(57)【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、前記変成炉として、第一変成炉と第二変成炉とを直列に接続して設け、第一変成炉と第二変成炉との間の経路に、第一変成炉から導出されて第二変成炉に導入される中間変成ガスを急冷して中間変成ガス中の水分を除去する水分除去手段を設けるとともに、該中間変成ガスに炭化水素を添加する炭化水素添加部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】
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、炭化水素の混合割合を低くした状態の前記原料混合ガスを第一変成炉に導入して触媒反応させることにより中間変成ガスを発生させた後、該中間変成ガスを急冷して中間変成ガスに含まれる水分を除去し、該中間変成ガスに炭化水素を添加してから第二変成炉に導入し、触媒反応させることによって浸炭用雰囲気ガスを発生することを特徴とする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、温度低下による煤の発生に関する問題はなくなるが、炭化水素と酸素との発熱反応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。
【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、前記変成炉として、第一変成炉と第二変成炉とを直列に接続して設け、第一変成炉と第二変成炉との間の経路に、第一変成炉から導出されて第二変成炉に導入される中間変成ガスを急冷して中間変成ガス中の水分を除去する水分除去手段を設けるとともに、該中間変成ガスに炭化水素を添加する炭化水素添加部を設け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、炭化水素の混合割合を低くした状態の前記原料混合ガスを第一変成炉に導入して触媒反応させることにより中間変成ガスを発生させた後、該中間変成ガスを急冷して中間変成ガスに含まれる水分を除去し、該中間変成ガスに炭化水素を添加してから第二変成炉に導入し、触媒反応させることによって浸炭用雰囲気ガスを発生することを特徴としている。
【００１２】
なお、本発明において、前述の二酸化炭素、酸素等の源ガスとしては、二酸化炭素のみ、酸素のみ、二酸化炭素と酸素との混合ガスを含むものであり、さらに、これらに希釈ガスとして窒素を混合したものも含んでいる。
【００１３】
【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第一変成炉１４及び第二変成炉１５と、炭化水素供給源１１から第一炭化水素流量調整器１６を介して供給される所定量の炭化水素、二酸化炭素供給源１２から二酸化炭素流量調整器１７を介して供給される所定量の二酸化炭素及び酸素供給源１３から酸素流量調整器１８を介して供給される所定量の酸素を混合する第一ガスミキサー１９と、該第一ガスミキサー１９で混合した原料混合ガスを前記第一変成炉１４に導入する原料混合ガス導入経路２０と、第一変成炉１４で触媒反応することにより発生した一酸化炭素と水素とを含む中間変成ガスを導出する中間変成ガス導出経路２１に設けられた水分除去手段としての第一冷却器２２と、前記炭化水素供給源１１から第二炭化水素流量調整器２３を介して供給される炭化水素を前記中間変成ガスに添加する炭化水素添加部２４と、該炭化水素添加部２４から添加された炭化水素と前記中間変成ガスとを混合する第二ガスミキサー２５と、該第二ガスミキサー２５で混合した混合ガスを前記第二変成炉１５に導入する混合ガス導入経路２６と、第二変成炉１５で触媒反応することにより発生した一酸化炭素と水素とを含む変成ガス（浸炭用雰囲気ガス）を導出する浸炭用雰囲気ガス導出経路２７に設けられた第二冷却器２８と、該第二冷却器２８で冷却された浸炭用雰囲気ガスを分析するガス分析計２９とを備えている。なお、前記第一変成炉１４及び第二変成炉１５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３０及び温度計３１がそれぞれ設けられている。また、両変成炉１４，１５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。
【００１４】
まず、第一変成炉１４には、通常の一段階の変成炉の場合に比べて炭化水素の混合割合を低くした状態の原料混合ガスを導入する。これにより、反応初期における酸素と炭化水素との反応（燃焼発熱反応）を従来より低く抑えることができるので、第一変成炉１４の温度上昇を抑制することができる。また、炭化水素に比べて二酸化炭素や酸素が多い状態で触媒反応を行うので、発生する中間変成ガス中の二酸化炭素量を、変成炉一段で発生させた浸炭用雰囲気ガスよりも多くすることができる。すなわち、一酸化炭素と二酸化炭素とのガス平衡から発生ガス中の二酸化炭素の濃度が低い場合に生じる煤の発生を、二酸化炭素濃度を多くすることによって抑制することができる。
【００１５】
原料混合ガス中の炭化水素の混合量は、二酸化炭素や酸素の量によって異なるが、通常は、中間変成ガス中の一酸化炭素と二酸化炭素との比が適当な範囲に収まるように設定すればよい。例えば、一酸化炭素濃度が３７％の場合には二酸化炭素濃度を３〜５％、一酸化炭素濃度が５０％の場合には二酸化炭素濃度を６〜１０％の範囲に設定することが好ましい。なお、中間変成ガス中の一酸化炭素と二酸化炭素との比においては、一酸化炭素量を二乗した数値と二酸化炭素量とが比例関係を示すので、一酸化炭素量が１．４倍になると、二酸化炭素量の好適量は約２倍となる。
【００１６】
このとき、中間変成ガス中の二酸化炭素量を多くすることにより、煤の発生をより確実に抑制することができるが、この中間変成ガス中に二酸化炭素が大量に存在すると、第二変成炉１５において、この二酸化炭素を一酸化炭素に変換するために必要な炭化水素量が増大し、結果として第二変成炉１５の負荷が増大するので好ましくない。
【００１７】
また、第一変成炉１４から導出した中間変成ガス中には、炭化水素中の水素と、源ガス中の酸素、あるいは、二酸化炭素が分解することによって発生した酸素との反応で発生した水分（水蒸気）が含まれており、この水分は、ガス平衡の関係から、二酸化炭素濃度を増大させることになり、後工程での第二変成炉１５における効率低下を招くことになる。
【００１８】
したがって、第一変成炉１４から導出した中間変成ガスは、中間変成ガス導出経路２１に設けた第一冷却器２２に導入して急冷し、露点が２０℃以下、好ましくは１０℃以下になるように水分を除去する。第一冷却器２２には、ドレン除去機能を有する水冷式の間接熱交換器を使用することができ、該間接熱交換器で中間変成ガスを冷却することにより、飽和水蒸気圧の差で中間変成ガス中の水分を凝縮させて除去することができる。このとき、中間変成ガスを徐冷すると、煤が発生してガス通路を閉塞するおそれがあるため、伝熱面積の大きな間接熱交換器を使用して冷却速度を十分に高めておく必要がある。なお、冷却器とドレン分離器とを併用することも可能であり、他の脱水手段を使用あるいは併用することもできる。
【００１９】
水分除去後の中間変成ガスには、前記炭化水素添加部２４で少量の炭化水素が添加される。この炭化水素の添加量は、中間変成ガス中の過剰な二酸化炭素を一酸化炭素に変換できる量で十分であり、最終的に生成される変成ガス（浸炭用雰囲気ガス）におけるカーボンポテンシャル（Ｃｐ値）が所望の値となるように設定すればよい。
【００２０】
炭化水素添加後の中間変成ガスは、第二ガスミキサー２５で十分に混合された後、混合ガス導入経路２６を通って第二変成炉１５に導入される。この第二変成炉１５においては、主として、炭化水素の分解と、該分解によって生じた炭素や水素と二酸化炭素との反応とが進行する。これらの反応は、吸熱反応であるから、第二変成炉１５が過熱状態になることはなく、また、炭化水素量が少量であるから、煤が発生することもほとんどない。さらに、第二変成炉１５に導入する前に水分を除去しているので、水分による影響もほとんどなく、二酸化炭素の分解を効率よく行うことができる。これにより、一酸化炭素濃度が十分に高く、二酸化炭素濃度が十分に低い浸炭用雰囲気ガスとして最適な組成の変成ガスが得られる。
【００２１】
第二変成炉１５から浸炭用雰囲気ガス導出経路２７に導出した浸炭用雰囲気ガスは、第二冷却器２８で急冷された後、浸炭炉等に供給される。また、浸炭用雰囲気ガス中の二酸化炭素量や酸素量をガス分析計２９で分析し、この分析値に基づいて第二炭化水素流量調整器２３を操作し、中間変成ガスへの炭化水素添加量を調整することにより、第二変成炉１５における反応を最適な状態に制御することができ、所望のＣｐ値を有する浸炭用雰囲気ガスを効率よく得ることができる。
【００２２】
このように、第一変成炉１４では、原料混合ガス中の炭化水素量を少なめにして炉内での温度上昇や煤の発生を抑制し、第二変成炉１５では、水分除去後の中間変成ガスに少量の炭化水素を添加して過剰の二酸化炭素を一酸化炭素にするので、全体として煤の発生を防止しながら高効率で所望の浸炭用雰囲気ガスを安定した状態で得ることができる。
【００２３】
なお、浸炭用雰囲気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、第一変成炉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。さらに、第二変成炉１５における反応が吸熱反応であることから、第二変成炉１５の前段に炭化水素添加後の中間変成ガスを炭化水素の自己分解温度以下に予熱する予熱器を設けることが好ましい。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）を使用した場合でも、炭化水素との混合割合や反応条件を適宜設定することにより、第一変成炉１４から導出される中間変成ガス中の二酸化炭素量を増加させて煤の発生を抑制することができる。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、第一、第二変成炉を直列に接続し、第一変成炉で高濃度の一酸化炭素及び高濃度の炭酸ガスを含む中間変成ガスを発生させるとともに、この中間変成ガスを急冷して中間変成ガス中の水分を除去してから炭化水素を添加し、この炭化水素によって過剰の二酸化炭素を除去する変成反応を第二変成炉で行うようにしたので、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。
【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…第一変成炉、１５…第二変成炉、１６…第一炭化水素流量調整器、１７…二酸化炭素流量調整器、１８…酸素流量調整器、１９…第一ガスミキサー、２０…原料混合ガス導入経路、２１…中間変成ガス導出経路、２２…第一冷却器、２３…第二炭化水素流量調整器、２４…炭化水素添加部、２５…第二ガスミキサー、２６…混合ガス導入経路、２７…浸炭用雰囲気ガス導出経路、２８…第二冷却器、２９…ガス分析計、３０…ヒーター、３１…温度計
【図１】
0003884326.tif 000002