JP6822874B2

JP6822874B2 - 浸炭用雰囲気ガスの生成方法

Info

Publication number: JP6822874B2
Application number: JP2017040306A
Authority: JP
Inventors: 祐司野村; 宏紀天野; 康之山本; 光齋藤
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 2017-03-03
Filing date: 2017-03-03
Publication date: 2021-01-27
Anticipated expiration: 2037-03-03
Also published as: JP2018145471A

Description

本発明は、浸炭用雰囲気ガスの生成方法に関し、詳しくは、原料となる炭化水素系ガスとして天然ガスを使用した浸炭用雰囲気ガスの生成方法に関する。

一酸化炭素と水素とを含む浸炭用雰囲気ガスを生成する方法として、天然ガスやプロパンガスなどの炭化水素系ガスと空気とを混合した原料ガスを、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させて一酸化炭素と水素とを含む浸炭用雰囲気ガスを生成する方法が従来から一般的に用いられている（例えば、特許文献１参照。）。しかし、この方法では、酸素源となる空気中に大量の窒素が含まれていることから、生成した浸炭用雰囲気ガス中の一酸化炭素濃度が２０％以下となり、浸炭処理の効率が低いという問題がある。

また、酸素源として、空気に代えて二酸化炭素ガスを用いることにより、浸炭用雰囲気ガス中の一酸化炭素濃度を高める方法が知られている（例えば、特許文献２参照。）。この方法の場合、煤の発生を抑制するため、原料ガスを高温に加熱して触媒層に通す必要があることから、原料ガスを加熱するための熱量が多大となり、浸炭処理の効率は高められるものの、トータルでのコストが増加するという問題がある。

さらに、空気に代えて酸素ガスを使用することも行われている（例えば、特許文献３参照。）。この方法では、炭化水素系ガスと酸素ガスとの混合ガスが爆発限界を超えた混合比となるため、原料ガスに水蒸気を加える必要があり、一酸化炭素濃度を高めることが難しいという問題がある。

一方、炭化水素系ガスと酸素ガスとを旋回流を形成するようにして燃焼室内に導入し、燃焼室内内で燃焼させることにより、高濃度の一酸化炭素と水素とを含む浸炭用雰囲気ガスを生成する方法が提案されている（例えば、特許文献４参照。）。この方法によれば、炭化水素系ガスとして炭素量が多いプロパンやブタンを使用することにより、高濃度の一酸化炭素と水素とを含む浸炭用雰囲気ガスを得ることができるが、炭素量が少ないメタンを主成分とする天然ガスを炭化水素系ガスとして使用すると、一酸化炭素濃度が低下して
浸炭処理の効率低下をまねくことがあった。

特開２００４−３３２０８０号公報特開２００５−２９０５０９号公報特開２００８−２９０９０５号公報特開２０１５−４１１０号公報

したがって、従来の各種方法では、浸炭処理全体のトータルでのコストを削減することが困難であり、特に、原料の炭化水素系ガスとして天然ガスを使用した場合は、一酸化炭素濃度を十分に高めることが困難であった。

そこで本発明は、原料ガスとして天然ガスを使用しても一酸化炭素濃度が高い浸炭用雰囲気ガスを、安全かつ安定して安価に生成することができる浸炭用雰囲気ガスの生成方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の浸炭用雰囲気ガスの生成方法は、燃焼室の軸線方向におけるガス流れ方向上流側に天然ガスと支燃性ガスとを旋回流を形成させながら導入して旋回火炎を形成し、天然ガスと支燃性ガスとの導入位置より前記燃焼室の軸線方向におけるガス流れ方向下流側から、前記旋回火炎中に二酸化炭素を前記旋回火炎と同方向の旋回流として導入することで、前記燃焼室に天然ガスと支燃性ガスと二酸化炭素とを旋回流を形成させながら導入し、前記燃焼室内の旋回流中で天然ガスと支燃性ガスと二酸化炭素とを燃焼反応させること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生成することを特徴としている。

さらに、本発明の浸炭用雰囲気ガスの生成方法は、前記天然ガスと前記支燃性ガスと前記二酸化炭素の混合割合を、モル比で１：０．２〜０．６：０．２〜０．６に設定することを特徴としている。

本発明の浸炭用雰囲気ガスの生成方法によれば、原料ガスに天然ガスを用いても高濃度の一酸化炭素と水素とを含む浸炭用雰囲気ガスを生成することができるとともに、煤の発生を抑制することもできる。

本発明の浸炭用雰囲気ガスの生成方法を適用可能な浸炭装置の一例を示す系統図である。本発明の浸炭用雰囲気ガスの生成方法の第１形態例を示す説明図である。本発明の浸炭用雰囲気ガスの生成方法の第２形態例を示す説明図である。本発明の浸炭用雰囲気ガスの生成方法の第１参考形態例を示す説明図である。本発明の浸炭用雰囲気ガスの生成方法の第２参考形態例を示す説明図である。本発明の浸炭用雰囲気ガスの生成方法の第３参考形態例を示す説明図である。本発明の浸炭用雰囲気ガスの生成方法の第４参考形態例を示す説明図である。

図１は、本発明の浸炭用雰囲気ガスの生成方法を適用可能な浸炭装置の一例を示す系統図である。この浸炭装置１１は、天然ガスと支燃性ガスと二酸化炭素とを原料ガスにして浸炭用雰囲気ガスを生成する浸炭用雰囲気ガス生成装置１２と、該浸炭用雰囲気ガス生成装置１２で生成した浸炭用雰囲気ガスを冷却する冷却手段である熱交換器１３と、該熱交換器１３で冷却した浸炭用雰囲気ガス中に含まれる煤を除去する煤除去手段であるバブラ１４と、該バブラ１４で煤除去後の浸炭用雰囲気ガス中から水分を除去する除湿器１５と、該除湿器１５で水分除去後の浸炭用雰囲気ガスを使用して鉄系の金属材料に浸炭処理を行う浸炭炉１６と、該浸炭炉１６から排出される排ガス中に含まれている水素や一酸化炭素を燃焼処理するバーナ１７とを備えている。また、浸炭炉１６には、該浸炭炉１６内に炭化水素ガスを導入するための炭化水素ガス導入経路１８が設けられている。

浸炭用雰囲気ガス生成装置１２は、全体的に、軸線を鉛直方向に向けた円筒体からなるもので、最上部には、上端が閉塞された燃焼室２１が設けられ、該燃焼室２１の下方には、燃焼室２１より大径に形成されたガス滞留室２２と触媒充填室２３とが連設されている。燃焼室２１の周壁には、該燃焼室２１内に原料ガスを導入するための第１原料ガス導入部２４と、該第１原料ガス導入部２４の下方に位置する第２原料ガス導入部２５とが設けられており、触媒充填室２３の下方には、生成した浸炭用雰囲気ガスを前記熱交換器１３に向けて導出する生成ガス導出経路２６が設けられている。さらに、第１原料ガス導入部２４及び第２原料ガス導入部２５には、第１流量調節弁２７Ｖを備えた第１原料ガス導入経路２７と、第２流量調節弁２８Ｖを備えた第２原料ガス導入経路２８とがそれぞれ接続されている。

燃焼室２１、滞留室２２及び触媒充填室２３の内径や容積は、浸炭用雰囲気ガス生成装置１２の能力に応じて適宜設定されるものであり、触媒充填室２３には、この種の装置に一般的に用いられている触媒、例えばニッケル触媒が充填されている。熱交換器１３、バブラ１４、除湿器１５、浸炭炉１６などの設備は、一般的な浸炭装置と同様に形成できるので、詳細な説明は省略する。

原料ガスとなる支燃性ガス、例えば酸素ガスと、天然ガス及び二酸化炭素とは、第１原料ガス導入部２４及び第２原料ガス導入部２５からそれぞれ燃焼室２１内に旋回流を形成する状態で導入され、燃焼室２１内での燃焼による燃焼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生成する。生成した浸炭用雰囲気ガスは、バッファ機能を有するガス滞留室２２を経て触媒充填室２３内に充填されている触媒中を通り、メタンなどの未反応成分が触媒反応することによって一酸化炭素及び水素となる。

浸炭用雰囲気ガス生成装置１２で生成した浸炭用雰囲気ガスは、一般的な浸炭装置と同様に、生成ガス導出経路２６から熱交換器１３に導入されて急速に冷却され、バブラ１４で浸炭用雰囲気ガス中の煤などの固形分が除去され、除湿器１５で浸炭用雰囲気ガス中の水分が除去された後、浸炭炉１６に導入される。

第１原料ガス導入部２４及び第２原料ガス導入部２５における原料ガス導入方向は、内面が円筒状に形成された燃焼室２１内に、原料ガスが旋回流を形成するようにそれぞれ設定されている。本発明において、第１原料ガス導入部２４及び第２原料ガス導入部２５から導入する原料ガスの種類は、天然ガスと支燃性ガスと二酸化炭素とであって、天然ガスは、特に限定されるものではなく、メタンを主成分とし、一般的に天然ガスと呼ばれているものを使用することができる。また、支燃性ガスは、空気を使用することも可能であるが、酸素濃度が９３〜１００％の酸素ガスを使用することが好ましい。酸素ガス供給源は、酸素ＰＳＡ装置などの酸素ガス生成装置であってもよく、酸素ガスボンベなどに充填された酸素であってもよい。二酸化炭素は、一般的に二酸化炭素として市販されているものを利用することができ、供給形態も特に限定されるものではない。

図２乃至図７は、本発明の浸炭用雰囲気ガスの生成方法における原料ガス導入状態の各形態例及び各参考形態例を示すもので、図２は、本発明の浸炭用雰囲気ガスの生成方法の第１形態例を示す説明図である。

この第１形態例では、燃焼室２１の軸線方向におけるガス流れ方向上流側に位置する第１原料ガス導入部２４から天然ガスと酸素ガス（Ｏ２）との混合ガスを導入して燃焼させ、燃焼室２１内で旋回火炎を形成するとともに、燃焼室の軸線方向におけるガス流れ方向下流側に位置する第２原料ガス導入部２５から二酸化炭素を、旋回火炎と同方向の旋回流として導入し、前記旋回火炎中に二酸化炭素を導入して混合するようにしている。

図３は、本発明の浸炭用雰囲気ガスの生成方法の第２形態例を示す説明図である。この第２形態例では、燃焼室２１の周方向の４箇所に等間隔で設けられた第１原料ガス導入部２４を、天然ガスを導入する天然ガス導入部２４ａと、酸素ガス（Ｏ２）を導入する酸素ガス導入部２４ｂとして交互に配置し、燃焼室２１内で天然ガスと酸素ガスとを混合して燃焼させるように形成している。下流側の第２原料ガス導入部２５からは、第１形態例と同様に、二酸化炭素を旋回流として導入するようにしている。このように、各原料ガスを独立した状態で導入することにより、各原料ガスの流量、流速の調節が容易かつ確実に行えるとともに、バックファイヤのおそれもなくなる。

図４乃至図７に示す各参考形態例では、第１原料ガス導入部２４と第２原料ガス導入部２５とを一つに纏め、燃焼室２１の一つの円周上に原料ガス導入部３１を等間隔に４箇所設けた構成としている。

図４に示す第１参考形態例では、天然ガスと酸素ガスと二酸化炭素との３種類を全て混合した混合ガスを各原料ガス導入部３１からそれぞれ導入するようにしている。図５に示す第２参考形態例では、酸素ガスを単独で導入する酸素ガス導入部３１ａと、天然ガスと二酸化炭素とを混合した混合ガスを導入する混合ガス導入部３１ｂとを交互に配置している。

図６に示す第３参考形態例では、天然ガスを単独で導入する天然ガス導入部３１ｃと、酸素ガスと二酸化炭素とを混合した混合ガスを導入する混合ガス導入部３１ｄとを交互に配置している。図７に示す第４参考形態例では、二酸化炭素を単独で導入する二酸化炭素導入部３１ｅと、天然ガスと酸素ガスとを混合した混合ガスを導入する混合ガス導入部３１ｆとを交互に配置している。また、周方向の３箇所又は６箇所に原料ガス導入部を設けた場合は、天然ガスと酸素ガスと二酸化炭素とをそれぞれ単独で導入することも可能である。

各形態例及び各参考形態例において、天然ガスと酸素ガスと二酸化炭素との混合割合は、燃焼室２１の内径や導入する原料ガスの流速などの各種条件によっても異なるが、天然ガスの１モルに対して、酸素ガスを０．２〜０．６モルの範囲、特に好ましくは０．２〜０．４モルの範囲とし、二酸化炭素を０．２〜０．６モルの範囲、特に好ましくは０．４〜０．６モルの範囲に設定することにより、煤の発生が少なく、高濃度の一酸化炭素と水素とを含む浸炭用雰囲気ガスを生成することができる。

燃焼室２１内に導入する原料ガスの流速は、燃焼室２１内で十分な旋回流を形成できる流速に設定する必要があり、燃焼室２１の内径などの条件によっても異なるが、１００ｍ／ｓ以上であればよく、通常は、１００〜５００ｍ／ｓの範囲に設定すればよい。燃焼室２１内で十分な旋回流を形成できないと、燃焼反応が十分に進まずに、大量の煤が発生することがある。

このように、原料ガスとなる天然ガスと支燃性ガス（酸素ガス）と二酸化炭素とを旋回流を形成させながら燃焼室２１に導入することにより、原料ガスの燃焼反応を効果的に行
うことができ、炭化水素系ガスとして天然ガスを用いても、高濃度の一酸化炭素と水素とを含む浸炭用雰囲気ガスを効率よく生成することができる。

各原料ガス導入部２４，２５，３１は、一つの円周上に２箇所以上を等間隔で設ければよく、一つの円周上から異なる原料ガスを導入する場合は、異なる原料ガスを交互に導入するように配置することが好ましい。また、原料ガス導入部２４，２５の燃焼室２１の軸線方向の距離は、旋回火炎中に二酸化炭素を導入できればよく、適宜に設定することができ、燃焼室２１の軸線方向に対して原料ガス導入部２４，２５の周方向位置が異なっていてもよい。

なお、燃焼室２１より下流側の各構成機器は、従来の燃焼式浸炭用雰囲気ガス生成装置を備えた浸炭装置、例えば、前記特許文献１に記載された浸炭方法を実施する浸炭装置と同様に構成することができるので、これらの詳細な説明は省略する。

［参考例１］
第１参考形態例に示すように、天然ガスと酸素ガスと二酸化炭素との３種類を全て混合した混合ガスを原料ガス導入部２７からそれぞれ導入した。条件１〜６では、表１に示す混合割合の混合ガスを４箇所の原料ガス導入部３１からそれぞれ導入した。また、条件７〜９では、対向する２箇所の原料ガス導入部３１を使用して2箇所から混合ガスを導入した。燃焼室２１に導入する混合ガスの流速を、条件１〜３では１３０ｍ／ｓ、条件４〜６では６５ｍ／ｓ、条件７〜９では２６０ｍ／ｓにそれぞれ設定した。条件１０では、天然ガスと空気との混合ガスを触媒反応させて浸炭用雰囲気ガスを生成する従来の方法を採用している。

原料ガスの混合割合などを変化させた各条件で生成した浸炭用雰囲気ガス中の一酸化炭素、水素及び残留メタンの濃度と、同一条件でそれぞれ浸炭処理を行った後に測定した有効硬化層深さとを表１に示す。

第１形態例に示すように、４箇所の第１原料ガス導入部２４から天然ガスと酸素ガスとの混合ガスを導入するとともに、４箇所の第２原料ガス導入部２５から二酸化炭素を導入した。天然ガスと酸素ガスと二酸化炭素との混合割合を変化させ、生成した浸炭用雰囲気ガス中の一酸化炭素、水素及び残留メタンの濃度と、浸炭処理を行ったときの有効硬化層深さとを表２に示す。

表１及び表２に示す各条件の結果から、従来の触媒方式（条件１０）では、一酸化炭素の濃度が低いため、浸炭処理後の有効硬化層深さが０．８５ｍｍと浅かったのに対し、条件１〜３、及び条件７〜９及び条件１１〜１３では、一酸化炭素の濃度が４０％以上になり、浸炭処理後の有効硬化層深さを、１．５倍の１．３０ｍｍ程度まで深くできることがわかる。また、有効硬化層深さを従来と同じ０．８５ｍｍ程度にする場合は、浸炭処理に要する時間を短縮することが可能となる。条件４〜６では、燃焼室内で十分な旋回流を形成することができず、未反応のメタン量が多く、大量の煤が発生して浸炭処理を行うことができなかった。

１１…浸炭装置、１２…浸炭用雰囲気ガス生成装置、１３…熱交換器、１４…バブラ、１５…除湿器、１６…浸炭炉、１７…バーナ、１８…炭化水素ガス導入経路、２１…燃焼室、２２…ガス滞留室、２３…触媒充填室、２４…第１原料ガス導入部、２５…第２原料ガス導入部、２６…生成ガス導出経路、２７…第１原料ガス導入経路、２７Ｖ…第１流量調節弁、２８…第２原料ガス導入経路、２８Ｖ…第２流量調節弁、３１…原料ガス導入部、３１ａ…酸素ガス導入部、３１ｂ…混合ガス導入部、３１ｃ…天然ガス導入部、３１ｄ…混合ガス導入部、３１ｅ…二酸化炭素導入部、３１ｆ…混合ガス導入部

Claims

燃焼室の軸線方向におけるガス流れ方向上流側に天然ガスと支燃性ガスとを旋回流を形成させながら導入して旋回火炎を形成し、天然ガスと支燃性ガスとの導入位置より前記燃焼室の軸線方向におけるガス流れ方向下流側から、前記旋回火炎中に二酸化炭素を前記旋回火炎と同方向の旋回流として導入することで、前記燃焼室に天然ガスと支燃性ガスと二酸化炭素とを旋回流を形成させながら導入し、前記燃焼室内の旋回流中で天然ガスと支燃性ガスと二酸化炭素とを燃焼反応させること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生成することを特徴とする浸炭用雰囲気ガスの生成方法。
前記天然ガスと前記支燃性ガスと前記二酸化炭素の混合割合を、モル比で１：０．２〜０．６：０．２〜０．６に設定することを特徴とする請求項１記載の浸炭用雰囲気ガスの生成方法。