专利名称：转化炉的制作方法
技术领域：
本发明涉及对干馏煤得到的焦炉煤气进行转化而生成富含一氧化碳及氢的转化 气体的转化炉。
背景技术：
例如，在非专利文献1中，提出有对干馏煤得到的焦炉煤气进行转化而生成富 含一氧化碳及氢的转化气体的转化炉。根据该文献，从圆筒状的转化炉的切线方向导入 伴随氧的焦炉煤气，使转化气体的一氧化碳和氢富集。然而，由于形成回旋流，因此转 化炉中的焦炉煤气的压力损失变大。而且，在回旋流的作用下，焦炉煤气在转化炉内的 实际的流速下降，装置成为大型化。此外，在该文献中，从密闭圆筒状的转化炉的一端 的平板状的顶部导入伴随氧的焦炉煤气。然而，由于从顶部导入的焦炉煤气急速扩大而 形成旋涡，因此压力损失变大。相对于此，减少压力损失的结构的转化炉在专利文献1中提出。该文献中，在 立式转化炉的顶部设置焦炉煤气的导入口和自导入口扩展的扩径部，在扩径部的倾斜面 上设置多个向反应流路内喷出氧的喷嘴。由此，从转化炉的顶部中心导入焦炉煤气，利 用氧使焦炉煤气不完全燃烧而形成iioo°c i3oo°c，对焦炉煤气中的碳化氢进行热分解 而生成富含一氧化碳及氢的转化气体。此外，根据该文献，从转化炉的底部侧壁上设置 的排出口排出转化气体。另外，在专利文献2中，提出有如下的转化炉利用氧使热分解废弃物得到的 热分解气体不完全燃烧而形成为800°C以上，对热分解气体中的碳化氢进行热分解而生成 富含一氧化碳及氢的转化气体。该文献的转化炉与专利文献1相同地，从立式转化炉的 顶部中心导入热分解气体和氧而进行转化，从底部侧壁上设置的排出口排出转化气体。专利文献1 日本特开2000-273473号公报；专利文献2 日本特开2007-246620号公报。非专利文献 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，要求进一步提高转化气体的一氧化碳及氢的富集率。相对于此，专利文 献1、2的反应流路朝向排出口弯曲，因此存在该部分的转化气体的压力损失变大的问 题。进而，气体的流动在排出口附近成为偏流，碳化氢和氧的转化反应受损，因此在提 高转化气体的一氧化碳及氢的富集率方面还有余地。
发明内容
本发明所要解决的课题在于，减少转化炉中的焦炉煤气及转化气体的压力损 失，并且与现有技术相比，提高转化气体的一氧化碳及氢的富集率。为了解决上述课题，本发明提供一种转化炉，其利用氧化剂使干馏煤得到的焦 炉煤气不完全燃烧而生成转化气体，所述转化炉的特征在于，具备筒状的反应流路，该筒状的反应流路的两端设有导入焦炉煤气的导入口和排出转化气体的排出口，反应流路 包括自导入口扩展的扩径部、朝向所述排出口变窄的缩径部和夹在扩径部与缩径部之间 的笔直的主体部，在扩径部的倾斜面上，朝向反应流路的截面中心部设有多个向反应流 路内喷出氧化剂的氧化剂喷嘴。由此，通过将扩径部形成为例如圆锥状或棱锥状，使导入的焦炉煤气的流动慢 慢扩展，不会产生旋涡等紊流，而被整流后的焦炉煤气向主体部引导。另一方面，由于 从倾斜面喷出氧化剂，因此将焦炉煤气与氧化剂混合，使焦炉煤气不完全燃烧。由此， 成为高温的焦炉煤气与氧化剂的混合体被导入主体部，焦炉煤气与氧化剂进一步均勻混 合，进行以不完全燃烧为热源的转化反应。生成的转化气体由于导入口与排出口同轴流 动，因此不会在主体部的流动中引起偏流地排出。因此，能够减少导入转化炉的焦炉煤 气及转化气体的压力损失，并且与现有技术相比，能够提高转化气体的一氧化碳及氢的 富集率。这种情况下，反应流路的中心轴与扩径部的倾斜面所成的角度优选为不超过 30°的角度。与此相反，倾斜角超过30°时，由于导入的焦炉煤气变宽而形成旋涡，因 此有可能妨碍主体部的均勻的流动。另一方面，倾斜角过小时，扩径部变长，转化炉大型化。另外，优选将主体部的流路截面形成为导入口的10倍以上的尺寸。由此，能够 使焦炉煤气的流速降低为十分之一以下，能够延长在反应流路中的滞留时间，因此能够 进一步促进转化反应。另外，优选将氧化剂喷嘴的中心轴相对于反应流路的中心轴偏心设置。由此， 能够在反应流路内形成回旋流，能够提高氧化剂的混合性，因此能够进一步促进转化反应。另外，优选使各氧化剂喷嘴的中心轴的延长线在比扩径部的下游端靠上游侧的 位置与从导入口导入的焦炉煤气流交叉。即，使氧化剂集中在反应流路的入口侧的扩径 部内，混合氧化剂与焦炉煤气。由此，能够促进反应流路的上游的扩径部中的焦炉煤气 的不完全燃烧，从而能够使反应流路内急速升温，促进转化反应。发明效果根据本发明，能够减少转化炉中的焦炉煤气及转化气体的压力损失，并且与现 有技术相比，能够提高转化气体的一氧化碳及氢的富集率。
图1是本发明的实施方式的转化炉的侧剖面图。图2是图1的A-A线的向视图。图3是示出在反应流路内形成强回旋流时的气体的流动的图。图4是示出图1的温度计的位置的示意图。图5是示出反应流路内的温度分布的图。 图6是示出本发明的实施例的炉内最高温度与转化气体中的甲烷残存率的关系 的图。图7是示出比较例的反应流路的排出口侧的侧剖面图。
图8是示出扩径部的倾斜角小时的焦炉煤气与氧的流动的图。符号说明1转化炉3焦炉煤气5转化气体11 导入口13 排出口15反应流路19扩径部21缩径部23主体部25倾斜面29氧化剂喷嘴
具体实施例方式以下，基于实 施方式说明本发明。(实施方式)如图1、2所示，本实施方式的转化炉1导入干馏煤得到的焦炉煤气3，生成富含 一氧化碳及氢的转化气体5。转化炉1的外表面由钢板的壳体7覆盖，例如，通过圆筒状 的耐火材料9形成。转化炉1的筒的两端设有导入焦炉煤气3的导入口 11和排出转化气 体5的排出口 13。由此，形成圆筒状的反应流路15。在导入口 11中经由配管连接有未 图示的焦炭炉。在排出口 13中经由配管连接有未图示的气体精制设备。接下来，说明本实施方式的特征部的结构。反应流路15包括比导入口 11宽 的圆锥状的扩径部19 ；朝向排出口 13变窄的圆锥状的缩径部21 ；夹在扩径部19与缩径 部21之间的笔直的主体部23。扩径部19和缩径部21以对称结构形成为相同尺寸。扩径部19和缩径部21的 中心轴形成为与主体部23同心。扩径部19的倾斜角度例如反应流路15的中心轴17与 扩径部19的倾斜面25所成的角度Φ形成为不超过30°。夹在扩径部19和缩径部21之间的主体部23的流路截面例如形成为导入口 11的 10倍以上的尺寸。S卩，主体部23的内径为D，导入口 11的内径为Di时，主体部截面积 (^ D2/4)与导入口截面积(JiDi2/4)的比存在以下(式1)关系。(Ji D2/4) / ( π Di2/4) >10-(式 1)因此，主体部23和导入口 11的内径存在以下(式2)的关系。D>3.16Di …(式 2)以满足该(式2)方式，设计主体部23的内径D与导入口 11的内径Di。扩径部19的倾斜面25上设有多个(本实施方式中为四个)向反应流路15内喷 出氧化剂例如氧27的氧化剂喷嘴29。各氧化剂喷嘴29朝向反应流路15的截面中心部 设置成放射状。各氧化剂喷嘴29设置成，在比扩径部19的下游端靠上游侧的位置，喷 嘴的中心轴31的延长线与从导入口 11导入的焦炉煤气3的流动交叉。S卩，从导入口 11导入的焦炉煤气3的流动中，朝向比导入口 11宽的流速高的焦炉煤气3的主流，从各氧 化剂喷嘴29喷出氧27。并且，以使喷出的氧27与焦炉煤气3的主流在反应流路15的上 游侧的扩径部19内交叉的方式，设置各氧化剂喷嘴29。氧化剂喷嘴29设置成，各氧化 剂喷嘴29的中心轴31与倾斜面25所成的角度(K为大致90°。各氧化剂喷嘴29的中 心轴31距反应流路的中心32在同一方向上稍偏离δ的长度。g卩，至少设置两组成对氧 化剂喷嘴29，使分别成对的各氧化剂喷嘴29对置设置在倾斜面25上，一对氧化剂喷嘴 29设置成，喷嘴的中心轴31相互平行，且距扩径部19的中心轴相互向相反侧远离。由 此，能够在反应流路15内形成回旋流。此外，增大δ的尺寸时，回旋力变得过大，焦 炉煤气3或氧27被按压到反应流路15的内壁上而气体的流动偏斜。而且，回旋力增强 时，如图3所示，形成从反应流路15的下游朝向上游的二次流，在该二次流的作用下， 转化气体5返回上游而进行燃烧。因此，以能够抑制气体流的偏斜及二次流的方式，考 虑焦炉煤气3及氧27的流速、反应流路15的尺寸等而适当设计δ的尺寸。各氧化剂喷嘴29的根数η及内径dQ设计成例如满足以下(式3)、(式4)。4< ( π 2/4) / (η π d02/4)《8 …(式 3)^dc^DikSnd。2 …(式 4)
S卩，相对于各氧化剂喷嘴29的流路截面积的总和，导入口 11的流路截面积设计 成4倍以上且8倍以下。反应流路15内的示出最高温度的位置上设有温度计24。例如图4所示，温度计 24的位置处于各氧化剂喷嘴29的中心轴31与焦炉煤气3的主流交叉的交叉部33靠反应 流路15的下游侧，且温度计24距交叉部33为接近主体部23的内径D的长度Da的量。对如此构成的本实施方式的转化炉的动作进行说明。干馏煤得到的焦炉煤气3 以氢、一氧化碳、二氧化碳、氮、甲烷及乙烯为主要成分。而且，焦炉煤气3中含有 苯、甲苯、二甲苯等芳香族、萘、蒽等多环芳香族、重质的焦油状物质。将此种焦炉煤 气3导入反应流路15内，从氧化剂喷嘴29喷射氧27而使其与焦炉煤气3混合。由此， 焦炉煤气3进行不完全燃烧。如以下(式5)、(式6)所示，通过该部分燃料的燃烧热 量，将焦炉煤气3中的碳化氢及微细的煤粒子转换成一氧化碳及氢。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，通过焦炉煤气3中的水蒸气将碳化氢转换成一氧化
碳及氢。CmHn+ (m/2) H2O — (m/2) CO + (n/2+m/2) H2 …(式 7)通过(式5)至(式7)的反应，能够对焦炉煤气3进行转化，生成富含一氧化碳 及氢的转化气体5。生成的转化气体5从排出口 13排出而在气体精制设备中进行精制。 精制后的转化气体能够使用于焦炭工厂的燃料、发电用锅炉的燃料、城市煤气的原料、 高炉中的氧化铁的还原剂等。此外，焦炉煤气3中的水蒸气量少时，可以向反应流路15 内喷射水蒸气。接下来，说明本实施方式的特征动作。导入到反应流路15内的高温的焦炉煤气 3沿扩径部19的倾斜面25慢慢扩大而被整流。整流后的焦炉煤气3被导向主体部23。 然后，在从氧化剂喷嘴29喷出的氧27的作用下回旋。由此，能够使焦炉煤气3与氧27的混合气体稳定回旋，从而将焦炉煤气3与氧27均勻地混合。其结果，通过焦炉煤气3 的不完全燃烧，反应流路15内升温到规定温度。成为高温的焦炉煤气3与氧27的混合气体在主体部23中进一步均勻混合。通 过该混合气体的热量，焦炉煤气3中的碳化氢与氧及水蒸气反应，而被转换成一氧化碳 及氢。此时，碳化氢与水蒸气的反应是吸热反应，因此反应流路15内的温度分布如图5 所示，朝向排出口 13慢慢降低。然而，通过扩径部19将焦炉煤气3与氧27的混合气体 整流，并进一步均勻地混入氧27，从而能够使炉内最高温度成为例如约1340°C以上。其 结果，能够将排出口 13附近的温度维持成例如约1100°C的高温。进而，整流后的混合 气体在主体部23中进一步均勻混合。由此，能够将转化反应维持到排出口 13附近。此 夕卜，测定表示炉内最高温度的位置的温度作为是否发生转化反应的目标值。通过转化反应生成的转化气体5由缩径部21节流并从与导入口 11同轴的排出口 13排出。由此，在圆锥状的扩径部19的作用下，导入的焦炉煤气3的流动慢慢变宽，不 会发生旋涡等紊流，焦炉煤气3被导向主体部23。另一方面，从倾斜面25的各氧化剂喷 嘴29喷出氧27，因此，焦炉煤气3与氧27混合。此时，在从各氧化剂喷嘴29喷出的氧 27的作用下，焦炉煤气3成为回旋流，促进与氧27的混合。由此，焦炉煤气3进行不 完全燃烧，成为高温的焦炉煤气3与氧27的混合体被导入主体部23。并且，焦炉煤气3 与氧27在主体部23中均勻混合，进行将不完全燃烧形成为热源的转化反应。由于导入 口 11与排出口 13为同轴的流动，因此生成的转化气体5在主体部23的流动中不会引起 偏流而被排出。因此，能够减少转化炉1中的焦炉煤气3与转化气体5的压力损失。进 而，与现有技术相比，能够提高转化焦炉煤气3而得到的转化气体5中一氧化碳及氢的富 集率。另外，由于将扩径部19的倾斜角度形成为例如不超过30°，因此通过扩径部19 使焦炉煤气3缓慢变宽，能够使焦炉煤气3的流动更均勻。与之相反，倾斜角度超过30° 时，焦炉煤气3急速扩大而形成旋涡，有可能妨碍主体部23的均勻的流动。另一方面， 倾斜角过小时，扩径部19变长，转化炉1大型化。另外，倾斜角缓和时，如图8所示， 氧27作为氧喷流45与焦炉煤气3平行地流动到主体部23的下游侧，从而与焦炉煤气3 的混合变慢。另外，通过将主体部23的流路截面形成为规定尺寸例如导入口的10倍以上的尺 寸，能够将焦炉煤气3的流速降低为十分之一以下，从而能够延长反应流路中的滞留时 间。由此，能够更均勻地混合焦炉煤气3与氧27，能够抑制产生浓度的不均。其结果， 能够促进转化反应，并且能够抑制不完全燃烧引起的煤烟的产生。 另外，优选将各氧化剂喷嘴29的中心轴31与倾斜面25所成的角度形成为相同 角度例如大致90°。由此，能够使氧27集中在反应流路15的上游而使焦炉煤气3不完全 燃烧，因此能够使反应流路15内急速升温到规定温度，从而能够使转化反应迅速开始。另外，各氧化剂喷嘴29的根数及流路截面积能够根据转化反应所需的必要的氧 量、焦炉煤气及氧的流速、导入口 11的流路截面积等适当选择。例如，相对于各氧化剂 喷嘴29的流路截面积的总和，将导入口 11的流路截面积设计成四倍以上且八倍以下，从 而能够确保混合所需的流速及转化反应所需的氧量。
另外 ，反应流路15的轴向长度能够设计成例如使焦炉煤气3的滞留时间为3秒 以上。这是本发明的发明者们在滞留时间为1.5 15秒的范围内进行试验而推导出的 结论。滞留时间在3秒以下时，虽然与氧27的混合良好，但是还排出未分解成分。再 有，能够设计反应流路15的轴向长度，以使转化气体中残存的碳化氢例如甲烷的浓度成 为1.5%以下。此外，本实施方式的反应流路15形成为圆筒状，但是并不局限于此，也可以形 成为例如角筒状。(实施例)以下，说明本发明的实施例。图6是示出炉内最高温度与转化气体中的甲烷的 残存率的关系的图。此外，作为比较例，示出在图7的转化炉中转化焦炉煤气3时的数 据。比较例的转化炉与本实施例的转化炉的不同点在于，未设置扩径部19而使焦炉煤气 3从导入口 11朝向主体部23急速扩大。并且，不同点还包括将氧喷嘴40从导入口 11插 入到反应流路15内。如图6所示可知，本实施例的转化炉的转化气体中的甲烷的残存率为约1%，焦 炉煤气3中的碳化氢几乎都分解成一氧化碳及氢。S卩，本实施例的转化炉在扩径部19整 流焦炉煤气3，使反应流路15的上游侧的焦炉煤气3与氧27均勻混合。其结果，能够促 进焦炉煤气3的不完全燃烧，能够将炉内最高温度形成为1390°C。并且，生成的转化气 体5被缩径部21整流，从与导入口 11同心的排出口 13排出，因此，主体部23中不产生 偏流。由此，能够使转化反应前进到排出口 13附近，能够几乎全部分解碳化氢。与此相对，由于比较例的转化炉使焦炉煤气3急速扩大，因此产生旋涡等紊 流，焦炉煤气3与氧27的混合性变差，不完全燃烧不充分。因此，炉内最高温度仅上 升到1040°C，反应流路的下游侧的温度下降，下游侧的转化反应不充分，甲烷残留约 23 % ο
权利要求
1.一种转化炉，其利用氧化剂使干馏煤得到的焦炉煤气不完全燃烧而生成转化气 体，所述转化炉的特征在于，具备筒状的反应流路，该筒状的反应流路的两端设有导入所述焦炉煤气的导入口和 排出所述转化气体的排出口，该反应流路包括自所述导入口扩展的扩径部、朝向所述排出口变窄的缩径部和夹在 所述扩径部与所述缩径部之间的笔直的主体部，在所述扩径部的倾斜面上，朝向所述反应流路的截面中心部设有多个向所述反应流 路内喷出所述氧化剂的氧化剂喷嘴。
2.根据权利要求1所述的转化炉，其特征在于，所述反应流路的中心轴与所述扩径部的倾斜面所成的角度为不超过30°的角度。
3.根据权利要求1或2所述的转化炉，其特征在于，所述主体部的流路截面为所述导入口的10倍以上的尺寸。
4.根据权利要求1 3中任一项所述的转化炉，其特征在于，所述导入口为所述各氧化剂喷嘴的流路截面积总和的4倍以上且8倍以下的尺寸。
5.根据权利要求1 4中任一项所述的转化炉，其特征在于，所述各氧化剂喷嘴的中心轴与所述扩径部的倾斜面所成的角度为大致90°。
6.根据权利要求1 5中任一项所述的转化炉，其特征在于，所述各氧化剂喷嘴设置成使喷嘴中心轴延长线在比所述扩径部的下游端靠上游侧的 位置与从所述导入口导入的所述焦炉煤气流交叉。
7.根据权利要求6所述的转化炉，其特征在于，在所述喷嘴的中心轴与所述焦炉煤气交叉的位置下游侧的位置设置温度计，且该温 度计与该交叉位置的距离为所述主体部的直径量。
8.根据权利要求1 7中任一项所述的转化炉，其特征在于，多个所述氧化剂喷嘴在所述扩径部的倾斜面上设置成至少使一对氧化剂喷嘴对置，该一对氧化剂喷嘴设置成，喷嘴的中心轴相互平行且距所述扩径部的中心轴相互向 相反侧远离。
全文摘要
本发明提供一种转化炉，减少转化炉中的焦炉煤气及转化气体的压力损失，且与现有技术相比，提高转化气体的一氧化碳及氢的富集率。转化炉(1)利用氧化剂使干馏煤得到的焦炉煤气(3)不完全燃烧而生成转化气体(5)，其中，具备在两端设有导入焦炉煤气(3)的导入口(11)和排出转化气体(5)的排出口(13)的筒状的反应流路(15)，反应流路(15)包括自导入口(11)扩展的扩径部(19)、向排出口(13)变窄的缩径部(21)和夹在扩径部(19)与缩径部(21)之间的笔直的主体部(23)，扩径部(19)的倾斜面上朝向反应流路(15)的截面中心部设有多个向反应流路(15)内喷出氧(27)的氧化剂喷嘴(29)，使焦炉煤气(3)与氧(27)均匀混合。
文档编号C01B3/32GK102020244SQ20101022269
公开日2011年4月20日 申请日期2010年6月30日 优先权日2009年9月10日
发明者佐藤一教, 回信康, 石贺琢也, 谷田部广志 申请人:巴布考克日立株式会社