(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
可燃性気体を部分的に燃焼させて、高温の気体を発生させる装置であって、
支燃性気体および可燃性気体が噴出し、可燃性気体が部分的に燃焼して、残余の可燃性気体を加熱するバーナと、
バーナを外囲して燃焼室を形成し、加熱された気体の出口を有するハウジングと、
ハウジングの内壁面に配置され、可燃性気体を流通させてバーナに導く通路とを含むことを特徴とする高温気体発生装置。
【請求項２】
前記通路は、前記燃焼室のバーナ側と加熱された気体の出口側との間で、管を巻回して形成されていることを特徴とする請求項１記載の高温気体発生装置。
【請求項３】
前記管は、矩形の断面形状を有することを特徴とする請求項２記載の高温気体発生装置。
【請求項４】
前記可燃性気体は水素含有ガスであり、
前記支燃性気体は酸素含有ガスであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の高温気体発生装置。
【請求項５】
前記ハウジングは大略的に管状であり、
前記バーナには、前記支燃性気体の噴出口が、その軸線方向とハウジングの軸心とが平行となるように設けられ、前記可燃性気体の噴出口が該ハウジングの軸心に向かって傾斜するように設けられることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の高温気体発生装置。
【請求項６】
前記ハウジングは大略的に管状であり、
前記バーナには、前記支燃性気体の噴出口が、その軸線方向とハウジングの軸心とが平行となるように設けられ、前記可燃性気体の噴出口が該ハウジングの軸心を周回するように設けられることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の高温気体発生装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の高温気体発生装置を用いる熱回収型インジェクタを備えることを特徴とする石炭の水添ガス化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素含有ガスなどの可燃性気体を部分的に燃焼させながら、高温に加熱する高温気体発生装置および石炭の水添ガス化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
石炭を原料として天然ガスの主成分であるメタン（ＣＨ4）や、ベンゼン（Ｃ6Ｈ6）等のＢＴＸなどを生成する水添ガス化プロセスでは、８００℃〜１０００℃の範囲、あるいはこの範囲よりもさらに高い温度の水素ガス（Ｈ2）を含む可燃性気体を必要とする。
【０００３】
図７は、水素含有ガスを酸素ガス（Ｏ2）を含む支燃性気体によって部分的に燃焼させ、高温の水素含有ガスを発生させるために用いられる従来の高温気体発生装置の概略的な構成を示す。水素含有ガスの加熱は、バーナ本体１によって行われる。バーナ本体１に水素含有ガスを導く可燃性気体導入ライン２には、可燃性気体昇温装置３が設けられる。可燃性気体昇温装置３には加熱用のヒータ３ａが設けられ、可燃性気体である水素含有ガスを昇温してからバーナ本体１に供給する。昇温された可燃性気体は、昇温気体噴出口４からバーナ本体１内に噴出する。バーナ本体１には、支燃性気体導入ライン５から酸素含有ガスが供給され、燃焼室６内で昇温気体噴出口４から噴出される可燃性気体を燃焼させる。
【０００４】
可燃性気体としての水素含有ガスが支燃性気体としての酸素含有ガスと反応して燃焼を続けるためには、自己着火温度である５５０℃以上に昇温されていることが必要である。この昇温のために、可燃性気体昇温装置３が設けられる。ヒータ３ａによる加熱によって、可燃性気体である水素含有ガスは５５０℃以上に昇温されて、昇温気体噴出口４からバーナ本体１の燃焼室６内に噴出する。燃焼室６内では、水素含有ガスと酸素含有ガスとが反応して燃焼し、１６００℃程度の高温に達する。これによって、燃焼しなかった残余の可燃性気体は加熱され、燃焼後気体噴出口７から外部に噴出する。燃焼室６内の温度は異常な高温になるので、燃焼室６が内部に形成されるハウジング６ａは、冷却機構８で水冷等を行って保護する必要がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図７に示すような従来の高温気体発生装置であっては、バーナ本体１の燃焼室６で、部分燃焼後の水素の温度をより高温度にするには、酸素の使用量を増加させればよい。ただし、部分燃焼後のガス中に水蒸気量が多くなり、水素の比率が低下するという結果を招くので、望ましい方法ではない。また、水素の部分燃焼を継続して行わせるために、イグナイタ等の熱源を設け、強制的に燃焼を継続させる方法も可能である。しかしながら、この方法では酸素量を低減させることには寄与しない。酸素量を減らす目的のためには、部分燃焼前の水素含有ガスの温度をできるだけ高温にすることが望ましく、かつ自己着火温度以上の水素含有ガスを供給することがさらに望ましい。そこで、水素含有ガスを高温にするため、可燃性気体昇温装置３を設けている。また、可燃性気体昇温装置３から昇温気体噴出口４までの間の放熱による熱損失を防ぐため、保温を施す必要もある。
【０００６】
一方、酸素による部分燃焼で水素含有ガスが高温になると、バーナ本体１の燃焼室６のハウジング６ａの内壁面は高温にさらされ、冷却機構８を設けての水冷等の方法によって、冷却する必要がある。
【０００７】
すなわち、図７に示すようなバーナ本体１を用いて、水素含有ガスの部分燃焼による高温の水素含有ガスを得るためには、可燃性気体昇温装置３を用いて水素含有ガスを自己着火温度以上に加熱した後でバーナ本体１で燃焼させ、燃焼室６のハウジング６ａを高温から保護するために冷却機構８を設ける必要がある。ハウジング６ａを冷却機構８で冷却する必要がある。ただし、バーナ本体１での燃焼で発生し、気体を加熱するために使用されるべき熱量の一部は、ハウジング６ａの内壁面から冷却機構８に伝熱し、熱ロスが発生してしまう。また、バーナ本体１と別に可燃性気体昇温装置３が必要となり、ヒータ３ａなど、可燃性気体である水素含有ガスを加熱するための熱源が必要となる。
【０００８】
本発明の目的は、可燃性気体を自己着火温度まで昇温させるための加熱装置を必要とせず、かつ燃焼室のハウジングでの熱ロスを低減することができる高温気体発生装置を提供することである。
【０００９】
また本発明の他の目的は、効率的に石炭からＢＴＸなどを発生させることができる石炭の水添ガス化装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、可燃性気体を部分的に燃焼させて、高温の気体を発生させる装置であって、
支燃性気体および可燃性気体が噴出し、可燃性気体が部分的に燃焼して、残余の可燃性気体を加熱するバーナと、
バーナを外囲して燃焼室を形成し、加熱された気体の出口を有するハウジングと、
ハウジングの内壁面に配置され、可燃性気体を流通させてバーナに導く通路とを含むことを特徴とする高温気体発生装置である。
【００１１】
本発明に従えば、可燃性気体を部分的に燃焼させて高温の気体を発生させる高温気体発生装置は、バーナと、ハウジングと、通路とを含む。バーナは、支燃性気体および可燃性気体が噴出し、可燃性気体が部分的に燃焼して、残余の可燃性気体を加熱する。ハウジングは、バーナを外囲して燃焼室を形成し、加熱された気体の出口を有する。通路は、ハウジングの内壁面に配置され、可燃性気体を流通させてバーナに導く。可燃性気体は、通路を通ってバーナに導かれるので、バーナでの燃焼によって発生する熱によって加熱され、バーナに導かれるまでに自己着火温度以上にまで昇温させることができる。バーナの燃焼によって発生する熱のうち、ハウジングの内壁面に伝熱する熱は、通路内を流通する可燃性気体によって回収され、ハウジングの内壁面に達する熱は減少するので、ハウジングの内壁面の冷却機構は不要となる。
【００１２】
また本発明で前記通路は、前記燃焼室のバーナ側と加熱された気体の出口側との間で、管を巻回して形成されていることを特徴とする。
【００１３】
本発明に従えば、通路が燃焼室のハウジングの内壁面で、バーナ側と加熱された気体の出口側との間で、管を巻回して形成されるので、燃焼室の出口側からバーナ側へ管内に可燃性気体を流通させながら、バーナに可燃性気体を自己着火温度以上に昇温させて噴出させることができる。
【００１４】
また本発明で前記管は、矩形の断面形状を有することを特徴とする。
本発明に従えば、燃焼室の内壁面に巻回して可燃性気体の通路を形成する管は、断面形状が矩形であるので、燃焼室のハウジングの内周面を隙間なく覆って、熱を効率的に回収して、可燃性気体の昇温を行うことができる。また、ハウジングへの高温ガスの洩れを避けることができる。
【００１５】
また本発明で前記可燃性気体は水素含有ガスであり、
前記支燃性気体は酸素含有ガスであることを特徴とする。
【００１６】
本発明に従えば、水素含有ガスを酸素含有ガスによって部分的に燃焼させ、高温の水素含有ガスを効率的に発生させることができる。
【００１７】
また本発明で前記ハウジングは大略的に管状であり、
前記バーナには、前記支燃性気体の噴出口が、その軸線方向とハウジングの軸心とが平行となるように設けられ、前記可燃性気体の噴出口が該ハウジングの軸心に向かって傾斜するように設けられることを特徴とする。
【００１８】
本発明に従えば、大略的に管状のハウジング内に燃焼室が形成され、バーナではハウジングの軸心と平行に支燃性気体が噴出し、可燃性気体はハウジングの軸心に向かって傾斜するように噴出するので、可燃性気体が部分的に支燃性気体によって燃焼して加熱された後、ハウジングの内周面に配置されている通路側に向かって流れ、通路内を流通する可燃性気体を効率良く加熱することができる。
【００１９】
また本発明で前記ハウジングは大略的に管状であり、
前記バーナには、前記支燃性気体の噴出口が、その軸線方向とハウジングの軸心とが平行となるように設けられ、前記可燃性気体の噴出口が該ハウジングの軸心を周回するように設けられることを特徴とする。
【００２０】
本発明に従えば、バーナでは、支燃性気体の噴出口を周回するように可燃性気体の噴出口が設けられているので、可燃性気体の一部が支燃性気体によって燃焼している周囲を可燃性気体で覆い、可燃性気体の加熱を効率的に行うことができる。
【００２１】
さらに本発明は、前述のいずれかの高温気体発生装置を用いる熱回収型インジェクタを備えることを特徴とする石炭の水添ガス化装置である。
【００２２】
本発明に従えば、効率良く高温の水素含有ガスを発生させることができるので、石炭の水添ガス化も効率良く行うことができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の第１形態としての高温気体発生装置１０の概略的な構成を示す。バーナ本体１１は、可燃性気体である水素含有ガスを、支燃性気体である酸素含有ガスによって部分的に燃焼させ、残余の水素含有ガスを燃焼による熱によって加熱する。水素含有ガスをバーナ本体１１に供給する経路は、可燃性気体導入ライン１２と可燃性気体加熱コイル１３と昇温気体噴出口１４とによって構成される。バーナ本体１１に導入される酸素含有ガスは、支燃性気体導入ライン１５から供給される。水素含有ガスの酸素含有ガスによる部分的な燃焼は、燃焼室１６内で行われ、燃焼によって加熱された気体は燃焼後気体出口１７から外部に噴出する。可燃性気体である水素含有ガスは、オリフィス１８を介してガスヘッダ１９から可燃性気体導入ライン１２に供給される。燃焼室１６は、大略的に円筒状のハウジング２０内に設けられ、支燃性気体導入ライン１５から供給される酸素含有ガスは、ハウジング２０の軸心２０ａと平行な軸線を有する支燃性気体噴出口２１から燃焼後気体出口１７の方向に噴出する。昇温気体噴出口１４は、ハウジング２０の軸心２０ａに対して平行ではなく、傾斜あるいは直交するように配置されている。なお、オリフィス１８およびガスヘッダ１９は、複数のバーナ本体１１を用いる場合に必要であり、バーナ本体１１が単一のときは用いないこともできる。また、水素含有ガスおよび酸素含有ガスの流量は、流量制御弁２２，２３によってそれぞれ調整することができる。
【００２４】
図２は、図１の高温気体発生装置１０の基本的な構成を簡略化して示す。ハウジング２０は、内径がＤの円筒状であり、その内周面には直径がφの円管による可燃性気体加熱コイル１３が巻回されている。可燃性気体加熱コイル１３の円長長さをＬとする。ハウジング２０内の圧力は、１〜７Ｐａ（１０〜７０ａｔｍ）とする。可燃性気体加熱コイル１３のバーナ本体１１側の端部に設けられる昇温気体噴出口１４から噴出する水素含有ガスの温度をＴｉｎ、ハウジング２０の燃焼後気体出口１７から噴出する加熱後気体温度をＴｏｕｔ、ハウジング２０の内壁面の温度をＴｓｕｒｆとする。また、バーナ本体１１側に供給する水素含有ガスの流量を標準状態でＱＨ2とし、酸素含有ガスの流量を標準状態でＱＯ2とする。
【００２５】
次の表１は、２つの実施例について得られる結果を示す。
【表１】
0004666242.tif 000002
【００２６】
また、可燃性気体としての水素含有ガスに対する支燃性気体としての酸素含有ガスの体積％と図１の可燃性気体導入ライン１２に導入される水素含有ガスの導入温度とに対し、昇温後水素温度Ｔｉｎと燃焼後ガス温度Ｔｏｕｔとの関係についての測定結果の例を次の表２に示す。
【表２】
0004666242.tif 000003
【００２７】
表１から、ハウジング２０の内壁面の温度Ｔｓｕｒｆは、燃焼後気体出口１７から噴出する燃焼後ガス温度Ｔｏｕｔよりも低く抑えることができ、通常の耐熱性金属材料でハウジング２０を形成すれば、特に水冷などで冷却しなくてもよいことが判る。これによって、熱ロスを防ぐことができる。また、昇温後水素温度Ｔｉｎを酸素含有ガスに対する自己燃焼温度５５０℃よりも昇温させてバーナ本体１１に供給することができるので、燃焼室１６内での部分燃焼および高温度を維持可能であることが判る。表２からは、酸素含有ガスの体積％を５．５％から７．０％に約１．５％増加させることによって、燃焼後ガス温度Ｔｏｕｔを８５０℃前後から１０５０℃まで約２００℃の上昇が可能であることが判る。
【００２８】
図３は、本発明の実施の第２形態としての高温気体発生装置３０の概略的な構成を示す。本実施形態で、図１に示す実施形態の高温気体発生装置１０に対応する部分には同一の参照符を付し、重複する説明を省略する。高温気体発生装置３０のバーナ本体３１は、昇温後の可燃性気体を燃焼室１６内に噴出させる昇温気体噴出口３４を、支燃性気体噴出口２１を中心とした同心円となるような環状に形成する。これによって、支燃性気体噴出口２１から軸心２０ａに平行に噴出される支燃性気体の周囲を可燃性気体が覆うようにすることができる。図３（ａ）に示すように、可燃性気体噴出口３４は、支燃性気体噴出口２１の周囲の径よりも、軸心２０ａで燃焼後気体出口１７から遠ざかる入口側の方が径が大きくなるように傾斜して形成されている。このように昇温気体噴出口３４は、支燃性気体噴出口２１を周回し、さらに支燃性気体の噴出方向に対して傾斜して噴出するので、水素含有ガスの部分的な燃焼で加熱された後、ハウジング２０の内壁面に巻回されている可燃性気体加熱コイル１３を有効に加熱することができる。
【００２９】
図１または図３に示す実施形態の高温気体発生装置１０，３０では、燃焼後気体出口１７の径を変えることによって、高温気体の噴出速度を、１．０ｍ／ｓから２５０ｍ／ｓまでの範囲で制御することができる。また、可燃性気体導入ライン１２および支燃性気体導入ライン１５にそれぞれ流量制御弁２２，２３を設けておくことによって、可燃性気体と支燃性気体との流量比を０．１〜５０の範囲内で設定することができる。
【００３０】
図４は、本発明の実施の第３形態としての高温気体発生装置４０の概略的な構成を示す。本実施形態で、図１または図３に示す実施形態の高温気体発生装置１０，３０に対応する部分には同一の参照符を付し、重複する説明を省略する。本実施形態の高温気体発生装置４０では、可燃性気体加熱コイル４３が燃焼後気体出口１７からハウジング２０の内周面を覆ってバーナ本体１１付近の昇温気体噴出口１４まで巻回されて形成されている。可燃性気体導入ライン１２は、燃焼後気体出口１７の部分で可燃性気体加熱コイル４３の一端に可燃性気体である水素含有ガスを導入し、燃焼室１６内部および燃焼後気体出口１７の内周面を保護すると同時に、発生する熱を有効に回収して自己着火温度以上に昇温することができる。
【００３１】
図５は、本発明の実施の第４形態としての高温気体発生装置５０の概略的な構成を示す。本実施形態で、図１、図３または図４に示す実施形態の高温気体発生装置１０，３０，４０に対応する部分には同一の参照符を付し、重複する説明を省略する。本実施形態のバーナ本体５１は、図３の実施形態と同様に、支燃性気体噴出口２１を周回する管状の昇温気体噴出口３４を有する。可燃性気体加熱コイル５３は、図４に示す高温気体発生装置４０の可燃性気体加熱コイル４３と同様に、燃焼後気体出口１７から燃焼室１６の内壁面を覆うように巻回されている。本実施形態の可燃性気体加熱コイル５３は、矩形断面の管５４を巻回して形成されているので、ハウジング２０や燃焼後気体出口１７の内壁面を隙間なく覆って、燃焼室１６で発生する熱を効率良く回収し、可燃性気体である水素含有ガスの昇温に利用することができる。
【００３２】
本実施形態のような矩形断面の管５４は、図１、図３、または図４に示す実施形態でも、可燃性気体加熱コイル１３，４３の円管の代りに用いることもできる。また、本実施形態も、図４に示す実施形態でも、可燃性気体導入ライン１２から導入する可燃性気体である水素含有ガスと支燃性気体導入ライン１５から導入する支燃性気体である酸素含有ガスとの流量比を、図１または図３の実施形態と同様に調整することによって、燃焼後気体出口１７から噴出する気体の温度や組成を変えることができる。
【００３３】
また、以上で説明した各実施形態では、可燃性気体としての水素含有ガスを支燃性気体としての酸素含有ガスで部分的に燃焼させ、高温の水素含有ガスを発生させるようにしているけれども、可燃性気体としては水素含有ガスのほかに、炭化水素など、他の種類の気体を用いることもできる。また支燃性気体としては、酸素ばかりではなく、空気など、酸素を含む気体を用いることもできる。また、装置始動用に点火用のイグナイタを備えるようにしておけばよい。また、可燃性気体や支燃性気体は、必要に応じて予熱を行うようにしてもよい。
【００３４】
図６は、本発明の実施の第５形態として、石炭の水添ガス化装置６０の概略的な構成を示す。石炭供給管６１からは、粉末状の石炭が供給される。石炭供給管６１の開口部の周囲には、複数の熱回収型インジェクタ６２として、前述の高温気体発生装置１０，３０，４０，５０のいずれかを配列し、そのノズル径は、石炭の水添ガス化装置６０の反応器６３内で、生成ガスの循環が適切に行われる範囲とする。このような石炭の水添ガス化装置６０によって、石炭からＢＴＸ等を効率良く生成することができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、バーナによって可燃性気体を部分的に燃焼させる燃焼室の内壁面に通路を配置し、通路内で可燃性気体を昇温させてバーナに導くので、可燃性気体の加熱装置や燃焼室のハウジングの冷却装置を設ける必要はなく、可燃性気体を効率良く自己着火温度以上に昇温させて、燃焼を維持することができ、かつ発生する熱の損失を少なくすることができる。
【００３６】
また本発明によれば、燃焼室の内周面に管を巻回して通路を形成し、燃焼室の出口側からバーナ側に可燃性ガスを導きながら、可燃性ガスを効率的に加熱して昇温させることができる。
【００３７】
また本発明によれば、燃焼室の内壁面に巻回して可燃性気体の通路を形成する管は矩形の断面形状を有するので、燃焼室のハウジングの内壁面を密に覆って効率良く熱の回収を行うことができる。
【００３８】
また本発明によれば、水素含有ガスを酸素含有ガスによって部分的に燃焼させ、燃焼室の内壁面に伝熱する熱を回収して水素含有ガスの自己着火温度以上への昇温用に利用しながら、効率良く高温の水素含有ガスを発生させることができる。
【００３９】
また本発明によれば、可燃性気体の噴出口を、大略的に管状のハウジングの軸心から傾斜させて、ハウジングの内壁面に配置される可燃性気体の通路を効率良く加熱して、可燃性気体の昇温を行うことができる。
【００４０】
また本発明によれば、支燃性気体の噴出口を周回するように、可燃性気体の噴出口を設け、可燃性気体の部分的な燃焼で残余の可燃性気体を効率的に加熱することができる。
【００４１】
さらに本発明によれば、石炭の水添ガス化を効率良く行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の第１形態としての高温気体発生装置１０の概略的な構成を示す簡略化した断面図である。
【図２】図１の高温気体発生装置１０の原理を簡略化して示す断面図である。
【図３】本発明の実施の第２形態としての高温気体発生装置３０の概略的な構成を示す簡略化した断面図である。
【図４】本発明の実施の第３形態としての高温気体発生装置４０の概略的な構成を示す簡略化した断面図である。
【図５】本発明の実施の第４形態としての高温気体発生装置５０の概略的な構成を示す簡略化した断面図である。
【図６】本発明の実施の第５形態としての石炭の水添ガス化装置６０の概略的な構成を示す簡略化した断面図である。
【図７】従来からの高温気体発生装置の概略的な構成を示す簡略化した断面図である。
【符号の説明】
１０，３０，４０，５０  高温気体発生装置
１１，３１，４１，５１  バーナ本体
１２  可燃性気体導入ライン
１３，４３，５３  可燃性気体加熱コイル
１４，３４  昇温気体噴出口
１５  支燃性気体導入ライン
１６  燃焼室
１７  燃焼後気体出口
１９  ガスヘッダ
２０  ハウジング
２０ａ  軸心
２１  支燃性気体噴出口
５４  管
６０  石炭の水添ガス化装置
６１  熱回収型インジェクタ
６３  反応器
【図１】
0004666242.tif 000004
【図２】
0004666242.tif 000005
【図３】
0004666242.tif 000006
【図４】
0004666242.tif 000007
【図５】
0004666242.tif 000008
【図６】
0004666242.tif 000009
【図７】
0004666242.tif 000010