JP2003013072A - 低級炭化水素ガスから合成ガスを製造する方法とその装置 - Google Patents
低級炭化水素ガスから合成ガスを製造する方法とその装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ＡＴＲ法による合成ガスの製造に際して、反
応器内の部分酸化領域で原料ガスと酸化ガスとが良好に
混合され、均一な部分酸化反応が進行して煤の生成や過
酸化によるホットスポットの発生が抑えられ、長時間の
安定運転が可能であるような方法、およびそのための装
置を提供する。 【解決手段】 低級炭化水素ガスと酸化ガスとを別々に
噴出して混合させる上部領域と、混合した低級炭化水素
ガスと酸化ガスとによる部分酸化反応を行わせる中部領
域と、触媒の存在下にスチームリフォーミング反応を行
わせる下部領域からなり、該上部領域は上記２種のガス
を該中部領域に向かって噴出する複数の同心二重管ノズ
ルからなるバーナーを有するＡＴＲ反応器を用い、該内
側のノズルから噴出される酸化ガスの流速Ｕ１を１００
〜３００ｍ／秒の範囲とし、かつ該外側のノズルから噴
出される低級炭化水素ガスの流速Ｕ２と該酸化ガスの流
速Ｕ１との流速比Ｕ２／Ｕ１を０．１５〜０．５０の範
囲とする方法。
応器内の部分酸化領域で原料ガスと酸化ガスとが良好に
混合され、均一な部分酸化反応が進行して煤の生成や過
酸化によるホットスポットの発生が抑えられ、長時間の
安定運転が可能であるような方法、およびそのための装
置を提供する。 【解決手段】 低級炭化水素ガスと酸化ガスとを別々に
噴出して混合させる上部領域と、混合した低級炭化水素
ガスと酸化ガスとによる部分酸化反応を行わせる中部領
域と、触媒の存在下にスチームリフォーミング反応を行
わせる下部領域からなり、該上部領域は上記２種のガス
を該中部領域に向かって噴出する複数の同心二重管ノズ
ルからなるバーナーを有するＡＴＲ反応器を用い、該内
側のノズルから噴出される酸化ガスの流速Ｕ１を１００
〜３００ｍ／秒の範囲とし、かつ該外側のノズルから噴
出される低級炭化水素ガスの流速Ｕ２と該酸化ガスの流
速Ｕ１との流速比Ｕ２／Ｕ１を０．１５〜０．５０の範
囲とする方法。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、メタンや天然ガス
などの低級炭化水素ガスの部分酸化反応とスチームリフ
ォーミング反応を組み合わせたオートサーマルリフォー
ミング（ＡＴＲ）により一酸化炭素（ＣＯ）と水素（Ｈ
２）を含む合成ガスを製造する方法および装置に関す
る。
などの低級炭化水素ガスの部分酸化反応とスチームリフ
ォーミング反応を組み合わせたオートサーマルリフォー
ミング（ＡＴＲ）により一酸化炭素（ＣＯ）と水素（Ｈ
２）を含む合成ガスを製造する方法および装置に関す
る。
【０００２】特に、本発明は、平面上に配列された複数
の同心二重管ノズルからなるバーナーを有するオートサ
ーマルリフォーミング反応器を用い、それらの同心二重
管ノズルから酸素を含有する酸化ガスと上記低級炭化水
素ガスとをその反応器の部分酸化領域に噴出して混合さ
せることにより低級炭化水素ガスを部分酸化し、その部
分酸化反応の生成物をさらに触媒層を通してスチームリ
フォーミングすることにより合成ガスを製造する方法、
およびそのために用いる上記ＡＴＲ反応器に関する。
の同心二重管ノズルからなるバーナーを有するオートサ
ーマルリフォーミング反応器を用い、それらの同心二重
管ノズルから酸素を含有する酸化ガスと上記低級炭化水
素ガスとをその反応器の部分酸化領域に噴出して混合さ
せることにより低級炭化水素ガスを部分酸化し、その部
分酸化反応の生成物をさらに触媒層を通してスチームリ
フォーミングすることにより合成ガスを製造する方法、
およびそのために用いる上記ＡＴＲ反応器に関する。
【０００３】
【従来の技術】オートサーマルリフォーミング（ＡＴ
Ｒ）法により、メタンや天然ガスなどの低級炭化水素ガ
スから、水素を主成分とするガスや、アンモニア、メタ
ノールおよびＦＴ合成の原料となる合成ガス、あるいは
オキソガスを製造できることは、従来より広く知られて
いる。ＡＴＲ法とは、１つの反応器の中で部分酸化（部
分燃焼）反応とスチームリフォーミング反応の両反応を
逐次的に起こさせることにより、部分酸化反応（発熱反
応）で発生する反応熱を吸熱反応であるスチームリフォ
ーミング反応に利用することを特徴とするガスの改質
（リフォーミング）法である。
Ｒ）法により、メタンや天然ガスなどの低級炭化水素ガ
スから、水素を主成分とするガスや、アンモニア、メタ
ノールおよびＦＴ合成の原料となる合成ガス、あるいは
オキソガスを製造できることは、従来より広く知られて
いる。ＡＴＲ法とは、１つの反応器の中で部分酸化（部
分燃焼）反応とスチームリフォーミング反応の両反応を
逐次的に起こさせることにより、部分酸化反応（発熱反
応）で発生する反応熱を吸熱反応であるスチームリフォ
ーミング反応に利用することを特徴とするガスの改質
（リフォーミング）法である。
【０００４】たとえば、図１（HYDROCARBON PROCESSIN
G, vol.79, no.3, p.100-Cに掲載された図に基づいて作
成）に示す反応器を用いたＡＴＲ法で、低級炭化水素ガ
スとしてメタンを原料にする場合には、反応器１０１内
に設けられた部分酸化領域１０２で、代表的には下記式
（２）に示される化学量論比以下の酸素を用いた火炎反
応によりメタンの一部を部分燃焼させ、引き続いて部分
的に酸化された反応生成ガスを反応器下部に設置された
固定床の改質触媒層１０３を通過させることにより、下
記式（３）に示すスチームリフォーミング反応と下記式
（４）に示すＣＯシフト反応を起こさせてＨ２とＣＯ
（およびＣＯ２とＨ２Ｏ）からなる合成ガスを製造す
る。 ＣＨ４ ＋ ３／２Ｏ２ ――＞ ＣＯ ＋ ２Ｈ２Ｏ （２） ＣＨ４ ＋ Ｈ２Ｏ ＜――＞ ＣＯ ＋ ３Ｈ２ （３） ＣＯ ＋ Ｈ２Ｏ ＜――＞ ＣＯ２ ＋ Ｈ２ （４）
G, vol.79, no.3, p.100-Cに掲載された図に基づいて作
成）に示す反応器を用いたＡＴＲ法で、低級炭化水素ガ
スとしてメタンを原料にする場合には、反応器１０１内
に設けられた部分酸化領域１０２で、代表的には下記式
（２）に示される化学量論比以下の酸素を用いた火炎反
応によりメタンの一部を部分燃焼させ、引き続いて部分
的に酸化された反応生成ガスを反応器下部に設置された
固定床の改質触媒層１０３を通過させることにより、下
記式（３）に示すスチームリフォーミング反応と下記式
（４）に示すＣＯシフト反応を起こさせてＨ２とＣＯ
（およびＣＯ２とＨ２Ｏ）からなる合成ガスを製造す
る。 ＣＨ４ ＋ ３／２Ｏ２ ――＞ ＣＯ ＋ ２Ｈ２Ｏ （２） ＣＨ４ ＋ Ｈ２Ｏ ＜――＞ ＣＯ ＋ ３Ｈ２ （３） ＣＯ ＋ Ｈ２Ｏ ＜――＞ ＣＯ２ ＋ Ｈ２ （４）
【０００５】図１に示すような既存のＡＴＲ法では、低
級炭化水素ガスを含む原料ガス（以下単に「原料ガス」
という）と酸素を含む酸化ガス（以下単に「酸化ガス」
という）とを、予熱した後に単一の大きな同心円バーナ
ー（あるいは「インジェクター」ともいう）から部分酸
化領域に混合噴射することにより、１つの乱流拡散炎を
形成して酸化（燃焼）反応を進行させている。しかし、
この方法には、反応器の略中央部の燃焼ゾーンでは炭化
水素ガスと酸素との混合が不十分なため、酸素に富む部
分と酸素不足の部分が混在しながら酸化（燃焼）反応が
進行するという本質的欠点がある。そのため酸素不足の
部分では煤の生成が避け難く、また局所的に酸素に富む
部分では過酸化が生じて温度が２０００℃近くの所謂ホ
ットスポットが発生し、これによりバーナー先端部や反
応器壁面の熱損傷が生じたり、下流側の改質触媒にシン
タリングや構造破壊が生ずるという問題がある。
級炭化水素ガスを含む原料ガス（以下単に「原料ガス」
という）と酸素を含む酸化ガス（以下単に「酸化ガス」
という）とを、予熱した後に単一の大きな同心円バーナ
ー（あるいは「インジェクター」ともいう）から部分酸
化領域に混合噴射することにより、１つの乱流拡散炎を
形成して酸化（燃焼）反応を進行させている。しかし、
この方法には、反応器の略中央部の燃焼ゾーンでは炭化
水素ガスと酸素との混合が不十分なため、酸素に富む部
分と酸素不足の部分が混在しながら酸化（燃焼）反応が
進行するという本質的欠点がある。そのため酸素不足の
部分では煤の生成が避け難く、また局所的に酸素に富む
部分では過酸化が生じて温度が２０００℃近くの所謂ホ
ットスポットが発生し、これによりバーナー先端部や反
応器壁面の熱損傷が生じたり、下流側の改質触媒にシン
タリングや構造破壊が生ずるという問題がある。
【０００６】上記の問題を解決するための改良として、
特開平５−２５６４２０号および米国特許第５４９２６
４９号は、インジェクションノズルでの渦流の運動効果
により乱流拡散炎中に多数の混合点を形成させ、それに
より拡散炎中での多量の煤の生成を抑制することを提案
している。また、特開平１１−３１４９０１号および米
国特許第５６２８９３１号は、ＡＴＲ工程の操作条件
（運転圧力やスチームリフォーミングの温度）を制御す
ることにより、煤の生成を抑制することを提案してい
る。しかしながら、この種の改良法でもなお、拡散炎中
での過酸化を完全に抑えることは困難であり、それに起
因するインジェクターノズルの熱損傷や改質触媒の熱劣
化の問題は残される。
特開平５−２５６４２０号および米国特許第５４９２６
４９号は、インジェクションノズルでの渦流の運動効果
により乱流拡散炎中に多数の混合点を形成させ、それに
より拡散炎中での多量の煤の生成を抑制することを提案
している。また、特開平１１−３１４９０１号および米
国特許第５６２８９３１号は、ＡＴＲ工程の操作条件
（運転圧力やスチームリフォーミングの温度）を制御す
ることにより、煤の生成を抑制することを提案してい
る。しかしながら、この種の改良法でもなお、拡散炎中
での過酸化を完全に抑えることは困難であり、それに起
因するインジェクターノズルの熱損傷や改質触媒の熱劣
化の問題は残される。
【０００７】一方、上記改良法を含む単一のバーナーノ
ズル使用のＡＴＲ法に対して、複数のノズルまたはオリ
フィスからなるマルチノズルバーナーを使用する改良Ａ
ＴＲ法が、特開平２−２５６１５号および米国特許第５
９８０５９６号により提案されている。しかし、これら
に使用されるマルチノズルバーナーは、特殊な有孔ブロ
ック体を組み合わせた構造体であり、大型のＡＴＲ工業
装置に使用するには構造が複雑すぎて加工・製作が困難
であると同時に、高温運転の保持が困難であるという問
題がある。
ズル使用のＡＴＲ法に対して、複数のノズルまたはオリ
フィスからなるマルチノズルバーナーを使用する改良Ａ
ＴＲ法が、特開平２−２５６１５号および米国特許第５
９８０５９６号により提案されている。しかし、これら
に使用されるマルチノズルバーナーは、特殊な有孔ブロ
ック体を組み合わせた構造体であり、大型のＡＴＲ工業
装置に使用するには構造が複雑すぎて加工・製作が困難
であると同時に、高温運転の保持が困難であるという問
題がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の問題
にかんがみ、ＡＴＲ法による合成ガスの製造に際して、
反応器内の部分酸化領域で原料ガスと酸化ガスとが良好
に混合され、均一な部分酸化反応が進行して煤の生成や
過酸化によるホットスポットの発生が抑えられ、長時間
の安定運転が可能であるような方法、およびそのための
装置を提供することを目的とする。
にかんがみ、ＡＴＲ法による合成ガスの製造に際して、
反応器内の部分酸化領域で原料ガスと酸化ガスとが良好
に混合され、均一な部分酸化反応が進行して煤の生成や
過酸化によるホットスポットの発生が抑えられ、長時間
の安定運転が可能であるような方法、およびそのための
装置を提供することを目的とする。
【０００９】より具体的には、原料ガスと酸化ガスとを
別々かつ均等に部分酸化領域に噴出させることができる
簡単な構造のマルチノズルバーナーを有するＡＴＲ反応
器を用い、原料ガスと酸化ガスとの均一で良好な混合状
態を実現して安定な拡散火炎を形成し、その反応生成物
を改質触媒の存在下にスチームリフォーミングして効率
的に合成ガスを製造する方法、およびそのための上記Ａ
ＴＲ反応器を提供することを目的とする。
別々かつ均等に部分酸化領域に噴出させることができる
簡単な構造のマルチノズルバーナーを有するＡＴＲ反応
器を用い、原料ガスと酸化ガスとの均一で良好な混合状
態を実現して安定な拡散火炎を形成し、その反応生成物
を改質触媒の存在下にスチームリフォーミングして効率
的に合成ガスを製造する方法、およびそのための上記Ａ
ＴＲ反応器を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記課題
を解決すべく鋭意検討した結果、複数の同心二重管ノズ
ルを備えたマルチノズルバーナーを用い、内側ノズルか
らの酸化ガスの噴射流速を適切な範囲に設定し、さらに
当該酸化ガスの噴射流速に対する外側ノズルからの原料
ガスの噴射流速の比を適切な範囲に設定することによ
り、煤の生成やホットスポットの発生のない安定で均質
な部分酸化反応を行うことができることを見出した。
を解決すべく鋭意検討した結果、複数の同心二重管ノズ
ルを備えたマルチノズルバーナーを用い、内側ノズルか
らの酸化ガスの噴射流速を適切な範囲に設定し、さらに
当該酸化ガスの噴射流速に対する外側ノズルからの原料
ガスの噴射流速の比を適切な範囲に設定することによ
り、煤の生成やホットスポットの発生のない安定で均質
な部分酸化反応を行うことができることを見出した。
【００１１】すなわち、本発明は、低級炭化水素ガスと
酸化ガスとを別々に噴出して混合させる上部領域と、混
合した低級炭化水素ガスと酸化ガスとによる部分酸化反
応を行わせる中部領域と、触媒の存在下にスチームリフ
ォーミング反応を行わせる下部領域からなるオートサー
マルリフォーミング反応器を用い、上記部分酸化反応と
上記スチームリフォーミング反応とにより合成ガスを製
造する方法において、１）該上部領域は上記２種のガス
を該中部領域に向かって噴出する複数の同心二重管ノズ
ルからなるバーナーを有し、酸化ガスは該同心二重管ノ
ズルの内側のノズルから噴出され、低級炭化水素ガスは
該同心二重管ノズルの外側のノズルから噴出され、２）
該内側のノズルから噴出される酸化ガスの流速Ｕ１が１
００〜３００ｍ／秒の範囲にあり、かつ該外側のノズル
から噴出される低級炭化水素ガスの流速Ｕ２と該酸化ガ
スの流速Ｕ１との流速比Ｕ２／Ｕ１が０．１５〜０．５
０の範囲にあることを特徴とする方法を提供する。
酸化ガスとを別々に噴出して混合させる上部領域と、混
合した低級炭化水素ガスと酸化ガスとによる部分酸化反
応を行わせる中部領域と、触媒の存在下にスチームリフ
ォーミング反応を行わせる下部領域からなるオートサー
マルリフォーミング反応器を用い、上記部分酸化反応と
上記スチームリフォーミング反応とにより合成ガスを製
造する方法において、１）該上部領域は上記２種のガス
を該中部領域に向かって噴出する複数の同心二重管ノズ
ルからなるバーナーを有し、酸化ガスは該同心二重管ノ
ズルの内側のノズルから噴出され、低級炭化水素ガスは
該同心二重管ノズルの外側のノズルから噴出され、２）
該内側のノズルから噴出される酸化ガスの流速Ｕ１が１
００〜３００ｍ／秒の範囲にあり、かつ該外側のノズル
から噴出される低級炭化水素ガスの流速Ｕ２と該酸化ガ
スの流速Ｕ１との流速比Ｕ２／Ｕ１が０．１５〜０．５
０の範囲にあることを特徴とする方法を提供する。
【００１２】また、本発明は、低級炭化水素ガスと酸化
ガスとを別々に噴出して混合させる上部領域と、混合し
た低級炭化水素ガスと酸化ガスとによる部分酸化反応を
行わせる中部領域と、触媒の存在下にスチームリフォー
ミング反応を行わせる下部領域からなり、上記部分酸化
反応と上記スチームリフォーミング反応とにより合成ガ
スを製造するためのオートサーマルリフォーミング反応
器であって、１）該上部領域は上下に分割されて、上側
が酸化ガスの蓄気室、下側が低級炭化水素ガスの蓄気室
になっており、２）該下側の蓄気室の下端は複数の孔が
形成された多孔板からなり、該上側の蓄気室から複数本
の管が該下側の蓄気室を貫通して該複数の孔の中に達
し、３）かくして、該下側の蓄気室の下端は複数の同心
二重管ノズルが設けられたバーナーチューブシートを形
成し、内側のノズルから酸化ガス、外側のノズルから低
級炭化水素ガスが噴出されるように構成されたことを特
徴とする反応器を提供する。
ガスとを別々に噴出して混合させる上部領域と、混合し
た低級炭化水素ガスと酸化ガスとによる部分酸化反応を
行わせる中部領域と、触媒の存在下にスチームリフォー
ミング反応を行わせる下部領域からなり、上記部分酸化
反応と上記スチームリフォーミング反応とにより合成ガ
スを製造するためのオートサーマルリフォーミング反応
器であって、１）該上部領域は上下に分割されて、上側
が酸化ガスの蓄気室、下側が低級炭化水素ガスの蓄気室
になっており、２）該下側の蓄気室の下端は複数の孔が
形成された多孔板からなり、該上側の蓄気室から複数本
の管が該下側の蓄気室を貫通して該複数の孔の中に達
し、３）かくして、該下側の蓄気室の下端は複数の同心
二重管ノズルが設けられたバーナーチューブシートを形
成し、内側のノズルから酸化ガス、外側のノズルから低
級炭化水素ガスが噴出されるように構成されたことを特
徴とする反応器を提供する。
【００１３】
【発明の実施の形態】本発明の方法に用いるＡＴＲ反応
器の概略構造を図２に示す。図２からわかるように、本
発明のＡＴＲ反応器の最大の特徴は、原料ガスと酸化ガ
スとを別々かつ均等に噴出すための複数の同心二重管ノ
ズルを備えたマルチノズルバーナーの構造にあり、その
他の部分の構造は図１に示す従来の単一ノズル型ＡＴＲ
反応器と略同じである。すなわち図２の反応器１は、機
能上、バーナー部（上部領域）２、気相部分酸化反応部
（中部領域）３、および接触スチームリフォーミング反
応部（下部領域）４の３つの領域からなる。
器の概略構造を図２に示す。図２からわかるように、本
発明のＡＴＲ反応器の最大の特徴は、原料ガスと酸化ガ
スとを別々かつ均等に噴出すための複数の同心二重管ノ
ズルを備えたマルチノズルバーナーの構造にあり、その
他の部分の構造は図１に示す従来の単一ノズル型ＡＴＲ
反応器と略同じである。すなわち図２の反応器１は、機
能上、バーナー部（上部領域）２、気相部分酸化反応部
（中部領域）３、および接触スチームリフォーミング反
応部（下部領域）４の３つの領域からなる。
【００１４】反応器の上部領域を構成するバーナー部２
は上下２室に分かれており、上側は酸化ガスが供給され
る酸化ガス蓄気室５、下側は原料ガスが供給される原料
ガス蓄気室６になっている。上側の酸化ガス蓄気室５と
下側の原料ガス蓄気室６の間には酸化ガス導入チューブ
９が接続する複数の孔を有するチューブシート７が設け
られて上下両蓄気室を区分している。また、下側の原料
ガス蓄気室６と気相部分酸化反応部３の間は複数の開口
を有するバーナーノズルシート８により区分される。チ
ューブシート７の複数の孔に接続した各酸化ガス導入チ
ューブ９は原料ガス蓄気室７の内部を通過し、バーナー
ノズルシート８の複数の開口の各中心部を貫通する位置
まで伸びて環状開口１０を形成し、これによりバーナー
ノズルシート８の面上に配列された複数の同心二重管ノ
ズルを備えたマルチノズルバーナーが構成される。
は上下２室に分かれており、上側は酸化ガスが供給され
る酸化ガス蓄気室５、下側は原料ガスが供給される原料
ガス蓄気室６になっている。上側の酸化ガス蓄気室５と
下側の原料ガス蓄気室６の間には酸化ガス導入チューブ
９が接続する複数の孔を有するチューブシート７が設け
られて上下両蓄気室を区分している。また、下側の原料
ガス蓄気室６と気相部分酸化反応部３の間は複数の開口
を有するバーナーノズルシート８により区分される。チ
ューブシート７の複数の孔に接続した各酸化ガス導入チ
ューブ９は原料ガス蓄気室７の内部を通過し、バーナー
ノズルシート８の複数の開口の各中心部を貫通する位置
まで伸びて環状開口１０を形成し、これによりバーナー
ノズルシート８の面上に配列された複数の同心二重管ノ
ズルを備えたマルチノズルバーナーが構成される。
【００１５】バーナーノズルシート８におけるノズルの
構造は、狭い口径の管が広い口径の開口に同心状に取り
巻かれている同心環状配置である。内部の管からは酸化
ガスが噴出供給され、外部の環状開口からは原料ガスが
供給される。このような同心二重管ノズルを複数配列し
たマルチバーナーの場合には、それぞれの同心ノズルを
ある程度等間隔に配列することが好ましい。図３は、同
心二重管ノズルの代表的な配列を、部分酸化ゾーン側か
らみた状態を示す。図３に示すような正方形ピッチ型の
ノズル配列は原料ガスと酸化ガスとの十分な混合を実現
するために非常に有効であり、また均一な部分酸化反応
を行うのにも有効である。
構造は、狭い口径の管が広い口径の開口に同心状に取り
巻かれている同心環状配置である。内部の管からは酸化
ガスが噴出供給され、外部の環状開口からは原料ガスが
供給される。このような同心二重管ノズルを複数配列し
たマルチバーナーの場合には、それぞれの同心ノズルを
ある程度等間隔に配列することが好ましい。図３は、同
心二重管ノズルの代表的な配列を、部分酸化ゾーン側か
らみた状態を示す。図３に示すような正方形ピッチ型の
ノズル配列は原料ガスと酸化ガスとの十分な混合を実現
するために非常に有効であり、また均一な部分酸化反応
を行うのにも有効である。
【００１６】反応器の中部領域を構成する気相部分酸化
反応部３は上記マルチノズルバーナーの下方に位置し、
同心二重管ノズルから噴出した原料ガスと酸化ガスとが
混合して部分酸化反応を行う空間領域（部分酸化ゾー
ン）１２である。気相部分酸化反応部３の下方には改質
触媒が充填された触媒床１３からなる接触スチームリフ
ォーミング反応部４が続いており、その間に隔壁はない
ため部分酸化ゾーン１２で生成されたガスはそのまま触
媒床１３を通過し、その間にスチームリフォーミング反
応を行う。
反応部３は上記マルチノズルバーナーの下方に位置し、
同心二重管ノズルから噴出した原料ガスと酸化ガスとが
混合して部分酸化反応を行う空間領域（部分酸化ゾー
ン）１２である。気相部分酸化反応部３の下方には改質
触媒が充填された触媒床１３からなる接触スチームリフ
ォーミング反応部４が続いており、その間に隔壁はない
ため部分酸化ゾーン１２で生成されたガスはそのまま触
媒床１３を通過し、その間にスチームリフォーミング反
応を行う。
【００１７】本発明の合成ガス製造方法において、原料
ガスとしてはメタンや天然ガスなどの低級炭化水素ガス
が用いられ、酸化ガスとしては合成ガスの用途によって
酸素や空気あるいは酸素富化空気などが用いられる。ま
た、スチームリフォーミングに必要なスチームや部分酸
化ゾーンの温度調節用としての二酸化炭素（スチームに
も温度調節作用があり、通常、これらのガスを包括的に
モデレーターガスとよぶ）は、上記原料ガスと酸化ガス
の双方または一方に加えられる。二酸化炭素を含む天然
ガスを原料にする場合には、所望の合成ガス組成に応
じ、二酸化炭素濃度を調整して供給してもよい。
ガスとしてはメタンや天然ガスなどの低級炭化水素ガス
が用いられ、酸化ガスとしては合成ガスの用途によって
酸素や空気あるいは酸素富化空気などが用いられる。ま
た、スチームリフォーミングに必要なスチームや部分酸
化ゾーンの温度調節用としての二酸化炭素（スチームに
も温度調節作用があり、通常、これらのガスを包括的に
モデレーターガスとよぶ）は、上記原料ガスと酸化ガス
の双方または一方に加えられる。二酸化炭素を含む天然
ガスを原料にする場合には、所望の合成ガス組成に応
じ、二酸化炭素濃度を調整して供給してもよい。
【００１８】酸化ガスは、たとえばモデレーターガスと
してのスチームと混合され予熱された後、バーナー部上
側の酸化ガス蓄気室５に供給され、そこから酸化ガス導
入チューブ９を通って部分酸化ゾーン１２に噴出する。
一方、原料ガスは、たとえばモデレーターガスとしての
炭酸ガスと混合され予熱された後、バーナー部下側の原
料ガス蓄気室６に供給され、バーナーチューブシート８
と酸化ガス導入チューブ管９の間の環状開口１０から部
分酸化ゾーン１２に噴出する。このように複数の同心二
重管ノズルからそれぞれ環状噴流および中心噴流として
噴出した原料ガスおよび酸化ガスは迅速かつ均一に混合
し、その結果、部分酸化ゾーンに乱流拡散炎が形成され
て原料ガスの酸化反応により高温の燃焼（部分酸化）ガ
スが生成する。
してのスチームと混合され予熱された後、バーナー部上
側の酸化ガス蓄気室５に供給され、そこから酸化ガス導
入チューブ９を通って部分酸化ゾーン１２に噴出する。
一方、原料ガスは、たとえばモデレーターガスとしての
炭酸ガスと混合され予熱された後、バーナー部下側の原
料ガス蓄気室６に供給され、バーナーチューブシート８
と酸化ガス導入チューブ管９の間の環状開口１０から部
分酸化ゾーン１２に噴出する。このように複数の同心二
重管ノズルからそれぞれ環状噴流および中心噴流として
噴出した原料ガスおよび酸化ガスは迅速かつ均一に混合
し、その結果、部分酸化ゾーンに乱流拡散炎が形成され
て原料ガスの酸化反応により高温の燃焼（部分酸化）ガ
スが生成する。
【００１９】酸化ガスと原料ガスの噴出速度は噴出後の
両ガスの速やかな混合と安定した拡散炎の形成にとって
非常に重要である。酸化ガス導入チューブ９から噴出す
る中心噴流の流速Ｕ１は１００〜３００ｍ／秒の範囲に
あることが好ましい。また、環状開口から噴出する環状
噴流の流速Ｕ２と上記中心噴流の流速Ｕ１の比は原料ガ
スと酸化ガスの混合を支配する重要な因子であり、混合
効率を最大化するにはＵ２／Ｕ１が０．１５〜０．５０
の範囲にあることが好ましく、０．２０〜０．４０の範
囲にあればさらに好ましい。
両ガスの速やかな混合と安定した拡散炎の形成にとって
非常に重要である。酸化ガス導入チューブ９から噴出す
る中心噴流の流速Ｕ１は１００〜３００ｍ／秒の範囲に
あることが好ましい。また、環状開口から噴出する環状
噴流の流速Ｕ２と上記中心噴流の流速Ｕ１の比は原料ガ
スと酸化ガスの混合を支配する重要な因子であり、混合
効率を最大化するにはＵ２／Ｕ１が０．１５〜０．５０
の範囲にあることが好ましく、０．２０〜０．４０の範
囲にあればさらに好ましい。
【００２０】マルチバーナーの複数のノズルから噴出し
たガス流は相互に干渉を起こして不安定な火炎とならな
いようにする必要があるが、そのためには下記式（１）
で表される中心噴流と環状噴流から形成される同軸二重
噴流の相当直径Ｄが１０〜６０ｍｍの範囲にあればよ
く、３０〜５０ｍｍの範囲にあればより好ましい。
たガス流は相互に干渉を起こして不安定な火炎とならな
いようにする必要があるが、そのためには下記式（１）
で表される中心噴流と環状噴流から形成される同軸二重
噴流の相当直径Ｄが１０〜６０ｍｍの範囲にあればよ
く、３０〜５０ｍｍの範囲にあればより好ましい。
【数２】
上記式中、Ｍ１およびＭ２はそれぞれ中心噴流および環
状噴流の質量流量（ｋｇ／秒）を表し、Ｇ１およびＧ２
はそれぞれ中心噴流および環状噴流の運動量束＝質量流
量＊流速（ｋｇ・ｍ／秒２）を表し、ρは燃焼ガス密度
（ｋｇ／ｍ３）を表すものとする。
状噴流の質量流量（ｋｇ／秒）を表し、Ｇ１およびＧ２
はそれぞれ中心噴流および環状噴流の運動量束＝質量流
量＊流速（ｋｇ・ｍ／秒２）を表し、ρは燃焼ガス密度
（ｋｇ／ｍ３）を表すものとする。
【００２１】部分酸化（燃焼）の温度は、酸素と混合さ
れるモデレーターガスの種類と量によって変わる。炭化
水素ガスと酸素の望ましい比は、過酸化による過剰熱の
発生や煤の生成を避けるため、常に炭化水素過剰の条件
で実施される。本発明において、原料炭化水素ガスの炭
素一原子あたりの酸素、スチームおよび二酸化炭素の供
給モル比は、 Ｏ２／Ｃ＝０．３〜０．７ Ｈ２Ｏ／Ｃ＝０．３〜２．０ ＣＯ２／Ｃ＝０〜２．０ の範囲にあることが好ましい。
れるモデレーターガスの種類と量によって変わる。炭化
水素ガスと酸素の望ましい比は、過酸化による過剰熱の
発生や煤の生成を避けるため、常に炭化水素過剰の条件
で実施される。本発明において、原料炭化水素ガスの炭
素一原子あたりの酸素、スチームおよび二酸化炭素の供
給モル比は、 Ｏ２／Ｃ＝０．３〜０．７ Ｈ２Ｏ／Ｃ＝０．３〜２．０ ＣＯ２／Ｃ＝０〜２．０ の範囲にあることが好ましい。
【００２２】部分酸化ゾーンで酸化（燃焼）されたガス
は、高温のままＡＴＲ反応器の下部領域に設けられた固
定床の触媒層を通過し、そこでガス中に存在するメタ
ン、スチームおよび二酸化炭素がリフォーミング反応を
起こして水素と一酸化炭素を主成分とする合成ガスに転
換される。ここで使用される水蒸気改質触媒としては、
周期律表の第VIII族または第VII族から選ばれる１種以
上の金属、特に第VIII族の貴金属やニッケルから選ばれ
る１種以上の金属が用いられる。これらの触媒金属は、
ランタンやセリウムのような他の金属と組み合わせて用
いることもできる。そうした金属成分は、通常、熱安定
性の高い耐火性無機酸化物からなる担体上に担持され
る。好ましい触媒担体としては、第II族金属の酸化物、
希土類金属酸化物、αアルミナ、アルミナ含有酸化物、
ヘキサアルミネート、カルシウムアルミネート、マグネ
シア、マグネシウム−アルミナスピネル、セメントなど
がある。触媒粒子の形状としては種々のものが採用でき
るが、円筒形（ラシヒリング）やサドル上、星型などが
好適に用いられる。触媒床を通過したガスはＡＴＲ反応
器を出て、その後の回収または後続処理工程に送られ
る。
は、高温のままＡＴＲ反応器の下部領域に設けられた固
定床の触媒層を通過し、そこでガス中に存在するメタ
ン、スチームおよび二酸化炭素がリフォーミング反応を
起こして水素と一酸化炭素を主成分とする合成ガスに転
換される。ここで使用される水蒸気改質触媒としては、
周期律表の第VIII族または第VII族から選ばれる１種以
上の金属、特に第VIII族の貴金属やニッケルから選ばれ
る１種以上の金属が用いられる。これらの触媒金属は、
ランタンやセリウムのような他の金属と組み合わせて用
いることもできる。そうした金属成分は、通常、熱安定
性の高い耐火性無機酸化物からなる担体上に担持され
る。好ましい触媒担体としては、第II族金属の酸化物、
希土類金属酸化物、αアルミナ、アルミナ含有酸化物、
ヘキサアルミネート、カルシウムアルミネート、マグネ
シア、マグネシウム−アルミナスピネル、セメントなど
がある。触媒粒子の形状としては種々のものが採用でき
るが、円筒形（ラシヒリング）やサドル上、星型などが
好適に用いられる。触媒床を通過したガスはＡＴＲ反応
器を出て、その後の回収または後続処理工程に送られ
る。
【００２３】なお、図２の反応器では、酸化ガス蓄気室
内に酸化ガスの均一分散を促すために多孔分散板１１ａ
が設けられている。同様に、原料ガス蓄気室内にも多孔
分散板１１ｂが設けられている。これらの多孔分散板に
おける圧力損失はそれぞれ８００〜１０００ｋｇ／ｍ２
程度とすることが好ましい。また、ＡＴＲ反応器の内壁
は高温に絶え得るように、耐火材（煉瓦）１４で覆われ
る。
内に酸化ガスの均一分散を促すために多孔分散板１１ａ
が設けられている。同様に、原料ガス蓄気室内にも多孔
分散板１１ｂが設けられている。これらの多孔分散板に
おける圧力損失はそれぞれ８００〜１０００ｋｇ／ｍ２
程度とすることが好ましい。また、ＡＴＲ反応器の内壁
は高温に絶え得るように、耐火材（煉瓦）１４で覆われ
る。
【００２４】バーナーノズルシート８は、直接高温の火
炎にさらされるので溶損やひび割れなどの損傷の可能性
があるため、耐熱性で耐食性のある金属材料を使用し、
かつバーナーノズルシートに冷却管を埋めこみ、これに
冷却水を流して熱を除去する強制冷却手段を採用するの
が通例である。典型的には、バーナーノズルシートの内
面に１個またはそれ以上の冷却管用の溝を設け、そこに
冷却用配管を埋設すればよい。同心二重管ノズルの周り
に冷却管を配置することを考慮すると、同心二重管ノズ
ルは正方形ピッチで配列することが好ましい。
炎にさらされるので溶損やひび割れなどの損傷の可能性
があるため、耐熱性で耐食性のある金属材料を使用し、
かつバーナーノズルシートに冷却管を埋めこみ、これに
冷却水を流して熱を除去する強制冷却手段を採用するの
が通例である。典型的には、バーナーノズルシートの内
面に１個またはそれ以上の冷却管用の溝を設け、そこに
冷却用配管を埋設すればよい。同心二重管ノズルの周り
に冷却管を配置することを考慮すると、同心二重管ノズ
ルは正方形ピッチで配列することが好ましい。
【００２５】
【発明の効果】本発明によれば、複数の同心二重管ノズ
ルが適切に配列されたマルチバーナーを用い、内側ノズ
ルからの酸化ガスの中心噴流と外側ノズルからの原料ガ
スの環状噴流の流速ないし流速比を適切に設定すること
により、部分酸化ゾーンへのガス混合体の均一な供給が
なされるため、煤の生成やホットスポットによるバーナ
ーノズルの熱損傷が抑制される。かくして、煤の発性の
ない長期安定なＡＴＲ運転が達成される。
ルが適切に配列されたマルチバーナーを用い、内側ノズ
ルからの酸化ガスの中心噴流と外側ノズルからの原料ガ
スの環状噴流の流速ないし流速比を適切に設定すること
により、部分酸化ゾーンへのガス混合体の均一な供給が
なされるため、煤の生成やホットスポットによるバーナ
ーノズルの熱損傷が抑制される。かくして、煤の発性の
ない長期安定なＡＴＲ運転が達成される。
【００２６】また、本発明の反応器は、その上部領域が
上側の酸化ガス蓄気室と下側の原料ガス蓄気室に分かれ
ており、酸化ガス蓄気室から部分酸化反応ゾーンに連通
する酸化ガス導入チューブが原料ガス蓄気室内を貫通す
る構造になっており、原料ガス蓄気室下端のバーナーチ
ューブシートの開口と酸化ガス導入チューブの先端とで
同心二重管ノズルを構成する構造になっており、このよ
うな構造は、エネルギー効率が高く、高圧化が可能であ
り、かつ装置構成が単純でスケールアップが容易である
という利点があり、超大型の合成ガス製造装置への適用
を考えた場合における技術的意義はきわめて大きい。
上側の酸化ガス蓄気室と下側の原料ガス蓄気室に分かれ
ており、酸化ガス蓄気室から部分酸化反応ゾーンに連通
する酸化ガス導入チューブが原料ガス蓄気室内を貫通す
る構造になっており、原料ガス蓄気室下端のバーナーチ
ューブシートの開口と酸化ガス導入チューブの先端とで
同心二重管ノズルを構成する構造になっており、このよ
うな構造は、エネルギー効率が高く、高圧化が可能であ
り、かつ装置構成が単純でスケールアップが容易である
という利点があり、超大型の合成ガス製造装置への適用
を考えた場合における技術的意義はきわめて大きい。
【図１】従来のＡＴＲ反応器の代表的構造を模式的に示
す。
す。
【図２】本発明のＡＴＲ反応器の好適な構造を模式的に
示す。
示す。
【図３】本発明のＡＴＲ反応器内のバーナーノズルシー
トにおける同心二重管ノズルの好適な配列を示す。
トにおける同心二重管ノズルの好適な配列を示す。
１ ＡＴＲ反応装置
２ バーナー部（上部領域）
３ 部分酸化反応部（中部領域）
４ 接触リフォーミング反応部（下部領域）
５ 酸化ガス蓄気室
６ 原料ガス蓄気室
７ チューブシート
８ バーナーノズルシート
９ 酸化ガス導入チューブ
１０ 環状開口
１１ａ、１１ｂ 多孔ガス分散板
１２ 部分酸化ゾーン
１３ 触媒層
１４ 断熱材
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 汐崎 徹
神奈川県横浜市鶴見区鶴見中央二丁目12番
１号 千代田化工建設株式会社内
(72)発明者 穂積 良和
神奈川県横浜市鶴見区鶴見中央二丁目12番
１号 千代田化工建設株式会社内
(72)発明者 毛利 孝明
神奈川県横浜市鶴見区鶴見中央二丁目12番
１号 千代田化工建設株式会社内
Ｆターム(参考） 4G075 AA05 BA01 BA05 BA06 BD03
BD12 BD22 CA45 CA51 CA54
CA62 DA02 DA12 DA18 EA01
EA05 EB01 EC07 EE02 EE31
4H060 AA01 AA02 BB12 CC03 DD03
EE03 FF18
Claims (8)
- 【請求項１】 低級炭化水素ガスと酸化ガスとを別々に
噴出して混合させる上部領域と、混合した低級炭化水素
ガスと酸化ガスとによる部分酸化反応を行わせる中部領
域と、触媒の存在下にスチームリフォーミング反応を行
わせる下部領域からなるオートサーマルリフォーミング
反応器を用い、上記部分酸化反応と上記スチームリフォ
ーミング反応とにより合成ガスを製造する方法におい
て、（１）該上部領域は上記２種のガスを該中部領域に
向かって噴出する複数の同心二重管ノズルからなるバー
ナーを有し、酸化ガスは該同心二重管ノズルの内側のノ
ズルから噴出され、低級炭化水素ガスは該同心二重管ノ
ズルの外側のノズルから噴出され、（２）該内側のノズ
ルから噴出される酸化ガスの流速Ｕ１が１００〜３００
ｍ／秒の範囲にあり、かつ該外側のノズルから噴出され
る低級炭化水素ガスの流速Ｕ２と該酸化ガスの流速Ｕ１
との流速比Ｕ２／Ｕ１が０．１５〜０．５０の範囲にあ
ることを特徴とする方法。 - 【請求項２】 該内側のノズルから噴出される酸化ガス
の中心噴流と該外側のノズルから噴出される低級炭化水
素ガスの環状噴流により形成される二重噴流の相当直径
として、次式で与えられる値Ｄが１０〜６０ｍｍの範囲
にある請求項１記載の方法。 【数１】 ［ただし、Ｍ１およびＭ２はそれぞれ中心噴流および環
状噴流の質量流量（ｋｇ／秒）を表し、Ｇ１およびＧ２
はそれぞれ中心噴流および環状噴流の運動量束＝質量流
量＊流速（ｋｇ・ｍ／秒２）を表し、ρは燃焼ガス密度
（ｋｇ／ｍ３）を表す。］ - 【請求項３】 該相当直径Ｄが３０〜５０ｍｍの範囲に
ある請求項２記載の方法。 - 【請求項４】 該流速比Ｕ２／Ｕ１が０．２０〜０．４
０の範囲にある請求項１記載の方法。 - 【請求項５】 低級炭化水素ガスと酸化ガスとを別々に
噴出して混合させる上部領域と、混合した低級炭化水素
ガスと酸化ガスとによる部分酸化反応を行わせる中部領
域と、触媒の存在下にスチームリフォーミング反応を行
わせる下部領域からなり、上記部分酸化反応と上記スチ
ームリフォーミング反応とにより合成ガスを製造するた
めのオートサーマルリフォーミング反応器であって、
（１）該上部領域は上下に分割されて、上側が酸化ガス
の蓄気室、下側が低級炭化水素ガスの蓄気室になってお
り、（２）該下側の蓄気室の下端は複数の孔が形成され
た多孔板からなり、該上側の蓄気室から複数本の管が該
下側の蓄気室を貫通して該複数の孔の中に達し、（３）
かくして、該下側の蓄気室の下端は複数の同心二重管ノ
ズルが設けられたバーナーチューブシートを形成し、内
側のノズルから酸化ガス、外側のノズルから低級炭化水
素ガスが噴出されるように構成されたことを特徴とする
反応器。 - 【請求項６】 該上側の蓄気室および／または該下側の
蓄気室内に多孔ガス分散板が設けられた請求項５記載の
反応器。 - 【請求項７】 該バーナーチューブシートの複数の同心
二重管ノズル間に冷却用配管が埋め込まれた請求項５記
載の反応器。 - 【請求項８】 該複数の同心二重管ノズルが該バーナー
チューブシート上で正方形ピッチに配置された請求項５
記載の反応器。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001203627A JP2003013072A (ja) | 2001-07-04 | 2001-07-04 | 低級炭化水素ガスから合成ガスを製造する方法とその装置 |
| PCT/JP2002/006813 WO2003004405A1 (fr) | 2001-07-04 | 2002-07-04 | Dispositif et procede de production d'un gaz de synthese a partir d'un gaz d'hydrocarbures de qualite inferieure |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001203627A JP2003013072A (ja) | 2001-07-04 | 2001-07-04 | 低級炭化水素ガスから合成ガスを製造する方法とその装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003013072A true JP2003013072A (ja) | 2003-01-15 |
Family
ID=19040231
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001203627A Pending JP2003013072A (ja) | 2001-07-04 | 2001-07-04 | 低級炭化水素ガスから合成ガスを製造する方法とその装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003013072A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005007239A (ja) * | 2003-06-17 | 2005-01-13 | Jgc Corp | 高温反応用反応容器 |
| WO2008058646A1 (de) | 2006-11-16 | 2008-05-22 | Uhde Gmbh | Verfahren und vorrichtung zum eindüsen von sauerstoff in ein einen synthesereaktor durchströmendes reaktionsgas |
| JP2009512544A (ja) * | 2005-10-21 | 2009-03-26 | エニ、ソシエタ、ペル、アチオニ | 反応器に挿入されるか、反応器に組み合わされる液体混合デバイス |
| JP2015151434A (ja) * | 2014-02-13 | 2015-08-24 | 株式会社Ihi | タール改質炉及びそのガス化設備 |
-
2001
- 2001-07-04 JP JP2001203627A patent/JP2003013072A/ja active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005007239A (ja) * | 2003-06-17 | 2005-01-13 | Jgc Corp | 高温反応用反応容器 |
| JP2009512544A (ja) * | 2005-10-21 | 2009-03-26 | エニ、ソシエタ、ペル、アチオニ | 反応器に挿入されるか、反応器に組み合わされる液体混合デバイス |
| WO2008058646A1 (de) | 2006-11-16 | 2008-05-22 | Uhde Gmbh | Verfahren und vorrichtung zum eindüsen von sauerstoff in ein einen synthesereaktor durchströmendes reaktionsgas |
| JP2010510046A (ja) * | 2006-11-16 | 2010-04-02 | ウーデ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング | 合成反応器を通流する反応ガス中に酸素を噴射するための方法および装置 |
| JP2015151434A (ja) * | 2014-02-13 | 2015-08-24 | 株式会社Ihi | タール改質炉及びそのガス化設備 |
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