JPS61259016A - 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

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】 主業上又且里公立 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。

従来坐技血 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９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４３６４７
４４号、　４４４３２３０号に記載される。

日（ｎ°゛　　。占 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２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１本発明は遊１＠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
−３５００’　Ｆ　（９２７−１９２７°Ｃ）であり、
圧力は大気圧ないし３５００ｐｓ　ｉ　（０、１−２４
ＭＰａ）である。このガスを製造する方法とりアクタと
は米国特許２７１６５９８号、　３６０７１５６号、３
６０７１５７号に記載される。製造された生ガスは副産
物ガス、例えば窒素、二酸化炭素硫化水素及び粒子を含
み１通宝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。

口　占　　“１−るための 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７５
ｆ／ｓ　（２３ｍ／ｓ）ないし音速で通らせ、バーナー
ノズルに中央導管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　（２３ｎ＋／ｓ）ないし
音速で通らせ、第２の環状通路を通るスラリ流の出口排
出速度は約１−５０ｆ／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
速度的１００ｆ／５（３０ｓ八）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
管の末端によって形成する下流排出ポートで開口させ；
第３の導管の端部付近に連結したノズルディフューザを
備え、中央通路筒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　　　　
　　　　１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か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２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９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実
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。

１１皿 本発明を例示とした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１−４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ｌＯ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０通路４．５．６は上流端を壁
部７ａ、　７ｂ、　７ｃによって閉鎖し、入口１５．１
６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０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を設置 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の受ける悪い環境則ち。

高温度、化学的浸食１機械的摩耗のため、好適な例でデ
ィフューザ９を高耐蝕性５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１１
ａを冷却する。ノズル１０のオリフィス１１は円筒形と
し拡張又は縮小する壁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クシ、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。則ち、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ｌ−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からのスラリ自由流は直接セグメント３２ａに供給
されてノズルｌＯ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３２
ｂ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１例えば高密度
アルミニウム耐火物がある。

セラミ７クデイフユ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
）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等の設計としたノズルは金属管
型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
（０，６ｃ　ｌ１１）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
メントの全環状部で通路の上流セグメント下流環状部に
連結される点ま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２０２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。中実軸線通路を
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７５ｆ／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（０，３−１５ｍ／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りア
クタへの速度は約１００ｆ／５（３０ｍ八）ないし音速
とする。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　１

【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線に沿う横断面図面の浄書（
内容に変更なし） 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、　８ｃ、　、出口ポート、９０．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。 ＦＩＧ、１ ＦＩＧ、３

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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７５
   ｆ／ｓ（２３ｍ／ｓ）ないし音速で通らせ、バーナノズ
   ルに中央導管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
   で通らせ、第２の環状通路を通るスラリ流の出口排出速
   度は約１−５０ｆ／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ー流と第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）上記混合物を細長い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ことを特徴
   とするガス混合物の製造方法。 ２、前記ディフューザは出口オリフィスに連結した第３
   の導管の連続縮小部とすることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項に記載のガス混合物の製造方法。 ３、前記ディフューザは第３の導管によって保持され貫
   通出口オリフィスを有する別のプラグとすることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項に記載のガス混合物の製造
   方法。 ４、前記第２の通路が第１の延長したセグメントと第２
   の環状の延長したセグメントとを有し、第１の延長した
   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のセグメントは出口ポートに
   延長し、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特許請求の範囲第
   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、スラリ供給入口から第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は上記連
   結点から第２のセグメントの排出ポートまでの圧力低下
   の２０％以下とすることを特徴とする特許請求の範囲第
   ４項に記載のガス混合物の製造方法。 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の導管の末端によって形成する下
   流排出ポートで開口させ；第３の導管の端部付近に連結
   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
   リ流の圧力は縮小して第２のセグメントに連結する点ま
   で第１のセグメントの環状部全体にほぼ均等となること
   を特徴とするバーナーノズル。 ７、前記ディフューザは出口オリフィスに連結した第３
   の導管の連続縮小部とすることを特徴とする特許請求の
   範囲第６項に記載のバーナーノズル。 ８、前記ディフューザは第３の導管によって保持され貫
   通出口オリフィスを有する別のプラグとすることを特徴
   とする特許請求の範囲第６項に記載のバーナーノズル。 ９、担体液内に高濃度の微細に分割した固体を有するス
   ラリにガスを混合するための閉塞しないノズルにおいて
   、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設け中央
   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縮小して第２のセグメントに連
   結する点まで第１のセグメントの環状部全体にほぼ均等
   となることを特徴とする閉塞に抵抗するノズル。 １０、前記第１第２のセグメントの断面積の比例はスラ
   リ供給入口から第１のセグメントが第２のセグメントに
   連結する点までの圧力降下が上記連結部から第２のセグ
   メントの排出ポートまでの圧力降下の２０％以下とする
   ことを特徴とする特許請求の範囲第６項ないし第９項の
   いずれか１項に記載のバーナーノズル。