JP2004075438A - 改質器 - Google Patents
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Abstract
【課題】簡単な構造のバーナを用いつつも、バーナや触媒の熱損傷や高温腐食損傷を防ぐことのできる、長寿命な改質器、また触媒層内で起きる反応の反応効率を高く維持できる改質器を提供する。
【解決手段】含炭素原料を部分酸化した後に水蒸気改質して合成ガスを得るための、密閉可能な容器と、該容器内に酸化剤を供給するための酸化剤供給管と、該容器内に含炭素原料を供給する含炭素原料供給管とを備える改質器において、酸化剤供給管の中心軸と含炭素原料供給管の中心軸とが、該酸化剤供給管出口より酸化剤流れ方向下流かつ該含炭素原料供給管出口より含炭素原料流れ方向下流において交わることを特徴とする。
【選択図】 図１
【解決手段】含炭素原料を部分酸化した後に水蒸気改質して合成ガスを得るための、密閉可能な容器と、該容器内に酸化剤を供給するための酸化剤供給管と、該容器内に含炭素原料を供給する含炭素原料供給管とを備える改質器において、酸化剤供給管の中心軸と含炭素原料供給管の中心軸とが、該酸化剤供給管出口より酸化剤流れ方向下流かつ該含炭素原料供給管出口より含炭素原料流れ方向下流において交わることを特徴とする。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、天然ガス、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ナフサ等の含炭素原料を、空気、酸素富化空気または酸素を用いて部分酸化反応させ、さらに水蒸気改質反応により、水素および一酸化炭素を主成分とする合成ガスを製造する改質器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
天然ガス、ナフサ等の含炭素原料から水素製造、メタノール製造あるいはアンモニア製造等の合成ガスの製造方法としては、２種類の反応器を使用する方法が良く知られている。
【０００３】
天然ガスを原料とするアンモニア製造においては、まず第１の反応器に含炭素原料およびスチームを原料として、改質炉の中に多数の反応管を設置し、反応管の外部より熱を供給する改質炉形式の反応器により、下記に示す水蒸気改質反応およびシフト反応を利用して水素を主成分とする第１の合成ガスの製造が行われる。この第１の合成ガスは、水素を主成分とし、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、スチームから構成される。例えば、反応管は内径約１００ｍｍ、長さ約１５ｍの耐熱鋼製であり、反応管内部にはニッケル系触媒が充填されており、反応条件としては、圧力は２〜４ＭＰａ、温度が７００〜９００℃である。
【０００４】
続いて、この第１の合成ガスは、酸化剤とともに図４に示される反応器に供給され、下記に示す部分酸化反応を利用し、目的とする合成ガスが製造される。例えば、この反応器には、第１の反応器と同じように、ニッケル系触媒が充填されており、反応条件としては、圧力が２〜４ＭＰａ、温度が９００〜１、１００℃である。
【０００５】
酸化剤は、空気、酸素あるいは酸素富化空気が使われており、経済性を考慮して選ばれる。
【０００６】
この第２の反応器では２段階で反応が起こると考えられている。まず、第１段階で、第１の反応器よりの第１の合成ガスと酸化剤との部分酸化反応を利用して、高温ガスを発生させ、更に第２段階において、生成した部分酸化反応ガスを触媒層に供給して合成ガスを製造する。
【０００７】
更に詳しく説明すると、第２の反応器の第１段階では、発熱反応である部分酸化反応が起こる。例えば、第１の合成ガスの成分であるメタンを例にとると、代表的な部分酸化反応は次式で表される。
【０００８】
【化１】
【０００９】
第２段階では、上記部分酸化反応の領域より下流に配置された触媒層において、次に示す水蒸気改質反応およびシフト反応が生じて合成ガスが生成される。
【００１０】
【化２】
【００１１】
上記二つの反応では、水蒸気改質反応が支配的なため、全体としては吸熱反応となる。
【００１２】
第２段階の吸熱反応に必要な熱量は第１段階の部分酸化反応熱で賄うため、触媒層全体に第１段階で生成した高温の部分酸化反応ガスを均一に供給することが望ましい。
【００１３】
工業的に使用される第２の反応器（以下、「改質器」という。）を図４に示す。この装置は、Ａｍｍｏｎｉａ Ｐｌａｎｔ Ｓａｆｅｔｙ ＆ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｆａｃｉｌｉｔｉｅｓ，Ｖｏｌｕｍｅ ３４， ｐａｇｅ２４〜に示されるものである。
【００１４】
図４に示すように、改質器は、密閉可能な容器４に、酸化剤供給管２１、含炭素原料供給管１１、バーナノズル６、レンガ３、触媒層５、アルミナボール７、サポートレンガ８が設けられてなる。酸化剤２は円筒状の酸化剤供給管２１から供給され、含炭素原料１は、酸化剤供給管２１の横方向もしくは軸方向に設置される含炭素原料供給管１１から酸化剤供給管２１の周辺に供給される。供給された含炭素原料１は、酸化剤供給管２１に沿って下流方向に流れ、バーナーノズル近傍で酸化剤と合流し、部分酸化反応を起こし、高温部分を形成する。この高温の部分酸化反応ガス３１は、耐熱性のあるレンガ３が設置された触媒層５に供給され、更に水蒸気改質反応およびシフト反応を起こし、アルミナボール７、サポートレンガ８をとおり、合成ガス排出口９から合成ガス３２が得られる。
【００１５】
この高温部分が形成されるバーナーノズル６に関する構造が、特開平５−２５６４２０号公報、特開平６−３４１１２号公報および特開２０００−１８６８０６号公報に開示されている。
【００１６】
特開平５−２５６４２０号公報には、燃料ガス噴出機が燃料ガス通路の流出端と接続され、この燃料噴出機がバ−ナ−管と噴出機の共通の軸の周りにＵ型の断面部の内部表面を有し、酸化物噴出機が酸化物供給管の流出端に接続され、酸化物噴出機が燃料ガス噴出機と同軸状に隔てられたＵ型の断面部の表面を有し、各噴出室がＵ型の輪郭を有し、共通の軸の周りに円形の流出端を備え、円筒径の突出体が酸化噴出室内に同軸状に配設され、この突出体がド−ム状の上流端とテ−パ状の下流端を有し、渦巻機がその上流端とその下流端の間の突出体に配設され、この渦巻機が酸化物噴出室の表面に延びている安定した渦巻ブレ−ドを有した構造が開示されている。
【００１７】
また、特開平６−３４１１２号公報には、金属製供給管と、供給管と連通する金属製後方部片とそれに隣接するセラミック製前方部片とを具備するノズルと、ノズルの周囲に保護気体を提供する手段とを備える複合ランスを燃焼帯域の壁内にありそして燃焼帯域と連通する開通口を有する空洞に引っ込めて配置した複合ランス気体噴射装置が開示されている。
【００１８】
特開２０００−１８６８０６号公報には、腐食性雰囲気に曝されるバーナにより炭化水素燃料を燃焼させる際、このバーナ表面の周囲の腐食性雰囲気を希釈もしくは置き換えるに十分な量の保護雰囲気をバーナボディの外面および全面に沿って流し、バーナボディを保護する方法が開示されている。
【００１９】
これらの技術では、バーナノズルの先端あるいは近傍に、混合促進、均一混合、逆流防止、噴射方向調整、冷却などを目的とした部品が装着され、複雑な形状を呈している。また、これらの技術では、含炭素原料の部分酸化反応を生じるまでの供給方向が酸化剤供給管に沿って平行であるために、バーナノズル出口での高温の部分酸化反応領域が下方に向かって大きく延びる構造となっている。
【００２０】
しかしながら、複雑な形状をしたバーナノズルは、バーナノズル近傍の高温の部分酸化反応ガスによりノズルが熱損傷および高温腐食損傷を起こしやすく、長期間の使用に耐えることが難しい。さらに、バーナーノズル直下の局所的な高温の部分酸化反応領域が下流方向に延びると、触媒を損傷し、また触媒層表面に到達するガス温度は不均一となり、触媒層内部で起きる水蒸気改質反応及びシフト反応の反応効率が低下する。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、簡単な構造のバーナを用いつつも、バーナノズル近傍において部分酸化反応による高温領域が生成することを防止し、部分酸化反応を安定かつ均一に進行させ、バーナや触媒の熱損傷や高温腐食損傷を防ぐことのできる、長寿命な改質器を提供することである。さらには、触媒層内で起きる反応の反応効率を高く維持できる改質器を提供することも目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、酸化剤と含炭素原料の混合を特定の仕方で行うことにより、バーナノズル近傍で部分酸化反応による高温領域が発生することを防止でき、安定した均一な部分酸化反応を起こすことができることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【００２３】
本発明により、含炭素原料を部分酸化した後に水蒸気改質して合成ガスを得るための、密閉可能な容器と、該容器内に酸化剤を供給するための酸化剤供給管と、該容器内に含炭素原料を供給する含炭素原料供給管とを備える改質器において、
酸化剤供給管の中心軸と含炭素原料供給管の中心軸とが、該酸化剤供給管の出口より酸化剤流れ方向下流かつ該含炭素原料供給管の出口より含炭素原料流れ方向下流において交わることを特徴とする改質器が提供される。
【００２４】
この改質器において、酸化剤供給管の中心軸と含炭素原料供給管の中心軸とが交わる角度が８０〜１００度であることが好ましい。
【００２５】
また、酸化剤供給管出口の等価水力直径をＤ１（ｍ）、
含炭素原料供給管出口の等価水力直径をＤ２（ｍ）、
酸化剤供給管出口における酸化剤噴流の平均流速をＶ１（ｍ／秒）、
含炭素原料供給管出口における含炭素原料噴流の平均流速をＶ２（ｍ／秒）、
酸化剤供給管出口端から、前記酸化剤供給管の中心軸と含炭素原料供給管の中心軸とが交わる交点までの距離をＬ１（ｍ）としたとき、次の関係が成り立つことが好ましい。
【００２６】
【数２】
【００２７】
また、酸化剤供給管出口の断面形状が、円形、楕円形、多角形、多角星形または花びら形であることが好ましい。
【００２８】
ここで、ｍｉｎ（０．５Ｄ２，７．０Ｄ１）は、０．５Ｄ２および７．０Ｄ１のうちの最小値を与える関数、ｍａｘ（０．５Ｄ２，７．０Ｄ１）は０．５Ｄ２および７．０Ｄ１のうちの最大値を与える関数である。またＶ１、Ｖ２は、実際の温度、圧力における流速である。
【００２９】
【発明の実施の形態】
触媒としては、耐熱性があり、水蒸気改質反応およびシフト反応に活性のあるものであれば使用することができ、例えば市販のニッケル系触媒を使用することができる。反応条件は、好ましくは圧力が２〜６ＭＰａ、温度が８００〜１１００℃であり、温度・圧力条件は経済性を考慮して選ばれる。
【００３０】
また、酸化剤は、酸素、空気、酸素富化空気の中から、製造する製品に従い、経済性を考慮して選ばれる。例えば、メタノール製造用および水素製造用の合成ガスの製造には、窒素をできるだけ含まないほうが経済的であるので、空気分離装置よりの酸素を使うことが好ましい。アンモニア製造用の合成ガスの製造には、アンモニア合成のための原料となる窒素がふくまれていいるほうが望ましいので、空気あるいは酸素富化空気を使うことが好ましい。空気の供給量については、適宜、アンモニア製造の経済性を考慮して決定される。また、酸素富化空気中の酸素量および供給量は、適宜アンモニア製造の経済性を考慮して決定される。
【００３１】
含炭素原料としては、水蒸気改質反応によって水素を生成しうる、炭素原子を有する化合物を一種または２種以上混合して用いることができる。含炭素原料には、他の成分が含まれることもできる。含炭素原料の例としては、天然ガス、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ナフサを挙げることができる。また、天然ガス等の含炭素原料に、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、スチームが含まれていても良い。例えば、天然ガス等の含炭素原料が部分的に改質された部分改質ガスを含炭素原料として用いることもできる。実用上は、カーボン析出防止等の観点から含炭素原料がスチームを含むことが好ましく、このスチームが水蒸気改質反応用のスチームとして利用される。
【００３２】
以下、図面を用いて本発明の一形態について説明するが、本発明はこの形態に限られるものではない。
【００３３】
図１は本発明の改質器の一形態の全体を示す模式図である。改質器は、密閉可能な容器４に、酸化剤２を供給するための酸化剤供給管２１、改質器内に含炭素原料１を供給するための含炭素原料供給管１１、水蒸気改質反応及びシフト反応を促進するための触媒層５を収容する領域、触媒層の下流に配された触媒層を支持し改質器の圧力損失を均一化するためのアルミナボール層７を収容する領域、触媒層やアルミナボール等を支えるサポートレンガ８、および合成ガス３２を排出するための排出口９が設けられてなる。
【００３４】
ここでは酸化剤供給管および含炭素原料供給管は円筒状の管としてある。また改質器は、酸化剤供給管および含炭素原料供給管を備え、酸化剤と含炭素原料とを混合し部分酸化反応させるための部分酸化反応部（ここでは内径Ｄ３の円筒部。以下、場合により「改質器上部」という。）；部分酸化反応したガスである部分酸化反応ガス３１の流れを拡げるための、内径がＤ３からＤ４に連続的に拡大するコーン部；触媒層およびアルミナボール層を収容するための領域、サポートレンガならびに排出口を備え、部分酸化反応ガスから水蒸気改質反応およびシフト反応により合成ガスを得るための水蒸気改質部（ここでは内径Ｄ４の円筒部。以下、場合により「改質器下部」という。）を有する。
【００３５】
図２は、改質器上部の酸化剤と含炭素燃料が混合する部分を拡大した拡大図である。酸化剤供給管２１の中心軸２２と、含炭素原料供給管１１の中心軸１２とは交点４０において交わる。交点４０は酸化剤供給管２１の出口より酸化剤の流れ方向に対して下流側に、かつ、含炭素原料供給管１１の出口より含炭素原料の流れ方向に対して下流側に位置する。
【００３６】
中心軸２２と中心軸１２が交わる角度θは８０〜１００度が好ましく、より好ましくは９０度である。
【００３７】
このようにして、酸化剤の噴流と含炭素原料の噴流を交わらせることにより、二つの噴流が形成するポテンシャルコア表面の拡散混合を有効に利用し、部分酸化反応を均一に促進することができ、もって酸化剤噴流の成長を防いで部分酸化による高温領域が下方に延びて触媒層中心付近に集中することを防止できる。
【００３８】
ここで、酸化剤供給管出口の等価水力直径をＤ１（ｍ）、
含炭素原料供給管出口の等価水力直径をＤ２（ｍ）、
酸化剤供給管出口における酸化剤噴流の平均流速をＶ１（ｍ／秒）、
含炭素原料供給管出口における含炭素原料噴流の平均流速をＶ２（ｍ／秒）、
酸化剤供給管出口端から、前記酸化剤供給管の中心軸と含炭素原料供給管の中心軸とが交わる交点までの距離をＬ１（ｍ）としたとき、
【００３９】
【数３】
【００４０】
であることが好ましく、
【００４１】
【数４】
【００４２】
であることがより好ましい。
【００４３】
酸化剤噴流のポテンシャルコアが成長して長くなることを防ぎ、部分酸化反応の高温領域が噴流下流方向に細長く成長して高温ガスが触媒層中心付近に集中することを防止し、触媒の溶融損傷を回避する観点から、酸化剤の平均流速Ｖ１は好ましくは１５０ｍ／秒以下、より好ましくは９０ｍ／秒以下である。
【００４４】
高温の部分酸化反応領域が酸化剤供給管出口近傍に集中することを防ぎ、酸化剤供給管の溶融損傷を回避する観点から、また部分酸化反応の高温領域が含炭素原料供給管と対向する側の改質器炉壁に偏ることを防ぎ、炉壁損傷を回避する観点から、酸化剤の平均流速Ｖ１は好ましくは４０ｍ／秒以上、より好ましくは６０ｍ／秒以上である。このように、酸化剤供給管先端近傍に高温の部分酸化反応領域が形成されることを回避することによって、熱損傷を防ぐためにノズル先端に設けられる水冷機構等を不要とすることができる。
【００４５】
含炭素原料供給管と対向する側の改質器炉壁に高温ガスが偏って流れることを防ぎ、炉壁損傷を回避する観点から、含炭素原料の平均流速Ｖ２は好ましくは０．８Ｖ１以下、より好ましくは０．６Ｖ１以下である。
【００４６】
酸化剤噴流のポテンシャルコアが成長して長くなることを防ぎ、高温ガスの触媒層中心付近への集中を防止し、触媒の溶融損傷を回避する観点から、含炭素原料の平均流速Ｖ２は好ましくは０．２Ｖ１以上、より好ましくは０．４Ｖ１以上である。
【００４７】
Ｌ１は好ましくは０．５Ｄ２以上（０．５Ｄ２≦７．０Ｄ１の場合）または７．０Ｄ１以上（０．５Ｄ２＞７．０Ｄ１の場合）、より好ましくは０．６Ｄ２以上（０．６Ｄ２≦５．０Ｄ１の場合）または５．０Ｄ１以上（０．６Ｄ２＞５．０Ｄ１の場合）である。
【００４８】
Ｌ１は好ましくは７．０Ｄ１以下（０．５Ｄ２≦７．０Ｄ１の場合）または０．５Ｄ２以下（０．５Ｄ２＞７．０Ｄ１の場合）、より好ましくは５．０Ｄ１以下（０．６Ｄ２≦５．０Ｄ１の場合）または０．６Ｄ２以下（０．６Ｄ２＞５．０Ｄ１の場合）である。
【００４９】
酸化剤供給管の出口の断面形状は、図３（ａ）に示す円形に限られるものではなく、任意の形状とすることができる。例えば同図（ｂ）〜（ｅ）に示すような楕円形、多角形、多角星形または花びら形でもよい。
【００５０】
酸化剤と含炭素原料の混合を促進する観点からは、噴流のポテンシャルコア表面積を広くすることのできる多角形、多角星形または花びら形の断面が好ましい。
【００５１】
なお、任意断面形状についてのＶ１およびＶ２は、それぞれ等価水力直径で評価した酸化剤供給管および含炭素原料供給管出口流速である。ここに等価水力直径（ｄ）は、
ｄ＝４ｍ
ｍ＝Ａ／Ｐ
Ａ：断面積、Ｐ：濡れ縁長さ
である。
【００５２】
改質器の上部の内径Ｄ３および部分酸化反応領域長さＬ２はは、処理する酸化剤および含炭素原料の量により経済性等を考慮して適宜決定する。この部分酸化反応領域長さＬ２は、Ｄ３と関連し部分酸化反応領域の下端面（図１中、内径Ｄ３の円筒部の最も下流側における容器断面）において部分酸化反応ガスの温度がほぼ均一となる長さから選ばれる。更に、この内径Ｄ３は触媒層の内径Ｄ４およびコーン部長さＬ３と関連し、生成した部分酸化反応ガスがほぼ均一に触媒層に供給されるように部分酸化反応を含む三次元流れ解析（ＣＦＤ解析）手法などを用いてＤ３、Ｄ４、Ｌ２およびＬ３を決定することができる。
【００５３】
【実施例】
〔実施例１〕
図１に示す構成の改質器（酸化剤供給管の中心軸と含炭素原料供給管の中心軸のなす角度は９０度）を用い、合成ガス２，０００，０００ＮＭ３／ｈを製造した。ここで単位「ＮＭ３」は、０℃、０．１０１ＭＰａにおけるｍ３（立方メートル）を意味する。
【００５４】
含炭素原料は、スチーム、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、メタンを主成分とし、圧力２ＭＰａ、温度８００℃で、１，５００，０００ＮＭ３／ｈ供給し、酸化剤としては、酸素分離装置からの酸素を、圧力２ＭＰａ、温度１５０℃で、７９，０００ＮＭ３／ｈ供給した。それぞれの組成を表１および表２に示す。
【００５５】
【表１】
【００５６】
【表２】
【００５７】
酸化剤供給管の内径Ｄ１を１６５ｍｍ、含炭素原料供給管の内径Ｄ２を１，５５０ｍｍ、改質器上部の内径Ｄ３を２，５００ｍｍ、改質器下部の内径Ｄ４を５，０００ｍｍ、含炭素原料混合位置Ｌ１を８５０ｍｍ、部分酸化反応領域長さＬ２（交点４０からコーン部までの流れ方向距離）を７，０００ｍｍとした。また、酸化剤供給流速Ｖ１は８０ｍ／秒とし、含炭素原料の供給流速Ｖ２は４３ｍ／秒とした。なお、酸化剤供給管および含炭素原料供給管の断面形状は円形とした。
【００５８】
改質器上部に等間隔に設置された熱電対温度計の測定結果から、この条件下で部分酸化反応により生成される高温領域の最高点は、酸化剤供給管先端より約２，０００ｍｍ下方であり、酸化剤供給管出口近傍の温度は、供給した酸化剤ガス温度とほぼ同じであった。また、上記熱電対温度計により温度分布の経時変化を観察したところ、上記条件下での高温の部分酸化反応領域が安定的に形成されていることが分かった。さらに、触媒層の上面に設置された複数の熱電対温度計により、触媒層上面に供給される部分酸化反応ガスの温度分布を観察したところ、その温度分布は±４％以内であった。
【００５９】
〔比較例１〕
図４に示す構造の従来技術による改質器を用い、合成ガス２８０，０００ＮＭ３／ｈを製造した。本例では、本発明の改質器とは異なり、酸化剤供給管と含炭素原料供給管の中心軸が、酸化剤供給管出口より酸化剤流れ方向上流において交わっており、それぞれの流れは平行とされたうえで部分酸化反応部に供給されている。
【００６０】
含炭素原料は、スチーム、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、メタンを主成分とし、圧力２ＭＰａ、温度８００℃で、２１０，０００ＮＭ３／ｈ供給し、酸化剤としては、酸素分離装置からの酸素を、圧力２ＭＰａ、温度１５０℃で、１１，０００ＮＭ３／ｈ供給した。それぞれの組成を表１および表２に示す。
【００６１】
酸化剤供給管の内径Ｄ１を１３０ｍｍ、改質器上部の内径Ｄ３を１，０００ｍｍ、改質器下部の内径Ｄ４を５，０００ｍｍ、含炭素原料混合位置Ｌ１を３，０００ｍｍ、部分酸化反応領域コーン部の長さＬ３を２，０００ｍｍとした。酸化剤供給管出口の酸化剤平均流速は１８ｍ／秒、含炭素原料供給管出口の含炭素原料平均流速は１２ｍ／秒とした。
【００６２】
この条件下で、部分酸化反応により生成される高温領域は、酸化剤供給管ノズル先端より約１００ｍｍ下方であり、酸化剤供給管バーナーノズル近傍で高温領域が生じていた。また、触媒層上面に設置された複数の熱電対温度計による測定結果から、触媒層上面の温度分布は±１０％の範囲にばらついており、触媒層への均一な高温ガス供給がなされていなかった。
【００６３】
【発明の効果】
比較例１に示すように、従来型の改質器では、高温の部分酸化領域が酸化剤供給管バーナーノズル直下で形成され、バーナーノズルが高温に曝され、熱損傷や熱腐食損傷を起こす可能性がある。
【００６４】
一方実施例１から分かるように、本発明の改質器では、高温の部分酸化反応領域は酸化剤供給管出口の下流２，０００ｍｍ付近に形成され、高温の部分酸化反応領域が酸化剤供給管出口直下で形成されないため、酸化剤供給管は高温になることがなく、その熱損傷、熱腐食損傷を防止することができる。
【００６５】
さらに、実施例１からわかるように、本発明によって噴流の強い拡散混合による安定した部分酸化反応を実現することができ、触媒層入り口表面の温度がほぼ均一になり、触媒層内部の反応の反応効率が良好に保たれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の改質器の一形態を示す模式図である。
【図２】図１の改質器の上部の拡大図である。
【図３】本発明に適用できる酸化剤供給管出口の断面形状を示す模式図である。
【図４】従来の改質器を示す模式図である。
【符号の説明】
１：含炭素原料
２：酸化剤
３：レンガ
４：容器
５：触媒層
６：バーナノズル
７：アルミナボール
８：サポートレンガ
９：排出口
１１：含炭素原料供給管
１２：含炭素原料供給管の中心軸
２１：酸化剤供給管
２２：酸化剤供給管の中心軸
３１：部分酸化反応ガス
３２：合成ガス
４０：酸化剤供給管の中心軸と含炭素原料供給管の中心軸との交点
Ｌ１：含炭素原料混合位置
Ｌ２：部分酸化反応領域長さ
Ｌ３：部分酸化反応領域コーン部長さ
Ｄ１：酸化剤供給管内径
Ｄ２：含炭素原料供給管内径
Ｄ３：改質器上部内径
Ｄ４：改質器下部内径
Ｖ１：酸化剤平均供給速度
Ｖ２：含炭素原料平均供給速度
【発明の属する技術分野】
本発明は、天然ガス、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ナフサ等の含炭素原料を、空気、酸素富化空気または酸素を用いて部分酸化反応させ、さらに水蒸気改質反応により、水素および一酸化炭素を主成分とする合成ガスを製造する改質器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
天然ガス、ナフサ等の含炭素原料から水素製造、メタノール製造あるいはアンモニア製造等の合成ガスの製造方法としては、２種類の反応器を使用する方法が良く知られている。
【０００３】
天然ガスを原料とするアンモニア製造においては、まず第１の反応器に含炭素原料およびスチームを原料として、改質炉の中に多数の反応管を設置し、反応管の外部より熱を供給する改質炉形式の反応器により、下記に示す水蒸気改質反応およびシフト反応を利用して水素を主成分とする第１の合成ガスの製造が行われる。この第１の合成ガスは、水素を主成分とし、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、スチームから構成される。例えば、反応管は内径約１００ｍｍ、長さ約１５ｍの耐熱鋼製であり、反応管内部にはニッケル系触媒が充填されており、反応条件としては、圧力は２〜４ＭＰａ、温度が７００〜９００℃である。
【０００４】
続いて、この第１の合成ガスは、酸化剤とともに図４に示される反応器に供給され、下記に示す部分酸化反応を利用し、目的とする合成ガスが製造される。例えば、この反応器には、第１の反応器と同じように、ニッケル系触媒が充填されており、反応条件としては、圧力が２〜４ＭＰａ、温度が９００〜１、１００℃である。
【０００５】
酸化剤は、空気、酸素あるいは酸素富化空気が使われており、経済性を考慮して選ばれる。
【０００６】
この第２の反応器では２段階で反応が起こると考えられている。まず、第１段階で、第１の反応器よりの第１の合成ガスと酸化剤との部分酸化反応を利用して、高温ガスを発生させ、更に第２段階において、生成した部分酸化反応ガスを触媒層に供給して合成ガスを製造する。
【０００７】
更に詳しく説明すると、第２の反応器の第１段階では、発熱反応である部分酸化反応が起こる。例えば、第１の合成ガスの成分であるメタンを例にとると、代表的な部分酸化反応は次式で表される。
【０００８】
【化１】
第２段階では、上記部分酸化反応の領域より下流に配置された触媒層において、次に示す水蒸気改質反応およびシフト反応が生じて合成ガスが生成される。
【００１０】
【化２】
上記二つの反応では、水蒸気改質反応が支配的なため、全体としては吸熱反応となる。
【００１２】
第２段階の吸熱反応に必要な熱量は第１段階の部分酸化反応熱で賄うため、触媒層全体に第１段階で生成した高温の部分酸化反応ガスを均一に供給することが望ましい。
【００１３】
工業的に使用される第２の反応器（以下、「改質器」という。）を図４に示す。この装置は、Ａｍｍｏｎｉａ Ｐｌａｎｔ Ｓａｆｅｔｙ ＆ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｆａｃｉｌｉｔｉｅｓ，Ｖｏｌｕｍｅ ３４， ｐａｇｅ２４〜に示されるものである。
【００１４】
図４に示すように、改質器は、密閉可能な容器４に、酸化剤供給管２１、含炭素原料供給管１１、バーナノズル６、レンガ３、触媒層５、アルミナボール７、サポートレンガ８が設けられてなる。酸化剤２は円筒状の酸化剤供給管２１から供給され、含炭素原料１は、酸化剤供給管２１の横方向もしくは軸方向に設置される含炭素原料供給管１１から酸化剤供給管２１の周辺に供給される。供給された含炭素原料１は、酸化剤供給管２１に沿って下流方向に流れ、バーナーノズル近傍で酸化剤と合流し、部分酸化反応を起こし、高温部分を形成する。この高温の部分酸化反応ガス３１は、耐熱性のあるレンガ３が設置された触媒層５に供給され、更に水蒸気改質反応およびシフト反応を起こし、アルミナボール７、サポートレンガ８をとおり、合成ガス排出口９から合成ガス３２が得られる。
【００１５】
この高温部分が形成されるバーナーノズル６に関する構造が、特開平５−２５６４２０号公報、特開平６−３４１１２号公報および特開２０００−１８６８０６号公報に開示されている。
【００１６】
特開平５−２５６４２０号公報には、燃料ガス噴出機が燃料ガス通路の流出端と接続され、この燃料噴出機がバ−ナ−管と噴出機の共通の軸の周りにＵ型の断面部の内部表面を有し、酸化物噴出機が酸化物供給管の流出端に接続され、酸化物噴出機が燃料ガス噴出機と同軸状に隔てられたＵ型の断面部の表面を有し、各噴出室がＵ型の輪郭を有し、共通の軸の周りに円形の流出端を備え、円筒径の突出体が酸化噴出室内に同軸状に配設され、この突出体がド−ム状の上流端とテ−パ状の下流端を有し、渦巻機がその上流端とその下流端の間の突出体に配設され、この渦巻機が酸化物噴出室の表面に延びている安定した渦巻ブレ−ドを有した構造が開示されている。
【００１７】
また、特開平６−３４１１２号公報には、金属製供給管と、供給管と連通する金属製後方部片とそれに隣接するセラミック製前方部片とを具備するノズルと、ノズルの周囲に保護気体を提供する手段とを備える複合ランスを燃焼帯域の壁内にありそして燃焼帯域と連通する開通口を有する空洞に引っ込めて配置した複合ランス気体噴射装置が開示されている。
【００１８】
特開２０００−１８６８０６号公報には、腐食性雰囲気に曝されるバーナにより炭化水素燃料を燃焼させる際、このバーナ表面の周囲の腐食性雰囲気を希釈もしくは置き換えるに十分な量の保護雰囲気をバーナボディの外面および全面に沿って流し、バーナボディを保護する方法が開示されている。
【００１９】
これらの技術では、バーナノズルの先端あるいは近傍に、混合促進、均一混合、逆流防止、噴射方向調整、冷却などを目的とした部品が装着され、複雑な形状を呈している。また、これらの技術では、含炭素原料の部分酸化反応を生じるまでの供給方向が酸化剤供給管に沿って平行であるために、バーナノズル出口での高温の部分酸化反応領域が下方に向かって大きく延びる構造となっている。
【００２０】
しかしながら、複雑な形状をしたバーナノズルは、バーナノズル近傍の高温の部分酸化反応ガスによりノズルが熱損傷および高温腐食損傷を起こしやすく、長期間の使用に耐えることが難しい。さらに、バーナーノズル直下の局所的な高温の部分酸化反応領域が下流方向に延びると、触媒を損傷し、また触媒層表面に到達するガス温度は不均一となり、触媒層内部で起きる水蒸気改質反応及びシフト反応の反応効率が低下する。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、簡単な構造のバーナを用いつつも、バーナノズル近傍において部分酸化反応による高温領域が生成することを防止し、部分酸化反応を安定かつ均一に進行させ、バーナや触媒の熱損傷や高温腐食損傷を防ぐことのできる、長寿命な改質器を提供することである。さらには、触媒層内で起きる反応の反応効率を高く維持できる改質器を提供することも目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、酸化剤と含炭素原料の混合を特定の仕方で行うことにより、バーナノズル近傍で部分酸化反応による高温領域が発生することを防止でき、安定した均一な部分酸化反応を起こすことができることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【００２３】
本発明により、含炭素原料を部分酸化した後に水蒸気改質して合成ガスを得るための、密閉可能な容器と、該容器内に酸化剤を供給するための酸化剤供給管と、該容器内に含炭素原料を供給する含炭素原料供給管とを備える改質器において、
酸化剤供給管の中心軸と含炭素原料供給管の中心軸とが、該酸化剤供給管の出口より酸化剤流れ方向下流かつ該含炭素原料供給管の出口より含炭素原料流れ方向下流において交わることを特徴とする改質器が提供される。
【００２４】
この改質器において、酸化剤供給管の中心軸と含炭素原料供給管の中心軸とが交わる角度が８０〜１００度であることが好ましい。
【００２５】
また、酸化剤供給管出口の等価水力直径をＤ１（ｍ）、
含炭素原料供給管出口の等価水力直径をＤ２（ｍ）、
酸化剤供給管出口における酸化剤噴流の平均流速をＶ１（ｍ／秒）、
含炭素原料供給管出口における含炭素原料噴流の平均流速をＶ２（ｍ／秒）、
酸化剤供給管出口端から、前記酸化剤供給管の中心軸と含炭素原料供給管の中心軸とが交わる交点までの距離をＬ１（ｍ）としたとき、次の関係が成り立つことが好ましい。
【００２６】
【数２】
また、酸化剤供給管出口の断面形状が、円形、楕円形、多角形、多角星形または花びら形であることが好ましい。
【００２８】
ここで、ｍｉｎ（０．５Ｄ２，７．０Ｄ１）は、０．５Ｄ２および７．０Ｄ１のうちの最小値を与える関数、ｍａｘ（０．５Ｄ２，７．０Ｄ１）は０．５Ｄ２および７．０Ｄ１のうちの最大値を与える関数である。またＶ１、Ｖ２は、実際の温度、圧力における流速である。
【００２９】
【発明の実施の形態】
触媒としては、耐熱性があり、水蒸気改質反応およびシフト反応に活性のあるものであれば使用することができ、例えば市販のニッケル系触媒を使用することができる。反応条件は、好ましくは圧力が２〜６ＭＰａ、温度が８００〜１１００℃であり、温度・圧力条件は経済性を考慮して選ばれる。
【００３０】
また、酸化剤は、酸素、空気、酸素富化空気の中から、製造する製品に従い、経済性を考慮して選ばれる。例えば、メタノール製造用および水素製造用の合成ガスの製造には、窒素をできるだけ含まないほうが経済的であるので、空気分離装置よりの酸素を使うことが好ましい。アンモニア製造用の合成ガスの製造には、アンモニア合成のための原料となる窒素がふくまれていいるほうが望ましいので、空気あるいは酸素富化空気を使うことが好ましい。空気の供給量については、適宜、アンモニア製造の経済性を考慮して決定される。また、酸素富化空気中の酸素量および供給量は、適宜アンモニア製造の経済性を考慮して決定される。
【００３１】
含炭素原料としては、水蒸気改質反応によって水素を生成しうる、炭素原子を有する化合物を一種または２種以上混合して用いることができる。含炭素原料には、他の成分が含まれることもできる。含炭素原料の例としては、天然ガス、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ナフサを挙げることができる。また、天然ガス等の含炭素原料に、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、スチームが含まれていても良い。例えば、天然ガス等の含炭素原料が部分的に改質された部分改質ガスを含炭素原料として用いることもできる。実用上は、カーボン析出防止等の観点から含炭素原料がスチームを含むことが好ましく、このスチームが水蒸気改質反応用のスチームとして利用される。
【００３２】
以下、図面を用いて本発明の一形態について説明するが、本発明はこの形態に限られるものではない。
【００３３】
図１は本発明の改質器の一形態の全体を示す模式図である。改質器は、密閉可能な容器４に、酸化剤２を供給するための酸化剤供給管２１、改質器内に含炭素原料１を供給するための含炭素原料供給管１１、水蒸気改質反応及びシフト反応を促進するための触媒層５を収容する領域、触媒層の下流に配された触媒層を支持し改質器の圧力損失を均一化するためのアルミナボール層７を収容する領域、触媒層やアルミナボール等を支えるサポートレンガ８、および合成ガス３２を排出するための排出口９が設けられてなる。
【００３４】
ここでは酸化剤供給管および含炭素原料供給管は円筒状の管としてある。また改質器は、酸化剤供給管および含炭素原料供給管を備え、酸化剤と含炭素原料とを混合し部分酸化反応させるための部分酸化反応部（ここでは内径Ｄ３の円筒部。以下、場合により「改質器上部」という。）；部分酸化反応したガスである部分酸化反応ガス３１の流れを拡げるための、内径がＤ３からＤ４に連続的に拡大するコーン部；触媒層およびアルミナボール層を収容するための領域、サポートレンガならびに排出口を備え、部分酸化反応ガスから水蒸気改質反応およびシフト反応により合成ガスを得るための水蒸気改質部（ここでは内径Ｄ４の円筒部。以下、場合により「改質器下部」という。）を有する。
【００３５】
図２は、改質器上部の酸化剤と含炭素燃料が混合する部分を拡大した拡大図である。酸化剤供給管２１の中心軸２２と、含炭素原料供給管１１の中心軸１２とは交点４０において交わる。交点４０は酸化剤供給管２１の出口より酸化剤の流れ方向に対して下流側に、かつ、含炭素原料供給管１１の出口より含炭素原料の流れ方向に対して下流側に位置する。
【００３６】
中心軸２２と中心軸１２が交わる角度θは８０〜１００度が好ましく、より好ましくは９０度である。
【００３７】
このようにして、酸化剤の噴流と含炭素原料の噴流を交わらせることにより、二つの噴流が形成するポテンシャルコア表面の拡散混合を有効に利用し、部分酸化反応を均一に促進することができ、もって酸化剤噴流の成長を防いで部分酸化による高温領域が下方に延びて触媒層中心付近に集中することを防止できる。
【００３８】
ここで、酸化剤供給管出口の等価水力直径をＤ１（ｍ）、
含炭素原料供給管出口の等価水力直径をＤ２（ｍ）、
酸化剤供給管出口における酸化剤噴流の平均流速をＶ１（ｍ／秒）、
含炭素原料供給管出口における含炭素原料噴流の平均流速をＶ２（ｍ／秒）、
酸化剤供給管出口端から、前記酸化剤供給管の中心軸と含炭素原料供給管の中心軸とが交わる交点までの距離をＬ１（ｍ）としたとき、
【００３９】
【数３】
であることが好ましく、
【００４１】
【数４】
であることがより好ましい。
【００４３】
酸化剤噴流のポテンシャルコアが成長して長くなることを防ぎ、部分酸化反応の高温領域が噴流下流方向に細長く成長して高温ガスが触媒層中心付近に集中することを防止し、触媒の溶融損傷を回避する観点から、酸化剤の平均流速Ｖ１は好ましくは１５０ｍ／秒以下、より好ましくは９０ｍ／秒以下である。
【００４４】
高温の部分酸化反応領域が酸化剤供給管出口近傍に集中することを防ぎ、酸化剤供給管の溶融損傷を回避する観点から、また部分酸化反応の高温領域が含炭素原料供給管と対向する側の改質器炉壁に偏ることを防ぎ、炉壁損傷を回避する観点から、酸化剤の平均流速Ｖ１は好ましくは４０ｍ／秒以上、より好ましくは６０ｍ／秒以上である。このように、酸化剤供給管先端近傍に高温の部分酸化反応領域が形成されることを回避することによって、熱損傷を防ぐためにノズル先端に設けられる水冷機構等を不要とすることができる。
【００４５】
含炭素原料供給管と対向する側の改質器炉壁に高温ガスが偏って流れることを防ぎ、炉壁損傷を回避する観点から、含炭素原料の平均流速Ｖ２は好ましくは０．８Ｖ１以下、より好ましくは０．６Ｖ１以下である。
【００４６】
酸化剤噴流のポテンシャルコアが成長して長くなることを防ぎ、高温ガスの触媒層中心付近への集中を防止し、触媒の溶融損傷を回避する観点から、含炭素原料の平均流速Ｖ２は好ましくは０．２Ｖ１以上、より好ましくは０．４Ｖ１以上である。
【００４７】
Ｌ１は好ましくは０．５Ｄ２以上（０．５Ｄ２≦７．０Ｄ１の場合）または７．０Ｄ１以上（０．５Ｄ２＞７．０Ｄ１の場合）、より好ましくは０．６Ｄ２以上（０．６Ｄ２≦５．０Ｄ１の場合）または５．０Ｄ１以上（０．６Ｄ２＞５．０Ｄ１の場合）である。
【００４８】
Ｌ１は好ましくは７．０Ｄ１以下（０．５Ｄ２≦７．０Ｄ１の場合）または０．５Ｄ２以下（０．５Ｄ２＞７．０Ｄ１の場合）、より好ましくは５．０Ｄ１以下（０．６Ｄ２≦５．０Ｄ１の場合）または０．６Ｄ２以下（０．６Ｄ２＞５．０Ｄ１の場合）である。
【００４９】
酸化剤供給管の出口の断面形状は、図３（ａ）に示す円形に限られるものではなく、任意の形状とすることができる。例えば同図（ｂ）〜（ｅ）に示すような楕円形、多角形、多角星形または花びら形でもよい。
【００５０】
酸化剤と含炭素原料の混合を促進する観点からは、噴流のポテンシャルコア表面積を広くすることのできる多角形、多角星形または花びら形の断面が好ましい。
【００５１】
なお、任意断面形状についてのＶ１およびＶ２は、それぞれ等価水力直径で評価した酸化剤供給管および含炭素原料供給管出口流速である。ここに等価水力直径（ｄ）は、
ｄ＝４ｍ
ｍ＝Ａ／Ｐ
Ａ：断面積、Ｐ：濡れ縁長さ
である。
【００５２】
改質器の上部の内径Ｄ３および部分酸化反応領域長さＬ２はは、処理する酸化剤および含炭素原料の量により経済性等を考慮して適宜決定する。この部分酸化反応領域長さＬ２は、Ｄ３と関連し部分酸化反応領域の下端面（図１中、内径Ｄ３の円筒部の最も下流側における容器断面）において部分酸化反応ガスの温度がほぼ均一となる長さから選ばれる。更に、この内径Ｄ３は触媒層の内径Ｄ４およびコーン部長さＬ３と関連し、生成した部分酸化反応ガスがほぼ均一に触媒層に供給されるように部分酸化反応を含む三次元流れ解析（ＣＦＤ解析）手法などを用いてＤ３、Ｄ４、Ｌ２およびＬ３を決定することができる。
【００５３】
【実施例】
〔実施例１〕
図１に示す構成の改質器（酸化剤供給管の中心軸と含炭素原料供給管の中心軸のなす角度は９０度）を用い、合成ガス２，０００，０００ＮＭ３／ｈを製造した。ここで単位「ＮＭ３」は、０℃、０．１０１ＭＰａにおけるｍ３（立方メートル）を意味する。
【００５４】
含炭素原料は、スチーム、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、メタンを主成分とし、圧力２ＭＰａ、温度８００℃で、１，５００，０００ＮＭ３／ｈ供給し、酸化剤としては、酸素分離装置からの酸素を、圧力２ＭＰａ、温度１５０℃で、７９，０００ＮＭ３／ｈ供給した。それぞれの組成を表１および表２に示す。
【００５５】
【表１】
【表２】
酸化剤供給管の内径Ｄ１を１６５ｍｍ、含炭素原料供給管の内径Ｄ２を１，５５０ｍｍ、改質器上部の内径Ｄ３を２，５００ｍｍ、改質器下部の内径Ｄ４を５，０００ｍｍ、含炭素原料混合位置Ｌ１を８５０ｍｍ、部分酸化反応領域長さＬ２（交点４０からコーン部までの流れ方向距離）を７，０００ｍｍとした。また、酸化剤供給流速Ｖ１は８０ｍ／秒とし、含炭素原料の供給流速Ｖ２は４３ｍ／秒とした。なお、酸化剤供給管および含炭素原料供給管の断面形状は円形とした。
【００５８】
改質器上部に等間隔に設置された熱電対温度計の測定結果から、この条件下で部分酸化反応により生成される高温領域の最高点は、酸化剤供給管先端より約２，０００ｍｍ下方であり、酸化剤供給管出口近傍の温度は、供給した酸化剤ガス温度とほぼ同じであった。また、上記熱電対温度計により温度分布の経時変化を観察したところ、上記条件下での高温の部分酸化反応領域が安定的に形成されていることが分かった。さらに、触媒層の上面に設置された複数の熱電対温度計により、触媒層上面に供給される部分酸化反応ガスの温度分布を観察したところ、その温度分布は±４％以内であった。
【００５９】
〔比較例１〕
図４に示す構造の従来技術による改質器を用い、合成ガス２８０，０００ＮＭ３／ｈを製造した。本例では、本発明の改質器とは異なり、酸化剤供給管と含炭素原料供給管の中心軸が、酸化剤供給管出口より酸化剤流れ方向上流において交わっており、それぞれの流れは平行とされたうえで部分酸化反応部に供給されている。
【００６０】
含炭素原料は、スチーム、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、メタンを主成分とし、圧力２ＭＰａ、温度８００℃で、２１０，０００ＮＭ３／ｈ供給し、酸化剤としては、酸素分離装置からの酸素を、圧力２ＭＰａ、温度１５０℃で、１１，０００ＮＭ３／ｈ供給した。それぞれの組成を表１および表２に示す。
【００６１】
酸化剤供給管の内径Ｄ１を１３０ｍｍ、改質器上部の内径Ｄ３を１，０００ｍｍ、改質器下部の内径Ｄ４を５，０００ｍｍ、含炭素原料混合位置Ｌ１を３，０００ｍｍ、部分酸化反応領域コーン部の長さＬ３を２，０００ｍｍとした。酸化剤供給管出口の酸化剤平均流速は１８ｍ／秒、含炭素原料供給管出口の含炭素原料平均流速は１２ｍ／秒とした。
【００６２】
この条件下で、部分酸化反応により生成される高温領域は、酸化剤供給管ノズル先端より約１００ｍｍ下方であり、酸化剤供給管バーナーノズル近傍で高温領域が生じていた。また、触媒層上面に設置された複数の熱電対温度計による測定結果から、触媒層上面の温度分布は±１０％の範囲にばらついており、触媒層への均一な高温ガス供給がなされていなかった。
【００６３】
【発明の効果】
比較例１に示すように、従来型の改質器では、高温の部分酸化領域が酸化剤供給管バーナーノズル直下で形成され、バーナーノズルが高温に曝され、熱損傷や熱腐食損傷を起こす可能性がある。
【００６４】
一方実施例１から分かるように、本発明の改質器では、高温の部分酸化反応領域は酸化剤供給管出口の下流２，０００ｍｍ付近に形成され、高温の部分酸化反応領域が酸化剤供給管出口直下で形成されないため、酸化剤供給管は高温になることがなく、その熱損傷、熱腐食損傷を防止することができる。
【００６５】
さらに、実施例１からわかるように、本発明によって噴流の強い拡散混合による安定した部分酸化反応を実現することができ、触媒層入り口表面の温度がほぼ均一になり、触媒層内部の反応の反応効率が良好に保たれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の改質器の一形態を示す模式図である。
【図２】図１の改質器の上部の拡大図である。
【図３】本発明に適用できる酸化剤供給管出口の断面形状を示す模式図である。
【図４】従来の改質器を示す模式図である。
【符号の説明】
１：含炭素原料
２：酸化剤
３：レンガ
４：容器
５：触媒層
６：バーナノズル
７：アルミナボール
８：サポートレンガ
９：排出口
１１：含炭素原料供給管
１２：含炭素原料供給管の中心軸
２１：酸化剤供給管
２２：酸化剤供給管の中心軸
３１：部分酸化反応ガス
３２：合成ガス
４０：酸化剤供給管の中心軸と含炭素原料供給管の中心軸との交点
Ｌ１：含炭素原料混合位置
Ｌ２：部分酸化反応領域長さ
Ｌ３：部分酸化反応領域コーン部長さ
Ｄ１：酸化剤供給管内径
Ｄ２：含炭素原料供給管内径
Ｄ３：改質器上部内径
Ｄ４：改質器下部内径
Ｖ１：酸化剤平均供給速度
Ｖ２：含炭素原料平均供給速度
Claims (4)
- 含炭素原料を部分酸化した後に水蒸気改質して合成ガスを得るための、密閉可能な容器と、該容器内に酸化剤を供給するための酸化剤供給管と、該容器内に含炭素原料を供給する含炭素原料供給管とを備える改質器において、
酸化剤供給管の中心軸と含炭素原料供給管の中心軸とが、該酸化剤供給管出口より酸化剤流れ方向下流かつ該含炭素原料供給管出口より含炭素原料流れ方向下流において交わることを特徴とする改質器。 - 前記酸化剤供給管の中心軸と含炭素原料供給管の中心軸とが交わる角度が８０〜１００度である請求項１記載の改質器。
- 酸化剤供給管出口の等価水力直径をＤ１（ｍ）、
含炭素原料供給管出口の等価水力直径をＤ２（ｍ）、
酸化剤供給管出口における酸化剤噴流の平均流速をＶ１（ｍ／秒）、
含炭素原料供給管出口における含炭素原料噴流の平均流速をＶ２（ｍ／秒）、
酸化剤供給管出口端から、前記酸化剤供給管の中心軸と含炭素原料供給管の中心軸とが交わる交点までの距離をＬ１（ｍ）としたとき、次の関係が成り立つ請求項１または２記載の改質器。
- 酸化剤供給管出口の断面形状が、円形、楕円形、多角形、多角星形または花びら形である請求項１〜３のいずれか一項記載の改質器。
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