專利名稱：轉化爐的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及對干餾煤得到的焦爐煤氣進行轉化而生成富含一氧化碳及氫的轉化 氣體的轉化爐。
背景技術：
例如，在非專利文獻1中，提出有對干餾煤得到的焦爐煤氣進行轉化而生成富 含一氧化碳及氫的轉化氣體的轉化爐。根據(jù)該文獻，從圓筒狀的轉化爐的切線方向導入 伴隨氧的焦爐煤氣，使轉化氣體的一氧化碳和氫富集。然而，由于形成回旋流，因此轉 化爐中的焦爐煤氣的壓力損失變大。而且，在回旋流的作用下，焦爐煤氣在轉化爐內的 實際的流速下降，裝置成為大型化。此外，在該文獻中，從密閉圓筒狀的轉化爐的一端 的平板狀的頂部導入伴隨氧的焦爐煤氣。然而，由于從頂部導入的焦爐煤氣急速擴大而 形成旋渦，因此壓力損失變大。相對于此，減少壓力損失的結構的轉化爐在專利文獻1中提出。該文獻中，在 立式轉化爐的頂部設置焦爐煤氣的導入口和自導入口擴展的擴徑部，在擴徑部的傾斜面 上設置多個向反應流路內噴出氧的噴嘴。由此，從轉化爐的頂部中心導入焦爐煤氣，利 用氧使焦爐煤氣不完全燃燒而形成iioo°c i3oo°c，對焦爐煤氣中的碳化氫進行熱分解 而生成富含一氧化碳及氫的轉化氣體。此外，根據(jù)該文獻，從轉化爐的底部側壁上設置 的排出口排出轉化氣體。另外，在專利文獻2中，提出有如下的轉化爐利用氧使熱分解廢棄物得到的 熱分解氣體不完全燃燒而形成為800°C以上，對熱分解氣體中的碳化氫進行熱分解而生成 富含一氧化碳及氫的轉化氣體。該文獻的轉化爐與專利文獻1相同地，從立式轉化爐的 頂部中心導入熱分解氣體和氧而進行轉化，從底部側壁上設置的排出口排出轉化氣體。專利文獻1 日本特開2000-273473號公報；專利文獻2 日本特開2007-246620號公報。非專利文獻 1: Masaki Onozaki, et al "Hydrogen production by the partialoxidation and steam reforming of tar from hot coke oven gas” Fuel Vol.85 (2006), p.143—149.然而，要求進一步提高轉化氣體的一氧化碳及氫的富集率。相對于此，專利文 獻1、2的反應流路朝向排出口彎曲，因此存在該部分的轉化氣體的壓力損失變大的問 題。進而，氣體的流動在排出口附近成為偏流，碳化氫和氧的轉化反應受損，因此在提 高轉化氣體的一氧化碳及氫的富集率方面還有余地。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的課題在于，減少轉化爐中的焦爐煤氣及轉化氣體的壓力損 失，并且與現(xiàn)有技術相比，提高轉化氣體的一氧化碳及氫的富集率。為了解決上述課題，本發(fā)明提供一種轉化爐，其利用氧化劑使干餾煤得到的焦 爐煤氣不完全燃燒而生成轉化氣體，所述轉化爐的特征在于，具備筒狀的反應流路，該筒狀的反應流路的兩端設有導入焦爐煤氣的導入口和排出轉化氣體的排出口，反應流路 包括自導入口擴展的擴徑部、朝向所述排出口變窄的縮徑部和夾在擴徑部與縮徑部之間 的筆直的主體部，在擴徑部的傾斜面上，朝向反應流路的截面中心部設有多個向反應流 路內噴出氧化劑的氧化劑噴嘴。由此，通過將擴徑部形成為例如圓錐狀或棱錐狀，使導入的焦爐煤氣的流動慢 慢擴展，不會產(chǎn)生旋渦等紊流，而被整流后的焦爐煤氣向主體部引導。另一方面，由于 從傾斜面噴出氧化劑，因此將焦爐煤氣與氧化劑混合，使焦爐煤氣不完全燃燒。由此， 成為高溫的焦爐煤氣與氧化劑的混合體被導入主體部，焦爐煤氣與氧化劑進一步均勻混 合，進行以不完全燃燒為熱源的轉化反應。生成的轉化氣體由于導入口與排出口同軸流 動，因此不會在主體部的流動中引起偏流地排出。因此，能夠減少導入轉化爐的焦爐煤 氣及轉化氣體的壓力損失，并且與現(xiàn)有技術相比，能夠提高轉化氣體的一氧化碳及氫的 富集率。這種情況下，反應流路的中心軸與擴徑部的傾斜面所成的角度優(yōu)選為不超過 30°的角度。與此相反，傾斜角超過30°時，由于導入的焦爐煤氣變寬而形成旋渦，因 此有可能妨礙主體部的均勻的流動。另一方面，傾斜角過小時，擴徑部變長，轉化爐大型化。另外，優(yōu)選將主體部的流路截面形成為導入口的10倍以上的尺寸。由此，能夠 使焦爐煤氣的流速降低為十分之一以下，能夠延長在反應流路中的滯留時間，因此能夠 進一步促進轉化反應。另外，優(yōu)選將氧化劑噴嘴的中心軸相對于反應流路的中心軸偏心設置。由此， 能夠在反應流路內形成回旋流，能夠提高氧化劑的混合性，因此能夠進一步促進轉化反應。另外，優(yōu)選使各氧化劑噴嘴的中心軸的延長線在比擴徑部的下游端靠上游側的 位置與從導入口導入的焦爐煤氣流交叉。即，使氧化劑集中在反應流路的入口側的擴徑 部內，混合氧化劑與焦爐煤氣。由此，能夠促進反應流路的上游的擴徑部中的焦爐煤氣 的不完全燃燒，從而能夠使反應流路內急速升溫，促進轉化反應。發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明，能夠減少轉化爐中的焦爐煤氣及轉化氣體的壓力損失，并且與現(xiàn) 有技術相比，能夠提高轉化氣體的一氧化碳及氫的富集率。


圖1是本發(fā)明的實施方式的轉化爐的側剖面圖。圖2是圖1的A-A線的向視圖。圖3是示出在反應流路內形成強回旋流時的氣體的流動的圖。圖4是示出圖1的溫度計的位置的示意圖。圖5是示出反應流路內的溫度分布的圖。 圖6是示出本發(fā)明的實施例的爐內最高溫度與轉化氣體中的甲烷殘存率的關系 的圖。圖7是示出比較例的反應流路的排出口側的側剖面圖。
圖8是示出擴徑部的傾斜角小時的焦爐煤氣與氧的流動的圖。符號說明1轉化爐3焦爐煤氣5轉化氣體11 導入口13 排出口15反應流路19擴徑部21縮徑部23主體部25傾斜面29氧化劑噴嘴
具體實施例方式以下，基于實 施方式說明本發(fā)明。(實施方式)如圖1、2所示，本實施方式的轉化爐1導入干餾煤得到的焦爐煤氣3，生成富含 一氧化碳及氫的轉化氣體5。轉化爐1的外表面由鋼板的殼體7覆蓋，例如，通過圓筒狀 的耐火材料9形成。轉化爐1的筒的兩端設有導入焦爐煤氣3的導入口 11和排出轉化氣 體5的排出口 13。由此，形成圓筒狀的反應流路15。在導入口 11中經(jīng)由配管連接有未 圖示的焦炭爐。在排出口 13中經(jīng)由配管連接有未圖示的氣體精制設備。接下來，說明本實施方式的特征部的結構。反應流路15包括比導入口 11寬 的圓錐狀的擴徑部19 ；朝向排出口 13變窄的圓錐狀的縮徑部21 ；夾在擴徑部19與縮徑 部21之間的筆直的主體部23。擴徑部19和縮徑部21以對稱結構形成為相同尺寸。擴徑部19和縮徑部21的 中心軸形成為與主體部23同心。擴徑部19的傾斜角度例如反應流路15的中心軸17與 擴徑部19的傾斜面25所成的角度Φ形成為不超過30°。夾在擴徑部19和縮徑部21之間的主體部23的流路截面例如形成為導入口 11的 10倍以上的尺寸。S卩，主體部23的內徑為D，導入口 11的內徑為Di時，主體部截面積 (^ D2/4)與導入口截面積(JiDi2/4)的比存在以下(式1)關系。(Ji D2/4) / ( π Di2/4) >10-(式 1)因此，主體部23和導入口 11的內徑存在以下(式2)的關系。D>3.16Di …(式 2)以滿足該(式2)方式，設計主體部23的內徑D與導入口 11的內徑Di。擴徑部19的傾斜面25上設有多個(本實施方式中為四個)向反應流路15內噴 出氧化劑例如氧27的氧化劑噴嘴29。各氧化劑噴嘴29朝向反應流路15的截面中心部 設置成放射狀。各氧化劑噴嘴29設置成，在比擴徑部19的下游端靠上游側的位置，噴 嘴的中心軸31的延長線與從導入口 11導入的焦爐煤氣3的流動交叉。S卩，從導入口 11導入的焦爐煤氣3的流動中，朝向比導入口 11寬的流速高的焦爐煤氣3的主流，從各氧 化劑噴嘴29噴出氧27。并且，以使噴出的氧27與焦爐煤氣3的主流在反應流路15的上 游側的擴徑部19內交叉的方式，設置各氧化劑噴嘴29。氧化劑噴嘴29設置成，各氧化 劑噴嘴29的中心軸31與傾斜面25所成的角度(K為大致90°。各氧化劑噴嘴29的中 心軸31距反應流路的中心32在同一方向上稍偏離δ的長度。g卩，至少設置兩組成對氧 化劑噴嘴29，使分別成對的各氧化劑噴嘴29對置設置在傾斜面25上，一對氧化劑噴嘴 29設置成，噴嘴的中心軸31相互平行，且距擴徑部19的中心軸相互向相反側遠離。由 此，能夠在反應流路15內形成回旋流。此外，增大δ的尺寸時，回旋力變得過大，焦 爐煤氣3或氧27被按壓到反應流路15的內壁上而氣體的流動偏斜。而且，回旋力增強 時，如圖3所示，形成從反應流路15的下游朝向上游的二次流，在該二次流的作用下， 轉化氣體5返回上游而進行燃燒。因此，以能夠抑制氣體流的偏斜及二次流的方式，考 慮焦爐煤氣3及氧27的流速、反應流路15的尺寸等而適當設計δ的尺寸。各氧化劑噴嘴29的根數(shù)η及內徑dQ設計成例如滿足以下(式3)、(式4)。4< ( π 2/4) / (η π d02/4)《8 …(式 3)^dc^DikSnd。2 …(式 4)
S卩，相對于各氧化劑噴嘴29的流路截面積的總和，導入口 11的流路截面積設計 成4倍以上且8倍以下。反應流路15內的示出最高溫度的位置上設有溫度計24。例如圖4所示，溫度計 24的位置處于各氧化劑噴嘴29的中心軸31與焦爐煤氣3的主流交叉的交叉部33靠反應 流路15的下游側，且溫度計24距交叉部33為接近主體部23的內徑D的長度Da的量。對如此構成的本實施方式的轉化爐的動作進行說明。干餾煤得到的焦爐煤氣3 以氫、一氧化碳、二氧化碳、氮、甲烷及乙烯為主要成分。而且，焦爐煤氣3中含有 苯、甲苯、二甲苯等芳香族、萘、蒽等多環(huán)芳香族、重質的焦油狀物質。將此種焦爐煤 氣3導入反應流路15內，從氧化劑噴嘴29噴射氧27而使其與焦爐煤氣3混合。由此， 焦爐煤氣3進行不完全燃燒。如以下(式5)、(式6)所示，通過該部分燃料的燃燒熱 量，將焦爐煤氣3中的碳化氫及微細的煤粒子轉換成一氧化碳及氫。CmHn+ (m/2) O2 — mCO+ (n/2) H2 …(式 5)C+ (m/2) O2 — mCO ...(式 6)并且，如以下(式7)所示，通過焦爐煤氣3中的水蒸氣將碳化氫轉換成一氧化
碳及氫。CmHn+ (m/2) H2O — (m/2) CO + (n/2+m/2) H2 …(式 7)通過(式5)至(式7)的反應，能夠對焦爐煤氣3進行轉化，生成富含一氧化碳 及氫的轉化氣體5。生成的轉化氣體5從排出口 13排出而在氣體精制設備中進行精制。 精制后的轉化氣體能夠使用于焦炭工廠的燃料、發(fā)電用鍋爐的燃料、城市煤氣的原料、 高爐中的氧化鐵的還原劑等。此外，焦爐煤氣3中的水蒸氣量少時，可以向反應流路15 內噴射水蒸氣。接下來，說明本實施方式的特征動作。導入到反應流路15內的高溫的焦爐煤氣 3沿擴徑部19的傾斜面25慢慢擴大而被整流。整流后的焦爐煤氣3被導向主體部23。 然后，在從氧化劑噴嘴29噴出的氧27的作用下回旋。由此，能夠使焦爐煤氣3與氧27的混合氣體穩(wěn)定回旋，從而將焦爐煤氣3與氧27均勻地混合。其結果，通過焦爐煤氣3 的不完全燃燒，反應流路15內升溫到規(guī)定溫度。成為高溫的焦爐煤氣3與氧27的混合氣體在主體部23中進一步均勻混合。通 過該混合氣體的熱量，焦爐煤氣3中的碳化氫與氧及水蒸氣反應，而被轉換成一氧化碳 及氫。此時，碳化氫與水蒸氣的反應是吸熱反應，因此反應流路15內的溫度分布如圖5 所示，朝向排出口 13慢慢降低。然而，通過擴徑部19將焦爐煤氣3與氧27的混合氣體 整流，并進一步均勻地混入氧27，從而能夠使爐內最高溫度成為例如約1340°C以上。其 結果，能夠將排出口 13附近的溫度維持成例如約1100°C的高溫。進而，整流后的混合 氣體在主體部23中進一步均勻混合。由此，能夠將轉化反應維持到排出口 13附近。此 夕卜，測定表示爐內最高溫度的位置的溫度作為是否發(fā)生轉化反應的目標值。通過轉化反應生成的轉化氣體5由縮徑部21節(jié)流并從與導入口 11同軸的排出口 13排出。由此，在圓錐狀的擴徑部19的作用下，導入的焦爐煤氣3的流動慢慢變寬，不 會發(fā)生旋渦等紊流，焦爐煤氣3被導向主體部23。另一方面，從傾斜面25的各氧化劑噴 嘴29噴出氧27，因此，焦爐煤氣3與氧27混合。此時，在從各氧化劑噴嘴29噴出的氧 27的作用下，焦爐煤氣3成為回旋流，促進與氧27的混合。由此，焦爐煤氣3進行不 完全燃燒，成為高溫的焦爐煤氣3與氧27的混合體被導入主體部23。并且，焦爐煤氣3 與氧27在主體部23中均勻混合，進行將不完全燃燒形成為熱源的轉化反應。由于導入 口 11與排出口 13為同軸的流動，因此生成的轉化氣體5在主體部23的流動中不會引起 偏流而被排出。因此，能夠減少轉化爐1中的焦爐煤氣3與轉化氣體5的壓力損失。進 而，與現(xiàn)有技術相比，能夠提高轉化焦爐煤氣3而得到的轉化氣體5中一氧化碳及氫的富 集率。另外，由于將擴徑部19的傾斜角度形成為例如不超過30°，因此通過擴徑部19 使焦爐煤氣3緩慢變寬，能夠使焦爐煤氣3的流動更均勻。與之相反，傾斜角度超過30° 時，焦爐煤氣3急速擴大而形成旋渦，有可能妨礙主體部23的均勻的流動。另一方面， 傾斜角過小時，擴徑部19變長，轉化爐1大型化。另外，傾斜角緩和時，如圖8所示， 氧27作為氧噴流45與焦爐煤氣3平行地流動到主體部23的下游側，從而與焦爐煤氣3 的混合變慢。另外，通過將主體部23的流路截面形成為規(guī)定尺寸例如導入口的10倍以上的尺 寸，能夠將焦爐煤氣3的流速降低為十分之一以下，從而能夠延長反應流路中的滯留時 間。由此，能夠更均勻地混合焦爐煤氣3與氧27，能夠抑制產(chǎn)生濃度的不均。其結果， 能夠促進轉化反應，并且能夠抑制不完全燃燒引起的煤煙的產(chǎn)生。 另外，優(yōu)選將各氧化劑噴嘴29的中心軸31與傾斜面25所成的角度形成為相同 角度例如大致90°。由此，能夠使氧27集中在反應流路15的上游而使焦爐煤氣3不完全 燃燒，因此能夠使反應流路15內急速升溫到規(guī)定溫度，從而能夠使轉化反應迅速開始。另外，各氧化劑噴嘴29的根數(shù)及流路截面積能夠根據(jù)轉化反應所需的必要的氧 量、焦爐煤氣及氧的流速、導入口 11的流路截面積等適當選擇。例如，相對于各氧化劑 噴嘴29的流路截面積的總和，將導入口 11的流路截面積設計成四倍以上且八倍以下，從 而能夠確?；旌纤璧牧魉偌稗D化反應所需的氧量。
另外 ，反應流路15的軸向長度能夠設計成例如使焦爐煤氣3的滯留時間為3秒 以上。這是本發(fā)明的發(fā)明者們在滯留時間為1.5 15秒的范圍內進行試驗而推導出的 結論。滯留時間在3秒以下時，雖然與氧27的混合良好，但是還排出未分解成分。再 有，能夠設計反應流路15的軸向長度，以使轉化氣體中殘存的碳化氫例如甲烷的濃度成 為1.5%以下。此外，本實施方式的反應流路15形成為圓筒狀，但是并不局限于此，也可以形 成為例如角筒狀。(實施例)以下，說明本發(fā)明的實施例。圖6是示出爐內最高溫度與轉化氣體中的甲烷的 殘存率的關系的圖。此外，作為比較例，示出在圖7的轉化爐中轉化焦爐煤氣3時的數(shù) 據(jù)。比較例的轉化爐與本實施例的轉化爐的不同點在于，未設置擴徑部19而使焦爐煤氣 3從導入口 11朝向主體部23急速擴大。并且，不同點還包括將氧噴嘴40從導入口 11插 入到反應流路15內。如圖6所示可知，本實施例的轉化爐的轉化氣體中的甲烷的殘存率為約1%，焦 爐煤氣3中的碳化氫幾乎都分解成一氧化碳及氫。S卩，本實施例的轉化爐在擴徑部19整 流焦爐煤氣3，使反應流路15的上游側的焦爐煤氣3與氧27均勻混合。其結果，能夠促 進焦爐煤氣3的不完全燃燒，能夠將爐內最高溫度形成為1390°C。并且，生成的轉化氣 體5被縮徑部21整流，從與導入口 11同心的排出口 13排出，因此，主體部23中不產(chǎn)生 偏流。由此，能夠使轉化反應前進到排出口 13附近，能夠幾乎全部分解碳化氫。與此相對，由于比較例的轉化爐使焦爐煤氣3急速擴大，因此產(chǎn)生旋渦等紊 流，焦爐煤氣3與氧27的混合性變差，不完全燃燒不充分。因此，爐內最高溫度僅上 升到1040°C，反應流路的下游側的溫度下降，下游側的轉化反應不充分，甲烷殘留約 23 % ο
權利要求
1.一種轉化爐，其利用氧化劑使干餾煤得到的焦爐煤氣不完全燃燒而生成轉化氣 體，所述轉化爐的特征在于，具備筒狀的反應流路，該筒狀的反應流路的兩端設有導入所述焦爐煤氣的導入口和 排出所述轉化氣體的排出口，該反應流路包括自所述導入口擴展的擴徑部、朝向所述排出口變窄的縮徑部和夾在 所述擴徑部與所述縮徑部之間的筆直的主體部，在所述擴徑部的傾斜面上，朝向所述反應流路的截面中心部設有多個向所述反應流 路內噴出所述氧化劑的氧化劑噴嘴。
2.根據(jù)權利要求1所述的轉化爐，其特征在于，所述反應流路的中心軸與所述擴徑部的傾斜面所成的角度為不超過30°的角度。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的轉化爐，其特征在于，所述主體部的流路截面為所述導入口的10倍以上的尺寸。
4.根據(jù)權利要求1 3中任一項所述的轉化爐，其特征在于，所述導入口為所述各氧化劑噴嘴的流路截面積總和的4倍以上且8倍以下的尺寸。
5.根據(jù)權利要求1 4中任一項所述的轉化爐，其特征在于，所述各氧化劑噴嘴的中心軸與所述擴徑部的傾斜面所成的角度為大致90°。
6.根據(jù)權利要求1 5中任一項所述的轉化爐，其特征在于，所述各氧化劑噴嘴設置成使噴嘴中心軸延長線在比所述擴徑部的下游端靠上游側的 位置與從所述導入口導入的所述焦爐煤氣流交叉。
7.根據(jù)權利要求6所述的轉化爐，其特征在于，在所述噴嘴的中心軸與所述焦爐煤氣交叉的位置下游側的位置設置溫度計，且該溫 度計與該交叉位置的距離為所述主體部的直徑量。
8.根據(jù)權利要求1 7中任一項所述的轉化爐，其特征在于，多個所述氧化劑噴嘴在所述擴徑部的傾斜面上設置成至少使一對氧化劑噴嘴對置，該一對氧化劑噴嘴設置成，噴嘴的中心軸相互平行且距所述擴徑部的中心軸相互向 相反側遠離。
全文摘要
本發(fā)明提供一種轉化爐，減少轉化爐中的焦爐煤氣及轉化氣體的壓力損失，且與現(xiàn)有技術相比，提高轉化氣體的一氧化碳及氫的富集率。轉化爐(1)利用氧化劑使干餾煤得到的焦爐煤氣(3)不完全燃燒而生成轉化氣體(5)，其中，具備在兩端設有導入焦爐煤氣(3)的導入口(11)和排出轉化氣體(5)的排出口(13)的筒狀的反應流路(15)，反應流路(15)包括自導入口(11)擴展的擴徑部(19)、向排出口(13)變窄的縮徑部(21)和夾在擴徑部(19)與縮徑部(21)之間的筆直的主體部(23)，擴徑部(19)的傾斜面上朝向反應流路(15)的截面中心部設有多個向反應流路(15)內噴出氧(27)的氧化劑噴嘴(29)，使焦爐煤氣(3)與氧(27)均勻混合。
文檔編號C01B3/32GK102020244SQ20101022269
公開日2011年4月20日 申請日期2010年6月30日 優(yōu)先權日2009年9月10日
發(fā)明者佐藤一教, 回信康, 石賀琢也, 谷田部廣志 申請人:巴布考克日立株式會社