JPH10273302A

JPH10273302A - 合成ガス製造装置

Info

Publication number: JPH10273302A
Application number: JP7744397A
Authority: JP
Inventors: Kohei Uchida; 浩平内田; Kaneshige Kubushiro; 兼成久布白; Yasushi Hiramatsu; 靖史平松
Original assignee: SEKIYU SANGYO KASSEIKA CENTER; Petroleum Energy Center PEC
Current assignee: SEKIYU SANGYO KASSEIKA CENTER; Japan Petroleum Energy Center JPEC
Priority date: 1997-03-28
Filing date: 1997-03-28
Publication date: 1998-10-13

Abstract

(57)【要約】【課題】炭化水素の水蒸気改質による一次改質部と部分
燃焼後に更に改質を行う二次改質部を有し、二次改質ガ
スを一次改質部の熱源に利用する合成ガス製造装置にお
いて、一次改質ガスとバーナー噴射ガスを均一に混合し
て部分酸化ガスを安定して得、合成ガスを効率よく製造
すること。【解決手段】部分酸化を行う燃焼室の中心軸より壁面方
向に傾斜して配置された複数のノズルから噴出する一次
改質ガスの流速（ＵＦ）と、一次改質ガスの複数個のノ
ズルの中心部に向けて対向する位置から噴射されるバー
ナー噴射ガスの流速（ＵＢ）の比（ＵＦ／ＵＢ) を0.１
〜1.０の範囲に設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、合成ガス製造装置
に関し、特にメタンや天然ガス等の炭化水素から合成ガ
スを製造する装置に関する。さらに詳しくは本発明は、
炭化水素の水蒸気改質による一次改質部を、酸素含有ガ
スにより部分酸化した後に、更に改質反応を行う二次改
質部を有し、二次改質ガスを一次改質ガスの熱源に利用
するガス改質装置（以下、このガス改質装置を「断熱リ
ホーマー」という）に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、合成ガス製造装置として、メタン
や天然ガス等の炭化水素に水蒸気を加えて改質反応を行
い、水素を主成分とするガス、アンモニアやメタノール
等の原料となる合成ガス、或いはオキソガスを製造する
ガス改質装置がある。

【０００３】このガス改質装置において、炭化水素を水
蒸気による一次改質を行い、酸素含有ガスまたはこれに
原料炭化水素の一部を混合したガスを一次改質ガスに加
えて部分燃焼（酸化）させた後、二次改質を行い、得ら
れた高温ガスを一次改質部の熱源に利用して合成ガスを
得るガス改質装置が、例えば、特開昭５９−１０７９０
１号、特開昭６０−１８６４０１号、特開昭６２−１９
７３０１号及び特開平５−３０６１０２号等の各公報に
記載されている。

【０００４】これらのガス改質装置では、ニッケル触媒
などの改質触媒を充填した反応管に炭化水素と水蒸気の
混合ガスを導入することにより一次改質が行われ、燃焼
室において一次改質ガスに、酸素含有ガスまたはこれに
原料炭化水素の一部を混合したガス (以下、「バーナー
噴射ガス」という) を混合して部分酸化を行い、部分酸
化によって発生した熱によって二次改質が行われ、得ら
れた高温ガスを一次改質の熱源として利用している。

【０００５】一次改質ガスとそれを部分燃焼させるバー
ナー噴射ガスの燃焼室でのガス混合方式は、例えば、特
開昭５９−１０７９０１号公報に示す方式では、燃焼室
内の空間に垂直方向に対向配置した一次改質反応管から
の一次改質ガスと、バーナーより噴射したガスを直接に
衝突させることによって混合させ、改質反応後の合成ガ
スを一次改質反応管の周囲に導入している。

【０００６】また、特開昭６０−１８６４０１号公報に
は、一次改質ガスを燃焼室の中央部に垂直方向に噴出
し、バーナー噴射ガスをその一次改質ガスの流れに対向
衝突させ、渦流混合下での部分燃焼を行い、二次改質を
行うために触媒層に通過させた後、一次改質反応管の周
囲に導入して一次改質に必要な熱を供給することが記載
されている。

【０００７】特開昭６２−１９７３０１号公報では、燃
焼室内の空間に垂直方向に配置した一次改質反応管から
の一次改質ガスと水平方向から噴出されるバーナー噴射
ガスの渦流混合状態下で部分燃焼を進め、得られた高温
ガスを二重管式一次改質反応管の内管と外管の空隙に導
入する方法が開示されている。

【０００８】更に、特開平５−３０６１０２号公報に
は、一次改質反応管からの一次改質ガスを中心軸から燃
焼室壁方向に傾けて導入し、バーナー噴射ガスを一次改
質ガスの噴射ノズルに向けて燃焼室の中心軸方向に噴射
させ、渦流混合状態下で部分燃焼を行い、二次改質を行
うために触媒層に通過させた後、一次改質反応管の周囲
に導入して一次改質に必要な熱を供給するガス改質装置
において、安定した火炎と良好な混合状態を得る領域を
圧力因子Ｐおよび運動量因子Ｍにより規定することが記
載されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記の合成ガス製造装
置の燃焼室では、一次改質ガスとバーナー噴射ガスを向
流に流すことにより、混合性を向上させているが、一次
改質ガスとバーナー噴射ガスを均一に混合させること
と、その混合位置が重要である。すなわち、混合位置に
火炎が発生することから、バーナーや燃焼室壁面の近く
に火炎が形成されるとバーナーや燃焼室壁面を損傷する
と共に安定な燃焼が困難となる。

【００１０】本発明の目的は、炭化水素の一次改質ガス
を部分燃焼させた後に二次改質を行い、得られたガスを
一次改質の熱源に使用する合成ガス製造装置において、
一次改質ガスを部分燃焼するに際して、燃焼室内を損傷
することなく、一次改質ガスとバーナー噴射ガスを安定
して均一な混合状態にし、効率的に合成ガスを製造する
装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者らは上記のよう
な課題を有する合成ガス製造装置について鋭意検討した
結果、一次改質ガス流速とバーナー噴射ガス流速の比な
どを適切に規定することにより、燃焼室内を損傷するこ
となく、一次改質ガスとバーナー噴射ガスが安定して均
一な混合状態になり、合成ガスを効率的に製造できるこ
とを見出した。本発明はかかる知見に基いて完成したも
のである。

【００１２】すなわち本発明は、原料炭化水素を水蒸気
で改質した一次改質ガスを、酸素含有ガスまたはこれに
原料炭化水素の一部を混合したガスからなるバーナー噴
射ガスにより部分酸化した後、二次改質反応を行い、得
られた生成ガスを一次改質部の熱源に利用する合成ガス
製造装置において、部分酸化を行う燃焼室の中心軸より
壁面方向に傾斜して配置された複数個のノズルから噴出
する一次改質ガスの流速（ＵＦ）と、一次改質ガスの複
数個のノズルの中心部に向けて対向する位置から噴射さ
れるバーナー噴射ガスの流速（ＵＢ）の比（ＵＦ／Ｕ
Ｂ) が0.１〜1.０の範囲であることを特徴とする合成ガ
ス製造装置を提供するものである。

【００１３】また、上記合成ガス製造装置において、好
ましくは、燃焼室の一次改質ガス噴射ノズルからバーナ
ー噴射ガスノズルまでの距離（Ｌ）と燃焼室内径（Ｄ）
の比（Ｌ／Ｄ）の範囲が、1.０〜2.５である。更に、上
記合成ガス製造装置において、好ましくは、燃焼室壁面
方向に噴出する一次改質ガスとバーナー噴射ガスの噴射
方向の角度が１０〜２５°の範囲である。更には、上記
合成ガス製造装置において、好ましくは、燃焼室壁面方
向に噴出する一次改質ガスのノズルが３〜８本である。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の合成ガス製造装置におい
て、炭化水素としてはメタンや天然ガス等の軽質炭化水
素が用いられ、酸素含有ガスとしては合成ガスの用途に
よって純酸素や空気が用いられる。水蒸気による一次改
質および二次改質においては、通常ニッケル触媒が用い
られるが、そのほか合成ガスの製造触媒として用いられ
る各種の触媒を用いることができる。また、反応温度は
各種の条件によって適宜選定すればよいが、通常は７０
０〜１５００℃である。反応圧力についても、適宜選定
すればよいが、通常は２０〜１５０ｋｇ／ｃｍ²Ｇであ
り、本発明の合成ガス製造装置は一次改質反応管内外の
圧力差が小さいことから、合成ガスの用途に合わせた任
意の圧力で設計・運転を行うことができる。

【００１５】本発明の合成ガス製造装置として示す断熱
リホーマーの構造の一例を図１に示す。図１の断熱リホ
ーマー１は、ニッケル触媒などの改質触媒３を充填した
多数の反応管２からなる一次改質部４と、この一次改質
部４で原料である炭化水素（天然ガス）を水蒸気で改質
した一次改質ガスを燃焼室８へ供給する一次改質ガス供
給管５と、該一次改質ガス供給管５の周囲の空間に充填
された触媒層６からなる二次改質部７と、この二次改質
部７を通過して得られた高温の合成ガスを前述の一次改
質部４を構成する反応管２の周囲を通過させて系外ヘ流
出させる流路１１と、底部の燃焼室８とから構成されて
いる。該燃焼室８の上部には複数個の一次改質ガス噴射
ノズル１０が、下部にはバーナー噴射ガスノズル９が設
置されている。８Ｗは燃焼室８の壁面を示している。

【００１６】図２は断熱リホーマー１（図１参照）燃焼
室８における一次改質ガスとバーナー噴射ガス（酸素ガ
ス＋原料炭化水素の一部）の流動状況を示したものであ
る。一次改質ガスとバーナー噴射ガスが衝突して混合す
ることにより火炎が発生するが、その衝突（混合）位置
は、一次改質ガスおよびバーナー噴射ガスの流速、一次
改質ガス噴射角度および燃焼室の形状などにより変動す
る。

【００１７】本発明の合成ガス製造装置において、一次
改質ガスとバーナー噴射ガスを安定して均一な混合を得
るためには、一次改質ガス噴射ノズル１０は燃焼室８の
中心軸Ｏより壁面８Ｗ方向に傾斜している複数個のノズ
ルとし、その複数個の一次改質ガス噴射ノズル１０の中
心部に対向する位置から前記バーナー噴射ガスノズル９
によりバーナー噴射ガスを噴射するようにし、前記複数
個のノズル１０から噴出する一次改質ガスの流速（Ｕ
Ｆ）とバーナー噴射ガスの流速（ＵＢ）の比（ＵＦ／Ｕ
Ｂ) を0.１〜1.０、好ましくは0.２〜0.７の範囲とす
る。

【００１８】一次改質ガスの流速（ＵＦ）とバーナー噴
射ガスの流速（ＵＢ）の比（ＵＦ／ＵＢ) が大きすぎる
場合には、バーナー噴射ノズル９の近傍で一次改質ガス
とバーナー噴射ガスが混合され、高温の火炎がバーナー
噴射ノズル９の近くに形成されることから、バーナー噴
射ノズル９および該ノズル近くの燃焼室壁面を損傷する
おそれがある。

【００１９】一次改質ガスの流速（ＵＦ）とバーナー噴
射ガスの流速（ＵＢ）の比（ＵＦ／ＵＢ) が小さすぎる
場合には、火炎は一次改質ガス噴射ノズル１０の近くに
位置し、一次改質ガス噴射ノズル１０および該ノズル近
くの燃焼室壁面を損傷するおそれがある。また図１のよ
うに燃焼室８の上部に二次改質触媒層６を有する場合に
は、二次改質触媒の支持床を損傷し、二次改質触媒の落
下等のおそれもある。

【００２０】燃焼室８の一次改質ガス噴射ノズル１０か
らバーナー噴射ガスノズル９までの距離Ｌと燃焼室８の
内径Ｄの比（Ｌ／Ｄ）は1.０〜2.５、好ましくは1.５〜
2.０の範囲である。本発明者らの実験によれば、Ｌ／Ｄ
を小さくすることにより、火炎と燃焼室壁面８Ｗとの距
離は大きくなるが、Ｌ／Ｄを必要以上に小さくするとバ
ーナー噴射ガスの混合位置が一次改質ガス噴射ノズル１
０に接近し、一次改質ガス噴射ノズル１０及び該ノズル
近くの燃焼室壁面を損傷することになる。一方、Ｌ／Ｄ
が大きすぎると火炎が不安定となって燃焼室壁面に接触
するおそれが大きくなる。

【００２１】また、燃焼室壁面８Ｗ方向に噴出する一次
改質ガスとバーナー噴射ガスの噴射方向の角度は１０〜
２５°、好ましくは１４〜１８°の範囲である。燃焼室
壁面８Ｗ方向に噴出する一次改質ガスとバーナー噴射ガ
スの噴射方向の角度が小さすぎる場合には、一次改質ガ
ス流とバーナー噴射ガス流が相互に干渉し、時折バーナ
ー噴射ガス流を壁面８Ｗ方向に押し曲げる現象が確認さ
れた。また、一次改質ガスとバーナー噴射ガスの噴射方
向の角度が大きすぎる場合には火炎の安定性が低下す
る。

【００２２】一次改質ガスとバーナー噴射ガスの混合を
好適な位置で安定して混合するためには、一次改質ガス
噴射ノズル１０を複数個とし、燃焼室８の中心軸Ｏより
壁面８Ｗ方向に上記の如く傾斜して配置して噴出させる
必要がある。この一次改質ガス噴射ノズル１０は３〜８
本、好ましくは３〜５本である。ノズルの本数が少なす
ぎる場合には一次改質ガスとバーナー噴射ガスの均一な
混合が困難であり、燃焼室８を相当大きくしなければ、
燃焼室のバーナー噴射ガス側や壁面８Ｗ方向に火炎が接
触するおそれがある。ノズルの本数を大きくするに従
い、火炎が一次改質ガス噴出ノズル１０に到達する割合
が大きくなる傾向がみられ、一次改質ガス噴出ノズル１
０および該ノズル近くの燃焼室壁面を損傷するおそれが
あり、また、燃焼室の上部に二次改質触媒層６を有する
場合には、二次改質触媒の支持床を損傷し、二次改質触
媒の落下等のおそれもある。

【００２３】バーナー噴射ガス流速は、合成ガス製造装
置の能力により異なるが、通常は２５〜２５０ｍ／ｓｅ
ｃ、好ましくは５０〜１５０ｍ／ｓｅｃである。前述の
一次改質ガス流速とバーナー噴射ガス流速の比において
バーナー噴射ガス流速を前記の範囲とすれば、一次改質
ガスとバーナー噴射ガスの混合が促進されるとともに、
燃焼室中央付近に火炎を形成することができる。従っ
て、火炎が揺らいだ場合においても、燃焼室壁面８Ｗが
直接火炎に曝される危険は小さくなる。

【００２４】燃焼室８の形状、一次改質ガス噴射ノズル
１０の個数と角度が定まっている場合、火炎の安定性は
一次改質ガスとバーナー噴射ガスの運動量の比に影響さ
れる。本発明の合成ガス製造装置では、一次改質ガスは
炭化水素を水蒸気改質したガスであり、バーナー噴射ガ
スは酸素ガス或は空気が用いられることから、両者のガ
ス密度比は反応条件等により多少の差はあるもののほぼ
一定とみなすことができる。従って、一次改質ガス流速
とバーナー噴射ガス流速の比を規定することにより、火
炎の安定性も向上させることができる。これにより本発
明の合成ガス製造装置は燃焼室８内を損傷することな
く、一次改質ガスとバーナー噴射ガスを安定して均一な
混合状態に保つことができる。

【００２５】

【実施例】次に、本発明を実施例により更に詳しく説明
するが、本発明はこれらの実施例によってなんら制限さ
れるものではない。実施例１〜１２図１および図２に示す断熱リホーマーを用いて、燃焼室
８の一次改質ガス噴射ノズル１０からバーナー噴射ガス
ノズル９までの距離Ｌと燃焼室８の内径Ｄの比（Ｌ／
Ｄ）、一次改質ガス噴射ノズル１０の本数（ｎ）、ノズ
ルから噴出する一次改質ガスの流速（ＵＦ）と一次改質
ガスのノズルに向けて対向する位置から噴射されるバー
ナー噴射ガスの流速（ＵＢ）の比（ＵＦ／ＵＢ）、燃焼
室壁面８Ｗ方向に噴出する一次改質ガスとバーナー噴射
ガスの噴射方向の角度（θ）、をそれぞれ変えて、一次
改質ガスとバーナー噴射ガスの混合性および火炎の安定
性を観察した。混合性および火炎安定性の観察結果を表
１に示す。

【００２６】

【表１】

【００２７】Ｄ＝燃焼室内径Ｌ＝一次改質ガス噴射ノズル１０からバーナー噴射ガス
ノズル９までの距離ｎ＝一次改質ガス噴射ノズル１０の数ＵＦ＝一次改質ガスの流速ＵＢ＝バーナー噴射ガスの流速 θ＝一次改質ガスとバーナー噴射ガスの噴射方向の角度混合性：良好 △：火炎が伸び、一次改質ガス噴射ノズルに接触するお
それあり。安定性：良好 △：やや不安定であり、火炎が壁面に接触するおそれあ
り。なお、燃焼室の形状（Ｌ／Ｄ）を変えたときの時間的平
均濃度分布による比較図を図３に示す。

【００２８】表１の観察結果からも明らかなように、一
次改質ガス流速とバーナー噴射ガス流速の比、一次改質
ガス噴射ノズルからバーナー噴射ガスノズルまでの距離
と燃焼室内径の比、一次改質ガス噴射ノズルの数および
角度が適切な範囲になるように限定することにより、混
合性および火炎の安定性は良好となる。

【００２９】

【発明の効果】本発明の合成ガス製造装置によれば次の
特徴がある。本発明により一次改質ガス流速とバーナー
噴射ガス流速の比を限定することにより、火炎は一次改
質ガス噴射ノズルとバーナー噴射ガスノズルの中央付近
に形成される。また、一次改質ガス噴射ノズルからバー
ナー噴射ガスノズルまでの距離と燃焼室の内径の比を限
定することにより、安定した火炎が得られ、燃焼室壁面
温度を低く保つことができる。従って、一次改質反応管
からの一次改質ガスを中心軸から燃焼室壁面方向に傾け
て導入し、バーナー噴射ガスを一次改質ガスの噴射ノズ
ルに向けて燃焼室の中心軸方向に噴射させる断熱リホー
マーにおいて、燃焼室内を損傷することなく運転するこ
とができる。

【００３０】また、本発明により、一次改質ガス流速と
バーナー噴射ガス流速の比、燃焼室の形状、一次改質ガ
ス噴射ノズルの数および角度が適切な範囲になるような
合成ガス製造装置の設計寸法を選定すれば、処理量が異
なったケースにおいても、火炎の安定性およびガス混合
性に優れた燃焼室の設計が可能となる。

【００３１】断熱リホーマーはエネルギー効率が高く、
高圧化が可能であることから、超大型メタノール製造装
置や水素製造装置への採用が検討されているが、本発明
により局部的な温度上昇がなく、安定して効率よく改質
反応を完了させることができるようになることから、本
発明の工業的意義は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の合成ガス製造装置（断熱リホーマー）
の概略断面図。

【図２】断熱リホーマーの燃焼室における一次改質ガス
とバーナー噴射ガス（酸素ガス＋原料炭化水素の一部）
の流動状況を示すガス流方向図。

【図３】燃焼室の形状を変えたときの時間的平均濃度分
布による比較図。

【符号の説明】

１断熱リホーマー２反応管３改質触媒４一次改質部５一次改質ガス供給部６二次改質触媒層７二次改質部８燃焼室８Ｗ壁面９バーナー噴射ガスノズル１０一次改質ガス噴射ノズルＯ燃焼室の中心軸Ｄ燃焼室の内径Ｌ一次改質ガス噴射ノズルからバーナー噴射ガスノ
ズルまでの距離 θ 一次改質ガス噴射角度

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】原料炭化水素を水蒸気で改質した一次改
質ガスを、酸素含有ガスまたはこれに原料炭化水素の一
部を混合したガスからなるバーナー噴射ガスにより部分
酸化した後、二次改質反応を行い、得られた生成ガスを
一次改質部の熱源に利用する合成ガス製造装置におい
て、部分酸化を行う燃焼室の中心軸より壁面方向に傾斜
して配置された複数個のノズルから噴出する一次改質ガ
スの流速（ＵＦ）と、一次改質ガスの複数個のノズルの
中心部に向けて対向する位置から噴射されるバーナー噴
射ガスの流速（ＵＢ）の比（ＵＦ／ＵＢ) が0.１〜1.０
の範囲であることを特徴とする合成ガス製造装置。
【請求項２】燃焼室の一次改質ガス噴射ノズルからバ
ーナー噴射ガスノズルまでの距離（Ｌ）と燃焼室内径
（Ｄ）の比（Ｌ／Ｄ）の範囲が、1.０〜2.５であること
を特徴とする請求項１記載の合成ガス製造装置。
【請求項３】燃焼室壁面方向に噴出する一次改質ガス
とバーナー噴射ガスの噴射方向の角度が、１０〜２５°
の範囲であることを特徴とする請求項２記載の合成ガス
製造装置。
【請求項４】燃焼室壁面方向に噴出する一次改質ガス
のノズルが、３〜８本であることを特徴とする請求項３
記載の合成ガス製造装置。