JPH0735887B2 - ガス混合物の製造方法およびそのために用いるバーナノズル - Google Patents

ガス混合物の製造方法およびそのために用いるバーナノズル

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JPH0735887B2
JPH0735887B2 JP61087877A JP8787786A JPH0735887B2 JP H0735887 B2 JPH0735887 B2 JP H0735887B2 JP 61087877 A JP61087877 A JP 61087877A JP 8787786 A JP8787786 A JP 8787786A JP H0735887 B2 JPH0735887 B2 JP H0735887B2
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    • C10J3/00—Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels
    • C10J3/46—Gasification of granular or pulverulent flues in suspension
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は遊離酸素を含むガスを混合した固体炭素質燃料
と担体液とのスラリの中空自由流リアクタ内での部分酸
化によって形成した水素と一酸化炭素とを含む合成ガス
又は燃料ガスの製造に関する。特に本発明はスラリと酸
素含有ガスとを混合して混合物をリアクタに導入するバ
ーナーノズルに関する。
従来の技術 炭素質材料のガス化には３種の基本的過程が開発され
た。これは固定ベッド法，流動化ベッド法懸濁又は随伴
法である。本発明の関する随伴法の効率はガス化の部分
酸化反応を行う前の反応体の混合の程度に影響される。
微細に分割した炭素質燃料を液担体内としたスラリを酸
素含有ガスに混合する場合に，反応体が均等に混合霧化
されて気化点火されてガス状製品を形成する時は極めて
微細な滴となることが重要である。環状のバーナーノズ
ルは従来使用され，スラリと酸素含有ガスの混合物をリ
アクタに送る。例えば環状のバーナは米国特許4364744
号,4443230号に記載される。
発明が解決しようとする問題点 既知のバーナーノズルの問題点として，混合物内の燃料
と酸素の正しい分布を行う混合，混合物の霧化，バーナ
ーノズル作動の安定，リアクタとバーナーノズルとの局
部過熱の減少，バーナーノズルの機械的摩耗の減少があ
る。更に，分割した固体を高濃度に含有するスラリはバ
ーナーノズルを通って輸送される間に環状通路を閉塞し
又は部分閉塞する傾向がある。
一般的に，本発明は遊離酸素を含むガスを混合した液担
体内の固体炭素質燃料のスラリの自由流中空ガスリアク
タ内で生ずる部分酸化によって水素と一酸化炭素とを含
む合成ガス又は燃料ガスを製造するためのバーナーノズ
ルと製造方法とを提供する。バーナーノズルによってス
ラリと酸素含有ガスとは混合霧化されてリアクタに入
る。リアクタ内で製造されるガス温度範囲は約1700〜35
00゜F（927-1927℃）であり，圧力は大気圧ないし3500p
si（0.1-24Mpa）である。このガスを製造する方法とリ
アクタは米国特許2716598号,3607156号,3607157号に記
載される。製造された主ガスは副産物ガス，例えば窒
素，二酸化炭素硫化水素及び粒子を含み，通常は生産ガ
スの最終使用前に別の過程で除去する必要がある。無機
物スラグ副産物もリアクタ内で生産ガスと共に生産され
る。
問題点を解決するための手段 本発明によるガス混合物の製造方法は，遊離酸素を含む
ガスを混合した液担体内の固体炭素質燃料のスラリの部
分酸化によって水素と一酸化炭素とを含むガス混合物を
製造する場合に，上記部分酸化が自由流中空ガスリアク
タ内で生ずるものにおいて， （ａ）遊離酸素を含む第１のガス流をバーナの中央導管
によって形成される第１の通路内を出口排出速度約75f/
s（23m/s）ないし音速で通らせ，バーナーノズルに中央
導管（１）を囲む離れた同心の第２第３の導管を設けて
中央導管と第２の導管との間の第２の環状通路と第２第
３の導管の間の第３の環状通路とを形成し，第１第２第
３の通路は上流端を閉鎖してガス自由流とスラリ自由流
との入口を設け下流排出ポートは開口させ， （ｂ）遊離酸素を含む第２のガス流を第３の環状通路内
を出口排出速度約75f/s（23m/s）ないし音速で通られ，
第２の環状通路を通るスラリ流の出口排出速度は約1-50
f/s（0.3-15m/s）とし， （ｃ）スラリ流をノズルディフューザの縮小面に衝突さ
せ，スラリの縮小面への衝撃と第１第２のガス流の剪断
作用とによってスラリ流と第１第２のガス流とが混合し
て微細に分割した固体炭素質燃料と液担体と遊離酸素を
含むガスとの均等に分散し霧化した混合物を形成し， （ｄ）上記混合物を延長した出口オリフィスを加速した
速度約100f/s（30m/s）ないし音速で通らせてリアクタ
に入る前に更に混合物を霧化させ， （ｅ）混合物をリアクタ内で反応させて水素と一酸化炭
素とを含む部分酸化ガス混合物を形成させる。
本発明によるバーナーノズルは，遊離酸素を含むガスを
混合した液担体内の固体炭素質燃料のスラリの部分酸化
によって水素と一酸化炭素とを含むガス混合物を製造す
るために使用する自由流中空リアクタ用のバーナーノズ
ルにおいて，遊離酸素を含むガス流を輸送する中央通路
を形成する中央導管と，中央導管との間にスラリ流輸送
のための第２の環状通路を形成する第２の離れた同心の
導管と，第２の導管との間に遊離酸素を含むガス流を輸
送する第３の環状通路を形成する第３の離れた同心の導
管とを備え，第１第２第３の通路は上流端を閉鎖しガス
自由流とスラリ自由流との入口を設け中央第２第３の導
管の未端によって形成する下流排出ポートで開口させ；
第３の導管の端路付近に連結したノズルディフューザを
備え，中央通路第２の通路の排出ポートから下流の並列
位置とし，ディフューザがスラリ流を衝突させる縮小面
を有し；ディフューザに連結しスラリと遊離酸素を含む
ガスとの混合物を加速した速度でリアクタ内に輸送する
細長い出口オリフィスを備え，中央導管第２の導管の形
成する第２の通路は第１の細長いセグメントと第２の細
長いセグメントとを有して第１のセグメントはスラリ供
給入口から延長して縮小して第２のセグメントに入り，
第２のセグメントは中央と第２の導管の末端の形成する
排出ポートまで延長し，第１のセグメントの断面積を第
２のセグメントの断面積より著しく大とし，これによっ
て第１のセグメント内のスラリ流の圧力は第２のセグメ
ントに連結する点で第１のセグメントの環状部全体にほ
ぼ均等となる。
本発明による閉塞抵抗ノズルは廃棄物処理設備における
曝気用のスプレーノズル等の用途に使用できる。ノズル
は高濃度の微細に分割した固体を有するスラリとガスと
の効率の良い均等な混合を達成し，同時に高濃度スラリ
がノズルの環状通路を完全に又は部分的に閉塞する傾向
を減少する。
本発明による閉塞抵抗ノズルは，液担体内に高濃度の微
細細に分割した固体を有するスラリにガスを混合する閉
塞しないノズルであって，ガス流を輸送する中央通路を
形成する中央導管と，中央導管との間にスラリ流輸送の
ための第２の環状通路を形成する第２の離れた同心の導
管と，第２の導管との間にガス流を輸送する第３の環状
通路を形成する第３の離れた同心の導管とを備え，第１
第２第３の通路は上流端を閉鎖しガス自由流とスラリ自
由流との入口を有し，中央，第2,第３の導管の末端によ
って形成する下流排出ポートで開口させ；中央導管第２
の導管の形成する第２の通路は第１の細長いセグメント
と第２の細長いセグメントとを有して第１のセグメント
はスラリ供給入口から延長して縮小して第２のセグメン
トに入り，第２のセグメントは中央と第２の導管の末端
の形成する排出ポートまで延長し，第１のセグメントの
断面積を第２のセグメントの断面積より著しく大とし，
これによって第１のセグメント内のスラリ流の圧力は第
２のセグメントに連結する点で第１のセグメントの環状
部全体にほぼ均等となる。
本発明のノズルは他の用途にも使用でき，例えばノズル
が高濃度の微細に分割した固体を有するスラリを処理し
て均等にガスに混合する必要のある場合，廃棄物処理設
備での曝気処理等に使用できる。本発明の好適な実施例
において，スラリ通路内での固体の分離による閉塞を減
少し，通路全断面での均等な流れとする装置を設ける。
この装置は環状スラリ通路内に均等な環状圧力を保つ装
置を有する。この特性によって，ノズルはガス化バーナ
ーノズルだけでなく，他のノズルにも適用可能となる。
本発明によるバーナーノズルは中央導管と，中央導管を
囲む第２第３の導管を有して中央通路と２個の環状通路
とを形成する。中央，環状通路は上流端を閉鎖し，ガス
及びスラリ供給流の入口を有し，導管末端の形成する下
流排出ポートで開口する。バーナーノズルにノズルディ
フューザを設け，第３の導管の端部付近に連結して中央
通路第２の環状通路の排出ポートに並列させる。更にバ
ーナーノズルにディフューザに連結した細長い出口オリ
フィスを設ける。
バーナーノズルの作動間，ガス自由流とスラリ自由流と
は上流の入口に導入される。ガス自由流は分流して中央
軸線通路と外側環状通路とを通り，スラリ自由流は同時
に中間環状通路を通り，環状スラリ流を中央通路と外側
環状通路との酸素含有ガス流で囲む。スラリ流とガス流
とは夫々の通路の排出ポートから排出されノズルディフ
ューザの縮小面に衝突し，スラリ流とガス流とはディフ
ューザの縮小面に対する衝撃とガス流の剪断作用とによ
って混合して微細に分割した固体炭素質燃料と液担体と
遊離酸素含有ガスとが均等に分散し霧化した混合物とな
る。この混合物は加速された速度で延長した出口オリフ
ィスを通り，混合物は更に霧化されてリアクタに流入す
る。
実施例 本発明の実施例並びに図面について説明する。以下の説
明は本発明の原理を適用した例を示すが発明を限定する
ものではない。
第１図乃至第４図に本発明によるバーナーノズル10,30
を示す。バーナーノズル10には通路４を形成する中央導
管１と，環状通路５を形成する第２の同心の環状導管２
と，環状通路６を形成する第３の同心の環状導管３とを
有する。通路５はスペーサ17によって通路4,6から分離
される。スペーサ17は最小とし通路５内のスラリ流の不
必要な分裂を防ぐ。通路4,5,6は上流端を壁部7a,7b,7c
によって閉鎖し，入口15,16をスラリとガス自由流のた
めに設ける。分布室18を設けてスラリ自由流を環状通路
５に均等に輸送する。通路4,5,6は下流端に導管1,2,3の
末端の形成する出口ポート8a,8b,8cを有する。管19を使
用して通路4,6間を連通させガス自由流を輸送する。
バーナーノズル10にノズルディフューザ９を設け縮小面
9aに通路５を通るスラリが衝突する。更に長い出口オリ
フィス11はスラリと酸素含有ガスとの混合物を加速して
リアクタに送る。この実施例ではディフューザ９は導管
３の連続した延長部である。ディフューザ９の受ける悪
い環境即ち，高温度，化学的浸食，機械的耗のため，好
適な例でディフューザ９を高耐蝕性，強靭，耐摩耗性の
材料例えばタングステンカーバイド，シリコンカーバイ
ド製とし，ノズル10の他の部分はステンレス鋼等の金属
製とする。好適な例で水入口13出口14を有する水ジャケ
ット12によってディフューザ９とオリフィス11の壁11a
を冷却する。ノズル10のオリフィス11は円筒形とし拡散
又は縮小する壁11aを有する。好適な例でオリフィスの
長さは直径より大としてスラリーガス混合物の高剪断部
での時間を長くし，リアクタに輸送される混合物の霧化
を良くする。
第3,4図は本発明の他の実施例を示す。第3,4図のバーナ
ーノズル30の素子の第1,2図のバーナーノズル10の素子
と同様の素子は同じ符号で示し説明しない。バーナーノ
ズル30は中央導管と第２の環状導管を修正し中央ガス通
路とスラリ通路とを変更し，更にノズルディフューザと
出口オリフィスを変更する。即ち，バーナーノズル30に
環状導管部31a,31bを形成して第１のセグメント32aと第
２のセグメント32bとを有する環状通路を形成する。セ
グメント32aの断面積はセグメント32bの断面積より著し
く大きい。入口15からのスラリ自由端は直接セグメント
32aに供給されてノズル10のガス管19を不要にし，ガス
自由流は直接通路4,6に流入する。このため通路セグメ
ント32a,32b内のスラリ流の分裂は著しく少なくなる。
所要に応じて，固定具34を設けて構造上の弱点を防ぐ。
バーナーノズル30にセラミックのノズルディフューザ33
を設け，縮小面9aを形成して通路セグメント32bからの
スラリ流を衝突させる。ディフューザ33は導管３によっ
て保持する。ディフューザ33を製造するための各種の既
知のセラミック材料があり，例えば高密度アルミニウム
耐火物がある。セラミックディフューザの使用は拡散面
を形成するだけでなく，リアクタの熱からノズルを絶縁
する。
前述した通り，微細に分割した固体の高濃度スラリを環
状ノズル例えばバーナーノズル10,30で処理する時の問
題点は，微細に分割した固体が液担体から分離してスラ
リ通路を閉塞することにある。これを避けて環状流通路
の全断面について均等な流れとするために，ノズル10に
分布室18を設け，ノズル30に組合せセグメント32a,32b
を設けてスラリ通路を形成する。両ノズル10,30におい
て，スラリ流の通路の上流室又はセグメントは下流セグ
メントより著しく大きな断面積を有する。好適な例で，
ノズル30に類似のノズルは金属管製とし中央ガス流通路
は直径3in（7.6cm）長さ16in（40.6cm）とし，スラリ通
路の第１のセグメントの環状断面の厚さは中央通路外方
に1.5in（3.8cm）長さ4in（10cm）とし，スラリ通路の
第２のセグメントの環状断面の厚さは約1/4in（0.6cm）
長さ12in（30.5cm）とする。
大きな上流室又はセグメント内のスラリ流は上流セグメ
ントが下流環状部に連結される点において上流セグメン
トの全環状部で略均等な圧力であり，スラリ流の環状流
路内の流れの変化は著しく減少する。更に，この連結点
での均等な環状圧力を維持するには，スラリ通路の上流
部を入口から下流に通路の環状部の連結部までの設計を
下流の出口ポートまでのスラリ通路の環状部で生ずる圧
力低下の約20％の圧力低下となるように定める。
スラリとガスの混合物の分散と霧化の所要の均等性を得
るためには，各通路内でのガスとスラリ流との好適な速
度は次の範囲内に維持する必要がある。中央軸線通路を
流れるガス流の出口排出速度は約75f/s（23m/s）から音
速とする。外側環状通路を通るガス流の出口速度は約75
f/s（23m/s）から音速とする。第2,中央環状通路を通る
スラリ流の出口速度は約1-50f/s（0.3m/s）とする。ス
ラリとガスの組合せ混合物のノズルの出口オリフィスか
らリアクタへの速度は約100f/s（30m/s）ないし音速と
する。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明によるバーナーノズルの一部の縦断面
図，第２図は第１図のA-A線に沿う横断面図，第３図は
本発明の他の実施例によるバーナーノズルの縦断面図，
第４図は第３図のB-B線に沿う横断面図である。 1,2,3……導管.4,5,6……通路.7a,7b,7c……壁.8a,8b,8
c……出口ポート.9……ディフューザ.10,30……バーナ
ーノズル.11……オリフィス.13,15,16……入口.32a,32b
……セグメント．
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ダグラス・ディー・マーリック アメリカ合衆国 ルイジアナ州 70817 バトン・ルージュ，セレスチアル・ドライ ブ 6538 (72)発明者 ウィリアム・ピー・ホワイト アメリカ合衆国 ルイジアナ州 70739 グリーンウェル・スプリングス，シェトラ ンド 15740

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】遊離酸素を含むガスを混合した液担体内の
    固体炭素質燃料のスラリを部分酸化させることによって
    水素及び一酸化炭素を含むガス混合物を製造する方法に
    おいて、 （ａ）遊離酸素を含む第１のガス流をバーナノズルの中
    央導管（１）により形成される第１の通路（４）内へ出
    口排出速度約23m/秒ないし音速で通し、バーナノズルに
    中央導管（１）を囲む離間した同心の第２及び第３の導
    管（２、３）を設け、中央導管及び第２の導管の間の第
    ２の環状通路（５）並びに第２及び第３の導管の間の第
    ３の環状通路（６）を形成し、第１、第２及び第３の通
    路（４、５、６）は、閉鎖された上流端部にガス流及び
    スラリ流の入口を備え、下流の排出ポート（8a、8b、8
    c）において開口し、 （ｂ）遊離酸素を含む第２のガス流を第３の環状通路
    （６）内へ出口排出速度約23m/秒ないし速度で通し、第
    ２の環状通路（５）を通るスラリ流の出口排出速度を約
    0.3〜15m/秒とし、 （ｃ）スラリ流をディフューザ（９、33）の縮小面（9
    a）に衝突させ、スラリ流の縮小面への衝撃並びに第１
    及び第２のガス流の剪断作用によりスラリ流と第１及び
    第２のガス流とを混合させ、微細に分割された固体炭素
    質燃料、液担体及び遊離酸素を含むガスが均等に分散し
    霧化した混合物を形成し、 （ｄ）上記混合物を細長い出口オリフィス（11）へ約30
    m/秒ないし音速に加速された速度で通し混合物をリアク
    タに入る前に更に霧化し、 （ｅ）前記混合物をリアクタ内で反応させて水素及び一
    酸化炭素を含む部分酸化されたガス混合物を形成するこ
    とを特徴とするガス混合物の製造方法。
  2. 【請求項２】前記ディフューザ（９）は、出口オリフィ
    ス（11）に連結される第３の導管（３）の連続縮小部で
    あることを特徴とする第１項に記載のガス混合物の製造
    方法。
  3. 【請求項３】前記ディフューザ（33）は、第３の導管
    （３）により保持され出口オリフィス（11）を有する別
    個のプラグであることを特徴とする第１項に記載のガス
    混合物の製造方法。
  4. 【請求項４】前記第２の通路（５）は、細長い環状の第
    １のセグメント（32a）及び細長い環状の第２のセグメ
    ント（32b）を有し、第１のセグメント（32a）は、スラ
    リの入口から延長して縮小して第２のセグメントへ入
    り、第２のセグメントは、出口ポート（8b）へ伸長し、
    第１のセグメントの断面積は、第２のセグメントの断面
    積より著しく大とし、第１のセグメント内のスラリ流の
    圧力は、第１のセグメントが縮小して第２のセグメント
    に連結する点で第１のセグメントの環状部全体について
    ほぼ均等となることを特徴とする第１項ないし第３項の
    いずれか１項に記載のガス混合物の製造方法。
  5. 【請求項５】スラリ流の入口から第１のセグメント（32
    a）が第２のセグメント（32b）に連結する点までのスラ
    リ流の圧力低下は、前記連結する点から第２のセグメン
    トの排出ポート（8b）までの圧力低下の20％以下とする
    ことを特徴とする第４項に記載のガス混合物の製造方
    法。
  6. 【請求項６】遊離酸素を含むガスを混合した液担体内の
    固体炭素質燃料のスラリを部分酸化させることによって
    水素及び一酸化炭素を含むガス混合物を製造する工程に
    おいて使用するバーナノズル（10）において、 遊離酸素を含むガス流を輸送する第１の通路（４）を形
    成する中央導管（１）、中央導管との間にスラリ流の輸
    送のための環状の第２の通路（５）を形成する同心の第
    ２の導管（２）、及び第２の導管との間に遊離酸素を含
    むガス流を輸送する環状の第３の通路（６）を形成する
    同心の第３の導管（３）を備え、 第１、第２及び第３の通路（４、５、６）は、閉鎖した
    上流端部にガス流及びスラリ流の入口を備え、中央導
    管、第２及び第３の導管の末端により形成される下流排
    出ポート（8a、8b、8c）において開口し、ディフューザ
    （９）が、第３の導管（３）の末端付近に連結されると
    共にスラリ流を衝突させる縮小面（9a）を有し、細長い
    出口オリフィス（11）が縮小面に連結されスラリ及び遊
    離酸素を含むガスの混合物を加速された速度でリアクタ
    内へ輸送することを特徴とするバーナノズル。
  7. 【請求項７】前記ディフューザ（９）は、出口オリフィ
    ス（11）に連結される第３の導管（３）の連続する縮小
    部であることを特徴とする第６項に記載のバーナノズ
    ル。
  8. 【請求項８】遊離酸素を含むガスを混合した液担体内の
    固体炭素質燃料のスラリを部分酸化させることによって
    水素及び一酸化炭素を含むガス混合物を製造する工程に
    おいて使用するバーナノズル（30）において、 遊離酸素を含むガス流を輸送する第１の通路（４）を形
    成する中央導管（１）、中央導管との間にスラリ流の輸
    送のための環状の第２の通路（32a、32b）を形成する同
    心の第２の導管（31a、31b）、及び第２の導管との間に
    遊離酸素を含むガス流を輸送する環状の第３の通路
    （６）を形成する同心の第３の導管（３）を備え、 第１、第２及び第３の通路（４、32a、32b、６）は、閉
    鎖した上流端部にガス流及びスラリ流の入口を備え、中
    央導管、第２及び第３の導管の末端により形成される下
    流排出ポート（8a、8b、8c）において開口し、前記第２
    の通路は、環状の第１のセグメント（32a）及び環状の
    第２のセグメント（32b）を有し、第１のセグメント（3
    2a）は、スラリの入口（15）から延長して縮小して第２
    のセグメントへ入り、第２のセグメントは、中央導管及
    び第２の導管の末端により形成される出口ポート（8b）
    へ伸長し、第１のセグメント（32a）の断面積は、第２
    のセグメント（32b）の断面積より著しく大とし、第１
    のセグメント内のスラリ流の圧力は、第１のセグメント
    が縮小して第２のセグメントに連結する点で第１のセグ
    メントの環状部全体についてほぼ均等となり、ディフュ
    ーザ（33）が、第３の導管（３）の末端付近に連結され
    ると共にスラリ流を衝突させる縮小面（9a）を有し、細
    長い出口オリフィス（11）が縮小面に連結されスラリ及
    び遊離酸素を含むガスの混合物を加速された速度でリア
    クタ内へ輸送することを特徴とするバーナノズル。
  9. 【請求項９】前記ディフューザ（33）は、第３の導管
    （３）により保持され出口オリフィス（11）を有する別
    個のプラグであることを特徴とする第８項に記載のバー
    ナノズル。
  10. 【請求項１０】前記第１及び第２のセグメント（32a、3
    2b）の断面積は、スラリ流の入口（15）から第１のセグ
    メントが第２のセグメントに連結する点までのスラリ流
    の圧力低下が、前記連結する点から第２のセグメントの
    排出ポート（8b）までのスラリ流の圧力降下の20％以下
    であるように調整されることを特徴とする第８項又は第
    ９項に記載のバーナノズル。
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