JP2001220104A - 一酸化炭素、水素生成用燃焼装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 すすや低級炭化水素の発生を抑えながら効率
よく一酸化炭素や水素を生成することができる一酸化炭
素、水素生成用燃焼装置を提供する。 【解決手段】 円筒状燃焼室１１の一端面に、燃焼室中
心軸１３方向に調整剤を噴出する調整剤ノズル１５と、
該調整剤ノズル１５の外周から燃焼室中心軸１３と平行
な方向に燃料を噴出する燃料ノズル１６と、該燃料ノズ
ル１６の外周から燃焼室中心軸線上に焦点１９を持つよ
うに酸化剤を噴出する酸化剤ノズル１７とを設け、燃料
に対する酸素比を１．０未満として燃焼させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一酸化炭素、水素
生成用燃焼装置に関し、詳しくは、有機物合成用の原料
として用いられる一酸化炭素及び水素を効率よく生成す
ることができる燃焼装置に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】各種有
機物の合成用原料となる一酸化炭素や水素を生成する方
法として、炭素質あるいは炭化水素質燃料を、酸素比が
１．０未満の酸素で燃焼させることにより、一酸化炭素
や水素を含む燃焼ガスを得る方法が知られている。

【０００３】しかし、通常のバーナーを使用して酸素比
が１．０未満の状態で燃料を燃焼させると、燃料の熱分
解により、メタン（ＣＨ_４）やアセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）
等の低級炭化水素やすす（炭素）といった不純物も多量
に生成されるため、目的とする一酸化炭素や水素の収率
が低下してしまう。

【０００４】このため、例えば、特開平３−１９１２０
１号公報に記載の方法では、燃料としてのブタンと酸化
剤（酸素あるいは酸素含有ガス）と水蒸気とを特定の割
合にしてバーナーから噴出させ、水蒸気を含む状態で燃
焼させることにより、すすの生成を抑制するようにして
いる。

【０００５】しかし、このように水蒸気を添加する方法
では、すすの発生を抑制することは可能であるが、多量
の水蒸気を添加するため、熱平衡計算から予測される理
論上の一酸化炭素及び水素の収率が低下してしまうとい
う問題がある。

【０００６】また、一般的な水蒸気添加による方法で
は、水蒸気を燃料に添加混合したり、燃料ノズルと酸化
剤ノズルとの間のノズルから水蒸気を噴出させたりして
いるため、水蒸気が燃料と酸素との接触を妨げ、燃料が
酸素と接触しないまま高温領域に至り、熱分解して低級
炭化水素が発生し易くなるという問題がある。

【０００７】例えば、一酸化炭素に対する水素の発生比
率を０．６、即ちＨ_２／ＣＯ＝０．６程度にする場合
は、調整剤として二酸化炭素を添加するようにしてい
る。このとき、すすの発生を防ぐためには、二酸化炭素
の添加量に比例して水蒸気を添加しなければならない
が、水蒸気添加量の増加に伴って燃焼温度（反応温度）
が低下してしまうので、すす発生の抑制には限度があ
り、所望のＨ_２／ＣＯ比を得ることが困難になってしま
う。さらに、低級炭化水素の発生量も、二酸化炭素の添
加量に比例して増加してしまう。

【０００８】そこで本発明は、低級炭化水素やすすの発
生を抑制しながら効率よく一酸化炭素及び水素を生成す
ることができる一酸化炭素、水素生成用燃焼装置を提供
することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の一酸化炭素、水素生成用燃焼装置は、燃料
に対する酸素比を１．０未満として燃焼させることによ
り、一酸化炭素、水素を生成する燃焼装置であって、円
筒状燃焼室の一端面に、燃焼室中心軸方向に調整剤を噴
出する調整剤ノズルと、該調整剤ノズルの外周から燃焼
室中心軸と平行な方向に燃料を噴出する燃料ノズルと、
該燃料ノズルの外周から燃焼室中心軸線上に焦点を持つ
ように酸化剤を噴出する酸化剤ノズルとを設けたことを
特徴としている。

【００１０】さらに、前記燃料が前記調整剤の噴出速度
以上の速度で噴出し、前記酸化剤が燃料の噴出速度以上
の速度で噴出すること、また、前記調整剤が、水蒸気又
は二酸化炭素であることを特徴としている。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の一酸化炭素、水
素生成用燃焼装置の一形態例を示す断面図である。この
一酸化炭素、水素生成用の燃焼装置１０は、耐火物等に
より形成された円筒状の燃焼室１１の一端からバーナー
１２を同軸状に挿入し、該バーナー１２の先端に燃焼室
１１の中心軸１３を軸線として噴出方向が拡がった円錐
台状のノズル部１４を設けたものである。

【００１２】上記ノズル部１４は、燃焼室１１の一端面
を形成するものであって、このノズル部１４には、調整
剤を噴出する調整剤ノズル１５と、燃料を噴出する燃料
ノズル１６と、酸化剤を噴出する酸化剤ノズル１７とが
設けられている。

【００１３】なお、バーナー外周には、バーナー１２を
高温の環境から保護するための水冷ジャケット１８が設
けられており、この水冷ジャケット１８の内周側に、調
整剤や燃料、酸化剤の通路１５ａ，１６ａ，１７ａが形
成されている。

【００１４】調整剤ノズル１５は、ノズル部１４の中心
に設けられており、前述のＨ_２／ＣＯ比を制御するため
の調整剤、例えば二酸化炭素や水蒸気を中心軸１３方向
に向けて噴出するように形成されている。

【００１５】調整剤ノズル１５の外周に設けられた燃料
ノズル１６は、中心軸１３を中心とした円周上に円環状
に設けられており、燃料を中心軸１３と平行な方向に向
けて噴出するように形成されている。

【００１６】また、酸化剤ノズル１７は、燃料ノズル１
６の外周を包囲するように設けられるものであって、燃
料ノズル１６に対して同心円上に、すなわち、中心軸１
３を中心とし、燃料ノズル１６より大径の円周上に円環
状に設けられている。この酸化剤ノズル１４は、酸化剤
を中心軸１３上に焦点１９を持つように内側に向けて噴
出するように形成されている。

【００１７】このように形成した燃焼装置１０におい
て、燃料ノズル１６から噴出した燃料は、酸化剤ノズル
１７から噴出した酸化剤、例えば酸素と反応して燃焼
し、この燃焼による発熱によって燃焼室１１内に高温の
領域が形成される。このとき、燃料と酸素との界面で
は、局所的に完全燃焼が発生して二酸化炭素や水蒸気が
生成されるとともに、燃料に対する酸素比が１．０未満
に設定されていることから、余剰な燃料から多量のすす
が生成したり、未燃焼の燃料の熱分解によって低級炭化
水素が生成したりする。

【００１８】生成したすすは、酸素あるいは完全燃焼で
生成した二酸化炭素や水蒸気あるいは調整剤として添加
された二酸化炭素や水蒸気と高温状態で接触することに
よってこれらと反応し、炭素原子２個と１分子の酸素と
が反応すれば２分子の一酸化炭素が生成し、炭素原子１
個と１分子の二酸化炭素とが反応すれば２分子の一酸化
炭素が生成し、炭素原子１個と１分子の水蒸気とが反応
すれば一酸化炭素と水素とが１分子ずつ生成する。同様
に、低級炭化水素も、酸素や二酸化炭素、水蒸気と高温
状態で接触して反応することにより、一酸化炭素や水素
を生成する。

【００１９】そして、燃料ノズル１６と酸化剤ノズル１
７とを前述のように配置することにより、酸化剤ノズル
１７から噴出した酸素で燃料ノズル１６から噴出した燃
料を包み込む遮蔽層を形成することができる。この遮蔽
層は、調整剤や燃料が酸素と接触することなく単体で燃
焼室１１内の高温領域に飛び出し、熱分解してすす等を
発生することを抑制する。すなわち、この遮蔽層は、燃
料と酸素との界面で生成したすすを、そのままバーナー
前方に飛び出させることなく、燃料と酸素との界面での
局所的な完全燃焼によって生成した二酸化炭素や水蒸気
と共に燃焼領域に閉じ込め、これらを燃焼領域で混合し
て反応させ、前述のように一酸化炭素や水素を生成させ
るように作用する。

【００２０】さらに、上記遮蔽層を突き抜けてすす等が
飛び出しても、分散することなく高温の燃焼室１１内に
保持されるので、該燃焼室１１内の高温雰囲気下で酸素
や二酸化炭素、水蒸気と反応して一酸化炭素や水素を生
成することになる。

【００２１】したがって、この燃焼装置１０での燃焼に
よって得られる生成ガスは、すすや低級炭化水素をほと
んど含まず、一酸化炭素や水素を多量に含むものとな
る。

【００２２】上述のような一酸化炭素、水素の生成形態
は、燃焼室１１の径や長さ、ノズル部１４の形状、燃料
の種類、酸化剤の酸素濃度、要求されるＨ_２／ＣＯ比、
不純物であるすす等の許容量等に応じて実験等によって
最適な状態を選択することによって形成されるものであ
るが、一般的には、酸化剤ノズル１７から噴出する酸化
剤の噴出速度を、燃料ノズル１６から噴出する燃料の噴
出速度よりも高速にすることにより、前記遮蔽層を効果
的に作り出すことができる。この燃料の噴出速度に対す
る酸化剤の噴出速度の比（速度比）は、条件によって異
なり、通常は、燃料の噴出速度に対する酸化剤の噴出速
度が０．８以上であればすす等の発生を抑えることがで
きるが、燃料の噴出速度に対する酸化剤の噴出速度を
１．０〜１．４程度にすることが好ましい。但し、速度
比を高くし過ぎると、フリーＯ_２（未反応の酸素）が発
生したり、正常な燃焼状態が得られなくなったりするこ
とがある。さらに、調整剤の噴出速度が速くなると、噴
出した調整剤が前記遮蔽層を突き抜け易くなるので、燃
料の噴出速度より遅くすることが好ましい。

【００２３】また、燃料ノズル１６を酸化剤ノズル１７
の近傍に配置することにより、酸化剤ノズル１７から噴
出する酸素の噴流中に効率よく燃料を吸引することがで
き、燃焼反応を促進させることができる。さらに、燃料
ノズル１６及び酸化剤ノズル１７は、図１に示すような
小通孔で形成する場合は、できるだけ間隔を狭めて円形
に近くなるように配置することが好ましい。また、径の
異なる管体とスペーサーとを組合わせてノズル１６，１
７を連続したスリットからなるリング状に形成すること
により、燃料と酸素とを均等に接触させることができる
ので、より効果的な燃焼反応を得ることができる。

【００２４】さらに、燃料ノズル１６と酸化剤ノズル１
７との軸線方向の位置は、燃料ノズル１６が酸化剤ノズ
ル１７より前方に突出していると、燃料ノズル１６から
噴出した燃料が酸化剤の遮蔽層を突き抜け易くなるの
で、酸化剤ノズル１７を前方に位置させておくべきであ
る。したがって、必然的に図１に示すようなノズル形状
になるが、円錐台における広がり角度は任意であり、平
面に近くなっていてもよい。

【００２５】燃焼室１１の長さは、各ノズルからの噴出
速度、火炎長等に応じて設定すればよく、燃焼室１１の
出口部で所望のガス組成が得られるようにすればよい。
ただし、燃焼室１１を短くしすぎると、燃焼室１１の作
用が十分に得られず、低級炭化水素の発生量が増加する
ことがあるので、燃焼室１１の径と同等以上の長さに設
定することが好ましく、長くするほど効果的である。し
かし、燃焼室１１を長くしすぎると、火炎による耐火物
の損耗量が多くなって不経済となるので、通常は、燃焼
室１１の径の１．２〜１．６倍程度にしておくことが好
ましい。

【００２６】また、燃料と酸化剤との量は、燃料の種類
によって異なり、燃料中の炭素を一酸化炭素に変換でき
る酸素量以上で、燃料に対する酸素比が１．０未満であ
れば、上述の燃焼反応により、すす等の不純物の発生を
抑制しながら一酸化炭素や水素を生成することはでき
る。しかし、一般に、酸素比が低い程、一酸化炭素や水
素の生成量は増加するが、火炎の温度が下がり、反応が
実現し難くなる。したがって、例えば燃料がプロパン
（Ｃ_３Ｈ_８）の場合は、酸素比を０．３〜０．６の範
囲、好ましくは０．４５程度に設定することにより、反
応を起こすのに十分な火炎の温度が得られ、一酸化炭素
や水素の発生効率を向上させ、一酸化炭素及び水素を高
収率で得ることができる。

【００２７】酸化剤ノズル１７における前記焦点１９の
位置（ノズルからの距離）も各種条件によって異なる
が、燃焼室１１の内径と同程度の距離、中心軸１３に対
する角度は４５度程度が適切であり、焦点１９が遠過ぎ
る燃焼反応が緩慢になり、焦点１９が近過ぎると、酸化
剤の噴流同士が激しく衝突する状態になるため、ガス流
れに乱れが発生して燃焼が不均一となることがあり、燃
焼反応に悪影響を及ぼすことがある。また、燃料の噴出
方向は、実質的にバーナー中心軸と平行であればよく、
僅かに外方に向いていたり、内方に向いていたりしても
よい。

【００２８】燃料は、ＬＰＧ，ＬＮＧ，ブタンのような
気体燃料が好適であるが、灯油，重油，軽油等の液体燃
料、微粉炭のような固体燃料、あるいはこれらの混合物
を使用することができる。また、酸化剤としては、高温
領域を効率よく形成できる点から酸素ガスを用いること
が最適であるが、酸素濃度８０％程度の酸素富化ガスを
用いてもよく、条件によっては空気を用いることも可能
である。

【００２９】また、Ｈ_２／ＣＯ比を調節するために必要
に応じて添加される調整剤を、中心の調整剤ノズル１５
から低速で噴出させることにより、燃料と酸化剤との接
触を妨げることがなく、かつ、燃焼によって生じたガス
やすす等と効果的に接触させることができる。

【００３０】そして、このようにすすや低級炭化水素の
発生を抑制して高収率で一酸化炭素、水素を得ることが
できるので、生成されるＨ_２／ＣＯ比を熱平衡計算から
容易に予測することが可能となる。また、すすの発生を
抑制するために大量の水蒸気を加える必要がなくなるの
で、燃焼のための炉の小型化が図れ、加えて、低級炭化
水素量が少ないことから、触媒等でこれらを除去するこ
となく昇圧等の処理が可能となる。したがって、装置全
体のイニシャルコストを大幅に低減することができる。

【００３１】

【実施例】実施例１，２ 図１に示す構造の一酸化炭素、水素生成用の燃焼装置を
使用した。この燃焼装置は、燃焼室内径が７０ｍｍ、ノ
ズル端から出口部までの距離が１００ｍｍであり、ノズ
ルの開き角度は約６０度である。調整剤ノズルの径は２
３ｍｍであり、燃料ノズルは、中心軸を中心とした直径
３４ｍｍの円周上に等間隔に８個を設置した。酸化剤ノ
ズルは、噴出方向を中心軸に対して４５度の角度に設定
し、中心軸を中心とした直径５３．４ｍｍの円周上に等
間隔に２４個を設置した。

【００３２】この燃焼装置１０を、図２に示すようにし
て実験炉２１に設置し、対向面に接続したフレアスタッ
ク２２に排出される燃焼生成ガスをサンプリングプロー
ブ２３によりサンプリングした。

【００３３】燃料としてはＬＰＧを使用して１０ｍ^３／
ｈで供給し、酸化剤としては純度９９．８％の酸素ガス
を実施例１では２０．０ｍ^３／ｈで、実施例２では２
２．５ｍ^３／ｈで供給した。なお、調整剤は添加しなか
った。

【００３４】サンプリングしたガス中のすす濃度（投入
した燃料中に含まれるカーボンに対するサンプリングで
実測された未撚カーボン量を百分率で表わしたもの）、
酸素濃度、二酸化炭素濃度、メタン濃度、アセチレン濃
度をそれぞれ測定した結果、一酸化炭素及び水素の収率
（生成したガス量に対する一酸化炭素と水素との合計量
を百分率で表わしたもの）、Ｈ_２／ＣＯ比の測定値及び
理論値を表１に示す。

【００３５】

【表１】

【００３６】実施例３〜１０ 実施例１と同じ装置を使用し、燃料のＬＰＧの供給量を
１０ｍ^３／ｈ、酸化剤の酸素ガスの供給量を２２．５ｍ
^３／ｈとし、表２に示す流量で調整剤としての水蒸気又
は二酸化炭素を添加した。

【００３７】生成ガス中のすす濃度、メタン濃度、アセ
チレン濃度、一酸化炭素及び水素の収率、Ｈ_２／ＣＯ比
の測定値及び理論値を表２に示す。

【００３８】

【表２】

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の一酸化炭
素、水素生成用燃焼装置によれば、すすや低級炭化水素
の発生を抑えながら効率よく一酸化炭素や水素を生成す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の燃焼装置の一形態例を示す断面図で
ある。

【図２】 実施例で使用した実験炉の断面図である。

【符号の説明】

１０…燃焼装置、１１…燃焼室、１２…バーナー、１３
…中心軸、１４…ノズル部、１５…調整剤ノズル、１６
…燃料ノズル、１７…酸化剤ノズル、１８…水冷ジャケ
ット、１９…焦点、２１…実験炉、２２…フレアスタッ
ク、２３…サンプリングプローブ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三宅 新一 東京都港区西新橋１−16−７ 日本酸素株 式会社内 (72)発明者 飯野 公夫 東京都港区西新橋１−16−７ 日本酸素株 式会社内 (72)発明者 村上 伸吾 東京都港区西新橋１−16−７ 日本酸素株 式会社内 (72)発明者 大野 陽太郎 東京都千代田区丸の内１丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 (72)発明者 奥山 契一 東京都千代田区丸の内１丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 Ｆターム(参考） 4G040 EA03 EA05 EA06 EB04 EB12 EB43

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料に対する酸素比を１．０未満として
   燃焼させることにより、一酸化炭素、水素を生成する燃
   焼装置であって、円筒状燃焼室の一端面に、燃焼室中心
   軸方向に調整剤を噴出する調整剤ノズルと、該調整剤ノ
   ズルの外周から燃焼室中心軸と平行な方向に燃料を噴出
   する燃料ノズルと、該燃料ノズルの外周から燃焼室中心
   軸線上に焦点を持つように酸化剤を噴出する酸化剤ノズ
   ルとを設けたことを特徴とする一酸化炭素、水素生成用
   燃焼装置。
2. 【請求項２】 前記燃料が前記調整剤の噴出速度以上の
   速度で噴出し、前記酸化剤が燃料の噴出速度以上の速度
   で噴出することを特徴とする請求項１記載の一酸化炭
   素、水素生成用燃焼装置。
3. 【請求項３】 前記調整剤が、水蒸気又は二酸化炭素で
   あることを特徴とする請求項１記載の一酸化炭素、水素
   生成用燃焼装置。