JP3863916B6 - マルチオリフィス（同軸環状）バーナーを用いた液体炭化水素含有燃料の部分酸化による合成ガスの製造方法 - Google Patents

Description

本発明はマルチオリフィス（同軸環状）バーナーを用いた液体炭化水素含有燃料の部分酸化による合成ガスの製造方法に関する。
特に、本発明はバーナーの長手方向軸に同軸のｎ個の通路又はチャネル（ここでｎは≧４の整数である）の同心円状構成を含むマルチオリフィス（同軸環状）バーナーを通して酸化剤として適用する酸素含有ガスと液体炭化水素含有燃料をガス化ゾーンに供給し、適当な条件下で合成ガスを含むガス流を自熱的に生成する、残油等の液体炭化水素含有燃料の部分酸化方法に関する。
酸化剤として適用する酸素含有ガスは通常は空気、（純）酸素、水蒸気又はその混合物である。更に、ガス化ゾーン内の温度を調節するために、該ゾーンにモデレーターガス（例えば水蒸気、水、二酸化炭素又はその組み合わせ）を供給してもよい。
酸化剤及びモデレーター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を含むガスであり、燃料ガス又は例えばメタノール、アンモニアもしくは炭化水素類の合成原料として使用され、このような合成は気体炭化水素と液体炭化水素（例えばガソリン、中間留分、潤滑油及びワックス）を生じる。
本明細書及び請求の範囲において液体炭化水素含有燃料なる用語は、ガス化剤供給圧力及び温度で液体、エマルジョン又はポンプ輸送可能なスラリーである炭化水素含有燃料を表すために用いる。
このような燃料としては例えばブタン、ペンタン、ヘキサンをはじめ、天然ガソリン、ケロシン、ガス油、ナフサ、ディーゼル燃料、原油、常圧か減圧かを問わずに残油、コールタール、タールサンド油、シェール油を含めた液体全般が挙げられ、自立燃焼を妨げないような割合であれば酸素等の他の原子を含む炭化水素類も包含する。上記液体炭化水素の定義には固体炭質燃料のスラリーも含まれる。
確立方法によると、合成ガスは酸素含有ガスを使用して１０００℃〜１８００℃の範囲の温度及び０．１ＭＰａ〜６ＭＰａ（絶対圧）の範囲の圧力で液体炭化水素等の燃料、特に重質残油を反応容器内で部分酸化することにより製造される。
合成ガスは原油製油所又はその近傍で製造することが多いが、これは製造した合成ガスを中間留分、アンモニア、水素、メタノールの製造原料として、又は例えば製油所の炉の加熱用燃料ガス、もしくはより効率的な方法では発電と発熱を兼用するガスタービンの燃料ガスとして直接利用できるからである。
同軸環状（マルチオリフィス）石油バーナーにおいて、バーナーの寿命はバーナー先端で生じる火炎現象に起因する重度腐食により制限されることが判明した。このような現象により、バーナー内部の温度は過度に高くなり、バーナーに重大な損傷が生じる。
本発明の目的は、酸化剤として適用する酸素含有ガスと炭化水素含有燃料をバーナー出口よりも下流で混合し、バーナーの前面から火炎を上げ、重度腐食（高熱負荷）によるバーナーの損傷を阻止する液体炭化水素含有燃料の部分酸化方法を提供することである。
本発明は、酸化剤として適用する酸素含有ガスと液体炭化水素含有燃料が使用中に常にモデレーターにより分離され且つバーナー前面の外側で分離流として所定時間流れるように、前記バーナーのそれぞれのチャネルを通して酸化剤として適用する酸素含有ガスと液体炭化水素含有燃料をガス化ゾーンに供給する本発明の方法により、上記バーナーの損傷の問題を解決する。
こうして内部リムに生じる火炎は排除され、バーナーの通路間に内部分離壁を形成する有限厚さのバーナー内部ブレードは比較的低温のままであり、バーナー出口近傍の燃料−酸化剤混合物は低反応性であり、内部リムにかかる熱負荷を低減する。
従って、本発明は酸化剤として適用する酸素含有ガス（以下、“Ｘ”と呼ぶ）、モデレーターガス（以下、“Ｍ”と呼ぶ）及び液体炭化水素含有燃料（以下、“Ｆ”と呼ぶ）を実質的に非触媒性のガス発生器の反応ゾーンで反応させることにより合成ガスを製造するための方法を提供するものであり、該方法は、バーナーの長手方向軸に同軸のｎ個の別個の通路又はチャネルの構成を含むマルチオリフィス（同軸環状）バーナーを通して前記燃料及び前記酸化剤を反応ゾーンに注入する段階を含み、ここでｎは≧４の整数であり、前記バーナーの長手方向軸から見て（ｎ−１）番目の通路はｎ番目の通路よりも内側の通路であり、Ｆは通路の１個以上を２〜４０ｍ／ｓの速度で通り、従って少なくとも３個の通路が残り、Ｘは残りの通路の１個以上を２０〜１４０ｍ／ｓの速度で通り、従って少なくとも２個の通路が残り、Ｍは最も外側の通路と、それぞれＦ及びＸが通る任意の２個の通路を分離する残りの通路の１個以上とを５〜１４０ｍ／ｓの速度で通る。
有利には、液体炭化水素含有燃料は粘度１〜１０００ｃＳｔの残油であり、前述のように２〜４０ｍ／ｓの速度で通路の１個以上を通り、酸素含有ガス（酸化剤）は２０〜１４０ｍ／ｓの速度で残りの通路の１個以上を通り、モデレーターガスは５〜１４０ｍ／ｓの速度で残りの通路の１個以上を通る。
ｎ≧４の本発明の別の有利な態様では、酸素含有ガス酸化剤又はモデレーターガスは最も内側の通路も通る。
本発明の有利な態様では、前記各チャネルのガス化ゾーンへの出口でそれぞれの速度を測定又は計算する。速度測定又は計算は目的に適した任意の方法で当業者により実施することができるので、詳述しない。
本発明の別の有利な態様では、モデレーターガスは水蒸気及び／又は水及び／又は二酸化炭素である。更に別の本発明の有利な態様では、ガス化プロセスは０．１〜１２ＭＰａの絶対圧で実施される。
酸素含有ガス（酸化剤）、燃料及びモデレーターをガス化ゾーンに供給するための環状同心円状チャネルの構成を含むマルチオリフィスバーナーはそれ自体公知であり（例えば欧州特許出願公開明細書第０，５４５，２８１号及びドイツ特許出願公開明細書第２，９３５，７５４号参照）、従って、その機械的構造については詳述しない。
通常、このようなバーナーはバーナー出口の多数のスリットと、内部冷却液（例えば水）通路を備える中空壁部材から構成される。通路はバーナー出口で先細になっていてもよいし、そうでなくてもよい。バーナーは、内部冷却液通路を備える代わりに、適切なセラミックもしくは耐火性ライニングで覆うか、又は運転中の又はバーナーの昇温／運転停止状態による熱負荷を阻止する手段をバーナー（前）壁の外側表面の直近に配置してこの手段により懸架してもよい。有利には、１個以上の通路の出口は引っ込んでいてもよいし、突出していてもよい。
以下、実施例により本発明をより詳細に説明する。
表に２種の実施例を含む実験例を示す。この表には次の略記を用いる。
原料１：次の典型的元素組成：
Ｃ ８３．７重量％
Ｈ ８．６重量％
Ｓ ６．８重量％
Ｎ ０．５重量％
Ｏ ０．３重量％
灰分 ０．１重量％
をもつ残留燃料。
この原料の供給温度は２１０〜２９０℃であり、従って、粘度は２５〜２５０ｃＳｔである。
原料２：次の典型的元素組成：
Ｃ ８５．５重量％
Ｈ １３．２重量％
Ｓ ０．５重量％
Ｎ ０．２重量％
Ｏ ０．５重量％
灰分 ０．１重量％
をもつ液体炭化水素混合物。
この原料の供給温度は１００〜１８０℃であり、従って、粘度は１０〜１００ｃＳｔである。
原料３：次の典型的元素組成：
Ｃ ８４．４重量％
Ｈ １０．５重量％
Ｓ ３．７重量％
Ｎ ０．６重量％
Ｏ ０．５重量％
灰分 ０．３重量％
をもつ重質タールと水（エマルジョン）の質量比約１：０．４の混合物。
この原料の供給温度は５０〜１００℃であり、従って、粘度は６０〜６００ｃＳｔである。
酸化剤１：２３０〜２５０℃の温度で純度９９．４％の酸素。
酸化剤２：混合比１：０．０５の酸化剤１／水蒸気の混合物。
モデレーターガス１：３５０〜３８０℃の温度の過熱水蒸気。
３種の実験例（実験例１は参考例；実験例２、３は実施例）を示した。これらの実験例の反応体の分布を示す。典型的合成ガス組成も示す。本明細書及び請求の範囲で使用するｎの値を示し、通路１は第１番目即ち中央の通路である。

ｎ＝６では、下記データを適用可能である。
通路１
反応体の種類：酸化剤２
質量流速（ｋｇ／ｓ）：２．８〜４．２
速度（ｍ／ｓ）：８０〜１２０
通路２〜６：実施例番号１（ｎ＝７）に記載した通路３〜７のデータ参照。
典型的合成ガス組成、反応器圧力及び反応器温度については、実施例番号１（ｎ＝７）の該当データを参照されたい。
バーナー容量に依存して目的に適した任意のスリット幅を適用できることが当業者には理解されよう。
有利には、第１番目即ち中央の通路は７０ｍｍまでの直径をもち、残りの同心円状通路は１〜２０ｍｍの範囲のスリット幅をもつ。
以上の説明から当業者には種々の変形が自明であろう。このような変形も請求の範囲に含むものとする。

Claims (8)

1. 酸化剤として適用する酸素含有ガス（以下、“Ｘ”と呼ぶ）、モデレーターガス（以下、“Ｍ”と呼ぶ）及び液体炭化水素含有燃料（以下、“Ｆ”と呼ぶ）を実質的に非触媒性のガス発生器の反応ゾーンで反応させることにより合成ガスを製造するための方法であって、バーナーの長手方向軸に同軸のｎ個の別個の通路又はチャネルの構成を含むマルチオリフィス（同軸環状）バーナーを通して前記燃料及び前記酸化剤を反応ゾーンに注入する段階を含み、ここでｎは≧４の整数であり、前記バーナーの長手方向軸から見て（ｎ−１）番目の通路はｎ番目の通路よりも内側の通路であり、Ｆは通路の１個以上を２〜４０ｍ／ｓの速度で通り、従って少なくとも３個の通路が残り、Ｘは残りの通路の１個以上を２０〜１４０ｍ／ｓの速度で通り、従って少なくとも２個の通路が残り、Ｍは最も外側の通路と、それぞれＦ及びＸが通る任意の２個の通路を分離する残りの通路の１個以上とを５〜１４０ｍ／ｓの速度で通る前記方法。
2. 液体炭化水素含有燃料が１〜１０００ｃＳｔの粘度をもつ請求の範囲１に記載の方法。
3. プロセス圧が０．１〜１２絶対ＭＰａである請求の範囲１又は２のいずれか一項に記載の方法。
4. 前記燃料が残油である請求の範囲１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 酸素含有ガス（酸化剤）が少なくとも純度９０％の酸素を含む請求の範囲１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記各同心円状チャネルのガス化ゾーンへの出口でそれぞれの速度を測定又計算する請求の範囲１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. モデレーターガスが水蒸気、二酸化炭素、水又はその組み合わせである請求の範囲１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. Ｘ又はＭを最も内側の通路に通す請求の範囲１から７のいずれか一項に記載の方法。