JP5901734B2 - 改質炉 - Google Patents

Description

本発明は、石炭を乾留して得られるコークス炉ガスを改質して一酸化炭素及び水素に富んだ改質ガスを生成する改質炉に関する。

例えば、特許文献１には、コークス炉ガスを酸素により部分燃焼して１１００℃〜１３００℃にし、コークス炉ガス中の炭化水素を熱分解して一酸化炭素及び水素に富んだ改質ガスを生成する改質炉が提案されている。立型の改質炉の頂部中心からコークス炉ガスを導入して改質させ、底部側壁に設けた排出口から改質ガスを排出している。また、コークス炉ガスの導入口より広がる拡径部を改質炉の頂部に設け、拡径部の傾斜面に反応流路内に酸素を噴出するノズルを複数設けている。

一方、特許文献２には、廃棄物を熱分解して得られる熱分解ガスを酸素により部分燃焼して８００℃以上にし、熱分解ガス中の炭化水素を熱分解して一酸化炭素及び水素に富んだ改質ガスを生成する改質炉が提案されている。同文献の改質炉は、特許文献１と同様に立型の改質炉の頂部中心から熱分解ガスと酸素を導入して改質させ、底部側壁に設けた排出口から改質ガスを排出している。

特開２０００−２７３４７３号公報 特開２００７−２４６６２０号公報

しかし、さらに、改質ガスの一酸化炭素及び水素の富化率を向上させることが要望されている。これに対して、特許文献１、２の反応流路は、排出口に向けて曲げられているから、ガスの流れが排出口近くで偏流になり、炭化水素と酸素の改質反応が損なわれるので、改質ガスの一酸化炭素及び水素の富化率を向上させる余地がある。

本発明が解決しようとする課題は、コークス炉ガスを改質して得られる改質ガスの一酸化炭素及び水素の富化率を、従来より向上させることにある。

上記の課題を解決するため、本発明は、石炭を乾留して得られるコークス炉ガスを酸化剤により部分燃焼して改質ガスを生成する改質炉において、コークス炉ガスを導入させる導入口と改質ガスを排出させる排出口が両端に設けられた筒状の反応流路を備え、反応流路は、導入口より広がる拡径部と、排出口に向かい狭まる縮径部と、拡径部と縮径部に挟まれた直状の胴部を有して形成され、拡径部の傾斜面に、反応流路内に酸化剤を噴出させる酸化剤ノズルが、反応流路の断面中心部に向けて複数設けられ、反応流路の中心軸と拡径部の傾斜面とのなす角度は、導入口より導入されるコークス炉ガスを整流で胴部に導くように３０°を超えない角度に設定され、各酸化剤ノズルの中心軸と拡径部の傾斜面とのなす角度は略９０°に設定され、各酸化剤ノズルの中心軸は、反応流路の中心軸から径方向に寸法δずらして設けられ、胴部の流路断面は、導入口の１０倍以上の大きさであり、導入口は、各酸化剤ノズルの流路断面積の総和の４倍以上８倍以下の大きさであり、寸法δは、反応流路の下流から上流に向かう２次流を抑制する寸法に設定されていることを特徴とする。

これによれば、拡径部を、例えば、円錐状又は角錐状に形成し、反応流路の中心軸と拡径部の傾斜面とのなす角度を導入口より導入されるコークス炉ガスを整流で胴部に導くように３０°を超えない角度に設定されるから、導入されるコークス炉ガスの流れが徐々に広がって、渦などの乱流が発生することなく、整流されたコークス炉ガスが胴部に導かれる。一方、傾斜面から酸化剤が噴出されるので、コークス炉ガスと酸化剤が混合され、コークス炉ガスが部分燃焼される。これにより、高温となったコークス炉ガスと酸化剤の混合体が胴部に導入され、コークス炉ガスと酸化剤がさらに均一に混ざって、部分燃焼を熱源とする改質反応が行われる。生成された改質ガスは、導入口と排出口が同軸の流れなので、胴部の流れに偏流を起こすことなく排出される。したがって、コークス炉ガスを改質して得られる改質ガスの一酸化炭素及び水素の富化率を、従来より向上させることができる。

ここで、拡径部の傾斜面の傾斜角が３０°を超えると、導入されるコークス炉ガスの広がりにより渦ができるから、胴部の均一な流れを妨げるおそれがある。一方、傾斜角が小さすぎると、拡径部が長くなり、改質炉が大型化する。

また、胴部の流路断面を、導入口の１０倍以上の大きさにすることが好ましい。これにより、コークス炉ガスの流速を１０分の１以下に低下でき、反応流路における滞留時間を長くできるから、改質反応を一層促進できる。

特に、酸化剤ノズルの中心軸を、反応流路の中心軸に対して偏心させて、つまり各酸化剤ノズルの中心軸を反応流路の中心軸から径方向に寸法δずらして設けているので、反応流路内に旋回流を形成でき、酸化剤の混合性を向上できるから、改質反応をより一層促進できる。ここで、寸法δを大きくし過ぎると、旋回力が大きくなり過ぎ、コークス炉ガスや酸化剤が反応流路の内壁に押し付けられてガスの流れが偏る。また、旋回力が強くなると、図３に示すように、反応流路の下流から上流に向かう２次流が形成され、この２次流により改質ガスが上流に戻されて燃焼する。このことから、寸法δは、ガス流の偏り及び２次流を抑制できるように、コークス炉ガス及び酸化剤の流速、反応流路の寸法などを考慮して設定する。

本発明によれば、コークス炉ガスを改質して得られる改質ガスの一酸化炭素及び水素の富化率を、従来より向上できる。

本発明の実施形態の改質炉の側断面図である。 図１のＡ−Ａ線における矢視図である。 反応流路内に強い旋回流を形成した場合のガスの流れを示す図である。 図１の温度計の位置を示す模式図である。 反応流路内の温度分布を示す図である。 本発明の実施例の炉内最高温度と改質ガス中のメタン残存率の関係を示す図である。 比較例の反応流路の排出口側を示す側断面図である。 拡径部の傾斜角が小さい場合の、コークス炉ガスと酸素の流れを示す図である。

以下、本発明を実施の形態に基づいて説明する。
（実施形態）
図１、２に示すように、本実施形態の改質炉１は、石炭を乾留して得られるコークス炉ガス３を導入して、一酸化炭素及び水素に富んだ改質ガス５を生成するようになっている。改質炉１は、外表面が鋼板のケーシング７で覆われた、例えば、円筒状の耐火材９により形成されている。改質炉１の筒の両端には、コークス炉ガス３を導入させる導入口１１と改質ガス５を排出させる排出口１３が設けられている。これにより、円筒状の反応流路１５が形成されている。導入口１１には、図示していないコークス炉が配管を介して接続されている。排出口１３には、図示していないガス精製設備が配管を介して接続されている。

次に、本実施形態の特徴部に係る構成を説明する。反応流路１５は、導入口１１より広がる円錐状の拡径部１９と、排出口１３に向かい狭まる円錐状の縮径部２１と、拡径部１９と縮径部２１に挟まれた直状の胴部２３により構成されている。

拡径部１９と縮径部２１は、対称構造で同一寸法になるように形成されている。拡径部１９と縮径部２１の中心軸は、胴部２３と同心になるように形成されている。拡径部１９の傾斜角度は、例えば、反応流路１５の中心軸１７と拡径部１９の傾斜面２５とのなす角度φが３０°を超えないように形成されている。

拡径部１９と縮径部２１に挟まれた胴部２３の流路断面は、例えば、導入口１１の１０倍以上の大きさになるように形成されている。つまり、胴部２３の内径をＤ、導入口１１の内径をＤｉとすると、胴部断面積（πＤ^２／４）と導入口断面積（πＤｉ^２／４）の比は、以下の（式１）の関係にある。
（πＤ^２／４）／（πＤｉ^２／４）≧ １０・・・（式１）。
したがって、胴部２３と導入口１１の内径は、以下の（式２）の関係にある。
Ｄ ≧ ３．１６Ｄｉ・・・（式２）
この（式２）を満たすように、胴部２３の内径Ｄと導入口１１の内径Ｄｉは設計されている。

拡径部１９の傾斜面２５には、反応流路１５内に酸化剤、例えば、酸素２７を噴出させる酸化剤ノズル２９が反応流路１５の断面中心部に向けて、放射状に複数（本実施形態では４つ）設けられている。酸化剤ノズル２９は、各酸化剤ノズル２９の中心軸３１と傾斜面２５とのなす角度φ_０が略９０°になるように設けられている。各酸化剤ノズル２９の中心軸３１は、反応流路の中心３２から同一方向にδの長さの分だけわずかにずらされ、反応流路１５内に旋回流を形成できるようになっている。なお、δの寸法を大きくすると、旋回力が大きくなり過ぎ、コークス炉ガス３や酸素２７が反応流路１５の内壁に押し付けられてガスの流れが偏る。また、旋回力が強くなると、図３に示すように、反応流路１５の下流から上流に向かう２次流が形成され、この２次流により改質ガス５が上流に戻され燃焼する。したがって、δの寸法は、ガス流の偏り及び２次流を抑制できるように、コークス炉ガス３及び酸素２７の流速、反応流路１５の寸法などを考慮して適宜設計する。

各酸化剤ノズル２９の本数ｎ及び内径ｄ_０は、例えば、以下の（式３）、（式４）を満たすように設計されている。
４ ≦（πＤｉ^２／４）／（ｎπｄ_０ ^２／４）≦ ８・・・（式３）
４ｎｄ_０ ^２≦ Ｄｉ^２≦ ８ｎｄ_０ ^２・・・（式４）
つまり、各酸化剤ノズル２９の流路断面積の総和に対して、導入口１１の流路断面積が、４倍以上８倍以下になるように設計されている。

反応流路１５内の最高温度を示す位置には、温度計２４が設けられている。温度計２４の位置は、例えば、図４に示すように、各酸化ノズル２９の中心軸３１の交差部３３より、胴部２３の内径Ｄに近い長さＤａ分、反応流路１５の下流側にすることができる。

このように構成される本実施形態の改質炉の動作を説明する。石炭を乾留して得られるコークス炉ガス３は、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、窒素、メタン及びエチレンを主成分とし、ベンゼン、トルエン、キシレンなどの芳香族、ナフタレン、アントラセンなどの多環芳香族、重質なタール状物質を含んでいる。このようなコークス炉ガス３を反応流路１５内に導入し、酸化剤ノズル２９から酸素２７を噴射してコークス炉ガス３に混合する。これによりコークス炉ガス３が部分燃焼し、この燃焼熱により以下の（式５）、（式６）に示すとおり、コークス炉ガス３中の炭化水素及び微細な石炭粒子が一酸化炭素及び水素に転換される。
Ｃ_ｍＨ_ｎ＋（ｍ／２)Ｏ_２→ ｍＣＯ＋（ｎ／２）Ｈ_２・・・（式５）
Ｃ＋（ｍ／２)Ｏ_２→ ｍＣＯ・・・（式６）
さらに、以下の（式７）に示すとおり、コークス炉ガス３中の水蒸気により炭化水素が一酸化炭素及び水素に転換される。
Ｃ_ｍＨ_ｎ＋（ｍ／２）Ｈ_２Ｏ→（ｍ／２）ＣＯ+(ｎ／２+ｍ／２)Ｈ_２・・・（式７）
（式５）乃至（式７）の反応により、コークス炉ガス３が改質され、一酸化炭素及び水素に富んだ改質ガス５が生成できる。生成された改質ガス５を、排出口１３から排出させてガス精製設備で精製する。精製された改質ガスは、コークス工場の燃料、発電用ボイラの燃料、都市ガスの原料、高炉における酸化鉄の還元剤などに使用できる。なお、コークス炉ガス３中の水蒸気量が少ない場合は、反応流路１５内に水蒸気を噴射することができる。

次に、本実施形態の特徴動作を説明する。反応流路１５内に導入された高温のコークス炉ガス３は、拡径部１９の傾斜面２５に沿って徐々に拡大され、整流されたコークス炉ガス３が胴部２３に導かれる。さらに、酸化剤ノズル２９から噴出された酸素２７により旋回する。これにより、コークス炉ガス３と酸素２７の混合ガスを安定して旋回でき、コークス炉ガス３と酸素２７が均一に混合され、コークス炉ガス３が部分燃焼する。この部分燃焼により、反応流路１５内は所定温度に昇温される。

高温となったコークス炉ガス３と酸素２７の混合ガスは、胴部２３でさらに均一混合される。この混合ガスの熱量により、コークス炉ガス３中の炭化水素と酸素及び水蒸気が反応して、一酸化炭素と水素に転換される。この際、炭化水素と水蒸気の反応は吸熱反応であるから、反応流路１５内の温度分布は図５に示すとおり、排出口１３に向かって徐々に低くなる。しかし、拡径部１９によりコークス炉ガス３と酸素２７の混合ガスが整流され、酸素２７が均一に混ざるから、炉内最高温度を、例えば、１３４０℃以上にでき、排出口１３の近くの温度を、例えば、約１１００℃の高温に維持できる。そして、整流された混合ガスが胴部２３でさらに均一に混ざる。これにより、排出口１３近くまで改質反応を維持できる。なお、炉内最高温度を示す位置の温度を改質反応が発生するか否かの目安として測定する。

改質反応により生成した改質ガス５は、縮径部２１により絞られながら排出口１３に導かれ、改質ガス５を、導入口１１と同軸の排出口１３から排出される。

これによれば、円錐状の拡径部１９により、導入されるコークス炉ガス３の流れが徐々に広がって、渦などの乱流が発生することなく、旋回されたコークス炉ガス３が胴部２３に導かれる。一方、傾斜面２５から酸素２７が噴出されるので、コークス炉ガス３と酸素２７が混合され、コークス炉ガス３が部分燃焼される。これにより、高温となったコークス炉ガス３と酸素２７の混合体が胴部２３に導入され、コークス炉ガス３と酸素２７がさらに均一に混ざって、部分燃焼を熱源とする改質反応が行われる。生成された改質ガス５は、導入口１１と排出口１３が同軸の流れなので、胴部２３の流れに偏流を起こすことなく排出される。したがって、コークス炉ガス３を改質して得られる改質ガス５の一酸化炭素及び水素の富化率を、従来より向上させることができる。

また、拡径部１９の傾斜角度を、例えば、３０°を超えないようにしているから、拡径部１９でコークス炉ガス３が緩やかに広がり、コークス炉ガス３の流れを一層均一化できる。これに反して、傾斜角度が３０°を超えると、コークス炉ガス３が急に拡大され渦ができ、胴部２３の均一な流れを妨げるおそれがある。一方、傾斜角が小さすぎると、拡径部１９が長くなり、改質炉１が大型化する。また、傾斜角が緩やかな場合には、図８に示すように酸素２７は酸素噴流４５として、胴部２３の下流側までコークス炉ガス３と平行に流れて、コークス炉ガス３との混合が遅れる。

また、胴部２３の流路断面を所定寸法、例えば、導入口の１０倍以上の大きさにすることで、コークス炉ガス３の流速を１０分の１以下に低下でき、反応流路における滞留時間を長くできる。これにより、コークス炉ガス３と酸素２７の混合を一層均一化でき、濃度のむらが発生することを抑制できるから、改質反応を促進できるとともに、不完全燃焼によるすすの発生を抑制できる。

また、各酸化剤ノズル２９の中心軸３１と傾斜面２５とのなす角度を、同一角、例えば、略９０°にすることが好ましい。これにより、反応流路１５の上流に酸素２７を集中してコークス炉ガス３を部分燃焼できるから、反応流路１５内を所定温度に急速に昇温でき、改質反応を迅速に開始できる。

また、各酸化剤ノズル２９の本数及び流路断面積は、改質反応に必要な酸素量、コークス炉ガス及び酸素の流速、導入口１１の流路断面積などに応じて適宜選択できる。例えば、各酸化剤ノズル２９の流路断面積の総和に対して、導入口１１の流路断面積が、４倍以上８倍以下に設計し、混合に必要な流速及び改質反応に必要な酸素量を確保できる。

また、反応流路１５の軸方向長さは、例えば、コークス炉ガス３の滞留時間が３秒以上になるように設計できる。これは、本発明の発明者らが滞留時間を１．５〜１５秒の範囲で試験をして導いた結論である。滞留時間が３秒以下の場合には、酸素２７との混合が良好であっても未分解成分が排出されることがあった。さらに、改質ガス中に残存する炭化水素、例えば、メタンの濃度が１．５％以下になるように、反応流路１５の軸方向長さを設計することができる。

なお、本実施形態の反応流路１５は円筒状に形成したが、これに限定されるものではなく、例えば、角筒状に形成することができる。

以下、本発明の実施例を説明する。図６は、炉内最高温度と改質ガス中のメタンの残存率の関係を示す図である。なお、比較例として、図７に改質炉でコークス炉ガス３を改質した場合のデータを示す。比較例の改質炉が本実施例の改質炉と相違する点は、拡径部１９を設けず、コークス炉ガス３を導入口１１から胴部２３に向けて急拡大させている点である。さらに、酸素ノズル４０を導入口１１から反応流路１５内に挿入している点である。

図６に示すとおり、本実施例の改質炉は、改質ガス中のメタンの残存率は約１％であり、コークス炉ガス３中の炭化水素の殆どが一酸化炭素及び水素に分解されていることがわかる。つまり、本実施例の改質炉は、拡径部１９でコークス炉ガス３が整流され、反応流路１５の上流側におけるコークス炉ガス３と酸素２７が均一に混ざるから、部分燃焼を促進でき、炉内最高温度を１３９０℃にできる。さらに、生成された改質ガス５は、縮径部２１により整流されて、導入口１１と同心の排出口１３から排出されるから、胴部２３に偏流が発生しない。これにより、排出口１３の近くまで改質反応を進行でき、炭化水素の殆どを分解できる。

これに対して、比較例の改質炉は、コークス炉ガス３を急拡大しているから、渦などの乱流が発生し、コークス炉ガス３と酸素２７の混合性が悪く、部分燃焼が不十分となっている。そのため、炉内最高温度が１０４０℃までしか上がらず、反応流路の下流側の温度が低下し、下流側の改質反応が不十分となり、メタンが約２３％残存したと考えられる。

１ 改質炉
３ コークス炉ガス
５ 改質ガス
１１ 導入口
１３ 排出口
１５ 反応流路
１９ 拡径部
２１ 縮径部
２３ 胴部
２５ 傾斜面
２９ 酸化剤ノズル

Claims (1)

1. 石炭を乾留して得られるコークス炉ガスを酸化剤により部分燃焼して改質ガスを生成する改質炉において、
   前記コークス炉ガスを導入させる導入口と前記改質ガスを排出させる排出口が両端に設けられた筒状の反応流路を備え、
   該反応流路は、前記導入口より広がる拡径部と、前記排出口に向かい狭まる縮径部と、前記拡径部と前記縮径部に挟まれた直状の胴部を有して形成され、
   前記拡径部の傾斜面に、前記反応流路内に前記酸化剤を噴出させる酸化剤ノズルが、前記反応流路の断面中心部に向けて複数設けられ、
   前記反応流路の中心軸と前記拡径部の傾斜面とのなす角度は、前記導入口より導入される前記コークス炉ガスを整流で前記胴部に導くように３０°を超えない角度に設定され、
   前記各酸化剤ノズルの中心軸と前記拡径部の傾斜面とのなす角度は略９０°に設定され、
   前記各酸化剤ノズルの中心軸は、前記反応流路の中心軸から径方向に寸法δずらして設けられ、
   前記胴部の流路断面は、前記導入口の１０倍以上の大きさであり、
   前記導入口は、前記各酸化剤ノズルの流路断面積の総和の４倍以上８倍以下の大きさであり、
   前記寸法δは、前記反応流路の下流から上流に向かう２次流を抑制する寸法に設定されていることを特徴とする改質炉。

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