JPH0676586B2 - 合成ガスの製法および合成ガス製造用装置 - Google Patents

合成ガスの製法および合成ガス製造用装置

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JPH0676586B2 JP60069885A JP6988585A JPH0676586B2 JP H0676586 B2 JPH0676586 B2 JP H0676586B2 JP 60069885 A JP60069885 A JP 60069885A JP 6988585 A JP6988585 A JP 6988585A JP H0676586 B2 JPH0676586 B2 JP H0676586B2
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Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 発明は合成ガスの製法および合成ガス製造用装置に関す
る。さらに詳しくは、本発明は石炭、コークス、石油産
物、天然ガス、コークス炉ガスのような炭素含有燃料、
および水蒸気（スチーム）および二酸化炭素のような該
燃焼と吸熱的に反応する酸素含有ガスから、これらの出
発物質をプラズマ反応域において反応させることからな
る合成ガス、とくに、還元ガスの製法ならびに該方法を
行なうための装置に関する。
発明の背景 このタイプの合成または還元ガスは、例えば、酸化鉄か
ら海綿鉄を製造する直接還元プラントに大量に必要とさ
れている。
還元ガスを用いて操業する直接還元プラントへの供給
は、これまでは、天然ガスを水および／または二酸化炭
素の存在下にて、いわゆる改質装置で接触分離させるこ
とによって実現化されていた。得られるガス混合物は、
実質的に、一酸化炭素および水素からなり、酸化物出発
物質の金属への直接還元に適している。このような改質
装置は例えば、コバルト−ニッケルベースのような触媒
を充填した外部から加熱したパイプからなり、そこに、
出発ガス混合物を導くと同時に反応させる。
しかしがなら、すでに出発ガス混合物に含まれていた少
量の硫黄が汚染をもたらし、触媒の不活性化が生じる。
さらに、触媒素材上へのすすの沈着が繰返し生じ、これ
が還元ガスの直接還元プラントへの供給不足または供給
妨害をもたらし、製造が非常に妨害される。改質装置の
パイプ材料は約1000℃もの非常に高い温度に耐えられる
ものでなければならず、したがって、クロム−ニッケル
ベースの遠心鋳造製品のような耐高温性合金だけがその
材料として用いることができる。このような材料でさ
え、一定の化学的および熱的負荷のもとでは結晶粒界腐
蝕、すなわち、亀裂の形成が生じやすい。したがって、
触媒およびパイプは、両者とも、一定の期間内に交換し
なければならず、これには高いコストが伴なう。
石炭のガス化ならびに他のガスまたは液体炭素担体の還
元ガスへの変換は、これまで広範には行なわれていな
い。
ドイツ公開公報第3104281号にはある種の方法が記載さ
れており、そこでは実質的にCOおよびH2からなるガス混
合物を、CO2およびH2Oを除去した、高炉の反応ガスフラ
クションから固体還元体や酸化体を用いガス発生装置で
生成している。エネルギー供給は反応ガスを加熱するプ
ラズマバーナー（plasma burner）で行なわれている。
固体還元体として、とくに、微粉炭を、および酸化体と
して、とくに、水を、横から、加熱したガス内に吹込
む。固体還元体の灰分は発生装置の底部に集め、抜取
る。
この還元ガスの製法が有する不利な点は、固体還元体ま
たは燃料が必須であること、およびドイツ公開公報第31
04281号に従い提供された間接的なプラズマバーナーに
よって放出されるエネルギーが、その熱が主として輻射
により該プラズマバーナーから発散し、かつ、反応体と
の接触域がほんのわずかごく短いものであるので有効に
利用することができないことである。
ドイツ特許第2512178号にはプラズマエネルギーにより
製造した高温の還元ガスを羽口を介して熔鉱炉の炉床内
に導入するための装置が記載されており、この装置はそ
の正面において羽口の長手軸に同心状に配置された少な
くとも１つのシリンダー状のプラズマ炉からなる。この
プラズマ炉は、示されている態様に従えば、羽口および
熱風供給装置の両方に向って開いており、互いに120゜
の角度で並べた３本の半径方向の間接的なプラズマバー
ナーを有する。最も特異的に記載された装置は高炉の熱
風を著しく高い温度に加熱するように設計されており、
前記した改質装置からみて合成ガスの製造には適してい
ない。
英国特許第1332531号には高炉、とくに、溶鉱炉への送
風の代わりに高温の還元ガスの供給が提案されており、
還元ガスは、とりわけ、高炉の羽口の内部に好ましく配
列されたプラズマバーナーによって加熱されている。ガ
ス気体または液体炭化水素および酸素含有ガスからの還
元ガスへの製造に関しては、何ら詳細には述べられてお
らず、単に、これらの成分をプラズマアークに、適当な
割合で供給することができることを記載しているにすぎ
ない。単に、これらのデータに基づく還元ガスの製造
が、たとえあったとしてもごくわずかな非常に満足でき
ない効果を伴なって行なうことができることが判明した
にすぎない。
発明の目的 本発明は、還元ガスの公知の製法が有する前記した障害
および不利な点を回避することを目的とし、還元ガスの
製造が供給されたエネルギーの最適な利用により、操作
上安全な方法で、最高流速にて可能な方法および装置を
提供することを目的とする。
発明の詳説 最初に明らかにした部類の方法について、この目的は、
反応させる成分をいわゆる供給流体（供給ガス）として
細長い反応室内に導入し、該反応室の全長にわたって中
央にプラズマジェット（plasma jet）（プラズマアー
ク）を形成させることによって達成される。
本明細書において用いる供給流体（供給ガス）なる語
は、精製したガス混合物か、または燃料と酸素含有ガス
の混合物のいずれかを意味し、そこに懸濁させた固体ま
たは液体炭素含有物質が包含される。
天然ガスの主要成分で、最も簡単な炭化水素であるメタ
ンについて、二酸化炭素または水との高温の反応はつぎ
の反応式に従い進行する。
CH4＋CO22CO＋2H2 （１） CH4＋H2OCO＋3H2 （２） 石炭または粉コークスについて、公知の温度依存平衡反
応はつぎのように生じる。
Ｃ＋CO22CO （３） Ｃ＋H2OCO＋H2 （４） プラズマジェットとの密接な接触により、その平衡は非
常に短かい時間で生じ、非常に高い温度により、実際に
は、該式の右辺に相当するそのガスだけが、なお、存在
する。
また、本発明に従う方法を用いれば、供給流体の激しい
攪拌がその細長いプラズマジェットとの接触の間に生
じ、これは、さらに反応速度および反応の完結に好まし
い影響を与える。
供給流体の成分中のありうる硫黄含量は、どの点から見
てもマイナスの効果を有する。しかしながら、製造され
た還元ガス中に含まれる硫黄化合物は、還元ガスの作用
によって得られる生成物のその硫黄含有量がある限界値
以下でなければならない場合には除去することができ
る。
本発明の好ましい態様に従えば、供給流体をプラズマジ
ェット形成プラズマガスに対し向流で導入する。
多くの場合、供給流体が実質的にシリンダー状のプラズ
マジェットの内部域に、環状電極の中央に達する供給ダ
クトを通ってプラズマジェット形成ガスと同方向の流れ
（並流）で供給される場合にも、また、有利である。
例えば、また、該流体をプラズマバーナーの環状ギャッ
プまたはノズルリングからプラズマガスと同方向の流れ
で吹込むこともでき、したがってそれらはジャケットの
ようにプラズマジェットの周囲を緊密に囲む。
好ましくは、希ガス、窒素、水素、二酸化炭素またはこ
れら気体の２以上の混合物をプラズマガスとしてプラズ
マジェットの形成に用いる。
プラズマガスを選択することにより、プラズマジェット
の操作パラメーターをいずれかの所望の方法で変化され
ることができる。各ガスは種々の電位の傾き（Ｅ＝Ｕ・
cm-1）を有し、アルゴンが最も低く、水素が最も高い電
位の傾きを有する。プラズマジェット形成の長さは電極
と対向電極との間で測定した全電圧に基づく電位の傾き
の最大値に依存し、これは、そのプラズマトーチが、他
の条件が等しいときより低い電位の傾きを有するガスよ
りもより長いことを意味する。すなわち、プラズマガス
としてアルゴンを使用し約800Vの電圧を用いた場合、そ
のプラズマトーチは約1mまでの長さを有し、一方、プラ
ズマガスとして水素ならびに同じ電圧および電流の強さ
を用いた場合、そのジェットはわずか約10cmの長さを有
するだけである。２つの電極間の距離を変化させること
ができないとき、例えば、アルゴンを用いる場合よりも
水素を用いる場合の方が、非常に高い全電圧を適用しな
ければならず、そのため、また、水素をプラズマガスと
して用いる場合には、プラズマジェットを介してより高
いエネルギーを加えねばならない。
とくに、精製したガス混合物を供給流体として利用でき
る場合、ブラズマガスとして、当該供給流体自体を用い
てプラズマジェットを形成することが特に適しているこ
とがしばしば証明された。また、この態様によれば、プ
ラズマガスとしてCO2のような酸素含有ガスだけを注入
し、メタンのような炭素含有燃料を、別に、前記した１
つの方法でプラズマ反応域に供給することもできる。
該方法を行なうための本発明に従う装置は、耐熱性を有
するようにライニングを施した反応容器または冷却した
反応容器を含み、該反応容器が一端上にてプラズマ電極
（カソード）およびその他端上の対向電極（アノード）
を含む細長い反応室のように設計されており、かつ、該
プラズマ電極からなる端部域において供給流体用供給ダ
クトと合成または還元ガス用排出ダクトを備えることを
特徴とする。
有利な設計に従えば、プラズマ電極が環状電極として設
計され、供給流体用の供給ダクトが該電極の中央に通じ
ている。
別の態様として、また、供給流体用供給ダクトがプラズ
マ電極の周囲を環状に囲む場合も適当である。
好ましくは、反応室の直径を供給流体の向流を誘導でき
るほどに電極の直径よりもわずか大きくする。
つぎに、添付の図面を参照して、本発明をさらに詳しく
説明する。
第１〜４図は本発明に従う装置の種々の具体例を模式図
で示す。
第１図はそこを通って冷却媒体が流れる二重シェル２に
よって囲まれる細長い反応室１を示す。プラズマガスは
カソードとして作用するプラズマ電極３を通って矢印４
の方向に導入する。反応室の直径は、電極３と対向電極
６の間のプラズマジェット５が該反応室１の内壁と接触
することなく、ちょうど維持することができるような寸
法とする。すなわち、換言すれば、該室の内径（直径）
を電極、すなわち、プラズマジェットの直径よりもほん
のわずかに大きくする。供給流体は、反応室１の底部の
上方で該底部に接近して備えられた少なくとも１本の供
給ダクト７を通ってその内部に入り、そこで、該供給流
体はプラズマジェット５と、その全長にわたり、ジェッ
ト形成プラズマガスに対して向流で激しく接触すると同
時に、吸熱反応によって還元ガスに変換し、この還元ガ
スは少なくとも１本の排出ダクト８を通って反応室から
排出される。冷却媒体９は二重シェル２の低域部に備え
られた連結品10を通って流れ、該二重シェル２の上部域
に備えられたダクト11を通って抜取られる。
第２図は環状電極12として設計したプラズマ電極を含む
耐熱性を有するようにライニングを施した反応室１を示
す。この環状電極12の中央部において、供給流体用供給
ダクト13が通じており、これはプラズマバーナーの内部
に位置する。プラズマガスは、プラズマバーナーの内側
であって、中央供給ダクト13の外側の環状プラズマ電極
12に供給され、矢印４の方向によって示される。供給流
体はプラズマ中を貫通し、環状プラズマジェット５の中
央から離れる。その流れの進路は矢印14によって示され
る。この貫通過程の間に、供給流体が反応し、少なくと
も１本の排出ダクト８を通って室１から還元ガスとして
排出される。
第３図は、もう１つ別の冷却した金属製の反応室１を示
す。また、供給流体用の供給ダクト15は、プラズマ電極
３の周囲を環状に囲む方法でプラズマバーナーに組込ま
れる。供給流体の進路は、おおよそ、部分的に扇状に広
がった矢印14をとることができる。供給流体はプラズマ
電極３のごく近くに現われ、まず、ケーブルジャケット
のように密接にプラズマジェット５を囲み、ついで、横
にそれて室の形状をとり、１以上の排出ダクト８を通し
て適用したその側面に還元ガスとして導く。プラズマジ
ェット５の輻射熱は排出ダクト８への途中のプラズマバ
ーナー３の方向に再び逆流するガス混合物によっても利
用される。
第４図に従う具体例によれば、供給流体自体を矢印４に
よって示されたプラズマガスとして用いる。反応室１
は、同様に、耐熱性を有するようにライニングを施して
いるが、もちろん、金属から製造され、冷却ジャケット
を含むことができる。プラズマ電極３の直径は、該電極
を協調するためにその模式図では比較的大きく示してい
るが、この例には、より大きな面積を有する電極チップ
を設計し、プラズマガスとして供給する供給流体のため
に非常に広範な穴を提供することが適している。燃料成
分を含む供給流体部分は、例えば、任意に、破線で示し
た供給ダクト16を通して反応室内に導入し、すでに加熱
した成分と反応させることができる。矢印14は、同様
に、合成または還元ガスの主要な流動進路を示す。
【図面の簡単な説明】
第１図〜第４図は本発明の装置の種々の具体例の模式図
である。 図面中、主な符号はつぎのものを意味する。 １……反応室、３および12……プラズマ電極（カソー
ド）、４……プラズマガスの導入方向、５……プラズマ
ジェット、６……対向電極（アノード）、7,13,15およ
び16……供給ダクト、８……排出ダクト、14……供給流
体の進路。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−147591（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−195780（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−26794（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−99873（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−132669（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−14702（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】一方の出発物質として石炭、コークス、石
    油産物、天然ガスまたはコークス炉ガスのような炭素系
    燃料、他方の出発物質として水蒸気または二酸化炭素の
    ような該燃料と吸熱的に反応する酸素含有ガスを使用
    し、これらをプラズマ反応域において反応させることに
    より合成ガス、とくに還元ガスを製造するにあたり、 これらの出発物質を供給流体（供給ガス）として細長い
    反応室内に導入すること、 当該反応室の全長にわたって中央にプラズマジェット
    （プラズマアーク）を形成させること、および 供給流体を、希ガス、窒素、水素、二酸化炭素またはこ
    れらの混合物によって形成されたプラズマジェットの環
    状体・水平断面の中央位置に供給して、当該プラズマジ
    ェットと反応させながら当該環状体を貫通させる ことを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】形成した合成ガスを、プラズマジェット・
    環状体を貫通させたのちにその流動方向を変更させて向
    流で上方に排出させる特許請求の範囲第１項記載の方
    法。
  3. 【請求項３】一方の出発物質として石炭、コークス、石
    油産物、天然ガスまたはコークス炉ガスのような炭素系
    燃料、他方の出発物質として水蒸気または二酸化炭素の
    ような該燃料と吸熱的に反応する酸素含有ガスを使用
    し、これらをプラズマ反応域において反応させることに
    より合成ガス、とくに還元ガスを製造するにあたり、こ
    れらの出発物質を供給流体（供給ガス）として細長い反
    応室内に導入すること、当該反応室の全長にわたって中
    央にプラズマジェット（プラズマアーク）を形成させる
    こと、および供給流体を、希ガス、窒素、水素、二酸化
    炭素またはこれらの混合物によって形成されたプラズマ
    ジェットの環状体・水平断面の中央位置に供給して、当
    該プラズマジェットと反応させながら当該環状体を貫通
    させることからなる方法を実施するための、細長い反応
    室（１）からなる反応容器（１）からなる装置であっ
    て、 当該反応室（１）の一端に環状のプラズマ用カソード電
    極（12）を、他端にアノード対向電極（６）をそれぞれ
    設け、 供給流体用の供給ダクト（13）をカソード電極（12）の
    中央位置に配置させる一方、合成ガス用の排出ダクト
    （８）を、カソード電極（12）を設けた反応室（１）・
    端部に設ける ことを特徴とする装置。
JP60069885A 1984-04-02 1985-04-01 合成ガスの製法および合成ガス製造用装置 Expired - Lifetime JPH0676586B2 (ja)

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