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KR20210125348A - Low temperature process for bio-gas reforming - Google Patents

Low temperature process for bio-gas reforming Download PDF

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KR20210125348A
KR20210125348A KR1020200042950A KR20200042950A KR20210125348A KR 20210125348 A KR20210125348 A KR 20210125348A KR 1020200042950 A KR1020200042950 A KR 1020200042950A KR 20200042950 A KR20200042950 A KR 20200042950A KR 20210125348 A KR20210125348 A KR 20210125348A
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mixed gas
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하정명
구상서
임서연
윤수지
최재욱
서동진
윤영현
양기석
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한국과학기술연구원
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Abstract

According to one embodiment of the present invention, provided is a low-temperature process for bio-gas reforming. The low-temperature process for bio-gas reforming comprises: a first step of introducing a mixture gas including a biogas into a reactor; and a second step of reforming the mixture gas using a catalyst compound to produce a reformed gas. The reformed gas contains methane in an amount greater than that of methane contained in the mixture gas. At least a part of the methane contained in the mixture gas is reformed into a C2 to C4 hydrocarbon compound. The second step is carried out at a temperature of 550-850℃, and the catalyst compound is a metal oxide catalyst including at least one selected from the group consisting of Sr, Ti, La, and Al, or a metal oxide supported catalyst including at least one selected from the group consisting of Na_2WO_4 and Mn.

Description

저온 바이오 가스 개질 공정{LOW TEMPERATURE PROCESS FOR BIO-GAS REFORMING}Low-temperature biogas reforming process {LOW TEMPERATURE PROCESS FOR BIO-GAS REFORMING}

본 발명은 저온에서 바이오 가스를 개질하여 에탄, 프로판 등 탄화수소 화합물을 포함하는 고에너지 기체 연료를 생산하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing high-energy gaseous fuel including hydrocarbon compounds such as ethane and propane by reforming biogas at a low temperature.

바이오가스는 음식물 쓰레기, 하수 슬러지 등 유기물 또는 유기성 폐자원의 혐기성 소화를 통해 생산되는 기체 혼합물로서 메탄(CH4) 50-70%, 이산화탄소(CO2) 30-50%, 및 미량의 황화수소(H2S), 질소(N2), 산소(O2) 등을 포함한다. 바이오가스로부터 이산화탄소, 황화수소 등을 제거한 후 정제된 바이오메탄을 생산할 수 있는데, 이는 LNG 등과 혼합하여 기체 연료로 사용할 수 있다. 바이오가스로부터 얻어지는 바이오메탄은 LNG 등의 연료를 대체할 수 있으나, 메탄 외에 에탄, 프로판 등 파라핀 화합물을 포함하는 천연가스와 비교하여 발열량이 낮아 연료로서의 활용성이 부족할 수 있다. 따라서, 발열량을 높이기 위해 석유나 천연가스에서 유래하는 화합물을 혼합시켜야 기존 천연가스와 유사한 연료 특성을 얻을 수 있다. 따라서, 바이오 가스 주요 성분인 메탄을 개질하기 위한 상업화된 공정이 요구된다.Biogas is a gas mixture produced through anaerobic digestion of organic matter or organic waste resources such as food waste and sewage sludge, methane (CH 4 ) 50-70%, carbon dioxide (CO 2 ) 30-50%, and a trace amount of hydrogen sulfide (H 2 S), nitrogen (N 2 ), oxygen (O 2 ), and the like. After removing carbon dioxide, hydrogen sulfide, and the like from biogas, purified biomethane can be produced, which can be mixed with LNG and used as gaseous fuel. Biomethane obtained from biogas can replace fuels such as LNG, but its calorific value is low compared to natural gas containing paraffin compounds such as ethane and propane in addition to methane, so its utility as a fuel may be insufficient. Therefore, in order to increase the calorific value, it is necessary to mix a compound derived from petroleum or natural gas to obtain fuel properties similar to those of conventional natural gas. Therefore, a commercialized process for reforming methane, which is a major component of biogas, is required.

기존 메탄 전환 공정들은 대부분 메탄을 산화시킨 일산화탄소(CO)를 포함하는 합성가스로부터 다양한 탄화수소 화합물을 생산한다. DME 생산 기술, 피셔트롭쉬 공정과 같은 전통적으로 잘 알려진 화학 공정들이 이렇게 합성가스로부터 dimethyl ether나 알킬탄화수소 등을 생산하는 방법들이다. 해당 공정들은 현재까지 많이 개발되어왔고 상용화된 공정들도 존재하고 있는데, 메탄으로부터 부분산화된 일산화탄소를 생산하여 다른 고부가 화학제품을 생산하는 메탄의 간접 전환 기술이라고 할 수 있다. 이와 달리 메탄을 직접 전환하여 고부가 화학제품을 생산하는 방법 또한 개발되고 있다.Existing methane conversion processes mostly produce various hydrocarbon compounds from syngas containing carbon monoxide (CO) oxidized to methane. Traditionally well-known chemical processes such as the DME production technology and the Fischer-Tropsch process are methods for producing dimethyl ether or alkyl hydrocarbons from syngas. Many of these processes have been developed and commercialized processes exist. It can be said that it is an indirect conversion technology of methane that produces other high value-added chemical products by producing partially oxidized carbon monoxide from methane. On the other hand, a method for directly converting methane to produce high value-added chemicals is also being developed.

다만, 바이오 가스 내부의 환원성 가스인 H2S로 인하여 이러한 탄화수소로의 전환반응공정을 장기간 안정적으로 공정을 운영하기가 어렵다는 단점이 있다. 따라서 반응단계 이전에 H2S를 분리하기 위한 공정이 필수적으로 추가되는데 이는 공정비용의 상승을 유발한다. 이러한 이유로, H2S를 조기에 분리하지 않으면서도 안정적으로 수행될 수 있는 바이오가스 개질 공정이 필요한 실정이다.However, there is a disadvantage in that it is difficult to stably operate the conversion reaction process to hydrocarbons for a long time due to H 2 S, which is a reducing gas in the biogas. Therefore, a process for separating H 2 S before the reaction step is necessarily added, which causes an increase in process cost. For this reason, there is a need for a biogas reforming process that can be stably performed without separating H 2 S at an early stage.

일 측면에서, 본 명세서는 바이오가스에 포함된 메탄을 메탄의 산화이량화 반응을 통해 파라핀, 올레핀을 생산하고, 메탄, 에탄, 에틸렌, 프로판, 프로필렌 등을 포함하는 혼합 기체 연료를 생산하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In one aspect, the present specification provides a method for producing paraffin and olefin through the oxidation dimerization reaction of methane contained in biogas, and producing a mixed gas fuel including methane, ethane, ethylene, propane, propylene, etc. aim to do

다른 측면에서, 본 명세서는 Sr, Ti, La, Al 중 1 이상의 성분을 포함하는 혼합산화물 바이오 가스 전환 반응용 촉매 또는 실리콘 산화물 담체에 Na2WO4, Mn을 포함하는 금속 산화물이 담지된 바이오 가스 전환 반응용 촉매를 제공하는 것을 목적으로 한다.In another aspect, the present specification provides a catalyst for a mixed oxide biogas conversion reaction comprising at least one component of Sr, Ti, La, Al or Na 2 WO 4 , a metal oxide containing Mn-supported biogas on a silicon oxide carrier An object of the present invention is to provide a catalyst for a conversion reaction.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 반응기 내에 바이오 가스를 포함하는 혼합 가스를 투입하는 제1 단계; 촉매 화합물을 이용하여 상기 혼합 가스를 개질하여 개질 가스를 생산하는 제2 단계를 포함하고, 상기 개질 가스는 상기 혼합 가스보다 많은 양의 메탄(CH4)을 포함하고, 상기 혼합 가스에 포함된 메탄 중 적어도 일부는 C2 내지 C4의 탄화수소 화합물로 개질되고, 상기 제2 단계는 550℃ 내지 850℃에서 수행되고, 상기 촉매 화합물은 Sr, Ti, La, Al으로 이루어진 군에서 적어도 하나 이상을 포함하는 금속 산화물 촉매 또는 Na2WO4, Mn으로 이루어진 군에서 적어도 하나 이상을 포함하는 금속 산화물 담지 촉매인, 저온 바이오 가스 개질 공정이 제공된다.According to an embodiment of the present invention, a first step of introducing a mixed gas containing biogas into the reactor; and a second step of reforming the mixed gas using a catalyst compound to produce a reformed gas, wherein the reformed gas includes a greater amount of methane (CH 4 ) than the mixed gas, and methane included in the mixed gas At least a portion of the C2 to C4 hydrocarbon compound is reformed, the second step is performed at 550° C. to 850° C., and the catalyst compound is a metal containing at least one or more from the group consisting of Sr, Ti, La, and Al. A low-temperature biogas reforming process is provided, which is an oxide catalyst or a metal oxide supported catalyst including at least one from the group consisting of Na 2 WO 4 and Mn.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 혼합 가스는 메탄(CH4)을 혼합 가스 전체 부피에 대하여 50 부피% 내지 70 부피% 포함하고, 상기 제2 단계 후 상기 혼합 가스에 포함된 메탄의 1 부피% 내지 10 부피%는 C2 내지 C4의 탄화수소 화합물, 일산화탄소, 및 이산화탄소에서 선택되는 적어도 하나로 전환되는, 저온 바이오 가스 개질 공정이 제공된다.According to an embodiment of the present invention, the mixed gas contains methane (CH 4 ) 50% to 70% by volume based on the total volume of the mixed gas, and 1 volume of methane included in the mixed gas after the second step % to 10% by volume is converted to at least one selected from a C2 to C4 hydrocarbon compound, carbon monoxide, and carbon dioxide, a low-temperature biogas reforming process is provided.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 혼합 가스는 황화수소(H2S)를 포함하고, 상기 바이오 가스 및 상기 혼합 가스는 황화수소 제거 공정 없이 제2 단계에 제공되는, 저온 바이오 가스 개질 공정이 제공된다.According to an embodiment of the present invention, the mixed gas includes hydrogen sulfide (H 2 S), and the biogas and the mixed gas are provided in the second step without a hydrogen sulfide removal process, a low-temperature biogas reforming process is provided. .

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 단계에서 개질 반응은 1,000 내지 30,000 h-1의 기체공간속도(Gas Hourly Space Velocity, GHSV)에서 실시하는 것인, 저온 바이오 가스 개질 공정이 제공된다.According to an embodiment of the present invention, the reforming reaction in the second step is performed at a gas Hourly Space Velocity (GHSV) of 1,000 to 30,000 h -1 , a low-temperature biogas reforming process is provided.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 촉매 화합물은 란타늄 알루미늄 산화물(LAO), 스트론튬 타이타늄 산화물(STO), 나트륨 텅스테이트-망간-실리카겔(NWM)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상을 포함하는, 저온 바이오 가스 개질 공정이 제공된다.According to an embodiment of the present invention, the catalyst compound comprises at least one selected from the group consisting of lanthanum aluminum oxide (LAO), strontium titanium oxide (STO), sodium tungstate-manganese-silica gel (NWM), A low temperature biogas reforming process is provided.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 촉매 화합물은 전구체 상태로 제공되며, 상기 제2 단계에서 500℃ 이상의 온도에서 적어도 일부가 알파-크리스토발라이트(alpha-cristobalite) 결정 구조를 갖는, 저온 바이오 가스 개질 공정이 제공된다.According to an embodiment of the present invention, the catalyst compound is provided in a precursor state, and in the second step, at least some of it has an alpha-cristobalite crystal structure at a temperature of 500° C. or higher, a low-temperature biogas reforming process this is provided

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 촉매 화합물은 전구체 상태로 제공되며, 상기 제2 단계에서 500℃ 이상의 온도에서 적어도 일부가 페브로스카이트(perovskite) 결정 구조를 갖는 형태로 변화되어 개질 반응에 참여하는, 저온 바이오 가스 개질 공정이 제공된다.According to an embodiment of the present invention, the catalyst compound is provided in a precursor state, and in the second step, at least a portion is changed to a form having a perovskite crystal structure at a temperature of 500° C. or higher to participate in the reforming reaction. A low-temperature biogas reforming process is provided.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 촉매 화합물은 0.18 mL 내지 0.54 mL의 부피를 갖도록 제공되는, 저온 바이오 가스 개질 공정이 제공된다.According to an embodiment of the present invention, the low-temperature biogas reforming process is provided, wherein the catalyst compound is provided to have a volume of 0.18 mL to 0.54 mL.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 제2 단계 수행 후 C2 내지 C4의 탄화수소 화합물을 분리하는 제3 단계를 더 포함하는, 저온 바이오 가스 개질 공정이 제공된다.According to an embodiment of the present invention, there is provided a low-temperature biogas reforming process, further comprising a third step of separating C2 to C4 hydrocarbon compounds after performing the second step.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 단계에서 상기 바이오 가스와 추가 산소를 혼합하고,According to an embodiment of the present invention, the biogas and additional oxygen are mixed in the first step,

상기 바이오 가스와 추가 산소의 부피 비는 10:1 내지 15:1인, 저온 바이오 가스 개질 공정이 제공된다.The volume ratio of the biogas and additional oxygen is 10:1 to 15:1, a low-temperature biogas reforming process is provided.

일 측면에서, 본 명세서에 개시된 기술은 상기 바이오 가스 개질용 촉매를 이용하여 700℃ 이하의 저온 온도조건에서 높은 수율로 메탄으로부터 2개 이상의 탄소 원자를 포함하는 탄화수소 화합물을 제조하는 바이오 가스 전환 반응 방법을 제공하는 효과가 있다.In one aspect, the technology disclosed herein is a biogas conversion reaction method for producing a hydrocarbon compound containing two or more carbon atoms from methane in a high yield at a low temperature condition of 700° C. or less using the catalyst for biogas reforming has the effect of providing

다른 측면에서, 본 명세서에 개시된 기술은 Sr, Ti, La, Al 중 1 이상의 성분을 포함하는 혼합산화물 바이오 가스 전환 반응용 촉매 또는 실리콘 산화물 담체에 Na2WO4, Mn을 포함하는 금속 산화물이 담지된 바이오 가스 전환 반응용 촉매를 제공하는 효과가 있다.In another aspect, the technology disclosed herein is a catalyst for a mixed oxide biogas conversion reaction comprising at least one component of Sr, Ti, La, Al or Na 2 WO 4 , a metal oxide including Mn is supported on a silicon oxide carrier. It has the effect of providing a catalyst for the biogas conversion reaction.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 가스 개질 공정을 간략히 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 가스 개질 공정을 나타낸 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오가스 전환 반응 또는 메탄 산화이량화 반응의 바이오가스 반응물과 고에너지 혼합 기체 연료 생성물의 구성을 도식화한 것이다.
1 is a block diagram schematically illustrating a biogas reforming process according to an embodiment of the present invention.
2 is a flowchart illustrating a biogas reforming process according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic view of the composition of a biogas reactant and a high-energy mixed gas fuel product of a biogas conversion reaction or methane oxidation dimerization reaction according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Since the present invention can have various changes and can have various forms, specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to the specific disclosed form, it should be understood to include all modifications, equivalents and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 저온 조건에서 바이오 가스를 높은 발열량을 가진 가스 원료로 개질할 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 공정은 별도의 황화수소 제거 공정 없이 수행될 수 있기 때문에, 공정 효율이 우수하다.According to an embodiment of the present invention, biogas can be reformed into a gas raw material having a high calorific value under low temperature conditions. In particular, since the process according to the present invention can be performed without a separate hydrogen sulfide removal process, the process efficiency is excellent.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 가스 개질 공정을 간략히 나타낸 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 가스 개질 공정을 나타낸 순서도이다.1 is a block diagram schematically illustrating a biogas reforming process according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a flowchart illustrating a biogas reforming process according to an embodiment of the present invention.

도 1 및 도 2를 참고하면, 저온 바이오 가스 개질 공정은 바이오 가스를 포함하는 혼합 가스를 투입하는 제1 단계(S100), 및 촉매 화합물을 이용하여 혼합 가스를 개질하는 제2 단계(S200)를 포함한다.1 and 2, the low-temperature biogas reforming process includes a first step (S100) of introducing a mixed gas containing biogas, and a second step (S200) of reforming the mixed gas using a catalyst compound. include

먼저, 제1 단계(S100)에서는 반응기(RT) 내부로 바이오 가스(B_G)를 포함하는 혼합 가스가 투입된다.First, in the first step ( S100 ), a mixed gas including biogas (B_G) is introduced into the reactor (RT).

바이오 가스(B_G)는 유기물 및 유기성 폐자원 등의 혐기성 소화를 통해 얻어지는 기체 혼합물일 수 있다. 예를 들어, 바이오 가스(B_G)는 가수분해, 산 생성, 아세트산 생성, 및 메탄 생성 단계를 거쳐 생성된, 메탄을 다량 포함하는 기체 혼합물일 수 있다.Biogas (B_G) may be a gas mixture obtained through anaerobic digestion of organic matter and organic waste resources. For example, biogas (B_G) may be a gas mixture containing a large amount of methane, which is produced through hydrolysis, acid production, acetic acid production, and methanogenesis steps.

바이오 가스(B_G) 제조 공정 중 가수분해 단계는 복합적으로 결합되어 있는 탄수화물, 단백질, 지방 등의 원료 기질이 아미노산, 단당류, 및 지방산 등의 단순한 유기 결합물로 분리되는 단계일 수 있다. 가수분해는 가수분해 박테리아에서 방출된 효소에 의해 진행될 수 있다. 다음으로 산 생성 단계는 가수분해 단계에서 생성된 중간 물질이 산 생성균에 의해 저급 지방산인 아세트산, 프로판산, 부탄산과 이산화탄소, 수소로 전환되는 과정이다. 이때 소량의 유산과 알코올이 함께 생성될 수 있다. 다음으로, 아세트산 생성 단계는 산 생성 단계에서 생성된 저급 지방산이 아세트산 생성균에 의해 바이오 가스를 생성할 수 있는 반응물인 아세트산, 수소, 및 이산화탄소로 전환되는 과정을 의미한다. 마지막으로, 메탄 생성 단계는 아세트산, 수소, 및 이산화탄소가 혐기성 메탄 생성 고균에 의해 메탄으로 전환되는 과정을 의미한다.The hydrolysis step in the biogas (B_G) manufacturing process may be a step in which complexly bound raw materials such as carbohydrates, proteins, and fats are separated into simple organic compounds such as amino acids, monosaccharides, and fatty acids. Hydrolysis can proceed by enzymes released from hydrolyzing bacteria. Next, the acid production step is a process in which the intermediate material produced in the hydrolysis step is converted into lower fatty acids such as acetic acid, propanoic acid, butanoic acid, carbon dioxide, and hydrogen by acid producing bacteria. At this time, small amounts of lactic acid and alcohol may be formed together. Next, the acetic acid production step refers to a process in which the lower fatty acids generated in the acid production step are converted into acetic acid, hydrogen, and carbon dioxide, which are reactants capable of producing biogas by the acetic acid producing bacteria. Finally, the methanogenic step refers to a process in which acetic acid, hydrogen, and carbon dioxide are converted to methane by anaerobic methanogenic bacteria.

바이오 가스(B_G)는 상술한 과정을 거쳐 생성된 후 반응기(RT)로 공급될 수 있다. 따라서, 반응기(RT)는 바이오 가스(B_G)를 공급받기 위하여, 바이오 가스 생성 반응기와 연결될 수 있다. 바이오 가스 생성 반응기에는 유기물 및 유기성 폐자원 등이 공급되고, 공급된 유기물 및 유기성 폐자원 등이 상술한 각 단계를 거쳐 바이오 가스(B_G)가 생성될 수 있다.Biogas (B_G) may be supplied to the reactor (RT) after being generated through the above-described process. Accordingly, the reactor RT may be connected to the biogas generating reactor in order to receive the biogas B_G. Organic matter and organic waste resources are supplied to the biogas generating reactor, and biogas (B_G) may be generated through the above-described steps of the supplied organic matter and organic waste resources.

바이오 가스(B_G)는 메탄(CH4), 이산화탄소(CO2), 황화수소(H2S), 질소(N2), 산소(O2) 등을 포함할 수 있다. 바이오 가스(B_G)는 특히 메탄(CH4) 및 이산화탄소(CO2)를 다량 함유할 수 있다. 구체적으로, 바이오 가스(B_G)는 부피 비로 약 50 부피% 내지 약 70 부피%의 메탄을 포함할 수 있다. 또한, 약 30 부피% 내지 약 50 부피%의 이산화탄소를 포함할 수 있다.Biogas (B_G) may include methane (CH 4 ), carbon dioxide (CO 2 ), hydrogen sulfide (H 2 S), nitrogen (N 2 ), oxygen (O 2 ), and the like. Biogas (B_G), in particular, may contain a large amount of methane (CH 4 ) and carbon dioxide (CO 2 ). Specifically, the biogas (B_G) may include about 50% by volume to about 70% by volume of methane by volume. In addition, it may contain about 30% by volume to about 50% by volume of carbon dioxide.

바이오 가스(B_G)는 상술한 것과 같이 다량의 메탄을 포함하고 있다. 메탄은 가연성 기체로서 쉽게 연소될 수 있다. 따라서, 메탄을 다량 포함하는 바이오 가스(B_G)는 연료로 사용될 수 있다. 다만, 메탄은 발열량에 비하여 부피가 크기 때문에 경제성이 떨어진다는 문제가 있다. 이에 따라, 메탄을 탄소수가 더 많은 탄화수소로 바꾸는 개질 반응을 수행함으로써, 개질된 가스의 발열량을 높일 수 있다.Biogas (B_G) contains a large amount of methane as described above. Methane is a combustible gas that can be easily combusted. Therefore, biogas (B_G) containing a large amount of methane can be used as a fuel. However, there is a problem in that methane is economical because its volume is large compared to the calorific value. Accordingly, by performing a reforming reaction in which methane is converted into a hydrocarbon having more carbon number, the calorific value of the reformed gas may be increased.

바이오 가스(B_G)에 수행되는 상술한 개질 반응은 예를 들어 메탄의 산화 이량화 반응일 수 있다. 메탄의 산화이량화 반응은 메탄으로부터 에탄, 에틸렌, 프로판, 프로필렌 등 두개 이상의 탄소를 포함하는 파라핀, 올레핀 등을 생산하는 반응을 의미할 수 있다. 탄소 수가 2 이상인 탄화수소 (C2+ 탄화수소)는 높은 고위 발열량 값을 가지고 있어 첨가제 없이 바이오 가스(B_G)를 단독으로 연료화 하는데 도움을 줄 수 있다. 그러나 바이오 가스(B_G) 내부의 환원성 가스인 황화수소(H2S)로 인하여 이러한 탄화 수소로의 전환반응이 저해된다. 따라서 바이오 가스(B_G)를 상기 메탄의 산화 이량화 반응의 반응물로 사용하여 탄화수소를 생산하는 것은 문제점이 있고, 상기 탄화수소의 선택도 및 수율은 이를 소폭 증가시키는 데에도 많은 기술적 어려움을 동반한다.The above-described reforming reaction performed on the biogas (B_G) may be, for example, an oxidation dimerization reaction of methane. The oxidation dimerization reaction of methane may refer to a reaction for producing paraffins, olefins, etc. including two or more carbons such as ethane, ethylene, propane, and propylene from methane. Hydrocarbons with 2 or more carbon atoms (C 2+ hydrocarbons) have high high calorific value, which can help fuel biogas (B_G) alone without additives. However, the conversion reaction to hydrocarbons is inhibited due to hydrogen sulfide (H 2 S), which is a reducing gas inside the biogas (B_G). Therefore, there is a problem in producing hydrocarbons using biogas (B_G) as a reactant of the oxidative dimerization reaction of methane, and the selectivity and yield of the hydrocarbons are accompanied by many technical difficulties even in slightly increasing them.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 바이오 가스(B_G)의 개질 반응을 황화 수소 제거 없이 반응기 내에서 곧바로 수행할 수 있기 때문에 공정 효율이 우수하다. 또한, 공정이 저온에서 수행되기 때문에 공정 비용이 절감될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, since the reforming reaction of biogas (B_G) can be performed directly in the reactor without removing hydrogen sulfide, process efficiency is excellent. In addition, since the process is performed at a low temperature, the process cost can be reduced.

바이오 가스(B_G)의 상술한 개질 반응은 반응기(RT) 내에 제공된 촉매 화합물(CAT)이 참여하여 수행될 수 있다. 구체적으로, 제2 단계(S200)에서 촉매 화합물(CAT)을 이용하여 혼합 가스를 개질하여 개질 가스를 생성한다.The above-described reforming reaction of the biogas (B_G) may be performed with the participation of the catalyst compound (CAT) provided in the reactor (RT). Specifically, in the second step ( S200 ), the mixed gas is reformed using the catalyst compound (CAT) to generate the reformed gas.

촉매 화합물(CAT)은 바이오 가스(B_G)의 개질 반응을 촉진한다. 예를 들어, 촉매 화합물(CAT)은 바이오 가스(B_G) 내에 포함된 메탄이 C2 내지 C4의 탄화수소 화합물로 전환될 수 있도록 반응을 촉진한다.The catalyst compound (CAT) promotes the reforming reaction of biogas (B_G). For example, the catalyst compound (CAT) promotes the reaction so that methane contained in the biogas (B_G) can be converted into a C2 to C4 hydrocarbon compound.

촉매 화합물(CAT)은 예를 들어, 아래의 반응 중 적어도 하나의 반응의 활성화 에너지를 낮추어, 반응이 보다 쉽게 수행될 수 있도록 할 수 있다.The catalyst compound (CAT) may, for example, lower the activation energy of at least one of the reactions below, so that the reaction can be carried out more easily.

2CH4

Figure pat00001
C2H4 + 2H2 G0 (1000K) = 40 kJ/mol2CH 4
Figure pat00001
C 2 H 4 + 2H 2 G 0 (1000K) = 40 kJ/mol

2C2H4

Figure pat00002
C2H6 + H2 G0 (1000K) = 36 kJ/mol2C 2 H 4
Figure pat00002
C 2 H 6 + H 2 G 0 (1000K) = 36 kJ/mol

2CH4 + O2

Figure pat00003
C2H4 + 2H2O G0 (1000K) = -152 kJ/mol2CH 4 + O 2
Figure pat00003
C 2 H 4 + 2H 2 O G 0 (1000K) = -152 kJ/mol

2C2H4 + O2

Figure pat00004
C2H6 + H2O G0 (1000K) = -61 kJ/mol2C 2 H 4 + O 2
Figure pat00004
C 2 H 6 + H 2 O G 0 (1000K) = -61 kJ/mol

촉매 화합물(CAT)은 Sr, Ti, La, Al 중 1 이상의 성분을 포함하는 혼합산화물 촉매 또는 실리콘 산화물 담체; 및 상기 담체에 담지된 촉매성분을 포함하고, 상기 촉매 성분은 망간 산화물과 나트륨 텅스테이트를 포함하는 담지 촉매일 수 있다. 상술한 촉매 화합물(CAT)은 저온에서 황화수소(H2S) 제거 없이 메탄의 산화 이량화 반응이 수행될 수 있도록 한다.The catalyst compound (CAT) may include a mixed oxide catalyst or silicon oxide carrier including at least one component of Sr, Ti, La, and Al; and a catalyst component supported on the carrier, wherein the catalyst component may be a supported catalyst comprising manganese oxide and sodium tungstate. The above-described catalyst compound (CAT) enables the oxidative dimerization reaction of methane to be performed at low temperature without removing hydrogen sulfide (H 2 S).

촉매 화합물(CAT)은 전구체 상태로 제공되며, 약 500 ℃ 이상의 온도에서 혼합산화물의 전부 또는 일부는 페로브스카이트(perovskite) 결정 구조를 갖는 것일 수 있다. 이 경우, 촉매 화합물(CAT)은 혼합 산화물 촉매일 수 있으며, 상기 혼합산화물 촉매는 전구체 상태에서는 구조나 결정성을 특정하지 않으며, 약 500 ℃ 이상의 온도에서 혼합산화물의 전부 또는 일부는 페로브스카이트(perovskite) 결정 구조를 갖는 것일 수 있다. 구체적으로, 페로브스카이트 결정은 활성 지지체로 알칼리 금속 산화물을 담지할 수 있다. 이러한 촉매는 저온에서 높은 반응 활성을 보인다.The catalyst compound (CAT) is provided in a precursor state, and all or part of the mixed oxide may have a perovskite crystal structure at a temperature of about 500° C. or higher. In this case, the catalyst compound (CAT) may be a mixed oxide catalyst, and the mixed oxide catalyst does not specify a structure or crystallinity in a precursor state, and at a temperature of about 500° C. or higher, all or part of the mixed oxide is perovskite. It may have a (perovskite) crystal structure. Specifically, the perovskite crystal may support an alkali metal oxide as an active support. These catalysts show high reaction activity at low temperatures.

촉매 화합물(CAT)은 전구체 상태로 제공되며, 약 500℃ 이상의 온도에서 실리콘 산화물의 전부 또는 일부는 알파-크리스토발라이트(alpha-cristobalite) 결정 구조를 갖는 것일 수 있다. 이 경우 촉매 화합물(CAT)은 실리콘 산화물을 포함할 수 있으며, 상기 실리콘 산화물은 전구체 상태에서는 기공 구조나 결정성을 특정하지 않으며, 약 500℃ 이상의 온도에서 실리콘 산화물의 전부 또는 일부는 알파-크리스토발라이트(alpha-cristobalite) 결정 구조를 가질 수 있다. 제2 단계(S200)의 반응 온도에서 촉매 화합물(CAT)이 알파-크리스토발라이트 결정 구조를 가짐으로써, 상대적으로 저온인 반응 온도에서도 높은 수율로 바이오 가스 개질 반응, 예를 들어, 메탄 산화이량화 반응이 수행될 수 있다.The catalyst compound (CAT) is provided in a precursor state, and at a temperature of about 500° C. or higher, all or part of the silicon oxide may have an alpha-cristobalite crystal structure. In this case, the catalyst compound (CAT) may include silicon oxide, and the silicon oxide does not specify a pore structure or crystallinity in a precursor state, and all or part of the silicon oxide is alpha-cristobalite ( alpha-cristobalite) crystal structure. At the reaction temperature of the second step (S200), the catalyst compound (CAT) has an alpha-cristobalite crystal structure, so that the biogas reforming reaction, for example, methane oxidation dimerization reaction, is performed at a high yield even at a relatively low reaction temperature. can be

촉매 화합물(CAT)은 촉매 화합물(CAT) 총 중량에 대해 금속 산화물 0.1 내지 5 중량%, 3 내지 5 중량% 또는 1 내지 3 중량%를 포함하는 것일 수 있다. 다른 예시적인 일 구현예에서, 상기 촉매 화합물(CAT)은 촉매 화합물(CAT) 총 중량에 대해 금속 산화물 0.01 중량% 이상, 0.1 중량% 이상, 1 중량% 이상, 2 중량% 이상, 3 중량% 이상, 4 중량% 이상, 또는 5 중량% 이상이면서 5 중량% 이하, 4 중량% 이하, 3 중량% 이하, 2 중량% 이하, 또는 1 중량% 이하의 양을 포함하는 것일 수 있다.The catalyst compound (CAT) may include 0.1 to 5 wt%, 3 to 5 wt%, or 1 to 3 wt% of the metal oxide based on the total weight of the catalyst compound (CAT). In another exemplary embodiment, the catalyst compound (CAT) is 0.01 wt% or more, 0.1 wt% or more, 1 wt% or more, 2 wt% or more, 3 wt% or more, based on the total weight of the catalyst compound (CAT) , 4 wt% or more, or 5 wt% or more and 5 wt% or less, 4 wt% or less, 3 wt% or less, 2 wt% or less, or 1 wt% or less.

촉매 화합물(CAT)은 약 0.18 mL 내지 약 0.54 mL의 부피를 갖도록 제공될 수 있다. 촉매 화합물(CAT)은 유동 촉매 베드 형태로 제공될 수 있다. 상술한 범위로 촉매 화합물(CAT)이 제공됨으로써 높은 효율로 반응을 시키는 것이 가능하다.The catalyst compound (CAT) may be provided to have a volume of about 0.18 mL to about 0.54 mL. The catalyst compound (CAT) may be provided in the form of a fluidized catalyst bed. By providing the catalyst compound (CAT) in the above-mentioned range, it is possible to react with high efficiency.

촉매 화합물(CAT)과 바이오 가스(B_G)의 반응을 위하여 추가 가스 반응물(AR_G)이 반응기(RT) 내로 공급될 수 있다. For the reaction of the catalyst compound (CAT) and the biogas (B_G), an additional gas reactant (AR_G) may be supplied into the reactor (RT).

추가 가스 반응물(AR_G)은 예를 들어, 메탄 산화이량화 반응에 참여하는 추가 산소일 수 있다. 추가 산소는 바이오 가스에 대하여 부피 비로 약 10:1 내지 약 15:1의 비율로 공급될 수 있다. 추가 산소가 바이오 가스에 대하여 부피 비로 약 10:1 보다 많이 공급되는 경우, 메탄의 산화 반응이 촉진되어 메탄이 C2-C4의 탄화수소로 전환되기 보다는 이산화탄소 또는 일산화탄소로 전환되는 양이 많아질 수 있다. 또한, 추가 산소가 바이오 가스에 대하여 부피 비로 약 15:1 보다 적게 공급되는 경우, 메탄 산화이량화 반응이 충분히 발생하지 못할 수 있다.The additional gas reactant AR_G may be, for example, additional oxygen participating in the methane oxidative dimerization reaction. Additional oxygen may be supplied in a ratio of about 10:1 to about 15:1 by volume to biogas. When the additional oxygen is supplied in a volume ratio of more than about 10:1 with respect to the biogas, the oxidation reaction of methane is accelerated, so that the amount of methane converted to carbon dioxide or carbon monoxide may be increased rather than converted to C2-C4 hydrocarbons. In addition, when the additional oxygen is supplied in a volume ratio of less than about 15:1 with respect to the biogas, the methane oxidation dimerization reaction may not sufficiently occur.

추가 가스 반응물(AR_G)은 산소 외에 다양한 기체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 질소, 아르곤 등의 비활성 기체를 포함할 수도 있다.The additional gas reactant AR_G may include various gases other than oxygen. For example, it may contain an inert gas such as nitrogen or argon.

반응기(RT)는 다양한 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 반응기(RT)는 연속교반탱크 반응기(CSTR), 플러그 흐름 반응기(PFR), 유동 베드 촉매 반응기 등 다양한 형태로 제공될 수 있다.The reactor RT may have various shapes. For example, the reactor (RT) may be provided in various forms, such as a continuously stirred tank reactor (CSTR), a plug flow reactor (PFR), a fluidized bed catalytic reactor, and the like.

제2 단계(S200)에서 반응은 약 550℃ 내지 약 850℃에서 수행될 수 있다. 상술한 온도 범위는 종래 기술에 따른 공정 온도보다 낮은 범위이다. 특히 개질 반응이 메탄 산화이량화 반응인 경우, 종래 기술에 따르면 상대적으로 높은 공정 온도를 필요로 했다. 공정의 온도를 높일 경우, 반응 속도는 높일 수 있으나, 고온에서 촉매가 변성될 수 있어 장기간 안정적으로 공정을 운영하기 어렵다. 또한, 반응기를 고온으로 유지하는데 많은 비용이 소모되기 때문에 공정 비용이 대폭 증가한다. 본 발명에 따르면 저온에서도 높은 효율로 바이오 가스(B_G)를 개질하여 발열량이 높은 개질 가스(RF_G)를 생산할 수 있다.In the second step (S200), the reaction may be carried out at about 550 °C to about 850 °C. The above-mentioned temperature range is lower than the process temperature according to the prior art. In particular, when the reforming reaction is a methane oxidation dimerization reaction, a relatively high process temperature is required according to the prior art. When the temperature of the process is increased, the reaction rate can be increased, but it is difficult to stably operate the process for a long period of time because the catalyst may be denatured at high temperatures. In addition, since a large amount of cost is consumed to maintain the reactor at a high temperature, the process cost is greatly increased. According to the present invention, the reformed gas (RF_G) having a high calorific value can be produced by reforming the biogas (B_G) with high efficiency even at a low temperature.

제2 단계(S200)에서 반응 온도는 경우에 따라 약 550℃ 내지 약 600℃일 수 있다. 상술한 경우 개질 반응의 수율은 다소 저하될 수 있으나, 보다 낮은 범위에서 반응을 수행할 수 있으므로 반응기 설계, 공정 비용 등에서 큰 이득이 있다.In the second step (S200), the reaction temperature may be about 550 °C to about 600 °C in some cases. In the above case, the yield of the reforming reaction may be slightly lowered, but since the reaction can be performed in a lower range, there is a great advantage in reactor design, process cost, and the like.

제2 단계(S200)에서, 상기 제2 단계에서 개질 반응은 1,000 내지 30,000 h-1의 기체공간속도(Gas Hourly Space Velocity, GHSV)에서 실시하는 것일 수 있다. 상술한 기체공간속도 범위에서 반응을 수행함으로써, 반응기 내에서 충분히 개질 반응을 수행하면서도 반응물의 공급, 생성물의 배출이 지체되지 않도록 할 수 있다. 따라서 상술한 범위에서 공정을 운영함으로써 공정 효율을 높일 수 있다.In the second step (S200), the reforming reaction in the second step may be carried out at a gas hourly space velocity (GHSV) of 1,000 to 30,000 h -1 . By performing the reaction in the above-described gas space velocity range, it is possible to ensure that the supply of reactants and discharge of the product are not delayed while sufficiently performing the reforming reaction in the reactor. Therefore, it is possible to increase process efficiency by operating the process within the above-described range.

제2 단계(S200) 수행 후 생산된 개질 가스(RF_G)는 혼합 가스에 포함된 메탄 중 적어도 일부가 C2 내지 C4의 탄화수소 화합물로 전환된 기체 화합물일 수 있다.The reformed gas RF_G produced after performing the second step S200 may be a gaseous compound in which at least a portion of methane included in the mixed gas is converted into a C2 to C4 hydrocarbon compound.

제2 단계(S200)에서 바이오 가스(B-G) 및 혼합 가스는 황화수소 제거 공정 없이 제2 단계(S200)에 제공된다. 바이오 가스(B_G)에 포함된 황화수소를 제거하는데 필요한 흡착제 또는 제거를 위한 공정을 생략할 수 있기 때문에 공정 효율이 향상된다. 본 발명에 따르면, 촉매 화합물(CAT)에 의해 혼합 가스를 개질하는 과정에서 황화수소가 제거될 수 있다.In the second step (S200), the biogas (B-G) and the mixed gas are provided in the second step (S200) without a hydrogen sulfide removal process. Since the process for the removal or the adsorbent required to remove the hydrogen sulfide contained in the biogas (B_G) can be omitted, the process efficiency is improved. According to the present invention, hydrogen sulfide may be removed in the process of reforming the mixed gas by the catalyst compound (CAT).

제2 단계(S200) 수행 후 C2 내지 C4의 탄화수소 화합물을 분리하는 제3 단계를 더 포함할 수 있다. 분리된 탄화수소 화합물은 추가 정제 공정, 중합 공정 등 다양한 공정에 사용될 수 있다.After performing the second step (S200), a third step of separating C2 to C4 hydrocarbon compounds may be further included. The separated hydrocarbon compound may be used in various processes, such as further purification processes and polymerization processes.

개질 가스(RF_G)는 구체적으로 혼합 가스에 포함된 메탄의 약 1 부피% 내지 약 10 부피%는 C2 내지 C4의 탄화수소 화합물, 일산화탄소, 및 이산화탄소에서 선택되는 적어도 하나로 전환된 것일 수 있다. 이하에서 개질 가스(RF_G)에 대하여 더 자세히 살펴보고자 한다.The reformed gas (RF_G) may be one in which about 1% to about 10% by volume of methane included in the mixed gas is converted to at least one selected from a C2 to C4 hydrocarbon compound, carbon monoxide, and carbon dioxide. Hereinafter, the reformed gas RF_G will be described in more detail.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오가스 전환 반응 또는 메탄 산화이량화 반응의 바이오가스 반응물과 고에너지 혼합 기체 연료 생성물의 구성을 도식화한 것이다.3 is a schematic view of the composition of a biogas reactant and a high-energy mixed gas fuel product of a biogas conversion reaction or methane oxidation dimerization reaction according to an embodiment of the present invention.

예시적인 일 구현예에서, 바이오가스는 메탄(CH4) 50-70%, 이산화탄소(CO2) 30-50%, 및 10% 미만의 질소(N2), 산소(O2), 황화수소(H2S) 등을 포함하는 혼합물일 수 있다.In one exemplary embodiment, the biogas is methane (CH 4 ) 50-70%, carbon dioxide (CO 2 ) 30-50%, and less than 10% nitrogen (N 2 ), oxygen (O 2 ), hydrogen sulfide (H) 2 S) and the like.

바이오가스 개질 반응 후 생성된 탄화수소 생성물은 부피비로 메탄 80-100%, 파라핀 및 올레핀 1-20%일 수 있다.The hydrocarbon product produced after the biogas reforming reaction may be 80-100% methane, 1-20% paraffin and olefin by volume ratio.

예시적인 일 구현예에서, 상기 바이오가스 전환 반응의 생성물은 에탄(C2H6), 에틸렌(C2H4), 아세틸렌(C2H2), 프로판(C3H8) 또는 프로필렌(C3H6)으로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상을 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, the product of the biogas conversion reaction is ethane (C 2 H 6 ), ethylene (C 2 H 4 ), acetylene (C 2 H 2 ), propane (C 3 H 8 ) or propylene (C 3 H 6 ) It may include one or more selected from the group consisting of.

상술한 것과 같이 바이오 가스가 개질됨으로써 생성된 개질 가스의 발열량이 향상될 수 있다. 개질 가스는 바이오 가스 또는 혼합 가스보다 발열량이 높을 수 있다. 예를 들어, 개질 가스는 발열량이 약 9500 kcal/Nm3 내지 약 11000 kcal/Nm3일 수 있다.As described above, the calorific value of the reformed gas generated by reforming the biogas may be improved. The reformed gas may have a higher calorific value than biogas or mixed gas. For example, the reformed gas may have a calorific value of about 9500 kcal/Nm 3 to about 11000 kcal/Nm 3 .

상술한 것과 같이 바이오 가스를 개질하여 발열량이 우수한 개질 가스를 생산할 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 공정은 원료 바이오 가스에 대한 전처리 없이 바로 수행할 수 있다. 앞서 서술한 것과 같이 종래 기술에 따르면 바이오 가스 개질 공정 이전에 황 화합물을 제거하는 공정이 필요하였다. 그러나, 본 발명에 따르면 황 화합물을 포함하는 피드로부터 발열량이 높도록 개질된 가스를 생산할 수 있다.As described above, by reforming the biogas, a reformed gas having excellent calorific value may be produced. In particular, the process according to the present invention can be directly performed without pretreatment of the raw biogas. As described above, according to the prior art, a process for removing sulfur compounds was required before the biogas reforming process. However, according to the present invention, it is possible to produce a modified gas so as to have a high calorific value from a feed containing a sulfur compound.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. These examples are only for illustrating the present invention, and it will be apparent to those of ordinary skill in the art that the scope of the present invention is not to be construed as being limited by these examples.

제조예 1. 란타늄 알루미늄 산화물 (LAO) 촉매의 제조법Preparation Example 1. Preparation of Lanthanum Aluminum Oxide (LAO) Catalyst

에틸렌 글라이콜 (ethylene glycol) 14 mL와 알루미늄 클로라이드 육수화물 (aluminium chloride hexahydrate) 6.2 g을 혼합하고 약 1시간 동안 교반을 진행한다. 증류수 20 mL와 시트르산 (citric acid) 19.3 g을 넣어주고 약 1시간씩 각각 교반을 진행하도록 한다. 란타넘 클로라이드 칠수화물(lanthanum chloride heptahydrate) 9.4 g을 혼합하여 약 12 내지 15시간 동안 교반한다. 상기 제조한 젤 형태의 혼합용액은 24시간 동안 250

Figure pat00005
에서 공기 분위기 하에서 건조한 다음 900
Figure pat00006
에서 5시간 동안 소성하여 제조하였다.14 mL of ethylene glycol and 6.2 g of aluminum chloride hexahydrate are mixed and stirred for about 1 hour. 20 mL of distilled water and 19.3 g of citric acid are added, and each is stirred for about 1 hour. 9.4 g of lanthanum chloride heptahydrate is mixed and stirred for about 12 to 15 hours. The prepared mixed solution in the form of a gel is 250 for 24 hours.
Figure pat00005
then dried under an air atmosphere at 900
Figure pat00006
It was prepared by calcination for 5 hours.

제조예 2. 스트론튬 타이타늄 산화물 (STO) 촉매의 제조법Preparation Example 2. Preparation of Strontium Titanium Oxide (STO) Catalyst

에틸렌 글라이콜 (ethylene glycol) 14 mL와 티타늄 부톡사이드 (titanium butoxide) 8.8 mL를 혼합하고 약 1시간 동안 교반을 진행한다. 증류수 20 mL와 시트르산 (citric acid) 19.3 g을 넣어주고 약 1시간씩 각각 교반을 진행하도록 한다. 스트론튬 클로라이드 육수화물(strontium chloride hexahydrate) 6.7 g을 혼합하여 약 12 내지 15시간 동안 교반한다. 상기 제조한 젤 형태의 혼합용액은 24시간 동안 250

Figure pat00007
에서 공기 분위기 하에서 건조한 다음 900
Figure pat00008
에서 5시간 동안 소성하여 제조하였다.Mix 14 mL of ethylene glycol and 8.8 mL of titanium butoxide and stir for about 1 hour. 20 mL of distilled water and 19.3 g of citric acid are added, and each is stirred for about 1 hour. 6.7 g of strontium chloride hexahydrate is mixed and stirred for about 12 to 15 hours. The prepared mixed solution in the form of a gel is 250 for 24 hours.
Figure pat00007
then dried under an air atmosphere at 900
Figure pat00008
It was prepared by calcining for 5 hours.

제조예 3. 나트륨 텅스테이트-망간-실리카 겔 (NWM) 촉매의 제조법Preparation Example 3. Preparation of sodium tungstate-manganese-silica gel (NWM) catalyst

실리카 담체 2 g과 증류수 70 g을 혼합하여 30분간 교반한 수용액에 나트륨 텅스테이트 이수화물 (sodium tungstate dihydrate) 0.1280 g와 망간 나이트레이트 육수화물(manganese nitrate hexahydrate) 0.1309 mL 을 혼합하고 약 3시간동안 혼합하였다. 이후 수용액을 16시간동안 105 °C에서 건조한 다음 800°C에서 5시간동안 소성하여 나트륨 텅스테이트-망간-실리카 겔 (NWM) 촉매를 제조하였다.0.1280 g of sodium tungstate dihydrate and 0.1309 mL of manganese nitrate hexahydrate were mixed with an aqueous solution of 2 g of silica carrier and 70 g of distilled water and stirred for 30 minutes and mixed for about 3 hours. did. Then, the aqueous solution was dried at 105 °C for 16 hours and then calcined at 800 °C for 5 hours to prepare a sodium tungstate-manganese-silica gel (NWM) catalyst.

시험예 1. Test Example 1.

상기 제조예 1, 2와 3에서 제조한 촉매들로 연속식 반응기를 사용하여 바이오 가스 개질 반응을 수행하였다. 반응온도는 600 내지 750 oC 또는 700 내지 850 oC로 유지하였다. 반응 후 얻어진 기체 혼합물들은 기체 크로마토그래피를 사용하여 분석하였다. A biogas reforming reaction was performed using the catalysts prepared in Preparation Examples 1, 2 and 3 using a continuous reactor. The reaction temperature was maintained at 600 to 750 o C or 700 to 850 o C. The gas mixtures obtained after the reaction were analyzed using gas chromatography.

바이오 가스 개질 반응의 반응 조건은 다음과 같다. Bio-gas mixture: O2: N2 = 27: 2: 1 (v/v/v), GHSV = 3,333 ~ 10,000 mLfeed/h/mLcatalyst, 촉매층 부피 = 0.18 ~ 0.54 mL, (Mixture gas = CH4: CO2: H2S = 59.7: 39.8: 0.5 (v/v/v)), Reaction temperature: 600 ~ 750 oC (LT), 700 ~ 850 oC, b0 °C, 1 atm 기준. 탄화수소(CxHy) 화합물만 계산에 활용.The reaction conditions of the biogas reforming reaction are as follows. Bio-gas mixture: O 2 : N 2 = 27: 2: 1 (v/v/v), GHSV = 3,333 ~ 10,000 mL feed /h/mL catalyst , catalyst bed volume = 0.18 ~ 0.54 mL, (Mixture gas = CH 4 : CO 2 : H 2 S = 59.7: 39.8: 0.5 (v/v/v)), Reaction temperature: 600 ~ 750 o C (LT), 700 ~ 850 o C, b 0 °C, at 1 atm. Only hydrocarbon (C x H y ) compounds are used in the calculation.

하기 표 1 내지 표 3은 각각 상기 제조예 1, 2와 3에서 제조한 다양한 촉매들에 대한 반응 결과를 나타낸 것이다.Tables 1 to 3 below show reaction results for various catalysts prepared in Preparation Examples 1, 2 and 3, respectively.

제조예 1의 촉매Catalyst of Preparation Example 1 온도Temperature 조성Furtherance HHV
(Kcal/Nm3)b
HHV
(Kcal/Nm 3 ) b
CH4 CH 4 O2 O 2 N2 N 2 COCO CO2 CO 2 C2H2 C 2 H 2 C2H4 C 2 H 4 C2H6 C 2 H 6 C3H6 C 3 H 6 C3H8 C 3 H 8 GHSV=10,000
 
GHSV=10,000
실시예 1-1Example 1-1 700700 55.055.0 0.480.48 4.554.55 2.062.06 36.436.4 0.000.00 0.750.75 0.710.71 0.030.03 0.000.00 9694.79694.7
실시예 1-2Example 1-2 750750 53.153.1 0.550.55 4.544.54 1.981.98 38.538.5 0.000.00 0.530.53 0.800.80 0.020.02 0.000.00 9687.69687.6 실시예 1-3Examples 1-3 800800 52.952.9 0.010.01 4.474.47 4.834.83 37.137.1 0.000.00 0.490.49 0.210.21 0.010.01 0.000.00 9604.89604.8 실시예 1-4Examples 1-4 850850 50.150.1 0.010.01 4.434.43 8.908.90 36.336.3 0.000.00 0.210.21 0.030.03 0.000.00 0.000.00 9553.19553.1 GHSV=5,000
 
GHSV=5,000
실시예 2-1Example 2-1 700700 53.253.2 0.090.09 5.035.03 2.292.29 38.138.1 0.000.00 0.640.64 0.610.61 0.020.02 0.000.00 9674.59674.5
실시예 2-2Example 2-2 750750 53.053.0 0.010.01 4.984.98 1.571.57 39.639.6 0.000.00 0.450.45 0.430.43 0.010.01 0.000.00 9629.19629.1 실시예 2-3Example 2-3 800800 52.752.7 0.010.01 4.814.81 5.895.89 36.236.2 0.000.00 0.260.26 0.090.09 0.000.00 0.000.00 9563.79563.7 실시예 2-4Example 2-4 850850 48.848.8 0.010.01 4.784.78 10.810.8 35.435.4 0.000.00 0.150.15 0.020.02 0.000.00 0.000.00 9545.69545.6 GHSV=3,333
 
GHSV=3,333
실시예 3-1Example 3-1 700700 52.152.1 0.030.03 8.088.08 2.132.13 36.236.2 0.000.00 0.740.74 0.750.75 0.030.03 0.000.00 9708.09708.0
실시예 3-2Example 3-2 750750 53.153.1 0.010.01 4.534.53 1.991.99 39.239.2 0.000.00 0.620.62 0.520.52 0.010.01 0.000.00 9658.19658.1 실시예 3-3Example 3-3 800800 50.350.3 0.010.01 4.434.43 6.706.70 37.737.7 0.000.00 0.610.61 0.160.16 0.010.01 0.000.00 9614.59614.5 실시예 3-4Example 3-4 850850 48.448.4 0.010.01 4.354.35 9.139.13 37.937.9 0.000.00 0.190.19 0.020.02 0.000.00 0.000.00 9550.29550.2 GHSV=10,000 (LT)
 
GHSV=10,000 (LT)
실시예 4-1Example 4-1 600600 55.855.8 0.610.61 4.584.58 1.941.94 36.136.1 0.000.00 0.290.29 0.630.63 0.010.01 0.000.00 9635.29635.2
실시예 4-2Example 4-2 650650 55.155.1 2.782.78 4.374.37 0.410.41 37.237.2 0.000.00 0.030.03 0.170.17 0.000.00 0.000.00 9549.99549.9 실시예 4-3Example 4-3 700700 54.054.0 1.541.54 4.394.39 1.221.22 38.238.2 0.000.00 0.170.17 0.570.57 0.000.00 0.000.00 9616.89616.8 실시예 4-4Example 4-4 750750 53.053.0 0.710.71 4.434.43 1.871.87 38.838.8 0.000.00 0.420.42 0.760.76 0.010.01 0.000.00 9671.19671.1

제조예 2의 촉매Catalyst of Preparation Example 2 온도Temperature 조성Furtherance HHV
(Kcal/Nm3)b
HHV
(Kcal/Nm 3 ) b
CH4 CH 4 O2 O 2 N2 N 2 COCO CO2 CO 2 C2H2 C 2 H 2 C2H4 C 2 H 4 C2H6 C 2 H 6 C3H6 C 3 H 6 C3H8 C 3 H 8 GHSV=10,000
 
GHSV=10,000
실시예 5-1Example 5-1 700700 52.352.3 2.652.65 4.554.55 0.460.46 39.539.5 0.000.00 0.140.14 0.440.44 0.000.00 0.000.00 9598.99598.9
실시예 5-2Example 5-2 750750 55.355.3 2.922.92 4.244.24 0.500.50 36.836.8 0.000.00 0.050.05 0.140.14 0.000.00 0.000.00 9547.59547.5 실시예 5-3Example 5-3 800800 55.155.1 2.572.57 4.284.28 0.500.50 37.237.2 0.000.00 0.140.14 0.250.25 0.010.01 0.000.00 9571.59571.5 실시예 5-4Example 5-4 850850 54.554.5 1.811.81 4.354.35 0.400.40 38.138.1 0.000.00 0.450.45 0.380.38 0.030.03 0.000.00 9625.29625.2 GHSV=3,333
 
GHSV=3,333
실시예 6-1Example 6-1 700700 57.057.0 1.411.41 5.085.08 0.630.63 33.733.7 0.000.00 0.990.99 1.221.22 0.040.04 0.000.00 9773.79773.7
실시예 6-2Example 6-2 750750 54.254.2 0.990.99 5.065.06 0.990.99 37.737.7 0.000.00 0.500.50 0.510.51 0.020.02 0.000.00 9645.69645.6 실시예 6-3Example 6-3 800800 54.554.5 0.870.87 4.814.81 1.041.04 38.138.1 0.000.00 0.280.28 0.350.35 0.010.01 0.000.00 9601.89601.8 실시예 6-4Example 6-4 850850 53.353.3 0.010.01 4.704.70 2.562.56 39.139.1 0.000.00 0.090.09 0.250.25 0.030.03 0.000.00 9574.39574.3 GHSV=10,000 (LT)
 
GHSV=10,000 (LT)
실시예 7-1Example 7-1 600600 57.557.5 3.263.26 4.164.16 0.210.21 34.834.8 0.000.00 0.010.01 0.070.07 0.000.00 0.000.00 9534.59534.5
실시예 7-2Example 7-2 650650 55.255.2 2.972.97 4.174.17 0.230.23 37.337.3 0.000.00 0.020.02 0.080.08 0.000.00 0.000.00 9537.19537.1 실시예 7-3Example 7-3 700700 55.355.3 2.902.90 4.184.18 0.250.25 37.237.2 0.000.00 0.020.02 0.100.10 0.000.00 0.000.00 9539.69539.6 실시예 7-4Example 7-4 750750 55.255.2 2.832.83 4.414.41 0.240.24 37.237.2 0.000.00 0.040.04 0.140.14 0.000.00 0.000.00 9546.89546.8

제조예 3의 촉매Catalyst of Preparation Example 3 온도Temperature 조성Furtherance HHV
(Kcal/Nm3)
HHV
(Kcal/Nm 3 )
CH4 CH 4 O2 O 2 N2 N 2 COCO CO2 CO 2 C2H2 C 2 H 2 C2H4 C 2 H 4 C2H6 C 2 H 6 C3H6 C 3 H 6 C3H8 C 3 H 8 GHSV=10,000
 
GHSV=10,000
실시예 8-1Example 8-1 700700 54.7 54.7 3.21 3.21 4.29 4.29 0.00 0.00 37.5 37.5 0.00 0.00 0.03 0.03 0.18 0.18 0.00 0.00 0.00 0.00 9551.09551.0
실시예 8-2Example 8-2 750750 54.754.7 3.093.09 4.414.41 0.260.26 37.037.0 0.000.00 0.110.11 0.400.40 0.000.00 0.000.00 9588.19588.1 실시예 8-3Example 8-3 800800 53.553.5 2.332.33 4.524.52 0.490.49 37.737.7 0.000.00 0.610.61 0.800.80 0.030.03 0.000.00 9698.09698.0 실시예 8-4Example 8-4 850850 50.850.8 0.010.01 4.894.89 0.840.84 39.839.8 0.070.07 2.342.34 1.061.06 0.190.19 0.050.05 9962.89962.8 GHSV=5,000
 
GHSV=5,000
실시예 9-1Example 9-1 700700 54.254.2 2.912.91 4.284.28 0.360.36 37.437.4 0.000.00 0.260.26 0.660.66 0.010.01 0.000.00 9637.79637.7
실시예 9-2Example 9-2 750750 54.654.6 3.233.23 4.294.29 0.400.40 36.636.6 0.000.00 0.270.27 0.660.66 0.010.01 0.000.00 9639.49639.4 실시예 9-3Example 9-3 800800 52.152.1 1.781.78 4.444.44 0.900.90 38.438.4 0.010.01 1.321.32 1.041.04 0.080.08 0.010.01 9816.19816.1 실시예 9-4Example 9-4 850850 50.750.7 0.010.01 4.634.63 1.431.43 39.839.8 0.050.05 2.642.64 0.520.52 0.160.16 0.030.03 9913.19913.1 GHSV=3,333
 
GHSV=3,333
실시예 10-1Example 10-1 700700 53.253.2 2.672.67 4.454.45 0.480.48 37.837.8 0.000.00 0.500.50 0.890.89 0.020.02 0.000.00 9696.89696.8
실시예 10-2Example 10-2 750750 53.053.0 2.482.48 4.274.27 0.440.44 38.438.4 0.000.00 0.500.50 0.890.89 0.020.02 0.000.00 9697.59697.5 실시예 10-3Example 10-3 800800 50.950.9 0.110.11 4.654.65 1.061.06 39.739.7 0.020.02 2.042.04 1.331.33 0.140.14 0.020.02 9947.19947.1 실시예 10-4Example 10-4 850850 50.750.7 0.010.01 4.514.51 1.631.63 39.939.9 0.040.04 2.582.58 0.430.43 0.150.15 0.030.03 9894.29894.2

표 1 내지 표 3을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 공정을 이용할 경우, 공정 온도 약 700℃에서 생성된 개질 가스의 발열량이 가장 높은 것을 확인할 수 있다. 공정 온도가 약 750℃, 약 800℃, 약 850℃일 때 생성된 개질 가스의 발열량은 공정 온도 약 700℃에서 생성된 개질 가스의 발열량 보다 낮았다. 발열량이 높다는 것은 메탄 가스가 C2-C4 탄화 수소 화합물로 개질되는 비율이 높음을 의미한다.Referring to Tables 1 to 3, when the process according to an embodiment of the present invention is used, it can be seen that the calorific value of the reformed gas generated at a process temperature of about 700° C. is the highest. The calorific value of the reformed gas produced at the process temperature of about 750 °C, about 800 °C, and about 850 °C was lower than the calorific value of the reformed gas produced at the process temperature of about 700 °C. A high calorific value means a high rate of reforming of methane gas into C2-C4 hydrocarbon compounds.

이에 따라, 본 발명에 따른 공정은 700℃ 이하에서 수행될 수 있고, 이에 따라 공정 온도를 높이는데 필요한 비용을 절감할 수 있으면서도, 더 높은 공정 온도에서 반응을 수행하는 것보다 높은 효율을 가짐을 알 수 있다.Accordingly, it can be seen that the process according to the present invention can be carried out at 700° C. or less, thereby reducing the cost required to increase the process temperature, and having higher efficiency than performing the reaction at a higher process temperature. can

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면, 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to the preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art or those having ordinary knowledge in the technical field will not depart from the spirit and technical scope of the present invention described in the claims to be described later. It will be understood that various modifications and variations of the present invention can be made without departing from the scope of the present invention.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.Accordingly, the technical scope of the present invention should not be limited to the contents described in the detailed description of the specification, but should be defined by the claims.

Claims (10)

반응기 내에 바이오 가스를 포함하는 혼합 가스를 투입하는 제1 단계;
촉매 화합물을 이용하여 상기 혼합 가스를 개질하여 개질 가스를 생산하는 제2 단계를 포함하고,
상기 개질 가스는 상기 혼합 가스보다 많은 양의 메탄(CH4)을 포함하고,
상기 혼합 가스에 포함된 메탄 중 적어도 일부는 C2 내지 C4의 탄화수소 화합물로 개질되고,
상기 제2 단계는 550℃ 내지 850℃에서 수행되고,
상기 촉매 화합물은 Sr, Ti, La, Al으로 이루어진 군에서 적어도 하나 이상을 포함하는 금속 산화물 촉매 또는 Na2WO4, Mn으로 이루어진 군에서 적어도 하나 이상을 포함하는 금속 산화물 담지 촉매인, 저온 바이오 가스 개질 공정.
A first step of introducing a mixed gas containing biogas into the reactor;
A second step of reforming the mixed gas using a catalyst compound to produce a reformed gas,
The reformed gas contains a greater amount of methane (CH 4 ) than the mixed gas,
At least a portion of the methane contained in the mixed gas is reformed into a C2 to C4 hydrocarbon compound,
The second step is carried out at 550 ° C. to 850 ° C.,
The catalyst compound is a metal oxide catalyst containing at least one or more from the group consisting of Sr, Ti, La, Al or Na 2 WO4, a metal oxide supported catalyst containing at least one or more from the group consisting of Mn, low-temperature biogas reforming process.
제1항에 있어서,
상기 혼합 가스는 메탄(CH4)을 혼합 가스 전체 부피에 대하여 50 부피% 내지 70 부피% 포함하고,
상기 제2 단계 후 상기 혼합 가스에 포함된 메탄의 1 부피% 내지 10 부피%는 C2 내지 C4의 탄화수소 화합물, 일산화탄소, 및 이산화탄소에서 선택되는 적어도 하나로 전환되는, 저온 바이오 가스 개질 공정.
According to claim 1,
The mixed gas contains 50% to 70% by volume of methane (CH 4 ) based on the total volume of the mixed gas,
After the second step, 1% to 10% by volume of methane included in the mixed gas is converted to at least one selected from C2 to C4 hydrocarbon compounds, carbon monoxide, and carbon dioxide, a low-temperature biogas reforming process.
제1항에 있어서,
상기 혼합 가스는 황화수소(H2S)를 포함하고,
상기 바이오 가스 및 상기 혼합 가스는 황화수소 제거 공정 없이 제2 단계에 제공되는, 저온 바이오 가스 개질 공정.
According to claim 1,
The mixed gas includes hydrogen sulfide (H 2 S),
The biogas and the mixed gas are provided in the second step without a hydrogen sulfide removal process, a low-temperature biogas reforming process.
제1항에 있어서,
상기 제2 단계에서 개질 반응은 1,000 내지 30,000 h-1의 기체공간속도(Gas Hourly Space Velocity, GHSV)에서 실시하는 것인, 저온 바이오 가스 개질 공정.
According to claim 1,
In the second step, the reforming reaction is performed at a gas Hourly Space Velocity (GHSV) of 1,000 to 30,000 h -1 , a low-temperature biogas reforming process.
제1항에 있어서,
상기 촉매 화합물은 란타늄 알루미늄 산화물(LAO), 스트론튬 타이타늄 산화물(STO), 나트륨 텅스테이트-망간-실리카겔(NWM)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상을 포함하는, 저온 바이오 가스 개질 공정.
According to claim 1,
The catalyst compound is a low-temperature biogas reforming process comprising at least one selected from the group consisting of lanthanum aluminum oxide (LAO), strontium titanium oxide (STO), and sodium tungstate-manganese-silica gel (NWM).
제5항에 있어서,
상기 촉매 화합물은 전구체 상태로 제공되며,
상기 제2 단계에서 500℃ 이상의 온도에서 적어도 일부가 알파-크리스토발라이트(alpha-cristobalite) 결정 구조를 갖는, 저온 바이오 가스 개질 공정.
6. The method of claim 5,
The catalyst compound is provided in a precursor state,
In the second step, at least a portion at a temperature of 500° C. or higher has an alpha-cristobalite crystal structure, a low-temperature biogas reforming process.
제5항에 있어서,
상기 촉매 화합물은 전구체 상태로 제공되며,
상기 제2 단계에서 500℃ 이상의 온도에서 적어도 일부가 페브로스카이트(perovskite) 결정 구조를 갖는 형태로 변화되어 개질 반응에 참여하는, 저온 바이오 가스 개질 공정.
6. The method of claim 5,
The catalyst compound is provided in a precursor state,
In the second step, at least a portion of at least a portion of which is changed to a form having a perovskite crystal structure at a temperature of 500° C. or higher to participate in the reforming reaction, a low-temperature biogas reforming process.
제1항에 있어서,
상기 촉매 화합물은 0.18 mL 내지 0.54 mL의 부피를 갖도록 제공되는, 저온 바이오 가스 개질 공정.
According to claim 1,
The catalyst compound is provided to have a volume of 0.18 mL to 0.54 mL, low-temperature biogas reforming process.
제1항에 있어서,
제2 단계 수행 후 C2 내지 C4의 탄화수소 화합물을 분리하는 제3 단계를 더 포함하는, 저온 바이오 가스 개질 공정.
According to claim 1,
After performing the second step, the low-temperature biogas reforming process further comprising a third step of separating C2 to C4 hydrocarbon compounds.
제1항에 있어서,
상기 제1 단계에서 상기 바이오 가스와 추가 산소를 혼합하고,
상기 바이오 가스와 추가 산소의 부피 비는 10:1 내지 15:1인, 저온 바이오 가스 개질 공정.
According to claim 1,
Mixing the biogas and additional oxygen in the first step,
The volume ratio of the biogas and additional oxygen is 10:1 to 15:1, low-temperature biogas reforming process.
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KR20180113448A (en) * 2017-04-06 2018-10-16 한국과학기술연구원 Metal-added sodium tungstate catalysts supported on silica, method for preparing the same, and method for oxidative coupling raction of methane using the same
KR20180136701A (en) * 2017-06-15 2018-12-26 한국과학기술연구원 Catalysts for reforming bio-gas and methods of manufacturing the same

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