JP2008037706A - 合成ガス製造用燃焼装置及び合成ガス製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】大型化にも好適に対応可能で、煤の発生を抑制しながら効率良く一酸化炭素及び水素を含む合成ガスを生成可能な合成ガス製造用燃焼装置及び合成ガス製造方法を提供する。
【解決手段】水蒸気及び／又は炭酸ガスからなる調整剤と燃料との混合ガスを燃焼させて、一酸化炭素と水素を含む合成ガスを製造するための合成ガス製造用燃焼装置Ｂであって、先端１０ａに、炉１１に向かって漸次拡径して開口する円錐台状の内孔を有した燃焼室１２を備え、燃焼室１２には、その内壁面１２ａに、軸線Ｏ１方向先端１０ａ側に向けて混合ガスを噴出させるための混合ガス噴出孔１３と、混合ガス噴出孔１３の径方向外側に配されるとともに、燃焼室１２の軸線Ｏ１上に焦点を持つように酸化剤を噴出させるための酸化剤噴出孔１４とが設けられており、燃焼室１２の内壁面１２ａの近傍には、冷却流体を流通させて内壁面１２ａを冷却するための冷却流体流路１５が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、一酸化炭素と水素を含む合成ガスを製造するための合成ガス製造用燃焼装置及びこれを用いた合成ガス製造方法に関する。

従来、例えばジメチルエーテル（ＤＭＥ）やメタノール、ＧＴＬ燃料（合成液体燃料）等の液体燃料を合成するための原料として、一酸化炭素と水素を含む合成ガスが用いられている。合成ガスは、炭素質あるいは炭化水素質燃料を、完全燃焼に必要な酸素量に対して１．０未満の酸化剤で燃焼反応させることによって製造される。

このような合成ガスを製造するための燃焼装置（合成ガス製造用燃焼装置）Ａには、例えば特許文献１に開示されるような、耐火物などにより形成されて炉と一体に接続される円筒状の燃焼室１と、この燃焼室１の一端から同軸状に挿入されるバーナ２とを備えたものがある。また、この燃焼装置Ａにおいては、図４に示すように、バーナ２の先端２ａ側に、燃焼室１と軸線Ｏ１を同軸として噴出方向に拡がった（炉に向けて漸次拡径した）円錐台状のノズル部２ｂが設けられており、このノズル部２ｂに、燃焼室１の軸線Ｏ１方向に例えば二酸化炭素や水蒸気などの調整剤を噴出する調整剤ノズル３と、燃料を噴出する燃料ノズル４と、例えば酸素などの酸化剤を噴出する酸化剤ノズル５とが設けられている。そして、ノズル部２ｂの中心に設けられた調整剤ノズル３の径方向外側に、軸線Ｏ１を中心とした円環状の燃料ノズル４が設けられ、この燃料ノズル４は、燃料を軸線Ｏ１と平行な方向に向けて噴出するように形成されている。また、酸化剤ノズル５は、燃料ノズル４の径方向外側に、軸線Ｏ１を中心とした円環状に形成され、酸化剤を軸線Ｏ１上に焦点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。さらに、このバーナ２には、外周側（酸化剤ノズル５の径方向外側）に、バーナ２を高温の環境から保護するための水冷ジャケット６が設けられており、この水冷ジャケット６の径方向内側に、調整剤ノズル３や燃料ノズル４、酸化剤ノズル５のそれぞれに繋がる調整剤や燃料、酸化剤の流路３ａ、４ａ、５ａが軸線Ｏ１方向に延設されている。

一方、合成する液体燃料の種類に応じて、それぞれ最適な合成ガス組成（水素と一酸化炭素の割合：Ｈ_２／ＣＯ）が存在し、この最適組成は、燃焼装置Ａに送り込む原料（調整剤）の二酸化炭素と水蒸気の量によって調整することができる。すなわち、水蒸気を多く使用すればＨ_２／ＣＯが大きい合成ガスを製造でき、二酸化炭素を多く使用すればＨ_２／ＣＯが小さい合成ガスを製造できる。

しかしながら、合成ガス製造において、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、多量の煤が生成されたり、また、メタンやアセチレンなどの低級炭化水素が多量に生成されてしまう可能性がある。特に、煤が多量に発生した場合には、例えば燃焼装置と繋がる熱交換器にこの煤が付着して伝熱性能の低下を招き、頻繁に熱交換器のメンテナンスが必要になり、生産性及び経済性の低下を招くという問題が生じる。また、煤の発生量を低減させる対策として、供給する酸化剤量（酸素量）を増やしたり、水蒸気量を増やすことが挙げられるが、酸素量を増やした場合には、合成ガス中の水素と一酸化炭素の収率が低下し、水蒸気量を増やした場合には、合成ガス中のＨ_２／ＣＯが小さい合成ガスを製造できないという問題が生じてしまう。

これに対して、上記の引用文献１に開示された燃焼装置Ａでは、酸化剤ノズル５から噴出した酸素によって、調整剤ノズル３及び燃料ノズル４から噴出した調整剤及び燃料を包み込む遮蔽層を形成することができる。すなわち、燃料と調整剤を、バーナ２の軸線Ｏ１に平行に噴出させ、酸化剤を、軸線Ｏ１上に焦点を持つように噴出させることによって、また、酸化剤の噴出速度を、燃料や調整剤の噴出速度よりも大きくすることによって、高速で噴出した酸化剤が燃料や調整剤を周囲から包み込み遮蔽層を燃焼室１内に形成できる。そして、この遮蔽層の形成により、燃料と調整剤が、燃焼領域から逸脱せずに酸素と反応することができる。これにより、引用文献１に開示された燃焼装置Ａでの燃焼によって得られる合成ガスは、煤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される。
特許第３４８４５３６号公報

しかしながら、上記の炉と一体に接続される耐火物の円筒状燃焼室を備えた燃焼装置においては、高温の燃焼ガスが直接燃焼室の内壁に当ることになるため、燃焼室が炉と同様の耐火物で形成された場合に燃焼室に摩耗が生じたり、割れが頻繁に生じるおそれがあった。そして、このような場合には、燃焼装置が大型化するほどに、補修費用が莫大となるという問題があった。このため、燃焼装置の大型化に対応すべく、上記のような耐火物の燃焼室を備えずに、煤の発生量を低減可能な燃焼装置が強く求められていた。

本発明は、上記事情を鑑み、大型化にも好適に対応可能で、煤の発生を抑制しながら効率良く一酸化炭素及び水素を含む合成ガスを生成可能な合成ガス製造用燃焼装置及び合成ガス製造方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。

本発明の合成ガス製造用燃焼装置は、水蒸気及び／又は炭酸ガスからなる調整剤と燃料との混合ガスを燃焼させて、一酸化炭素と水素を含む合成ガスを製造するための合成ガス製造用燃焼装置であって、先端に、炉に向かって漸次拡径して開口する円錐台状の内孔を有した燃焼室を備え、該燃焼室には、その内壁面に、軸線方向先端側に向けて前記混合ガスを噴出させるための混合ガス噴出孔と、該混合ガス噴出孔の径方向外側に配されるとともに、前記燃焼室の軸線上に焦点を持つように酸化剤を噴出させるための酸化剤噴出孔とが設けられており、前記燃焼室の内壁面の近傍には、冷却流体を流通させて前記内壁面を冷却するための冷却流体流路が設けられていることを特徴とする。

また、本発明の合成ガス製造用燃焼装置において、前記冷却流体流路は、前記酸化剤噴出孔の前記軸線方向前後の前記内壁面に沿うように延設されて、前記内壁面全体を冷却するように形成されていることが望ましい。

また、本発明の合成ガス製造方法は、上記の合成ガス製造用燃焼装置を用いて一酸化炭素と水素を含む合成ガスを製造する方法であって、前記混合ガスの噴出速度を１５０ｍ／ｓ以上とすることを特徴とする。

さらに、本発明の合成ガス製造方法においては、上記の合成ガス製造方法において、前記混合ガスの噴出速度を２００〜２５０ｍ／ｓとすることが望ましい。

本発明の合成ガス製造用燃焼装置によれば、燃焼室が円錐台状の内孔により形成されるとともに、この燃焼室に調整剤と燃料の混合ガスを噴出させ、且つこの混合ガスが噴出する混合ガス噴出孔径方向外側から軸線上に焦点を持つように酸化剤を噴出させることによって、混合ガスが燃焼する火炎の周囲に渦流を発生させることができる。これにより、混合ガスと酸化剤が燃焼室内で撹拌され、互いの混合が促進されることで燃焼効率を高めることができ、酸素や水蒸気の量を少なくした煤が発生しやすい条件においても煤の発生を抑制することができる。よって、本発明の合成ガス製造用燃焼装置においては、合成する液体燃料の種類に応じて、Ｈ_２／ＣＯの異なる合成ガスを、煤の発生を抑制しつつ好適に生成することが可能になる。

また、燃焼室の内壁面の近傍に冷却流体流路が設けられていることによって、上記のように渦流を発生させることに伴い高温になる燃焼室の内壁面を冷却することができ、この内壁面が熱で破損することを確実に防止できる。よって、従来の燃焼装置のように遮断層を形成するために耐火物で円筒状の燃焼室を設けることなく、煤の発生を抑制することができ、且つ燃焼室が熱で破損することが防止できるため、大型の燃焼装置にも十分に対応することが可能になる。さらに、冷却流体流路が、酸化剤噴出孔の軸線方向前後の内壁面に沿うように延設されていることによって、内壁面全体を確実に冷却することができ、上記効果をより確実に得ることができる。

また、本発明の合成ガス製造方法においては、上記の合成ガス製造用燃焼装置を用い、混合ガスの噴出速度を１５０ｍ／ｓ以上、好ましくは２００〜２５０ｍ／ｓとすることによって、強力な前記渦流を発生させることができ、煤の発生を確実に抑制することが可能になる。

以下、図１から図３を参照し、本発明の一実施形態に係る合成ガス製造用燃焼装置及びこれを用いた合成ガス製造方法について説明する。本実施形態は、例えばＤＭＥ（ジエチルエーテル）等の液体燃料を合成するために用いる水素と一酸化炭素を含む合成ガスを生成するための合成ガス製造用燃焼装置及び合成ガス製造方法に関するものである。

本実施形態の合成ガス製造用燃焼装置（以下、燃焼装置と称する）Ｂは、図１及び図２に示すように、その先端１０ａを炉１１に接続して使用されるバーナ１０を備えて構成されている。

本実施形態のバーナ１０は、略円筒状に形成されるとともに、その先端１０ａ側に軸線Ｏ１中心の内孔が後端側から先端１０ａに向かうに従い漸次拡径して開口する円錐台状の燃焼室１２を備えて形成されている。ここで、本実施形態のバーナ１０の燃焼室１２は、例えば熱伝導率が高い銅や銅合金などで形成し、その開き角度は約６０度としている。また、燃焼室１２には、その内壁面１２ａに、軸線Ｏ１方向先端１０ａ側に向けて（炉１１に向けて）、燃料と二酸化炭素及び水蒸気（調整剤）とを混合した混合ガスを噴出させるための混合ガス噴出孔１３と、混合ガス噴出孔１３の径方向外側に配されるとともに、燃焼室１２の軸線Ｏ１上に焦点を持つように、例えば酸素の酸化剤を噴出させるための複数の酸化剤噴出孔１４とが設けられている。そして、混合ガス噴出孔１３は、バーナ１０の軸線Ｏ１中心に延設し、後端側から供給した混合ガスが流通して混合ガス噴出孔１３から噴出させる混合ガス流路１３ａに接続されている。また、複数の酸化剤噴出孔１４は、軸線Ｏ１中心の同心円上に周方向に略等間隔で配置されている。なお、本実施形態では、調整剤が二酸化炭素と水蒸気から構成されているものとしたが、二酸化炭素と水蒸気のどちらか一方で構成されてもよい。

さらに、このバーナ１０には、断面視で、内孔を画成する内面（内壁面）１２ａと外面１０ｂとの間に、径方向内側と径方向外側のそれぞれの側に形成されて軸線Ｏ１に略平行に延びる第１流路１５ａ、第２流路１５ｂ及びこれら流路１５ａ、１５ｂの先端同士を繋いで互いに連通させる第３流路１５ｃからなる冷却流体流路１５と、第１流路１５ａと第２流路１５ｂの間に設けられて軸線Ｏ１に略平行に延びる酸化剤流路１４ａとが形成されている。

冷却流体流路１５の第１流路１５ａと第２流路１５ｂは、それぞれ、断面略円環状に形成されており、第１流路１５ａがバーナ１０の径方向内側に、第２流路１５ｂがバーナ１０の径方向外側に配設されている。また、第１及び第２流路１５ａ、１５ｂは、それぞれバーナ１０の後端から先端１０ａ付近まで延設されており、第１流路１５ａは、その先端が燃焼室１２の軸線Ｏ１方向後端側の内壁面１２ａ近傍に配されるように、第２流路１５ｂは、その先端が燃焼室１２の軸線Ｏ１方向先端１０ａ側の内壁面１２ａ近傍に配されるように延設されている。そして、第１流路１５ａと第２流路１５ｂの先端同士を繋ぐ第３流路１５ｃは、内壁面１２ａの先端付近から後端付近まで延設され、酸化剤噴出孔１４の周囲を避けるように、内壁面１２ａ近傍に配設されている。

一方、酸化剤流路１４ａは、冷却流体流路１５の第１流路１５ａと第２流路１５ｂの間に設けられて軸線Ｏ１に略平行に延びており、その先端部で、燃焼室１２の内壁面１２ａに開口する複数の酸化剤噴出孔１４に接続されている。このように形成した酸化剤流路１４ａは、その後端から酸化剤が供給され、先端に向かって流通した酸化剤が酸化剤噴出孔１４から燃焼室１２内の軸線Ｏ１上の焦点位置に向けて噴出される。

ついで、上記の構成からなる合成ガス製造用燃焼装置Ｂを用いて合成ガスを製造する方法について説明し、本実施形態の合成ガス製造用燃焼装置Ｂ及び合成ガス製造方法の作用及び効果について説明する。

本実施形態において、合成ガスを製造する際には、はじめに、冷却流体流路１５の第１流路１５ａの後端側から冷却流体（本実施形態では冷却水）の供給をしてバーナ１０の冷却を開始する。このとき、第１流路１５ａを後端から先端側に向けて流通した冷却流体は、第３流路１５ｃを流通し、第２流路１５ｂを先端側から後端に向けて流通する。これにより、冷却流体流路１５は、連通する第１から第３流路１５ａ、１５ｂ、１５ｃに一方向に冷却流体が流通されて、燃焼室１２の内壁面１２ａが主に第３流路１５ｃを流通する冷却流体により冷却される。また、第３流路１５ｃが、内壁面１２ａの先端付近から後端付近まで延設され、且つ内壁面１２ａに沿って延設されるとともに、この内壁面１２ａ近傍に配設されているため、酸化剤噴出孔１４の軸線Ｏ１方向前後の内壁面１２ａ全体が確実に冷却される。なお、第３流路１５ｃを流通する冷却流体とともに、第１流路１５ａ及び第２流路１５ｂを流通する冷却流体によって、バーナ１０全体が冷却され低温状態に保持される。なお、冷却流体は、第３から第１流路１５ｃ、１５ｂ、１５ａに向かって流しても良い。

ついで、二酸化炭素と水蒸気からなる調整剤と燃料とを予め混合した混合ガスを混合ガス流路１３ａに供給し、且つ酸化剤流路１４ａに酸化剤を供給して、燃焼室１２に混合ガスと酸化剤を噴出させる。このとき、混合ガス噴出孔１３より燃焼室１２に噴出する混合ガスの噴出速度を１５０ｍ／ｓ以上とする。

このように、燃焼室１２に噴出した混合ガスと酸化剤は、混合ガスの燃料と酸化剤が反応して燃焼し、図３に示すように火炎Ｓを形成する。また、このとき、燃焼室１２が円錐台状に形成され、且つ混合ガスが大きな噴出速度で噴出することによって、混合ガスの噴流が細くなり、火炎Ｓに対する酸化剤の浸透が大きくなるとともに、火炎Ｓの周囲に強力な渦流Ｔが発生する。これにより、本実施形態では、混合ガスと酸化剤が燃焼室１２内で撹拌されつつ確実に混合され、従来の燃焼装置と比較して、混合ガスと酸化剤との混合が促進されるので燃焼効率が高まる。よって、燃料に対する酸素比を１．０未満に設定し、酸化剤（酸素）や水蒸気が少ない厳しい条件においても、燃料の不完全な燃焼によって発生する煤の発生量が抑制され、また、未燃焼の燃料の熱分解によってメタンやアセチレンなどの低級炭化水素の生成が抑制されて、好適に水素と一酸化炭素を含む合成ガスが生成される。

また、このとき、強力な渦流Ｔを生じさせて燃焼を促進すると燃焼室１２が高温になり、燃焼室１２の内壁面１２ａの破損が懸念されるが、冷却流体流路１５によって内壁面１２ａ全体が確実に冷却されているため、燃焼室１２に破損が生じることがない。

なお、混合ガスの噴出速度を２５０ｍ／ｓ以上にすると、煤発生量が僅かに増加し、且つバーナ１０への熱負荷が増大し、供給圧損が大きくなって昇圧の設備コストが増大することになる。このため、合成ガス製造用燃焼装置Ｂの性能、耐久性、経済性を考慮すると混合ガスの噴出速度は、２００〜２５０ｍ／ｓとすることが好ましい。

さらに、酸化剤（酸素）の噴出速度を大きくするほどに強力な渦流Ｔが発生し、混合ガスと酸化剤とがより確実に混合されることになるが、これに伴い燃焼室１２が高温になってバーナ１０への熱負荷が大きくなることを考慮すると、酸化剤の噴出速度は、混合ガスの噴出速度以下とし、好ましくは１／２程度の速度とするのが良い。

したがって、本実施形態の合成ガス製造用燃焼装置Ｂ及び合成ガス製造方法によれば、燃焼室１２を円錐台状に形成することによって、混合ガスの噴流を細く形成することができ、火炎Ｓに対する酸化剤の浸透を大きくすることができる。また、火炎Ｓの周囲に渦流Ｔを形成して混合ガスと酸化剤を確実に撹拌混合し、これらの混合を促進することができる。これにより、燃焼効率を高めることができ、原料中の酸素や水蒸気が少なく、煤が発生しやすい原料条件においても煤発生量を大幅に低減させることが可能になる。よって、本発明の合成ガス製造用燃焼装置Ｂにおいては、合成する液体燃料の種類に応じて、Ｈ_２／ＣＯの異なる合成ガスを、煤の発生を抑制しつつ好適に生成することが可能になる。

また、混合ガスの噴出速度を１５０ｍ／ｓ以上とすることによって、火炎Ｓの周囲に発生する渦流Ｔをより強力にすることができ、混合ガスと酸化剤との混合をさらに促進して燃焼効率を高め、煤の発生をさらに抑制することができる。

さらに、混合ガスの噴出速度を２００〜２５０ｍ／ｓとすることによって、バーナ１０への熱負荷を抑制し、供給圧損を小さく抑えることができ、昇圧の設備コストが増大することを防止できる。これにより、合成ガス製造用燃焼装置Ｂの性能、耐久性、経済性を好適な状態に維持することができる。

また、酸化剤の噴出速度を混合ガスの噴出速度の１／２程度とすることによって、渦流Ｔを発生させて混合ガスと酸化剤の混合を好適に行なうことができるとともに、バーナ１０への熱負荷が大きくなることを防止できる。

加えて、本実施形態の合成ガス製造用燃焼装置Ｂにおいては、強力な渦流Ｔを生じさせて燃焼を促進させた場合においても、内壁面１２ａ全体が冷却流体流路１５を流れる冷却流体によって確実に冷却されるため、燃焼室１２に破損が生じることを防止できる。

よって、従来の燃焼装置のように遮断層を形成するために耐火物で円筒状の燃焼室を設けることなく、煤の発生を抑制することができ、且つ燃焼室１２が熱で破損することが防止できるため、燃焼装置の大型化にも十分に対応することが可能になる。

なお、本発明は、上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、本実施形態では、酸化剤噴出孔１４が、周方向に等間隔で複数形成されているものとしたが、例えば周方向に繋がるスリット状に形成されていてもよい。そして、この場合においても、スリットを噴出した酸化剤が前記焦点に向けて噴出されるように形成することによって火炎Ｓの周囲に強力な渦流Ｔを発生させることができ、上記と同様の効果を得ることができる。

また、本実施形態では、冷却流体流路１５の第１及び第２流路１５ａ、１５ｂと繋がる第３流路１５ｃが、燃焼室１２の内壁面１２ａの先端付近から後端付近まで延設され、且つ内壁面１２ａに沿って延設されるとともに、この内壁面１２ａ近傍に配設されているものとしたが、冷却流体流路１５（第３流路１５ｃ）は、内壁面１２ａ近傍に配置されて内壁面１２ａを冷却できれば、必ずしも内壁面１２ａに沿うように設けられていなくてもよい。さらに、本実施形態の冷却流体流路１５は、第１から第３流路１５ａ、１５ｂ、１５ｃが連通して構成されているものとしたが、例えば酸化剤流路１４ａを挟んでバーナ１０の径方向内側と外側にそれぞれ分離した冷却流体流路を設け、各冷却流体流路を流通する冷却流体によって、内壁面１２ａ全体を冷却するように構成してもよい。酸化剤噴出孔がスリット状の場合など、このような構成にすることにより、内壁面１２ａを効果的に冷却できる。

さらに、本実施形態では、燃焼室１２が、熱伝導率の高い銅や銅合金で形成されているものとしたが、特に銅や銅合金に限定する必要はなく、冷却流体が接触して好適に冷却可能であれば、他の材質で形成されていてもよい。但し、例えばステンレスなどの熱伝導率が低いもので形成した場合には、火炎Ｓ側と冷却水側との温度差が大きくなり過ぎて、発生した熱応力によって割れなどの損傷が生じてしまうため、このような損傷が発生しない程度の熱伝導率を備える材質を選定することが必要である。

以下に、図１から図４を参照し、本発明の実施例１を具体的に説明する。但し、本発明は、本実施例に限定されるものではない。
本実施例は、内径２００ｍｍの炉及び熱交換器を備えた試験設備を用い、図４に示した従来の燃焼装置Ａと本発明に係る図１から図３に示した燃焼装置（合成ガス製造用燃焼装置）Ｂの両燃焼装置でそれぞれ合成ガスを生成し、煤の発生量や熱交換器の伝熱性能の低下状況を比較して、本発明に係る燃焼装置Ｂ及び合成ガス製造方法の優位性を明らかにしたものである。

試験条件について説明する。
本実施例では、試験条件を表１に示すように設定して試験を行なっており、燃料には天然ガスを用いている。また、従来の燃焼装置Ａでは、炭酸ガス（二酸化炭素）と水蒸気を混合した調整ガス（調整剤）を２１ｍ／ｓの噴出速度で供給し、燃料を４３ｍ／ｓの噴出速度で供給している。一方、本発明に係る燃焼装置Ｂでは、燃料と炭酸ガスと水蒸気を混合した混合ガスを１５０ｍ／ｓの噴出速度で供給している。また、酸素（酸化剤）噴出速度は、従来の燃焼装置Ａにおいて６０ｍ／ｓ、本発明に係る燃焼装置Ｂにおいて７５ｍ／ｓとし、共に酸素比が０．３５となるようにしている。
なお、表１中のＳ／Ｃとは、燃料中に含まれる炭素Ｃのモル数に対する水蒸気のモル数Ｓの割合を示したものであり、酸素比と共に原料組成の指標として一般的に用いられるものである。このＳ／Ｃは、値が高いほどに水蒸気量が増えるため煤発生量が少なくなり、本実施例では、例えばＤＭＥ合成用の合成ガス（Ｈ_２／ＣＯ≒１）を製造する際に用いる低Ｓ／Ｃ（Ｓ／Ｃ＝０．３２）に設定している。すなわち、煤が発生しやすい厳しい条件で試験を行なっている。

ついで、評価方法について説明する。
本実施例では、上記の試験条件で合成ガスの生成を行ない、各燃焼装置Ａ、Ｂのバーナ２、１０の先端から１０００ｍｍの位置でガスを採取している。そして、このガスのメタン濃度と煤濃度を測定し、これらを比較して評価を行なっている。すなわち、未燃焼の燃料が多いほどに煤が多く発生し、また、この未燃焼の燃料が熱分解することによってメタン（低級炭化水素）が発生するため、メタン濃度と煤濃度がそれぞれ低い値を示すほどに、好適な状態で合成ガスの生成が行なわれていることを示すことになる。一方、本実施例では、熱交換器の下流側のガスの温度を測定している。すなわち、熱交換器に煤が付着してその伝熱性能の低下が生じているか否かを、このガス温度の計測によって確認し、両燃焼装置Ａ、Ｂの評価を行なっている。

上記の試験条件で行なった試験結果を、試験条件とともに表１に示す。
この結果、本発明の燃焼装置Ｂは、メタン濃度が１．５０（％−ｗｅｔ）となり、従来の燃焼装置Ａの１．４７（％−ｗｅｔ）とほぼ同様の値を示した。一方、煤濃度は、従来の燃焼装置Ａが４．１×１０^−３（ｇ／Ｎｍ^３−ｗｅｔ）であるのに対し、本発明の燃焼装置Ｂでは、０．８８×１０^−３（ｇ／Ｎｍ^３−ｗｅｔ）となり、約１／５に煤の発生を抑制できることが確認された。また、この煤の発生量に起因して生じる熱交換器の性能低下においても、本発明の燃焼装置Ｂでは、熱交換器下流のガス温度の上昇がほとんど認められないのに対して、従来の燃焼装置Ａでは、運転時間が長くなるに従い徐々に熱交換器下流のガス温度が上昇し、熱交換器に煤が付着してその性能が経時的に低下してゆくことが確認された。

以上の結果から、燃焼室１２を円錐台状に形成したバーナ１０を備える本発明の燃焼装置Ｂは、水蒸気が少ない厳しい条件においても、大幅に煤の発生量を低減させることが可能であることが実証された。

ついで、以下に、図１から図３を参照し、本発明の実施例２について具体的に説明する。本実施例は、実施例１と同様に、炉及び熱交換器を備えた試験設備を用い、本発明に係る図１から図３に示した燃焼装置Ｂで合成ガスを生成している。そして、本実施例は、混合ガス及び酸化剤の各噴出速度を段階的に変化させ、混合ガスの噴出速度を１５０ｍ／ｓ以上とし、また、該噴出速度を２００〜２５０ｍ／ｓとして合成ガスを製造することによる優位性を明らかにしたものである。

試験条件について説明する。
本実施例では、試験条件を表２に示すように設定して試験を行なっており、実施例１と同様のＳ／Ｃ＝０．３２と、Ｓ／Ｃ＝０．１６としてさらに煤が発生しやすい厳しい条件とで試験を行なっている。そして、Ｓ／Ｃ＝０．３２においては、混合ガスの噴出速度を、１００（Ｃａｓｅ１−１）、１２５（Ｃａｓｅ１−２）、１５０（Ｃａｓｅ１−３）ｍ／ｓに段階的に変化させた３ケースで試験を行ない、Ｓ／Ｃ＝０．１６においては、混合ガスの噴出速度を、１５０（Ｃａｓｅ２−１）、１７５（Ｃａｓｅ２−２）、２００（Ｃａｓｅ２−３）、２２５（Ｃａｓｅ２−４）、２５０（Ｃａｓｅ２−５）、２７５（Ｃａｓｅ２−６）に段階的に変化させた６ケースで試験を行なっている。

本実施例では、上記の各試験条件で合成ガスの生成を行ない、実施例１と同様に、各バーナの先端から１０００ｍｍの位置でガスを採取し、このガスのメタン濃度と煤濃度を測定して評価を行なっている。また、実施例１と同様に、熱交換器の下流側のガス温度も測定して評価を行なっている。

上記の試験条件で行なった試験結果を、試験条件とともに表２に示す。
この結果、Ｓ／Ｃ＝０．３２において、混合ガスの噴出速度を１００、１２５ｍ／ｓとしたＣａｓｅ１−１とＣａｓｅ１−２では、それぞれ煤濃度が２．５１×１０^−３、１．８１×１０^−３（ｇ／Ｎｍ^３−ｗｅｔ）となり、噴出速度を１５０ｍ／ｓとしたＣａｓｅ１−３の０．８８×１０^−３（ｇ／Ｎｍ^３−ｗｅｔ）に対し、煤の発生量が多くなることが確認された。また、Ｃａｓｅ１−１及びＣａｓｅ１−２では、煤の発生量が多いことに起因して熱交換器の伝熱性能が低下することが確認された。

一方、Ｓ／Ｃ＝０．１６においては、混合ガスの噴出速度を１５０、１７５ｍ／ｓとしたＣａｓｅ２−１とＣａｓｅ２−２で、煤の発生量が多くなるととともに、熱交換器の伝熱性能の低下が確認された。これに対し、混合ガスの噴出速度を２００ｍ／ｓ以上としたＣａｓｅ２−３〜Ｃａｓｅ２−６では、煤の発生量が大幅に低下し、且つ熱交換器の伝熱性能を好適な状態に維持できることが確認された。

以上の結果から、本発明の合成ガス製造用燃焼装置Ｂにおいて、混合ガスの噴出速度を１５０ｍ／ｓ以上にし、また、２００〜２５０ｍ／ｓにすることで、水蒸気が少ない厳しい条件においても、確実に煤の発生量を低減させることが可能であることが実証された。

本発明の一実施形態に係る合成ガス製造用燃焼装置を示す断面図である。 図１のＸ−Ｘ線矢視図である。 図１の合成ガス製造用燃焼装置により合成ガスを生成している状態を示す断面図である。 従来の合成ガス製造用燃焼装置を示す断面図である。

符号の説明

１０ バーナ
１０ａ 先端
１０ｂ 外面
１１ 炉
１２ 燃焼室
１２ａ 内壁面
１３ 混合ガス噴出孔
１３ａ 混合ガス流路
１４ 酸化剤噴出孔
１４ａ 酸化剤流路
１５ 冷却流体流路
１５ａ 第１流路
１５ｂ 第２流路
１５ｃ 第３流路
Ｂ 合成ガス製造用燃焼装置
Ｏ１ 軸線
Ｓ 火炎
Ｔ 渦流

Claims (4)

1. 水蒸気及び／又は炭酸ガスからなる調整剤と燃料との混合ガスを燃焼させて、一酸化炭素と水素を含む合成ガスを製造するための合成ガス製造用燃焼装置であって、
   先端に、炉に向かって漸次拡径して開口する円錐台状の内孔を有した燃焼室を備え、該燃焼室には、その内壁面に、軸線方向先端側に向けて前記混合ガスを噴出させるための混合ガス噴出孔と、該混合ガス噴出孔の径方向外側に配されるとともに、前記燃焼室の軸線上に焦点を持つように酸化剤を噴出させるための酸化剤噴出孔とが設けられており、
   前記燃焼室の内壁面の近傍には、冷却流体を流通させて前記内壁面を冷却するための冷却流体流路が設けられていることを特徴とする合成ガス製造用燃焼装置。
2. 請求項１記載の合成ガス製造用燃焼装置において、
   前記冷却流体流路は、前記酸化剤噴出孔の前記軸線方向前後の前記内壁面に沿うように延設されて、前記内壁面全体を冷却するように形成されていることを特徴とする合成ガス製造用燃焼装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の合成ガス製造用燃焼装置を用いて一酸化炭素と水素を含む合成ガスを製造する方法であって、
   前記混合ガスの噴出速度を１５０ｍ／ｓ以上とすることを特徴とする合成ガス製造方法。
4. 請求項３記載の合成ガス製造方法において、
   前記混合ガスの噴出速度を２００〜２５０ｍ／ｓとすることを特徴とする合成ガス製造方法。
   
   

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