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KR101869461B1 - Method for removing oxygen in methane mixture gas by using oxygen catalyst, perovskite type oxygen removing catalyst used in the same, and land fill gas refine device applying land fill gas mathane direct converting technology using the same - Google Patents

Method for removing oxygen in methane mixture gas by using oxygen catalyst, perovskite type oxygen removing catalyst used in the same, and land fill gas refine device applying land fill gas mathane direct converting technology using the same Download PDF

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KR101869461B1
KR101869461B1 KR1020150175722A KR20150175722A KR101869461B1 KR 101869461 B1 KR101869461 B1 KR 101869461B1 KR 1020150175722 A KR1020150175722 A KR 1020150175722A KR 20150175722 A KR20150175722 A KR 20150175722A KR 101869461 B1 KR101869461 B1 KR 101869461B1
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Abstract

본 발명은, 반응조내에 La1-xSrxCo1-yFeyO3-δ를 포함하는 페롭스카이트 촉매제를 제공하는 단계; 상기 반응조를 가열하는 단계; 및 상기 반응조가 가열된 상태에서, 상기 반응조 내로 메탄 혼합가스를 유입시키면, 상기 메탄 혼합가스의 메탄이 상기 페롭스카이트 촉매제에 의하여 완전 연소됨에 따라 상기 메탄 혼합 가스내의 산소가 제거되는 단계를 포함하는, 산소 제거 촉매제를 이용한 메탄 혼합 가스의 산소 제거 방법, 이에 사용되는 페롭스카이트 산소 제거 촉매제, 및 이를 이용하는 매립가스 메탄 직접 전환 기술을 적용한 매립 가스 정제 장치에 관한 것이다.The present invention provides a process for producing a perovskite catalyst, comprising: providing a perovskite catalyst in a reaction vessel comprising La 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3 -δ; Heating the reaction vessel; And removing the oxygen in the methane mixture gas as the methane gas is completely burned by the perovskite catalyst when the methane gas mixture is introduced into the reactor while the reactor is in a heated state , A method for removing oxygen from a methane mixed gas using an oxygen scavenging catalyst, a perovskite oxygen scavenging catalyst used therefor, and a landfill gas refining apparatus using the methane direct conversion technology.

Description

산소 제거 촉매제를 이용한 메탄 혼합 가스의 산소 제거 방법, 이에 사용되는 페롭스카이트 산소 제거 촉매제, 및 이를 이용하는 매립가스 메탄 직접 전환 기술을 적용한 매립 가스 정제 장치{METHOD FOR REMOVING OXYGEN IN METHANE MIXTURE GAS BY USING OXYGEN CATALYST, PEROVSKITE TYPE OXYGEN REMOVING CATALYST USED IN THE SAME, AND LAND FILL GAS REFINE DEVICE APPLYING LAND FILL GAS MATHANE DIRECT CONVERTING TECHNOLOGY USING THE SAME}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a method for removing oxygen from a methane mixed gas using an oxygen scavenging catalyst, a perovskite oxygen scavenging catalyst used therein, and a landfill gas methane direct conversion technology using the catalyst, CATALYST, PEROVSKITE TYPE OXYGEN REMOVING CATALYST USED IN THE SAME, AND LAND FILL GAS REFINE DEVICE APPLYING LAND FILL GAS MATHANE DIRECT CONVERTING TECHNOLOGY USING THE SAME}

본 발명은, 산소 제거 촉매제를 이용한 메탄 혼합 가스의 산소 제거 방법, 이에 사용되는 페롭스카이트 산소 제거 촉매제, 및 이를 이용하는 매립가스 메탄 직접 전환 기술을 적용한 매립 가스 정제 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method for removing oxygen from a methane mixed gas using an oxygen scavenging catalyst, a perovskite oxygen scavenging catalyst used therefor, and a landfill gas refining apparatus employing the direct gas methane direct conversion technology using the same.

다양한 산업공정에서 합성가스(CO+H2)는 부분 산화를 통해 생성되며, 이 때 미량 존재하는 산소는 불순물로 작용하여 제거하는 것이 필요하다. 또한 매립지 가스의 경우 매립지의 표면 발산에 따라 가스가 주변지역으로 방출되기 때문에 이에 대한 민원이 발생한다. 이를 억제하기 위하여 매립가스(Land Fill Gas, LFG)의 강제 포집량을 증가시키게 되는데, 이 과정에서 대기 중 공기가 흡입되어 매립가스중의 산소(O2), 질소(N2)가 증가하게 된다. 그리고 이는 포집가스의 품질을 저하시키는 원인이다. 특히, 메탄, 산소, 규소, 염소, 물, 황 화합물질과 먼지 등은 매립지 가스를 이용한 발전기를 작동하는 경우, 엔진 발전기의 접촉부분에 부식을 일으키고, 기계적 마모 등을 촉진시켜 발전시설의 출력이 감소되며, 이외에도 발전기의 가동률, 이용률, 정비주기, 부품교환주기 및 운영유지관리비 등에 큰 영향을 줄 수있다. 현재 상용화된 산소 제거 및 생산 기술은 지올라이트 흡착제를 이용한 질소 흡착을 통한 산소 생산 기술이며, 산소 자체만을 흡착시켜 제거하는 기술은 아직까지 상용화되어 있지 않은 실정이다. 더욱이 산소흡착은 보통 낮은 온도에서 일어나기 때문에, 고온에서 흡착되는 산소 흡착기술은 개발되지 않고 있다. 그러나, 가스화로 합성가스를 제조하는 경우나 LFG를 이용하여 DME(dimethyl ether)를 제조하는 경우에는 고온(700 ℃ 이상 1000 ℃ 이하)조건으로 이루어지기 때문에 고온에서 미량의 산소를 제거하기 위한 기술이 필요한 실정이다. In a variety of industrial processes, syngas (CO + H 2 ) is produced through partial oxidation, in which a trace amount of oxygen must act as impurities and be removed. In the case of landfill gas, complaints arise because the gas is released to the surrounding area as the surface of the landfill emits. In order to suppress this, the amount of forced capture of the landfill gas (LFG) is increased. In this process, oxygen (O 2 ) and nitrogen (N 2 ) in the landfill gas are increased . This is a cause of deterioration of the quality of the trapped gas. In particular, methane, oxygen, silicon, chlorine, water, sulfur compounds and dusts cause corrosion in the contact area of the engine generator and promote mechanical wear when the generator using the landfill gas is operated, In addition, the utilization rate, utilization rate, maintenance cycle, parts replacement cycle and operation maintenance cost of the generator can be greatly influenced. Currently, commercially available oxygen removal and production technology is an oxygen production technology through nitrogen adsorption using a zeolite adsorbent, and a technique for adsorbing and removing only oxygen itself has not been commercialized yet. Furthermore, because oxygen adsorption usually occurs at low temperatures, oxygen adsorption techniques that are adsorbed at high temperatures have not been developed. However, since DME (dimethyl ether) is produced at a high temperature (700 ° C. or more and 1000 ° C. or less) when producing syngas by gasification or using LFG, a technique for removing trace amounts of oxygen at high temperature It is necessary.

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현재 산소분리 기술은 흡착분리기술, 막분리 기술 및 심냉분리 기술이 가장많이 적용되고 있다. 기존의 산소분리 기술들은 모두 산소분리에 많은 에너지가 소비되고 있으며, 또한, 미량의 산소를 메탄 혼합 가스내에서 제거하는 것이 용이하지 않다.Currently, most of the oxygen separation technology is applied to the adsorption separation technology, the membrane separation technology and the deep cooling separation technology. Conventional oxygen separation techniques are consuming a lot of energy for oxygen separation, and it is not easy to remove trace amounts of oxygen in the methane mixture gas.

본 발명은 매립지가스와 같은 메탄 혼합 가스내에 미량 포함되어 있는 산소에 대하여 완전 연소 반응을 촉진시킴으로서, 산소 제거 효율을 극대화하는, 산소 제거 촉매제를 이용한 메탄 혼합 가스의 산소 제거 방법, 이에 사용되는 페롭스카이트 산소 제거 촉매제, 및 이를 이용하는 매립가스 메탄 직접 전환 기술을 적용한 매립 가스 정제 장치를 제공하기 위한 것이다.The present invention relates to a method for removing oxygen from a methane mixed gas using an oxygen scavenging catalyst that maximizes oxygen scavenging efficiency by promoting a complete combustion reaction on oxygen contained in a methane gas mixture such as landfill gas, And a landfill gas purification system using the methane direct conversion technology using the same.

상술한 과제를 해결하기 위하연 안출된 본 발명의 일실시예인 산소 제거 촉매제를 이용한 메탄 혼합 가스의 산소 제거 방법은, 반응조내에 La1-xSrxCo1-yFeyO3-δ를 포함하는 페롭스카이트 촉매제를 제공하는 단계; 상기 반응조를 가열하는 단계; 및 상기 반응조가 가열된 상태에서, 상기 반응조 내로 메탄 혼합가스를 유입시키면, 상기 메탄 혼합가스의 메탄이 상기 페롭스카이트 촉매제에 의하여 완전 연소됨에 따라 상기 메탄 혼합 가스내의 산소가 제거되는 단계를 포함할 수 있다.In order to solve the above problems, a method for removing oxygen from a methane mixture gas using an oxygen scavenging catalyst, which is one embodiment of the present invention, includes La 1-x Sr x Co 1 -y Fe y O 3-δ Providing a perovskite catalyst; Heating the reaction vessel; And introducing a methane mixture gas into the reaction vessel while the reaction vessel is heated, removing oxygen in the methane mixture gas as methane in the methane mixture gas is completely burned by the perovskite catalyst .

여기서, 상기 페롭스카이트 촉매제는, 분말형, 펠릿형, 비드형 중 하나를 포함할 수 있다.Here, the perovskite catalyst may include one of powder, pellet, and bead.

여기서, 상기 페롭스카이트 촉매제는, La1-xSrxCo1-yFeyO3-δ가 용해된 용액에 감마-알루미나를 접촉시킨 후 건조 소성하여 제조될 수 있다.Here, the perovskite catalyst may be prepared by contacting gamma-alumina with a solution in which La 1-x Sr x Co 1 -y Fe y O 3 -δ is dissolved, followed by drying and calcining.

여기서, 상기 반응조를 가열하는 단계는, 상기 페롭스카이트 촉매제를 300~600℃로 가열하는 단계를 포함할 수 있다.Here, the step of heating the reaction tank may include a step of heating the perovskite catalyst to 300 to 600 ° C.

여기서, 상기 페롭스카이트 촉매제는 고온 소성법, 구연산법, 착체 중합법 중 하나로 제조될 수 있다.Here, the perovskite catalyst may be prepared by one of a high-temperature calcination method, a citric acid method, and a complex polymerization method.

여기서, 0.7≤x≤0.9 일 수 있다.Where 0.7? X? 0.9.

여기서, x= 0.9, y= 0.8일 수 있고, x= 0.9, y= 0.5일 수 있고,x= 0.9, y= 0.9일 수 있고, x= 0.9, y= 0.1일 수 있다.Where x = 0.9, y = 0.8, x = 0.9, y = 0.5, x = 0.9, y = 0.9, and x = 0.9, y = 0.1.

한편, 본 발명의 다른 실시예인 페롭스카이트 산소 제거 촉매제는, La1-xSrxCo1-yFeyO3-δ(상기 식에서 x는 0 ≤ x ≤ 1, y는 0 ≤ y ≤ 1 그리고 δ는 0 ≤ δ <2의 범위이다)를 포함하여 메탄 혼합가스내의 산소에 대하여 완전 연소 반응을 촉진할 수 있다.Meanwhile, the perovskite oxygen scavenger, which is another embodiment of the present invention, comprises La 1-x Sr x Co 1 -y Fe y O 3 -δ wherein x is 0? X? 1 and y is 0? Y? And δ is in the range of 0 ≦ δ <2) to promote the complete combustion reaction for oxygen in the methane mixture gas.

여기서, 상기 페롭스카이트 촉매제는 300~600℃에서 상기 메탄 혼합 가스내의 메탄과 산소의 완전 연소 반응이 이루어지게 하여, 상기 메탄 혼합 가스내의 산소를 제거할 수 있다.Here, the perovskite catalyst can completely remove methane and oxygen in the methane mixture gas at 300 to 600 ° C to remove oxygen in the methane mixture gas.

또한, 본 발명의 다른 실시예인 매립가스 메탄 직접 전환 기술을 적용한 매립 가스 정제 장치는, 매립지에 설치되어서 매립 가스를 포집하는 매립가스 포집 장치; 상기 포집된 매립가스 중 암모니아 및 황화수소를 제거하는 암모니아 및 황화수소 제거 장치; 상기 암모니아 및 황화수소 제거 장치에 의해 1차 정화된 제 1 정화 매립가스에서 수분 및 미세 먼지를 제거하는 수분 및 먼지 제거 장치; 상기 수분 및 먼지 제거 장치에 의해 2차 정화된 제 2 정화 매립 가스에서 실록산을 제거하는 인플라이트 흡착 제거 장치; 상기 인플라이트 흡착 제거 장치에 의해 3차 정화된 제 3 정화 매립가스에서 La1-xSrxCo1-yFeyO3-δ(상기 식에서 x는 0 ≤ x ≤ 1, y는 0 ≤ y ≤ 1 그리고 δ는 0 ≤ δ <2의 범위이다)를 포함하는 페롭스카이트 산소 제거 촉매제를 이용하여 산소를 제거하는 산소 제거 장치; 상기 산소 제거 장치에 의해 4차 정화된 제 4 정화 매립가스에서 질소를 제거하는 질소 제거 장치; 및 상기 질소 제거 장치에 의해 5차 정화된 제 5 정화 매립 가스를 저장하는 저장 탱크를 포함할 수 있다.In addition, another embodiment of the present invention is directed to a landfill gas purification system using a direct methane conversion technology for landfill gas, comprising: a landfill gas collection device installed in a landfill to collect landfill gas; An ammonia and hydrogen sulfide removal device for removing ammonia and hydrogen sulfide from the captured landfill gas; A water and dust removing device for removing moisture and fine dust from the first purification buried gas firstly purified by the ammonia and hydrogen sulfide removing device; An apparatus for removing siloxane from a second purified landfill gas which is secondarily purified by the water and dust removing apparatus; Wherein La is at least one selected from the group consisting of La 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3-δ wherein x is 0 ≤ x ≤ 1 and y is 0 ≤ y 1 < / RTI &gt; and &lt; RTI ID = 0.0 &gt;#&lt; / RTI &gt; A nitrogen removal device for removing nitrogen from the fourth purification buried gas which is quadratically purified by the oxygen removal device; And a storage tank for storing the fifth purification buried gas that has been fifthly purified by the nitrogen removal device.

여기서, 상기 산소 제거 장치는, 상기 페롭스카이트 촉매제가 존재하는 내부를 300~600℃로 가열하여 상기 제 3 정화 매립가스내의 메탄과 산소의 완전 연소 반응이 이루어지게 하여, 상기 제 3 정화 매립가스내의 산소를 제거할 수 있다.Here, the oxygen remover may heat the interior of the perovskite catalyst to 300 to 600 ° C to cause a complete combustion reaction of methane and oxygen in the third purified landfill gas, Oxygen can be removed.

여기서, x= 0.9, y= 0.8일 수 있다.Where x = 0.9 and y = 0.8.

본 발명에 따른 페롭스카이트 산소 제거 촉매제를 이용하는 경우 300~600 ℃의 중저온에서, 메탄가스와 산소의 완전 연소 반응을 촉진시킬 수 있게 되고 이에 따라, 매립지 가스와 같은 미량의 산소를 포함하는 메탄 혼합가스에서 산소만을 빠르게 제거하여 매립 가스 정제 장치의 동작 시 산소로 인한 산업 재해의 위험성을 낮출 수 있게 된다.
When the perovskite oxygen scavenging catalyst according to the present invention is used, the complete combustion reaction between methane gas and oxygen can be promoted at a middle low temperature of 300 to 600 ° C. Accordingly, methane gas containing a small amount of oxygen such as landfill gas It is possible to quickly remove only oxygen from the mixed gas, thereby reducing the risk of industrial accidents due to oxygen during operation of the landfill gas refining apparatus.

도 1은 본 발명의 일실시예인 매립가스 메탄 직접 전환 기술을 적용한 매립 가스 정제 장치의 전체 구성을 나타내는 개략 설명도.
도 2는 본 발명의 일실시예와 관련된 페롭스카이트의 구조 및 산소결핍 유도를 설명하기 위한 개념도.
도 3은 본 발명의 일실시예와 관련된 매립지 가스와 전연 가스의 조성을 비교하기 위한 도면.
도 4는, 본 발명의 일실시예인 La0.1Sr0.9Co0.2Fe0.8의 비표면적을 제조 방식에 따라 비교한 그래프.
도 5은 구연산법과 고온 소성법에 따라 제조된 La0.1Sr0.9Co0.2Fe0.8분말의 SEM 이미지도로서, 도 5a는 구연산법으로 제조한 분말의 SEM 이미지도이고, 도 5b는 고온소성법으로 제조한 분말의 SEM 이미지도.
도 6는 x 및 y의 조성을 변화시키면서 합성한 LSCF 분말의 온도별 산소 흡착 성능을 나타낸 그래프.
도 7은 x 및 y의 조성을 변화시키면서 합성한 LSCF 분말의 온도별 산소 전환율을 나타낸 그래프.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 La0.1Sr0.9Co0.2Fe0.8를 4g 사용하는 경우, 메탄 산화 실험의 결과를 나타내는 도면.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 La0.1Sr0.9Co0.2Fe0.8를 1g 사용하는 경우, 메탄 산화 실험의 결과를 나타내는 도면.
도 10는 본 발명의 일실시예인 산소 제거 촉매제를 이용한 메탄 혼합 가스의 산소 제거 방법을 설명하기 위한 순서도.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic explanatory view showing the entire construction of a landfill gas purification apparatus to which a landfill gas methane direct conversion technology, which is an embodiment of the present invention, is applied; FIG.
2 is a conceptual diagram illustrating the structure of perovskite and the induction of oxygen deficiency in accordance with one embodiment of the present invention.
3 is a diagram for comparing the composition of landfill gas and prior gas relative to an embodiment of the present invention.
4 is a graph comparing the specific surface area of La 0.1 Sr 0.9 Co 0.2 Fe 0.8 , which is an embodiment of the present invention, according to a manufacturing method.
FIG. 5 is an SEM image of La 0.1 Sr 0.9 Co 0.2 Fe 0.8 powder prepared according to the citric acid method and the high-temperature firing method. FIG. 5 a is an SEM image of the powder prepared by the citric acid method, and FIG. SEM image of a powder.
6 is a graph showing oxygen adsorption performance of LSCF powders synthesized while varying the composition of x and y by temperature.
7 is a graph showing oxygen conversion rates of LSCF powders synthesized while varying the composition of x and y by temperature.
8 is a graph showing the results of a methane oxidation experiment when 4 g of La 0.1 Sr 0.9 Co 0.2 Fe 0.8 according to an embodiment of the present invention is used.
9 is a graph showing the results of a methane oxidation experiment when 1 g of La 0.1 Sr 0.9 Co 0.2 Fe 0.8 according to an embodiment of the present invention is used.
10 is a flowchart for explaining a method for removing oxygen in a methane mixture gas using an oxygen scavenger catalyst according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명과 관련된 산소 제거 촉매제를 이용한 메탄 혼합 가스의 산소 제거 방법, 이에 사용되는 페롭스카이트 산소 제거 촉매제, 및 이를 이용하는 매립가스 메탄 직접 전환 기술을 적용한 매립 가스 정제 장치에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다Hereinafter, a method for removing oxygen from a methane mixed gas using an oxygen scavenging catalyst according to the present invention, a perovskite oxygen scavenging catalyst used therein, and a landfill gas purification system using the methane direct conversion technology using the same will be described with reference to the drawings. Will be described in more detail

본 발명에서 페롭스카이트 산소 제거 촉매제는 La1-xSrxCo1-yFeyO3-δ(상기 식에서 x는 0 ≤ x ≤ 1, y는 0 ≤ y ≤ 1 그리고 δ는 0 ≤ δ <2의 범위이다)로 표시된다. In the present invention, the perovskite oxygen scavenging catalyst is La 1-x Sr x Co 1 -y Fe y O 3-δ wherein x is 0 ≤ x ≤ 1, y is 0 ≤ y ≤ 1, and δ is 0 ≤ δ &Lt; 2).

한편, La0.1Sr0.9Co0.2Fe0.8의 페롭스카이트는, LSCF1928로 간략하게 부르며, La0.1Sr0.9Co0.5Fe0.5는 LSCF1955로, La0.1Sr0.9Co0.9Fe0.1는 LSCF1991로, 그리고, La0.1Sr0.9Co0.1Fe0.9는 LSCF1919로 간략하게 부르도록 한다. On the other hand, the perovskite of La 0.1 Sr 0.9 Co 0.2 Fe 0.8 is abbreviated as LSCF 1928, La 0.1 Sr 0.9 Co 0.5 Fe 0.5 is LSCF1955, La 0.1 Sr 0.9 Co 0.9 Fe 0.1 is LSCF1991, and La 0.1 Sr 0.9 Co 0.1 Fe 0.9 should be referred to briefly as LSCF1919.

도 1은 본 발명의 일실시예인 매립가스 메탄 직접 전환 기술을 적용한 매립 가스 정제 장치의 전체 구성을 나타내는 개략 설명도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예인 매립가스 메탄 직접 전환 기술을 적용한 매립 가스 정제 장치는, 매립가스 포집 장치(100), 암모니아 및 황화수소 제거 장치(200), 수분 및 먼지 제거 장치(관성 충돌형 먼지 제거 장치:300), 인플라이트 흡착 제거 장치(400), 산소 제거 장치(500), 질소 제거 장치(600), 디엠이(DME) 플랜트, DME 저장 탱크(800), 및 DME 또는 정제 가스 운반 차량(900)을 구성될 수 있다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic explanatory diagram showing an overall configuration of a landfill gas purification apparatus to which a direct methane conversion technology for landfill gas, which is an embodiment of the present invention, is applied. 1, the landfill gas purification apparatus using the landfill gas methane direct conversion technology, which is an embodiment of the present invention, includes a landfill gas collecting apparatus 100, an ammonia and hydrogen sulfide removing apparatus 200, (DME) plant, a DME storage tank 800, and a DME (DME) storage tank 800. The DME storage tank 800 is connected to an inhalation desorption apparatus 400, an oxygen removal apparatus 500, a nitrogen removal apparatus 600, Or the purified gas transportation vehicle 900 may be constructed.

여기서, 매립 가스 포집 장치(100)는, 매립지 등에서 발생되는 매립가스를 포집하기 위한 것으로서, 펌프를 통해 지하에 매장되어 있는 매립가스를 지상으로 이송시키는 역할을 한다.Here, the landfill gas collecting apparatus 100 is for collecting the landfill gas generated in a landfill or the like, and serves to transfer the landfill gas buried in the ground through the pump to the ground.

통상 쓰레기 매립지 등에서 발생되는 매립지 가스는 주로 메탄과 이산화탄소로 구성되어 있으며, 약 5~10%의 불순물이 포함되어 있다. 이러한 불순물로는, 질소 <10%, 산소 <1%, 황화합물 500~1000ppm, 실록산 100~150ppm, VOCs, 미세먼지등이 있는데, 이들은 최종적으로 생산되어야 할 DME나 정제 가스에서는 불순물로서 그 성능을 방해하는 요소가 된다.Generally, the landfill gas generated from landfills is mainly composed of methane and carbon dioxide, and contains about 5 to 10% of impurities. These impurities include nitrogen <10%, oxygen <1%, sulfur compounds 500-1000ppm, siloxanes 100-150ppm, VOCs, fine dust, etc., which impair their performance as impurities in DME or refinery gas to be finally produced .

이에 본 발명에서는 다음의 장치를 통해 이들 불순물을 제거하게 된다.Therefore, in the present invention, these impurities are removed through the following apparatuses.

1차적으로 제거되는 것은 황화 수소 및 암모니아로서, 이는 암모니아 및 황화수소 제거 장치(200)에 의해 제거된다. 매립가스 미량물질 중 상대적으로 고농도 존재하는 황화수소(<수백ppm)를 처리하기 위하여 1차적으로 습식 촉매탈황기술을 적용하게 된다. 이 방식에 의하면, 매립가스 중 황화수소와 암모니아를 물 용해시킨 후, 탈황 촉매의 액상 산화반응을 통해 상온 상압 하에서 무해하고 무취한 물질로 전환킴으로써, 황화 수소 및 암모니아가 제거 된게 된다. 이 때, 제거된 황화수소는 황입자로 전환되어 촉매에 고정되며, 배출된 폐촉매는 탈수 후 일반폐기물로 매립 또는 비료로 사용 가능하다. 한편, Fe계의 새로운 촉매를 활용하여 황화수소를 산화반응시키면, 기존의 액산촉매산화 방식의 황화수소 제거법에 사용된 촉매보다 경제적으로 우수하고, 유해폐기물이 발생되지 않게 된다.The primary removal is hydrogen sulphide and ammonia, which is removed by the ammonia and hydrogen sulphide removal apparatus 200. A wet catalytic desulfurization technique is first applied to treat relatively high concentrations of hydrogen sulfide (<several hundred ppm) among the landfill gas trace materials. According to this method, hydrogen sulfide and ammonia in the landfilled gas are dissolved in water, and then hydrogen sulfide and ammonia are removed by converting the desulfurization catalyst into a harmless and odorless substance at normal temperature and pressure through a liquid phase oxidation reaction of the desulfurization catalyst. At this time, the removed hydrogen sulfide is converted into sulfur particles and fixed to the catalyst, and the discharged spent catalyst can be used as general waste after landfilling or as fertilizer after dehydration. On the other hand, when a Fe-based catalyst is used for the oxidation reaction of hydrogen sulfide, it is more economical than the catalyst used in the conventional liquid acid catalytic oxidation method for removing hydrogen sulfide, and no harmful waste is generated.

그 다음, 미세 먼지 및 수분은, 수분 및 먼지 제거 장치(관성 충돌형 먼지 제거 장치:300)에 의하여 제거 된다. Then, fine dust and moisture are removed by a water and dust removing device (inertial collision type dust removing device: 300).

그 다음, 실록산은, 인플라이트 흡착 제거 장치(400)에 의하여 제거 된다.Then, the siloxane is removed by the infiltration desorption apparatus 400.

그 다음, 산소 제거 장치(500)를 통해 매립가스내의 산소를 제거하게 된다. 이 산소는 추후 정제가스에 많이 포함되는 경우 폭발의 우려가 있을 뿐 아니라, 더욱이 이송 통로가 되는 금속관을 부식시키는 구성요소가 되므로, 제거하여야 한다. 이 산소 제거 장치(500)에서는 산소 vacancy를 가지는 금속 산화물(페롭스카이트 산소 제거 촉매제)을 이용하여 산소를 제거할 수 있다.Then, the oxygen in the landfill gas is removed through the oxygen remover 500. If this oxygen is included in the refining gas at a later time, there is a fear of explosion, and furthermore, it is a constituent element for corroding the metal pipe as the transfer passage, so it should be removed. In this oxygen remover 500, oxygen can be removed using a metal oxide having an oxygen vacancy (perovskite oxygen scavenger).

폐롭스카이트 금속산화물(ABO3 type 산화물)의 경우 A는 알카리 토금속 계열(주기율표 원자번호 57-71 양이온, 1A, 2A 계열 금속) 금속 양이온이, B의 경우는 전이금속이 차지하여 전자가를 +6으로 유지하고, 3개의 산소 음이온(-6)과 결합하여 전기적 중성을 이룬다. 여기에 A, B 대신 원자가가 다른 A', B' 원자를 치환하거나 고용시키면 전기적 중성을 맞추기 위해 산소이온이 부족하게 되며 따라서 산소 vacancy가 생성된다. 이때 전체 산화물 결정은 전기적으로 안정하지만 산소 vacancy 주변의 격자는 전기적으로 + 상태(partially charged δ+)로 유지되어 외부 산소분압이 높아지면 격자내부로 산소를 흡수시키게 된다.In the case of the closed-skit metal oxide (ABO 3 type oxide), A is a metal cation in the alkaline earth metal system (periodic table atomic number 57-71 cationic, 1A, 2A series metal) 6 and combines with three oxygen anions (-6) to achieve electrical neutrality. If the atoms substitute for or substitute other A 'and B' atoms for A and B, then oxygen ions become insufficient to meet the electrical neutrality and thus oxygen vacancy is generated. At this time, the whole oxide crystal is electrically stable, but the lattice around the oxygen vacancy is maintained in a electrically charged state (partially charged δ +), so that when the external oxygen partial pressure is increased, oxygen is absorbed into the lattice.

이러한 가역 순환 산소 제거 기술은 상기의 산소 vacancy가 존재하는 흡수제를 이용하여 산소를 흡수하였다가 이 산소가 매립지가스의 주요 구성요소인 메탄가스와 완전 산화반응을 하게 되어서(즉, 완전 산화반응을 일으키는 촉매제로 이용되어서), 매립지가스에서 산소가 제거 되게 된다. This reverse circulation deoxygenation technology absorbs oxygen using the absorber in which the oxygen vacancy is present, and the oxygen is completely oxidized with methane gas, which is a main component of the landfill gas (that is, As a catalyst), oxygen is removed from the landfill gas.

질소 제거 장치(600)는 매립가스내의 질소를 제거하기 위한 것으로서, 이 질소는 제올라이트를 이용하여 질소를 흡착시킴으로써 매립가스내의 질소를 제거하게 된다.The nitrogen removal device 600 is for removing nitrogen in the landfill gas. The nitrogen is adsorbed by using zeolite to remove nitrogen in the landfill gas.

이상과 같은 본 발명의 일실시예인 매립 가스 정제 시스템은, 상기 포집된 매립가스 중 암모니아 및 황화수소를 암모니아 및 황화수소 제거 장치(200)를 통해 1 차 제거되고, 상기 암모니아 및 황화수소 제거 장치(200)에 의해 1차 정화된 제 1 정화 매립가스에서 수분 및 미세 먼지는 관성 충돌형 먼지 제거 장치(300)를 통해 제거되며, 상기 관성 충돌형 먼지 제거 장치(300)에 의해 2차 정화된 제 2 정화 매립 가스에서 실록산은 인플라이트 흡착 제거 장치(400)에 의해 제거되며, 상기 인플라이트 흡착 제거 장치(400)에 의해 3차 정화된 제 3 정화 매립가스에서 산소 제거 장치(500)에 의해 산소가 제거되며, 상기 산소 제거 장치(500)에 의해 4차 정화된 제 4 정화 매립가스에서 질소 제거 장치(600)에 의해 질소가 제거되어 최종 정화된 제 5 정화 매립가스가 생성되게 된다. In the landfill gas purification system according to an embodiment of the present invention, ammonia and hydrogen sulfide in the captured landfill gas are firstly removed through the ammonia and hydrogen sulfide removal device 200, and the ammonia and hydrogen sulfide removal device 200 In the first purified landfill gas, the moisture and fine dust are removed through the inertial collision type dust removing apparatus 300, and the second purified landfill by the inertial collision type dust removing apparatus 300 In the gas, the siloxane is removed by the inhalation desorption apparatus 400, oxygen is removed by the oxygen elimination apparatus 500 in the third purification buried gas thirdly purified by the in vivo adsorption elimination apparatus 400 , The nitrogen is removed by the nitrogen removal device 600 in the fourth purification buried gas fourthly purified by the oxygen removing device 500, and the fifth purified buried gas finally purified is generated All.

이상과 같은 제 5 정화 매립가스는, DME 플랜트(700)에서 디메틸 에테르 가스로 변환되어서 DME 저장탱크(800)에 저장되거나, 별도로 제 5 정화 가스가 액화되어서 정제 가스 운반 차량(900)에 적재되어 사용처로 이송되게 될 수 있다.The fifth purified landfill gas is converted into dimethyl ether gas in the DME plant 700 and stored in the DME storage tank 800 or the fifth purified gas is separately liquefied and loaded on the purified gas transportation vehicle 900 It may be transferred to the place of use.

이하에서는 상기 산소 제거 장치에서 사용되는 페롭스카이트 금속산화물의 구조에 대하여 보다 도 2를 참조하여 보다 상세하게 설명하도록 한다.Hereinafter, the structure of the perovskite metal oxide used in the oxygen scavenger will be described in more detail with reference to FIG.

도 2는 본 발명의 일실시예와 관련된 페롭스카이트의 구조 및 산소결핍 유도를 설명하기 위한 개념도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 페롭스카이트 산소흡착제는 페롭스카이트 구조를 이용하여 고온에서 산화물 격자 내부의 산소결핍을 유도함으로써 산소만을 선택적으로 흡착시키는 원리로 작동된다. 또한, 산소 결핍을 유도하기 위해 다양한 다른 이온을 도핑(doping)하여 고용체 산화물을 제조함으로써 이를 산소흡착제로 사용한다. 이와 같이 산소가 흡착이 된 상태에서, 메탄 가스 분위기하에서 300~600℃로 가온이 되면, 메탄 가스와 산소가 완전 연소하게 된다. 이러한 반응에 의하여 매립지 가스 내의 산소가 제거되게 된다. 2 is a conceptual diagram for explaining the structure of perovskite and the induction of oxygen deficiency according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, the perovskite oxygen adsorbent according to the present invention operates on the principle of selectively adsorbing only oxygen by inducing oxygen deficiency in the oxide lattice at a high temperature using a perovskite structure. In order to induce oxygen deficiency, various other ions are doped to produce a solid solution oxide, which is used as an oxygen adsorbent. When oxygen is adsorbed and heated to 300 to 600 ° C under a methane gas atmosphere, methane gas and oxygen are completely burned. Oxygen in the landfill gas is removed by this reaction.

본 발명에서 산소를 제거하는 대상이 되는 매립지 가스의 조성비에 대하여 도 3을 참조하여 설명한다.The composition ratio of the landfill gas to be subjected to oxygen removal in the present invention will be described with reference to Fig.

도 3은 본 발명의 일실시예와 관련된 매립지 가스와 천연 가스의 조성을 비교하기 위한 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 비교 대상이 되는 매립지 가스의 경우 산소의 함유량이 0.1~2.0%로 매우 높다. 이와 같이 산소가 많이 함유되어 있는 매립지 가스를 사용하는 경우 엔진 발전기의 접촉부분에 부식을 일으키고, 기계적 마모 등을 촉진시켜 발전시설의 출력이 감소키며 경우에 따라서는 화재의 위험이 높아지는 문제점이 있다. 이와 같은 매립지 가스에서 산소를 0.1% 이하로 줄여서 천연가스와 유사한 상태로 만들어야 연료로서 활용가치가 높아지게 된다. 3 is a diagram for comparing the composition of landfill gas and natural gas according to an embodiment of the present invention. As shown in Fig. 3, in the case of the landfill gas to be compared, the oxygen content is as high as 0.1 to 2.0%. When the landfill gas containing a large amount of oxygen is used, the contact portion of the engine generator is corroded, mechanical wear is promoted, and the output of the power generation facility is reduced. In such a case, the risk of fire increases. In such a landfill gas, oxygen should be reduced to less than 0.1%, and it should be made similar to natural gas, which will increase the value of utilization as fuel.

도 4는, 본 발명의 일실시예인 La0.1Sr0.9Co0.2Fe0.8의 비표면적을 제조 방식에 따라 비교한 그래프이다. 본 발명의 일실시예인 La1-xSrxCo1-yFeyO3-δ에서 산소 흡착력을 결정하는 요소는 여러가지가 있는데 그 중에서도 비표면적은 매우 중요하다.FIG. 4 is a graph comparing the specific surface area of La 0.1 Sr 0.9 Co 0.2 Fe 0.8 , which is an embodiment of the present invention, according to a manufacturing method. In La 1-x Sr x Co 1 -y Fe y O 3 -δ which is one embodiment of the present invention, there are various factors that determine the oxygen adsorption power, and in particular, the specific surface area is very important.

La1-xSrxCo1-yFeyO3-δ와 같은 페롭스카이트를 제조하는 방법으로서 구연산법(CM)과 고온 소성법이 있다.As a method for producing perovskite such as La 1-x Sr x Co 1 -y Fe y O 3-δ , there are a citric acid method (CM) and a high-temperature calcination method.

구연산법(citrate method)은 용액 상에 존재하는 여러 가지 금속 구성 이온들을 페롭스카이트가 형성될 수 있도록 잡아주는 킬레이팅 에이젼트 물질로 구연산을 선택한 방법이다. 원료물질로 La(NO3)3·6H2O(순도 99.9% 이상, Aldrich, USA),Sr(NO3)2(순도 99% 이상, Aldrich, USA), Co(NO3)·6H2O(순도 98% 이상, Aldrich, USA) 및 Fe(NO3)9H2O(순도 98%이상, Aldrich, USA)를 사용하였다. 구연산법의 경우 화학양론에 맞게 질량을 측정한 후 증류수에 녹여 총 0.1 M의 혼합 용액을 제조하였으며, 이 용액에 질산염 용액 내부 금속 이온 몰수의 1.2배에 해당하는 구연산(순도99.5%, SAMCHUN, Korea)을 첨가하였다. 혼합용액은 자력교반기 위에서 100 ℃의 온도로 약 4 hr 반응시킨 후 80 ℃에서 수분을 증발시켜 갈색의 겔(gel)을 얻었으며, 겔 형태의 시료는 110 ℃에서 24 hr 건조시킨 후 유발에서 분쇄하여 선구물질(precursor)을 제조하였다. 선구물질은 180 ℃에서 수분을 제거한 후 250~450 ℃ 영역에서 구연산 복합체를 분해시키고 800 ℃에서 2시간 유지하여 탄산염을 분해시킨 후 1300 ℃에서 5시간 소결하여 페롭스카이트 구조의 산화물을 제조한다.The citrate method is a method in which citric acid is selected as a chelating agent material to hold various metal constituent ions present in a solution so that perovskite can be formed. As a starting material La (NO 3) 3 · 6H 2 O ( purity of 99.9% or more, Aldrich, USA), Sr ( NO 3) 2 ( a purity of 99% or more, Aldrich, USA), Co ( NO 3) · 6H 2 O (Purity greater than 98%, Aldrich, USA) and Fe (NO 3 ) 3 .9H 2 O (purity greater than 98%, Aldrich, USA) In the citric acid method, the mass was measured according to the stoichiometry, and then dissolved in distilled water to prepare a total 0.1 M solution. Citric acid (purity: 99.5%, SAMCHUN, Korea ). The mixed solution was reacted at a temperature of 100 ° C. for about 4 hours on a magnetic stirrer, and then a brown gel was obtained by evaporating the water at 80 ° C. The gel-like sample was dried at 110 ° C. for 24 hours, To prepare a precursor. After removal of moisture at 180 ° C, the precursor is decomposed at 250-450 ° C and the carbonate is decomposed at 800 ° C for 2 hours and sintered at 1300 ° C for 5 hours to produce perovskite oxide.

그리고 고온 소성법은, 초기 원료로는 La2O3, SrCo3, Co3O4 및 Fe2O3를 사용여, 구성물인 La, Sr, Co, Fe를 화학양론에 맞게 칭량한 후, 24시간동안 Ball mill을 한 후에 70℃에서 24시간동안 건조시켜 제조된 분말을 TGA 결과를 바탕으로 900℃에서 5시간 소결과정을 거쳐 최종 페롭스카이트 분말을 제조한다. In the high-temperature firing method, La, Sr, Co, Fe were weighed in accordance with stoichiometry using La 2 O 3 , SrCo 3 , Co 3 O 4 and Fe 2 O 3 as initial raw materials. The powder was dried at 70 ℃ for 24 hours. The powder was sintered at 900 ℃ for 5 hours and the final perovskite powder was prepared.

이와 같은, 구연산법(CM)과 고온 소성법(SM)으로 제조된 LSCF1928 분말의 BET 분석결과이다. 구연산법의 경우, 분쇄과정이 없기 때문에 비표면적이 0.65㎡/g으로 높은 값을 가지며, 이에 따라 흡착제/촉매로서 채택되기에 높은 값을 가진다. 하지만 고온 소성법으로 제조된 LSCF1928 분말의 경우, 고온 소성을 했음에도 불구하고 분쇄과정이 있어서 6.95㎡/g의 표면적을 가지고 있으므로 흡착제/촉매로서 채택되는데 적합하다는 것을 알 수 있다. 이에 대해서는 도 5의 SEM 이미지도를 보면 더욱 더 명확하게 된다.The results of the BET analysis of the LSCF1928 powder prepared by the citric acid method (CM) and the high-temperature firing method (SM) are shown. The citric acid method has a high specific surface area of 0.65 m2 / g because of no pulverization process, and thus has a high value to be adopted as an adsorbent / catalyst. However, the LSCF1928 powder prepared by the high-temperature calcination method has a surface area of 6.95 m &lt; 2 &gt; / g in spite of the high temperature calcination and is suitable for being adopted as an adsorbent / catalyst. This will become more apparent from the SEM image of Fig.

도 5a는, 구연산법으로 제조된 LSCF1928의 SEM 사진(좌 이미지도는 5000배율 우 이미지도는 500배율)이고, 도 5b는 고온 소성법으로 제조된 LSCF1928의 SEM 사진(좌 이미지도는 5000배율, 우 이미지도는 500배율)이다. 도시된 바와 같이, 약 30~50 ㎛정도의 입자크기를 가지고 있었고 그 형체 또한 균일하지 않았다. 하지만 고온 소성법으로 제조된 LSCF1928 분말의 경우, 0.5~3 ㎛정도의 매우 작은 입경을 가지고 있었을 뿐만 아니라 모든 알갱이가 균일하고 고루 분포되어있는 것을 확인할 수 있다.5A is an SEM photograph (LSCF1928 at 5000 magnification and 5000 magnification at left magnification), and FIG. 5B is an SEM photograph (LSCF1928 at left magnification is 5000 magnification, And the right image is 500 times magnification). As shown, it had a particle size of about 30 to 50 mu m and its shape was not uniform. However, the LSCF1928 powder prepared by the high - temperature sintering method has not only a very small particle size of about 0.5 ~ 3 ㎛ but also all the grains are uniformly and evenly distributed.

한편, La1-xSrxCo1-yFeyO3-δ 에서 X는 0.7~0.9의 값을 갖는 경우, 산소 흡착력이 강화되게 된다. 즉, Sr 성분이 La 성분대비 많을 수록 산소 흡착력이 강화됨을 알 수 있다. 이에 따라 페롭스카이트 촉매제는, x= 0.9, y= 0.8(LSCF1928)이거나, x= 0.9, y= 0.5(LSCF1955)이거나, x= 0.9, y= 0.9(LSCF1919)이거나, x= 0.9, y= 0.1(LSCF1991)일 수 있다.On the other hand, when La has a value of 0.7 to 0.9 in La 1-x Sr x Co 1 -y Fe y O 3 -δ, the oxygen adsorption force is enhanced. That is, it can be seen that the oxygen adsorption power is enhanced as the Sr component is larger than the La component. Accordingly, the perovskite catalyst may be x = 0.9, y = 0.8 (LSCF1928), x = 0.9, y = 0.5 (LSCF1955), x = 0.9, y = 0.9 0.1 (LSCF1991).

도 6는 x 및 y의 조성을 변화시키면서 합성한 LSCF 분말의 온도별 산소 흡착 성능을 나타낸 그래프이다. LSCF1928 뿐만 아니라 LSCF1919, LSCF1955, LSCF1991 분말을 이용해 파과곡선을 그렸을 때 각 온도영역에서 나온 평균 흡착량을 계산하여 도 6으로 표시하였다. LSCF1919의 경우, 600℃에서 가장 높은 산소 흡착량을 보였고 그 값은 6.62 ml O2/g 이었다. 300℃에서부터 온도 증가에 따라 그에 따른 흡착량도 증가하였지만 600℃를 초과하는 온도 영역대에서는 다시 산소 흡착량이 감소하게 된다. 마찬가지로 LSCF1928 분말은 600℃에서 8.08 ml O2/g로서 다른 분말들과 비교하더라도 높은 수치에 해당된다. 300℃에서부터 온도가 증가함에 따라 산소 흡착량도 증가하지만 600℃ 이상에서는 오히려 감소하는 경향을 보이기도 한다. 두 분말은 600에서 가장 높은 흡착특성을 갖지만 나머지 LSCF1955와 LSCF1991에서는 다른 양상을 보인다. LSCF1955 분말에서는 500℃에서 가장 높은 산소 흡착량(7.17 ml O2/g)을 보이지만 600℃이상으로 온도가 증가하면 산소흡착량 또한 어느 정도 수준으로 유지가 되는 것을 알 수 있었다. LSCF1991의 경우 앞에서 말한 분말들보다 가장 높은 산소흡착량(11.37 ml O2/g)을 가지고 있었는데, 그 온도 또한 400℃로 다른 분말들에 비해 낮은 온도에서 일어났다. FIG. 6 is a graph showing oxygen adsorption performance of LSCF powder synthesized by varying the composition of x and y by temperature. The average adsorption amount in each temperature range when the breakthrough curve was drawn using LSCF1919, LSCF1955, and LSCF1991 powders as well as LSCF1928 was calculated and shown in FIG. In the case of LSCF1919, the maximum oxygen adsorption amount at 600 ° C was 6.62 ml O 2 / g. The amount of adsorption increased with increasing temperature from 300 ° C, but the amount of oxygen adsorption decreased again in the temperature region exceeding 600 ° C. Similarly LSCF1928 powder even at 600 ℃ as 8.08 ml O 2 / g compared with other powder corresponds to a high value. As the temperature increases from 300 ° C, the amount of oxygen adsorption also increases, but it tends to decrease rather than 600 ° C. The two powders have the highest adsorption characteristics at 600, but the rest are different in LSCF1955 and LSCF1991. The LSCF1955 powder showed the highest oxygen adsorption amount (7.17 ml O 2 / g) at 500 ° C, but the oxygen adsorption amount also maintained at a certain level when the temperature increased to 600 ° C or higher. LSCF1991 had the highest amount of oxygen adsorption (11.37 ml O 2 / g) than the above-mentioned powders. The temperature was also 400 ° C, which was lower than other powders.

후술하지만, 본 발명의 처리 대상이 매립지가스의 산소와 메탄이 완전 연소반응하는 반응온도는 300~550℃이고, 이에 따라, 이 300~600℃에서 산소 흡착량이 가장 우수한 LSCF1928 분말이 본발명에 따르는 산소제거 촉매제로서 가장 적합하다 할 것이다. As described later, the reaction temperature at which the object of the present invention is completely combusted with oxygen and methane in the landfill gas is 300 to 550 ° C., and thus, the LSCF1928 powder having the highest oxygen adsorption amount at 300 to 600 ° C., It will be most suitable as an oxygen scavenging catalyst.

도 7은 x 및 y의 조성을 변화시키면서 합성한 LSCF 분말의 온도별 산소 전환율을 나타낸 그래프이다. 도 6과 달리 도 7은 산소 전환율(oxygen converstion)을 수직축으로, 수평축은 온도(0~600℃)으로 하고 있다.FIG. 7 is a graph showing oxygen conversion rates of LSCF powders synthesized while varying the composition of x and y. FIG. 7, the oxygen conversion is represented by the vertical axis and the horizontal axis is represented by the temperature (0 to 600 ° C).

도 7에서, (a)는 LSCF1919, (b)는 LSCF1928, (c)는 LSCF1955이고 (d)는 LSCF1991의 산소전환율을 나타낸다. 도시된 바와 같이 LSCF1928을 나타내는 (b)를 보면, 대략 450℃에서 산소 전환율이 100% 에 이르는 것을 확인할 수 있는 반면(산소가 모두 연소됨), LSCF1991의 경우 600℃에서도 산소가 모두 연소되지 못함을 알 수 있다.7, (a) shows LSCF1919, (b) shows LSCF1928, (c) shows LSCF1955, and (d) shows oxygen conversion of LSCF1991. As shown in (b), LSCF1928 shows oxygen conversion rate of about 100% at about 450 ° C (oxygen is burned), whereas LSCF1991 does not burn oxygen at 600 ° C Able to know.

이상에서, LSCF1928이 산소 최대 전환율을 가짐을 확인할 수 있다.From the above, it can be confirmed that LSCF1928 has the maximum oxygen conversion rate.

이하에서는, 이상과 같이, 최대 산소 전환율을 가진 LSCF1928 분말의 사용량에 따른 메탄 산화 실험 결과를 도 8 내지 도 10를 통해 설명하도록 한다. Hereinafter, the results of the methane oxidation experiment according to the amount of the LSCF1928 powder having the maximum oxygen conversion rate as described above will be described with reference to FIG. 8 through FIG.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 La0.1Sr0.9Co0.2Fe0.8를 4g 사용하는 경우, 메탄 산화 실험의 결과를 나타내는 도면이고, 도 9은 본 발명의 일실시예에 따른 La0.1Sr0.9Co0.2Fe0.8를 1g 사용하는 경우, 메탄 산화 실험의 결과를 나타내는 도면이다. 매립지가스와 동등한 조성비를 갖는 모사가스를 이용하여 실험하였다. 즉, 도 8은 모사 가스 분위기에서 LSCF1928 분말 4g의 검출량을 나타내는 그래프다. Figure 8 according to one embodiment of the present invention, La 0.1 Sr 0.9 Co 0.2 Fe 0.8 to 4g When using a diagram showing the results of the methane oxidation experiment, Figure 9 according to one embodiment of the present invention, La 0.1 Sr 0.9 2 shows the results of a methane oxidation experiment when 1 g of Co 0.2 Fe 0.8 is used. The simulated gas with the same composition ratio as the landfill gas was used. 8 is a graph showing the detection amount of 4 g of LSCF1928 powder in a simulated gas atmosphere.

도 8에 도시된 바와 같이, 모든 온도영역에서 질소는 거의 변화가 일어나지 않았고 공급해준 값과 일치한다. 하지만 산소를 비롯한 나머지 가스들에서는 변화가 있었다. 산소와 메탄은 350℃ 이상으로 온도가 상승함에 따라 감소하는 추세를 보이고 있으며 425℃에서 산소 전환율 100%에 도달하는 것을 확인할 수 있었다. 도 9에서는 모사가스 분위기에서 LSCF1928 분말을 1g 충진한 후 각 온도영역별로 가스검출량 변화를 관찰한 결과이다. 매립지가스와 거의 유사한 조성을 가지고 있는 모사 가스에서 400℃이상에서 연소가 개시되었고 450℃에서 산소 전환율이 100%에 도달하는 것을 확인하였다. 4g 충진한 경우와 비교할 때, LSCF1928 분말이 촉매로서 반응을 일으켰을 때 훨씬 낮은 온도에서 연소가 일어나는 것을 확인할 수 있었다.As shown in FIG. 8, in almost all the temperature ranges, nitrogen hardly changes and agrees with the supplied value. But there was a change in the rest of the gases, including oxygen. Oxygen and methane showed a tendency to decrease with increasing temperature above 350 ℃, and oxygen conversion rate reached to 100% at 425 ℃. FIG. 9 shows the result of observing changes in the gas detection amount at each temperature region after filling 1g of LSCF1928 powder in a simulated gas atmosphere. It was confirmed that the combustion started at 400 ℃ or higher and the oxygen conversion rate reached 100% at 450 ℃ in the simulated gas having almost the same composition as the landfill gas. As a result, it was confirmed that the combustion occurred at a much lower temperature when the LSCF1928 powder reacted as a catalyst.

한편, 본 발명에 따른 페롭스카이트 금속 산화물는 담지를 통해 보다 더 우수한 효과를 가질 수 있다. 담지 방법은 크게 물리적 흡착법과 화학적 결합을 이용하는 방법으로 나누어 볼 수 있다. 물리적 흡착을 이용하는 담지 방법은 이미 일반적인 담지 촉매 제조에 많이 적용되어 온 방법이다. 페롭스카이트계 산화물이 용해된 용액을 접촉시킨 후 건조 및 소성하여 담지촉매를 제조하는 단순한 방법으로, 적용이 용이하고 경제적이기 때문에 페롭스카이트 촉매의 담지에 적용시켰다. 알루미나는 화학적 안정성과 높은 기계적 강도와 융점 및 경도 등 물리적 성질이 우수하여 여러 산업분야에서 광범위하게 사용되고 있다. 특히, 고다공성 알루미나는 촉매 담체, 흡착제 등 공업적으로 넓게 사용되고 있으며, 그 사용 목적에 따라 기공부피, 세공크기, 세공분포, 비표면적 등의 요구물성의 범위가 다르다. 다양한 산업화 추세에 맞추어 최근에는 큰 기공부피를 갖는 고다공성 알루미나에 대한 수요가 증가되는 추세에 있다. 알루미나는 그 제조방법에 따라 깁사이트(gibbsite), 베이어라이트(bayerite), 뵈마이트(boehmite)와 같은 결정형 알루미나를 제조할 수 있고, 또는 무정형 알루미나를 제조할 수 있다. 하지만 본 연구에서는 소성 후에 알루미나와 금속산화물의 반응으로 인한 불순물의 생성을 피하기 위해 뵈마이트(boehmite) 대신 감마 알루미나(γ-Alumina)를 이용하였다.On the other hand, the perovskite metal oxide according to the present invention can have a more excellent effect through the impregnation. The supporting method can be roughly divided into physical adsorption method and chemical bonding method. The supporting method using physical adsorption is a method which has already been widely applied in the production of a general supported catalyst. A simple method for preparing a supported catalyst by contacting a solution in which a perovskite oxide is dissolved, followed by drying and firing, is applied to the support of a perovskite catalyst since it is easy to apply and economical. Alumina is widely used in various industrial fields because of its excellent chemical stability, high mechanical strength, physical properties such as melting point and hardness. In particular, highly porous alumina is widely used industrially, for example, as a catalyst carrier, an adsorbent, and the range of required physical properties such as pore volume, pore size, pore distribution, and specific surface area varies depending on the purpose of use. Recently, the demand for high porosity alumina having a large pore volume is increasing in accordance with various industrial trends. Alumina can produce crystalline alumina such as gibbsite, bayerite, boehmite, or amorphous alumina according to its preparation method. However, in this study, gamma alumina (γ-Alumina) was used instead of boehmite to avoid generation of impurities due to reaction of alumina and metal oxide after firing.

이와 같은 감마 알루미나를 이용하여 담지하게 되면 촉매의 표면적과 기계적 강도를 가지면서 열적 안정성을 갖게 된다. When such a gamma alumina is used, the catalyst has a surface area and a mechanical strength and has thermal stability.

또한, 알루미나 담지법 이외에 촉매 성형법으로 펠렛 제조법이 있다. 펠렛 제조에는 압출성형법과 사출성형법, 시린지 압출법등이 있다.In addition to the alumina-supporting method, there is a method for producing pellets by a catalyst forming method. Extrusion, injection molding, syringe extrusion and the like are available for producing pellets.

이하에서는 상술한 구성을 가지는 산소 제거 촉매제를 이용하여 메탄 혼합 가스에 포함되어 있는 산소를 제거하는 방법에 대하여 설명하도록 한다.Hereinafter, a method for removing oxygen contained in a methane mixture gas using the oxygen removal catalyst having the above-described structure will be described.

도 10은 본 발명의 일실시예인 산소 제거 촉매제를 이용한 메탄 혼합 가스의 산소 제거 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 우선 반응조내에 La1-xSrxCo1-yFeyO3-δ(상기 식에서 x는 0 ≤ x ≤ 1, y는 0 ≤ y ≤ 1 그리고 δ는 0 ≤ δ <2의 범위이다)를 포함하는 페롭스카이트 촉매제를 제공한다(S1). 여기서 반응조는 도 1에서의 산소 제거 장치 내의 반응조일 수 있다. 그리고 상기 반응조는 가열된다(S3). 즉, 상술한 바와 같이, 상기 페롭스카이트 촉매제가 메탄 혼합 가스내의 산소를 포집하면서, 300~450℃로 가열됨에 따라, 촉매제에서는 메탄과 산소의 완전 연소 반응이 일어나게 된다. 즉, 상기 반응조가 가열된 상태에서, 상기 반응조 내로 메탄 혼합가스를 유입시키면, 상기 메탄 혼합가스의 메탄이 상기 페롭스카이트 촉매제에 포집된 산소와 완전 연소됨에 따라 상기 메탄 혼합 가스내의 산소가 제거된다(S5). 즉, 다음의 [식 1]과 같은 반응에 의해 산소가 제거 된다.10 is a flowchart for explaining a method for removing oxygen in a methane mixture gas using an oxygen scavenger catalyst according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 10, in the reaction vessel, La 1-x Sr x Co 1 -y Fe y O 3-δ wherein x is 0 ≤ x ≤ 1, y is 0 ≤ y ≤ 1 and δ is 0 ≤ lt; 8 < 2) (S1). Here, the reaction tank may be a reaction tank in the oxygen removal device shown in FIG. Then, the reaction tank is heated (S3). That is, as described above, as the perovskite catalyst is heated to 300 to 450 ° C while collecting oxygen in the methane mixture gas, a complete combustion reaction of methane and oxygen occurs in the catalyst. That is, when methane gas is introduced into the reaction tank while the reaction tank is heated, oxygen in the methane mixture gas is removed as methane in the methane mixture gas is completely burned with the oxygen trapped in the perovskite catalyst (S5). That is, the oxygen is removed by the reaction shown in the following [Equation 1].

[식 1][Formula 1]

CH4+ 2O2 → C02 + 2H2OCH 4 + 2 O 2 --CO 2 + 2H 2 O

즉, 메탄 1몰을 이용하여 2몰의 산소가 제거된다. 상기 도 2에서 설명한 바와 같이, 메탄 혼합 가스에는 2% 미만의 산소가 있으며, 메탄은 적어도 35%이 포함되게 된다. 이와 같은 메탄 혼합가스내에서 상기의 화학식과 같은 반응이 페롭스카이트촉매제에서 발생됨에 따라, 메탄 성분비에는 크게 영향을 미치지 않으면서도 미량의 산소를 제거하여 천연가스 내에서의 산소 성분비 이하로 메탄 혼합가스내의 산소를 제거하게 된다. 다시말해, 본 발명에 따른 페롭스카이트 산소 제거 촉매제를 이용하는 경우 300~600 ℃의 중저온에서, 메탄가스와 산소의 완전 연소 반응을 촉진시킬 수 있게 되고 이에 따라, 매립지 가스와 같은 미량의 산소를 포함하는 메탄 혼합가스에서 산소만을 빠르게 제거하여 매립 가스 정제 장치의 동작시 산소로 인한 산업 재해의 위험성을 낮출 수 있게 된다. That is, 2 moles of oxygen is removed using 1 mole of methane. As described above with reference to FIG. 2, the methane mixed gas contains less than 2% oxygen and at least 35% methane. Since the reaction of the above formula is generated in the perovskite catalyst in such a methane gas mixture, a trace amount of oxygen can be removed without significantly affecting the methane composition ratio, and a methane mixture gas Thereby removing oxygen in the exhaust gas. In other words, when the perovskite oxygen scavenging catalyst according to the present invention is used, the complete combustion reaction of methane gas and oxygen can be promoted at a middle low temperature of 300 to 600 ° C., so that a small amount of oxygen such as landfill gas It is possible to rapidly remove only oxygen from the methane gas mixture and reduce the risk of industrial accidents due to oxygen during the operation of the landfill gas refining apparatus.

상기와 같이 산소 제거 촉매제를 이용한 메탄 혼합 가스의 산소 제거 방법, 이에 사용되는 페롭스카이트 산소 제거 촉매제, 및 이를 이용하는 매립가스 메탄 직접 전환 기술을 적용한 매립 가스 정제 장치는 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.As described above, the method for removing oxygen from the methane mixed gas using the oxygen scavenging catalyst, the perovskite oxygen scavenging catalyst used therein, and the landfill gas methane direct conversion technology using the same, It is to be understood that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and all or some of the embodiments may be selectively combined so that various modifications may be made.

100 : 매립 가스 포집 장치
200 : 암모니아 및 황화수소 제거 장치
300 : 수분 및 먼지 제거 장치
400 : 인플라이트 흡착 제거 장치
500 : 산소 제거 장치
600 : 질소 제거 장치
700 : 디엠이(DME) 플랜트
800 : 저장 탱크
900 : 운반 차량
100: Landfill gas collecting device
200: Ammonia and hydrogen sulfide removal device
300: Water and dust removal device
400: Inflation adsorption eliminator
500: Oxygen removal device
600: nitrogen removal device
700: DME plant
800: Storage tank
900: Car carrier

Claims (20)

반응조내에 La1-xSrxCo1-yFeyO3-δ(상기 식에서 x는 0.7 ≤ x ≤ 0.9, y는 0 ≤ y ≤ 1 그리고 δ는 0 ≤ δ <2의 범위이다)를 포함하는 페롭스카이트 촉매제를 제공하는 단계;
상기 반응조를 가열하는 단계;
상기 반응조가 가열된 상태에서, 상기 반응조 내로 메탄 혼합가스를 유입시키면, 상기 메탄 혼합가스 내의 산소가 포집되는 단계, 상기 메탄 혼합가스는 0.1~2.0% 의 산소와, 35%~60%의 메탄을 포함함; 및
상기 반응조 내에서 상기 페롭스카이트 촉매제에 의하여 포집된 산소와 상기 메탄 혼합 가스내의 메탄이 상기 페롭스카이트 촉매제 내에서 완전 연소만을 하게됨으로써, 상기 메탄 혼합 가스내에서 산소를 포집하면서, 상기 메탄 혼합 가스내의 산소가 제거되어서, 산소 함유율이 0.1% 이하가 되도록 하는 단계를 포함하는, 산소 제거 촉매제를 이용한 메탄 혼합 가스의 산소 제거 방법.
In the reaction vessel, La 1-x Sr x Co 1 -y Fe y O 3-δ (where x is 0.7 ≦ x ≦ 0.9, y is 0 ≦ y ≦ 1, and δ is a range of 0 ≦ δ <2) Providing a perovskite catalyst;
Heating the reaction vessel;
Wherein when the methane gas mixture is introduced into the reaction vessel while the reaction vessel is heated, oxygen in the methane mixture gas is trapped, and the methane mixture gas contains 0.1 to 2.0% oxygen and 35 to 60% Includes; And
The oxygen captured by the perovskite catalyst in the reaction tank and methane in the methane mixture gas are completely burned only in the perovskite catalyst so that oxygen is captured in the methane mixture gas, And removing the oxygen in the methane mixture gas so that the oxygen content is 0.1% or less.
제 1 항에 있어서,
상기 페롭스카이트 촉매제는,
분말형, 펠릿형, 비드형 중 하나를 포함하는, 산소 제거 촉매제를 이용한 메탄 혼합 가스의 산소 제거 방법.
The method according to claim 1,
The perovskite catalyst,
A method for removing oxygen from a methane mixed gas using an oxygen scavenging catalyst, the method comprising one of powder, pellet, and bead.
제 1 항에 있어서,
상기 페롭스카이트 촉매제는,
La1-xSrxCo1-yFeyO3-δ가 용해된 용액에 감마-알루미나에 접촉시킨 후 건조 소성하여 제조되는, 산소 제거 촉매제를 이용한 메탄 혼합 가스의 산소 제거 방법.
The method according to claim 1,
The perovskite catalyst,
Contacting a solution of La 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3 -δ with gamma-alumina, followed by drying and firing.
제 1 항에 있어서,
상기 반응조를 가열하는 단계는,
상기 페롭스카이트 촉매제를 300~600℃ 가열하는 단계를 포함하는, 산소 제거 촉매제를 이용한 메탄 혼합 가스의 산소 제거 방법.
The method according to claim 1,
The step of heating the reaction tank comprises:
And heating the perovskite catalyst at 300 to 600 ° C.
제 1 항에 있어서,
상기 페롭스카이트 촉매제는 고온 소성법, 구연산법, 착체 중합법 중 하나로 제조되는, 산소 제거 촉매제를 이용한 메탄 혼합 가스의 산소 제거 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the perovskite catalyst is produced by one of a high temperature firing method, a citric acid method and a complex polymerization method.
삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,
x= 0.9, y= 0.8 인, 산소 제거 촉매제를 이용한 메탄 혼합 가스의 산소 제거 방법.
The method according to claim 1,
wherein x = 0.9 and y = 0.8.
제 1 항에 있어서,
x= 0.9, y= 0.5인, 산소 제거 촉매제를 이용한 메탄 혼합 가스의 산소 제거 방법.
The method according to claim 1,
wherein x = 0.9 and y = 0.5.
제 1 항에 있어서,
x= 0.9, y= 0.9인, 산소 제거 촉매제를 이용한 메탄 혼합 가스의 산소 제거 방법.
The method according to claim 1,
wherein x = 0.9 and y = 0.9.
제 1 항에 있어서,
x= 0.9, y= 0.1인, 산소 제거 촉매제를 이용한 메탄 혼합 가스의 산소 제거 방법.
The method according to claim 1,
wherein x = 0.9 and y = 0.1.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 매립지에 설치되어서 0.1~2%의 산소와 35%~60%의 메탄을 포함하는 매립 가스를 포집하는 매립가스 포집 장치;
상기 포집된 매립가스 중 암모니아 및 황화수소를 제거하는 암모니아 및 황화수소 제거 장치;
상기 암모니아 및 황화수소 제거 장치에 의해 1차 정화된 제 1 정화 매립가스에서 수분 및 미세 먼지를 제거하는 수분 및 먼지 제거 장치;
상기 수분 및 먼지 제거 장치에 의해 2차 정화된 제 2 정화 매립 가스에서 실록산을 제거하는 인플라이트 흡착 제거 장치;
상기 인플라이트 흡착 제거 장치에 의해 3차 정화된 제 3 정화 매립가스에서 반응조내에 La1-xSrxCo1-yFeyO3-δ(상기 식에서 x는 0.7 ≤ x ≤ 0.9, y는 0 ≤ y ≤ 1 그리고 δ는 0 ≤ δ <2의 범위이다)를 포함하는 페롭스카이트 촉매제를 이용하여 산소를 제거하는 산소 제거 장치;
상기 산소 제거 장치에 의해 4차 정화된 제 4 정화 매립가스에서 질소를 제거하는 질소 제거 장치; 및
상기 질소 제거 장치에 의해 5차 정화된 제 5 정화 매립 가스를 저장하는 저장 탱크를 포함하고,
상기 산소 제거 장치는,
상기 페롭스카이트 촉매제를 300~600℃로 가열하여 상기 제 3 정화 매립가스내의 메탄과 산소의 완전 연소 반응만이 이루어지게 하여, 상기 제 3 정화 매립가스내의 산소를 제거하여 산소 함유율이 0.1% 이하가 되도록 하는, 매립가스 메탄 직접 전환 기술을 적용한 매립 가스 정제 장치.
A landfill gas collecting device installed in the landfill to collect landfill gas containing 0.1 to 2% of oxygen and 35 to 60% of methane;
An ammonia and hydrogen sulfide removal device for removing ammonia and hydrogen sulfide from the captured landfill gas;
A water and dust removing device for removing moisture and fine dust from the first purification buried gas firstly purified by the ammonia and hydrogen sulfide removing device;
An apparatus for removing siloxane from a second purified landfill gas which is secondarily purified by the water and dust removing apparatus;
In the third purification buried gas which has been thirdly purified by the inhalation desorption removing apparatus, La 1-x Sr x Co 1 -y Fe y O 3-δ wherein x is 0.7 ≦ x ≦ 0.9, y is 0 ≤ y ≤ 1 and δ is in the range of 0 ≤ δ <2);
A nitrogen removal device for removing nitrogen from the fourth purification buried gas which is quadratically purified by the oxygen removal device; And
And a storage tank for storing a fifth purification buried gas that is fifthly purified by the nitrogen removal device,
The oxygen-
The perovskite catalyst is heated to 300 to 600 ° C. so that only the complete combustion reaction of methane and oxygen in the third purified landfill gas is performed to remove oxygen in the third purified landfill gas so that the oxygen content is 0.1% To the landfill gas purification system.
삭제delete 제 18 항에 있어서,
x= 0.9, y= 0.8 인, 매립가스 메탄 직접 전환 기술을 적용한 매립 가스 정제 장치.
19. The method of claim 18,
x = 0.9, y = 0.8, and a landfill gas purification system using direct methane conversion technology.
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