本明細書において、「ほぼ完全に熱分解さ� ��」或いは「ほぼ完全にガス化され」とは、� ��象物の好ましくは90重量%以上、より好まし� ��は95重量%以上、もっとも好ましくは98重量%� ��上が熱分解され或いはガス化されることを� ��味する。
コークス炉から出てくるコークス炉ガスは、 通常700~800℃の温度を持ち、混合ゾーンでこ� �に酸素又は空気と上記を吹き込んで混合さ� �て950℃以上でガス化反応が起きる。あるい� �、1000℃以上の上記もしくは燃焼ガスを混合� ��せた混合ゾーン以降の拡散ゾーンにおいて� ��燃焼によって生成した高温の蒸気又は吹き� ��まれた高温の蒸気によって、メタンないし� ��ールにわたる炭化水素類が効率よく水蒸気� ��質される。部分燃焼が起きるあるいは1000℃ 以上の高温水蒸気の混合を行う混合ゾーンか ら、拡散反応が起きる拡散ゾーンへの出口が 、5~10度、より好ましくは6.5~8.5度、特に約7.5� ��の広がりを持っていることが重要である。

本発明を実証するために、実用規模のスケ ールの約125分の1のスケールの透明ポリ塩化� �ニル製のコールドモデルを作成した。図1に� ��の形状を示す。図の最左のモデルは円筒に� ��口と出口が取り付けられた形をしている。� ��5つのモデルでは、下方のふくらみが混合ゾ ーンであり、上方のふくらみが拡散ゾーンで ある。二つのゾーンの間でガス流れ方向の断 面積が絞られており、従って、ガス混合物は 混合ゾーンから拡散ゾーンに入っていくと更 に混合を受け、拡散ゾーンで各気体は相互に 混合される。拡散ゾーンの広がり角度は、図 1のモデルの左から順に0度、2.5度、5度、7.5度 、10度、12.5度である。ガスの拡散状況を可視 化するために、コークス炉ガスの代わりに低 温度の炭酸ガスを、吹き込み用酸素と蒸気の 代わりに蒸気ミストを含む空気を用いた。改 質器内の気体の定性的な流れ・混合の可視化 を行うために、連続発振Arイオンレーザ(Spectr a-Physics:Model 177G0-2)より発する波長488 nm(青緑 色)の光を、円柱レンズにより可視化領域で� �さ約2~3 mmのスリット光にしたものを光源と� ��て用いた。撮影は、高速度ビデオカメラ(Pho tron:FASTCAM-Net 500)を用いて、撮影速度500 frames /secシャッタースピード1/500 secで行った。こ� ��条件下では、記録画素数は512×240となり、� �2.1秒間の連続撮影が可能であった。この装� �を用いてコールドモデルの内部の流動状況� �ビデオ撮影し、PIV(Particle Image Velocimetry)に� �る画像処理により、内部流内の速度ベクト� �の瞬時分布を明確に定量化した。そして、� �散ゾーンにおけるガス流速を色分けしてデ� �スプレイした。図2は、色分けを白黒に転換� ��たものではあるが、速度の違いが縞模様と� ��て認識できる。それぞれの表示において、� ��端はモデルの容器の中心軸に対応し、右端� ��容器の壁に対応する。

広がり角度0度では、混合ゾーンで発生し� �乱流が消えず、拡散ゾーン出口まで壁面の� �速が若干遅く、壁面から離れた位置と中心� �はほぼ同じ流れであることが分かった。つ� �り乱流が消滅しない。拡散ゾーンの広がり� �度が2.5度、5度、7.5度、10度、12.5度であると� ��縞模様が現れる。図2において同一流速 (同 じ濃さ) の帯状区間の容器中心部と壁面部の 塔頂方向の高さ(絶対値)を求めた(図3の右側� �参照)。

図3のグラフは、コークス炉ガス量が通常� �とその2倍量の二つの状況に於ける、上記高� ��を示す。7.5度において高さが最も小さく、� ��れより角度が大きくなる或いは小さくなる� ��従って、高さが大きくなる。つまり中心部� ��速と壁面流速の差が増大し、渦が生じてい� ��。ガス流量を倍にすると、この傾向はより� ��著になる。従って、拡散ゾーンに於いて渦� ��少なく乱流が少ないためには、広がり角度� ��、5~10度であることが好ましく、より好まし くは7.5度近傍、例えば7~9度である。

 次に、実用規模の大きさ(コールドモデル 実験に用いた装置の125倍)の装置を想定した� �ミュレーションを行った。図5左に装置の概� ��を、また図5右にシミュレーションに使用し た装置の主要サイズを示す。図中の数字1は� �ークス炉からのコークス炉ガス出口、2は混� ��ゾーン、3は反応ガスを吹き込むためのノズ ル、4は拡散ゾーン、5は改質ガス出口を示す� ��図5では、広がり角度を7.5度としている。コ ールドモデル実験の解析で得られた流動に関 する壁面の摩擦抵抗係数等のファクターを用 いたシュミレーション結果の例を図4に示す� �白黒の濃淡は、図下に示す速度に対応する� �ただし、下方のノズル先端および上方の出� �では速度が一番速く、色月の表示では赤色� �あり、白黒表示にすると不正確になるので� �その箇所を図4では白抜きとして省略した。� ��ールドモデル実験結果と同じく、7.5度の広� ��りを持つ拡散ソーンにおける乱流の消滅が� ��一番効果的であり、次いで5~10度が効果的で あるとの結果が得られた。

次に、7.5度の広がりを持つ拡散ゾーンを設 けた改質器(図5)について、酸素または空気等 の酸化剤と蒸気、または1000℃以上の高温蒸� �もしくは燃焼ガスを吹き込むためのノズル� �本数を変化させた場合、拡散混合状態がど� �ように変わるかのシミュレーションを実施� �た。各ノズルからの流量を互いに同じとし� �従ってノズル本数に応じて吹き込みガス流� �が変わる。

図6に結果を示す。中心軸における速度が� �定の値にある中心位置を、図内の「同一中� �位置流速の変化」と示した線で示す。同様� �、壁面における速度が特定の値にある壁面� �置を「同一壁面流速の変化」と示した線で� �す。ノズルの数が多くなるに従って、図3で� ��定した「差」は少しずつ大きくなるが、吹� ��みガス流量が多くなってもガス流の大きな� ��れは生じないことが確認され、図5に示す改 質器が混合ゾーンで発生した乱流を消す効果 がノズル本数に関わらず大きい。

図7は、ノズルの角度を示す概念図である� �分かり易くするために、向かい合った位置� �二つのノズルを示してある。1は混合ゾーン� ��下にあるコークス炉ガスの入口であり、そ� ��にノズル3がαの角度で配置されている。ガ� ��の流れ方向で見てガスの流れ方向の垂線に� ��する角度αが30度~60度、特に40~50度であるこ� ��が好ましく、これによってエジェクター効� ��を発揮して、酸素あるいは空気を含むノズ� ��からの吹き込みガスが混合ゾーンからコー� ��ス炉側に逆流することを防ぐことが出来る� ��

 本発明によるコークス炉ガスの改質処理� ��法の3つの態様を以下に説明する。

 1.混合ゾーン2にノズル3から一酸化炭素と酸 素または空気を吹き込み、高温の燃焼ガスを 発生させコークス炉ガスの温度を900℃以上、 好ましくは950℃以上でコークス炉ガス中に含 まれる約30%近いタール留分を拡散ゾーン4に� �いてほとんど完全に熱分解させる方法。よ� �詳しくは、コークス炉1より700~800℃のコーク ス炉ガスが混合ゾーン2に導かれる。ここで� �複数本のノズル3から一酸化炭素と酸素また� ��空気を吹き込み高温の燃焼ガスを発生させ� ��コークス炉ガスの温度を900℃以上、好まし� ��は950℃以上で約30%近いタール留分を熱分解� ��せる。この時ノズル3からは酸素または空気 のみを吹き込みコークス炉ガスの一部を燃焼 させガス温度を900℃以上としても良い。900℃ 以上で熱分解を促進させるためにコークス炉 ガスは拡散ゾーン4に送られ熱分解反応が完� �し、未反応タール分の割合を全炭素量の5%以 下に抑えることが出来る。
 2.混合ゾーン2にノズル3から酸素または空気 と200℃以上の温度の蒸気を吹き込み充分に混 合させ、コークス炉ガスの一部を燃焼させ炉 内温度を950℃以上、好ましくは1000℃以上で� �ールやタールスラッジを含むコークス炉ガ� �を拡散ゾーン4において殆んど完全なガス化� ��させる方法。詳しくは、コークス炉1より700 ~800℃のコークス炉ガスが混合ゾーン2に導か� ��る。ここでは複数本のノズル3から酸素また は空気と蒸気を吹き込み充分に混合させ、コ ークス炉ガスの一部を燃焼させ炉内温度を950 ℃以上、好ましくは1000℃以上でタールやタ� �ルスラッジを含むコークス炉ガスを完全ガ� �化させ、未反応タール分の割合を全炭素量� �5%以下に抑えることが出来る。
 3.混合ゾーン2にノズル3からは、酸素と水素 及び蒸気を吹き込み、ノズル先端部に酸水素 炎を発生させ、生成する蒸気温度が1500℃以� �として混合ゾーン2に吹き込み、混合ゾーン� ��温度を950℃以上、好ましくは1000℃以上とし 、拡散ゾーン4においてガス化反応もしくは� �蒸気改質ガス化反応を完結させ殆んど完全� �ガス化をさせる方法。詳しくは、コークス� �1より700~800℃のコークス炉ガスが混合ゾーン 2に導かれる。ここでは複数本のノズル3から� ��、酸素と水素及び蒸気を吹き込み、水素ガ� ��を燃焼させ、蒸気温度が1500℃以上の蒸気と して混合ゾーン2に吹き込まれる。950℃以上� �好ましくは1000℃以上で、ガス化反応もしく� ��水蒸気改質ガス化反応を促進させるために� ��コークス炉ガスは混合ゾーン2から拡散ゾー ン4に送られ反応が完結し、未反応タール分� �割合を全炭素量の5%以下に抑えることが出来 る。

[発明の効果]
 本発明によれば、コークス炉ガスは、熱分� ��やガス化、水蒸気改質ガス化の転換処理を� ��け、環境汚染を引き起こすタール留分が殆� ��ど無くなるためクリーンな燃料ガスが得ら� ��、該燃料ガスは1Nm ³ 当たり3350 Kcal以上のカロリーを持つ。この� �料ガスは水素に富んでおり、水蒸気改質反� �と組み合わせれば効率の良い水素供給源と� �る。上記した3つの態様のすべての製品にお� ��て未反応タール含有量が炭素換算で5%以下� �少ない故に、ガスのクリンナップが容易で� �り、安価にクリーンなガスとすることが出� �る。従って、製品ガスは、ガスタービン燃� �としても利用可能である。