(57)【要約】【課題】逆火や自発火等の異常燃焼を誘起させることがなく、高圧・高温の可燃ガスと酸素含有ガスとを均一に混合して改質用混合ガス等を生成させることができる可燃ガス混合方法及び可燃ガス混合器を提供する。【解決手段】可燃原料ガスと酸素含有ガスとの混合により、可燃濃度範囲域にある予混合ガスを生成する可燃ガス混合方法であって、複数の混合ステージ１〜３が設けられ、各混合ステージで生成される混合ガス中の原料ガス成分濃度を変化させ、混合最終ステージにおいて可燃濃度範囲域に到達させて予混合ガスを生成させる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可燃原料ガスと酸素含有ガスとの混合により、可燃濃度範囲域にある予混合ガスを生成する混合方法であって、複数の混合ステージを設け、各混合ステージで生成される混合ガス中の原料ガス成分濃度を変化させ、混合最終ステージにおいて前記可燃濃度範囲域に到達させた予混合ガスを生成することを特徴とする可燃ガス混合方法。
【請求項２】
前記可燃原料ガス又は上流混合ステージで生成させた混合ガスに、下流の各混合ステージで準備した酸素含有ガスを混合し、前記混合最終ステージにおいて前記可燃濃度範囲域に到達させた予混合ガスを生成することを特徴とする、請求項１記載の可燃ガス混合方法。
【請求項３】
前記酸素含有ガス又は上流混合ステージで生成させた混合ガスに、下流の各混合ステージで準備した可燃原料ガスを混合し、前記混合最終ステージにおいて前記可燃濃度範囲域に到達させた予混合ガスを生成することを特徴とする、請求項１記載の可燃ガス混合方法。
【請求項４】
可燃原料ガスと酸素含有ガスとの混合により、可燃濃度範囲域にある予混合ガスを生成する混合器であって、
混合器内の混合ステージに前記可燃原料ガス及び酸素含有ガスのいずれか一方を供給してガス噴流を形成するガスノズルと、
該ガスノズルの下流位置であって、且つ、上流からのガス噴流の軸回りに、前記可燃原料ガス及び酸素含有ガスのいずれか他方のガスの旋回流を形成して当該旋回流と上流からのガス噴流とを混合させて下流に噴出させる、複数の混合ステージ位置のそれぞれに配設された複数の旋回混合手段とからなり、
各混合ステージ位置で生成される混合ガス中のガス成分濃度を変化させ、混合最終ステージ位置において前記可燃濃度範囲域に到達させた予混合ガスを生成することを特徴とする可燃ガス混合器。
【請求項５】
前記ガスノズル及び旋回混合手段のそれぞれは、混合ステージを区画する区画プレートに取り付けられ、各区画プレートのガスノズル及び旋回混合手段を同軸に積層して混合器セルユニットを形成させたことを特徴とする、請求項４記載の可燃ガス混合器。
【請求項６】
前記各区画プレートのガスノズル及び旋回混合手段は、それぞれ対応する位置に同数の複数個が取り付けられ、各区画プレートのガスノズル及び旋回混合手段のそれぞれを同軸に積層して複数の混合器セルユニットを形成させたことを特徴とする、請求項５記載の可燃ガス混合器。
【請求項７】
前記旋回混合手段は、円周方向に配設された複数の旋回羽根を有するスワラーと、旋回羽根から流出する旋回流を前記混合ステージに案内するガイドダクトとを備えることを特徴とする、請求項５又は６記載の可燃ガス混合器。
【請求項８】
前記スワラーをスペーサとして、各区画プレートを積層することを特徴とする、請求項７記載の可燃ガス混合器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、合成ガス製造プラントの反応器等に組み込み、使用されて好適な可燃ガス混合方法及び混合器に関する。
【背景技術】
【０００２】
天然ガスの有効利用を図るために、天然ガスを一旦反応性の高い合成ガス（例えば、メタンを一酸化炭素と水素）に変換した後、ＦＴ合成（フィッシャー・トロプシュ合成）等により分子構造を組み替えて軽油や灯油、或いはＤＭＥ(ジメチルエーテル)と言った液体燃料を製造するＧＴＬ（ガス・トゥ・リキッド）転換技術が活発に研究されている。このＧＴＬ技術は、気体の天然ガスを液化して運搬や取扱いを容易にする他、石油由来の製品に比べ、燃料中の硫黄成分や、排気ガス中の一酸化炭素、窒素酸化物などの有害物質を減少させることができ、環境負荷が小さい燃料を得る技術として注目されている。
【０００３】
ＧＴＬ技術を普及させるためには、高効率で、事業性に見合った合成ガス製造プラントの開発が求められている。従来、合成ガス製造方法の一つとして、ＡＴＲ法（Auto Thermal Reforming法）が知られている。ＡＴＲ法は、天然ガス、石油、石炭、バイオマス等の合成ガス原料（メタンガス等）の一部を酸素バーナによる燃焼で発熱反応を起こし、その後、先の反応で生成された高温の水蒸気や二酸化炭素ガスを利用し、触媒層における吸熱改質反応により、メタンガス等を改質して合成ガスを生成させるものである。
【０００４】
このＡＴＲ法は、原料ガスの一部と酸素とを反応させるために、全体として燃料過剰（フューエルリッチ）状態で燃焼させることになり、多量の煤の発生を伴うという問題がある。また、反応器を大型化して大規模に合成ガスを生成させようとすると、反応器に複数の酸素バーナを装着することが必要になるが、焼損がなく、安全操業可能な複数バーナの開発が難しく、これがネックとなって、反応器大型化が困難になっている。複数酸素バーナによる大型化に代えて、反応器の基数を多くして大規模製造の問題を解決しようとすると、設備コストが大となり、また、多数の反応器を安全且つ円滑に運転することにも問題があり、プラント運転性の点で解決すべき問題が生じる。
【０００５】
合成ガス製造の別の方法として、ＣＰＯ法（Catalytic Partial Oxidation法）が知られている。ＣＰＯ法は、原料ガス（メタン等）に酸素含有ガスを予め混合させた予混合ガスを、４MPaG,300degＣ程度に加圧、加熱して反応器内の触媒層に導き、予混合ガスの一部を部分酸化させて発熱させ、その発熱をその後の改質反応（吸熱反応）の熱源として合成ガス（一酸化炭素と水素）を生成させる。すなわち、ＣＰＯ法は、ＡＴＲ法がバーナによる酸化反応で原料ガスを一気に高温に晒すものとは異なり、反応器内での触媒による部分酸化反応で高温状態を維持するので、ＡＴＲ法に比べて安全操業が可能であり、部分酸化反応と、その後段で改質反応を同時に進行させ、連続操業可能な合成ガス製造方法といえる。
【０００６】
ＣＰＯ法は、一つの反応器で連続操業可能な合成ガス製造方法である点で、特許文献１に記載されるサイクル式炭化水素改質方法と異なる。特許文献１の改質方法は、改質工程と再生工程とを行い得る一対の反応器を備えており、炭化水素燃料と水蒸気とを反応させて水素含有ガスを生成する工程と、再生用ガスを触媒燃焼することで、改質工程で低下した触媒温度を上昇させる再生工程とを交互に繰り返す。すなわち、サイクル式炭化水素改質方法では、一方の反応器が改質工程を行っている間に他方の反応器が再生工程を行うことで、サイクル式（バッチ式）に炭化水素改質を行いながら水素含有ガスを連続的に製造するようしている。このようなサイクル式炭化水素改質方法では、合成ガス製造の効率が悪く、大規模ガス製造には不向きである。
【０００７】
なお、ＣＰＯ法では、上述のように触媒の助けを得て部分酸化反応が進行していると考えられているが、触媒層内の空間において、触媒の助けを得ずに（無触媒反応により）燃焼反応（部分酸化反応）や改質反応、水性シフト反応が生じているとも考えられている。いずれにしても、ＣＰＯ法はＡＴＲ法とは異なりバーナが不要であるから、この点で反応器の大型化を可能にさせる。反応器の大型化は、設備コストを低減させると共に、プラント運転性の改善に大いに寄与する。
【特許文献１】特開２００６−２８２４７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ＣＰＯ法により合成ガスを生成するに際して、原料ガス（メタン等）と酸素含有ガス（特に酸素ガス）とが均一に混合されないで反応域に供給されると、反応域内での昇温に偏りが生じ、触媒層の一部が異状に高温になり、焼損する等の問題が生じる。混合気の濃度の偏りによる過熱を防止するためには、原料ガス（メタン等）と酸素含有ガスとを予め均一に混合させ、このような予混合ガスを反応器内の反応域に供給すればよく、上述のような過熱の問題は解消される。しかしながら、この場合の予混合ガスは、上述したＣＰＯ法による合成ガス製造においては、４ＭＰａＧ、３００degＣ程度に加圧、加熱しておく必要がある。
【０００９】
加圧、加熱された予混合ガス中の酸素は強い支燃性を持つため、酸素を予め燃料と混合することは出来る限り避け、可能な限り反応域（反応場）で混合させなければならないと考えられている。混合中に自発火や触媒層からの逆火による予期せぬ燃焼を発生させないためである。反応域での混合は、燃料濃度の不均一な混合気を反応域に供給することを意味する。可燃ガスの混合中に一旦燃焼を起こすと、その混合ガス条件によっては、反応器を含む系内の圧力が急激に上昇してしまう状態、所謂、非常に危険な爆轟（デトネーション）状態に遷移する虞がある。
【００１０】
従って、ＣＰＯ法による合成ガス製造プラントにおいては、高圧・高温の均一予混合ガスが必要であるが、このような予混合ガスは自発火や逆火の危険を伴うという二律相反するような問題点を解決する必要があり、合成ガス製造プラントを長期間に亘って安全且つ安定的に操業するためには、上述の問題点を解決した混合器を必要とし、そのような混合器が備わって初めて製造装置の大型化が実現できる。
【００１１】
上述した特許文献１に開示されるサイクル式炭化水素改質装置には、反応器とは独立して再生ガス混合器が設けられており、この混合器は、再生用ガスと酸素含有ガスとを混合して、再生工程を行う反応器に均一な再生用混合ガスを供給する。混合器を設けることで、再生工程への切り換えの初期に、再生用混合ガスの不均一に起因して反応器内で局所的に触媒燃焼温度が高くなる部分が生じることを防止し、結果的に局所的な高温部への接触又は接近に伴う再生用ガスの自己発火、気相燃焼の発生を防止できるとしている。
【００１２】
特許文献１が開示する再生ガス混合器は、反応器内へ燃焼ガスと酸素含有ガスとを均一に混合した混合ガスを供給しなければならないという点で、本発明と目的を同一にしているが、特許文献１の混合器は、改質反応によって温度が低下した触媒の温度を上げて触媒能力を再生することだけを目的に、触媒再生のために別途準備される再生ガスと酸素含有ガスとの均一混合ガスを生成すればよい。
【００１３】
一方、ＣＰＯ法による大規模合成ガス製造プラントにおいては、反応器内の触媒層に供給する予混合ガスは、４ＭＰａＧ、３００degＣ程度に加圧、加熱されていなければならず、その予混合ガスは、改質反応の原料ガスであり、改質反応（吸熱反応）の熱源を供給する、部分酸化反応のための原料ガスでもある。このような予混合ガスを生成するための混合器として、特許文献１が開示するような単純な構成の混合器を適用することはできない。
【００１４】
なお、本発明は、天然ガスばかりでなく、石油、石炭、バイオマス等の合成ガス原料（可燃ガス）と、酸素（支燃性ガス成分）の他、水蒸気、ＣＯ2 、ＣＯ等を含む酸素含有ガスとの混合に用いる混合器として広く適用することができる。
本発明は、上記の二律相反する問題を解決するために提案されたものであり、逆火や自発火等の異常燃焼を誘起させることがなく、生成された高圧・高温の予混合ガスを、例えば、改質用混合ガスとして、大型反応器等に好適に使用することができる可燃ガス混合方法及び可燃ガス混合器を提供することを目的にする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
請求項１の本発明の、可燃原料ガスと酸素含有ガスとの混合により、可燃濃度範囲域にある予混合ガスを生成する可燃ガス混合方法に依れば、複数の混合ステージが設けられ、各混合ステージで生成される混合ガス中の原料ガス成分濃度を変化させ、混合最終ステージにおいて前記可燃濃度範囲域に到達させて予混合ガスを生成することを特徴とする。
混合最終ステージにおいて前記可燃濃度範囲域に到達させる方法としては、可燃原料ガス濃度がリッチ側にあって可燃濃度範囲域を外れる可燃原料ガスに、下流の各混合ステージで準備した酸素含有ガスを順次混合し、混合最終ステージにおいて前記可燃濃度範囲域に到達させる方法であってもよいし（請求項２）、可燃原料ガス濃度がリーン側にあって可燃濃度範囲域を外れる可燃原料ガスに、下流の各混合ステージで準備した可燃原料ガスを混合し、混合最終ステージにおいて前記可燃濃度範囲域に到達させる方法であってもよい（請求項３）。
【００１６】
請求項４の本発明の、可燃原料ガスと酸素含有ガスとの混合により、可燃濃度範囲域にある予混合ガスを生成する可燃ガス混合器に依れば、混合器内の混合ステージに前記可燃原料ガス及び酸素含有ガスのいずれか一方を供給してガス噴流を形成するガスノズルと、該ガスノズルの下流位置であって、且つ、上流からのガス噴流の軸回りに、前記可燃原料ガス及び酸素含有ガスのいずれか他方のガスの旋回流を形成して当該旋回流と上流からのガス噴流とを混合させて下流に噴出させる、複数の混合ステージ位置のそれぞれに配設された複数の旋回混合手段とからなり、各混合ステージ位置で生成される混合ガス中のガス成分濃度を変化させ、混合最終ステージ位置において前記可燃濃度範囲域に到達させた予混合ガスを生成することを特徴とする。
【００１７】
請求項５の本発明に依れば、前記ガスノズル及び旋回混合手段のそれぞれは、混合ステージを区画する区画プレートに取り付けられ、各区画プレートのガスノズル及び旋回混合手段を同軸に積層して混合器ユニットを形成させたことを特徴とする。
請求項６の本発明に依れば、前記各区画プレートのガスノズル及び旋回混合手段は、それぞれ対応する位置に同数の複数個取り付けられ、各区画プレートのガスノズル及び旋回混合手段のそれぞれを同軸に積層して複数の混合器ユニットを形成させたことを特徴とする。
【００１８】
請求項７の本発明に依れば、前記旋回混合手段は、円周方向に配設された複数の旋回羽根を有するスワラーと、旋回羽根から流出する旋回流を前記混合ステージに案内するガイドダクトとを備えることを特徴とする。
請求項８の本発明に依れば、前記スワラーをスペーサとして、各区画プレートを積層することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
請求項１の発明に依れば、改質プロセス等で使用する可燃原料ガスと酸素含有ガスとをそれらの全量を一時に混合してしまうと、すぐに均一な混合気とならないため、局所的に燃焼しやすい濃度の混合気が形成されるおそれがある。そこで、可燃濃度範囲に入る危険があるため、可燃原料ガスと酸素含有ガスとを混合する複数の混合ステージが設けられ、各混合ステージで生成される混合ガス中の原料ガス成分濃度を段階的に徐々に変化させることによって、局所的にも可燃濃度範囲に入る混合領域を極力なくし、混合最終ステージにおいて所望の可燃濃度範囲域に到達させることで、予混合ガスを安全に生成することができる。
【００２０】
この混合最終ステージは、改質プロセス等、予混合ガスを供給するプロセスの直前に設定することが好ましいことは言うまでもない。混合最終ステージにおいて到達させる混合ガスの所望の可燃濃度は、混合気の使用雰囲気条件において自発火や逆火が発生しない濃度に設定すべきであるが、混合器に供給される可燃原料ガス及び酸素含有ガスの各濃度値が目標設定値から外れ、混合最終ステージにおいて局所的に見て自発火や逆火が発生し得る条件が揃っても、上流の混合ステージでは混合ガスの濃度を、自発火や逆火を防止し得る可燃濃度範囲域から十分に外れた濃度範囲域に設定することができ、発生した火炎の伝播を有効に阻止することができる。
【００２１】
天然ガスやメタンガスの改質プロセスのような多くのプロセスでは、通常、可燃原料ガス濃度が燃料リッチ側にあって可燃濃度範囲域を外れる可燃原料ガスに、下流の各混合ステージで準備した酸素含有ガスを順次混合し、混合最終ステージにおいて所望の可燃濃度範囲域に到達させることが望ましいが（請求項２）、プロセスによっては、可燃原料ガス濃度が燃料リーン側にあって可燃濃度範囲域を外れる酸素含有ガスに、下流の各混合ステージで準備した可燃原料ガスを混合し、混合最終ステージにおいて所望の可燃濃度範囲域に到達させることが好ましい場合もあり（請求項３）、プロセスに応じて所望の混合方法を選択することが出来る。
【００２２】
請求項１乃至３の本発明の可燃ガス混合方法は、請求項４以下の可燃ガス混合器によって実施される。
請求項４の本発明の可燃ガス混合器に依れば、ガスノズルによって形成されるガス噴流と、下流の各混合ステージにおいて旋回混合手段が形成させる旋回流との間に強い混合剪断層が形成され、各混合ステージで均一な混合ガスを生成させることができる。そして、各混合ステージ位置で生成される混合ガス中のガス成分濃度を順次変化させ、混合最終ステージ位置において均一な所望の可燃濃度範囲域に到達させた予混合ガスを得ることができる。
【００２３】
プロセスで使用する可燃原料ガスと酸素含有ガスの割合が、燃料過濃側にあれば、ガスノズルによって可燃原料ガスを噴出させ、その噴流の外側に酸素含有ガスを同軸で供給し、可燃原料ガスと酸素含有ガスの割合が燃料希薄側にあれば、ガスノズルによって酸素含有ガスを噴出させ、その噴流の外側に可燃原料ガスを同軸で供給すれば、混合器は常に燃えにくい状態で混合されることになり、最終的には可燃濃度範囲に入る混合気も安全に生成することができる。
【００２４】
請求項５の本発明に依れば、各区画プレートのガスノズル及び旋回混合手段を同軸に積層して混合器セルユニットを形成させるようにしたので、混合器にガスノズル及び旋回混合手段を取り付けた各区画プレートを積層するだけで、混合器の組み立てができ、請求項６の本発明のように、各区画プレートにガスノズル及び旋回混合手段を複数個取り付けると、混合器セルユニットを必要に応じた数だけ形成させることができ、合成ガス製造プラント等のプロセス装置の大型化に対応させて混合器の容量を大きくしても、均一な濃度の予混合ガスの供給が可能になり、プロセス装置の大型化が実現できる。
【００２５】
請求項７の本発明に依れば、旋回混合手段をスワラーで構成し、旋回羽根から流出する旋回流をガイドダクトで混合ステージに案内させて上流からのガス噴流と混合させるので、各区画プレートの積層を容易に実現させ、しかも、請求項８の本発明に依れば、スワラーをスペーサとして、各区画プレートを積層するので、可燃ガス混合器の組み立てが極めて容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明に係る可燃ガス混合方法及び可燃ガス混合器の実施の形態を、図面を参照して説明する。
まず、図１を参照して、本発明に係る可燃ガス混合方法及び混合器が使用されて好適なＣＰＯ法による合成ガス製造プロセスについて説明する。図１に示す製造プロセスでは、理解を容易にし、説明を簡略化するために、天然ガス中の主燃料成分であるメタンから水素ガスを合成するプロセスが示されている。
【００２７】
水素ガスを合成する高圧反応器１内には、触媒層（反応域）２が装着されており、この触媒層２において、後述する部分酸化反応、改質反応、及び水性シフト反応により、水素ガスを主成分とする合成ガスが生成される。そして、反応器１内の触媒層２の直ぐ上流には、本発明に係る可燃ガス混合器１０が備えられている。反応器１には、可燃原料ガスであるメタンガス（ＣＨ4）と、酸素（Ｏ2）及び水蒸気（Ｈ2Ｏ）から成る酸素含有ガスとが供給され、これらの供給ガスは、詳細は後述する方法によって、混合器１０において均一に混合されて上述の触媒層２に供給される。
【００２８】
反応器１に供給されるメタンガス（ＣＨ4）、酸素（Ｏ2）及び水蒸気（Ｈ2Ｏ）の成分比や、供給ガスの圧力・温度は、得ようとする合成ガス成分比等によって適宜値に設定することができるが、これらの供給ガス設定条件が変わると、反応器１内の触媒層温度も大きく変化するので、反応器等の耐久性や安全性を考慮してこれらの供給ガス設定条件が設定される。
【００２９】
図１には、供給ガス設定条件が例示されており、供給ガス成分比を、触媒層２への供給時点で、例えば１０：６：６に調整し、供給ガス圧力及び温度を例えば、４ＭＰａＧ、３００degＣにそれぞれ設定すると、触媒にもよるが、触媒層２の上流触媒層温度は８５０degＣ程度に維持され、改質後の下流触媒層温度は７００degＣ程度になり、水素（Ｈ2）と一酸化炭素（ＣＯ）の合成ガスが成分比で２：１の割合で得られると予測されている。触媒層２での反応速度（触媒温度）の確保や、改質反応温度の設定のために、供給ガス圧力及び温度を、図示しない圧縮機及び熱交換器によって、上述のように高圧、高温に設定している。
【００３０】
上述のように供給ガス成分比、ガス圧力・温度等を調整した可燃原料ガス（メタンガス）と酸素含有ガス（酸素と水蒸気）の予混合ガスが触媒層２に供給されると、反応式１及び２で示す、酸化反応と部分酸化反応（いずれも発熱反応）が生じ、同時に反応式３乃至５で示す、改質反応（吸熱反応）が生じると考えられる。
ＣＨ4＋２Ｏ2＝ＣＯ2＋２Ｈ2Ｏ＋８９１ｋＪ       （反応式１）
ＣＨ4＋1/2Ｏ2＝ＣＯ＋２Ｈ2＋３６ｋＪ           （反応式２）
ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ＝ＣＯ＋３Ｈ2−２５０ｋＪ          （反応式３）
ＣＨ4＋ＣＯ2＝２ＣＯ＋２Ｈ2−２４７ｋＪ        （反応式４）
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ＝ＣＯ2＋Ｈ2−３ｋＪ                （反応式５）
ＣＰＯ法による合成ガス製造方法では、供給ガス中の酸素成分割合がＡＴＲ法に比較して低く、触媒層２において行われる酸化反応は、主として反応式２で示す部分酸化反応が支配的であるが、反応式１で示すメタンと酸素の酸化反応も一部行われる。そして、吸熱量の大きい反応式３の改質反応が同時に行われ、反応式４，５で示す改質反応、水性シフト反応も一部行われる。
【００３１】
供給ガスの酸素がすべて消費されるまで、部分酸化反応や酸化反応が継続するが、上述したとおり、供給ガスの酸素含有量が少ないために、反応式２で示す部分酸化反応、及び反応式３で示す改質反応が支配的に行われ、触媒層温度はせいぜい８５０degＣにしか上昇しない。
酸素成分がすべて消費されて部分酸化反応や酸化反応が終ると、以後は反応式３乃至５の改質反応（水性シフト反応）が支配的になる。これらの反応はいずれも吸熱反応であることから、触媒層２の後流部分に行けば行くほど触媒温度は低下し、触媒出口ではほぼ７００degＣになる。上述のような供給ガス設定条件では、水素（Ｈ2）と一酸化炭素（ＣＯ）の合成ガスが成分比で２：１の割合で得られる。
【００３２】
酸素含有ガス中の酸素量を増加させると、反応式１の酸化反応が支配的になるので、触媒温度が上昇し、吸熱反応である改質反応（式３，４，５）が活発となり、水素の収量が増加することになる。しかしながら、酸素含有ガス中の酸素量を増加させると、従来技術によれば、製造プラント、特に反応器の耐久性や触媒寿命に問題が生じるが、本発明の可燃ガス混合器は、詳細は後述するように、触媒層２への均一な予混合ガスの供給が可能になり、触媒の部分的な（局所的な）過熱が防止できるので、本発明に係る混合器１０で得られる混合ガスの混合特性（均一混合度合い等）にも依るが、達成可能な限度において触媒温度を上げることができ、合成ガスを効率よく製造することができる。
【００３３】
図２は、本発明に係る混合器１０による可燃ガスの混合方法を説明するための概念図であり、例えばメタンのような可燃原料ガス（燃料）と、酸素及び水蒸気からなる酸素含有ガスとの混合により、可燃濃度範囲域にある予混合ガスを生成する混合方法を示している。
予混合ガスを生成するために、先ず、燃料ガスをガスノズル１２から混合場（混合ステージ）に向けて噴出させ、このノズル１２から噴出させたガス噴流に酸素含有ガスを均一に混合させる。本発明では、これらのガスを均一に混合させるために、燃料ガスと酸素含有ガスとを一気に混合させずに、複数の混合ステージを設けて、各ステージで徐々に酸素含有率を高めた均一な混合ガスを生成し、最終混合ステージで所望の酸素含有率の予混合ガスに成るように燃料ガスと酸素含有ガスとを混合させることを特徴にしている。
【００３４】
具体的には、ガスノズル１２の下流位置であって、上流からのガス噴流に順次酸素含有ガスを混合させる混合ステージ１〜３が設けられ、各混合ステージ１〜３に酸素含有ガスを供給するガイドダクト１４〜１６が配設されている。これらのガイドダクト１４〜１６は、各軸線をガスノズル１２の軸線と一致させて順次配設されている。そして、例えば３種類の酸素含有ガス１〜３が準備されており、各ガイドダクト１４〜１６は、酸素含有ガス１〜３をそれぞれ対応する混合ステージ１〜３に導く。
【００３５】
混合ステージ１は、ガスノズル１２の噴口位置ｐ１からガイドダクト１４の出口開口位置ｐ２間に形成され、ガスノズル１２からのガス噴流と酸素含有ガス１とが混合して混合気１が生成される混合領域が対応する。同様に、混合ステージ２は、ガイドダクト１４の出口開口位置ｐ２とガイドダクト１６の出口開口位置ｐ３間に形成され、ダクト１４の出口開口からの噴出する混合気１のガス噴流と酸素含有ガス２とが混合して混合気２が生成される混合領域が対応し、混合ステージ３は、ガイドダクト１６の出口開口位置ｐ３とガイドダクト１８の出口開口位置ｐ４間に形成され、ダクト１６の出口開口からの噴出する混合気２のガス噴流と酸素含有ガス３とが混合して混合気３が生成される混合領域が対応する。
【００３６】
ガスノズル１２からの燃料ガス（メタン）は、ノズル噴口位置ｐ１において、未だ酸素含有ガス１と混合していないので、その燃料濃度割合は、図２（ｂ）に示すように、値１（１００％）である。同図に示す可燃範囲領域（斜線で示される領域）は、４．０ＭＰａＧ、３００degＣに加圧・加熱された燃料ガス（メタン）に、酸素（Ｏ2）及び水蒸気（Ｈ2Ｏ）を成分とする酸素含有ガスを混合し、混合気中のメタン濃度を減少させ、酸素濃度を増加させて予混合気を生成させたとき、予混合気が着火して火炎伝播が可能であるメタン濃度領域を示している。
【００３７】
酸素含有ガス１は、混合ステージ１に供給されるまでには、含有する酸素と水蒸気が十分均一に混合されており、混合ステージ１に供給された時点で燃料ガスと混合しても、可燃範囲域の濃度値にある混合ガスが局所的にも生成されることはない。そして、混合ステージ１に供給される燃料ガスと酸素含有ガス１が出口開口位置ｐ２に到達する時点までには、同ステージ１で十分に撹拌混合されて、燃料濃度が均一な混合気１が生成される。混合ステージ１で生成される混合気は、その可燃原料ガス成分濃度が、可燃範囲領域の濃度に向かって変化するが、ガイドダクト１４の出口開口位置ｐ２近傍では、可燃範囲領域から遠く離れた値に留まる。
【００３８】
酸素含有ガス２も酸素含有ガス１と同様に、混合ステージ２に供給されるまでには、含有する酸素と水蒸気が十分均一に混合されており、このガス２と均一に撹拌・混合された混合気１とが混合ステージ２で出逢って混合しても、可燃濃度範囲にある混合気が局所的にも生成されることはない。ダクト１６の出口開口位置ｐ３近傍では、位置ｐ２での燃料濃度よりも可燃範囲領域に近い濃度値を示すが、可燃範囲領域から離れた値に留まり、安全サイドの混合気が生成される。そして、混合ステージ２においても燃料ガスと酸素含有ガス２とが十分に撹拌混合して、燃料濃度が均一な混合気２が生成される。
【００３９】
混合ステージ３は、混合気２に酸素含有ガス３を加えて、目標とする可燃範囲領域内の濃度値となる混合気３を生成させる混合最終ステージである。酸素含有ガス３も含有する酸素と水蒸気とが十分均一に混合しており、混合気２との混合を順次行うことによって、燃料濃度が均一な混合気３を生成させる。
ダクト１８の出口開口位置ｐ４では、可燃範囲内の燃料濃度の混合気３が生成されるが、この混合ステージ３は、後流に配置される触媒層２と極力接近させて配置することが望ましく、予混合気が可燃域状態で滞留している期間を短く設定するのがよい。
【００４０】
本発明に係る混合気３は、前段の各ステージで順次均一に混合された混合気と酸素含有ガス３とを混合して生成するので、局所的な濃度むらの少ない予混合気を生成させることができ、自発火発生の危険が少なく、混合ステージ３で生成される混合気３が可燃域状態で滞留する期間を極力短く設定することによって、上記自発火の防止のみならず逆火の防止も可能である。
【００４１】
各混合ステージ１〜３で均一混合を得るためには、混合させる２つの流れの境界に剪断層を生じさせ、スケールの小さい乱流によって混合促進を図るのがよい。そのような混合促進方法は、２つの流れに相対速度差を与えることが一般的であり、噴流を対向衝突させて混合する方法や、スタックミキサにより混合する方法等の種々の方法が考えられ、特に限定するものではないが、図３に示すように、スワラー（旋回混合手段、旋回付与手段）を利用して流れに旋回を付与する方法が好適である。
【００４２】
図３は、各混合ステージに供給される燃料ガス、混合気１、混合気２のそれぞれに旋回を与える方法を例示している。ガスノズル１２にはガス噴流に軸方向速度成分に加え、軸回りの旋回速度成分を与えるスワラー（旋回付与手段）１２ａが取り付けられており、スワラー１２ａを出た燃料ガス噴流は、混合ステージ１で出会す酸素含有ガス１との混合境界で混合剪断層を形成して混合促進が図られる。また、混合ステージ２の上流であるダクト１４の出口位置ｐ２には、スワラー１４ａが取り付けられており、混合気１のガス噴流に旋回を与え、混合ステージ３の上流であるダクト１６の出口位置ｐ３には、スワラー１６ａが取り付けられており、混合気２のガス噴流に旋回を与え、各スワラー（旋回付与手段）１４ａ、１６ａは、それぞれのステージでの混合を促進させている。
【００４３】
ガス流れに旋回を与えるスワラーは、ダクト１８の出口位置ｐ４にも設けてもよく、このスワラー１８ａは、混合ステージ３から噴出する混合気３を、軸方向の流れに対して半径方向外方に拡散させる効果を有している。また、上記スワラー１２ａ、１４ａ、１６ａに加え、又はこれらのスワラーに代えて、ガイドダクト１４，１６，１８の上流にスワラー（旋回混合手段）を設けてもよく、これらのスワラーからの２つのガス流れの旋回方向を互いに逆に設定すると剪断層での混合促進に効果的である。
【００４４】
上述の実施形態では、混合ステージを３つ設けて予混合気３を生成させるようにしたが、更に多くの混合ステージを設け、きめ細かく段階的に均一な混合気を順次生成させるようにしてもよい。いずれにしても、本発明においては、混合ステージは少なくとも２以上必要である。
また、酸素含有ガス１〜３は、ガス成分（酸素と水蒸気）がいずれも同じものを使用してもよく、また、互いに異なる成分からなる酸素含有ガスを使用してもよい。更に、上記実施形態での酸素含有ガス１に代えて、水蒸気だけを混合ステージ１に供給し、酸素含有ガスの供給開始ステージを、図２，３で示す上記実施形態における混合ステージ２から始めてもよい。
【００４５】
可燃原料ガスには、メタン以外にもＣＯやエタン等の可燃ガスが含まれてもよいことは勿論であり、その他ＣＯ2、窒素等のガス成分が含まれていてもよい。同様に、酸素含有ガスも酸素や水蒸気以外にもＣＯ2、窒素等のガス成分が含まれていてもよいことは勿論である。
上記実施形態では、ガスノズル１２に可燃原料ガスを噴出させ、ガイドダクトから供給する酸素含有ガスを、ガス噴流の外周から、或いは下流で生成される混合ガスのガス噴流にその外周から混合させたが、逆に、ガスノズル１２から酸素含有ガスを噴射供給させ、そのガス噴流の外周から水蒸気等で希釈された可燃原料ガスを、複数の混合ステージに分けて順次供給し、混合ガス中の原料ガス成分濃度を変化させ、混合最終ステージにおいて可燃濃度範囲域に到達させるようにしてもよい。この場合には、順次生成される混合気の燃料濃度は、燃料リーン側からリッチ側に変化させ、混合最終ステージにおいて可燃濃度範囲域に到達させて予混合ガスを生成することになる。
【００４６】
図４及び図５は、図１に示す反応器１に組み込まれた混合器１０の一実施形態を示す。この混合器１０は、反応器１内の触媒層２の直ぐ上流に配設され、混合器１０は、反応器の大型化に対応して、多数の混合器セルユニット１０Ａを有している。すなわち、混合器１０は、複数の混合ステージのそれぞれを区画する区画プレート２０ａ〜２０ｄ、各区画プレートに取り付けられ、可燃原料ガス（メタン）を供給するガスノズル２２と、ガスノズル２２からのガス噴流或いは各混合ステージで生成される混合ガスのガス噴流の外周に酸素含有ガスを供給する旋回混合手段２４，２６，２８とから成る、多数の混合器セルユニット１０Ａを備えて構成される。
【００４７】
個々の混合器セルユニット１０Ａの構成の詳細を、図５を参照して説明すると、混合ステージ１を区画する区画プレート２０ａ及び２０ｂが、所定の間隔だけ離間させて平行に反応器１内に配設される。同様に、混合ステージ２を区画する区画プレート２０ｂ及び２０ｃが、混合ステージ３を区画する区画プレート２０ｃ及び２０ｄが、それぞれ所定の間隔だけ離間させて平行に反応器１内に配設される。反応器１に収容される各区画プレート２０ａ〜２０ｄは、反応器１の内部形状に合致させて略円盤状をなしている。そして、各区画プレート２０ａ及び２０ｂ間、２０ｂ及び２０ｃ間、並びに２０ｃ及び２０ｄ間には、それぞれ酸素含有ガス１〜３の供給通路が形成され、図示しない供給ポートからそれらの酸素含有ガス１〜３が各通路に供給されるようになっている。最上流側に位置する区画プレート２０ａの上流側面が臨むチャンバ空間には、所定の圧力・温度に加圧・加熱された可燃原料ガス（メタン）が、反応器の燃料供給ポート１ａを介して供給される。
【００４８】
区画プレート２０ａには、ガスノズル２２が取り付けられる。ノズル２２は、上流側に向けて拡開するラッパ状をなし、その下流端２２ａは、混合ステージ１に臨んで開口し、プレート２０ａに溶着されている。ノズル２２は、可燃原料ガスの流れに向かってラッパ状に拡開するために、可燃原料ガスを向かい入れてこれをスムーズに混合ステージ１に導くことができる。
【００４９】
区画プレート２０ｂには、ガスノズル２２の取付対応位置に、且つ、ノズル２２と同軸にスワラー装置（旋回混合手段）２４が取り付けられている。スワラー装置２４は、可燃含有ガス１に旋回成分を付与しながらこれを混合ステージ１に供給するためのもので、周方向に多数の旋回羽根を有すると共に、混合ステージ１で混合させた混合気１をガス噴流として下流側に向かって噴出させるための開口２４ａが形成されており、開口２４ａは、下流の混合ステージ２に向かって突出させ、ノズル状にやや縮径するガイドダクト２４ｂが取り付けられており、ガス噴流をスムーズに案内して混合ステージ２に供給できるようになっている。
【００５０】
区画プレート２０ｃには、ガスノズル２２、スワラー装置２４の取付対応位置に、これらと同軸にスワラー装置（旋回混合手段）２６が取り付けられており、スワラー装置２４と同様に、可燃含有ガス２に旋回成分を付与しながらこれを混合ステージ２に供給するためのもので、周方向に多数の旋回羽根を有すると共に、混合ステージ２で混合させた混合気２をガス噴流として下流側に向かって噴出させるための開口２６ａが形成されており、その開口２６ａは、ガイドダクト２４ｂと同様のガイドダクト２６ｂが取り付けられており、ガス噴流をスムーズに案内して混合ステージ３に供給できるようになっている。
【００５１】
同様に、区画プレート２０ｄにはスワラー装置２８が取り付けられ、その開口２８ａにはガイドダクト２８ｂが取り付けられ、混合ステージ３からの予混合ガスをガス噴流として触媒層２の入口端面に拡散供給させている。
なお、混合ステージ１〜３において燃料ガスと酸素含有ガスをほぼ一定の圧力、温度で順次混合させるので、生成される混合気容積は、順次増加するので、それに応じてスワラー装置２４、２６、２８やガイドダクト２４ｂ、２６ｂ、２８ｂ等の形状も大きいサイズのものを使用することになる。
【００５２】
このように、混合器セルユニット１０Ａは、各区画プレートのガスノズル及びスワラー装置を同軸に積層して形成される。そして、混合器セルユニット１０Ａの各混合ステージ１〜３において生成される混合ガス１〜３は、図２及び３で説明したと同じようにして燃料濃度を変化させ、混合最終ステージ３で所望の可燃範囲領域に到達して、燃料濃度が均一な予混合ガスを生成させることが出来る。
【００５３】
大型の合成ガス製造プラントでは、１個の混合器では触媒層２の上流で均一な予混合ガスを生成することが困難であり、触媒層２の入り口投影面積に応じて必要な個数の混合器セルユニット１０Ａを配置することが必要である。本発明の混合器１０のように、ユニット１０Ａを多数配置することによって、触媒入口端面の全域に亘って均一な予混合気を容易に供給することができ、触媒層２の局所的な過熱を防止することができる。
【００５４】
また、本発明に係る混合器は、区画プレートに配置された混合器セルユニット１０Ａの軸合わせだけを行えばよく、各スワラー装置の高さを均一に揃えておくだけで、スワラー装置がスペーサとなって区画プレートを所定の間隔に離間させて積層することができ、混合器１０の組み立てを極めて容易に行うことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明に係る可燃ガス混合方法及び可燃ガス混合器が好適に適用される、合成ガス製造のための反応器の構成の概略と、反応器内で生じる酸化・改質反応を説明するためのフロー図及びそれに対応させて示した、反応器内温度変化を示すグラフ。
【図２】本発明に係る可燃ガス混合方法による可燃ガス混合手順を示し、図２（ａ）は、各混合ステージで混合されるガスを示すための概念図であり、図２（ｂ）は、同混合手順に対比させて各混合ステージにおける燃料濃度変化を説明するグラフ。
【図３】本発明に係る可燃ガス混合方法及び可燃ガス混合器が好適に適用されるスワラーにより、均一混合方法を例示するための概念図。
【図４】図１に示す反応器１内の構成を示す、一部切開斜視図。
【図５】図４の混合器１０を構成する混合器セルユニット１０Ａの構成を示すための部分断面図。
【符号の説明】
【００５６】
１      反応器
２      触媒
１０    混合器
１０Ａ  混合器セルユニット
１２    ガスノズル
１４，１６，１８  ガイドダクト
１２ａ、１４ａ、１６ａ，１８ａ  スワラー（旋回付与手段）
２２    ガスノズル
２４、２６、２８  スワラー装置（旋回混合手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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