 잔부를 포함하는 수열개질 반응이 우수한 메탄화반응 촉매가 제공된다. According to the present invention, based on 100 parts by weight of the total catalyst, 10 to 70 parts by weight of Ni, 0.5 to 7 parts by weight of one type of cocatalyst selected from the group consisting of Ba, Sr, Na, K, Rb, Cs, Mg and Ca and a methanation catalyst having excellent hydrothermal reforming reaction including the remainder of the metal support.

Ni는 주촉매로서, 메탄화반응 및 개질반응을 유도하기 위해 첨가되며, 촉매 전체 100 중량부에 대하여, 10 내지 70중량부로 포함되는 것이 바람직하다. 10중량부 미만인 경우 메탄화반응이 일어나지 않을 수 있으며, 70 중량부 초과인 경우 촉매 비표면적을 확보하기 어려워 반응성이 낮아질 수 있다.Ni, as a main catalyst, is added to induce methanation and reforming reactions, and is preferably included in an amount of 10 to 70 parts by weight based on 100 parts by weight of the total catalyst. If it is less than 10 parts by weight, the methanation reaction may not occur, and if it is more than 70 parts by weight, it is difficult to secure a specific surface area of the catalyst, and the reactivity may be lowered.

본 발명의 메탄화반응 촉매는 Ba, Sr, Na, K, Rb, Cs, Mg 및 Ca로 이루어진 그룹에서 선택된 1종의 조촉매를 포함하며, 상기 조촉매는 Ba를 사용하는 것이 보다 바람직하다. 상기 조촉매는 개질반응 또는 크래킹반응에서 발생된 CO2를 흡착 또는 흡장하여 Ni 금속에서 일어나는 건식개질을 억제할 수 있고, 수열개질 반응이 우세하게 발생하도록 유도함으로써, 나아가 탄소 침적에 따른 촉매의 비활성화를 억제할 수 있게 된다. The methanation catalyst of the present invention includes one type of cocatalyst selected from the group consisting of Ba, Sr, Na, K, Rb, Cs, Mg and Ca, and it is more preferable to use Ba as the cocatalyst. The cocatalyst can suppress dry reforming that occurs in Ni metal by adsorbing or occluding CO 2 generated in the reforming reaction or cracking reaction, and induces the hydrothermal reforming reaction to occur predominantly, furthermore, deactivation of the catalyst according to carbon deposition can be suppressed.

상기 조촉매의 함량은 촉매 전체 100 중량부에 대하여, 0.5 내지 7중량부로 포함되는 것이 바람직하다. 0.5중량부 미만이면, 발생된 CO2를 흡장 또는 흡착할수 있는 량이 부족할 수 있고, 7중량부를 초과하는 경우 조촉매의 분산도가 낮아져 큰 형태의 입자를 이루어 반응성이 낮아질 수 있을뿐만 아니라, 조촉매의 표면과 내부의 상태가 상이해져, 부반응을 제어하기 어려울 수 있다. The content of the cocatalyst is preferably included in an amount of 0.5 to 7 parts by weight based on 100 parts by weight of the total catalyst. If it is less than 0.5 parts by weight, the amount that can occlude or adsorb the generated CO 2 may be insufficient, and if it exceeds 7 parts by weight, the dispersibility of the co-catalyst is lowered to form large particles, and the reactivity can be lowered as well as the co-catalyst. It may be difficult to control the side reaction because the surface and the inside state are different.

본 발명의 메탄화반응 촉매의 잔부는 금속 지지체로 이루어져 있을 수 있고, 상기 금속 지지체가 Al2O3, TiO2, ZrO2 및 SiO2로 이루어진 그룹에서 선택된 1종일 수 있으며, 바람직하게는 Al2O3일 수 있다. 금속 지지체로 Al2O3를 사용하는 경우, 촉매 중 Al은 촉매 전체 100 중량부에 대하여 30 내지 90 중량부로 포함될 수 있다.The remainder of the methanation catalyst of the present invention may consist of a metal support, and the metal support may be one selected from the group consisting of Al 2 O 3 , TiO 2 , ZrO 2 and SiO 2 , preferably Al 2 It may be O 3 . When Al 2 O 3 is used as the metal support, Al in the catalyst may be included in an amount of 30 to 90 parts by weight based on 100 parts by weight of the total catalyst.

한편, 상기 제1 메탄화반응기에서 배출된 가스는 열교환기를 거친 후 제2 메탄화반응기로 공급되며, 상기 탄화수소합성반응기에서 배출되는 C1~C4 탄화수소 화합물 또한, 제2 메탄화반응기로 공급되어, 고농도의 메탄을 포함한 가스를 생성한다.On the other hand, the gas discharged from the first methanation reactor is supplied to the second methanation reactor after passing through the heat exchanger, and the C1-C4 hydrocarbon compound discharged from the hydrocarbon synthesis reactor is also supplied to the second methanation reactor, and has a high concentration of gas containing methane.

상기 제2 메탄화반응기에서는 낮은 합성가스의 농도로 인하여, 발열반응이 심하지 않으므로, 상기 메탄합성단계는 Ni, Al 중에서 선택된 1종 이상 메탄합성촉매의 존재하에서 수행될 수 있으며, 바람직하게는 Ni을 사용할 수 있다. 상기 제2 메탄화반응기에서 배출되는 가스는 하단에 설치된 열교환기 및 응축기를 거치면서 열이 회수되고, 수분이 응축, 제거된다. 이와 같은 공정에 의하면, 97%이상의 C1~C5로 구성된 고열량 합성 천연가스를 수득할 수 있다.Since the exothermic reaction is not severe in the second methanation reactor due to the low concentration of synthesis gas, the methane synthesis step may be performed in the presence of at least one methane synthesis catalyst selected from Ni and Al, preferably Ni Can be used. As the gas discharged from the second methanation reactor passes through a heat exchanger and a condenser installed at the bottom, heat is recovered, and moisture is condensed and removed. According to this process, it is possible to obtain a high-calorie synthetic natural gas composed of 97% or more of C1 to C5.

이하에서는, 본 발명의 메탄화반응 촉매의 제조방법을 설명한다. 본 발명의 다른 측면에 따르면, Ni 전구체 및 Al, Ti, Zr 및 Si로 이루어진 군에서 선택된 1종의 금속 전구체를 포함하는 제1 용액을 준비하는 단계; Ba, Sr, Na, K, Rb, Cs, Mg 및 Ca로 이루어진 군에서 선택된 1종의 전구체를 포함하는 제2 용액을 준비하는 단계; 제1 용액, 제2 용액 및 침전제를 혼합하고 열처리하여 침전물을 생성하는 단계; 및 상기 침전물을 소성하는 단계를 포함하는 메탄화반응 촉매의 제조방법이 제공된다. Hereinafter, a method for preparing the methanation catalyst of the present invention will be described. According to another aspect of the present invention, preparing a first solution comprising a Ni precursor and one metal precursor selected from the group consisting of Al, Ti, Zr and Si; Preparing a second solution containing one kind of precursor selected from the group consisting of Ba, Sr, Na, K, Rb, Cs, Mg and Ca; mixing the first solution, the second solution and the precipitant and heat-treating to produce a precipitate; And there is provided a method for producing a methanation reaction catalyst comprising the step of calcining the precipitate.

먼저, Ni 전구체 및 Al, Ti, Zr 및 Si로 이루어진 군에서 선택된 1종의 금속 전구체를 포함하는 제1 용액을 준비한다. 니켈 전구체로는 예를 들어, 니켈 나이트레이트 수화물 (Ni(NO3)2·4H2O), 니켈 아세테이트 (Ni(CO2CH3)2·4H2O), 니켈 옥살레이트 (NiC2O4), 니켈 아세테이트 (Ni(CH3COO)2) 및 니켈 클로라이드 (NiCl2·6H2O) 등을 사용할 수 있다. First, a first solution including a Ni precursor and one metal precursor selected from the group consisting of Al, Ti, Zr, and Si is prepared. Nickel precursors include, for example, nickel nitrate hydrate (Ni(NO 3 ) 2 .4H 2 O), nickel acetate (Ni(CO 2 CH 3 ) 2 .4H 2 O), nickel oxalate (NiC 2 O 4 ) ), nickel acetate (Ni(CH 3 COO) 2 ), and nickel chloride (NiCl 2 .6H 2 O) may be used.

Al, Ti, Zr 및 Si로 이루어진 군에서 선택된 1종의 금속 전구체 또한, 특별하게 한정하는 것은 아니며, 예를 들어, Al, Ti, Zr 및 Si를 함유하는 Nitrate(NO3 -), Acetate(CH3COO-), Chloride(Cl-), Sulfate(SO4 2-) 등을 사용할 수 있다. One metal precursor selected from the group consisting of Al, Ti, Zr and Si is also not particularly limited, and for example, Nitrate (NO 3 ) containing Al, Ti, Zr and Si, Acetate (CH 3 COO - ), Chloride (Cl - ), Sulfate (SO 4 2- ), etc. can be used.

상기 제1 용액에서 Ni와 Al, Ti, Zr 및 Si로 이루어진 군에서 선택된 1종의 금속의 몰비는 1:1 내지 2인 것이 바람직하다. 1:1 미만이면, 전구체의 양이 적어 촉매를 형성하는데 어려움이 있고, 1:2를 초과하는 경우, 용액상태로 만들기 어려운 문제가 있다. In the first solution, the molar ratio of Ni and one metal selected from the group consisting of Al, Ti, Zr and Si is preferably 1:1 to 2. If it is less than 1:1, it is difficult to form a catalyst because the amount of the precursor is small, and if it exceeds 1:2, there is a problem in that it is difficult to make a solution state.

다음으로, Ba, Sr, Na, K, Rb, Cs, Mg 및 Ca로 이루어진 군에서 선택된 1종의 전구체를 포함하는 제2 용액을 준비한다. Ba, Sr, Na, K, Rb, Cs, Mg 및 Ca로 이루어진 군에서 선택된 1종의 금속 전구체 또한, 특별하게 한정하는 것은 아니며, 예를 들어, 상기 금속을 함유하는 Nitrate(NO3 -), Acetate(CH3COO-), Chloride(Cl-), Sulfate(SO4 2-) 등을 사용할 수 있다. Next, a second solution including one kind of precursor selected from the group consisting of Ba, Sr, Na, K, Rb, Cs, Mg and Ca is prepared. One kind of metal precursor selected from the group consisting of Ba, Sr, Na, K, Rb, Cs, Mg and Ca is also not particularly limited, for example, Nitrate (NO 3 - ) containing the metal, Acetate (CH 3 COO - ), Chloride (Cl - ), Sulfate (SO 4 2- ), etc. can be used.

한편, 상기 Ba, Sr, Na, K, Rb, Cs, Mg 및 Ca로 이루어진 군에서 선택된 1종의 함량은 Ni 및 Al, Ti, Zr 및 Si로 이루어진 군에서 전체 금속 중량 대비 1 내지 20몰%로 포함되는 것이 바람직하다. 1몰% 미만인 경우, 발생된 CO2를 흡장 또는 흡착할수 있는 량이 부족할 수 있고, 20몰%를 초과하는 경우 조촉매의 분산도가 낮아져 큰 형태의 입자를 이뤄 반응성이 낮아질 수 있으며 조촉매의의 표면과 내부의 상태가 상이해져, 부반응을 제어하기 어려울 수 있다. On the other hand, the content of one selected from the group consisting of Ba, Sr, Na, K, Rb, Cs, Mg and Ca is 1 to 20 mol% based on the total weight of the metal in the group consisting of Ni and Al, Ti, Zr and Si It is preferable to include If it is less than 1 mol%, the amount to occlude or adsorb the generated CO 2 may be insufficient, and if it exceeds 20 mol%, the dispersibility of the promoter may be lowered to form large particles, and the reactivity may be lowered, and the reactivity of the promoter may be lowered. Since the state of the surface and the inside are different, it may be difficult to control the side reaction.

다음으로, 제1 용액, 제2 용액 및 침전제를 혼합하고 열처리하여 침전물을 생성한다. 침전제로는 예를 들어, 암모니아수를 사용할 수 있다. 상기 제1 용액, 제2 용액 및 침전제를 혼합하는 단계는 pH가 6 이상, 약 40 내지 90℃의 온도조건에서, 수행되는 것이 바람직하다. 금속 전구체 주입 전 침전제 용액의 온도가 90℃를 초과하면 용액의 물이 증발될 가능성이 높고, 입자의 형성과정이 빨라져서 균일하게 분산된 형태의 촉매를 합성하기 어렵다. 나아가, 40℃ 미만인 경우 침전반응이 일어나기 어려워 촉매를 제조하는데 시간이 오래 걸리는 문제가 있다. 또한, pH가 6 미만일 경우 침전물이 형성되지 않는 문제가 있다.Next, the first solution, the second solution and the precipitating agent are mixed and heat-treated to produce a precipitate. As the precipitating agent, for example, aqueous ammonia can be used. The step of mixing the first solution, the second solution and the precipitating agent is preferably carried out at a pH of 6 or more and a temperature condition of about 40 to 90°C. If the temperature of the precipitant solution exceeds 90° C. before injection of the metal precursor, the water in the solution is highly likely to evaporate, and the formation of particles is accelerated, making it difficult to synthesize a uniformly dispersed catalyst. Furthermore, when the temperature is less than 40 ℃, there is a problem that it takes a long time to prepare the catalyst because the precipitation reaction does not occur. In addition, when the pH is less than 6, there is a problem in that a precipitate is not formed.

상기 열처리는 80 내지 120℃의 온도에서 1 내지 3시간 동안 수행되는 것이 바람직하다. 전구체가 포함된 용액에 침전체가 주입되어 각 금속이 반응하여 충분히 침전되는 시간과 발열 반응에 의해 온도가 일부 상승하게 된다. The heat treatment is preferably performed at a temperature of 80 to 120 °C for 1 to 3 hours. The precipitate is injected into the solution containing the precursor, and the temperature is partially increased due to the time for each metal to react and sufficiently precipitate and the exothermic reaction.

상기 열처리 종류 후의 침전물은 필요에 따라, 여과 및 세척을 통해 불필요한 이온을 제거한 후 100 내지 120℃의 온도에서 10 내지 14시간 동안 건조하는 과정이 수행될 수 있다.The precipitate after the heat treatment may be dried at a temperature of 100 to 120° C. for 10 to 14 hours after removing unnecessary ions through filtration and washing, if necessary.

다음으로, 상기 침전물을 500 내지 700℃의 온도에서 소성하여 메탄화반응 촉매를 제조한다. 상기 단계는 600 내지 800℃의 온도에서, 산소분위기에서 1 내지 3시간, 수소분위기에서 30분 내지 2시간 동안 수행되는 것이 바람직하다.Next, the precipitate is calcined at a temperature of 500 to 700° C. to prepare a methanation catalyst. The step is preferably carried out at a temperature of 600 to 800° C., in an oxygen atmosphere for 1 to 3 hours, and in a hydrogen atmosphere for 30 minutes to 2 hours.

보다 상세하게, 먼저 산소분위기에서 1 내지 3시간의 소성을 거친다. 온도가 500℃ 미만일 경우 산화물의 형태로 변형이 충분하게 이뤄지지 않아 활성후 촉매의 안정성의 문제점이 발생할 수 있으며, 700℃ 초과일 경우 고온으로 인해 산화된 입자가 커지는 문제가 있다. More specifically, it is first subjected to sintering in an oxygen atmosphere for 1 to 3 hours. If the temperature is less than 500 ℃, the transformation in the form of an oxide is not sufficiently made, which may cause a problem of stability of the catalyst after activation, and if it is more than 700 ℃, there is a problem that the oxidized particles due to the high temperature become large.

이후, 700℃ 이상, 보다 바람직하게는 700 내지 800℃의 온도 범위 및 수소분위기에서 30분 내지 3시간 동안 수행되는 것이 바람직하다. 온도가 낮은 경우 소성 시간이 오래 걸려 수소 및 에너지 소모가 높으며, 높을 경우 고온으로 인해 입자가 커지는 문제가 있다.Thereafter, it is preferably carried out for 30 minutes to 3 hours in a temperature range of 700° C. or higher, more preferably 700 to 800° C., and in a hydrogen atmosphere. When the temperature is low, it takes a long time to sinter, so hydrogen and energy consumption are high, and when the temperature is high, there is a problem in that the particles become large due to the high temperature.

상술한 것과 같이, 본 발명의 제조방법으로 제조된 메탄화반응 촉매는 LPG(C2, C3 및 C4 탄화수소)보다 큰 C5 이상의 탄화수소를 포함하는 합성가스를 이용하여 합성천연가스 제조시 메탄화 반응에서 발생하는 탄소침척을 저하시키고, CO2 생성반응을 억제할 수 있다. 이에 따라, 상기 메탄화반응 촉매를 이용하여 합성천연가스를 제조함으로서, 합성천연가스의 수율을 증가시킬 수 있는 효과가 있다. As described above, the methanation catalyst prepared by the production method of the present invention is generated in the methanation reaction during the production of synthetic natural gas using a synthesis gas containing C5 or more hydrocarbons larger than LPG (C2, C3 and C4 hydrocarbons). It can reduce carbon precipitation and suppress the CO 2 production reaction. Accordingly, there is an effect of increasing the yield of the synthetic natural gas by producing the synthetic natural gas using the methanation reaction catalyst.

실시예Example

이하, 본 발명을 실시예를 들어 보다 구체적으로 설명한다. 이하의 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 이에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. The following examples are provided to explain the present invention in more detail, and the present invention is not limited thereto.

Ni과 Al이 혼합된 금속 전구체 용액 및 조촉매로 사용되는 금속 전구체 용액을 각각 준비하였다. 구체적으로 Ni과 Al의 몰 비율 40:60이고 조촉매의 몰 비율은 전체 금속 이온 대비 5%였다. 금속 전구체의 농도는 1.2 M 이고, 각 금속 전구체의 음이온 부분은 Nitrate 또는 Acetate을 사용하였다. A metal precursor solution in which Ni and Al are mixed and a metal precursor solution used as a co-catalyst were prepared, respectively. Specifically, the molar ratio of Ni and Al was 40:60, and the molar ratio of the promoter was 5% of the total metal ions. The concentration of the metal precursor was 1.2 M, and Nitrate or Acetate was used for the anion portion of each metal precursor.

침전을 위하여 염기성인 암모니아수를 사용하여 농도가 0.1 M인 수용액을 준비하였다. 상기 용액 및 암모니아수의 온도를 약 50℃로 설정하여 1차 교반을 진행하였으며, pH는 8로 설정하였다. 이후 90℃로 승온하여 2시간 동안 합성 및 숙성을 하였다. For precipitation, an aqueous solution having a concentration of 0.1 M was prepared using basic aqueous ammonia. The temperature of the solution and ammonia water was set to about 50° C., and the first stirring was performed, and the pH was set to 8. Thereafter, the temperature was raised to 90° C., and synthesis and aging were performed for 2 hours.

숙성과정을 거친 침전물은 여과 및 세척과정을 통해 불필요한 이온을 제거한 후, 105℃로 설정한 오븐에서 약 12시간 동안 건조시켰다. 건조시킨 샘플을 700 ℃의 온도로, 산소분위기에서 2시간 소성 및 수소분위기에서 1시간동안 소성하여 촉매를 제조하였다. The aged precipitate was dried in an oven set at 105° C. for about 12 hours after removing unnecessary ions through filtration and washing. The dried sample was calcined at a temperature of 700° C. in an oxygen atmosphere for 2 hours and in a hydrogen atmosphere for 1 hour to prepare a catalyst.

제조된 촉매의 메탄화 반응시 반응기 입구온도별 CO 전환율(%)을 표 1에 나타내었으며, 반응기 입구온도 600℃에서의 CO 전환율(%), CH4 농도(%) 및 CO2 농도(%)를 표 2에 나타내었다.Table 1 shows the CO conversion rate (%) for each reactor inlet temperature during the methanation reaction of the prepared catalyst, and the CO conversion rate (%), CH 4 concentration (%) and CO 2 concentration (%) at the reactor inlet temperature of 600°C (%) is shown in Table 2.

구분division 촉매catalyst 반응기 입구온도별 CO 전환율(%)CO conversion rate (%) by reactor inlet temperature 300℃300 350℃350 400℃400 450℃450 500℃500 550℃550 600℃600 650℃650℃ 비교예1Comparative Example 1 Ni 기반 상용촉매Ni-based commercial catalyst 100100 100100 100100 100100 100100 cokingcoking cokingcoking cokingcoking 실시예1Example 1 40%Ni-5%Ba-Al40%Ni-5%Ba-Al 100100 100100 100100 100100 100100 100100 9292 7575 비교예2Comparative Example 2 40%Ni-5%Ce-Al40%Ni-5%Ce-Al 100100 100100 100100 100100 100100 cokingcoking cokingcoking cokingcoking 실시예2Example 2 40%Ni-5%Al-Al40%Ni-5%Al-Al 100100 100100 100100 100100 100100 98.298.2 83.683.6 67.967.9 실시예3Example 3 40%Ni-5%Mg-Al40%Ni-5%Mg-Al 100100 100100 100100 100100 100100 100100 87.487.4 65.165.1 실시예4Example 4 40%Ni-5%W-Al40%Ni-5%W-Al 100100 100100 100100 100100 100100 100100 83.983.9 55.855.8 비교예3Comparative Example 3 40%Ni-5%Fe-Al40%Ni-5%Fe-Al 100100 100100 100100 100100 100100 cokingcoking cokingcoking cokingcoking

구분division 촉매catalyst CO 전환율(%)CO conversion (%) CH4 농도(%)CH 4 concentration (%) CO2 농도(%)CO 2 Concentration (%) 비교예1Comparative Example 1 Ni 기반 상용촉매Ni-based commercial catalyst 코킹caulking 코킹caulking 코킹caulking 실시예1Example 1 40%Ni-5%Ba-Al40%Ni-5%Ba-Al 9292 73.773.7 0.90.9 비교예2Comparative Example 2 40%Ni-5%Ce-Al40%Ni-5%Ce-Al 코킹caulking 코킹caulking 코킹caulking 실시예2Example 2 40%Ni-5%Mg-Al40%Ni-5%Mg-Al 83.683.6 73.273.2 22 실시예3Example 3 40%Ni-5%Al-Al40%Ni-5%Al-Al 87.487.4 46.946.9 3.23.2 실시예4Example 4 40%Ni-5%W-Al40%Ni-5%W-Al 83.983.9 47.547.5 3.23.2 비교예3Comparative Example 3 40%Ni-5%Fe-Al40%Ni-5%Fe-Al 코킹caulking 코킹caulking 코킹caulking

비교예 1 내지 3의 경우 반응온도가 높아짐에 따라, 코킹 발생으로 인해 반응이 진행되지 않았다. 실시예 1 내지 4의 경우, 650℃의 고온에서도 코킹이 발생하지 않았으며 표 2에서 보는 바와 같이, CO 전환율도 우수할 뿐만 아니라, 메탄 선택도도 높고 CO2 생성도 억제되는 것을 확인할 수 있다. 즉, CO2 생성이 억제되고 CO생성이 높아져, CO2 메탄화반응보다는 CO메탄화반응이 우세하게 일어나므로 수소 사용량이 낮아지고 더 많은 메탄이 생성되어 선택도가 높아지는 효과가 있다.In Comparative Examples 1 to 3, as the reaction temperature increased, the reaction did not proceed due to coking. In the case of Examples 1 to 4, coking did not occur even at a high temperature of 650 ° C. As shown in Table 2, it can be seen that not only the CO conversion rate is excellent, but also the methane selectivity is high and the CO 2 production is suppressed. That is, CO 2 production is suppressed and CO production is increased, so that the CO methanation reaction takes place predominantly rather than the CO 2 methanation reaction, so that the amount of hydrogen used is lowered and more methane is generated, thereby increasing the selectivity.

도 4는 반응이 끝난 후 촉매 표면을 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 표면 형태를 관찰한 사진이다. (a) 및 (b)는 실시예 1에 따른 촉매이며, (c) 및 (d)는 비교예 3에 따른 촉매이다((a) 및 (c)의 배율은 X5000, (b) 및 (d)의 배율은 X20,000). 사진에 나타난 바와 같이 실시예 1의 촉매는 코킹이 발생하지 않아 촉매 표면에 탄소 필라멘트가 발생하지 않고, 촉매 표면형태만 존재하는 반면, 비교예 3은 코킹이 많이 발생하여 탄소 필라멘트가 표면을 모두 덮은 형태를 관찰할 수 있다.4 is a photograph of the surface morphology of the catalyst after the reaction was observed using a scanning electron microscope (SEM). (a) and (b) are the catalyst according to Example 1, (c) and (d) are the catalyst according to Comparative Example 3 ((a) and (c) magnification is X5000, (b) and (d) ) magnification is X20,000). As shown in the photo, in the catalyst of Example 1, no coking occurred, so carbon filaments did not occur on the catalyst surface, and only the catalyst surface shape was present, whereas in Comparative Example 3, a lot of coking occurred and the carbon filaments covered all the surface. shape can be observed.

한편, 도 5는 반응이 끝난 실시예 1 및 비교예 3의 촉매를 산소분위기에서 열중량분석(TGA)를 실시하여 탄소침척 정도를 평가한 결과이다. 탄소침척된 촉매는 열중량분석시 나타나는 600~700℃ 부근의 무게감소현상이 일어나나, 실시예 1은 무게감소현상이 일어나지 않아 탄소침척 저항성이 향상됨을 알 수 있다. 오히려 환원된 촉매의 산화로 인해 무게가 다소 증가하는 형상이 있다. 하지만 코킹이 발생한 비교예 3의 경우 600~700℃ 부근의 무게 감소가 매우 심하게 일어남을 알 수 있다. 이는 탄소 필라멘트가 산화되면서 무게 감소가 일어나는 현상이다.Meanwhile, FIG. 5 is a result of evaluating the degree of carbon precipitation by performing thermogravimetric analysis (TGA) on the catalysts of Example 1 and Comparative Example 3 in an oxygen atmosphere after the reaction has been completed. It can be seen that the carbon precipitation catalyst exhibits a weight reduction phenomenon in the vicinity of 600 to 700° C. that occurs during thermogravimetric analysis, but in Example 1, the weight reduction phenomenon does not occur, thereby improving carbon precipitation resistance. Rather, there is a shape in which the weight slightly increases due to oxidation of the reduced catalyst. However, in the case of Comparative Example 3 in which caulking occurred, it can be seen that the weight loss in the vicinity of 600 to 700° C. was very severe. This is a phenomenon in which the weight loss occurs as the carbon filament is oxidized.

조촉매로 Ba를 사용한 경우, 함량에 따른 효과를 확인하기 위해, 상기와 같은 방식으로 CO 전환율 및 CH4 선택도를 측정하고 각각 도 6 및 도 7에 나타내었으며, 촉매의 조성을 다음과 같이 제어하였다(실시예 5: 40%Ni-1%Ba-Al, 실시예 6: 40%Ni-3%Ba-Al, 실시예 7: 40%Ni-5%Ba-Al, 비교예 4: 40%Ni-10%Ba-Al). 도 7을 참조하면, Ba가 1~5중량%에서 CO전환율 및 CH4 선택도가 우수함을 알 수 있다.In the case of using Ba as a co-catalyst, in order to confirm the effect according to the content, the CO conversion and CH 4 selectivity were measured in the same manner as above and shown in FIGS. 6 and 7, respectively, and the composition of the catalyst was controlled as follows. (Example 5: 40%Ni-1%Ba-Al, Example 6: 40%Ni-3%Ba-Al, Example 7: 40%Ni-5%Ba-Al, Comparative Example 4: 40%Ni -10% Ba-Al). Referring to FIG. 7 , it can be seen that the CO conversion rate and CH 4 selectivity are excellent when Ba is 1 to 5 wt%.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and variations are possible within the scope without departing from the technical spirit of the present invention described in the claims. It will be apparent to those of ordinary skill in the art.

Claims (11)

일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스를 탄화수소합성반응기와 제1 메탄화반응기로 분리하여 공급하는 단계;
상기 탄화수소합성반응기에서 배출되는 C5 이상의 탄화수소 화합물을 제1 메탄화반응기로 공급하고, 촉매 전체 100 중량부에 대하여, Ni 10 내지 70중량부, Ba, Sr, Na, K, Rb, Cs, Mg 및 Ca로 이루어진 그룹에서 선택된 1종의 조촉매 0.5 내지 7중량부 및 지지체 잔부를 포함하는 메탄화반응 촉매의 존재 하에 메탄을 생성하는 단계; 및
제1 메탄화반응기에서 배출되는 가스 및 상기 탄화수소합성반응기에서 배출되는 C1~C4 탄화수소 화합물을 제2 메탄화반응기로 공급하여 메탄을 생성하는 단계를 포함하는 합성천연가스 제조방법.
Separating and supplying a synthesis gas containing carbon monoxide and hydrogen to a hydrocarbon synthesis reactor and a first methanation reactor;
C5 or more hydrocarbon compounds discharged from the hydrocarbon synthesis reactor are supplied to the first methanation reactor, and based on 100 parts by weight of the total catalyst, 10 to 70 parts by weight of Ni, Ba, Sr, Na, K, Rb, Cs, Mg and generating methane in the presence of a methanation catalyst comprising 0.5 to 7 parts by weight of one cocatalyst selected from the group consisting of Ca and the remainder of the support; and
A synthetic natural gas production method comprising the step of supplying the gas discharged from the first methanation reactor and the C1-C4 hydrocarbon compound discharged from the hydrocarbon synthesis reactor to the second methanation reactor to generate methane.
제1항에 있어서,
상기 조촉매가 Ba인 것을 특징으로 하는 합성천연가스 제조방법.
According to claim 1,
The method for producing synthetic natural gas, characterized in that the co-catalyst is Ba.
제1항에 있어서,
상기 지지체가 Al2O3, TiO2, ZrO2 및 SiO2로 이루어진 그룹에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 합성천연가스 제조방법.
According to claim 1,
The support is Al 2 O 3 , TiO 2 , ZrO 2 and SiO 2 Synthetic natural gas production method, characterized in that one selected from the group consisting of.
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