JPH11506410A - 合成ガスの製造プロセスで火炎を安定させる方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 気体炭化水素含有燃料の部分酸化による合成ガスの製造プロセスにおいてバーナー内部の先端部で火炎を安定させる方法であって、ａ）気体炭化水素含有燃料、調節ガス及び酸化剤をバーナーを介して反応器に供給し、調節ガスの質量流量を調節ガス濃度が所定の限界値を超えないように調整し、ｂ）操作条件を火炎がバーナー内部先端部と接触しているように設定し、ｃ）火炎がバーナー内部先端部から浮く場合には、燃料及び／又は酸化剤及び／又は調節ガスの速度及び質量流量を、火炎がバーナー内部先端部で再び安定するように再調整するステップを含み、ステップｃ）で調節ガス濃度がステップａ）の前記限界値を超えないようにする。

Description

【発明の詳細な説明】 合成ガスの製造プロセスで火炎を安定させる方法 本発明は、気体炭化水素含有燃料及び酸素含有ガスの部分的酸化による合成ガ スの製造プロセスで火炎を安定させる方法に関する。 前述のような合成ガス製造プロセスでは、酸化剤として使用する酸素含有ガス と気体炭化水素含有燃料とを、バーナー、例えばバーナーの長手方向軸と同軸の ｎ個［但しｎは２より大きい整数である］の通路又はチャンネルを同心的に配置 したものからなる多重オリフィス（同心環状（ｃｏ−ａｎｎｕｌａｒ））バーナ ーを介してガス化ゾーンに供給し、合成ガスを含む気体流を適当な条件下で自熱 的に生成させる。 前述のような同心環状バーナーは、酸化剤及び炭化水素含有燃料をバーナーの 出口に到達するまで分離しておく実質的に円筒形の内部構造を有する。 酸化剤として使用する酸素含有ガスは通常、空気、（純）酸素もしくは蒸気、 又はこれらを混合したものである。ガス化ゾーンの温度を制御するために、該ゾ ーンには調節ガス（ｍｏｄｅｒａｔｏｒ ｇａｓ）（例えば蒸気、水もしくは二 酸化炭素又はこれらの混合物）を供給し得る。調節ガスは、燃料チャンネル、酸 化剤チャンネル又はバーナーの分離チャンネルを介して供給し得る。 酸化剤及び調節ガスの適用条件は当業者に公知である。 合成ガスは一酸化炭素と水素からなるガスであり、例えば清浄媒体発熱量燃料 ガスとして、又はメタノール、アンモニアもしくは炭化水素を合成するための原 料として使用され、これらの合成では気体炭化水素及び液体炭化水素、例えばガ ソリン、中間留出物、潤滑油及び蝋が得られる。 本明細書の本文及び「請求の範囲」で使用する気体炭化水素含有燃料という用 語は、ガス化装置（ｇａｓｉｆｉｅｒ）供給圧力及び温度で気体状である炭化水 素含有燃料を意味する。 ある確立されたプロセスでは、反応容器内で、酸素含有ガスを使用して、気体 炭化水素のような気体燃料、特に石油ガス又は天然ガスを、１０００℃〜１８０ ０℃の温度及び０．１ＭＰａ〜１２ＭＰａの絶対圧力で部分的に酸化することに より合成ガスを製造する。 合成ガスはしばしば、製油所又はその近傍で製造される。なぜなら、製造した 合成ガスを、中間留出物、アンモニア、水素、メタノールを製造するための原料 として、又は例えば製油所の炉を加熱するための燃料ガス、あるいはより効果的 にはガスタービンで電気及び熱を発生させるための燃料ガスとして直接適用でき るからである。 合成ガスを製造するための部分酸化プロセスで使用するガスバーナーでは、バ ーナーの耐用期間が、高温浸炭（ｃａｒｂｕｒｉｓａｔｉｏｎ）及び酸化に起因 する先端部の収縮（ｒｅｔｒａｃｔｉｏｎ）現象によって制限されることが判明 した。このような現象が起こるとバーナーに重大な損傷が生じ、反応器の稼働時 間が制限される。 そのため、前記現象に対する感受性が既存のバーナーより小さい、耐用期間の 長いバーナーが必要とされている。どのバーナー部分も燃焼ゾーンからの高温ガ スと接触しないように反応体の全体的流れ及び混合パターンを考えたバーナーの 設計は既に提案されており、このようなバーナーは、バーナー摩耗の問題を伴わ ずに高い火炎温度で作動することができる。（“Ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ Ｐｒ ｏｃｅｓｓｉｎｇ”，１９９４年３月，ｐ．４２に記載のＴ．Ｓ．Ｃｈｒｉｓｔ ｅｎｓｅｎ及びＩ．Ｉ．Ｐｒｉｍｄａｈｌの論文“Ｉｍｐｒｏｖｅ ｓｙｎｇａ ｓ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ａｕｔｏｔｈｅｒｍａｌ ｒｅｆｏｒ ｍｉｎｇ”参照。）しかしながら、火炎がバーナーから浮く（ｌｉｆｔ）と、望 ましくない組成変化を起こした生成ガス混合物と反応器内の温度変化とが生じ得 る。その結果、バーナー及びガス化装置のノイズ（１２０ｄＢ以上）及び強い機 械的振動が生起し得る。このような振動は反応器の耐熱ライニングにとって有害 であり得る。 バーナーの性能には火炎の安定化が有利に作用し、従ってバーナー先端部の火 炎を安定させるように注意すべきであることが判明した。 本発明の目的は、前述の問題を解決するバーナー先端部の火炎安定方法を提供 することにある。 従って本発明は、気体炭化水素含有燃料の部分酸化による合成ガスの製造プロ セスでバーナー内部の先端部の火炎を安定させる方法であって、ａ）気体炭化水 素含有燃料、調節ガス及び酸化剤をバーナーを介して反応器に供給し、調節ガス の質量流量を調節ガス濃度が所定の限界値を超えないように調整し、ｂ）操作条 件を火炎がバーナー内部先端部と接触しているように設定し、ｃ）火炎がバーナ ー内部先端部から浮く場合には、燃料及び／又は酸化剤及び／又は調節ガスの速 度及び質量流量を、火炎がバーナー内部先端部で再び安定するように再調整する ステップを含み、ステップｃ）で調節ガス濃度がステップａ）の前記限界値を超 えないようにする前記方法を提供する。 火炎がバーナー先端部と接触するような一般的なバーナー設計条件は当業者に 公知である。 このようにして火炎がバーナー内部先端部で安定し、少量の調節ガスを適用す ることによって、例えばＳｈｅｌｌ Ｍｉｄｄｌｅ Ｄｉｓｔｉｌｌａｔｅｓ Ｐｒｏｃｅｓｓ（ＳＭＤＳ）のような下流プロセスに有利な比較的高いＣＯ／Ｈ₂ 比を有するＣＯ含量の高い生成ガスを製造することができる。バーナー内部先 端部は、このような火炎に耐えることができる適当な材料、例えばセラミック材 料（例えば炭化ケイ素もしくは窒化ケイ素）、貴金属又はその合金（例えばＰｔ 及び／又はＲｈ）で形成する。 火炎はバーナー出口で音を発するため、バーナー内部先端部から火炎が浮いた 状態はノイズレベルの変化によって観察することができる。 ノイズレベルは例えば（耐圧性）圧力変換器で監視する。 火炎の浮きは、光学的手段、例えばバーナーの中央チャンネルのようなチャン ネル内に挿入し得る光学的プローブを用いて監視することもできる。火炎が浮く と種々の火炎スペクトルが発生するため、これらのスペクトルを分析する。 本発明は、特に調節ガス濃度を調整することにより、所与の操作条件、例えば 所与の処理量、圧力、温度等でのバーナー出口に対する火炎の位置／安定化を監 視することができるという考え方に基づくものである。火炎の監視／制御は、組 成が変化する天然ガス原料の場合、又は可変組成の再循環ガスを天然ガス原料に 加える場合には特に重要である。 有利には、蒸気又はＣＯ₂のような調節ガスを例えば３〜１０ｍ／ｓの速度で 、気体炭化水素含有燃料と酸化剤との間のチャンネルに供給し得る。前記チャン ネルの幅は例えば１〜２ｍｍである。 ここで実施例Ａ、Ｂ及びＣを参照しながら、例示の目的で本発明をより詳細に 説明する。 供給原料： 下記の典型的組成を有する天然ガス： ＣＨ₄ ： ９４．４容量％、 Ｃ₂Ｈ₆ ： ３．０容量％、 Ｃ₃Ｈ₈ ： ０．５容量％、 Ｃ₄Ｈ₁₀ ： ０．２容量％、 Ｃ₅Ｈ₁₂ ： ０．２容量％、 ＣＯ₂ ： ０．２容量％、 Ｎ₂ ： １．５容量％。 この原料をバーナーに供給する温度は１５０〜４００℃である。酸化剤は純度 ９９．５％のＯ₂であり、その供給温度は１５０〜３００℃である。 バーナーは、２〜７ＭＰａの典型的反応器圧力及び１２００〜１５００℃の反 応器／合成ガス温度で、火炎安定化モードで作動する。調節ガスは蒸気である。 実施例Ａは、燃料速度が酸化剤速度より大きいバーナー（燃料噴射バーナー） を表し、実施例Ｂ及びＣは酸化剤速度が燃料速度より大きいバーナー（酸化剤噴 射バーナー）を表す。 天然ガス原料が調節ガスも含んでいる場合には、酸化剤に添加し得る調節ガス の最大量を減少させて、火炎を確実に安定化させる。 調節ガスがＣＯ₂又はＮ₂も含んでいる場合には、火炎が確実に安定化するよう に酸化剤中の調節ガスの最大モル濃度を変化させ得る。 これらの減少又は変化は、当業者に公知のように、酸化剤と燃料との予備混合 理論量混合物の火炎層流速度の変化に従って行う。 調節ガスをバーナー出口まで酸化剤に加えず、酸化剤チャンネルと燃料チャン ネルとの間の狭いチャンネル又はスリットに注入する場合には、調節ガスはＣＯ 、Ｈ₂及び炭化水素も合計２０容量％まで含んでいてよい。この場合は、調節ガ スを幅１〜２ｍｍのスリットに典型的速度５〜１０ｍ／ｓで流す。 当業者には明らかなように、バーナーの容量に応じて、前記目的に適した任意 のバーナースリット幅を適用し得る。 有利には、バーナーの第一通路又は中央通路は直径が７０ｍｍ以下であり、残 りの同心通路は１〜２０ｍｍの範囲のスリット幅を有する。 酸化剤速度が燃料速度より大きい時には、酸化剤中の調節ガス濃度が２０容量 ％を超えると、火炎がバーナー内部先端部から浮くことが明らかになった。 燃料速度が酸化剤速度より大きい時には、酸化剤中の調節ガス濃度が３０容量 ％を超えると、火炎がバーナー内部先端部から浮くようである。 当業者には以上の説明から本発明の種々の変形が明らかであろう。これらの変 形は「請求の範囲」に含まれるとみなされる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，Ｓ Ｚ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，Ｉ Ｌ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，Ｒ Ｕ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 ヴエンテインク，ヘンドリツク，マルテイ ヌス オランダ国エヌエル−1031 シー・エム アムステルダム、バトホイスウエヒ ３

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 気体炭化水素含有燃料の部分酸化による合成ガスの製造プロセスにおいて バーナー内部の先端部で火炎を安定させる方法であって、 ａ）気体炭化水素含有燃料、調節ガス及び酸化剤をバーナーを介して反応器に供 給し、調節ガスの質量流量を調節ガス濃度が所定の限界値を超えないように調整 し、 ｂ）操作条件を火炎がバーナー内部先端部と接触しているように設定し、 ｃ）火炎がバーナー内部先端部から浮く場合には、燃料及び／又は酸化剤及び／ 又は調節ガスの速度及び質量流量を、火炎がバーナー内部先端部で再び安定する ように再調整するステップを含み、ステップｃ）で調節ガス濃度がステップａ） の前記限界値を超えないようにする、前記気体炭化水素含有燃料の部分酸化によ る合成ガスの製造プロセスにおいてバーナー内部の先端部で火炎を安定させる方 法。 ２． バーナーが、前記バーナーの長手方向軸と同軸のｎ個［ｎは２以上の整数 である］の通路又はチャンネルを同心的に配置したものからなる多重オリフィス （同心環状）バーナーである請求項１に記載の方法。 ３． 火炎を監視する請求項１又は２に記載の方法。 ４． 火炎を、例えば圧力変換器を用いてノイズ検出により監視する請求項３に 記載の方法。 ５． 火炎を光学的に監視する請求項３に記載の方法。 ６． 火炎を、バーナーのチャンネル内に挿入した光学的プローブによって監視 する請求項５に記載の方法。 ７． 光学的プローブをバーナーの中央チャンネル内に挿入する請求項６に記載 の方法。 ８． リムをセラミック、貴金属又はその合金で形成する請求項１から７のいず れか一項に記載の方法。 ９． 調節ガスを気体炭化水素含有燃料チャンネルと酸化剤チャンネルとの間の チャンネル又はスリットに通す請求項２から８のいずれか一項に記載の方法。 １０． 調節ガスを気体炭化水素含有燃料と一緒に供給する請求項１から８のい ずれか一項に記載の方法。 １１． 調節ガスを酸化剤と一緒に供給する請求項１から８のいずれか一項に記 載の方法。 １２． 調節ガスが蒸気、水、二酸化炭素又はこれらを組合わせたものからなる 請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。 １３． 燃料速度が酸化剤速度がより大きく、調節ガスの質量流量を酸化剤中の 調節ガス濃度が３０容量％以下になるように調整する請求項１から１２のいずれ か一項に記載の方法。 １４． 酸化剤速度が燃料速度より大きく、調節ガスの質量流量を酸化剤中の調 節ガス濃度が２０容量％以下になるように調整する請求項１から１２のいずれか 一項に記載の方法。