KR102580498B1 - Carbon dioxide to hydrocarbon conversion system and its conversion process - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이산화탄소의 탄화수소로의 전환 시스템 및 그 전환 공정에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공정의 전체적인 에너지 효율 및 탄소 저감 효율을 증대 시키면서도, 이산화탄소의 전환물 중 고부가가치의 생성물의 수율을 더 극대화할 수 있는 이산화탄소의 탄화수소로의 전환 시스템 및 그 전환 공정에 관한 것이다.The present invention relates to a system for converting carbon dioxide into hydrocarbons and a conversion process thereof, and more specifically, to increase the overall energy efficiency and carbon reduction efficiency of the process while further maximizing the yield of high value-added products among the conversion products of carbon dioxide. It relates to a system for converting carbon dioxide into hydrocarbons and the conversion process.

Description

이산화탄소의 탄화수소로의 전환 시스템 및 그 전환 공정{Carbon dioxide to hydrocarbon conversion system and its conversion process}Carbon dioxide to hydrocarbon conversion system and its conversion process}

본 발명은 이산화탄소의 탄화수소로의 전환 시스템 및 그 전환 공정에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이산화탄소를 유용한 생성물로 전환하는 공정에 있어서, 공정의 에너지 효율 및 탄소저감 효율을 크게 증가시키면서도, 이산화탄소의 고부가가치의 생성물로의 전환율을 극대화할 수 있는, 이산화탄소의 탄화수소로의 전환 시스템 및 그 전환 공정에 관한 것이다.The present invention relates to a system for converting carbon dioxide into hydrocarbons and a conversion process thereof. More specifically, in the process of converting carbon dioxide into useful products, the energy efficiency and carbon reduction efficiency of the process are greatly increased, while the high added value of carbon dioxide is achieved. It relates to a conversion system and process for converting carbon dioxide into hydrocarbons, which can maximize the conversion rate to products.

이산화탄소(CO2)는 대표적인 온실가스이고, 이산화탄소의 포집, 저장, 전환 등에 의한 고정화 및 감축 기술들이 활발히 제안되고 있다. 그 중에서도 GTL (Gas-to-liquid) 공정은 석유자원으로부터 얻어졌던 탄화수소를 공급하기 위한 중요기술로서 최근 셰일가스 개발과 더불어 더욱 주목받고 있다.Carbon dioxide (CO 2 ) is a representative greenhouse gas, and immobilization and reduction technologies through carbon dioxide capture, storage, and conversion are being actively proposed. Among them, the GTL (Gas-to-liquid) process is an important technology for supplying hydrocarbons obtained from petroleum resources, and is receiving more attention along with the recent development of shale gas.

GTL 기술의 핵심 공정인 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 합성(FTS) 공정은 천연가스의 개질반응을 통해 제조된 일산화탄소를 포함하는 합성가스로부터 탄화수소를 제조하는 공정으로, 일산화탄소 대신 이산화탄소를 원료로 사용할 경우, 촉매 등에서 변화가 필요하다. The Fischer-Tropsch synthesis (FTS) process, a core process of GTL technology, is a process for producing hydrocarbons from synthesis gas containing carbon monoxide produced through a reforming reaction of natural gas, using carbon dioxide as a raw material instead of carbon monoxide. When used, changes are required in the catalyst, etc.

일 예로, 한국공개특허 제2018-0004165호에서는 CO2의 전환으로부터 경질 올레핀을 제조하기 위해 RWGS 반응의 생성 혼합물 및/또는 FT 반응의 생성 혼합물로부터 CO2를 분리시켜 RWGS 반응으로 재순환하는 공정이 포함된 탄화수소의 제조방법이 개시되어 있다.As an example, Korean Patent Publication No. 2018-0004165 includes a process of separating CO 2 from the product mixture of the RWGS reaction and/or the product mixture of the FT reaction and recycling it to the RWGS reaction to produce light olefins from the conversion of CO 2 A method for producing hydrocarbons is disclosed.

또한, 한국등록특허 제1626800호에서는 이산화탄소 함유 합성가스로부터 합성 액체 연료를 제조하기 위해 피셔-트롭쉬(FT) 합성 반응 및 역수성가스 전환 반응을 동시에 진행한 후, 생성물을 분리시켜 상기 합성가스로부터 경질올레핀(C2 ~ C4) 및 액상탄화수소(C5+)와 같은 탄화수소를 포함하는 합성 액체연료를 제조하는 방법이 개시되어 있다. In addition, in Korean Patent No. 1626800, the Fischer-Tropsch (FT) synthesis reaction and reverse water gas conversion reaction are simultaneously performed to produce synthetic liquid fuel from carbon dioxide-containing synthesis gas, and then the product is separated from the synthesis gas. A method for producing synthetic liquid fuel containing hydrocarbons such as light olefins (C 2 ~ C 4 ) and liquid hydrocarbons (C 5+ ) is disclosed.

그러나 상기 선행기술들은 미반응물이나 FTS 오프가스(off-gas)의 리사이클에 대한 개념이 없거나 리사이클을 하더라도 오프가스(off-gas)내에 포함된 메탄 등을 다시 개질하여 합성가스로 변환한 다음에 되돌리고 있어, 에너지의 효율성 혹은 탄소저감 효율이 떨어지는 단점이 있다. However, the above prior arts do not have a concept for recycling unreacted products or FTS off-gas, or even if recycling occurs, the methane contained in the off-gas is reformed again and converted into synthesis gas before being returned. This has the disadvantage of lowering energy efficiency or carbon reduction efficiency.

이러한 공정 에너지 효율성 및 탄소저감 효율의 관점에서 한국등록특허 제2230155호에서는 FTS 공정과 메탄합성공정을 결합하여 상황에 따라 FTS와 메탄합성공정을 병합함으로써, 에너지의 효율성과 탄소저감 효율을 대폭 증대시킨 통합 공정을 제시하고 있다. From the perspective of this process energy efficiency and carbon reduction efficiency, Korean Patent No. 2230155 combines the FTS process and the methane synthesis process, significantly increasing energy efficiency and carbon reduction efficiency by merging the FTS and methane synthesis processes depending on the situation. An integrated process is presented.

그러나, 상기 한국등록특허 제2230155호에서는 여전히 에너지 효율 및 탄소저감효율을 더 개선할 필요가 있으며, 이산화탄소의 전환 산물의 분포에 있어서도 부가가치가 더 높은 생성물을 극대화하여 공정의 경제성 역시 개선할 필요가 있다.However, in Korea Patent No. 2230155, there is still a need to further improve energy efficiency and carbon reduction efficiency, and there is also a need to improve the economic feasibility of the process by maximizing products with higher added value in the distribution of carbon dioxide conversion products. .

한국공개특허 제2018-0004165호(공개일 : 2018.01.10)Korean Patent Publication No. 2018-0004165 (Publication Date: 2018.01.10) 한국등록특허 제1626800호(공개일 : 2016.01.26)Korean Patent No. 1626800 (Publication Date: 2016.01.26) 한국등록특허 제2230155호(공개일 : 2020.08.10)Korean Patent No. 2230155 (Publication Date: 2020.08.10)

본 발명의 주된 목적은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 이산화탄소를 유용한 물질로 전환하는 공정에 있어, 공정의 전체적인 에너지 비용을 감소시켜 에너지 효율을 증가시키고, 이산화탄소의 배출량을 더욱 절감함으로써, 탄소 저감 효율도 증가시키면서도, 이산화탄소가 전환되어 생성되는 생성물이 더욱 부가가치가 높은 것으로 될 수 있는 이산화탄소의 탄화수소로의 전환 시스템 및 그 공정을 제공하는데 있다.The main purpose of the present invention is to solve the above-mentioned problems. In the process of converting carbon dioxide into useful materials, energy efficiency is increased by reducing the overall energy cost of the process, and carbon dioxide emissions are further reduced, thereby reducing carbon dioxide. The goal is to provide a system and process for converting carbon dioxide into hydrocarbons that can increase efficiency while also allowing the products produced by the conversion of carbon dioxide to have higher added value.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 구현예는, 이산화탄소 및 수소가 함유된 유입가스를 유입시켜 역수성 가스 전환 반응 및 피셔-트롭쉬 합성 반응을 수행하는 제1 반응부; 상기 제1 반응부의 유출물을 공급받아 올리고머화 반응을 수행하는 제2 반응부; 상기 제2 반응부로부터 유출물을 공급받아 탄소수 5개 이상의 C5+ 탄화수소를 탄소수 1 ~ 4개의 저급 탄화수소 및 미반응물의 혼합물로부터 분리하는 분리부; 상기 분리부로부터 분리된 저급 탄화수소 및 미반응물의 혼합물을 공급받아 이들 중 일부를 상기 제1 반응부로 재공급하고, 나머지는 제3 반응부로 공급시키는 재순환부; 및 상기 재순환부로부터 공급된 공급물에 수소를 투입하여 합성천연가스를 생성하는 제3 반응부를 포함하되, 상기 제2 반응부는 ZSM-5 제올라이트 존재하에 220 ℃ ~ 280 ℃로 올리고머화 반응을 수행하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소의 탄화수소로의 전환 시스템을 제공한다.In order to achieve the above object, one embodiment of the present invention includes: a first reaction unit that introduces an incoming gas containing carbon dioxide and hydrogen to perform a reverse water gas conversion reaction and a Fischer-Tropsch synthesis reaction; a second reaction unit that receives the effluent from the first reaction unit and performs an oligomerization reaction; A separation unit that receives the effluent from the second reaction unit and separates C 5+ hydrocarbons having 5 or more carbon atoms from the mixture of lower hydrocarbons having 1 to 4 carbon atoms and unreacted substances; a recirculation unit that receives the mixture of lower hydrocarbons and unreacted substances separated from the separation unit and re-supplies some of them to the first reaction unit, and supplies the remainder to the third reaction unit; And a third reaction unit that generates synthetic natural gas by injecting hydrogen into the feed supplied from the recirculation unit, wherein the second reaction unit performs an oligomerization reaction at 220 ° C. to 280 ° C. in the presence of ZSM-5 zeolite. A system for converting carbon dioxide into hydrocarbons is provided.

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 제2 반응부에서의 ZSM-5 촉매의 Si/Al 몰비는 5 이상, 바람직하게는 10 ~ 100 일 수 있으며, 상기 Si/Al 몰비를 10 ~ 35의 범위로 더욱 제한함으로써, 탄소수 8개에서 10개인 탄화수소에 대한 선택도를 더욱 높일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the Si/Al molar ratio of the ZSM-5 catalyst in the second reaction unit may be 5 or more, preferably 10 to 100, and the Si/Al molar ratio may be in the range of 10 to 35. By further limiting it, the selectivity for hydrocarbons with 8 to 10 carbon atoms can be further increased.

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 제1 반응부는 3 bar ~ 100 bar에서 200 ℃ ~ 500 ℃로 역수성 가스 전환 반응 및 피셔-트롭쉬 합성 반응을 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다. In a preferred embodiment of the present invention, the first reaction unit may be characterized in that it performs a reverse water gas conversion reaction and a Fischer-Tropsch synthesis reaction at 200°C to 500°C at 3 bar to 100 bar.

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 유입가스는 이산화탄소에 대한 수소의 몰비가 1 ~ 5인 것을 특징으로 할 수 있다. In a preferred embodiment of the present invention, the inlet gas may have a molar ratio of hydrogen to carbon dioxide of 1 to 5.

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 제1 반응부 전단에 이산화탄소 및 수소를 유입하여 역수성 가스 전환 반응을 수행하는 역수성 가스 전환 반응부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, it may further include a reverse water gas conversion reaction unit that introduces carbon dioxide and hydrogen into the front end of the first reaction unit to perform a reverse water gas conversion reaction.

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 제1 반응부 및/또는 3 반응부에서 발생한 열에너지를 상기 역수성 가스 전환반응부로 공급하는 열에너지 공급 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. In a preferred embodiment of the present invention, it may further include a thermal energy supply device that supplies thermal energy generated in the first reaction unit and/or the third reaction unit to the reverse water gas shift reaction unit.

본 발명의 다른 구현예는, (a) 이산화탄소 및 수소가 함유된 유입가스를 유입시켜 역수성 가스 전환 반응 및 피셔-트롭쉬 합성 반응을 수행하는 제1 반응 단계; (b) 상기 제1 반응 단계의 유출물을 공급받아 올리고머화 반응을 수행하는 제2 반응 단계; (c) 상기 제2 반응 단계로부터 유출물을 공급받아 탄소수 5개 이상의 C5+ 탄화수소를 탄소수 1 ~ 4개의 저급 탄화수소 및 미반응물의 혼합물로부터 분리하는 분리 단계; (d) 상기 분리 단계로부터 분리된 저급 탄화수소 및 미반응물의 혼합물을 공급받아 이들 중 일부를 상기 제1 반응 단계로 재공급하고, 나머지는 제3 반응 단계로 공급시키는 재순환 단계; 및 (e) 상기 재순환 단계로부터 공급된 공급물에 수소를 투입하여 합성천연가스를 생성하는 제3 반응 단계를 포함하되, 상기 제2 반응 단계는 ZSM-5 제올라이트 존재하에 220 ℃ ~ 280 ℃로 올리고머화 반응을 수행하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소의 탄화수소로의 전환 공정을 제공한다. Another embodiment of the present invention includes: (a) a first reaction step of introducing an incoming gas containing carbon dioxide and hydrogen to perform a reverse water gas shift reaction and a Fischer-Tropsch synthesis reaction; (b) a second reaction step of receiving the effluent of the first reaction step and performing an oligomerization reaction; (c) a separation step of receiving the effluent from the second reaction step and separating C 5+ hydrocarbons having 5 or more carbon atoms from the mixture of lower hydrocarbons having 1 to 4 carbon atoms and unreacted substances; (d) a recycling step of receiving the mixture of lower hydrocarbons and unreacted substances separated from the separation step, resupplying some of them to the first reaction step, and supplying the remainder to the third reaction step; and (e) a third reaction step of generating synthetic natural gas by adding hydrogen to the feed supplied from the recycling step, wherein the second reaction step is to produce oligomer at 220°C to 280°C in the presence of ZSM-5 zeolite. A process for converting carbon dioxide into hydrocarbons is provided, characterized in that a conversion reaction is performed.

본 발명의 바람직한 다른 구현예에서, 상기 제1 반응 단계는 3 bar ~ 100 bar에서 200 ℃ ~ 500 ℃로 역수성 가스 전환 반응 및 피셔-트롭쉬 합성 반응을 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다. In another preferred embodiment of the present invention, the first reaction step may be characterized in that a reverse water gas shift reaction and a Fischer-Tropsch synthesis reaction are performed at 200°C to 500°C at 3 bar to 100 bar.

본 발명의 바람직한 다른 구현예에서, 상기 유입가스는 이산화탄소에 대한 수소의 몰비가 1 ~ 5인 것을 특징으로 할 수 있다. In another preferred embodiment of the present invention, the inlet gas may have a molar ratio of hydrogen to carbon dioxide of 1 to 5.

발명의 바람직한 다른 구현예에서, 상기 제2 반응 단계에서의 ZSM-5의 Si/Al 몰비는 10 ~ 35인 것을 특징으로 할 수 있다. In another preferred embodiment of the invention, the Si/Al molar ratio of ZSM-5 in the second reaction step may be 10 to 35.

본 발명의 바람직한 다른 구현예에서, 상기 제1 반응 단계 전에 이산화탄소 및 수소를 유입하여 이산화탄소를 일산화탄소로 전환하는 역수성 가스 전환 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In another preferred embodiment of the present invention, a reverse water gas conversion step of introducing carbon dioxide and hydrogen to convert carbon dioxide into carbon monoxide may be further included before the first reaction step.

본 발명의 바람직한 다른 구현예에서, 상기 제1 반응 단계 및/또는 제3 반응 단계에서 발생한 반응열을 상기 역수성 가스 전환 단계의 반응에 이용하는 것을 특징으로 할 수 있다.In another preferred embodiment of the present invention, the reaction heat generated in the first reaction step and/or the third reaction step may be used for the reaction in the reverse water gas conversion step.

본 발명에 따른 이산화탄소의 탄화수소로의 전환 시스템 및 그 공정은 피셔-트롭쉬 반응 후 생성된 생성물을 분리 및 재순환 과정 없이 바로 올리고머화를 수행함으로써, 종래 이산화탄소 전환 공정에서 재순환되는 미반응물과 액화하기 어려운 저급 탄화수소의 전제 양을 감소시켜 공정 운전비용 및 에너지 효율을 향상시키는 동시에 피셔-트롭쉬 반응에서 비활성 물질로 작용하는 저급 탄화수소가 반응계에 축적되는 것을 방지하여 반응 효율을 향상시키고, 또한 고부가가치 생성물의 수율을 높일 수 있는 효과가 있다.The system and process for converting carbon dioxide into hydrocarbons according to the present invention directly oligomerize the product produced after the Fischer-Tropsch reaction without separation and recycling, making it difficult to liquefy the unreacted material recycled in the conventional carbon dioxide conversion process. By reducing the overall amount of low-grade hydrocarbons, it improves process operating costs and energy efficiency, and at the same time prevents low-grade hydrocarbons, which act as inert substances in the Fischer-Tropsch reaction, from accumulating in the reaction system, improving reaction efficiency and producing high value-added products. It has the effect of increasing yield.

또한, 본 발명은 이산화탄소를 피셔-트롭쉬 반응 이전에 역수성 가스 전환 반응을 통해 일산화탄소 전환하고, 상기 반응에 소요되는 에너지의 일부 또는 전부를 합성천연가스 생성에서의 발생되는 반응열을 이용함으로써, 탄소 효율을 극대화하는 동시에 전체 반응의 생성물 중 고 부가가치 생성물의 함량을 높이면서도 에너지의 사용을 줄일 수 있는 효과가 있다.In addition, the present invention converts carbon dioxide to carbon monoxide through a reverse water gas shift reaction prior to the Fischer-Tropsch reaction, and uses the reaction heat generated from synthetic natural gas production as part or all of the energy required for the reaction, thereby converting carbon monoxide into carbon monoxide. It has the effect of maximizing efficiency and reducing energy use while increasing the content of high value-added products among the products of the overall reaction.

도 1은 종래 기술에 따른 이산화탄소를 전환하는 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 도 1의 종래기술을 개량하여 에너지 효율 및 탄소 저감효율이 증대된 이산화탄소 전환 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소의 탄화수소로의 전환 시스템 및 공정을 개략적으로 나타낸 플로우 차트이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소의 탄화수소로의 전환 시스템 구성도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이산화탄소의 탄화수소로의 전환 시스템 및 공정을 개략적으로 나타낸 플로우 차트이다.
도 6은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 시스템에서 측정된 전환율 및 선택도를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 시스템에서 측정된 전환율과 선택도(a)를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 시스템에서 측정된 탄화수소 탄소수에 따른 선택도를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 시스템에서 측정된 (a) 합성원유(syncrude) 생산량, (b) SNG 생산량 및 (c)FTS 반응기의 유량을 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 시스템에서 측정된 (a) 에너지 효율(Energy efficiency) 및 (b) 이산화탄소 순발생량(Net CO2 emission)을 나타낸 그래프이다.
Figure 1 is a schematic diagram of a system for converting carbon dioxide according to the prior art.
Figure 2 is a schematic diagram of a carbon dioxide conversion system with improved energy efficiency and carbon reduction efficiency by improving the prior art of Figure 1.
Figure 3 is a flow chart schematically showing a system and process for converting carbon dioxide into hydrocarbons according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a diagram illustrating the configuration of a system for converting carbon dioxide into hydrocarbons according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 is a flow chart schematically showing a system and process for converting carbon dioxide into hydrocarbons according to another embodiment of the present invention.
Figure 6 is a graph showing the conversion rate and selectivity measured in the system according to the examples and comparative examples of the present invention.
Figure 7 is a graph showing the conversion rate and selectivity (a) measured in systems according to examples and comparative examples of the present invention.
Figure 8 is a graph showing selectivity according to the number of hydrocarbon carbons measured in systems according to examples and comparative examples of the present invention.
Figure 9 is a graph showing (a) synthetic crude oil production, (b) SNG production, and (c) flow rate of the FTS reactor measured in the system according to the examples and comparative examples of the present invention.
Figure 10 is a graph showing (a) energy efficiency and (b) net CO 2 emission measured in systems according to examples and comparative examples of the present invention.

다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법 은 본 기술분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.Unless otherwise defined, all technical and scientific terms used in this specification have the same meaning as commonly understood by a person skilled in the art to which the present invention pertains. In general, the nomenclature used herein is well known and commonly used in the art.

본 명세서에 기재된 '스트림(stream)'은 공정 내 유체(fluid)의 흐름을 의미하는 것일 수 있고, 또한 배관 내에서 흐르는 유체 자체를 의미하는 것일 수 있다. 상기 '스트림'은 각 장치를 연결하는 배관 내에서 흐르는 유체 자체 및 유체의 흐름을 동시에 의미하는 것일 수 있다. 또한, 상기 유체는 기체(gas) 또는 액체(liquid)를 의미할 수 있다.'Stream' as used herein may refer to the flow of fluid within a process, or may also refer to the fluid itself flowing within a pipe. The 'stream' may refer to both the fluid itself and the flow of the fluid flowing within the pipes connecting each device. Additionally, the fluid may refer to gas or liquid.

본 명세서에 기재된 '구비한다', '포함한다', '함유한다' 또는 '가진다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 수치, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합이 존재함을 지칭하는 것이고, 언급되지 않은 다른 특징, 수치, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합이 존재하거나 부가될 수 있는 가능성을 배제하지 않는다.Terms such as 'comprises', 'includes', 'contains', or 'has' used in the specification indicate the presence of features, values, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification. It refers to, and does not exclude the possibility that other features, values, steps, operations, components, parts, or combinations thereof not mentioned may exist or be added.

또한, 본 명세서 전체에서, 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성을 명확하게 설명하기 위한 것으로, 그 구성의 명칭이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것이며, 하기 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.In addition, throughout this specification, the names of the components are divided into first, second, etc. for the purpose of clearly explaining the configuration, and to distinguish them because the names of the components are the same. It is not limited to order.

이하 본 발명에 따른 이산화탄소의 탄화수소로의 전환 시스템 및 그 공정의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, a system for converting carbon dioxide into hydrocarbons according to the present invention and preferred embodiments of the process will be described in detail with reference to the attached drawings.

도 1은 종래 기술에 따른 이산화탄소를 전환하는 시스템의 개략적인 구성도이고, 도 2는 도 1의 종래기술을 개량하여 에너지 효율 및 탄소 저감효율이 증대된 이산화탄소 전환 시스템의 개략적인 구성도이다. Figure 1 is a schematic diagram of a carbon dioxide conversion system according to the prior art, and Figure 2 is a schematic diagram of a carbon dioxide conversion system with increased energy efficiency and carbon reduction efficiency by improving the conventional technology of Figure 1.

도 1을 참조하면, 이산화탄소로부터 고분자 탄화수소를 얻기 위한 종래 이산화탄소 전환 시스템에서 이산화탄소와 수소는 제1 혼합기(101)에서 재순환되는 가스와 함께 혼합된 후, 제1 압축기(102)에서 전환 반응을 위한 적절한 압력으로 압축된다. 이후 압축된 혼합가스는 제1 열교환기(103)에서 열 교환된 뒤에 이산화탄소 전환 반응기(104)로 유입되어 이산화탄소의 전환 반응이 진행된다.Referring to FIG. 1, in a conventional carbon dioxide conversion system for obtaining polymer hydrocarbons from carbon dioxide, carbon dioxide and hydrogen are mixed with the gas recycled in the first mixer 101, and then converted to an appropriate amount for the conversion reaction in the first compressor 102. compressed by pressure. Afterwards, the compressed mixed gas undergoes heat exchange in the first heat exchanger 103 and then flows into the carbon dioxide conversion reactor 104, where a carbon dioxide conversion reaction proceeds.

상기 이산화탄소 전환 반응기(104)에서 유출되는 유출물들은 다시 제2 열교환기(105)에서 열 교환된 뒤 제1 분리기(201)로 유입된다. 상기 제1 분리기(201)에서 이산화탄소 전환 반응기(104)의 유출물들은 미전환 반응물(일산화탄소, 이산화탄소, 수소)을 포함한 탄소수 1개 ~ 4개의 저급 탄화수소(C1 ~ C4) 스트림과, 탄소수 5개 이상의 C5+ 탄화수소 스트림으로 분리되고, 분리된 C5+ 탄화수소는 배관(202)를 통하여 수분 분리기(204)로 유입되어 물이 제거되고 최종 생성물인 C5+ 탄화수소로서 얻어진다. 또한, 상기 제1 분리기(201)에서 상부로 분리된 저급 탄화수소 및 미전환 반응물은 제2 분리기(402)에서 수분 등을 분리한 다음, 배관(404)를 통하여 다시 혼합기(101)로 재순환되어 다시 상기한 과정을 거쳐 이산화탄소 전환 반응을 진행하게 된다. The effluent discharged from the carbon dioxide conversion reactor 104 is again heat-exchanged in the second heat exchanger 105 and then flows into the first separator 201. The effluent from the carbon dioxide conversion reactor 104 in the first separator 201 is a stream of lower hydrocarbons (C 1 to C 4 ) with 1 to 4 carbon atoms including unconverted reactants (carbon monoxide, carbon dioxide, hydrogen), and 5 carbon atoms. The above C 5+ hydrocarbon streams are separated, and the separated C 5+ hydrocarbons are introduced into the water separator 204 through the pipe 202, where water is removed and the final product, C 5+ hydrocarbons, is obtained. In addition, the low-grade hydrocarbons and unconverted reactants separated from the top in the first separator 201 are separated from moisture in the second separator 402, and then are recycled back to the mixer 101 through the pipe 404. Through the above process, a carbon dioxide conversion reaction proceeds.

이때, 재순환되는 스트림 속에 포함된 저급 탄화수소는 이산화탄소 전환 반응기(104)에서의 반응과정에 참여하지 않고 비활성가스로 작용하거나, 또는 반응과정에 참여하더라도 반응효율을 떨어뜨리는 요인으로 작용하므로, 이와 같은 저급 탄화수소가 다시 그대로 제1 분리기(201)로 유입될 경우에는 재순환된 저급 탄화수소에 이산화탄소 전환 반응기에서 생성된 저급 탄화수소가 계속적으로 더해져 축적되는 현상이 나타난다. At this time, low-grade hydrocarbons contained in the recirculated stream do not participate in the reaction process in the carbon dioxide conversion reactor 104 and act as inert gases, or even if they participate in the reaction process, they act as a factor in reducing reaction efficiency. When hydrocarbons are introduced into the first separator 201 as is, low-grade hydrocarbons generated in the carbon dioxide conversion reactor are continuously added to the recycled low-grade hydrocarbons, causing accumulation.

이러한 저급 탄화수소가 재순환을 통해 축적되는 것을 막기 위하여 종래에는 개질반응기(401)을 제1 분리기(201)의 상부에 배치시켜 재순환되는 스트림 중에 존재하는 저급 탄화수소를 다시 합성가스로 개질하는 개질 반응을 실시하였다. In order to prevent such low-grade hydrocarbons from accumulating through recirculation, conventionally, a reforming reactor 401 is placed at the top of the first separator 201 to perform a reforming reaction to reform the low-grade hydrocarbons present in the recirculated stream back into synthesis gas. did.

그러나, 상기 저급 탄화수소는 에너지를 투입하여 이산화탄소와 수소로부터 생성된 생성물이므로, 이를 다시 합성되기 전의 상태로 되돌리는 것은 에너지 낭비이며, 개질 반응의 특성상 강한 흡열반응로 인한 에너지의 효율의 심각한 저하가 발생하게 된다.However, since the low-grade hydrocarbon is a product created from carbon dioxide and hydrogen by inputting energy, returning it to the state before synthesis is a waste of energy, and due to the nature of the reforming reaction, a strong endothermic reaction causes a serious decrease in energy efficiency. I do it.

이에, 본 발명자는 앞선 출원(한국등록특허 제2230155호)에서 도 2와 같은 공정을 구성하여 제1 분리기(201)에서 분리된 미전환 반응물(일산화탄소, 이산화탄소, 수소)을 포함한 탄소수 1개 ~ 4개의 저급 탄화수소(C1 ~ C4) 스트림을 배관(203)을 통하여 스프리터(206)에서 제1 혼합기(101)로 되돌려지는 스트림(207)과 제2 혼합기(301)로 보내지는 스트림(205)으로 나누고, 상기 스프리터(206)에서 분기된 스트림(205)은 제2 혼합기(301)에서 추가된 수소와 혼합되어 제3 열교환기(302)를 거쳐 열교환된 뒤, 합성천연가스 생성 반응기(303)로 도입되어 합성천연가스를 생성하도록 함으로써, 피셔-트롭쉬 반응에서 비활성 물질로 작용하는 메탄 등의 저급 탄화수소가 반응계에 축적되는 것을 방지하면서도, 전체적인 공정의 에너지 효율과, 탄소저감 효율이 증대되도록 한 바 있다.Accordingly, the present inventor configured the process as shown in FIG. 2 in the previous application (Korean Patent No. 2230155) to obtain 1 to 4 carbon atoms including the unconverted reactants (carbon monoxide, carbon dioxide, and hydrogen) separated in the first separator 201. A stream of low-grade hydrocarbons (C 1 to C 4 ) is returned from the splitter 206 to the first mixer 101 through a pipe 203 (207) and a stream 205 sent to the second mixer 301. Divided into, the stream 205 branched from the splitter 206 is mixed with hydrogen added in the second mixer 301, exchanges heat through the third heat exchanger 302, and is then sent to the synthetic natural gas production reactor 303. By introducing synthetic natural gas, it prevents low-grade hydrocarbons such as methane, which acts as an inert material in the Fischer-Tropsch reaction, from accumulating in the reaction system, while increasing the energy efficiency and carbon reduction efficiency of the overall process. There is a bar.

상기 관점에서 본 출원인은 더욱 연구를 진행한 결과, 피셔-트롭쉬 반응에서 생성된 미반응물이 포함된 저급 탄화수소와 탄소수 5개 이상의 C5+ 탄화수소의 분리 없이 피셔-트롭쉬 반응에서 생성된 생성물을 직접 올리고머화하는 과정을 거칠 경우, 에너지 효율과 탄소저감 효율은 더욱 증대되면서도 생성물 중 고부가가치의 생성물 수율이 증대되어, 공정의 경제성 역시 향상될 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다. In view of the above, the applicant conducted further research and found that the product produced in the Fischer-Tropsch reaction was obtained without separation of lower hydrocarbons containing unreacted products produced in the Fischer-Tropsch reaction and C 5+ hydrocarbons with 5 or more carbon atoms. When going through a direct oligomerization process, energy efficiency and carbon reduction efficiency are further increased while the yield of high value-added products is increased, and the economic feasibility of the process can also be improved, leading to the completion of the present invention.

본 발명에서는 올리고머화 단계 이후에 재순환되는 미전환 반응물이 포함된 저급 탄화수소 스트림 중의 일부 또는 전부를 재순환 스트림 중에서 분기시켜 메탄화 반응으로 합성천연가스를 제조함으로써, 시스템 또는 공정 중에 저급 탄화수소가 누적되지 않도록 하면서 재순환 스트림 중의 저급 탄화수소를 유용하게 활용할 수 있다.In the present invention, some or all of the low-grade hydrocarbon stream containing unconverted reactants recycled after the oligomerization step is branched from the recycled stream to produce synthetic natural gas through a methanation reaction to prevent low-grade hydrocarbons from accumulating during the system or process. While doing so, low-grade hydrocarbons in the recycle stream can be utilized effectively.

구체적으로 본 발명에 따른 이산화탄소의 탄화수소로의 전환 시스템은 도 3 및 도 4에 나타난 바와 같이, 이산화탄소 및 수소가 함유된 유입가스로부터 액체 탄화수소와 합성천연가스를 제조하기 위해 제1 반응부(510), 제2 반응부(520), 분리부(530), 재순환부(540) 및 제3 반응부(550)를 포함한다.Specifically, as shown in FIGS. 3 and 4, the system for converting carbon dioxide into hydrocarbons according to the present invention uses a first reaction unit 510 to produce liquid hydrocarbons and synthetic natural gas from incoming gas containing carbon dioxide and hydrogen. , a second reaction unit 520, a separation unit 530, a recirculation unit 540, and a third reaction unit 550.

상기 제1 반응부(510)는 이산화탄소 및 수소가 함유된 유입가스를 유입시켜 역수성 가스 전환 반응 및 피셔-트롭쉬 합성 반응을 수행한다. 이때, 상기 제1 반응부(510)로 유입되는 유입가스는 수소 및 이산화탄소가 함유된 원료로, 수소 및 이산화탄소가 혼합된 혼합가스로 공급하거나, 또는 수소 및 이산화탄소를 별도로 공급시킬 수 있다. The first reaction unit 510 introduces an incoming gas containing carbon dioxide and hydrogen to perform a reverse water gas conversion reaction and a Fischer-Tropsch synthesis reaction. At this time, the inlet gas flowing into the first reaction unit 510 is a raw material containing hydrogen and carbon dioxide, and can be supplied as a mixed gas of hydrogen and carbon dioxide, or hydrogen and carbon dioxide can be supplied separately.

상기 유입가스 중 이산화탄소의 공급원으로는 이산화탄소를 배출하는 탄소 산화물 배출 플랜트, 특히 그의 탄소 산화물 배출량을 감소시킬 필요가 있는 플랜트가 적절하다. 이러한 플랜트의 예는 강철 생산에 사용되는 용광로, 및 석탄 또는 가스 등 화석연료를 사용하여 전기를 생산하는 화력 발전소를 포함한다. 이산화탄소, 일산화탄소 또는 탄소 산화물, 또는 혼합물은 임의의 공급원으로부터 제공된 것을 포함하나 이에 한정되지 않는 임의의 방법에 의해 제공될 수 있다.A suitable source of carbon dioxide in the incoming gas is a carbon oxide emission plant that emits carbon dioxide, especially a plant that needs to reduce its carbon oxide emission. Examples of such plants include blast furnaces used to produce steel, and thermal power plants that produce electricity using fossil fuels such as coal or gas. Carbon dioxide, carbon monoxide, or carbon oxides, or mixtures, may be provided by any method, including but not limited to, provided from any source.

또한, 수소는 수력, 태양력, 해양파, 풍력, 조류 또는 해류, 및 이들 중 2 이상의 조합에 의해 생성된 전기를 사용하여 물을 전기 분해하여 생성된 수소일 수 있다. 상기 전해조는 작동을 위해 상당한 양의 열을 필요로 할 수 있는데, 상기 열은 작동을 위한 물과 함께 플랜트의 다른 곳에서 생성된 수증기에 의해서 공급될 수 있다. 또한, 수소는 전극을 사용하는 물의 통상적인 전기분해에 의해서 생성될 수 있지만, 핵 반응기로부터 유래한 폐열을 사용한 물의 열분해에 의한 열화학적 공정 및 상기 방법의 조합을 비롯한 다른 방법을 사용할 수도 있다.Additionally, the hydrogen may be hydrogen produced by electrolyzing water using electricity generated by hydropower, solar power, ocean waves, wind power, tidal currents, or a combination of two or more of these. The electrolyzer may require significant amounts of heat to operate, which heat may be supplied by water vapor generated elsewhere in the plant along with the water for operation. Hydrogen can also be produced by conventional electrolysis of water using electrodes, but other methods can also be used, including thermochemical processes by thermal decomposition of water using waste heat from nuclear reactors, and combinations of these methods.

상기 유입가스에 있어서, 이산화탄소에 대한 수소의 몰비는 1 ~ 5, 바람직하게는 3 ~ 4 범위일 수 있고, 상기 이산화탄소에 대한 수소의 몰비가 1 미만일 경우에는 이산화탄소가 일산화탄소로 전환되는 역수성 가스 전환 반응이 미흡하므로, 본 발명이 목적하는 탄소효율이 극대화되는 효과를 얻을 수 없고, 이산화탄소에 대한 수소의 몰비가 5를 초과할 경우에는 FTS 반응의 체인 결합 반응보다 수소화 반응이 선호되어 액상의 탄화수소보다는 저급 탄화수소가 많이 생상되며, 필요 이상의 수소가 공급되어 경제성이 떨어진다는 문제점이 발생될 수 있다.In the inlet gas, the molar ratio of hydrogen to carbon dioxide may be in the range of 1 to 5, preferably 3 to 4, and when the molar ratio of hydrogen to carbon dioxide is less than 1, carbon dioxide is converted to carbon monoxide. Because the reaction is insufficient, the effect of maximizing carbon efficiency, which is the goal of the present invention, cannot be obtained, and when the molar ratio of hydrogen to carbon dioxide exceeds 5, hydrogenation reaction is preferred over the chain bonding reaction of the FTS reaction, rather than liquid hydrocarbons. A lot of low-grade hydrocarbons are produced, and more hydrogen than necessary is supplied, which can lead to problems of low economic feasibility.

상기 제1 반응부로 유입되는 유입가스에는 탄소원으로서, 이산화탄소외 일산화탄소도 포함될 수 있다. 이 경우에 일산화탄소/이산화탄소의 몰비는 0 ~ 1 범위일 수 있다.The incoming gas flowing into the first reaction unit may include carbon monoxide in addition to carbon dioxide as a carbon source. In this case, the molar ratio of carbon monoxide/carbon dioxide may be in the range of 0 to 1.

상기 제1 반응부(510)는 이산화탄소 및 수소를 다양한 유속으로 공급될 수 있으며, 상기 유속 및 기체 공간속도(gas hourly space velocity, GHSV)는 해당 기술분야에 알려진 바와 같이 다양하게 할 수 있다.The first reaction unit 510 can supply carbon dioxide and hydrogen at various flow rates, and the flow rate and gas hourly space velocity (GHSV) can be varied as known in the art.

또한, 상기 제1 반응부(510)는 유입된 유입가스의 역수성 가스 전환 반응 및 피셔-트롭쉬 합성 반응을 수행하기 위해 촉매가 충진된 반응기가 하나 이상 구비될 수 있다. 상기 반응기에는 역수성 가스 전환 반응 및 피셔-트롭쉬 합성 반응을 동시에 촉진하는 촉매 혹은 역수성 가스 전환 반응용 촉매와 피셔-트롭쉬 합성 반응용 촉매를 균일하게 혼합하거나 층별로 배치할 수 있으며, 2개 이상의 반응기를 사용할 경우에는 반응기별로 서로 다른 종류의 촉매를 충진하여 사용할 수도 있다.Additionally, the first reaction unit 510 may be provided with one or more reactors filled with a catalyst to perform a reverse water gas conversion reaction and a Fischer-Tropsch synthesis reaction of the introduced gas. In the reactor, a catalyst that simultaneously promotes the reverse water gas shift reaction and the Fischer-Tropsch synthesis reaction or a catalyst for the reverse water gas shift reaction and a catalyst for the Fischer-Tropsch synthesis reaction can be uniformly mixed or placed in layers, 2 When using more than one reactor, different types of catalysts may be charged and used for each reactor.

상기 역수성 가스 전환 반응용 촉매는 역수성 가스 전환 반응에 활성이 있는 촉매라면 제한 없이 사용 가능하고, 일 예로 금속 산화물 또는 혼합 금속 산화물일 수 있으며, 상기 금속 산화물로는 구리, 아연, 리튬, 로듐, 몰리브덴, 백금, 팔라듐 등으로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.The catalyst for the reverse water gas shift reaction can be used without limitation as long as it is a catalyst active in the reverse water gas shift reaction. For example, it may be a metal oxide or a mixed metal oxide. The metal oxide may include copper, zinc, lithium, and rhodium. , molybdenum, platinum, palladium, etc. may be included.

또한, 상기 피셔-트롭쉬 합성 반응용 촉매는 피셔-트롭쉬 합성 반응에 활성이 있는 촉매라면 제한 없이 사용 가능하고, 일 예로 금속 산화물 또는 혼합 금속 산화물일 수 있으며, 상기 금속 산화물로는 철, 구리, 망간, 코발트, 니켈, 아연, 알루미늄, 칼륨, 나트륨 등으로 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.In addition, the catalyst for the Fischer-Tropsch synthesis reaction can be used without limitation as long as it is a catalyst active in the Fischer-Tropsch synthesis reaction. For example, it may be a metal oxide or a mixed metal oxide, and the metal oxides include iron and copper. , manganese, cobalt, nickel, zinc, aluminum, potassium, sodium, etc. may be included.

상기 역수성 가스 전환 반응용 촉매 및 피셔-트롭쉬 합성 반응용 촉매는 고체-지지된 촉매일 수 있다. 본 발명의 일실시예에서, 고체 지지체는 다양한 금속염, 준금속 산화물 및/또는 금속 산화물, 예를 들어, 티타니아(산화 티탄), 지르코니아(산화 지르코늄), 실리카(산화 규소), 알루미나(산화 알루미늄), 마그네시아(산화 마그네슘) 및 염화 마그네슘을 포함할 수 있다. 본 발명의 특정 일실시예에서, 고체 지지체는 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2), 마그네시아(MgO), 티타니아(TiO2), 지르코니아(ZrO2), 산화 세륨(IV)(CeO2) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.The catalyst for the reverse water gas shift reaction and the catalyst for the Fischer-Tropsch synthesis reaction may be solid-supported catalysts. In one embodiment of the invention, the solid support is a variety of metal salts, metalloid oxides and/or metal oxides, such as titania (titanium oxide), zirconia (zirconium oxide), silica (silicon oxide), alumina (aluminum oxide). , magnesia (magnesium oxide), and magnesium chloride. In one specific embodiment of the present invention, the solid support is alumina (Al2O3), silica (SiO2), magnesia (MgO), titania (TiO2), zirconia (ZrO2), cerium (IV) oxide (CeO2), or a combination thereof. It can be included.

제1 반응부의 반응은 3 bar ~100 bar에서 200 ℃ ~ 500 ℃, 바람직하게는 15 bar ~ 50 bar에서 200 ℃ ~ 400 ℃로 진행되는 것이 바람직하다. 상기 온도 및 압력이 상기 하한치 미만으로 반응이 진행될 경우, 이산화탄소의 전환 반응이 미흡하며 탄화수소의 생산율이 낮아 바람직하지 않고, 상기 상한치를 초과하여 반응이 이루어질 경우에는 저분자량의 탄화수소의 생성량이 많아지며 및 에너지 효율이 저하되는 문제점이 있다.The reaction in the first reaction section is preferably carried out at 200°C to 500°C at 3 bar to 100 bar, and preferably at 200°C to 400°C at 15 bar to 50 bar. If the reaction proceeds at temperatures and pressures below the lower limit, the conversion reaction of carbon dioxide is insufficient and the production rate of hydrocarbons is low, which is undesirable, and if the reaction proceeds above the upper limit, the amount of low molecular weight hydrocarbons produced increases, and There is a problem that energy efficiency decreases.

제1 반응부에서는 주로 발열반응이 발생하며 생성물에 대한 선택성이 반응온도에 민감하므로, 안정적인 운전을 위하여 제1 반응부에서 생성된 열의 제거를 위한 냉각 장치(미도시)가 필요하다. 상기 냉각 장치는 제1 반응부 후단에 별도로 열교환기의 형태로 설치될 수도 있고 제1 반응부 자체를 냉각하는 형태일 수도 있다. Since exothermic reactions mainly occur in the first reaction section and product selectivity is sensitive to reaction temperature, a cooling device (not shown) is required to remove heat generated in the first reaction section for stable operation. The cooling device may be installed separately in the form of a heat exchanger at the rear of the first reaction unit or may be in a form that cools the first reaction unit itself.

제1 반응부 후단에 별도로 열교환기 형태로 설치될 경우, 제1 반응부-열교환기를 연속하는 다단식 반응 형태를 사용하는 것이 바람직하고, 제1 반응부 자체를 냉각하는 형태일 경우에는 냉각장치가 제1 반응부 내부에 장착된 등온 반응기 또는 준등온 반응기 형태를 사용하는 것이 바람직하다. When a heat exchanger is installed separately at the rear of the first reaction unit, it is preferable to use a multi-stage reaction system in which the first reaction unit and the heat exchanger are continuous. In the case of cooling the first reaction unit itself, a cooling device is used. 1 It is preferable to use an isothermal reactor or quasi-isothermal reactor mounted inside the reaction unit.

등온 또는 준등온 반응기의 한 형태로 관(Tube) 내에는 촉매가 장착되고 촉매층으로 반응물이 흘러 반응이 일어나게 되며, 외부(Shell)에는 냉각 매체(주로 물 또는 스팀)가 흘러 반응관에서 발생하는 열을 제거하도록 하거나, 또는 역으로 관에 냉각매체가 흐르게 하고 외부에는 촉매층을 두고 이에 반응물이 흘러 반응이 일어나게 할 수도 있는 튜브 앤 쉘(Tube and Shell) 방식의 다관식 반응기가 사용될 수 있다. It is a type of isothermal or quasi-isothermal reactor. A catalyst is installed inside the tube, reactants flow to the catalyst layer to cause a reaction, and a cooling medium (mainly water or steam) flows to the outside (shell), generating heat from the reaction tube. A tube-and-shell type multi-tube reactor can be used to remove the , or conversely, a cooling medium flows through the tube and a catalyst layer is placed on the outside to allow reactants to flow and cause a reaction.

등온 또는 준등온 반응기의 다른 형태로는 실린더형 반응기 내부에 냉각관을 설치하여 냉각관에 냉각매체를 흐르게 하여 반응열을 회수하게 한다. 냉각관은 코일(coil) 또는 다관(multi-tubes)형태로 할 수 있으며 반응관의 일부 영역에만 설치할 수 있다. 상기 일부 영역은 반응기의 출구에 가까운 부분을 선택하는 것이(즉, 하향 흐름형에서는 하부 영역, 상향 흐름형에서는 상부영역이) 바람직하다.In another type of isothermal or quasi-isothermal reactor, a cooling pipe is installed inside the cylindrical reactor and a cooling medium flows through the cooling pipe to recover reaction heat. Cooling tubes can be in the form of coils or multi-tubes and can be installed only in certain areas of the reaction tube. It is desirable to select the partial region close to the outlet of the reactor (i.e., the lower region in the downward flow type and the upper region in the upward flow type).

한편, 제2 반응부(520)는 상기 제1 반응부(510)의 생성물을 별도의 분리과정 없이 제1 반응부로부터 공급받아 올리고머화 반응을 수행하는 것으로서, 제1 반응부(510)의 생성물 중 탄소수 5개 이상의 C5+ 탄화수소의 분리과정 없이 미전환 반응물(일산화탄소, 이산화탄소, 수소)이 포함된 C1 내지 C4의 저급 탄화수소와 탄소수 5개 이상의 C5+ 탄화수소로부터 탄소수가 높은 고차 탄화수소(C5+ 이상), 바람직하게는 탄소수 5 내지 11의 탄화수소 및 파라핀계 탄화수소로 전환시킬 수 있다.Meanwhile, the second reaction unit 520 receives the product of the first reaction unit 510 from the first reaction unit without a separate separation process and performs an oligomerization reaction. Without the separation process of C 5+ hydrocarbons with 5 or more carbon atoms , higher-carbon hydrocarbons ( C 5+ or more), preferably can be converted into hydrocarbons and paraffinic hydrocarbons having 5 to 11 carbon atoms.

본 발명에 있어서, 상기 올리고머화 반응은 미전환 반응물을 포함한 C1 내지 C4의 저급 탄화수소를 올리고머화하여 주로 액상으로 존재할 수 있는 탄소수가 높은 탄화수소로 전환시키는 반응이며, 상기 올리고머화 반응은 반응기 종류, 반응온도, 반응압력, 촉매 종류 등에 따라 생성물의 선택도를 조절할 수 있다. In the present invention, the oligomerization reaction is a reaction in which lower C 1 to C 4 hydrocarbons, including unconverted reactants, are oligomerized and converted into hydrocarbons with a high carbon number that can exist mainly in the liquid phase, and the oligomerization reaction is performed in a reactor type. , the selectivity of the product can be adjusted depending on the reaction temperature, reaction pressure, catalyst type, etc.

제2 반응부(520)는 올리고머화 반응을 수행하기 위해 촉매가 충진된 하나 이상의 반응기가 사용될 수 있고, 상기 올리고머화 반응이 수행되는 하나 이상의 반응기는 형태에 제한되지 않으며, 고정상 반응기, 유동층 반응기, 이동상 반응기 등을 사용하는 공지된 반응 프로세스를 적용할 수 있다. 또한, 상기 제2 반응부(520)는 회분식, 반연속식 또는 연속식 중 어느 형태로도 수행될 수 있으나, 연속식으로 실시하는 것이 바람직하고, 나아가 단일 반응기를 사용할 수 있지만, 직렬 또는 병렬로 배치된 복수의 반응기를 사용할 수 있다. 다만, 올리고머화 반응은 발열 반응이므로, 반응열 제어가 용이한 반응기를 사용하는 것이 바람직하다. 따라서, 고정상 반응기라도 단열 퀀칭(quenching) 반응기를 사용할 수 있다. 또한, 반응시 코크가 발생하고, 생성된 코크에 의해 촉매의 비활성화가 일어나므로 반응 중 주기적으로 코크를 태워 촉매를 재상할 수 있는 시스템이 필요하다. 따라서, 스윙베드(swing bed) 반응기를 사용할 수 있다.The second reaction unit 520 may use one or more reactors filled with a catalyst to perform an oligomerization reaction, and the one or more reactors in which the oligomerization reaction is performed are not limited in form, and include a fixed bed reactor, a fluidized bed reactor, A known reaction process using a mobile bed reactor or the like can be applied. In addition, the second reaction unit 520 may be performed in any of the forms of batch, semi-continuous, or continuous, but is preferably performed in a continuous manner. Furthermore, a single reactor may be used, but it may be performed in series or parallel. A plurality of reactors arranged may be used. However, since the oligomerization reaction is an exothermic reaction, it is preferable to use a reactor that can easily control the reaction heat. Therefore, even a fixed bed reactor can be used as an adiabatic quenching reactor. In addition, coke is generated during the reaction, and the generated coke deactivates the catalyst, so a system that can regenerate the catalyst by periodically burning the coke during the reaction is needed. Therefore, a swing bed reactor can be used.

또한, 제2 반응부의 반응기에 충진되는 촉매는 올리고머화 반응을 촉진할 수 있는 올리고머화 반응용 촉매로, 브렌스테드 산점을 갖는 ZSM-5 제올라이트 촉매를 사용할 수 있다. 이 때, 예상치 않게 상기 ZSM-5의 Si/Al의 몰비를 조절함으로써, 생성되는 C5+ 중 특정 탄소수의 탄화수소를 더 선택적으로 생성할 수 있다는 것이 발견되었다.In addition, the catalyst charged in the reactor of the second reaction section is a catalyst for oligomerization reaction that can promote the oligomerization reaction, and a ZSM-5 zeolite catalyst having a Bransted acid site can be used. At this time, it was unexpectedly discovered that by adjusting the Si/Al molar ratio of ZSM-5, hydrocarbons with a specific carbon number among the C 5+ produced could be more selectively produced.

상기 Si/Al의 몰비를 5 이상, 바람직하게는 10 ~ 100의 범위로 두게되면 C5+의 생산량이 증가된다. Si/Al 범위를 더욱 좁혀 10 ~ 35, 바람직하게는 15 ~ 25로 두게 되면, 전체 C5+의 수율은 약간 감소하지만, C5+의 탄화수소 중에서도 C8 ~ C10의 탄화수소에 대한 선택도가 더욱 높게 나타난다. 상기 C8 ~ C10의 탄화수소는 다른 탄소수의 탄화수소보다 활용도가 다양하여 더 고부가가치일 수 있으므로, 필요에 따라 상기 Si/Al 몰비를 10 ~ 35의 범위로 조절하여 C8 ~ C10의 탄화수소 생산량을 늘릴 수도 있다.When the molar ratio of Si/Al is set to 5 or more, preferably in the range of 10 to 100, the production of C 5+ increases. If the Si/Al range is further narrowed to 10 to 35, preferably 15 to 25, the overall C 5+ yield slightly decreases, but the selectivity for C 8 to C 10 hydrocarbons among C 5+ hydrocarbons increases. appears even higher. Since the hydrocarbons of C 8 to C 10 have more diverse uses than hydrocarbons of other carbon numbers and may have higher added value, the Si/Al molar ratio can be adjusted to the range of 10 to 35, if necessary, to increase the production of hydrocarbons of C 8 to C 10 . can also be increased.

상기 제2 반응부의 올리고머화 반응은 220 ℃ ~ 280 ℃, 바람직하게는 230 ℃ ~ 250 ℃에서 수행될 수 있다. 상기 반응온도가 220 ℃ 미만일 경우, 올리고머화 반응에 의한 영향이 미미할 수 있으며, 280 ℃를 초과할 경우에는 올리고머화 반응이 저하되고, 아로마틱화 반응이 촉진되어 장쇄 탄화수소의 수율이 줄어들며, 동시에 촉매상에 코크스 생성이 많아져 촉매 비활성화 속도가 빨라지고, 촉매 재생 주기가 짧아지는 문제점이 발생될 수 있다.The oligomerization reaction in the second reaction unit may be performed at 220°C to 280°C, preferably at 230°C to 250°C. If the reaction temperature is less than 220 ℃, the effect of the oligomerization reaction may be minimal, and if it exceeds 280 ℃, the oligomerization reaction decreases, the aromatization reaction is promoted, the yield of long-chain hydrocarbons decreases, and at the same time, the catalyst phase This may cause problems such as increased coke production, faster catalyst deactivation speed, and shorter catalyst regeneration cycle.

이와 같은 상기 제2 반응부의 반응 조건은 고부가가치의 생성물을 최대로 올릴 수 있는 최적의 반응 조건 및 촉매를 규명한 것으로, 후술되는 분리부(530)의 과부하를 방지하고, 운전비용을 절감할 수 있다. The reaction conditions of the second reaction section identify the optimal reaction conditions and catalysts that can maximize the production of high-value products, preventing overload of the separation section 530, which will be described later, and reducing operating costs. there is.

상기 분리부(530)는 제2 반응부(520) 후단에 배치되어 상기 제2 반응부에서 생성되는 생성물을 미전환 반응물(일산화탄소, 이산화탄소, 수소)이 포함된 C1 ~ C4의 저급 탄화수소와 탄소수 5개 이상의 C5+ 탄화수소로 분리를 수행한다. 이들 분리는 해당 기술분야에 공지된 다양한 기술을 통해 분리할 수 있으며, 비제한적인 예로 증류탑, 플래쉬 드럼 등일 수 있다. The separation unit 530 is disposed at the rear of the second reaction unit 520 to separate the products produced in the second reaction unit into lower hydrocarbons of C 1 to C 4 containing unconverted reactants (carbon monoxide, carbon dioxide, hydrogen) and Separation is carried out with C 5+ hydrocarbons having 5 or more carbon atoms. These separations can be performed through various techniques known in the art, and non-limiting examples may include distillation columns, flash drums, etc.

일 실시예로, 분리부(530) 일 측에는 유입구(미도시)가 형성되어 제2 반응부의 생성물을 유입시키고, 유입된 반응 생성물 중에서 물 및/또는 C5+ 이상의 고차 탄화수소를 분리하여 하부 배출구(미도시) 등을 통하여 외부로 배출시키고, 잔존하는 경질 생성물(C1 ~ C4의 저급 탄화수소)과 미전환 반응물은 상부 배출구(미도시) 등으로 배출하여 재순환부(540)로 공급시킬 수 있다.In one embodiment, an inlet (not shown) is formed on one side of the separation unit 530 to allow the product of the second reaction unit to flow in, and water and/or higher hydrocarbons of C 5+ or higher are separated from the introduced reaction product to the lower outlet ( (not shown), etc., and the remaining light products (lower hydrocarbons of C 1 to C 4 ) and unconverted reactants can be discharged to the upper outlet (not shown) and supplied to the recirculation unit 540. .

재순환부(540)는 분리부(530)로부터 경질 생성물(C1 ~ C4의 저급 탄화수소) 및 미전환 반응물(541)을 공급받아 일부 스트림(543)을 제1 반응부로 재공급하고, 나머지(544)는 합성천연가스를 생성하는 제3 반응부(550)로 공급한다. 재순환부에서 유입되는 스트림(541) 중 제1 반응부로 재공급하는 스트림(543)의 비율을 재순환비로 정의하며, 이 재순환비는 부피비로 0 ~ 0.9일 수 있다. The recirculation unit 540 receives light products (lower hydrocarbons of C 1 to C 4 ) and unconverted reactants 541 from the separation unit 530, resupplies some of the stream 543 to the first reaction unit, and supplies the remainder ( 544) supplies synthetic natural gas to the third reaction unit 550 that generates it. The ratio of the stream 543 resupplied to the first reaction unit among the streams 541 flowing from the recirculation unit is defined as the recirculation ratio, and this recirculation ratio may be 0 to 0.9 in volume ratio.

재순환부(540)를 통해 제1 반응부로 공급된 스트림 내 이산화탄소는 외부에서 주입된 이산화탄소 및 수소와 함께 제1 반응부(510)의 반응물로 재사용됨으로써 전체적인 탄소효율을 향상시킬 수 있다. Carbon dioxide in the stream supplied to the first reaction unit through the recirculation unit 540 is reused as a reactant in the first reaction unit 510 along with carbon dioxide and hydrogen injected from the outside, thereby improving overall carbon efficiency.

또한, 재순환부에서 유출되는 스트림 중 일부 혹은 전부는 제3 반응부(550)에 공급시켜 메탄화 반응을 통하여 합성천연가스로 전환시킬 수 있다.Additionally, part or all of the stream flowing out of the recirculation unit can be supplied to the third reaction unit 550 and converted into synthetic natural gas through a methanation reaction.

제3 반응부(550)는 하나 이상의 촉매 반응기를 구비하며, 촉매 반응기내에서 합성천연가스 생성 반응이 수행된다. 제3 반응부의 촉매 반응기는 생산능력, 공급량, 촉매 등에 따라, 치수나 형태가 가변적으로 변경이 가능하며, 바람직하게는 고정층 반응기, 유동층 반응기 등이 사용될 수 있다. The third reaction unit 550 is provided with one or more catalytic reactors, and a synthetic natural gas production reaction is performed within the catalytic reactor. The catalytic reactor in the third reaction section can be variably changed in size or shape depending on production capacity, supply amount, catalyst, etc., and a fixed bed reactor, a fluidized bed reactor, etc. may be preferably used.

제3 반응부의 촉매 반응기에서는 분리부(530)에서 공급된 경질 생성물(C1 ~ C4의 저급 탄화수소)과 미전환 반응물 및 추가로 유입된 수소의 반응으로부터 메탄, 또는 저급 탄화수소(C1 ~ C4)와 물 등을 생성시킨다.In the catalytic reactor of the third reaction unit , methane or low hydrocarbons (C 1 to C 4 4 ) and water, etc. are produced.

이때, 상기 제3 반응부의 촉매 반응기는 등온 혹은 단열반응기의 형태가 주로 사용될 수 있으며, 등온반응기의 반응온도는 통상 200 ℃ ~ 450 ℃의 온도로 유지되며, 단열반응기의 경우 700 ℃까지 승온될 수도 있다. At this time, the catalytic reactor of the third reaction section may be mainly used in the form of an isothermal or adiabatic reactor, and the reaction temperature of the isothermal reactor is usually maintained at a temperature of 200 ℃ ~ 450 ℃, and in the case of an adiabatic reactor, the temperature may be raised to 700 ℃. there is.

또한, 제3 반응부에서의 H2/(3CO+4CO2) 몰비는 0.9 ~ 1.1, 바람직하게는 0.95 ~ 1.0일 수 있으며, 주로 Ni계 촉매의 존재 하에서 반응을 실시할 수 있고, 촉매는 펠렛(solid pellet), 그래뉼(granule), 플레이트(plates), 태블릿(tablets) 또는 링(rings)을 포함할 수 있다. In addition, the H 2 / (3CO + 4CO 2 ) molar ratio in the third reaction section may be 0.9 to 1.1, preferably 0.95 to 1.0, and the reaction may be mainly carried out in the presence of a Ni-based catalyst, and the catalyst is a pellet. It may include solid pellets, granules, plates, tablets, or rings.

제3 반응부에서는 매우 심한 발열반응이 발생하므로 안정적인 운전을 위하여 상기 반응부에서 생성된 열의 제거를 위한 냉각 장치가 필요하다. 상기 냉각장치는 반응기 후단에 별도로 열교환기의 형태로 설치될 수도 있으며, 반응기 자체를 냉각하는 형태일 수도 있다. 반응기 후단에 별도로 열교환기 형태로 설치될 경우는 반응기-열교환기를 연속하는 다단식 반응 형태를 사용하는 것이 바람직하다. 반응기 자체를 냉각하는 형태일 경우 냉각장치가 반응기 내부에 장착된 등온 반응기 또는 준등온 반응기 형태를 사용하는 것이 바람직하다. 등온 또는 준등온반응기의 한 형태로 튜브 앤 쉘(Tube and Shell) 방식의 다관식 반응기가 사용될 수 있다. 상기 튜브 앤 쉘(Tube and Shell) 방식의 다관식 반응기의 관(Tube) 내에는 촉매가 장착되고 촉매층으로 반응물이 흘러 반응이 일어나게 되며 외부(Shell)에는 냉각 매체(주로 물 또는 스팀)가 흘러 반응관에서 발생하는 열을 제거하도록 한다. 또는 역으로 관에 냉각매체가 흐르게 하고 외부에는 촉매층을 두고 이에 반응물이 흘러 반응이 일어나게 할 수도 있다. 등온 또는 준등온 반응기의 다른 형태로는 실린더형 반응기 내부에 냉각관을 설치하여 냉각관에 냉각매체를 흐르게 하여 반응열을 회수하게 한다. 냉각관은 코일(coil) 또는 다관(multi-tubes)형태로 할 수 있으며 반응관의 일부 영역에만 설치할 수 있다. 상기 일부 영역은 반응기의 출구에 가까운 부분을 선택하는 것이(즉, 하향 흐름형에서는 하부 영역, 상향 흐름형에서는 상부영역이) 바람직하다.Since a very severe exothermic reaction occurs in the third reaction section, a cooling device is required to remove the heat generated in the reaction section for stable operation. The cooling device may be installed separately in the form of a heat exchanger at the rear of the reactor, or may be in the form of cooling the reactor itself. When a separate heat exchanger is installed at the rear of the reactor, it is preferable to use a multi-stage reaction system in which the reactor and heat exchanger are connected in succession. In the case of cooling the reactor itself, it is preferable to use an isothermal reactor or quasi-isothermal reactor in which a cooling device is installed inside the reactor. A tube and shell type multi-tube reactor can be used as a type of isothermal or quasi-isothermal reactor. A catalyst is installed inside the tube of the tube and shell type multi-tube reactor, reactants flow to the catalyst layer and a reaction occurs, and a cooling medium (mainly water or steam) flows to the outside (shell) to react. Be sure to remove the heat generated in the pipe. Or, conversely, a cooling medium can flow through the pipe and a catalyst layer can be placed on the outside, and reactants can flow through it to cause a reaction. In another type of isothermal or quasi-isothermal reactor, a cooling pipe is installed inside the cylindrical reactor and a cooling medium flows through the cooling pipe to recover reaction heat. Cooling tubes can be in the form of coils or multi-tubes and can be installed only in certain areas of the reaction tube. It is desirable to select the partial region close to the outlet of the reactor (i.e., the lower region in the downward flow type and the upper region in the upward flow type).

한편, 제3 반응부(550)내에는 분리장치(미도시)를 추가적으로 포함할 수 있으며, 이때 분리장치는 합성천연가스 생성 반응의 생성물 내 물 등을 분리 제거하는 장치로, 해당 기술 분야에 공지된 다양한 기술을 통해 분리할 수 있으며, 비제한적인 예로 반응 생성물을 냉각시켜 분리하는 응축기를 포함할 수 있다.Meanwhile, the third reaction unit 550 may additionally include a separation device (not shown), where the separation device is a device that separates and removes water, etc. in the product of the synthetic natural gas production reaction, and is known in the relevant technical field. Separation can be achieved through a variety of techniques, and non-limiting examples may include a condenser that cools and separates the reaction product.

본 발명에 따라 생성된 합성천연가스는 제1 반응부에서 생성된 저급 탄화수소(C1 ~ C4)를 포함하고 있어, 별도의 열량조절 과정 없이 바로 LNG 도시가스 배관망에 연결할 수 있으므로 기존의 합성천연가스 생성공정보다 훨씬 경제적이다.The synthetic natural gas produced according to the present invention contains low-grade hydrocarbons (C 1 to C 4 ) generated in the first reaction unit, and can be directly connected to the LNG city gas piping network without a separate heat quantity adjustment process, thereby replacing the existing synthetic natural gas. It is much more economical than the gas generation process.

이하 본 발명에 따른 이산화탄소의 탄화수소로의 전환 시스템의 구체적인 일 실시예를 도 4를 참조하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a specific embodiment of the system for converting carbon dioxide into hydrocarbons according to the present invention will be described in more detail with reference to FIG. 4.

원료 가스인 이산화탄소와 수소는 제1 혼합기(501)에서 재순환된 스트림(543)과 함께 혼합된 후, 제1 압축기(502)에서 전환 반응을 위한 적절한 압력으로 압축된다. 이 때, 상기 압력은 3 bar ~ 100 bar 범위일 수 있으며, 바람직하게는 15 bar ~ 50 bar일 수 있다. 이후 압축된 혼합가스는 제1 열교환(503)에서 열교환시킨 다음, 제1 반응부(510)로 유입하여 수성 가스 전환 반응 및 피셔-트롭쉬 합성 반응이 이루어진다. 이때, 상기 제1 열교환기(503)에서 열교환 후의 혼합가스 온도는 200 ℃ ~ 500 ℃, 바람직하게는 250 ℃ ~ 400 ℃로 유지하는 것이 적당하다.Carbon dioxide and hydrogen, which are raw material gases, are mixed with the recycled stream 543 in the first mixer 501 and then compressed in the first compressor 502 to an appropriate pressure for the conversion reaction. At this time, the pressure may be in the range of 3 bar to 100 bar, and preferably 15 bar to 50 bar. The compressed mixed gas is then heat-exchanged in the first heat exchanger 503 and then flows into the first reaction unit 510, where a water-gas conversion reaction and a Fischer-Tropsch synthesis reaction occur. At this time, the temperature of the mixed gas after heat exchange in the first heat exchanger 503 is appropriately maintained at 200°C to 500°C, preferably 250°C to 400°C.

제1 반응부(510)에서 유출되는 생성물은 다시 제2 열교환기(511)에서 열교환시켜 열교환 후의 혼합가스 온도가 220 ℃ ~ 280 ℃로 유지되도록 한 다음, 이후 제2 반응부(520)로 유입시키고 올리고머화 반응을 수행하여 탄소수가 높은 고차 탄화수소로 전환된다. 이와 같이 탄소수가 높은 고차 탄화수소로 전환된 생성물은 제3 열교환기(521)로 유입시켜 열교환한 다음, 후단의 분리부(530)로 공급한다.The product flowing out of the first reaction unit 510 is again heat-exchanged in the second heat exchanger 511 to maintain the mixed gas temperature after heat exchange at 220 ℃ to 280 ℃, and then flows into the second reaction unit 520. and performs an oligomerization reaction to convert it into a higher carbon number hydrocarbon. The product converted into a high-carbon hydrocarbon in this way is introduced into the third heat exchanger 521 for heat exchange and then supplied to the separation unit 530 at the rear.

분리부(530)로 유입된 제2 반응부의 유출물은 미전환 반응물(일산화탄소, 이산화탄소, 수소)를 포함한 C1 ~ C4의 저급 탄화수소 스트림(541), 탄소수 5개 이상의 C5+ 탄화수소 스트림(531)으로 분리된다. 이후 분리된 C5+ 탄화수소 스트림(531)은 배관을 통하여 데칸터(532)로 유입되며, 혼입된 물이 제거된 후 최종 생성물인 C5+ 탄화수소로 얻어진다. The effluent from the second reaction unit flowing into the separation unit 530 is a C 1 to C 4 low hydrocarbon stream 541 including unconverted reactants (carbon monoxide, carbon dioxide, hydrogen), and a C 5+ hydrocarbon stream with 5 or more carbon atoms ( 531). Thereafter, the separated C 5+ hydrocarbon stream 531 flows into the decanter 532 through a pipe, and after the mixed water is removed, the final product, C 5+ hydrocarbon, is obtained.

한편, 분리부(530)에서 분리된 미전환 반응물(일산화탄소, 이산화탄소, 수소)이 포함된 C1 ~ C4의 저급 탄화수소 스트림(541)은 스프리터(542)를 통해 제1 혼합기(501)로 되돌려지는 스트림(543)과 제2 혼합기(545)로 보내지는 스트림(544)으로 나누어진다. 상기 스프리터(542)로 분리된 제2 혼합기(545)로 보내지는 스트림(544)은 제2 혼합기(545)에서 추가된 수소와 혼합되어 제4 열교환기(546)를 거져 열교환된 다음, 제3 반응부(550)로 도입되어 합성천연가스를 생성하게 된다.Meanwhile, the low-grade hydrocarbon stream 541 of C 1 to C 4 containing unconverted reactants (carbon monoxide, carbon dioxide, hydrogen) separated in the separation unit 530 is returned to the first mixer 501 through the splitter 542. It is divided into a stream 543 and a stream 544 sent to the second mixer 545. The stream 544 sent to the second mixer 545 separated by the splitter 542 is mixed with the hydrogen added in the second mixer 545 and exchanged heat through the fourth heat exchanger 546, and then the third mixer 545 is mixed with hydrogen. It is introduced into the reaction unit 550 to generate synthetic natural gas.

제3 반응부(550)에서의 반응은 100 %로 전환되므로, 반응 가스는 완전히 전환되어 미전환된 반응물은 더 이상 존재하지 않는다. 이후 제3 반응부(550)에서의 유출물은 합성천연가스 분리기(560)에 유입되어 물을 제거한 다음, 합성천연가스로서 배출된다.Since the reaction in the third reaction unit 550 is converted to 100%, the reaction gas is completely converted and unconverted reactants no longer exist. Thereafter, the effluent from the third reaction unit 550 is introduced into the synthetic natural gas separator 560 to remove water, and then discharged as synthetic natural gas.

한편, 스프리터(542)에서 분기된 스트림(543)은 제1 혼합장치(501)로 되돌려져, 새롭게 투입되는 이산화탄소 및 수소와 함께 혼합된 후에 제1 압축기(502) 및 제1 열교환기(503)을 거쳐 제1 반응부에서 반응이 수행되어 탄화수소를 생성한다.Meanwhile, the stream 543 branched from the splitter 542 is returned to the first mixing device 501, mixed with newly introduced carbon dioxide and hydrogen, and then transferred to the first compressor 502 and the first heat exchanger 503. A reaction is performed in the first reaction unit to produce hydrocarbons.

또한 도 5에는 본 발명에 따른 이산화탄소의 탄화수소로의 전환 시스템(500)의 다른 실시예로, 제1 반응부(510)의 전단에 역수성 가스 전환 반응을 수행하는 역수성 가스 전환 반응부(560)를 더 설치하는 구성을 갖는다. 이 구성에 의하면, 이산화탄소의 탄화수소로의 전환 시스템(500)은 이산화탄소 및 수소를 유입하여 역수성 가스 전환 반응을 수행하는 역수성 가스 전환 반응부(560); 역수성 가스 전환 반응부로부터의 유출물을 공급받아 탄화수소를 생성하는 제1 반응부(510); 제1 반응부의 유출물을 공급받아 올리고머화 반응을 수행하는 제2 반응부(520); 제2 반응부로부터 유출물을 공급받아 탄소수 5개 이상의 C5+ 탄화수소를 탄소수 1 ~ 4개의 저급 탄화수소 및 미반응물의 혼합물로부터 분리하는 분리부(530); 분리부로부터 분리된 저급 탄화수소 및 미반응물의 혼합물을 공급 받아 이들 중 일부는 제1 반응부로 재공급시키고, 나머지는 재순환부 후단의 제3 반응부로 공급하는 재순환부(540); 및 상기 재순환부의 후단부에서 재순환부로부터 공급된 공급물에 수소를 부가하여 합성천연가스를 생성하는 제3 반응부(550);를 포함하게 된다.In addition, Figure 5 shows another embodiment of the carbon dioxide to hydrocarbon conversion system 500 according to the present invention, a reverse water gas conversion reaction unit 560 that performs a reverse water gas conversion reaction in front of the first reaction unit 510. ) has a configuration that further installs. According to this configuration, the carbon dioxide to hydrocarbon conversion system 500 includes a reverse water gas conversion reaction unit 560 that introduces carbon dioxide and hydrogen to perform a reverse water gas conversion reaction; A first reaction unit 510 that receives the effluent from the reverse water gas conversion reaction unit and generates hydrocarbons; a second reaction unit 520 that receives the effluent from the first reaction unit and performs an oligomerization reaction; A separation unit 530 that receives the effluent from the second reaction unit and separates C 5+ hydrocarbons having 5 or more carbon atoms from the mixture of lower hydrocarbons having 1 to 4 carbon atoms and unreacted substances; A recirculation unit 540 that receives the mixture of lower hydrocarbons and unreacted substances separated from the separation unit, re-supplies some of them to the first reaction unit, and supplies the remainder to the third reaction unit at the rear of the recirculation unit; And a third reaction unit 550 that generates synthetic natural gas by adding hydrogen to the feed supplied from the recirculation unit at the rear end of the recirculation unit.

역수성 가스 전환 반응부(560)는 이산화탄소 및 수소를 유입하여 역수성 가스 전환 반응을 수행하는 것으로, 유입된 유입가스의 역수성 가스 전환 반응을 수행하기 위해 촉매가 충진된 반응기가 하나 이상 구비될 수 있고, 역수성 가스 전환 반응용 촉매는 전술된 바와 같다. The reverse water gas conversion reaction unit 560 performs a reverse water gas conversion reaction by introducing carbon dioxide and hydrogen, and may be equipped with one or more reactors filled with a catalyst to perform a reverse water gas conversion reaction of the introduced gas. and the catalyst for the reverse water gas shift reaction is as described above.

또한, 상기 시스템은 제1 반응부(510) 및 제3 반응부(550)에서 발생되는 합성천연가스 생성 반응의 반응열을 상기 역수성 가스 전환 반응부(560)로 공급하는 열에너지 공급 장치(미도시)를 더 포함할 수 있으며, 상기 역수성 가스 전환 반응부(560) 후단에는 생성물 중에서 물을 제거한 뒤 제1 반응부(510)로 공급하거나, 상기 역수성 가스 전환 반응부의 생성물 중 이산화탄소를 분리하여 다시 역수성 가스 전환 반응부(560)로 되돌리고, 이산화탄소가 분리 제거된 생성물을 제1 반응부로 공급하는 이산화탄소 분리기(미도시)가 더 추가될 수 있다.In addition, the system includes a thermal energy supply device (not shown) that supplies the reaction heat of the synthetic natural gas production reaction generated in the first reaction unit 510 and the third reaction unit 550 to the reverse water gas conversion reaction unit 560. ) may further include, at the rear end of the reverse water gas conversion reaction unit 560, water is removed from the product and then supplied to the first reaction unit 510, or carbon dioxide is separated from the product of the reverse water gas conversion reaction unit. It is returned to the reverse water gas conversion reaction unit 560, and a carbon dioxide separator (not shown) that supplies the product from which carbon dioxide has been separated and removed to the first reaction unit may be further added.

역수성 가스 전환 반응부(560)에서 필요한 열에너지는 제1 반응부(510) 및/또는 제3 반응부(550)로부터 공급받을 수 있는데, 제1 반응부(510) 및/또는 제3 반응부에서 발생한 반응열은 각 반응부에 장착된 열교환기(미도시)를 통해 열을 회수하고, 회수된 열은 열매체를 이용하여 열에너지 공급관(미도시)을 통해 역수성 가스 전환 반응부의 외부에 형성되어 있는 유로로 공급됨에 따라, 회수된 반응열을 역수성 가스 전환 반응부로 공급할 수 있다. 이를 위해서 제1 반응부(510) 및/또는 제3 반응부에서 발생된 반응열을 회수한 열전달 매체를 역수성 가스 전환 반응부 전단에 장착된 열교환기 형태의 반응원료 가스 예열기에 흐르게 하거나, 역수성 가스 전환반응부 내부에 장착된 가열관 형태의 열교환기에 흐르게 할 수도 있다.The heat energy required in the reverse water gas conversion reaction unit 560 may be supplied from the first reaction unit 510 and/or the third reaction unit 550. The reaction heat generated in the reaction unit is recovered through a heat exchanger (not shown) installed in each reaction unit, and the recovered heat is formed outside the reverse water gas conversion reaction unit through a heat energy supply pipe (not shown) using a heat medium. As it is supplied to the flow path, the recovered reaction heat can be supplied to the reverse water gas conversion reaction unit. To this end, the heat transfer medium in which the reaction heat generated in the first reaction unit 510 and/or the third reaction unit is recovered is flowed to a reaction raw material gas preheater in the form of a heat exchanger mounted in front of the reverse water gas conversion reaction unit, or It can also be flowed to a heat exchanger in the form of a heating tube mounted inside the gas conversion reaction unit.

다른 방법으로는, 역수성 가스 전환 반응부(560)에 주입되는 반응원료 가스를 제1 반응부(510) 및/또는 제3 반응부(550)의 반응열을 회수하기 위한 열매체로 직접 이용할 수도 있다. Alternatively, the reaction raw material gas injected into the reverse water gas conversion reaction unit 560 may be directly used as a heat medium to recover the reaction heat of the first reaction unit 510 and/or the third reaction unit 550. .

역수성 가스 전환 반응부(560)에서 필요한 열에너지를 제1 반응부(510) 및/또는 제3 반응부로부터 효율적으로 공급받기 위해 상기의 두 가지 방법이 병용될 수도 있다.The above two methods may be used in combination to efficiently receive the heat energy required by the reverse water gas conversion reaction unit 560 from the first reaction unit 510 and/or the third reaction unit.

역수성 가스 전환 반응은 300 ℃ 이상의 비교적 높은 온도가 열역학적으로 유리한데, 합성천연가스 생성 반응은 300 ℃ 이상 반응 온도에서도 진행할 수 있으므로 합성천연가스의 생성 반응의 반응열을 역수성 가스 전환 반응에 이용하는 것이 유리하다. A relatively high temperature of 300 ℃ or higher is thermodynamically advantageous for the reverse water gas conversion reaction, but since the synthetic natural gas production reaction can proceed even at a reaction temperature of 300 ℃ or higher, it is better to use the reaction heat from the synthetic natural gas production reaction for the reverse water gas conversion reaction. It is advantageous.

이후 역수성 가스 전환 반응부(560)에서 배출되는 스트림은 열교환기 등을 거쳐 열교환된 후, 전술된 제1 반응부(510)로 도입되고, 도 3 및 4의 설명에서와 동일한 흐름 과정을 거쳐 다시 제2 반응부(520) 및 제3 반응부(550)로 도입되어 탄소수 5 이상의 탄화수소 및 합성천연가스로 전환된다. Thereafter, the stream discharged from the reverse water gas conversion reaction unit 560 is heat-exchanged through a heat exchanger, etc., and then introduced into the above-described first reaction unit 510, and goes through the same flow process as in the description of FIGS. 3 and 4. It is again introduced into the second reaction unit 520 and the third reaction unit 550 and converted into hydrocarbons with 5 or more carbon atoms and synthetic natural gas.

앞서 설명한 도 3의 공정과 도 5 공정에서의 차이점 중 하나는 도 5의 공정에서는 이미 이산화탄소가 일산화탄소로 미리 전환되어 일산화탄소 농도가 높은 상태로 제1 반응부로 도입되므로, 도 3의 공정에서 보다 C5+ 탄화수소가 더 많이 생성될 수 있다는 점이다.One of the differences between the process of FIG. 3 and the process of FIG. 5 described above is that in the process of FIG. 5, carbon dioxide has already been converted to carbon monoxide and is introduced into the first reaction unit with a high carbon monoxide concentration, so C 5 compared to the process of FIG. 3. + More hydrocarbons can be produced.

또한, 역수성 가스 전환 반응은 고온에서 수율이 높고, 피셔-트롭쉬 전환 반응은 저온에서 수율이 높으므로, 도 3의 제1 반응부의 운전 온도는 역수성 가스 전환 반응과 피셔-트롭쉬 합성 반응의 최적 온도 사이의 적당한 중간온도를 사용할 수밖에 없었으나, 도 5의 공정에서는 미리 역수성 가스 전환 반응이 진행된 상태로 제1 반응부에 도입되므로, 제1 반응부의 반응온도를 피셔-트롭쉬 반응에 적절하도록 저온의 반응온도로 유지할 여지가 있다는 점이다, 이러한 점으로 인해 제1 반응부 앞단에 역수성 가스 전환 반응부가 도입된 도 5의 공정에서는 상기 역수성 가스 전환 반응부가 없는 도 3의 공정에 비해 C5+ 탄화수소의 생성률이 더 높아질 수 있다.In addition, since the reverse water gas shift reaction has a high yield at high temperatures, and the Fischer-Tropsch conversion reaction has a high yield at low temperatures, the operating temperature of the first reaction unit in FIG. 3 is the same as the reverse water gas shift reaction and the Fischer-Tropsch synthesis reaction. There was no choice but to use an appropriate intermediate temperature between the optimal temperatures of There is room to maintain the reaction temperature at an appropriately low temperature. For this reason, in the process of FIG. 5 in which the reversible gas conversion reaction unit is introduced in front of the first reaction unit, the process of FIG. 3 without the reversible gas conversion reaction unit Compared to this, the production rate of C 5+ hydrocarbons may be higher.

이하, 본 발명에 따른 전술된 이산화탄소의 탄화수소로의 전환 시스템을 이용하여 이산화탄소를 탄화수소로 전화하는 방법에 대하여 구체적으로 상술한다.Hereinafter, a method for converting carbon dioxide into hydrocarbons using the above-described carbon dioxide to hydrocarbon conversion system according to the present invention will be described in detail.

본 발명에 따른 이산화탄소의 탄화수소로의 전환방법은 이산화탄소 및 수소가 함유된 유입가스를 유입시켜 역수성 가스 전환 반응 및 피셔-트롭쉬 합성 반응을 수행하는 제1 반응 단계; 상기 제1 반응 단계의 유출물을 공급받아 ZSM-5 촉매하에서 올리고머화 반응을 수행하는 제2 반응 단계; 상기 제2 반응 단계로부터 유출물을 공급받아 탄소수 5개 이상의 C5+ 탄화수소를 탄소수 1 ~ 4개의 저급 탄화수소 및 미반응물의 혼합물로부터 분리하는 분리 단계; 상기 분리 단계로부터 분리된 저급 탄화수소 및 미반응물의 혼합물을 공급받아 이들 중 일부를 상기 제1 반응 단계로 재공급하고, 나머지는 제3 반응 단계로 공급시키는 재순환 단계; 및 상기 재순환 단계로부터 공급된 공급물에 수소를 투입하여 합성천연가스를 생성하는 제3 반응 단계를 포함한다. 상기 제3 반응 단계 후, 제3 반응단계에서 생성된 합성천연가스를 공급받아 물 및 비점이 높은 탄화수소를 더 분리하는 합성천연가스 분리단계를 추가할 수 있다. The method for converting carbon dioxide into hydrocarbons according to the present invention includes a first reaction step of introducing an incoming gas containing carbon dioxide and hydrogen to perform a reverse water gas conversion reaction and a Fischer-Tropsch synthesis reaction; A second reaction step of receiving the effluent from the first reaction step and performing an oligomerization reaction under a ZSM-5 catalyst; A separation step of receiving the effluent from the second reaction step and separating C 5+ hydrocarbons having 5 or more carbon atoms from the mixture of lower hydrocarbons having 1 to 4 carbon atoms and unreacted substances; A recycling step of receiving the mixture of lower hydrocarbons and unreacted substances separated from the separation step, resupplying some of them to the first reaction step, and supplying the remainder to the third reaction step; And a third reaction step of generating synthetic natural gas by adding hydrogen to the feed supplied from the recirculation step. After the third reaction step, a synthetic natural gas separation step may be added in which the synthetic natural gas generated in the third reaction step is supplied and water and high boiling point hydrocarbons are further separated.

이때, 제1 반응 단계는 10 bar ~ 30 bar에서 200 ℃ ~ 400 ℃로 역수성 가스 전환 반응 및 피셔-트롭쉬 합성 반응을 수행할 수 있으며, 제2 반응 단계는 1 bar ~ 20 bar, 반응온도는 220 ℃ ~ 280 ℃로 올리고머화 반응을 수행할 수 있다.At this time, the first reaction step can perform the reverse water gas conversion reaction and Fischer-Tropsch synthesis reaction at 200 ℃ ~ 400 ℃ at 10 bar ~ 30 bar, and the second reaction step can be performed at 1 bar ~ 20 bar, reaction temperature The oligomerization reaction can be performed at 220°C to 280°C.

제2 반응 단계의 ZSM-5 촉매의 Si/Al 몰비는 5 이상, 바람직하게는 10 ~ 100일 수 있다. 생성물 중 C8 ~ C10의 수율을 높이기 위해서는 Si/Al의 범위를 10 ~ 35, 바람직하게는 15 ~ 25로 조절할 수 있다. The Si/Al molar ratio of the ZSM-5 catalyst in the second reaction step may be 5 or more, preferably 10 to 100. In order to increase the yield of C8 to C10 in the product, the Si/Al range can be adjusted to 10 to 35, preferably 15 to 25.

또한, 상기 재순환 단계에서 유입되는 스트림 중 다시 제1 반응 단계로 재순환되는 스트림은 부피비로 0 ~ 0.9 인 것이 탄소효율과 에너지 효율을 극대화시키고, 이산화탄소 방출량을 절감하는 측면에서 바람직하다.In addition, among the streams introduced in the recycling step, it is preferable that the stream recycled back to the first reaction step has a volume ratio of 0 to 0.9 in terms of maximizing carbon efficiency and energy efficiency and reducing carbon dioxide emissions.

이때, 상기 제3 반응 단계로 공급되는 스트림의 비율이 저급 탄화수소(C1 ~ C4) 화합물이 전체 탄화수소 화합물 중에서 차지하는 비율이 크며, 재순환 공정을 통해 제1 반응 단계로 재공급되는 부산물의 비율이 증가할수록 고차 탄화수소(C5+) 화합물의 함량이 증가된다.At this time, the proportion of the stream supplied to the third reaction step is high in that low-grade hydrocarbon (C 1 to C 4 ) compounds account for a large proportion of the total hydrocarbon compounds, and the proportion of by-products re-supplied to the first reaction step through the recycling process is As it increases, the content of higher hydrocarbon (C 5+ ) compounds increases.

상기 제3 반응 단계에서 생성되는 합성천연가스의 발열량은 포함된 저급 탄화수소(C1 ~ C4) 화합물의 함량에 관계하므로, 제1 분리 단계 및/또는 제2 분리 단계에서의 조업 조건, 예로서 공정 온도 및/또는 압력의 조절에 따라 저급 탄화수소(C1 ~ C4) 화합물 중 탄소수 둘 이상의 탄화수소 화합물(C2+)의 함량을 조절함으로서 최종적으로 생성되는 합성천연가스의 발열량을 조절할 수 있다.Since the calorific value of the synthetic natural gas produced in the third reaction step is related to the content of lower hydrocarbon (C 1 to C 4 ) compounds included, the operating conditions in the first separation step and/or the second separation step, for example, By adjusting the process temperature and/or pressure, the calorific value of the finally produced synthetic natural gas can be adjusted by adjusting the content of hydrocarbon compounds (C 2+ ) with two or more carbon atoms among the lower hydrocarbon (C 1 to C 4 ) compounds.

상기 제1 분리 단계 및/또는 제2 분리 단계에서의 압력이 10 barg ~ 50 barg, 온도는 -50 ℃ ~ 0 ℃, 바람직하게는 상기 압력은 20 barg ~ 30 barg, 온도는 -30 ℃ ~ -10 ℃ 일 경우, 제3 반응단계에서 생성되는 합성천연가스의 발열량이 통상적인 도시가스의 범위와 유사하게 될 수 있다.The pressure in the first separation step and/or the second separation step is 10 barg to 50 barg and the temperature is -50 ° C to 0 ° C, preferably the pressure is 20 barg to 30 barg and the temperature is -30 ° C to - When the temperature is 10°C, the calorific value of the synthetic natural gas produced in the third reaction step may be similar to that of typical city gas.

상기 합성천연가스 분리 단계에서의 압력 및/또는 온도를 조절함으로서도 생성되는 합성천연가스의 발열량을 조절할 수도 있는데, 이 때의 제2 분리단계의 압력은 10 barg ~ 50 barg, 온도는 -50 ℃ ~ 0 ℃일 수 있으며, 바람직하게는 상기 압력은 20 barg ~ 30 barg, 온도는 -30 ℃ ~ -10 ℃ 이다.The calorific value of the synthetic natural gas produced can also be adjusted by adjusting the pressure and/or temperature in the synthetic natural gas separation step. In this case, the pressure in the second separation step is 10 barg to 50 barg and the temperature is -50 ℃. It may be ~0 ℃, preferably the pressure is 20 barg ~ 30 barg, and the temperature is -30 ℃ ~ -10 ℃.

한편, 상기 제1 분리 단계 및/또는 제2 분리 단계 이전에 생성되는 물을 분리하기 위한 물 분리 단계를 추가로 포함할 수 있고, 그 조건은 10 barg ~ 50 barg에서 30 ℃ ~ 50 ℃일 수 있다Meanwhile, a water separation step may be further included to separate the water produced before the first separation step and/or the second separation step, and the conditions may be 30° C. to 50° C. at 10 barg to 50 barg. there is

본 발명에 따른 이산화탄소의 탄화수소로의 전환방법은 상기 제1 반응 단계 이전에 역수성 가스 전환 반응 단계가 추가적으로 수행될 수 있다. 이때 상기 역수성 가스 전환반응 단계에서의 공급되는 열의 일부 혹은 전부를 상기 제1 반응 단계 및/또는 제3 반응 단계에서 발생한 반응열로서 대체할 수 있다.In the method for converting carbon dioxide into hydrocarbons according to the present invention, a reverse water gas conversion reaction step may be additionally performed before the first reaction step. At this time, part or all of the heat supplied in the reverse water gas conversion reaction step can be replaced with reaction heat generated in the first reaction step and/or the third reaction step.

또한, 상기 역수성 가스 전환 단계에서의 생성물 중 이산화탄소를 분리하고, 분리된 이산화탄소를 다시 역수성 가스 전환단계로 되돌리는 이산화탄소 분리단계가 추가로 포함되고, 상기 이산화탄소 분리 단계에서 이산화탄소가 분리 제거된 후의 흐름이 제1 반응 단계로 도입될 수 있다.In addition, a carbon dioxide separation step of separating carbon dioxide from the product in the reverse water gas conversion step and returning the separated carbon dioxide to the reverse water gas conversion step is further included, and after the carbon dioxide is separated and removed in the carbon dioxide separation step, A flow may be introduced into the first reaction stage.

이와 같은 본 발명에 따른 이산화탄소의 탄화수소로의 전환방법은 이와 대응하는 이산화탄소의 탄화수소로의 전환 시스템에서 언급한 바와 같으므로 통상의 기술자는 상기 이산화탄소의 전환방법을 명확하게 이해할 수 있을 것인 바, 이하 설명의 중복을 피하기 위해 생략하기로 한다. Since the method of converting carbon dioxide into hydrocarbons according to the present invention is the same as mentioned in the corresponding conversion system of carbon dioxide into hydrocarbons, a person skilled in the art will be able to clearly understand the method of converting carbon dioxide into hydrocarbons, as follows. To avoid duplication of explanation, it will be omitted.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이므로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석해서는 안 된다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. These examples are merely for illustrating the present invention, and the scope of the present invention should not be construed as limited by these examples.

<실시예 1><Example 1>

1/2 인치 스테인리스 고정층 반응기에 4K/100Fe-6Cu-16Al의 조성비를 가지는 철계 촉매 1 g을 장입하고, 이산화탄소, 일산화탄소, 수소 등이 함유된 유입가스를 이산화탄소: 일산화탄소: 수소의 몰비가 1:1:5 가 되도록 1,800 mL/gcat.h의 유속으로 공급한 다음, 반응온도 320 ℃ 및 반응압력 20 bar 조건에서 역수성 가스 전환 반응 및 피셔-트롭쉬 합성 반응(제1 반응 단계)을 수행하였다.1 g of an iron-based catalyst with a composition ratio of 4K/100Fe-6Cu-16Al was charged into a 1/2-inch stainless steel fixed bed reactor, and the incoming gas containing carbon dioxide, carbon monoxide, and hydrogen was mixed at a molar ratio of carbon dioxide: carbon monoxide: hydrogen of 1:1. :5 was supplied at a flow rate of 1,800 mL/gcat.h, and then the reverse water gas shift reaction and Fischer-Tropsch synthesis reaction (first reaction step) were performed under the conditions of a reaction temperature of 320 °C and a reaction pressure of 20 bar.

이후 제올라이트 촉매(NH4-ZSM5, Si/Al=25 mole ratio, Zeolyst) 0.6 g이 충진된 1/2 인치 스테인리스 고정상 반응기에 상기 역수성 가스 전환 반응 및 피셔-트롭쉬 합성 반응에서 생성된 생성물을 3,000 mL/gcat.h의 유속으로 공급하고, 반응온도 250 ℃ 및 반응압력 20 bar 조건에서 올리고머화 반응(제2 반응 단계)을 수행하여 탄화수소를 제조하였다. 상기 제조된 탄화수소는 On-line GC(TCD, FID)를 사용하여 분석하였으며, 그 결과를 도 6 내지 도 8에 나타내었다. Afterwards, the product generated from the reverse water gas shift reaction and Fischer-Tropsch synthesis reaction was placed in a 1/2 inch stainless steel fixed bed reactor filled with 0.6 g of zeolite catalyst (NH 4 -ZSM5, Si/Al=25 mole ratio, Zeolyst). It was supplied at a flow rate of 3,000 mL/gcat.h, and an oligomerization reaction (second reaction step) was performed under the conditions of a reaction temperature of 250 °C and a reaction pressure of 20 bar to prepare hydrocarbons. The produced hydrocarbons were analyzed using on-line GC (TCD, FID), and the results are shown in Figures 6 to 8.

<실시예 2 내지 4><Examples 2 to 4>

실시예 1과 동일한 방법으로 탄화수소를 제조하되, 하기 표 1에 기재된 조건으로 반응을 수행하여 탄화수소를 제조하였다. 상기 제조된 탄화수소는 On-line GC(TCD, FID)를 사용하여 분석하였으며, 그 결과를 도 6 내지 도 8에 나타내었다.Hydrocarbons were prepared in the same manner as in Example 1, except that the reaction was performed under the conditions shown in Table 1 below. The produced hydrocarbons were analyzed using on-line GC (TCD, FID), and the results are shown in Figures 6 to 8.

<비교예 1><Comparative Example 1>

실시예 1과 동일한 방법으로 탄화수소를 제조하되, 제2 반응 단계를 수행하지 않고 탄화수소를 제조하였다. 상기 제조된 탄화수소는 On-line GC(TCD, FID)를 사용하여 분석하였으며, 그 결과를 도 6 내지 도 8에 나타내었다. Hydrocarbons were prepared in the same manner as in Example 1, but without performing the second reaction step. The produced hydrocarbons were analyzed using on-line GC (TCD, FID), and the results are shown in Figures 6 to 8.

<비교예 2><Comparative Example 2>

제2 반응 단계의 온도를 300℃로 한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 탄화수소를 제조 및 분석하여 그 결과를 도 6 내지 도 8에 나타내었다. Hydrocarbons were prepared and analyzed in the same manner as in Example 1, except that the temperature of the second reaction step was set to 300°C, and the results are shown in Figures 6 to 8.

구분division 제1 반응 단계first reaction step 제2 반응 단계second reaction step 온도(℃)Temperature (℃) 압력(bar)pressure (bar) 온도(℃)Temperature (℃) 압력(bar)pressure (bar) 촉매
(Si/Al 몰비)
catalyst
(Si/Al molar ratio)
실시예 1Example 1 320320 2020 250250 2020 NH4-ZSM5 (25)NH 4 -ZSM5 (25) 실시예 2Example 2 320320 2020 230230 2020 NH4-ZSM5 (25)NH 4 -ZSM5 (25) 실시예 3Example 3 320320 2020 250250 2020 NH4-ZSM5 (15)NH 4 -ZSM5 (15) 실시예 4Example 4 320320 2020 250250 2020 NH4-ZSM5 (40)NH 4 -ZSM5 (40) 비교예 1Comparative Example 1 320320 2020 -- -- -- 비교예 2Comparative Example 2 320320 2020 300300 2020 NH4-ZSM5 (25)NH 4 -ZSM5 (25)

도 6 내지 도 8에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 실시예 4의 경우, 제2 반응단계를 실시하지 않은 비교예 1 및, 제2 반응단계를 본 발명에 따른 온도범위보다 높은 300 ℃에서 실시한 비교예 2에 비해 탄소수 5 이상의 탄화수소의 선택도가 높은 것을 알 수 있다. As shown in Figures 6 to 8, in the case of Examples 1 to 4, Comparative Example 1 in which the second reaction step was not performed, and the second reaction step in which the second reaction step was performed at 300° C., which is higher than the temperature range according to the present invention. It can be seen that the selectivity for hydrocarbons with 5 or more carbon atoms is high compared to Comparative Example 2.

특히, 동일온도에서 반응을 실시한 실시예1, 3 및 4 중에서도, 실시예 1 및 3과 같이 Si/Al 비가 10 ~ 35의 범위에 속하는 경우, 탄소수 8 내지 10의 탄화수소에 대한 선택도가 높아져, 부가가치가 더 높은 유분이 생성됨을 확인할 수 있다(도 8 참조).In particular, among Examples 1, 3, and 4 in which the reaction was performed at the same temperature, when the Si/Al ratio was in the range of 10 to 35 as in Examples 1 and 3, the selectivity for hydrocarbons with 8 to 10 carbon atoms increased, It can be confirmed that oil with higher added value is produced (see Figure 8).

<실시예 5 및 비교예 3 내지 5><Example 5 and Comparative Examples 3 to 5>

본 발명에 의한 공정의 효과를 확인하기 위하여 Aspen Plus(Aspen Tech.) 프로그램을 이용하여 공정 모사를 실시하여 그 결과를 도 9 및 도 10에 나타내었다. 공정 모사에서 도 3에 해당하는 공정을 구성하였으며, 각 단위 반응 단계의 조건은 하기 표 2에 기재된 조건을 실시하였다. 비교예 3 및 4의 경우에는 제2 반응 단계 없이 역수성 가스 전환 반응 및 피셔-트롭쉬 합성 반응 후 메탄화하여 합성천연가스를 생산하는 것으로 공정 모사를 실시하였다. 이때, 에너지 효율(Energy Efficiency)은 생성물의 LHV(Lower Heat Value)의 합을 수소의 LHV(Lower Heat Value)와 공정 운전에 필요한 전체 에너지의 합으로 나눈 값이며, CO2 순발생량은 공정에 의해 발생된 CO2에서 공정에 의해 소모된 CO2의 양을 제하여 계산하였다. 이 때 공정에 의해 발생된 CO2에는 공정에 사용되는 에너지를 생산하기 위한 도시가스 연소시 CO2의 발생량을 포함하였다.In order to confirm the effectiveness of the process according to the present invention, process simulation was performed using the Aspen Plus (Aspen Tech.) program, and the results are shown in Figures 9 and 10. In the process simulation, the process corresponding to FIG. 3 was configured, and the conditions for each unit reaction step were those listed in Table 2 below. In Comparative Examples 3 and 4, a process simulation was performed in which synthetic natural gas was produced by methanation after the reverse water gas conversion reaction and Fischer-Tropsch synthesis reaction without the second reaction step. At this time, Energy Efficiency is the sum of the LHV (Lower Heat Value) of the product divided by the LHV (Lower Heat Value) of hydrogen and the total energy required for process operation, and the net amount of CO2 generated is determined by the process. It was calculated by subtracting the amount of CO 2 consumed by the process from the CO 2 generated. At this time, CO 2 generated by the process included the amount of CO 2 generated when burning city gas to produce energy used in the process.

구분division 유입가스(원료)Inflow gas (raw material) 제1 반응 단계
(RWGS 및 FTS 반응)
first reaction step
(RWGS and FTS reactions)
제2 반응 단계
(올리고머화 반응)
second reaction step
(Oligomerization reaction)
제3 반응 단계
(메탄화 반응)
Third reaction step
(Methanation reaction)
온도
(℃)
temperature
(℃)
압력
(bar)
enter
(bar)
온도
(℃)
temperature
(℃)
압력
(bar)
enter
(bar)
온도
(℃)
temperature
(℃)
압력
(bar)
enter
(bar)
실시예 5Example 5 CO2 / H2 CO2 / H2 300300 3030 250250 2020 450450 1010 비교예 3Comparative Example 3 CO / H2 CO/ H2 300300 1010 -- -- 450450 1010 비교예 4Comparative Example 4 CO2 / H2 CO2 / H2 300300 3030 -- -- 450450 1010 비교예 5Comparative Example 5 CO / H2 CO/ H2 300300 1010 250250 2020 450450 1010

도 9에 나타난 바와 같이, 합성원유(Syncrude) 생산측면이나, 제1 반응 단계의 반응기 유량측면에서 실시예 5와 비교예 3 내지 5를 대비해보면, 이산화탄소를 원료로 하여 제2 반응 단계를 실시하는 본 발명에 따른 실시예 5가 합성 연료(Syncrude)의 생성에 유리함을 알 수 있었고, 제1 반응 단계에서의 반응기 유량에서도 감소하여 반응기 크기등을 줄일 수 있음을 확인할 수 있었다. As shown in Figure 9, when comparing Example 5 and Comparative Examples 3 to 5 in terms of synthetic crude oil production or reactor flow rate of the first reaction step, the second reaction step is performed using carbon dioxide as a raw material. It was found that Example 5 according to the present invention was advantageous for the production of synthetic fuel (Syncrude), and it was confirmed that the reactor flow rate in the first reaction step was also reduced, making it possible to reduce the size of the reactor.

또한, 도 10에 나타난 바와 같이, 에너지 효율과 이산화탄소 배출량 측면에서도 본 발명에 따른 실시예 5가, 이산화탄소를 원료로 하여 제2 반응단계를 실시함에 따라 제1 반응단계 및 제3 반응단계로 공급되거나, 재순환되는 가스 스트림의 양이 적어서, 제2 반응단계를 실시하지 않거나, 유입가스로서 이산화탄소가 아닌 일산화탄소를 원료로 하는 비교예 3 내지 5에 비하여, 에너지 효율이 높고, 이산화탄소 순배출량이 낮음을 알 수 있었다. In addition, as shown in Figure 10, in terms of energy efficiency and carbon dioxide emissions, Example 5 according to the present invention is supplied to the first reaction step and the third reaction step as the second reaction step is performed using carbon dioxide as a raw material. , the amount of the recycled gas stream is small, so that the energy efficiency is high and the net carbon dioxide emissions are low compared to Comparative Examples 3 to 5 in which the second reaction step is not performed or carbon monoxide rather than carbon dioxide is used as the input gas. I was able to.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.Although the preferred embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited thereto, and can be implemented with various modifications within the scope of the claims, the detailed description of the invention, and the accompanying drawings, and this is also the present invention. It is natural that it falls within the scope of .

500 : 이산화탄소의 탄화수소로의 전환 시스템
510 : 제1 반응부
520 : 제2 반응부
530 : 분리부
540 : 재순환부
550 : 제3 반응부
560 : 역수성 가스 전환 반응부
500: System for converting carbon dioxide into hydrocarbons
510: first reaction unit
520: second reaction unit
530: separation part
540: Recirculation unit
550: third reaction unit
560: Reverse water gas conversion reaction unit

Claims (12)

이산화탄소 및 수소가 함유된 유입가스를 유입시켜 역수성 가스 전환 반응 및 피셔-트롭쉬 합성 반응을 수행하는 제1 반응부;
상기 제1 반응부의 유출물을 공급받아 올리고머화 반응을 수행하는 제2 반응부;
상기 제2 반응부로부터 유출물을 공급받아 탄소수 5개 이상의 C5+ 탄화수소를 탄소수 1 ~ 4개의 저급 탄화수소 및 미반응물의 혼합물로부터 분리하는 분리부;
상기 분리부로부터 분리된 저급 탄화수소 및 미반응물의 혼합물을 공급받아 이들 중 일부를 상기 제1 반응부로 재공급하고, 나머지는 제3 반응부로 공급시키는 재순환부; 및
상기 재순환부로부터 공급된 공급물에 수소를 투입하여 합성천연가스를 생성하는 제3 반응부를 포함하되,
상기 제2 반응부는 ZSM-5 제올라이트 존재하에 220 ℃ ~ 280 ℃로 올리고머화 반응을 수행하며, 상기 제1 반응부의 유출물은 저급 탄화수소와 탄소수 5개 이상의 C5+ 탄화수소의 분리 없이 그대로 제2 반응부로 공급되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소의 탄화수소로의 전환 시스템.
a first reaction unit that introduces incoming gas containing carbon dioxide and hydrogen to perform a reverse water gas conversion reaction and a Fischer-Tropsch synthesis reaction;
a second reaction unit that receives the effluent from the first reaction unit and performs an oligomerization reaction;
A separation unit that receives the effluent from the second reaction unit and separates C 5+ hydrocarbons having 5 or more carbon atoms from the mixture of lower hydrocarbons having 1 to 4 carbon atoms and unreacted substances;
a recirculation unit that receives the mixture of lower hydrocarbons and unreacted substances separated from the separation unit and re-supplies some of them to the first reaction unit, and supplies the remainder to the third reaction unit; and
It includes a third reaction unit that generates synthetic natural gas by injecting hydrogen into the feed supplied from the recirculation unit,
The second reaction unit performs an oligomerization reaction at 220°C to 280°C in the presence of ZSM-5 zeolite, and the effluent from the first reaction unit is supplied to the second reaction unit as is without separation of lower hydrocarbons and C5+ hydrocarbons having 5 or more carbon atoms. A system for converting carbon dioxide into hydrocarbons, characterized in that:
제1항에 있어서
상기 제1 반응부는 3 bar ~ 100 bar에서 200 ℃ ~ 500 ℃로 역수성 가스 전환 반응 및 피셔-트롭쉬 합성 반응을 수행하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소의 탄화수소로의 전환 시스템.
In paragraph 1
A system for converting carbon dioxide into hydrocarbons, wherein the first reaction unit performs a reverse water gas conversion reaction and a Fischer-Tropsch synthesis reaction at 200 ° C to 500 ° C at 3 bar to 100 bar.
제1항에 있어서,
상기 유입가스는 이산화탄소에 대한 수소의 몰비가 1 ~ 5인 것을 특징으로 하는 이산화탄소의 탄화수소로의 전환 시스템.
According to paragraph 1,
A system for converting carbon dioxide into hydrocarbons, wherein the inlet gas has a molar ratio of hydrogen to carbon dioxide of 1 to 5.
제1항에 있어서,
제2 반응부의 ZSM-5 촉매의 Si/Al 몰비가 10 ~ 35 인 것을 특징으로 하는 이산화탄소의 탄화수소로의 전환 시스템.
According to paragraph 1,
A system for converting carbon dioxide into hydrocarbons, characterized in that the Si/Al molar ratio of the ZSM-5 catalyst in the second reaction section is 10 to 35.
제1항에 있어서,
상기 제1 반응부 전단에 이산화탄소 및 수소를 유입하여 역수성 가스 전환 반응을 수행하는 역수성 가스 전환 반응부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소의 탄화수소로의 전환 시스템.
According to paragraph 1,
A system for converting carbon dioxide into hydrocarbons, further comprising a reverse water gas conversion reaction unit that introduces carbon dioxide and hydrogen into the front end of the first reaction unit to perform a reverse water gas conversion reaction.
제5항에 있어서,
상기 제1 반응부 및/또는 제3 반응부에서 발생한 열에너지를 상기 역수성 가스 전환반응부로 공급하는 열에너지 공급 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소의 탄화수소로의 전환 시스템.
According to clause 5,
A system for converting carbon dioxide into hydrocarbons, further comprising a thermal energy supply device that supplies thermal energy generated in the first reaction unit and/or the third reaction unit to the reverse water gas conversion reaction unit.
(a) 이산화탄소 및 수소가 함유된 유입가스를 유입시켜 역수성 가스 전환 반응 및 피셔-트롭쉬 합성 반응을 수행하는 제1 반응 단계;
(b) 상기 제1 반응 단계의 유출물을 공급받아 올리고머화 반응을 수행하는 제2 반응 단계;
(c) 상기 제2 반응 단계로부터 유출물을 공급받아 탄소수 5개 이상의 C5+ 탄화수소를 탄소수 1 ~ 4개의 저급 탄화수소 및 미반응물의 혼합물로부터 분리하는 분리 단계;
(d) 상기 분리 단계로부터 분리된 저급 탄화수소 및 미반응물의 혼합물을 공급받아 이들 중 일부를 상기 제1 반응 단계로 재공급하고, 나머지는 제3 반응 단계로 공급시키는 재순환 단계; 및
(e) 상기 재순환 단계로부터 공급된 공급물에 수소를 투입하여 합성천연가스를 생성하는 제3 반응 단계를 포함하되,
상기 제2 반응 단계는 ZSM-5 제올라이트 존재하에 220 ℃ ~ 280 ℃로 올리고머화 반응을 수행하며, 상기 제1 반응단계의 유출물은 저급 탄화수소와 탄소수 5개 이상의 C5+ 탄화수소의 분리 없이 그대로 제2 반응단계로 공급되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소의 탄화수소로의 전환 공정.
(a) a first reaction step of introducing an incoming gas containing carbon dioxide and hydrogen to perform a reverse water gas shift reaction and a Fischer-Tropsch synthesis reaction;
(b) a second reaction step of receiving the effluent of the first reaction step and performing an oligomerization reaction;
(c) a separation step of receiving the effluent from the second reaction step and separating C 5+ hydrocarbons having 5 or more carbon atoms from the mixture of lower hydrocarbons having 1 to 4 carbon atoms and unreacted substances;
(d) a recycling step of receiving the mixture of lower hydrocarbons and unreacted substances separated from the separation step, resupplying some of them to the first reaction step, and supplying the remainder to the third reaction step; and
(e) a third reaction step of generating synthetic natural gas by adding hydrogen to the feed supplied from the recirculation step,
In the second reaction step, an oligomerization reaction is performed at 220°C to 280°C in the presence of ZSM-5 zeolite, and the effluent of the first reaction step is directly subjected to the second reaction without separation of lower hydrocarbons and C5+ hydrocarbons having 5 or more carbon atoms. A process for converting carbon dioxide into hydrocarbons, characterized in that it is supplied in stages.
제7항에 있어서,
상기 제1 반응 단계는 3 bar ~ 100 bar에서 200 ℃ ~ 500 ℃로 역수성 가스 전환 반응 및 피셔-트롭쉬 합성 반응을 수행하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소의 탄화수소로의 전환 공정.
In clause 7,
The first reaction step is a process for converting carbon dioxide into hydrocarbons, characterized in that performing a reverse water gas conversion reaction and a Fischer-Tropsch synthesis reaction at 200 ° C to 500 ° C at 3 bar to 100 bar.
제7항에 있어서,
상기 유입가스는 이산화탄소에 대한 수소의 몰비가 1 ~ 5인 것을 특징으로 하는 이산화탄소의 탄화수소로의 전환 공정.
In clause 7,
A process for converting carbon dioxide into hydrocarbons, wherein the inlet gas has a molar ratio of hydrogen to carbon dioxide of 1 to 5.
제7항에 있어서,
상기 제2반응단계에서의 ZSM-5 촉매의 Si/Al 몰비가 10 ~ 35 인 것을 특징으로 하는 이산화탄소의 탄화수소로의 전환 공정.
In clause 7,
A process for converting carbon dioxide into hydrocarbons, characterized in that the Si/Al molar ratio of the ZSM-5 catalyst in the second reaction step is 10 to 35.
제7항에 있어서,
상기 제1 반응 단계 전에 이산화탄소 및 수소를 유입하여 이산화탄소를 일산화탄소로 전환하는 역수성 가스 전환 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소의 탄화수소로의 전환 공정.
In clause 7,
A process for converting carbon dioxide into hydrocarbons, further comprising a reverse water gas conversion step of converting carbon dioxide into carbon monoxide by introducing carbon dioxide and hydrogen before the first reaction step.
제11항에 있어서,
상기 제1 반응 단계 및/또는 제3 반응 단계에서 발생한 반응열을 상기 역수성 가스 전환 단계의 반응에 이용하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소의 탄화수소로의 전환 공정.
According to clause 11,
A process for converting carbon dioxide into hydrocarbons, characterized in that the heat of reaction generated in the first reaction step and/or the third reaction step is used in the reaction of the reverse water gas conversion step.
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