(57)【要約】【課題】変成炉内での温度上昇や温度低下及び煤の発生を抑制し、浸炭用雰囲気ガスとして好適な一酸化炭素を高濃度に含む変成ガスを安定して発生させることができる浸炭用雰囲気ガス発生装置及び方法を提供する。【解決手段】炭化水素と、二酸化炭素、酸素等の源ガスとを混合した原料混合ガスを触媒層を有する変成炉１４に導入し、触媒反応によって一酸化炭素と水素とを含む浸炭用雰囲気ガスを発生する装置において、前記変成炉で触媒反応した変成ガスの一部を変成炉入口側に循環させて触媒反応開始前又は触媒反応初期のガスに合流混合させる変成ガス循環経路１８を設け、変成ガスの一部を変成炉入口側に循環させて触媒反応開始前又は触媒反応初期のガスに合流混合させる。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素と、二酸化炭素、酸素等の源ガスとを混合した原料混合ガスを触媒層を有する変成炉に導入し、触媒反応によって一酸化炭素と水素とを含む浸炭用雰囲気ガスを発生する装置において、前記変成炉で触媒反応した変成ガスの一部を変成炉入口側に循環させて触媒反応開始前又は触媒反応初期のガスに合流混合させる変成ガス循環経路を設けたことを特徴とする浸炭用雰囲気ガス発生装置。
【請求項２】
前記変成ガス循環経路は、前記変成炉出口側の変成ガス導出経路に設けた変成ガス冷却用冷却器の出口経路と、変成炉入口側の原料混合ガス導入経路とを接続するように設けられていることを特徴とする請求項１記載の浸炭用雰囲気ガス発生装置。
【請求項３】
前記原料混合ガス導入経路に、前記原料混合ガスを作動ガスとして前記冷却後の変成ガスの一部を吸引するエゼクターを設置したことを特徴とする請求項２記載の浸炭用雰囲気ガス発生装置。
【請求項４】
炭化水素と、二酸化炭素、酸素等の源ガスとを混合した原料混合ガスを触媒層を有する変成炉に導入し、触媒反応によって一酸化炭素と水素とを含む浸炭用雰囲気ガスを発生する方法において、前記変成炉で触媒反応した変成ガスの一部を変成炉入口側に循環させて触媒反応開始前又は触媒反応初期のガスに合流混合させることを特徴とする浸炭用雰囲気ガスの発生方法。
【請求項５】
前記変成炉で触媒反応した変成ガスを冷却し、該冷却後の変成ガスの一部を循環用変成ガスとして前記原料混合ガスに合流混合させることを特徴とする請求項４記載の浸炭用雰囲気ガスの発生方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、浸炭用雰囲気ガス発生装置及び方法に関し、詳しくは、鋼材製部品等の浸炭処理を効果的に行うことができる組成の浸炭用雰囲気ガスを発生させるための装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一酸化炭素及び水素を含む浸炭用雰囲気ガスを発生させる方法として、ＬＮＧやＬＰＧ等のパラフィン系炭化水素と空気とを混合した後、この混合ガス（原料混合ガス）を高温に保持されたニッケル触媒層を有する変成炉に導入し、空気中の酸素と炭化水素とを触媒反応（変成反応）させて一酸化炭素と水素とを含む変成ガスを得る空気混合法が従来から広く用いられている。
【０００３】
しかし、酸素源として用いる空気には、約７９％（体積％、以下同じ）の窒素が存在するため、得られる変成ガス中の一酸化炭素及び水素の濃度は、ある程度以上にはならず、例えば、メタンを使用したときの一酸化炭素濃度は２０％、ブタンでは２３．５％が限界である。
【０００４】
一方、浸炭処理、特に、高温迅速浸炭処理においては、高温でのガス平衡から、一酸化炭素濃度が低いと炉内で安定した浸炭雰囲気となりにくいため、雰囲気ガス中の一酸化炭素濃度の高いことが求められている。また、一酸化炭素濃度を高くすることは、例えば孔を有する部品を浸炭処理する場合、孔の奥にまで十分に均一に浸炭することができたり、細かい部品を積み重ねてベルト搬送しながら浸炭する場合は、ベルト上の部品の積み重ね厚みを増すことができたりするというメリットがある。
【０００５】
変成ガス中の一酸化炭素濃度を高める方法として、炭化水素に混合する源ガスとして、空気ではなく二酸化炭素や酸素を用いて変成反応させる方法が知られている。理論的には、メタンと酸素とが２：１のモル比で変成反応を行うと、２モルの一酸化炭素と４モルの水素とが生成するので、一酸化炭素濃度約３３．３％、水素濃度約６６．７％の変成ガスが得られることになる。同様に、メタンと二酸化炭素とが１：１のモル比で反応すると、２モルの一酸化炭素と２モルの水素とが生成し、両者の濃度はそれぞれ５０％になる。また、ブタンの場合は、２モルの酸素との反応で、４モルの一酸化炭素と５モルの水素とが生成し、４モルの二酸化炭素との反応では８モルの一酸化炭素と５モルの水素とが生成する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、二酸化炭素や酸素を用いて高濃度の一酸化炭素を発生させようとすると、変成炉内で発生する煤が大きな問題となる。例えば、源ガスとして二酸化炭素を使用した場合、変成反応が吸熱反応であることから、ニッケル触媒層を所定の温度に加熱するヒーターからの熱の供給が部分的に不足し、ニッケル触媒層の一部に温度低下が生じると、その部分で反応が十分に進まずに煤が発生することになる。また、一酸化炭素と二酸化炭素とのガス平衡から、発生する変成ガス中の二酸化炭素の濃度が低い場合にも煤が発生する。このようにして変成炉内で煤が大量に発生すると、ニッケル触媒層が詰って装置の運転を継続できなくなってしまう。
【０００７】
一方、酸素を使用した場合は、変成反応が発熱反応であることから、変性反応初期における炭化水素と酸素との反応熱によって変成炉内の温度が異常に高くなり、構造材が軟化・変形して装置自体が機能不全となったり、一部部材が溶融したりするおそれがあるなど、安全性の点で問題がでてくる。また、炭化水素と酸素との反応で発生した水分と、炭化水素が分解して発生した炭素との反応が吸熱反応であることから、変成反応後期では、前記同様の温度低下が生じることがあり、この場合も煤が発生する可能性がある。
【０００８】
このようなことから、空気に代えて二酸化炭素や酸素を源ガスとして使用することにより、一酸化炭素を高濃度に含む変成ガスが得られることが知られていても、実際の装置においては、安全性や安定性を重視し、源ガスとして空気を使用する空気添加法を採用しているのが実状である。
【０００９】
そこで本発明は、変成炉内での温度上昇や温度低下及び煤の発生を抑制し、浸炭用雰囲気ガスとして好適な一酸化炭素を高濃度に含む変成ガスを安定して発生させることができる浸炭用雰囲気ガス発生装置及び方法を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の浸炭用雰囲気ガス発生装置は、炭化水素と、二酸化炭素、酸素等の源ガスとを混合した原料混合ガスを触媒層を有する変成炉に導入し、触媒反応によって一酸化炭素と水素とを含む浸炭用雰囲気ガスを発生する装置において、前記変成炉で触媒反応した変成ガスの一部を変成炉入口側に循環させて触媒反応開始前又は触媒反応初期のガスに合流混合させる変成ガス循環経路を設けたことを特徴とし、特に、前記変成ガス循環経路が、前記変成炉出口側の変成ガス導出経路に設けた変成ガス冷却用冷却器の出口経路と、変成炉入口側の原料混合ガス導入経路とを接続するように設けられていることを特徴としている。さらに、前記原料混合ガス導入経路に、前記原料混合ガスを作動ガスとして前記冷却後の変成ガスの一部を吸引するエゼクターを設置したことを特徴としている。
【００１１】
また、本発明の浸炭用雰囲気ガス発生方法は、炭化水素と、二酸化炭素、酸素等の源ガスとを混合した原料混合ガスを触媒層を有する変成炉に導入し、触媒反応によって一酸化炭素と水素とを含む浸炭用雰囲気ガスを発生する方法において、前記変成炉で触媒反応した変成ガスの一部を変成炉入口側に循環させて触媒反応開始前又は触媒反応初期のガスに合流混合させることを特徴とし、さらに、前記変成炉で触媒反応した変成ガスを冷却し、該冷却後の変成ガスの一部を循環用変成ガスとして前記原料混合ガスに合流混合させることを特徴としている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の浸炭用雰囲気ガス発生装置の一形態例を示す系統図である。この浸炭用雰囲気ガス発生装置は、原料としての炭化水素と、該炭化水素に混合する源ガスとしての二酸化炭素及び酸素とを原料混合ガスとして使用するものであって、炭化水素供給源１１，二酸化炭素供給源１２及び酸素供給源１３と、触媒層、例えばニッケル触媒層を有する変成炉１４と、該変成炉１４から導出した変成ガスを冷却する冷却器１５と、該冷却器１５の出口経路１６から変成炉入口側の原料混合ガス導入経路１７に循環させる変成ガス循環経路１８とを備えている。
【００１３】
炭化水素供給源１１，二酸化炭素供給源１２及び酸素供給源１３には、炭化水素流量調整器２１、二酸化炭素流量調整器２２及び酸素流量調整器２３がそれぞれ設けられており、さらに、変成炉１４の入口部分には、各供給源から各流量調節器を介して供給される炭化水素、二酸化炭素及び酸素を混合するためのガスミキサー２４が設けられている。また、前記変成炉１４には、ニッケル触媒層を所定温度に加熱するためのヒーター２５及び触媒層の温度を監視するための温度計２６がそれぞれ設けられている。この変成炉１４におけるニッケル触媒層の加熱温度は１０００〜１１００℃、通常は１０５０℃程度である。変成ガス循環経路１８に分岐しない大部分の変成ガスは、浸炭用雰囲気ガスとして供給経路１９から浸炭炉等に供給される。
【００１４】
前記変成ガス循環経路１８には、循環用変成ガスの流量を制御する流量調節弁２７と、循環用変成ガスを原料混合ガスに循環合流させるために必要な圧力に昇圧するための昇圧機２８とが設けられている。この変成ガス循環経路１８からの循環用変成ガスの流量は、原料である炭化水素の種類、原料混合ガス中の炭化水素、二酸化炭素及び酸素の混合比、変成炉１４における触媒反応条件、変成炉１４から出た変成ガスの組成、その他の条件に応じて適当な範囲に設定することができる。通常は、原料混合ガスの流量に対して循環用変成ガスの流量を１０〜３０％程度に設定すればよい。このとき、循環量を多くすると、浸炭用雰囲気ガス発生量に対する変成炉１４の処理量が多くなって装置規模の大型化を招き好ましくなく、循環量が少なすぎると変成ガスを循環させた効果が得られなくなる。
【００１５】
また、変成炉１４から出た変成ガスの組成によっては、冷却前の変成ガスを循環させることも可能であるが、該変成ガス中に水分が多く含まれていると、触媒反応時の温度低下を引き起こしたり、変成ガス中の一酸化炭素濃度低下を招く原因となることがあるので、冷却器１５で変成ガスを冷却し、過飽和の水分をドレンとして除去してから循環させることが望ましい。さらに、変成炉１４内において、触媒層下流側から触媒反応後期のガスを循環用変成ガスとして分岐させたり、循環用変成ガスを変成炉内の触媒層上流側の触媒反応初期のガスに循環合流させるようにしてもよい。
【００１６】
このようにして変成ガスの一部を循環させることにより、循環合流した変成ガスによって原料混合ガスが希釈されることになるので、触媒反応初期における炭化水素と酸素との激しい発熱反応を緩和することができ、変成炉内での温度上昇を抑制することができる。また、全体としての触媒反応が安定化することによって煤の発生を抑制できるとともに、変成ガス中の一酸化炭素濃度の向上も図れる。
【００１７】
図２は、本発明の浸炭用雰囲気ガス発生装置の他の形態例を示す系統図である。なお、前記形態例に示した装置と同一の構成要素には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００１８】
この浸炭用雰囲気ガス発生装置は、循環用変成ガスを原料混合ガスに循環合流させる手段として、前記昇圧機２８に代えてエゼクターによる吸引力を利用した例を示すものである。すなわち、前記原料混合ガス導入経路１７に、原料混合ガスを作動ガスとして前記冷却器１５で冷却後の変成ガスの一部を吸引するエゼクター３１を設置し、このエゼクター３１で循環用変成ガスを吸引することによって循環用変成ガスを原料混合ガスに循環混合させるようにしている。
【００１９】
この場合、炭化水素供給源１１，二酸化炭素供給源１２及び酸素供給源１３から供給される各ガスが、高圧ガスボンベ等からの高圧ガスの場合は、この圧力を利用してエゼクター３１を駆動することができるので、昇圧機２８に比べて設備費や電力費、保守費等を削減することができる。また、このようなエゼクターは、反応性の強い酸素を除く他のガスの供給系に設けることも可能であり、ガスミキサーと兼用することもできる。
【００２０】
なお、浸炭用雰囲気ガスとして供給する変成ガス中の一酸化炭素濃度や水素濃度及びＣｐ値は、原料として使用する炭化水素の種類を適宜選択することにより、ある程度の範囲内で任意に設定することが可能である。また、変成炉１４における温度上昇を抑制するため、原料混合ガスに窒素等の不活性ガスを加えるようにしてもよい。また、源ガスとして二酸化炭素を使用せずに酸素のみ（窒素含有可）を使用することもでき、二酸化炭素のみを使用することも可能である。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、変成ガスの一部を循環させて原料混合ガスを希釈した状態にすることができるので、変成炉での温度上昇や温度低下及び煤の発生を抑制して触媒層の閉塞を抑えることができる。これにより、一酸化炭素濃度が高く、浸炭用雰囲気ガス、特に、高温迅速浸炭処理における浸炭用雰囲気ガスとして最適な組成の変成ガスを安定して長時間発生することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の浸炭用雰囲気ガス発生装置の一形態例を示す系統図である。
【図２】本発明の浸炭用雰囲気ガス発生装置の他の形態例を示す系統図である。
【符号の説明】
１１…炭化水素供給源、１２…二酸化炭素供給源、１３…酸素供給源、１４…変成炉、１５…冷却器、１６…冷却器の出口経路、１７…原料混合ガス導入経路、１８…変成ガス循環経路、１９…供給経路、２１…炭化水素流量調整器、２２…二酸化炭素流量調整器、２３…酸素流量調整器、２４…ガスミキサー、２５…ヒーター、２６…温度計、２７…流量調節弁、２８…昇圧機、３１…エゼクター
【図１】
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【図２】
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