JPS60226596A - 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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JPS60226596A JP60069885A JP6988585A JPS60226596A JP S60226596 A JPS60226596 A JP S60226596A JP 60069885 A JP60069885 A JP 60069885A JP 6988585 A JP6988585 A JP 6988585A JP S60226596 A JPS60226596 A JP S60226596A
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本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
、および水蒸気および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、−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。
しかしながら、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ｔ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熱性合金だけか
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、亀裂の形成が生しやすい。したかって
、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か伴なう。
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Ｉ］２か
らなるガス混合物を高炉の反応ガスのフラクションから
ガス発生装置で生成しており、その反応ガスは固体還元
体ならびに酸化体からＣ０２およびＨ，Ｏとして放出さ
れる。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、加熱したカス内に吹
込む。
固体還元体の灰分は発生装置の底部に集め、抜取る。
この還元カ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３
１０４２８１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、かっ、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
を、羽目を介して溶鉱炉の炉床内に送ることにより製造
する熱還元ガス導入用装置が記載されており、この装置
はその正面において羽目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、羽目お
よび熱風供給装置の両方に向って開いており、互いに１
２０°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。最も具体的に記載された装置は高
炉の熱風を特に高温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熱還元ガスの供給が提案されており
、還元ガスは、とりわけ、高炉の羽目の内部に好ましく
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。
発明の詳細 な説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（ｐｌａ−ｓｍａ　ｊｅｔＸプラズ
マアーク）を形成させることによりて達成される。
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　、ｊ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＋ＣＯ２≠　２ＣＯ＋２Ｈ２（１）ＣＨ，＋Ｈ２
Ｏｒ　ＧＯ＋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＋　００２≠２ＧＯ（３） Ｃ＋Ｈ２０≠ＣＯ＋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し、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カスだけが、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
撹拌がその細長いプラズマジェットとの接触の間に生し
、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ノ
エソト形成プラズマガスに対し向流て導入する。
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
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て
吹込むこともでき、したがってそれらはノヤケットのよ
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、酸素、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せ
ることができる。各ガスは種々の電位の傾き（Ｅ＝ｔＪ
−ｃｍ−’）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
測定した全体にわたる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。
したがって、プラズマガスとしてアルゴンおよび約８０
０Ｖ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、非常に高い全体にわたる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、該プラズマガスがプラズマジェットを形成する
のと同様に、該供給流体を用い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ＣＯ７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外殻２によ
って囲まれる細長い反応室ｌ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ｌ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。ずなイっち、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ｌ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は二重外殻２の低部域に備えら
れた連結晶ｌＯを通って流れ、該二重外殻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ｌを
示す。この環状電極■２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Ｉ３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ｌ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ｌ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、該電極を強調するためにその
模式図では比較例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）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。 笥 図面中、主な符号はつぎのちのを意味する。 ｌ・・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。 特許出願人　ホエストーアルビン・アクチェンゲゼルシ
ャフト 代理人　弁理士前　山　葆　ほか１名

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. （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、とくに還元カスを製造するにあたり、これらの
    出発物質をいわゆる供給流体（供給ガス）として細長い
    反応室内に導入することおよび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−り）を形成さ
    せることを特徴とする合成ガスの製法。
  2. （２）該供給流体をプラズマジェット形成プラズマカス
    に対し向へで導入することを特徴とする前記第（１）項
    記載の方法。
  3. （３）該供給流体を、環状電極の中央に通じている供給
    ダクトを通して実質的にシリンダー状のプラズマジェッ
    トの内部域に、該プラズマジェット形成ガスに対し併流
    で供給することを特徴とする前記第（＋）項の方法。
  4. （４）希カス、酸素、水素、二酸化炭素またはこれらガ
    スの２つ以上の混合物をプラズマジェット形成用のプラ
    ズマガスとして用いることを特徴とする前記第（１）項
    〜第（３）項のいずれかに記載の方法。
  5. （５）供給流体自体をプラズマガス形成用のプラズマガ
    スとして用いることを特徴とする前記第（１）項〜第（
    ３）項のいずれかに記載の方法。
  6. （６）耐熱性を有するようにライニングを施したか、ま
    たは冷却した反応容器（１）を含む装置であって、該反
    応容器（１）が一端にプラズマ電極（カソードＸ３．＋
    ２）を、他端に対向電極（アノード）（６）を有する細
    長い反応室（１）として設計されており、かつ、該プラ
    ズマ電極を含んでいるその端部域に供給流体用の供給ダ
    ク）（７，１３，１５゜１６）および合成または還元ガ
    ス用排出用ダクト（８）を備えていることを特徴とする
    前記第（１）項〜第（５）項のいずれかに記載の方法を
    行なうための装置。
  7. （７）該プラズマ電極が環状電極（１２）として設計さ
    れ、該供給流体用の供給ダクト（１３）が電極（１２）
    の中央に通じていることを特徴とする前記第（６）項の
    装置。
  8. （８）該供給流体用の供給ダクト（１５）がプラズマ電
    極（３）の周囲を環状に囲んでいることを特徴とする前
    記第（６）項の装置。
  9. （９）該反応室（１）の直径が該供給流体の向流を誘導
    できるはとに電極（３，６）の直径よりもわずかに大き
    いことを特徴とする前記第（６）項の装置。
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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JPS60226596A true JPS60226596A (ja) 1985-11-11
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US (1) US4606799A (ja)
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JP (1) JPH0676586B2 (ja)
AT (1) AT384007B (ja)
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