KR20210043252A - Method for preparing methanol from carbon dioxide-containing gas resources comprising dry-reforming of methane by plasma - Google Patents
Method for preparing methanol from carbon dioxide-containing gas resources comprising dry-reforming of methane by plasma Download PDFInfo
- Publication number
- KR20210043252A KR20210043252A KR1020190126200A KR20190126200A KR20210043252A KR 20210043252 A KR20210043252 A KR 20210043252A KR 1020190126200 A KR1020190126200 A KR 1020190126200A KR 20190126200 A KR20190126200 A KR 20190126200A KR 20210043252 A KR20210043252 A KR 20210043252A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- gas
- carbon dioxide
- methanol
- synthesis gas
- hydrogen
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C07—ORGANIC CHEMISTRY
- C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
- C07C29/00—Preparation of compounds having hydroxy or O-metal groups bound to a carbon atom not belonging to a six-membered aromatic ring
- C07C29/15—Preparation of compounds having hydroxy or O-metal groups bound to a carbon atom not belonging to a six-membered aromatic ring by reduction of oxides of carbon exclusively
- C07C29/151—Preparation of compounds having hydroxy or O-metal groups bound to a carbon atom not belonging to a six-membered aromatic ring by reduction of oxides of carbon exclusively with hydrogen or hydrogen-containing gases
- C07C29/1516—Multisteps
- C07C29/1518—Multisteps one step being the formation of initial mixture of carbon oxides and hydrogen for synthesis
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
- C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
- C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
- C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
- C01B3/342—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents with the aid of electrical means, electromagnetic or mechanical vibrations, or particle radiations
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C07—ORGANIC CHEMISTRY
- C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
- C07C31/00—Saturated compounds having hydroxy or O-metal groups bound to acyclic carbon atoms
- C07C31/02—Monohydroxylic acyclic alcohols
- C07C31/04—Methanol
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
- C25B1/01—Products
- C25B1/02—Hydrogen or oxygen
- C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
- C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
- C01B2203/0205—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step
- C01B2203/0211—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a non-catalytic reforming step
- C01B2203/0222—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a non-catalytic reforming step containing a non-catalytic carbon dioxide reforming step
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
- C01B2203/06—Integration with other chemical processes
- C01B2203/061—Methanol production
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
- C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
- C01B2203/1258—Pre-treatment of the feed
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
- C01B2203/80—Aspect of integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas not covered by groups C01B2203/02 - C01B2203/1695
- C01B2203/84—Energy production
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
- Y02P20/10—Process efficiency
- Y02P20/133—Renewable energy sources, e.g. sunlight
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
- Y02P20/50—Improvements relating to the production of bulk chemicals
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)
Abstract
Description
본 발명은 이산화탄소 함유 메탄가스로부터 메탄올을 제조하는 방법에 관한 것으로, 구체적으로, 이산화탄소 함유 메탄가스에 포함된 황화수소를 일부 제거하는 제1단계; 이전 단계로부터 수득한 이산화탄소 함유 메탄가스로부터 플라즈마에 의한 건식 개질 반응에 의해 합성가스를 제조하는 제2단계; 이전 단계로부터 수득한 합성가스에 수소를 공급하여 합성가스의 조성을 조절하는 제3단계; 및 상기 조성이 조절된 합성가스로부터 메탄올을 제조하는 제4단계;를 포함하는 메탄올 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing methanol from carbon dioxide-containing methane gas, specifically, a first step of removing some hydrogen sulfide contained in the carbon dioxide-containing methane gas; A second step of producing a synthesis gas by a dry reforming reaction using plasma from the carbon dioxide-containing methane gas obtained from the previous step; A third step of supplying hydrogen to the synthesis gas obtained from the previous step to control the composition of the synthesis gas; And a fourth step of preparing methanol from the syngas whose composition is controlled.
매립지 가스나 바이오 가스는 유기물이 소화공정을 통해 혐기성 분해될 때 생산되며, 주성분은 메탄과 이산화탄소로서, 불순물로서 황화수소, 실록산, 암모니아 및 휘발성 유기화합물 등이 포함되어 있다. Landfill gas or biogas is produced when organic matter is anaerobicly decomposed through a digestion process, and its main components are methane and carbon dioxide, and as impurities, hydrogen sulfide, siloxane, ammonia, and volatile organic compounds are included.
일반적으로 매립지 가스나 바이오 가스는 가스엔진이나 가스터빈에 의해 전기를 생산하거나 보일러 열원으로 사용해왔다. 이들 가스를 활용하기 위해서는 불순물인 황화수소나 실록산 화합물을 제거하는 전처리 공정을 거쳐 사용하는 것이 필요하다. 또한, 이들 가스를 도시가스와 같이 열원으로서 가스자원화를 위해서는 추가적으로 이산화탄소를 제거하는 공정이 필요하다.In general, landfill gas or biogas has been used to generate electricity by gas engines or gas turbines or as a heat source for boilers. In order to utilize these gases, it is necessary to use them through a pretreatment process to remove impurities such as hydrogen sulfide or siloxane compounds. In addition, in order to use these gases as a heat source as a heat source, an additional process of removing carbon dioxide is required.
천연가스의 대부분을 차지하는 메탄과 같은 가스자원은 주로 발전이나 가정용 열원으로 사용되고 있으나 일부는 액체 연료나 화학물질을 제조하는 원료로 사용되고 있다. 이를 위한 메탄 전환반응은 대부분 합성가스 제조공정인 메탄의 리포밍 반응을 거친다. 이들 합성가스는 메탄올 합성, 수소 제조, 암모니아 제조 또는 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응에 의한 합성유 제조공정 등의 원료로 사용된다.Gas resources such as methane, which make up the majority of natural gas, are mainly used for power generation or household heat sources, but some are used as raw materials for producing liquid fuels or chemicals. Most of the methane conversion reaction for this is through the reforming reaction of methane, which is a synthesis gas manufacturing process. These syngases are used as raw materials for methanol synthesis, hydrogen production, ammonia production, or synthetic oil production processes by Fischer-Tropsch reaction.
메탄의 개질반응은 하기 반응식에서 보는 바와 같이 강한 흡열반응이다. 즉 메탄 개질반응이 일어나기 위해서는 외부에서 많은 열이 공급되어야 한다.The reforming reaction of methane is a strong endothermic reaction as shown in the following reaction equation. That is, in order for the methane reforming reaction to occur, a lot of heat must be supplied from the outside.
CH4 + H2O --> CO + 3 H2, ΔH298K = 206.2 kJ/mol 1)CH 4 + H 2 O --> CO + 3 H 2 , ΔH 298K = 206.2 kJ/mol 1)
CH4 + CO2 --> 2 CO + 2 H2, ΔH298K = 247.2 kJ/mol 2)CH 4 + CO 2 --> 2 CO + 2 H 2 , ΔH 298K = 247.2 kJ/mol 2)
CH4 + 2/3H2O + 1/3CO2 --> 4/3CO + 8/3H2, ΔH298K = 220.0 kJ/mol 3)CH 4 + 2/3H 2 O + 1/3CO 2 --> 4/3CO + 8/3H 2 , ΔH 298K = 220.0 kJ/mol 3)
CH4 --> C + 2H2, ΔH298K = 76 kJ/mol 4)CH 4 --> C + 2H 2 , ΔH 298K = 76 kJ/mol 4)
한편, 합성가스에서 메탄올을 합성하는 반응의 반응식은 아래와 같다. 하기 식 5)와 6)에서 보듯이 일산화탄소와 이산화탄소의 수소화에 의해 메탄올을 합성하는 반응은 발열반응이다. 한 개의 일산화탄소 분자는 2개의 수소분자와 반응하며, 한 개의 이산화탄소는 3개의 수소와 반응하여 메탄올을 만드는 것을 알 수 있다. 즉, 일산화탄소와 이산화탄소 혼합물의 수소화에 의해 메탄올을 합성할 경우 H2/(2CO + 3CO2)의 비는 1이 되어야 하는 것을 알 수 있다.On the other hand, the reaction formula of the reaction for synthesizing methanol in the synthesis gas is as follows. As shown in Equations 5) and 6) below, the reaction of synthesizing methanol by hydrogenation of carbon monoxide and carbon dioxide is an exothermic reaction. It can be seen that one carbon monoxide molecule reacts with two hydrogen molecules, and one carbon dioxide reacts with three hydrogens to make methanol. That is, it can be seen that when methanol is synthesized by hydrogenation of a mixture of carbon monoxide and carbon dioxide, the ratio of H 2 /(2CO + 3CO 2 ) should be 1.
CO + 2H2 ↔ CH3OH ΔH298K = -90.8 kJ/mol 5) CO + 2H 2 ↔ CH 3 OH ΔH 298K = -90.8 kJ / mol 5)
CO2 + 3H2 ↔ CH3OH + H2O ΔH298K = -49.6 kJ/mol 6) CO 2 + 3H 2 ↔ CH 3 OH + H 2 O ΔH 298K = -49.6 kJ / mol 6)
CO2 + H2 ↔ CO + H2O ΔH298K = 41.1 kJ/mol 7)CO 2 + H 2 ↔ CO + H 2 O ΔH 298K = 41.1 kJ/mol 7)
한편, 매립지 가스나 바이오 가스는 메탄 이외에 이산화탄소를 30 ~ 60% 함유하고 있어, 상기 식 2와 같이 다량의 이산화탄소를 함유하는 메탄가스의 개질 반응을 통해 생성되는 합성가스의 조성은 H2/CO의 비율이 약 1 정도로 이를 그대로 피셔-트롭쉬 반응이나 메탄올 합성 반응에 사용하기에는 수소의 양이 부족한 상태가 된다.On the other hand, since landfill gas or biogas contains 30 to 60% of carbon dioxide in addition to methane, the composition of the synthesis gas generated through the reforming reaction of methane gas containing a large amount of carbon dioxide as shown in Equation 2 above is H 2 /CO. The ratio is about 1, and the amount of hydrogen is insufficient to be used in the Fischer-Tropsch reaction or the methanol synthesis reaction as it is.
또한, 재생 가능한 자원인 바람, 태양, 지열, 조력 등으로부터 수득할 수 있는 에너지인 재생 가능 에너지는 기후 변화 문제의 심화에 따라 그 중요성이 증가하고 있고, 그 생산량도 점차 늘어나고 있다. 이러한 재생 가능 자원인 태양광, 풍력 등으로부터 얻어지는 전기에너지를 이용하여 하기 식 8)과 같이 물의 전기분해를 수행함으로써 수소를 제조할 수 있다.In addition, renewable energy, which is energy that can be obtained from renewable resources such as wind, solar, geothermal, and tidal power, is increasing in importance as the climate change problem deepens, and its output is gradually increasing. Hydrogen can be produced by performing electrolysis of water as shown in Equation 8 below using electric energy obtained from such renewable resources such as sunlight and wind power.
H2O + e Energy --> 1/2O2 + H2 8)H 2 O + e Energy --> 1/2O 2 + H 2 8)
다만, 이들 재생 가능 자원인 태양광이나 풍력은 낮-밤, 날씨 또는 계절의 영향을 크게 받아 발전량이 일정하지 않으므로 지속적인 공급이 어려운 발전량 간헐성이라는 문제점을 갖는다. 따라서, 신재생 에너지 발전량이 증대되면 이들 잉여의 간헐적인 전기 에너지는 저장이나 사용에 문제가 많아 이들의 값싸고 저품질의 전기 에너지를 활용하여 물을 전기분해 하여 이로부터 생산되는 수소를 활용하는 경우 기존 공정의 경제성을 증대시킬 수 있다는 이점이 있다.However, these renewable resources such as solar or wind power have a problem of intermittent power generation, which is difficult to continuously supply because the amount of power generation is not constant due to the influence of day-night, weather, or season. Therefore, when the amount of renewable energy generation increases, these surplus intermittent electrical energy has problems in storage or use, so in the case of using the hydrogen produced from water by electrolyzing water using their inexpensive and low-quality electrical energy, the existing There is an advantage that it can increase the economics of the process.
본 발명자들은 매립지 가스 또는 바이오 가스와 같이 이산화탄소를 다량 함유하는 가스자원으로부터 화학산업에 중요한 물질인 메탄올을 효율적으로 제조할 수 있는 간단하면서도 경제적인 공정을 발굴하기 위하여 예의 연구 노력한 결과, 매립지 가스 또는 바이오 가스와 같이 이산화탄소를 다량 함유하는 가스자원에 포함된 황화수소를 일부 제거한 후 플라즈마에 의한 건식 개질 반응에 의해 합성가스를 제조하고, 이에 재생 에너지를 이용한 물의 전기분해에 의해 생산된 수소를 공급함으로서 합성가스의 조성을 조절하여 상기 조성이 조절된 합성가스로부터 메탄올을 제조함으로써, 별도로 이산화탄소를 제거하여 가스 조성을 조절하거나 황화수소 이외의 불순물을 제거하기 위한 번거로운 공정 없이도 메탄올을 효율적으로 생산할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.As a result of intensive research efforts to discover a simple and economical process that can efficiently produce methanol, a material important for the chemical industry, from gas resources containing a large amount of carbon dioxide such as landfill gas or biogas, Synthetic gas is produced by removing some hydrogen sulfide contained in gas resources containing a large amount of carbon dioxide, such as gas, and then producing synthetic gas by a dry reforming reaction using plasma, and supplying hydrogen produced by electrolysis of water using renewable energy. It was confirmed that methanol can be efficiently produced without a cumbersome process for removing impurities other than hydrogen sulfide or controlling the gas composition by separately removing carbon dioxide by preparing methanol from the syngas whose composition is adjusted, and the present invention Was completed.
본 발명의 제1양태는 이산화탄소 함유 메탄가스로부터 메탄올을 제조하는 방법에 있어서, 이산화탄소 함유 메탄가스에 포함된 황화수소를 일부 제거하는 제1단계; 이전 단계로부터 수득한 이산화탄소 함유 메탄가스로부터 플라즈마에 의한 건식 개질 반응에 의해 합성가스를 제조하는 제2단계; 이전 단계로부터 수득한 합성가스에 수소를 공급하여 합성가스의 조성을 조절하는 제3단계; 및 상기 조성이 조절된 합성가스로부터 메탄올을 제조하는 제4단계;를 포함하는 메탄올 제조방법을 제공한다.A first aspect of the present invention provides a method for producing methanol from carbon dioxide-containing methane gas, comprising: a first step of partially removing hydrogen sulfide contained in carbon dioxide-containing methane gas; A second step of producing a synthesis gas by a dry reforming reaction using plasma from the carbon dioxide-containing methane gas obtained from the previous step; A third step of supplying hydrogen to the synthesis gas obtained from the previous step to control the composition of the synthesis gas; And a fourth step of preparing methanol from the syngas whose composition is adjusted.
본 발명의 제2양태는, 매립지 가스 또는 바이오 가스로부터 메탄올을 제조하는 방법에 있어서, 매립지 가스 또는 바이오 가스를 전처리하여 제습 및 일부 탈황하는 제a단계; 이전 단계로부터 수득한 전처리된 가스를 0.1 내지 5 기압에서 플라즈마에 의한 건식 개질 반응에 의해 합성가스를 제조하는 제b단계; 이전 단계로부터 수득한 합성가스를 0 내지 50℃로 냉각하고 여과하여 입자성 불순물을 제거한 후, 건식 탈황탑을 통과시켜 황 화합물의 함량이 0.1 ppm 이하가 되도록 제어하는 제c단계; 이전 단계로부터 수득한 합성가스에 수소를 공급하여 합성가스의 조성을 H2/(2CO+3CO2)의 몰비가 0.9 내지 1.1이 되도록 조절하는 제d단계; 및 상기 조성이 조절된 합성가스를 40 내지 100 기압으로 압축하고 메탄올 반응기에서 반응시켜 메탄올을 제조하는 제e단계;를 포함하는 메탄올 제조방법을 제공한다.A second aspect of the present invention provides a method for producing methanol from a landfill gas or biogas, comprising: a step a of dehumidifying and partial desulfurization by pretreating the landfill gas or biogas; A step b of preparing a syngas by a dry reforming reaction using plasma at a pressure of 0.1 to 5 atmospheres of the pretreated gas obtained from the previous step; A step c of cooling the synthesis gas obtained from the previous step at 0 to 50°C, filtering to remove particulate impurities, and then passing through a dry desulfurization tower to control the sulfur compound content to be 0.1 ppm or less; A step d of supplying hydrogen to the synthesis gas obtained from the previous step to adjust the composition of the synthesis gas so that the molar ratio of H 2 /(2CO+3CO 2) is 0.9 to 1.1; And an e step of compressing the syngas whose composition is adjusted to 40 to 100 atmospheres and reacting in a methanol reactor to produce methanol.
이하, 본 발명을 보다 자세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
본 발명에 따른 이산화탄소 함유 메탄가스로부터 메탄올을 제조하는 방법은,The method for producing methanol from carbon dioxide-containing methane gas according to the present invention,
이산화탄소 함유 메탄가스에 포함된 황화수소를 일부 제거하는 제1단계;A first step of partially removing hydrogen sulfide contained in methane gas containing carbon dioxide;
이전 단계로부터 수득한 이산화탄소 함유 메탄가스로부터 플라즈마에 의한 건식 개질 반응에 의해 합성가스를 제조하는 제2단계;A second step of producing a synthesis gas by a dry reforming reaction using plasma from the carbon dioxide-containing methane gas obtained from the previous step;
이전 단계로부터 수득한 합성가스에 수소를 공급하여 합성가스의 조성을 조절하는 제3단계; 및A third step of supplying hydrogen to the synthesis gas obtained from the previous step to control the composition of the synthesis gas; And
상기 조성이 조절된 합성가스로부터 메탄올을 제조하는 제4단계;를 포함할 수 있다.It may include; a fourth step of preparing methanol from the syngas whose composition is adjusted.
다량의 이산화탄소 함유 메탄가스는 매립지 가스와 바이오 가스가 대표적이다. 보통 매립지 가스 또는 바이오 가스의 주성분인 메탄와 이산화탄소는 각각 40 ~ 70부피%와 30 ~ 60부피%의 농도로 발생되나, 발생원, 시간 및/또는 계절 등의 조건에 따라 그 정도는 수시로 변하며 변화폭도 심한 편이다.Methane gas containing a large amount of carbon dioxide is typical of landfill gas and biogas. Usually, methane and carbon dioxide, which are the main components of landfill gas or biogas, are generated in concentrations of 40 to 70% by volume and 30 to 60% by volume, respectively, but the degree varies from time to time depending on conditions such as the source, time and/or season, and the extent of change is severe. It's a side.
한편, 이들 가스에는 불순물로서 주로 황 화합물을 포함하며, 이 외에도 암모니아, 휘발성 유기화합물(volatile organic compounds; VOC) 및 실록산 등을 더 포함한다. 상기 황 화합물은 대부분이 황화수소(H2S)이나, 머캅탄류(mercaptan)나 유기설파이드류(organic sulfide)의 화합물을 일부 포함할 수 있다.Meanwhile, these gases mainly contain sulfur compounds as impurities, and further contain ammonia, volatile organic compounds (VOC), and siloxanes. Most of the sulfur compounds are hydrogen sulfide (H 2 S), but may include some compounds of mercaptans or organic sulfides.
이들 불순물들의 대부분은 촉매 반응에서 촉매의 활성을 저하시키는 촉매독으로 작용할 수 있어 촉매 반응을 포함하는 공정에서는 엄격한 제어(<0.1 ppm)가 필요하다. 따라서 이들 불순물을 제거하기 위하여 다양한 방법이 수행되고 있다. 예컨대, 황화수소의 경우 산화철계 화학흡착제를 이용하여 대량으로 비교적 간단하게 일정 수준 이하로 낮추는 것이 가능하다. 그러나, 이외에 VOC, 실록산, 머캅탄류, 설파이드류 및 아민류의 물질은 화학흡착으로 제거가 어려워 활성탄 등의 물리흡착제를 이용하여 제거하고 있으며, 이러한 물리흡착제의 사용은 흡착 효율이 낮으므로 흡착제를 과량으로 사용하거나 잦은 교체를 필요로 하므로 이러한 전처리에 상당한 비용이 요구된다.Most of these impurities can act as catalyst poisons that reduce the activity of the catalyst in the catalytic reaction, so strict control (<0.1 ppm) is required in the process including the catalytic reaction. Therefore, various methods have been performed to remove these impurities. For example, in the case of hydrogen sulfide, it is possible to relatively simply lower it to a certain level or lower in a large amount by using an iron oxide-based chemical adsorbent. However, in addition, substances such as VOC, siloxane, mercaptans, sulfides and amines are difficult to remove due to chemical adsorption, so they are removed using physical adsorbents such as activated carbon. Since it is used or requires frequent replacement, a considerable cost is required for this pretreatment.
따라서, 본 발명은 매립지 가스 또는 바이오 가스로부터 메탄올을 제조함에 있어서 전처리 과정을 최소화하여 공정을 단순화하고자 고안된 것이 특징이다.Accordingly, the present invention is designed to simplify the process by minimizing the pretreatment process in producing methanol from landfill gas or biogas.
이에, 본 발명의 메탄올 제조방법은 원료가스 즉, 이산화탄소 함유 메탄가스로부터 일부 황화수소만을 제거하고, 별도의 조성을 조절하는 공정 없이 플라즈마에 의한 건식 개질반응에 의해 합성가스를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.Accordingly, the methanol production method of the present invention may include removing only some hydrogen sulfide from the raw material gas, that is, carbon dioxide-containing methane gas, and producing a synthesis gas by a dry reforming reaction using plasma without a process of controlling a separate composition. .
본 발명의 메탄올 제조방법에 원료가스로 사용 가능한 이산화탄소 함유 메탄가스는 이산화탄소 함유량은 메탄의 건조 가스 몰수를 기준으로 30% 이상일 수 있다.The carbon dioxide-containing methane gas that can be used as a raw material gas in the methanol production method of the present invention may have a carbon dioxide content of 30% or more based on the number of moles of the dry gas of methane.
예컨대, 상기 이산화탄소 함유 메탄가스는 황화수소, 휘발성 유기화합물, 머캅탄 화합물, 암모니아, 설파이드 화합물, 및 실록산으로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 이상의 불순물을 500 ppm 이상 함유할 수 있다.For example, the carbon dioxide-containing methane gas may contain 500 ppm or more of one or more impurities selected from the group consisting of hydrogen sulfide, volatile organic compounds, mercaptan compounds, ammonia, sulfide compounds, and siloxanes.
나아가, 상기 이산화탄소 함유 메탄가스는 매립지 가스 또는 바이오 가스일 수 있다.Furthermore, the carbon dioxide-containing methane gas may be a landfill gas or biogas.
본 발명의 메탄올 제조방법에서, 이산화탄소 함유 메탄가스에 포함된 황화수소의 함량은 상기 제1단계에 의해 일부 황화수소를 제거함으로써 50 ppm 이하로 감소될 수 있다.In the methanol production method of the present invention, the content of hydrogen sulfide contained in the carbon dioxide-containing methane gas may be reduced to 50 ppm or less by removing some hydrogen sulfide by the first step.
상기 제1단계는 아래와 같이, 산화철 또는 수산화철을 흡착제로 사용하며, 설비가 간단하고 작은 규모에서 경제적일 수 있는 고정식 건식 흡착탑을 사용하여 수행할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The first step may be performed by using iron oxide or iron hydroxide as an adsorbent as follows, and using a fixed dry adsorption tower that is simple and economical in a small scale, but is not limited thereto.
Fe2O3 + 3H2S --> Fe2S3 + 3H2OFe 2 O 3 + 3H 2 S --> Fe 2 S 3 + 3H 2 O
2Fe(OH)3 + 3H2S --> Fe2S3 + 6H2O2Fe(OH) 3 + 3H 2 S --> Fe 2 S 3 + 6H 2 O
상기 흡착탑을 이용하는 경우, 이에 충진된 산화철 또는 수산화철은 가스 중에 포함된 수분에 의해 성분이 녹아 나올 수 있으므로 이에 적용되는 가스 중의 수분은 미리 제거하는 것이 바람직하다. 특히 수산화철은 황화수소와의 반응 속도가 빠르며, 제거율도 높으므로 고도의 탈황이 요구되는 공정에서는 수산화철을 흡착제로 사용하는 것이 유리할 수 있으나, 흡착제의 선택은 이에 제한되지 않는다.In the case of using the adsorption tower, since the components of the iron oxide or iron hydroxide filled therein may be dissolved by the moisture contained in the gas, it is preferable to remove moisture in the gas applied thereto in advance. In particular, since iron hydroxide has a high reaction rate with hydrogen sulfide and a high removal rate, it may be advantageous to use iron hydroxide as an adsorbent in a process requiring a high degree of desulfurization, but the selection of the adsorbent is not limited thereto.
본 발명의 제조방법은 이산화탄소 함유 메탄가스로부터 합성가스를 제조하는 제2단계를 수행하기 위하여 플라즈마에 의한 건식 개질반응을 이용하는 것이 특징이다. 예컨대, 이산화탄소 함유 메탄가스인 매립지 가스 또는 바이오 가스는 직접 연소시 발열량이 낮아 연소성이 떨어지며 황 화합물이나 암모니아 등의 불순물을 함유하고 있어 다량의 대기오염물을 발생시키는 문제점이 있다. 또한 가스의 조성이 균일하지 않으므로 직접 연소하여 폐열을 이용할 경우 보일러 변동(boiler fluctuation) 등의 문제로 일정한 열공급이 어려울 수 있다. 따라서, 본 발명은 이들 원료가스를 직접 연소하기 보다 플라즈마를 이용한 건식 개질을 통해 양질의 합성가스로 전환시킴으로써 합성가스로의 자원화를 도모하는 동시에 휘발성 유기화합물 등을 안전하게 처리하고, 악취나 온실가스 등의 발생을 크게 줄일 수 있는 이점이 있다. 이러한 플라즈마 개질반응은 흡열반응이므로 열원으로 전기를 사용하여 방전 또는 유도되는 플라즈마를 사용한다. 이때 발생하는 플라즈마는 에너지 밀도가 높아 작은 공간에서 개질반응을 수행하기에 유리하므로 소규모 가스원을 활용하는 기술로 적합할 수 있다. 또한, 반응을 구동하기 쉽고 정상운전에 소요되는 시간이 짧으므로 재생에너지 유래의 전기에너지를 활용하기에 적합하므로 경제적일 수 있다. 즉, 플라즈마 개질반응은 발전량의 간헐성이라는 단점에 의해 활용도가 떨어지는 재생 에너지 전기의 간헐적인 피크 전력을 이용할 수 있는 경제적 및/또는 환경적 이점이 있다. 예컨대, 플라즈마 방전은 전자 밀도와 온도에 의해 저온 플라즈마와 고온 플라즈마로 구분할 수 있는데 고온 플라즈마의 경우는 고밀도 이온 상태를 유지함으로 반응성이 매우 높아 고농도 수소를 생산할 수 있다. 또한 플라즈마의 자체 열을 사용함으로 수 초의 빠른 시동 및 응답시간으로 넓은 범위의 유량과 가스 성상에 대해 적용이 가능하다.The manufacturing method of the present invention is characterized by using a dry reforming reaction by plasma to perform the second step of producing syngas from methane gas containing carbon dioxide. For example, a landfill gas or biogas, which is a carbon dioxide-containing methane gas, has a low calorific value when burning directly, and has a problem of generating a large amount of air pollutants because it contains impurities such as sulfur compounds and ammonia. In addition, since the composition of the gas is not uniform, it may be difficult to supply constant heat due to problems such as boiler fluctuation when using waste heat through direct combustion. Therefore, the present invention promotes resource conversion to synthetic gas by converting these raw material gases into high-quality synthetic gas through dry reforming using plasma rather than directly burning them, and at the same time safely treats volatile organic compounds, etc., and There is an advantage that can greatly reduce the occurrence. Since this plasma reforming reaction is an endothermic reaction, plasma that is discharged or induced by using electricity as a heat source is used. Since the plasma generated at this time is advantageous in performing the reforming reaction in a small space due to its high energy density, it may be suitable as a technology using a small-scale gas source. In addition, since it is easy to drive the reaction and the time required for normal operation is short, it can be economical because it is suitable for utilizing electric energy derived from renewable energy. That is, the plasma reforming reaction has an economic and/or environmental advantage in that it is possible to use the intermittent peak power of renewable energy electricity, which is less utilized due to the disadvantage of intermittent power generation. For example, plasma discharge can be classified into low-temperature plasma and high-temperature plasma according to electron density and temperature. In the case of high-temperature plasma, since the high-density ionic state is maintained, the reactivity is very high and high concentration hydrogen can be produced. In addition, by using the plasma's own heat, it can be applied to a wide range of flow rates and gas properties with a quick start-up and response time of several seconds.
상기 플라즈마에 의한 건식 개질반응에서 전환율은 메탄의 경우 80% 이상, 이산화탄소의 경우 70% 이상일 수 있다. 바람직하게는 메탄의 경우 80% 이상, 이산화탄소의 경우 70% 이상의 전환율을 나타낼 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 공정에서 메탄의 전환율은 80% 이상으로 유지될 수 있다. 예컨대, 메탄의 전환율이 80% 이하인 경우, 후속 공정인 메탄올 합성 공정에서 잔류하는 메탄이 불활성 가스로 작용하여 희석가스로 남아있을 수 있다. 이산화탄소의 경우 메탄올 합성시 반응물로 참여하므로 이의 전환율에 대한 엄격한 제한은 필요하지 않으나, 개질반응시 메탄 전환율에 영향을 줄 수 있으므로, 메탄과 유사하게 유지하는 것이 바람직할 수 있다.In the dry reforming reaction by the plasma, the conversion rate may be 80% or more in the case of methane and 70% or more in the case of carbon dioxide. Preferably, a conversion rate of 80% or more in the case of methane and 70% or more in the case of carbon dioxide may be exhibited, but is not limited thereto. In the above process, the conversion rate of methane may be maintained at 80% or more. For example, when the conversion rate of methane is 80% or less, methane remaining in the methanol synthesis process, which is a subsequent process, acts as an inert gas and may remain as a dilution gas. In the case of carbon dioxide, since it participates as a reactant during methanol synthesis, a strict limit on its conversion rate is not required, but it may be desirable to maintain it similar to methane since it may affect the methane conversion rate during the reforming reaction.
한편, 플라즈마에 의한 건식 개질반응을 이용하는, 고온에서 수행되는, 제2단계에 의해 불순물 중 휘발성 유기화합물은 합성가스로, 머캅탄 화합물 및 설파이드 화합물은 황화수소로, 암모니아는 질소와 수소로, 및 실록산은 실리카 입자로 전환될 수 있으므로, 본 발명의 제조방법은 합성가스를 제조하는 제2단계에 앞서 황화수소를 제외하는 이외에 다른 불순물을 제거하는 단계를 별도로 포함하지 않을 수 있으므로, 본 발명의 메탄올 제조방법을 보다 단순화할 수 있다.On the other hand, volatile organic compounds among impurities are synthesized gas, mercaptan compounds and sulfide compounds are hydrogen sulfide, ammonia is nitrogen and hydrogen, and siloxane by a second step performed at a high temperature using a dry reforming reaction by plasma. Since silver can be converted into silica particles, the production method of the present invention may not separately include the step of removing other impurities other than excluding hydrogen sulfide prior to the second step of preparing the synthesis gas, so the methanol production method of the present invention Can be further simplified.
예컨대, 상기와 같이 제2단계로에서 불순물들로부터 형성된 황화수소 및/또는 탄소 입자 또는 실리카 입자 등의 입자성 물질이 이어지는 촉매 반응을 저해하는 것을 차단하기 위하여 이들 물질을 제거하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 예컨대, 제2단계 이후 건식 개질반응에 의해 생성된 합성가스로부터 황화수소를 제거하는 제2-1단계, 여과하여 고형의 부산물을 제거하는 제2-2단계 또는 상기 2개 단계 모두를 추가로 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 제2-1단계는 철계 건식흡착제를 충진한 탑을 통과시켜 수행할 수 있고, 제2-2단계는 반응기 후단에 필터를 장착하여 단순 여과할 수 있으나, 그 수행 방법은 이에 제한되지 않으며, 당업계에 공지된 다양한 방법을 제한없이 사용할 수 있다. 이상의 공정을 통해 수득한 합성가스는 황화수소의 농도가 촉매 반응에 요구되는 수준인 0.1 ppm 이하로 조절된 수준일 수 있다.For example, the step of removing these substances in order to block particulate substances such as hydrogen sulfide and/or carbon particles or silica particles formed from impurities in the second step as described above inhibit the subsequent catalytic reaction. I can. For example, the 2-1 step of removing hydrogen sulfide from the synthesis gas generated by the dry reforming reaction after the second step, the 2-2 step of removing solid by-products by filtering, or both of the above two steps may be further included. However, it is not limited thereto. The step 2-1 may be performed by passing through a tower filled with an iron-based dry adsorbent, and step 2-2 may be performed by simply filtration by attaching a filter to the rear end of the reactor, but the method of performing the method is not limited thereto, Various methods known in the art can be used without limitation. The synthesis gas obtained through the above process may have a concentration of hydrogen sulfide adjusted to a level of 0.1 ppm or less, which is a level required for a catalytic reaction.
구체적으로, 상기 제2-1단계는 제1단계로부터 처리되지 않은 잔여 황화수소 및 제2단계의 개질반응시 유기 황 화합물로부터 형성되는 황화수소를 제거하기 위하여 수행하는 것으로, 제1단계의 황화수소를 제거하는 단계와 유사하게 흡착공정을 이용하여 수행할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 이때 흡착제로는 철이나 아연계 화합물, 예컨대, 산화철, 수산화철 또는 산화아연 등을 사용할 수 있다. 예컨대, 보다 낮은 반응 온도에서 효율적인 화학흡착이 가능한 산화철 또는 수산화철을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.Specifically, the 2-1 step is performed to remove the residual hydrogen sulfide that has not been treated from the first step and the hydrogen sulfide formed from the organic sulfur compound during the reforming reaction of the second step. Similar to the step, it may be performed using an adsorption process, but is not limited thereto. At this time, as the adsorbent, iron or zinc-based compounds such as iron oxide, iron hydroxide, or zinc oxide may be used. For example, iron oxide or iron hydroxide capable of efficient chemical adsorption at a lower reaction temperature may be used, but is not limited thereto.
또한, 일반적으로 건식 개질반응은 코크 생성을 수반하며, 산화제인 이산화탄소의 함량이 적은 경우, 코크 생성은 증가한다. 이는 이산화탄소 함량이 높은 경우 전술한 식 2)의 반응이 우세하게 발생하여 코크 생성이 적어지는 반면, 이산화탄소 함량이 낮은 경우에는 식 4)의 메탄 열분해 반응이 일어나면서 코크 생성이 증가한다. 그러나, 이러한 입자성 불순물인 코크는 상기 제2-2단계의 여과에 의해 제거될 수 있다.In addition, in general, the dry reforming reaction involves the formation of coke, and when the content of carbon dioxide, which is an oxidizing agent, is small, the formation of coke increases. In this case, when the carbon dioxide content is high, the reaction of the above-described equation 2) occurs predominantly, resulting in less coke generation, whereas when the carbon dioxide content is low, the methane pyrolysis reaction of equation 4) occurs and the coke generation increases. However, coke, which is such a particulate impurity, may be removed by filtration in the second step.
한편, 공정의 경제성을 위하여, 본 발명의 제조방법에서 제3단계에 공급되는 수소는 물의 전기분해에 의해 제조될 수 있으며, 상기 물의 전기분해는 재생에너지 유래의 전기 에너지를 활용하여 수행할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.On the other hand, for the economical efficiency of the process, hydrogen supplied to the third step in the manufacturing method of the present invention may be produced by electrolysis of water, and the electrolysis of water may be performed using electric energy derived from renewable energy. , Is not limited thereto.
나아가, 상기와 같이 수소를 공급함으로서 제3단계에서 합성가스의 조성은 H2/(2CO+3CO2)의 몰비가 0.9 내지 1.1이 되도록 조절될 수 있다.Further, by supplying hydrogen as described above, the composition of the synthesis gas in the third step may be adjusted so that the molar ratio of H 2 /(2CO+3CO 2) is 0.9 to 1.1.
전술한 식 5) 및 6)에 나타난 바와 같이, CO와 CO2는 각각 2배 및 3배 몰수의 H2와 반응하여 메탄올을 생성할 수 있다. 따라서, 효율적인 반응을 위해서는 합성가스 중에 H2/(2CO+3CO2)의 몰비를 1에 가깝게 유지할 수 있도록, 예컨대, 0.9 내지 1.1이 되도록 조절할 수 있다. 예컨대, 합성가스의 조성이 상기 비율 미만인 경우 미반응 CO 및 CO2가 잔류하므로 이들 가스가 반응계에 축적되는 것을 방지하기 위하여 지속적으로 배출(vent)하는 번거로움이 있을 수 있다. 예컨대, 이들 가스가 배출되지 않고 잔류하는 경우 전체 반응 공정에서 에너지 효율이 저하될 수 있다. 반면, 합성가스의 조성이 상기 비율 초과인 경우 마찬가지로 반응의 효율을 위해 과잉의 수소를 배출하는 과정을 필요로 할 수 있다.As shown in the above formulas 5) and 6), CO and CO 2 may react with 2 times and 3 times the number of moles of H 2 , respectively, to produce methanol. Therefore, for an efficient reaction, the molar ratio of H 2 /(2CO+3CO 2 ) in the syngas can be adjusted to be close to 1, for example, 0.9 to 1.1. For example, when the composition of the syngas is less than the above ratio, unreacted CO and CO 2 remain, so there may be a trouble of continuously venting to prevent these gases from accumulating in the reaction system. For example, if these gases are not discharged and remain, energy efficiency may decrease in the entire reaction process. On the other hand, when the composition of the syngas exceeds the above ratio, it may be necessary to discharge excess hydrogen for efficiency of the reaction.
따라서, 이산화탄소 함유량이 전체 가스의 30% 이상인 매립지 가스 또는 바이오 가스로부터 메탄올을 합성하는 반응에 있어서는 과잉의 이산화탄소 하에서 메탄 개질반응이 수행되므로 수소가 부족해질 수 있으므로 상기 비율을 유지하기 위하여 외부로부터 부족한 수소를 공급할 수 있다.Therefore, in the reaction of synthesizing methanol from landfill gas or biogas with a carbon dioxide content of 30% or more of the total gas, since the methane reforming reaction is performed under excess carbon dioxide, hydrogen may become insufficient. Can supply.
이때 공급되는 수소원으로는 재생에너지 기반 전기를 이용한 물의 전기분해에 의해 제조되는 수소를 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The supplied hydrogen source may be hydrogen produced by electrolysis of water using renewable energy-based electricity, but is not limited thereto.
본 발명의 제조방법에서 조성이 조절된 합성가스로부터 메탄올을 제조하는 제4단계는 메탄올 합성 촉매를 이용한 촉매반응에 의해 수행될 수 있다. 구체적으로, 상기 제4단계는 전술한 식 5) 내지 7)의 복합적인 반응에 의해 달성될 수 있다. 이때, 합성가스는 압축하여 40 ~ 100기압까지 승압시킨 후 반응기에 주입할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 예컨대, 상기 메탄올을 제조하는 단계는 조성이 조절된 합성가스가 메탄올 합성 촉매가 채워진 고정상 반응기를 통과하면서 이루어질 수 있다. 예컨대, 상기 공정에서는 식 5) 내지 7)의 3개 반응이 동시에 일어날 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In the production method of the present invention, the fourth step of preparing methanol from the synthesis gas whose composition is adjusted may be carried out by a catalytic reaction using a methanol synthesis catalyst. Specifically, the fourth step may be achieved by a complex reaction of the above-described equations 5) to 7). At this time, the syngas may be compressed and increased to 40 to 100 atm and then injected into the reactor, but is not limited thereto. For example, the step of preparing methanol may be performed while syngas having a controlled composition passes through a fixed bed reactor filled with a methanol synthesis catalyst. For example, in the above process, three reactions of Equations 5) to 7) may occur simultaneously, but are not limited thereto.
예컨대, 메탄올 합성 촉매로는 당업계에 널리 사용되는 Cu/ZnO/Al2O3계 촉매를 사용할 수 있다. 구체적으로, 60중량% Cu/30중량% ZnO/10중량% Al2O3인 촉매를 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.For example, as a catalyst for methanol synthesis, a Cu/ZnO/Al 2 O 3 catalyst widely used in the art may be used. Specifically, a catalyst of 60% by weight Cu/30% by weight ZnO/10% by weight Al 2 O 3 may be used, but is not limited thereto.
구체적으로, 상기 메탄올 합성 반응은 240 ~ 270℃의 반응온도, 40 ~ 100 bar의 반응압력 및 1,000 ~50,000/h의 공간속도 조건 하에 수행될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 식 5) 및 6)에 나타난 바와 같이, 메탄올을 생성하는 반응은 발열반응이므로 메탄올의 수율을 높이기 위하여 반응열을 제어할 수 있다. 구체적으로, 메탄올 합성 반응은 평형 반응이며, 반응이 진행됨에 따라 발생하는 열에 의해 반응기의 온도가 올라갈수록 반응물의 평형 전환율은 떨어질 수 있으므로 반응기 내의 온도를 조절하는 것이 필요하다. 예컨대, 이를 위하여 메탄올 합성 반응기의 촉매층이 위치한 튜브 외부에 냉매로서 물을 흘려주어 물의 기화에 의한 잠열을 이용하여 반응열을 제어할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.Specifically, the methanol synthesis reaction may be performed under conditions of a reaction temperature of 240 to 270°C, a reaction pressure of 40 to 100 bar, and a space velocity of 1,000 to 50,000/h, but is not limited thereto. As shown in Equations 5) and 6), since the reaction to generate methanol is an exothermic reaction, the heat of reaction can be controlled to increase the yield of methanol. Specifically, the methanol synthesis reaction is an equilibrium reaction, and as the temperature of the reactor increases due to heat generated as the reaction proceeds, the equilibrium conversion rate of the reactant may decrease, so it is necessary to control the temperature in the reactor. For example, for this purpose, the heat of reaction may be controlled using latent heat by vaporization of water by flowing water as a refrigerant outside a tube in which the catalyst layer of the methanol synthesis reactor is located, but is not limited thereto.
상기와 같이 메탄올 합성 반응기를 통과하면서 형성된 생성물은 냉각하여 기-액 분리에 의해 액체 생성물인 메탄올을 회수하고 기상으로 유지되는 미반응 합성가스는 일부 배출한 후 나머지는 가압하여 메탄올 반응기에 주입하여 메탄올 합성 반응에 재사용(recycle)할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.As described above, the product formed while passing through the methanol synthesis reactor is cooled to recover methanol as a liquid product by gas-liquid separation, and some unreacted synthesis gas maintained in the gas phase is discharged, and the remainder is pressurized and injected into the methanol reactor. It can be reused (recycle) in the synthesis reaction, but is not limited thereto.
나아가, 본 발명에 따른 매립지 가스 또는 바이오 가스로부터 메탄올을 제조하는 방법은,Furthermore, the method for producing methanol from landfill gas or biogas according to the present invention,
매립지 가스 또는 바이오 가스를 전처리하여 제습 및 일부 탈황하는 제a단계;Step a of dehumidifying and partial desulfurization by pre-treating the landfill gas or biogas;
이전 단계로부터 수득한 전처리된 가스를 0.1 내지 5 기압에서 플라즈마에 의한 건식 개질 반응에 의해 합성가스를 제조하는 제b단계;A step b of preparing a syngas by a dry reforming reaction using plasma at a pressure of 0.1 to 5 atmospheres of the pretreated gas obtained from the previous step;
이전 단계로부터 수득한 합성가스를 0 내지 50℃로 냉각하고 여과하여 입자성 불순물을 제거한 후, 건식 탈황탑을 통과시켜 황 화합물의 함량이 0.1 ppm 이하가 되도록 제어하는 제c단계;A step c of cooling the synthesis gas obtained from the previous step to 0 to 50°C, filtering to remove particulate impurities, and then passing through a dry desulfurization tower to control the sulfur compound content to be 0.1 ppm or less;
이전 단계로부터 수득한 합성가스에 수소를 공급하여 합성가스의 조성을 H2/(2CO+3CO2)의 몰비가 0.9 내지 1.1이 되도록 조절하는 제d단계; 및A step d of supplying hydrogen to the synthesis gas obtained from the previous step to adjust the composition of the synthesis gas so that the molar ratio of H 2 /(2CO+3CO 2) is 0.9 to 1.1; And
상기 조성이 조절된 합성가스를 40 내지 100 기압으로 압축하고 메탄올 반응기에서 반응시켜 메탄올을 제조하는 제e단계;를 포함할 수 있다.It may include; step e of compressing the syngas whose composition is adjusted to 40 to 100 atmospheres and reacting in a methanol reactor to produce methanol.
예컨대, 제d단계에서 공급되는 수소는 물의 전기분해에 의해 제조될 수 있다.For example, hydrogen supplied in step d may be produced by electrolysis of water.
상기 제조방법에서 플라즈마에 의한 건식 개질 반응을 수행하는 제b단계, 제d단계에 공급하기 위한 수소의 제조 또는 둘 모두는 재생에너지 유래의 전기에너지를 활용하여 수행할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In the above manufacturing method, the step b of performing the dry reforming reaction by plasma, the production of hydrogen to be supplied to the step d, or both may be performed using electric energy derived from renewable energy, but is not limited thereto.
나아가, 본 발명의 제조방법에 있어서 이산화탄소 함유 메탄가스, 예컨대, 매립지 가스 또는 바이오 가스로부터 플라즈마에 의한 건식 개질반응에 의해 중간체로 생성되는 합성가스는 메탄올의 합성에 뿐만 아니라 수소 제조, 암모니아 제조 및/또는 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응에 의한 합성유 제조 공정에 원료로 사용될 수 있다.Further, in the production method of the present invention, the synthesis gas produced as an intermediate by a dry reforming reaction by plasma from carbon dioxide-containing methane gas, such as a landfill gas or biogas, is not only for the synthesis of methanol, but also for the production of hydrogen, the production of ammonia, Alternatively, it may be used as a raw material in a synthetic oil manufacturing process by a Fischer-Tropsch reaction.
본 발명의 메탄올 제조 공정은 플라즈마에 의한 메탄의 이산화탄소 건식 개질반응을 포함함으로써 이산화탄소 함유량이 많은 매립지 가스나 바이오 가스 등을 전환하여 메탄올을 생산하는 효과적인 방법이다. 또한, 본 발명은 이산화탄소의 함량을 제어하기 위한 별도의 이산화탄소 제거 공정을 필요로 하지 않으며, 재생에너지에 기반하여 생성된 수소를 활용하므로 탄소효율이 높고, 원료 가스에 포함된 다양한 불순물을 제거하는 별도의 공정 없이 플라즈마 열분해할 수 있으므로 단순화된 메탄올 제조 방법을 제공한다.The methanol production process of the present invention is an effective method of producing methanol by converting a landfill gas or biogas having a high carbon dioxide content by including a carbon dioxide dry reforming reaction of methane by plasma. In addition, the present invention does not require a separate carbon dioxide removal process for controlling the content of carbon dioxide, and uses hydrogen generated based on renewable energy, so carbon efficiency is high, and a separate process for removing various impurities included in the source gas Since plasma pyrolysis can be performed without the process of, a simplified method for preparing methanol is provided.
도 1은 매립지 가스 또는 바이오 가스로부터 메탄올을 제조하기 위한 공정을 개략적으로 나타낸 도이다.1 is a diagram schematically showing a process for producing methanol from landfill gas or biogas.
이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 구체적으로 설명하는 바, 본 발명이 다음 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail based on examples, but the present invention is not limited by the following examples.
본 발명의 일실시예인 도 1을 참조하여 설명하면, 매립지 가스 또는 바이오 가스로부터 합성가스를 제조하는 공정은 하기와 같다.Referring to FIG. 1, which is an embodiment of the present invention, a process for producing syngas from landfill gas or biogas is as follows.
먼저, 매립지 가스 또는 바이오 가스를 전처리하여 제습 및 탈황한다. 일반적으로 원료 가스는 500 ppm 이상의 황성분을 함유하고 있으므로, 흡착제로 산화철 또는 수산화철이 충진된 고정식 건식 흡착탑을 사용하여 1차 탈황하여 황 함유량이 50 ppm 이하로 조절된 가스를 수득하였다. 한편, 상기 탈황 공정 중 매립지 가스 또는 바이오 가스 중에 포함된 수분에 의해 산화철 또는 수산화철 성분이 녹아 나오지 않도록 가스 중 수분은 미리 제거하였다.First, the landfill gas or biogas is pretreated to dehumidify and desulfurize. In general, since the raw material gas contains 500 ppm or more of a sulfur component, a gas having a sulfur content of 50 ppm or less was obtained by primary desulfurization using a fixed dry adsorption tower filled with iron oxide or iron hydroxide as an adsorbent. Meanwhile, during the desulfurization process, moisture in the gas was removed in advance so that the iron oxide or iron hydroxide component was not dissolved by the moisture contained in the landfill gas or biogas.
상기와 같이 1차 전처리 된 가스를 플라즈마 생성관에 통과시켰다. 상기 플라즈마 생성관은 석영관 외벽에 플라즈마 유도 코일이 감겨있고, 내부에는 보론 나이트라이드(BN) 튜브가 장착된 층이다. 플라즈마 층이 구비된 플라즈마 건식 개질기에 메탄 및 이산화탄소 함유 가스를 통과시키면서 개질반응을 실시하여 합성가스를 제조하였으며, 상기 개질반응과 동시에 원료 가스 중에 함유된 다양한 불순물이 분해되었다. The first pretreated gas as described above was passed through the plasma generating tube. The plasma generating tube is a layer in which a plasma induction coil is wound around an outer wall of a quartz tube, and a boron nitride (BN) tube is mounted therein. Synthetic gas was prepared by performing a reforming reaction while passing a gas containing methane and carbon dioxide through a plasma dry reformer equipped with a plasma layer, and various impurities contained in the raw material gas were decomposed at the same time as the reforming reaction.
전단계에 의해 제조한 합성가스를 0 ~ 50℃로 냉각한 후, 반응기 후단에 장착된 백 필터(bag filter)로 여과하여 플라즈마 반응시 일부 생성되는 코크나 실록산 유래 실리카 입자를 제거하였다. 나아가, 수득한 합성 가스를 2차 탈황 흡착탑에 통과시킴으로써 황 함유량을 0.1 ppm 이하로 제어하였다. 이때, 상기 탈황 흡착탑에는 흡착제로서 상온에서 탈황성능이 우수한 수산화철을 구비하였다.After cooling the synthesis gas prepared in the previous step to 0 ~ 50 ℃, filtered through a bag filter (bag filter) mounted at the rear end of the reactor to remove the coke or siloxane-derived silica particles partially generated during the plasma reaction. Furthermore, the sulfur content was controlled to 0.1 ppm or less by passing the obtained synthesis gas through a secondary desulfurization adsorption tower. At this time, the desulfurization adsorption tower was provided with iron hydroxide having excellent desulfurization performance at room temperature as an adsorbent.
상기 후처리된 합성가스는 메탄올 합성, 수소 제조, 암모니아 제조 또는 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응에 의한 합성유 제조 공정의 원료로 사용될 수 있다.The post-treated syngas may be used as a raw material for a synthetic oil production process by methanol synthesis, hydrogen production, ammonia production, or Fischer-Tropsch reaction.
예컨대, 상기 합성가스로부터 메탄올을 합성하기 위해, 추가적으로 합성가스의 조성을 조절할 필요가 있다. 이산화탄소 함량이 높은 메탄을 건식 개질할 경우 H2/(2CO+3CO2) 몰비는 0.3 내지 0.8 정도이므로, 보다 효율적인 반응을 위해서는 추가로 수소를 공급하여 상기 비율을 0.9 ~ 1.1 정도로 조절하는 것이 바람직하다. 이때 공급되는 수소로는 재생에너지 기반의 경제적인 전기에너지를 사용하여 생산된 수전해 수소를 사용할 수 있다.For example, in order to synthesize methanol from the syngas, it is necessary to additionally adjust the composition of the syngas. In the case of dry reforming of methane having a high carbon dioxide content, the H 2 /(2CO+3CO 2 ) molar ratio is about 0.3 to 0.8, so it is preferable to adjust the ratio to about 0.9 to 1.1 by supplying additional hydrogen for a more efficient reaction. . Hydrogen produced by using economical electric energy based on renewable energy can be used as the supplied hydrogen.
상기와 같이 조성이 제어된 합성가스를 40 ~ 100기압까지 압축하고, 60중량% Cu/30중량% ZnO/10중량% Al2O3인 메탄올 합성 촉매가 채워진 240 ~ 270 ℃의 고정상 반응기를 1,000 ~ 50,000 h-1의 공간속도로 통과시키면서, 합성가스로부터 메탄올을 형성하였다. 메탄올 합성반응기를 통과한 생성물을 0 ~ 50℃로 냉각 후, 기-액 분리하여 액체생성물인 메탄올을 수득하고, 기상의 미반응 합성가스는 일부 배출하고 나머지는 가압 후 메탄올 반응기로 재순환(recycle)시켰다.The synthesis gas whose composition is controlled as described above is compressed to 40 to 100 atm, and a fixed bed reactor at 240 to 270°C is filled with a methanol synthesis catalyst of 60% by weight Cu/30% by weight ZnO/10% by weight of Al 2 O 3 to 1,000. Methanol was formed from the syngas while passing at a space velocity of ~ 50,000 h -1. After cooling the product passing through the methanol synthesis reactor to 0 ~ 50℃, gas-liquid separation is performed to obtain methanol as a liquid product, and some unreacted synthetic gas in the gas phase is discharged and the rest is pressurized and recycled to the methanol reactor. Made it.
Claims (13)
이산화탄소 함유 메탄가스에 포함된 황화수소를 일부 제거하는 제1단계;
이전 단계로부터 수득한 이산화탄소 함유 메탄가스로부터 플라즈마에 의한 건식 개질 반응에 의해 합성가스를 제조하는 제2단계;
이전 단계로부터 수득한 합성가스에 수소를 공급하여 합성가스의 조성을 조절하는 제3단계; 및
상기 조성이 조절된 합성가스로부터 메탄올을 제조하는 제4단계;
를 포함하는 메탄올 제조방법.
In the method for producing methanol from carbon dioxide-containing methane gas,
A first step of partially removing hydrogen sulfide contained in methane gas containing carbon dioxide;
A second step of producing a synthesis gas by a dry reforming reaction using plasma from the carbon dioxide-containing methane gas obtained from the previous step;
A third step of supplying hydrogen to the synthesis gas obtained from the previous step to control the composition of the synthesis gas; And
A fourth step of preparing methanol from the syngas whose composition is adjusted;
Methanol production method comprising a.
The method of claim 1, wherein the second step does not require a separate gas composition control.
The method of claim 1, wherein the carbon dioxide-containing methane gas has a carbon dioxide content of 30% or more based on the number of moles of dry gas of the methane.
The method of claim 1, wherein the carbon dioxide-containing methane gas contains 500 ppm or more of at least one impurity selected from the group consisting of hydrogen sulfide, volatile organic compounds, mercaptan compounds, ammonia, sulfide compounds, and siloxanes. .
The method of claim 1, wherein the carbon dioxide-containing methane gas is a landfill gas or biogas.
The method of claim 1, wherein the content of hydrogen sulfide contained in the carbon dioxide-containing methane gas is reduced to 50 ppm or less by the first step.
The method of claim 4, wherein the volatile organic compounds among impurities are converted into syngas, mercaptan compounds and sulfide compounds into hydrogen sulfide, ammonia into nitrogen and hydrogen, and siloxane into silica particles by the second step. Manufacturing method.
According to claim 7, After the second step, the 2-1 step of removing hydrogen sulfide from the synthesis gas generated by the dry reforming reaction, the 2-2 step of removing solid by-products by filtration, or both of the two steps are performed. It will further include, methanol production method.
The method of claim 1, wherein the hydrogen supplied in the third step is produced by electrolysis of water.
The method of claim 1, wherein the composition of the synthesis gas in the third step is adjusted so that the molar ratio of H 2 /(2CO+3CO 2) is 0.9 to 1.1.
매립지 가스 또는 바이오 가스를 전처리하여 제습 및 일부 탈황하는 제a단계;
이전 단계로부터 수득한 전처리된 가스를 0.1 내지 5 기압에서 플라즈마에 의한 건식 개질 반응에 의해 합성가스를 제조하는 제b단계;
이전 단계로부터 수득한 합성가스를 0 내지 50℃로 냉각하고 여과하여 입자성 불순물을 제거한 후, 건식 탈황탑을 통과시켜 황 화합물의 함량이 0.1 ppm 이하가 되도록 제어하는 제c단계;
이전 단계로부터 수득한 합성가스에 수소를 공급하여 합성가스의 조성을 H2/(2CO+3CO2)의 몰비가 0.9 내지 1.1이 되도록 조절하는 제d단계; 및
상기 조성이 조절된 합성가스를 40 내지 100 기압으로 압축하고 메탄올 반응기에서 반응시켜 메탄올을 제조하는 제e단계;
를 포함하는 메탄올 제조방법.
In the method for producing methanol from landfill gas or biogas,
Step a of dehumidifying and partial desulfurization by pre-treating the landfill gas or biogas;
A step b of preparing a syngas by a dry reforming reaction using plasma at a pressure of 0.1 to 5 atmospheres of the pretreated gas obtained from the previous step;
A step c of cooling the synthesis gas obtained from the previous step at 0 to 50°C, filtering to remove particulate impurities, and then passing through a dry desulfurization tower to control the sulfur compound content to be 0.1 ppm or less;
A step d of supplying hydrogen to the synthesis gas obtained from the previous step to adjust the composition of the synthesis gas so that the molar ratio of H 2 /(2CO+3CO 2) is 0.9 to 1.1; And
E step of compressing the syngas whose composition is adjusted to 40 to 100 atmospheres and reacting in a methanol reactor to produce methanol;
Methanol production method comprising a.
The method of claim 11, wherein the hydrogen supplied in step d is produced by electrolysis of water.
The method of claim 11 or 12, wherein step b, step d, or both are performed using electric energy derived from renewable energy.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020190126200A KR102287865B1 (en) | 2019-10-11 | 2019-10-11 | Method for preparing methanol from carbon dioxide-containing gas resources comprising dry-reforming of methane by plasma |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020190126200A KR102287865B1 (en) | 2019-10-11 | 2019-10-11 | Method for preparing methanol from carbon dioxide-containing gas resources comprising dry-reforming of methane by plasma |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR20210043252A true KR20210043252A (en) | 2021-04-21 |
KR102287865B1 KR102287865B1 (en) | 2021-08-09 |
Family
ID=75744067
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020190126200A KR102287865B1 (en) | 2019-10-11 | 2019-10-11 | Method for preparing methanol from carbon dioxide-containing gas resources comprising dry-reforming of methane by plasma |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR102287865B1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR102536204B1 (en) * | 2023-02-14 | 2023-05-30 | 고등기술연구원연구조합 | Synthesis gas production device and process capable of reducing greenhouse gases that do not capture carbon dioxide |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101277123B1 (en) * | 2012-09-07 | 2013-06-20 | 한국기초과학지원연구원 | Plasma dry reforming apparatus |
KR102026419B1 (en) * | 2019-01-25 | 2019-09-27 | 한국화학연구원 | Preparation method of syngas and methanol from landfill gas or bio gas containing methane and carbon dioxide |
JP2019527691A (en) * | 2016-07-26 | 2019-10-03 | ティッセンクルップ インダストリアル ソリューションズ アクツィエンゲゼルシャフトThyssenKrupp Industrial Solutions AG | Method and system for producing methanol |
-
2019
- 2019-10-11 KR KR1020190126200A patent/KR102287865B1/en active IP Right Grant
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101277123B1 (en) * | 2012-09-07 | 2013-06-20 | 한국기초과학지원연구원 | Plasma dry reforming apparatus |
JP2019527691A (en) * | 2016-07-26 | 2019-10-03 | ティッセンクルップ インダストリアル ソリューションズ アクツィエンゲゼルシャフトThyssenKrupp Industrial Solutions AG | Method and system for producing methanol |
KR102026419B1 (en) * | 2019-01-25 | 2019-09-27 | 한국화학연구원 | Preparation method of syngas and methanol from landfill gas or bio gas containing methane and carbon dioxide |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR102536204B1 (en) * | 2023-02-14 | 2023-05-30 | 고등기술연구원연구조합 | Synthesis gas production device and process capable of reducing greenhouse gases that do not capture carbon dioxide |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR102287865B1 (en) | 2021-08-09 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9085497B2 (en) | Conversion of carbon dioxide to hydrocarbons via hydrogenation | |
CN101245262B (en) | Gas-steam combined cycle system and technique based on coal gasification and methanation | |
KR102026419B1 (en) | Preparation method of syngas and methanol from landfill gas or bio gas containing methane and carbon dioxide | |
CN102388005B (en) | Coal is made to become environmentally carbon dioxide-neutral fuel and regenerated carbon source | |
CN105308154B (en) | Sour gas disposal in liquid fuel production method | |
EP2637991B1 (en) | Method and apparatus for the carbon dioxide based methanol synthesis | |
GB2545474A (en) | Integrated system and method for producing methanol product | |
CA2820859A1 (en) | Gasification method for reducing emission of carbon dioxide | |
WO2011112484A1 (en) | Using fossil fuels to increase biomass-based fuel benefits | |
EP2501782A1 (en) | Storage of intermittent renewable energy as fuel using carbon containing feedstock | |
US9663381B2 (en) | Ammonia synthesis for fertilizer production | |
CN101775319A (en) | Method for producing synthetic natural gas SNG from coal and processing installation thereof | |
CN102259835B (en) | Method for purifying and upgrading crude synthesis gas based on molten salt characteristics | |
CN107032954A (en) | The method that methanol and its derivative are produced using underground coal gasification(UCG) product gas | |
WO2022136374A1 (en) | Conversion of carbon dioxide and water to synthesis gas for producing methanol and hydrocarbon products | |
JP4030846B2 (en) | Methanol production method and apparatus | |
KR102287865B1 (en) | Method for preparing methanol from carbon dioxide-containing gas resources comprising dry-reforming of methane by plasma | |
Slimane et al. | Production of hydrogen by superadiabatic decomposition of hydrogen sulfide | |
KR102488300B1 (en) | Chemical Production and Power Generation System using Landfill Gas | |
JP4487175B2 (en) | Method for producing methanol from biomass | |
JP2015189721A (en) | Method of producing natural gas treated product and natural gas treatment plant | |
EP4332200A1 (en) | Synthetic fuel production method | |
EP4328287A1 (en) | Synthetic fuel production method | |
CN105347302B (en) | A kind of method of natural gas conversion production synthesis gas | |
CN104087348A (en) | Gas supply method for supplying gases for formic acid, methanol and synthetic ammonia production techniques by utilizing coal water slurry gasification furnace |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant |