JP4224609B2 - Reducing gas production apparatus and method - Google Patents
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Description
本発明は、一酸化炭素と水素とを含む還元性ガスを製造するための還元性ガス製造装置及び方法に関するものである。 The present invention relates to a reducing gas production apparatus and method for producing a reducing gas containing carbon monoxide and hydrogen.
一般的に、炭化水素から還元性ガスを得る方法としては、部分燃焼法や水蒸気改質法、二酸化炭素改質法など種々提案されており、還元性ガスを製造する場合、それぞれ以下の反応式に従い反応を進行させている。
例えば、部分燃焼法では、化学量論的に燃焼ガスを完全燃焼させるために必要な量以下の酸素で不完全燃焼させて還元性ガスを得ている。完全燃焼の場合、炭化水素は水蒸気と二酸化炭素になるのに対して、(1)式に示されるように水素や一酸化炭素までの燃焼が部分燃焼である。 For example, in the partial combustion method, a reducing gas is obtained by incomplete combustion with oxygen in an amount less than that required for complete combustion of the combustion gas stoichiometrically. In the case of complete combustion, hydrocarbons become water vapor and carbon dioxide, whereas combustion up to hydrogen and carbon monoxide is partial combustion as shown in equation (1).
しかし、上記のいずれの方法で還元性ガスを製造する場合においても、必ずカーボンデポジションによるスス(C(S))、及び不完全燃焼反応の発生を伴う。例えば、部分燃焼法では、実際の反応は、反応速度が反応を支配していて、速やかに(1)式の反応は進行しない。また、均一な反応が進行しない場合は、(4)式の反応が進行し、目的外のせい生成物であるススが発生する。
多量にススが発生すると、配管や燃焼器を詰まらせ、異常燃焼の原因となるばかりでなく、還元性ガスとしての実用に支障をきたす。 If soot is generated in a large amount, it clogs the piping and the combustor, causing not only abnormal combustion but also hindering practical use as a reducing gas.
ススの発生を防ぐ方法の1つは、燃焼系に供給する酸素量を完全燃焼のために必要な量に近づけることである。しかしその結果、還元性ガスの組成において、還元に有効な水素や一酸化炭素の割合が減少し、還元に好ましくない水蒸気や二酸化炭素の割合が増加することになる。 One way to prevent soot generation is to bring the amount of oxygen supplied to the combustion system closer to that required for complete combustion. However, as a result, in the composition of the reducing gas, the proportion of hydrogen and carbon monoxide effective for the reduction is reduced, and the proportion of water vapor and carbon dioxide that is undesirable for the reduction is increased.
部分燃焼法では、酸素比率を上げた場合、(5)式の反応が進行し易くなる。
この結果、余剰となる水蒸気と二酸化炭素は還元能力が無いばかりでなく、一定割合以上還元性ガスに含まれれば、水素や一酸化炭素の還元能力を平衡上制約することにもなり好ましくない。 As a result, surplus water vapor and carbon dioxide not only have no reducing ability, but if they are contained in a reducing gas in a certain ratio or more, the reducing ability of hydrogen or carbon monoxide is undesirably restricted due to equilibrium.
部分燃焼法により、酸素比0.3〜0.4程度で炭化水素系燃料ガスと酸素を燃焼させて得られる還元性ガスを製造した場合、その低い酸素比による不完全燃焼によって、燃焼反応により生ずるエンタルピー(熱エネルギー)が小さくなり、分解した炭化水素中の炭素原子が酸素原子と結合し難くなるために、上記(4)式の反応が起こり、ススが発生すると考えられている。ここに示す酸素比とは、燃料ガスを理論上完全燃焼させるために必要な酸素量に対して実際に燃焼系に供給する酸素量の比率のことである。系外への放熱などによる燃焼反応により生ずるエンタルピーのロスを抑え、反応速度の減衰や不均一な反応を防ぐことでススの発生を抑制する装置としては、酸化剤と燃料ガスとを混合するための混合スロートに超音速或いは亜音速で酸化剤を供給するようにした還元性ガス発生バーナ(特許文献1)や、先端に小さい燃焼室を設け、燃焼量に対する容積負荷を大きくした還元性ガス発生装置(特許文献2)などが挙げられる。
上述した何れの装置の場合も、燃焼排ガスの温度が低いため、燃焼排ガスの還元度合いを高くしようとすればススが過多となり連続運転ができず、ススの発生量を抑制すれば還元度合いが低くなるという問題がある。 In any of the above-described devices, the temperature of the combustion exhaust gas is low, so if the degree of reduction of the combustion exhaust gas is increased, soot is excessive and continuous operation cannot be performed, and if the amount of soot generation is suppressed, the degree of reduction is low. There is a problem of becoming.
そこで、酸化剤として濃度100%の純酸素を用いて、燃料ガスとしてのプロパンガスを燃焼させた際の酸素比と還元性ガス成分と便宜上放熱を無視した断熱火炎温度との関係を計算により求めるとともに、上記燃焼を特許文献2に記載の装置により行った場合における還元性ガスのバカラック指数と酸素比(R値)との関係を実測による求めた。そして、前者の計算結果を図2に、後者の実測結果を図3に示す。なお、図2中、C(S)は固体状態にあるカーボンを意味している。また、バカラック指数とは、燃焼排ガス中のばいじん量を表す指標であり、ここではススの発生量を示し、R値とは、燃焼排ガスの還元度合いを表す指標であり、燃焼排ガス中のガス成分から次の(6)式により算出される。
図2より、化学量論的に水素と一酸化炭素のみからなる強還元性ガスを製造するためには、酸素比をCO2,H2Oのモル分率が極小となる0.30にまで下げる必要があることが分かる。その際の反応式は(7)式により示される。
この酸素比0.3での燃焼の反応生成物においては、酸化性ガスである水蒸気と二酸化炭素が存在しないため、R値が∞(無限大)となる。また、酸素比0.3以外の反応生成物については、水蒸気と二酸化炭素が発生し、その量は0.3から離れるとともに増大し、完全な強還元性ガスではない。しかし、酸素比0.3のときの断熱火炎温度の計算値は1329Kと低く、この断熱火炎温度では、図3に示すように、温度が低く過ぎ、不完全燃焼及び多量のススが発生するため、実用上問題がある。 In the reaction product of combustion at an oxygen ratio of 0.3, the R value is ∞ (infinite) because there are no oxidizing gases such as water vapor and carbon dioxide. Moreover, about reaction products other than oxygen ratio 0.3, water vapor | steam and a carbon dioxide generate | occur | produce, the quantity increases as it leaves | separates from 0.3, and it is not a perfect strong reducing gas. However, the calculated value of the adiabatic flame temperature when the oxygen ratio is 0.3 is as low as 1329K. At this adiabatic flame temperature, as shown in FIG. 3, the temperature is too low and incomplete combustion and a large amount of soot are generated. There are practical problems.
図3は、酸素比0.35(R値=13)で、部分燃焼させた場合の反応生成物におけるススの発生量は還元性ガスとしての使用に実用上支障を来さない程度(バカラック指数:3)であることを示しており、このときの断熱火炎温度は図2より1810Kとなる。即ち、酸素比及び断熱火炎温度がこれよりも低い場合には、不完全燃焼及び多量のススが発生し、反応生成物の還元性ガスとしての実用に支障を来すことになり、計算上、1810Kが実用に支障を来さない断熱火炎温度の下限となる。 FIG. 3 shows an oxygen ratio of 0.35 (R value = 13), and the amount of soot generated in the reaction product in the case of partial combustion does not impede practical use as a reducing gas (Bacalac) Index: 3), and the adiabatic flame temperature at this time is 1810K from FIG. That is, when the oxygen ratio and the adiabatic flame temperature are lower than this, incomplete combustion and a large amount of soot are generated, which hinders practical use as a reducing gas of the reaction product. 1810K is the lower limit of the adiabatic flame temperature that does not interfere with practical use.
本願発明者は、炭化水素系燃料ガスを酸素比0.3とする酸化剤を用いて燃焼させ、反応生成物として一酸化炭素と水素のみを生成させようとする場合、上述したように従来技術だけでは断熱火炎温度が1320Kと低く、不完全燃焼及び多量のススが発生するという問題を解決するために、上述したように、実用に支障を来さない断熱火炎温度の下限が1810Kである点に鑑み、燃焼系に外部から図2中の両矢印Aの大きさに相当するエネルギーを加えることに着目した。図2及び図3より、不完全燃焼及び多量のススを発生させずに還元性ガスを生成するには燃焼の反応場における還元性ガスの温度を、図2が計算値であることを考慮して、略1800K以上にする必要がある。また、本願発明者は、このための手段としては、例えばアーク放電(プラズマ)を利用することが実用的、かつ、効率的であることに着目した。 In the case where the present inventor combusts a hydrocarbon-based fuel gas with an oxidant having an oxygen ratio of 0.3, and generates only carbon monoxide and hydrogen as reaction products, as described above, In order to solve the problem that the adiabatic flame temperature is as low as 1320K and incomplete combustion and a large amount of soot occur, as described above, the lower limit of the adiabatic flame temperature that does not hinder practical use is 1810K. In view of the above, attention was paid to applying energy corresponding to the size of the double-headed arrow A in FIG. 2 and 3, in order to generate reducing gas without generating incomplete combustion and a large amount of soot, considering the temperature of the reducing gas in the combustion reaction field, considering that FIG. 2 is a calculated value. Therefore, it is necessary to make it approximately 1800K or more. The inventor of the present application paid attention to the practical and efficient use of arc discharge (plasma), for example, as means for this purpose.
本発明は、斯かる従来の問題をなくすことを課題として、上記着目に基づきなされたもので、スス、水蒸気及び二酸化炭素の発生を抑制するとともに、主として一酸化炭素と水素のみからなる還元性ガスの製造を可能とした還元性ガス製造装置及び方法を提供しようとするものである。 The present invention has been made on the basis of the above-mentioned attention to eliminate such conventional problems, and suppresses the generation of soot, water vapor and carbon dioxide, and is a reducing gas mainly composed of carbon monoxide and hydrogen. It is an object of the present invention to provide a reducing gas production apparatus and method capable of producing the above.
上記課題を解決するために、第1発明は、
燃焼系内で炭化水素系燃料ガスを酸化剤と混合して燃焼させることにより一酸化炭素と水素を生成する還元性ガス製造装置において、
反応式(5)に従う完全燃焼状態での酸素量に対して実際に燃焼系に供給する酸素量の比率を酸素比と定義すると、
酸素比(m/2)/(m+n/4)で反応式(1)に従う部分燃焼を行わせ、
この酸素比(m/2)/(m+n/4)の時の断熱火炎温度を反応式(4)に従う不完全燃焼状態の時の断熱火炎温度よりも高くするために、
前記燃焼系にエネルギーを供給するエネルギー供給手段を備えた構成とした。
In order to solve the above problems, the first invention is:
In a reducing gas production apparatus for producing carbon monoxide and hydrogen by mixing a hydrocarbon fuel gas with an oxidant and burning it in a combustion system,
When the ratio of the oxygen amount actually supplied to the combustion system to the oxygen amount in the complete combustion state according to the reaction formula (5) is defined as an oxygen ratio,
Partial combustion according to the reaction formula (1) is performed at an oxygen ratio (m / 2) / (m + n / 4),
In order to make the adiabatic flame temperature at the oxygen ratio (m / 2) / (m + n / 4) higher than the adiabatic flame temperature in the incomplete combustion state according to the reaction formula (4),
An energy supply means for supplying energy to the combustion system is provided.
第2発明は、燃焼系内で炭化水素系燃料ガスを酸化剤と混合して燃焼させることにより一酸化炭素と水素を生成する還元性ガス製造方法において、
反応式(5)に従う完全燃焼状態での酸素量に対して実際に燃焼系に供給する酸素量の比率を酸素比と定義すると、
酸素比(m/2)/(m+n/4)で反応式(1)に従う部分燃焼を行わせ、
この酸素比(m/2)/(m+n/4)の時の断熱火炎温度を反応式(4)に従う不完全燃焼状態の時の断熱火炎温度よりも高くするために、
前記燃焼系にエネルギーを供給する構成とした。
The second invention is a reducing gas production method for producing carbon monoxide and hydrogen by mixing and burning a hydrocarbon fuel gas with an oxidant in a combustion system,
When the ratio of the oxygen amount actually supplied to the combustion system to the oxygen amount in the complete combustion state according to the reaction formula (5) is defined as an oxygen ratio,
Partial combustion according to the reaction formula (1) is performed at an oxygen ratio (m / 2) / (m + n / 4),
In order to make the adiabatic flame temperature at the oxygen ratio (m / 2) / (m + n / 4) higher than the adiabatic flame temperature in the incomplete combustion state according to the reaction formula (4),
The energy is supplied to the combustion system .
第3発明は、第2発明の構成に加えて、上記エネルギーが、上記一酸化炭素及び水素を含む還元性ガスの温度を略1800K以上にするのに要するエネルギーである構成とした。 In addition to the configuration of the second invention, the third invention has a configuration in which the energy is energy required to set the temperature of the reducing gas containing carbon monoxide and hydrogen to about 1800 K or higher.
第4発明は、第2または第3発明の構成に加えて、上記エネルギーがアーク放電により加えられる構成とした。
第5発明は、第2から第4発明の構成に加えて、燃焼排ガス中のススの発生量を示すバカラック指数が3未満である構成とした。
The fourth invention is, in addition to the configuration of the second or third invention, has a configuration in which the error Ne Energy is added by the arc discharge.
In the fifth aspect of the invention, in addition to the second to fourth aspects of the invention, the Bacharach index indicating the amount of soot generated in the combustion exhaust gas is less than 3.
本発明によれば、スス、水蒸気及び二酸化炭素の発生を抑制するとともに、主として一酸化炭素と水素のみからなる還元性ガスの製造が可能になるという効果を奏する。 According to the present invention, it is possible to suppress the generation of soot, water vapor, and carbon dioxide and to produce a reducing gas mainly composed of carbon monoxide and hydrogen.
次に、本発明の実施形態を図面にしたがって説明する。
図1は、本発明に係る還元性ガス製造装置1を示し、この還元性ガス製造装置1は、燃焼系11と放電加熱系12とからなっている。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a reducing
燃焼系11は、側壁部に酸化剤供給孔21が形成された、例えば電気的絶縁体であるポリフッ化エチレンからなる酸化剤導入管22を有しており、この酸化剤導入管22の一端には、中心部に漏斗状の貫通孔23が形成された先細形状の、例えば銅からなる陽極部材24が取り付けられている。この陽極部材24の外側は、冷却水流入口25及び冷却水流出口26に通じる冷却ジャケット27により包囲されている。酸化剤導入管22の他端の内側には、この他端を閉じる陰極固定部材28が螺合し、この陰極固定部材28に陰極接続部材29が突設されている。この陰極接続部材29の先端部には、酸化剤導入管22内に嵌入された円形の、かつ多数の流体流通孔が穿設された整流部材31が設けられ、さらにその先に、例えば銅からなる陰極部材32が延びている。本実施形態においては、この陰極部材32は基端側が大径部で、末端側が小径部となった形状に形成されており、この小径部の先端には、高融点金属、例えばハフニウムが銀ロウ付けされている。また、陰極接続部材29及びこの先に延びる陰極部材32は整流部材31により酸化剤導入管22の中心に保持されている。そして、酸化剤供給孔21の酸化剤導入管22内への開口部から上記小径部の先端まで、酸化剤導入管22内に断面環状の酸化剤導入空間33が形成され、酸化剤導入管22、貫通孔23、陽極部材24、陰極部材32、酸化剤導入空間33のそれぞれが同軸上に位置している。また、上記小径部の先端と陽極部材24の内側のすり鉢状空間の底部との間に適宜距離が保たれ、放電空間34が形成されている。なお、酸化剤導入管22の外側には、陰極固定部材28から端子部材35が突設されている。
The combustion system 11 has an
また、燃焼系11は、陽極部材24を酸化剤導入管22に押し付けるように設けられた耐火物からなる燃焼管41を有し、この燃焼管41には、貫通孔23に続いて延びるノズル42と、ノズル42の先に広がり、開口した保炎室43とが形成されている。さらに、燃焼管41の周囲の複数箇所、例えば4箇所に、ノズル42に通じる燃料ガス供給口44が設けられ、保炎室43は、冷却水流入口45及び冷却水流出口46に通じる金属製の冷却ジャケット47により包囲されている。なお、ノズル42及び保炎室43は、上述した貫通孔23等とともに、同軸上に位置している。
Further, the combustion system 11 has a
放電加熱系12は、直列配置された直流電源51、電流計52、スイッチ53及びこの直流電源51に対して並列配置された電圧計54を含み、マイナス側が端子部材35に接続され、プラス側が陽極部材24に接続されている。
The
次に、上記構成からなる還元性ガス製造装置1について、この装置に適用される本発明に係る還元性ガス製造方法とともに説明する。
冷却ジャケット27及び47に通水された状態下、酸化剤供給孔21から酸素を含む酸化剤の供給が開始されるとともに、スイッチ53がオン状態にされ、陰極部材32の先端部と陽極部材24との間の放電空間34にアーク放電が起こされ、酸化剤が高温のプラズマ状態にされる。計算値では、この放電空間34での酸化剤の温度は6000〜10000Kであるが、冷却ジャケット27内の冷却水により陽極部材24は冷却されており、酸化剤及び燃料ガスの流路の溶損が防止されている。そして、上記アーク放電が維持されている状態下、アーク放電により高温状態となった酸化剤は貫通孔23からノズル42に向かうとともに、燃料ガス供給口44から炭化水素系の燃料ガスが供給される。そして、燃料ガスは酸化剤と混合し、保炎室43に向いつつ燃焼反応を起こし、この結果、還元性ガスが生成され、保炎室43の開口から送り出される。なお、保炎室43での還元性ガスが有するエンタルピー(熱エネルギー)は、アーク放電により加えられたエンタルピーと燃焼反応により生じるエンタルピーの和となる。
Next, the reducing
Under the condition that water is passed through the cooling
ノズル42の前方部は、プラズマ化された酸化剤と燃料ガスとの燃焼反応により形成される火炎を保持する燃焼筒に適した形状に形成され、保炎部43の周囲については図示するように金属製の冷却ジャケット47で構成する他、シルコニア等の耐火度の高い材料により構成してもよく、より高温の還元性ガスを生成する場合には、この耐火度の高い材料によるのが適している。
The front portion of the
次に、燃料、酸素比、燃焼系に加えるエネルギーを種々変更して還元性ガスを生成した結果を表1に示す。なお、比較例1,2は、特許文献1に記載の還元性ガス発生バーナを用いるとともに、特許文献2に記載のように、燃焼室を小さくすることにより燃焼反応で生じるエンタルピーロスを抑えるようにした還元性ガス生成方法を意味している。
Then, fuel, oxygen ratio, the results generated various modifications to reducing gas energy applied to the combustion system shown in Table 1. In Comparative Examples 1 and 2 , the reducing gas generating burner described in
燃料ガスについては、比較例1及び2では、プロパンを使用し、実施例1〜3では、プロパンを使用し、実施例4及び5では、メタンを使用した。酸化剤については、実施例及び比較例のいずれにおいても、純酸素を使用した。また、燃焼系11、特に放電空間34にエンタルピーを付加するため直流電源51として、連続運転可能な市販のプラズマ切断用電源を使用した。アーク放電を採用した理由は、例えば交流プラズマ状態を生成するRF放電に比較して装置が安価で、コンパクトである点にある。また、電流計52及び電圧計53により測定された放電電流及び放電電圧から、アーク放電時に燃焼系11に与えられるエンタルピー(熱エネルギー)を算出した。生成された還元性ガスの成分分析については、水分(H2O)に関し、鏡面式露点計による露点の測定値から水分量を算出し、それ以外の成分(CO,CO2,H等)に関し、ガスクロマトグラフ分析を行った。表1には、分析の結果得られた成分組成の測定結果を基に式6により算出したR値、即ち還元性ガスの還元度合いの指標が記載されている。但し、水分量に関しては、0.005%(露点温度248K)以下の時はR値を算出する際の便宜上、0%と見なした。
For fuel gas, the ratio Comparative Examples 1 and 2, using propane, the actual施例1-3, using propane in Examples 4 and 5 were used methane. As for the oxidizing agent, pure oxygen was used in both the examples and the comparative examples . In addition, a commercially available plasma cutting power source capable of continuous operation was used as the
実施例1と比較例1を比較すると、比較例1ではバカラック指数が3であるのに対して、実施例1では0になっており、燃焼系11にこの系外からアーク放電によりエネルギーを加えることにより還元性ガス中のススの発生が抑制されることが分かる。また、酸素比0.3で燃焼反応を起こさせた場合、従来法によれば前述のように不完全燃焼及び多量のススの発生のために実用上問題があった。これに対して、本発明では、反応場における還元性ガス温度を1800K以上になるように燃焼系11にこの系外からアーク放電によりエネルギーを加えることにより、実施例3において示されるように、R値は∞となり、バカラック指数が2となり、還元能力に優れ、かつススの発生量が少ない還元性ガスが得られることが分かる。なお、反応場における還元性ガス温度を2500K以上にすることは、エネルギーコストの面でも、装置の耐熱性を考慮しても有益でなく、実施例1〜5において、反応場における還元性ガス温度を1800K以上にすることにより、ススの発生を実用上支障のない程度に抑制できることが示されている。
When Example 1 and Comparative Example 1 are compared , the Bacharach index is 3 in Comparative Example 1 , whereas it is 0 in Example 1. Energy is applied to the combustion system 11 from outside this system by arc discharge. It turns out that generation | occurrence | production of soot in reducing gas is suppressed by adding. Further, when the combustion reaction is caused at an oxygen ratio of 0.3, there has been a practical problem due to the incomplete combustion and the generation of a large amount of soot as described above according to the conventional method. On the other hand, in the present invention, as shown in Example 3, by applying energy to the combustion system 11 by arc discharge from outside this system so that the reducing gas temperature in the reaction field becomes 1800 K or more. The value is ∞, the Bacharach index is 2, and it can be seen that a reducing gas having excellent reducing ability and a small amount of soot can be obtained. In addition, it is not beneficial from the standpoint of energy cost and considering the heat resistance of the apparatus to set the reducing gas temperature in the reaction field to 2500 K or higher. In Examples 1 to 5, the reducing gas temperature in the reaction field is not useful. It has been shown that by setting 1 to 1800K or more, the generation of soot can be suppressed to an extent that does not impede practically.
以上のように、本発明を、例えば部分燃焼法による還元性ガスの製造に適用して外部からエネルギーを供給するようにすると、酸素比を上げる必要がないため、酸化性ガスである水蒸気や二酸化炭素を増加させることなく、不完全燃焼反応及びススの発生を抑制できる。また、本発明により、従来、火炎では不可能であった一酸化炭素と水素のみからなる還元性ガスを製造する酸素比での操業が可能となり、還元能力の非常に高いガスを得ることができる。さらに、従来の装置では、部分燃焼させた後に、燃焼排ガスを露点まで下げて水蒸気を分離、除去する必要があり、雰囲気炉において間接加熱による再加熱が必要であったが、本発明では、このプロセスが不要となり、直接雰囲気炉に燃焼排ガスを高温のまま投入することが可能となる。 As described above, when the present invention is applied to, for example, the production of a reducing gas by the partial combustion method and energy is supplied from the outside, it is not necessary to increase the oxygen ratio. Incomplete combustion reaction and soot generation can be suppressed without increasing carbon. In addition, according to the present invention, it becomes possible to operate at an oxygen ratio for producing a reducing gas consisting only of carbon monoxide and hydrogen, which has been impossible with a flame in the past, and a gas having a very high reducing ability can be obtained. . Furthermore, in the conventional apparatus, after partial combustion, it is necessary to lower the combustion exhaust gas to the dew point to separate and remove water vapor, and reheating by indirect heating in an atmospheric furnace is necessary. The process becomes unnecessary, and the combustion exhaust gas can be directly fed into the atmosphere furnace at a high temperature.
本発明において、燃料ガス種は、炭化水素系の燃料ガスであれば、特に限定されず、酸化剤については、その酸素濃度は限定されない。但し、酸化剤中の酸素濃度が低い場合、酸化剤中に含まれる酸素以外の燃焼に寄与しないガスへの放熱により、燃焼反応で生じるエンタルピーが小さくなる。燃焼反応で生じるエンタルピーが小さくなると、ススを発生させないために燃焼系11の外から与えるエンタルピーを増加させる必要があり、エネルギー原単位を考慮すると、上記エンタルピーが小さくなることは有益ではない。従って、酸化剤中の燃焼に寄与しないガスへの放熱を防ぐ観点から、酸化剤としては、純酸素を使用するのが望ましい。 In the present invention, the fuel gas type is not particularly limited as long as it is a hydrocarbon-based fuel gas, and the oxygen concentration of the oxidant is not limited. However, when the oxygen concentration in the oxidant is low, the enthalpy generated in the combustion reaction is reduced by the heat release to the gas that does not contribute to the combustion other than oxygen contained in the oxidant. When the enthalpy generated by the combustion reaction is reduced, it is necessary to increase the enthalpy given from the outside of the combustion system 11 in order not to generate soot, and considering the energy intensity, it is not beneficial to reduce the enthalpy. Therefore, it is desirable to use pure oxygen as the oxidant from the viewpoint of preventing heat dissipation to the gas that does not contribute to combustion in the oxidant.
燃焼系11にエネルギーを与える目的のためには、必ずしも上述したアーク放電による方法に限定されず、アーク放電以外のエネルギー供給手段を利用してもよいが、装置の構成が簡便で、安定して確実に目的が達成されるという点で上述アーク放電を利用するのがよい。燃焼系11でのアーク放電においては、酸化剤、即ち反応ガスは高温になり、その一部はプラズマ状態となり、イオンやラジカルとなるので、反応活性が飛躍的に高まり、ススや二酸化炭素などの不均一反応による物質を生成せず、迅速かつ均一な燃焼反応が進行し、一酸化炭素と水素のみが生成される。燃焼系11において、アーク放電を発生させ得る箇所としては、別個に導入される燃料ガス及び酸化剤のそれぞれの箇所とこの両者が混合された箇所の3箇所が考えられ、本発明はこれらのいずれの箇所にも限定するものではないが、酸化剤でアーク放電を発生させるのが特に好ましい。なぜならば、酸素や窒素に関しては、安定したプラズマ状態を得やすく、窒素をプラズマ状態にすることにより、還元性ガスを窒化反応に利用することが可能になるからである。 For the purpose of giving energy to the combustion system 11, the method is not necessarily limited to the above-described arc discharge method, and energy supply means other than arc discharge may be used, but the configuration of the apparatus is simple and stable. The arc discharge described above is preferably used in that the purpose is surely achieved. In the arc discharge in the combustion system 11, the oxidizing agent, that is, the reactive gas becomes high temperature, and a part thereof becomes a plasma state and becomes ions and radicals, so that the reaction activity is greatly increased, and soot, carbon dioxide, etc. A substance due to a heterogeneous reaction is not generated, and a rapid and uniform combustion reaction proceeds and only carbon monoxide and hydrogen are generated. In the combustion system 11, arc discharge can be generated at three locations, that is, a location where the fuel gas and the oxidant are introduced separately, and a location where both are mixed. However, it is particularly preferable to generate an arc discharge with an oxidizing agent. This is because, with respect to oxygen and nitrogen, it is easy to obtain a stable plasma state, and reducing nitrogen can be used for the nitriding reaction by making nitrogen into a plasma state.
1 還元性ガス製造装置
11 燃焼系
12 放電加熱系
21 酸化剤供給孔
22 酸化剤導入管
23 貫通孔
24 陽極部材
25 冷却水流入口
26 冷却水流出口
27 冷却ジャケット
28 陰極固定部材
29 陰極接続部材
31 整流部材
32 陰極部材
33 酸化剤導入空間
34 放電空間
35 端子部材
41 燃焼管
42 ノズル
43 保炎室
44 燃料ガス供給口
45 冷却水流入口
46 冷却水流出口
47 冷却ジャケット
51 直流電源
52 電流計
53 スイッチ
54 電圧計
DESCRIPTION OF
Claims (5)
反応式(5)に従う完全燃焼状態での酸素量に対して実際に燃焼系に供給する酸素量の比率を酸素比と定義すると、
酸素比(m/2)/(m+n/4)で反応式(1)に従う部分燃焼を行わせ、
この酸素比(m/2)/(m+n/4)の時の断熱火炎温度を反応式(4)に従う不完全燃焼状態の時の断熱火炎温度よりも高くするために、
前記燃焼系にエネルギーを供給するエネルギー供給手段を備えたことを特徴とする還元性ガス製造装置。 In a reducing gas production apparatus for producing carbon monoxide and hydrogen by mixing a hydrocarbon fuel gas with an oxidant and burning it in a combustion system,
When the ratio of the oxygen amount actually supplied to the combustion system to the oxygen amount in the complete combustion state according to the reaction formula (5) is defined as an oxygen ratio,
Partial combustion according to the reaction formula (1) is performed at an oxygen ratio (m / 2) / (m + n / 4),
In order to make the adiabatic flame temperature at the oxygen ratio (m / 2) / (m + n / 4) higher than the adiabatic flame temperature in the incomplete combustion state according to the reaction formula (4),
An apparatus for producing a reducing gas, comprising energy supply means for supplying energy to the combustion system .
反応式(5)に従う完全燃焼状態での酸素量に対して実際に燃焼系に供給する酸素量の比率を酸素比と定義すると、
酸素比(m/2)/(m+n/4)で反応式(1)に従う部分燃焼を行わせ、
この酸素比(m/2)/(m+n/4)の時の断熱火炎温度を反応式(4)に従う不完全燃焼状態の時の断熱火炎温度よりも高くするために、
前記燃焼系にエネルギーを供給することを特徴とする還元性ガス製造方法。 In a reducing gas production method for producing carbon monoxide and hydrogen by mixing a hydrocarbon fuel gas with an oxidant in a combustion system and burning it,
When the ratio of the oxygen amount actually supplied to the combustion system to the oxygen amount in the complete combustion state according to the reaction formula (5) is defined as an oxygen ratio,
Partial combustion according to the reaction formula (1) is performed at an oxygen ratio (m / 2) / (m + n / 4),
In order to make the adiabatic flame temperature at the oxygen ratio (m / 2) / (m + n / 4) higher than the adiabatic flame temperature in the incomplete combustion state according to the reaction formula (4),
A method for producing a reducing gas, wherein energy is supplied to the combustion system .
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