Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕЗ-ГАЗА

Предлагаемое изобретение относится к технологии получения синтез-газа (nH₂+СО) из углеводородного сырья путем его парциального окисления для целевого использования в различных отраслях.

Основным и широко применяемым способом получения синтез-газа является метод высокотемпературного парциального окисления углеводородных газов техническим кислородом или кислородом воздуха при давлениях 0,2-10,0 МПа и расходе кислорода 0,2…0,4 от стехиометрии (1,0), реализуемый в высокотемпературных реакторах- генераторах синтез-газа.

Так, известно устройство-генератор синтез-газа по патенту РФ 2266778 от 10.04.2005 г. В этом патенте описан способ получения синтез-газа, реализуемый в модульном генераторе путем парциального окисления углеводородных газов кислородом воздуха при номинальном давлении в 0,2…10,0 МПа и расходе кислорода или воздуха 0,2…0,4 от стехиометрии (1,0) с использованием водяного пара и СО₂ для коррекции состава синтез-газа по мольному соотношению Н₂/СО.

Основой предложенной конструкции генератора синтез-газа является типовой модуль камеры сгорания с производительностью по углеводородному газу в пересчете на метан в пределах 0,375…3,75 тонн в час. Способ заключается в том, что исходные компоненты (окислитель и углеводородное сырье) поступают для смешения в смеситель, расположенный непосредственно в реакторе на входе в камеру горения. Поскольку скорость реакции окисления - горение - в несколько раз превышает процесс смешения компонентов для образования гомогенной реакционной смеси, происходят побочные реакции, приводящие к повышенному сажеобразованию. Таким образом, известный способ не обеспечивает качественные показатели получаемого целевого продукта - синтез-газа. Это приводит к необходимости для получения чистого синтез-газа с использованием дополнительных очистительных агрегатов. Кроме того, недостатком является большая длина камеры из-за необходимости большого времени пребывания реакционной смеси в камере для окончания медленных реакций парциального окисления и достижения термодинамического равновесия, при котором обеспечивается максимально возможный выход целевых продуктов СО и H₂ на единицу сырья. Большая длина камеры требует большой площади и, следовательно, массы наружной силовой стенки камер, что обуславливает большую удельную массу и высокую стоимость реактора на единицу массовой производительности.

Для обеспечения достаточной скорости проведения реакции парциального окисления данный способ требует достаточно высокой температуры в реакционной камере, то есть высокого соотношения компонентов, соответствующего коэффициенту избытка окислителя α>0,4, следовательно, повышенного расхода окислителя на единицу перерабатываемого сырья. Повышенный расход окислителя удорожает получаемый синтез-газ и повышает стоимость установки.

Известен способ и устройство для осуществления способа получения синтез-газа (пат. РФ 2191743, публ.27.10.2002 г.). По совокупности отличительных признаков данный патент был принят за ближайший аналог. Способ получения синтез-газа включает смешивание углеводородного сырья с воздухом в соотношении, соответствующем коэффициенту избытка окислителя α меньше 1, принудительное воспламенение воздушно-углеводородной смеси и парциальное окисление углеводородного сырья кислородом воздуха в реакционной зоне, охлаждение с последующим выводом продуктов процесса, содержащих синтез-газ, при этом подогрев углеводородного сырья и воздуха осуществляют до температуры на 50-100°C ниже температуры самовоспламенения их смеси; парциальное окисление углеводородного сырья проводят в проточной камере горения, при этом принудительное воспламенение проводят при коэффициенте избытка окислителя α=0,6-0,7, и после прогрева проточной камеры горения соотношение кислорода к углеводородному сырью доводят до уровня, соответствующего значению а=0,30-0,56. Устройство для получения синтез-газа включает камеру парциального окисления углеводородного сырья кислородом воздуха, смеситель. Также оно снабжено системой предварительного подогрева углеводородного сырья и воздуха, регулятором расхода углеводородного сырья. Стенка камеры горения охвачена оболочкой, образующей тракт для пропуска воздуха с целью охлаждения стенок камеры. При этом камера парциального окисления углеводородного сырья содержит блок воспламенения и выполнена в виде проточной камеры горения, к входу которой через антипроскоковую решетку пристыкован смеситель, а к смесителю подключены подводящая труба углеводородного сырья и подводящая труба воздуха, обе указанные подводящие трубы охвачены с зазором рекуператорным патрубком, один конец которого пристыкован к выходу из проточной камеры горения, а другой открытый конец сообщается с полостью теплообменника, который образован оболочкой, ограничивающей полость вокруг рекуператорного патрубка. Кроме того, в полости теплообменника расположены трубчатый нагреватель углеводородного сырья и трубчатый нагреватель воздуха. При этом к одному концу трубчатого нагревателя углеводородного сырья подключен регулятор расхода углеводородного сырья, а другой конец через упомянутую подводящую трубу связан со смесителем. Один конец трубчатого нагревателя воздуха подключен к источнику воздуха, а другой конец через подводящую трубу связан со смесителем. Вместе с тем теплообменник снабжен штуцерами для ввода и вывода синтез-газа.

Существенными недостатками способа получения синтез-газа, приведенного в патенте принятого за ближайший аналог, являются:

- процесс смешения исходных компонентов для получения реакционной смеси и процесс окисления - горение - совмещены в едином устройстве;

- реагенты (углеводородный газ (УВГ) и окислитель) нагревают до максимально допустимой температуры перед смешением, в этом случае при смешении в смесителе могут образовывать зоны, где будет превышен порог самовоспламенения, что может привести к пожару в реакторном блоке.

Целью заявляемого технического решения является устранение отмеченных недостатков и разработка способа, обеспечивающего высокую безопасность, максимально возможный удельный выход СО и H₂ на единицу массового расхода сырья, а также снижение удельной массы, массового расхода сырья и стоимости реактора на единицу сырья.

Указанная цель достигается следующими мерами:

- введение в кислородсодержащий окислитель водяных паров;

- парциальное окисление УВГ проводят в реакционной проточной камере до достижения термодинамического равновесия путем многократного прохождения реагирующей смеси вдоль реакционной камеры через продольные полости, образованные внутренними перегородками, охлаждаемыми УВГ.

Способ осуществляется в установке, состоящей из реактора и узлов подготовки реагентов - окислителя и углеводородного сырья. Узел подготовки окислителя состоит из емкости, обвязанной трубопроводами, обеспечивающими подачу воздуха или кислорода и водяного пара в заданном соотношении для их смешения. Узел приготовления реакционной смеси состоит из емкости и теплообменника, обеспечивающих смешение углеводорода с окислителем и подогрев смеси. Обогрев в теплообменнике осуществляется выходящим из реактора целевым продуктом, с одновременным охлаждением его. В камере горения реактора установлены вставки-стабилизаторы, содержащие внутристеночный пропускной тракт, состыкованный с трактом охлаждения в стенках корпуса камеры.

Осуществление заявляемого способа поясняется схемой установки, приведенной на чертеже.

Способ осуществляется следующим образом: кислородсодержащий окислитель (воздух, кислород) и водяной пар подаются в переднюю часть смесителя 1. Перемешивание компонентов на молекулярном уровне происходит при движении газовой смеси вдоль оси смесителя по лабиринтному тракту, представляющему собой цилиндрический канал, разделенный перегородками. Такой смеситель обеспечивает полное перемешивание компонентов, достижение постоянных концентраций и температур по сечению потока на выходе из смесителя. Полученный парокислородный окислитель (ПКО) направляется в смеситель 2, где смешивается с подогретым углеводородным газом (УВГ), поступающим из системы охлаждения камеры реактора. Эффективность смешения для достижения полной гомогенизации обеспечивается за счет ступенчатого подвода парокислородного окислителя в поток углеводородного газа, это приводит к постепенному, ступенчатому увеличению концентрации ПКО в углеводородном газе. Такая конструкция смесителя позволяет избежать появления в смешиваемом объеме областей, концентрация кислорода в которых будет выше концентраций самовоспламенения при данной температуре. Кроме того, предварительное смешение компонентов топлива (УВГ и окислителя) до образования гомогенной смеси позволяет избежать образования сажи в процессе горения в реакционной камере.

Полученная реагентная смесь поступает в теплообменный нагреватель 3, горячим телом для которого служит синтез-газ, полученный в реакционной камере 5. Подогрев реакционной смеси при неизменном соотношении между окислителем и горючим позволяет реализовать большие температуры горении в реакторе, что, в свою очередь, уменьшает время, необходимое для завершения химических реакций получения синтез-газа, и, следовательно, позволяет снизить массогабаритные характеристики реактора.

Подогретая в теплообменной аппарате 3 реагентная смесь через антипроскоковую решетку 4 поступает на вход реакционной камеры 5, где поджигается факелом горячим газов из блока зажигания 6. Далее реагирующая смесь проходит через продольные полости проточной камеры, образованные внутренними разделительными перегородками 7, охлаждаемыми сырьевым УВГ. Из последней продольной полости полученный синтез-газ выводится из реакционной камеры и направляется в нагреватель реагентной смеси 3, из которого направляется потребителю.

Охлаждение внешней стенки и внутренних перегородок реактора производится УВГ, поступающим из системы подачи сырья, и выводится в смеситель 2. Охлаждение стенок реактора углеводородным газом позволяет снизить отложение сажи на стенках камеры, а также уменьшить вероятность возникновения прогара стенок при нарушении герметичности реактора.

В соответствии с предлагаемым способом проведены лабораторные экспериментальные исследования по получению синтез-газа, состав которого приведен в таблице.

Таким образом, реализуемый способ позволяет обеспечить получение синтез-газа с максимально возможным выходом целевых продуктов на единицу массового расхода сырья и окислителя, при уменьшении удельной массы и удельной стоимости реактора на единицу производительности, избежать образования сажи в целевом продукте, а также обеспечить повышение безопасности и надежности реактора по производству синтез-газа.