KR20090067429A - 이산화탄소를 이용한 합성가스 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 석탄 및 천연가스와 같은 화석연료를 연소하는 과정이나 수증기 개질공정에서 발생하는 배 가스 중 이산화탄소를 이용하여 일반적인 합성가스 제조공정인 천연가스를 원료로 공급하는 수증기 개질공정에서 합성가스를 제조하는 방법에 관한 것으로 그 구성은 칼륨 : 0.1~0.5wt%를 함유한 니켈 촉매제가 충입된 개질기에 메탄가스가 함유된 천연가스와 이산화탄소 30~35부피비를 함유한 배 가스를 공급하여 하기 반응식과 같은
CH4 + CO2 = 2CO + 2H2
일산화탄소와 수소를 함유한 합성가스를 제조하는 것으로 이루어진다.
합성가스 제조, 이산화탄소, 수소, 천연가스, 개질공정
Description
본 발명은 석탄 및 천연가스와 같은 화석연료를 연소하는 과정이나 수증기 개질공정에서 발생하는 배 가스 중 이산화탄소를 이용하여 일반적인 합성가스 제조공정인 천연가스를 원료로 공급하는 수증기 개질공정에서 합성가스를 제조하는 방법에 관한 것이다.
종래 일반적인 합성가스 제조공정은 도 1에 나타낸 바와 같이 천연가스(10)를 탈황기(20)에 공급하여 천연가스 중의 황 성분을 제거하고 그 탈황이 이루어진 천연가스는 가습기(30)를 거쳐 증기/탄소비율이 조절된 후 개질기(40)에 공급되어 그 개질기(40)에 충입된 니켈촉매에 의해 수증기와 천연가스 중 메탄과의 화학반응이 일어나 수소 및 이산화탄소를 제조하고 흡착분리탑(50)에 의해 수소를 분리하고 있다.
단 상기 도 1의 종래 공정에서 천연가스가 탈황기(20)와 가습기(30)를 거치는 것은 필수사항이 아니고 선택사항으로서, 상기 탈황기(20)와 가습기(30)는 없어도 된다.
한편 상기 흡착분리탑(50)에서의 흡착분리과정에서 발생하는 이산화탄소를 함유한 배 가스는 수증기 개질공정에 리턴되어 배 가스가 보유한 현열을 회수하고 난 후 이산화탄소를 함유한 배 가스는 대기중으로 방출됨에 따라 온실가스 배출에 따른 대기 오염은 물론 지구온난화를 가중시키는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 이를 해소하고자 발명한 것으로서, 종래 이산화탄소의 대기 방출로 인해 발생하는 대기 오염은 물론 지구온난화의 가중을 방지할 수 있도록 석탄 및 천연가스와 같은 화석연료를 연소하는 과정이나 수증기 개질공정에서 발생하는 배 가스 중 이산화탄소를 이용하여 일산화탄소와 수소를 함유한 합성가스를 제조하는 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 해결수단은 칼륨 : 0.1~0.5wt%를 함유한 니켈 촉매제가 충입된 개질기에 메탄가스가 함유된 천연가스와 이산화탄소 30~35부피비를 함유한 배 가스를 공급하여 하기 반응식과 같은
CH4 + CO2 = 2CO + 2H2
일산화탄소와 수소를 함유한 합성가스를 제조하는 것으로 이루어진다.
그리고 상기 개질기에 공급되는 천연가스 중 메탄과 배 가스의 비율을 1~1.5로 유지하게 하고, 상기 개질기에 공급되는 배 가스는 개질기에서 발생하는 폐 가 스이며, 상기 니켈 촉매제가 충입된 개질기의 온도는 500~700℃로 유지하는 것으로 이루어진다.
이상과 같은 본 발명은 석탄 및 천연가스와 같은 화석연료를 연소하는 과정이나 수증기 개질공정에서 발생하는 배 가스 중 이산화탄소를 이용하여 일반적인 합성가스 제조공정인 천연가스를 원료로 공급하는 수증기 개질공정에서 일산화탄소와 수소를 함유한 합성가스를 제조함으로써 최근 문제시되고 있는 온실가스 배출을 억제하여 대기 오염을 방지하고 그에 따른 지구온난화를 방지할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 도 2에 나타낸 바와 같이 칼륨 : 0.1~0.5wt%를 함유한 니켈 촉매제가 충입된 개질기에 메탄가스가 함유된 천연가스와 이산화탄소 30~35부피비를 함유한 배 가스를 공급하여 하기 반응식과 같은
CH4 + CO2 = 2CO + 2H2
일산화탄소와 수소를 함유한 합성가스를 제조하는 것으로 이루어진다.
이때 상기 개질기에 공급되는 천연가스 중 메탄과 배 가스의 비율을 1~1.5로 유지하고, 상기 개질기에 공급되는 배 가스는 개질기에서 발생하는 폐 가스이며, 상기 니켈 촉매제가 충입된 개질기의 온도는 500~700℃로 유지하는 것으로 이루어진다.
상기에서 개질기(40)의 내부에 충입되는 촉매를 0.1~0.5wt%의 칼륨을 함유한 니켈을 촉매로 하는 이유는 한정하는 이유는 이산화탄소와 천연가스 중 함유한 메탄과의 화학반응에 관여하는 칼륨을 함유한 니켈촉매의 활성화반응을 결정하는 주요인자 이다.
즉, 칼륨을 함유하지 않은 니켈촉매를 사용하게 되면 이산화탄소와 메탄과의 반응속도가 느려지게 되므로 일정량의 칼륨을 첨가함으로써 활성화에너지가 낮아지게 된다.
그리고 상기 배 가스 중 이산화탄소의 함량이 30~35부피비를 초과하게 되면 메탄과 이산화탄소의 반응속도를 촉진하기 위하여 연료공급량을 증가시켜야 하지만, 칼륨을 함유한 니켈촉매에서의 활성화반응이 낮아서 합성가스인 일산화탄소와 수소로의 전환율이 낮아지게 된다.
한편 이산화탄소의 함량이 상기에서 언급한 수치보다 낮아지게 되면 니켈촉매표면에 고체상의 탄소가 침적하게 되어 촉매의 활성을 저해하게 된다.
또 니켈 촉매의 칼륨함유량을 상기와 같이 한정하는 이유는 촉매표면의 고체상 탄소 침적과 밀접한 관계가 있는 것으로, 상기에서 언급한 함량을 초과하는 경우에 메탄과 이산화탄소의 반응촉진보다는 메탄과의 반응촉진으로 인하여 메탄으로부터의 탄소침적이 활발하게 되고, 상기에서 언급한 함량보다 낮을 경우에는 이산화탄소로부터의 탄소침적이 활발하여 촉매의 활성을 저해하게 된다.
상기 개질기(40)의 개질공정에 공급되는 천연가스 중 메탄과 배 가스의 비율을 1~1.5로 유지하고 개질공정 운전온도를 500~700℃로 한정하는 이유는 촉매표면 에서의 탄소침적 최소화 및 활성을 높이기 위함이다.
즉, 천연가스 중 메탄과 이산화탄소를 함유한 배 가스의 비율이 상기에서 언급한 수치보다 높을 경우에는 이산화탄소로 인한 고체상의 탄소가 촉매 표면뿐만 아니라 연료가 공급되는 공급밸브 등에서 생성하게 되어 공정안정화에 불이익을 초래하게 되고, 상기에서 언급한 수치보다 낮은 경우에는 메탄으로 인한 탄소침적이 발생하게 된다.
또한 개질공정의 운전온도를 상기에서 제시한 수치보다 높을 경우에는 운영비용의 증가뿐만 아니라 생성된 수소와 일산화탄소와의 2차적인 화학반응이 일어나 부 반응의 산물을 생성시키게 되고, 상기에서 언급한 운전온도보다 낮을 경우에는 메탄과 이산화탄소의 반응이 일어나지 못하여 합성가스를 제조할 수가 없게 된다.
한편 본 발명의 개질기(40) 온도관리는 개질기에 버너 등을 설치하여 관리하고, 상기 이산화탄소를 함유한 배 가스는 개질기에서 발생하는 폐 가스 또는 타 연도에서 발생하는 폐 가스 중 어느 것을 사용해도 무방하다.
이하 본 발명을 실시 예 및 비교 예를 통하여 설명하면 다음과 같다.
[실시예 1]
칼륨 0.5wt%를 함유한 니켈 촉매제를 개질기(40)에 충입하고 그 개질기의 온도를 700℃로 유지한 상태에서 메탄가스가 함유된 천연가스와 이산화탄소 35부피비를 함유한 배 가스의 비율을 1.5로 유지되게 공급한 결과 상기 개질기에서는 하기 반응식에 의해 생성된 합성가스로의 전환율은 98%이었다.
CH4 + CO2 = 2CO + 2H2
[실시예 2]
칼륨 0.5wt%를 함유한 니켈 촉매제를 개질기(40)에 충입하고 그 개질기의 온도를 700℃로 유지한 상태에서 메탄가스가 함유된 천연가스와 이산화탄소 30부피비를 함유한 배 가스의 비율을 1.5로 유지되게 공급한 결과 상기 개질기에서는 하기 반응식에 의해 생성된 합성가스로의 전환율은 97%이었다.
CH4 + CO2 = 2CO + 2H2
[실시예 3]
칼륨 0.1wt%를 함유한 니켈 촉매제를 개질기(40)에 충입하고 그 개질기의 온도를 700℃로 유지한 상태에서 메탄가스가 함유된 천연가스와 이산화탄소 30부피비를 함유한 배 가스의 비율을 1.5로 유지되게 공급한 결과 상기 개질기에서는 하기 반응식에 의해 생성된 합성가스로의 전환율은 95%이었다.
CH4 + CO2 = 2CO + 2H2
[비교예 1]
니켈 촉매제를 개질기(40)에 충입하고 그 개질기의 온도를 500℃로 유지한 상태에서 메탄가스가 함유된 천연가스와 이산화탄소 20부피비를 함유한 배 가스의 비율을 1.5로 유지되게 공급한 결과 상기 개질기에서 합성가스로의 전환율은 80%이었다.
[비교예 2]
니켈 촉매제를 개질기(40)에 충입하고 그 개질기의 온도를 500℃로 유지한 상태에서 메탄가스가 함유된 천연가스와 이산화탄소 20부피비를 함유한 배 가스의 비율을 1.5로 유지되게 공급한 결과 상기 개질기에서 합성가스로의 전환율은 82%이었다.
[비교예 3]
니켈 촉매제를 개질기(40)에 충입하고 그 개질기의 온도를 700℃로 유지한 상태에서 메탄가스가 함유된 천연가스와 이산화탄소 10부피비를 함유한 배 가스의 비율을 1.5로 유지되게 공급한 결과 상기 개질기에서 합성가스로의 전환율은 76%이었다.
상술한 바와 같은 본 발명은 칼륨 : 0.1~0.5wt%를 함유한 니켈 촉매제가 충입된 개질기에 메탄가스가 함유된 천연가스와 이산화탄소 30~35부피비를 함유한 배 가스를 공급한 결과 하기 반응식과 같은
CH4 + CO2 = 2CO + 2H2
일산화탄소와 수소를 함유한 합성가스를 제조효율이 향상되는 장점이 있다.
도 1은 종래 일반적인 합성가스 제조공정을 나타낸 공정도,
도 2는 본 발명의 이산화탄소를 이용한 합성가스 제조공정을 나타낸 공정도.
※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※
10 : 천연가스 20 : 탈황기
30 : 가습기 40 : 개질기
Claims (4)
- 칼륨 : 0.1~0.5wt%를 함유한 니켈 촉매제가 충입된 개질기에 메탄가스가 함유된 천연가스와 이산화탄소 30~35부피비를 함유한 배 가스를 공급하여 하기 반응식과 같은CH4 + CO2 = 2CO + 2H2일산화탄소와 수소를 함유한 합성가스를 제조하여 됨을 특징으로 하는 이산화탄소를 이용한 합성가스 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 개질기에 공급되는 천연가스 중 메탄과 배 가스의 비율을 1~1.5로 유지하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소를 이용한 합성가스 제조방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 개질기에 공급되는 배 가스는 개질기에서 발생하는 폐 가스임을 특징으로 하는 이산화탄소를 이용한 합성가스 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 니켈 촉매제가 충입된 개질기의 온도는 500~700℃로 유지 관리함을 특징으로 하는 이산화탄소를 이용한 합성가스 제조방법.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101528037B1 (ko) * | 2013-09-30 | 2015-06-10 | 주식회사 포스코 | 메탄의 건식 개질 설비 |
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2007
- 2007-12-21 KR KR1020070135101A patent/KR20090067429A/ko active Search and Examination
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