СПОСОБ ИНТЕРАКТИВНОЙ СУШКИ ТЕПЛОИЗОЛИРОВАННОЙ ПЕЧИ КАТАЛИТИЧЕСКОГО ОКИСЛЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0001] ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[0002] Настоящее изобретение относится к технологии обработки в печи каталитического окисления, и более конкретно к способу интерактивной сушки адиабатической печи каталитического окисления природного газа.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0003] С сокращением доказанных резервов нефти и постепенным истощением пригодных для использования ресурсов технологии производства автомобильного жидкого топлива из угля, природного газа и биомассы в качестве сырья с помощью непрямого преобразования становятся постепенно более популярными, например, технология преобразования угля в жидкое топливо в ЮАР, технология преобразования газа в жидкое топливо в Малайзии и Катаре, технология преобразования угля в жидкое топливо компании Shenhua Group и т.д. Улучшение добычи природного газа в настоящее время меняет структуру минеральной энергии при успешном развитии и крупномасштабном промышленном применении технологии разработки сланцевого газа, обеспечивая тем самым широкую перспективу комплексного использования природного газа. Комплексное использование природного газа заключается в том, чтобы сначала преобразовать его в промежуточный продукт - синтетический газ, а затем с помощью технологии синтеза производить из него химические вещества, такие как водород, синтетический аммиак, мочевину, метанол, олефины, парафины, уксусную кислоту и ее производные, или синтетическое жидкое топливо, такое как дизельное топливо, бензин, авиационный керосин или другие продукты с высокой добавленной стоимостью.

[0004] В традиционных устройствах получения синтетического газа посредством преобразования природного газа в качестве процесса получения газа обычно используют способ риформинга легких углеводородов паром или способ естественного автотермического риформинга, и обычно используется блок производства водорода большого завода по производству синтетического аммиака или нефтеперерабатывающего или нефтехимического завода. Природный газ, сухой газ или лигроин берется в качестве сырья для того, чтобы произвести синтетический газ, состоящий из CO и водорода, и соответственно произвести как можно больше жидкого топлива на основе главного принципа производства CO; но отношение H₂/CO в отработанном газообразном продукте обычно составляет более 3, если используется традиционный способ риформинга легких углеводородов паром или способ естественного автотермического риформинга, что указывает на то, что этот газ не может быть применен к синтезу до тех пор, пока не будет удален избыточный водород, или пока отношение водорода к углероду не будет отрегулировано посредством добавления CO₂ к исходному газу.

[0005] Неполное окисление природного газа представляет собой новый процесс производства синтетического газа из природного газа, и также включает в себя каталитическое окисление и некаталитическое окисление в соответствии с тем, используется ли катализатор, причем при каталитическом окислении метан взаимодействует с кислородом на слое катализатора, как показано в следующей формуле:

CH₄+1/2O₂=CO+2H₂

[0006] Эта реакция осуществляется в термоизолированном реакторе без нагревания. Кроме того, эта реакция может также производить большое количество высокотемпературного пара высокого давления, и отношение H₂/CO в продуктовом газе приблизительно равно 2: 1; и этот продуктовый газ может быть использован для приготовления жидкого топлива напрямую, без использования таких способов, как преобразование или добавление углерода.

[0007] Каталитическое окисление природного газа осуществляется в адиабатической печи каталитического окисления природного газа, которая для обеспечения высокого давления имеет металлическую оболочку; термоизоляционные огнеупорные материалы размещаются в этой печи. Когда печь работает в нормальном режиме, ее температура может достигать 800°C, и даже 1300°C и выше в некоторых крайних ситуациях. Все виды термоизоляционных огнеупорных материалов имеют конкретную кривую нагрева, а именно кривую высыхания. Для обеспечения работы термоизоляционных огнеупорных материалов в адиабатической печи каталитического окисления природного газа температурой реакции газа в печи необходимо управлять так, чтобы скорость удовлетворения требований кривой высыхания адиабатической печи каталитического окисления природного газа увеличивалась постепенно и медленно. Однако наряду с увеличением температуры исходного газа, входящего в адиабатическую печь каталитического окисления природного газа, каталитическое окисление должно быть начато мгновенно, когда температура достигнет точки зажигания для каталитической реакции; и температура должна быстро увеличиваться, заставляя тем самым температуру реакционного газа мгновенно достигать 800°C и выше, и температура адиабатической печи каталитического окисления природного газа выходит из-под контроля на стадии нагревания. В то же время термоизоляционные огнеупорные материалы в адиабатической печи каталитического окисления природного газа обычно представляют собой хрупкие материалы, и в них может легко создаваться напряжение при таком сильном нагреве, образуя трещины и соответственно приводя к снижению эффективности окислительной печи или к ее отказу.

[0008] До сих пор изучение каталитического окисления природного газа фокусировалось главным образом на скрининге, подготовке и других аспектах катализатора, например, патентный документ № US6946114 B2 описывает формулу и реакционную эффективность катализатора для каталитического окисления природного газа. Однако вопрос о том, как эффективно управлять температурой в печи каталитического окисления природного газа для того, чтобы защитить печь каталитического окисления природного газа и сделать ее переход в нормальное рабочее состояние стабильным, все еще остается нерешенным.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0009] С учетом описанных выше проблем одной задачей настоящего изобретения является предложить способ интерактивной сушки адиабатической печи каталитического окисления природного газа, который уменьшал бы колебания температуры печи каталитического окисления природного газа во время периода интерактивной сушки, избегая тем самым растрескивания футеровки из огнеупорного материала в печи и гарантируя, что печь окисления будет плавно входить в нормальный режим работы.

[0010] Для решения этой задачи в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения предлагается способ интерактивной сушки для адиабатической печи каталитического окисления природного газа, содержащий:

[0011] 1) загрузку исходного газа, содержащего кислород и природный газ, а также терморегулирующий газ, способный уменьшать скорость увеличения температуры реакции, в печь каталитического окисления природного газа, загруженную катализатором, причем молярное отношение кислорода к природному газу в исходном газе составляет 0,3-0,6: 1, а молярное отношение терморегулирующего газа к исходному газу составляет 0,1-7:1,3-1,6;

[0012] 2) подогрев смешанного газа, содержащего исходный газ и терморегулирующий газ в соответствии с пунктом 1), для плавного повышения температуры смешанного газа, и остановку подогрева, когда температура смешанного газа достигнет температуры запуска реакции окисления; и

[0013] 3) в соответствии с молярным отношением, описанным в пункте 1), постепенное уменьшение молярного отношения терморегулирующего газа к исходному газу так, чтобы повышение температуры смешанного газа соответствовало скорости повышения температуры кривой высыхания термоизоляционного огнеупорного материала в печи каталитического окисления природного газа, и прекращение подачи терморегулирующего газа, когда температура реакции достигнет рабочей температуры печи каталитического окисления.

[0014] В классе этого варианта осуществления в пункте 3) при постепенном уменьшении молярного отношения терморегулирующего газа к исходному газу способ дополнительно содержит регулирование молярного отношения кислорода к природному газу в исходном газе таким образом, чтобы повышение температуры смешанного газа соответствовало скорости повышения температуры кривой высыхания термоизоляционного огнеупорного материала в печи каталитического окисления природного газа.

[0015] В классе этого варианта осуществления в пункте 1) терморегулирующий газ представляет собой инертный газ, N₂, CO₂, водяной пар или смесь перечисленного.

[0016] В классе этого варианта осуществления в пункте 2) температура запуска реакции окисления составляет от 300 до 600°C.

[0017] В классе этого варианта осуществления в пункте 3) при постепенном уменьшении молярного отношения терморегулирующего газа к исходному газу способ дополнительно содержит увеличение молярного отношения кислорода к природному газу в исходном газе таким образом, чтобы повышение температуры смешанного газа соответствовало скорости повышения температуры кривой высыхания термоизоляционного огнеупорного материала в печи каталитического окисления природного газа.

[0018] В классе этого варианта осуществления в пункте 3) молярное отношение терморегулирующего газа к исходному газу уменьшается от 7:1,3-1,6 до 0-5:1,3-1,6, когда температура смешанного газа увеличивается до 750°C от 280°C.

[0019] В классе этого варианта осуществления в пункте 3) молярное отношение терморегулирующего газа к исходному газу уменьшается от 5,1-7:1,4-1,6 до 0-5:1,4-1,6, а молярное отношение кислорода к природному газу в исходном газе увеличивается от 0,3-0,4:1 до 0,41-0,6:1, когда температура смешанного газа увеличивается до 750°C от 280°C.

[0020] Преимущества способа интерактивной сушки для адиабатической печи каталитического окисления природного газа по настоящему изобретению суммируются следующим образом:

[0021] 1. Этот способ уменьшает отношение реакции, и устраняет одну часть тепла за счет разбавления исходного газа терморегулирующим газом, который является негорючим или не поддерживающим горение, и использует терморегулирующий газ и управляет температурой реакции путем подходящего управления молярной долей терморегулирующего газа во время стадии нагревания, уменьшая тем самым диапазон колебаний температуры в печи окисления во время периода интерактивной сушки/запуска, избегая при этом ударного нагрева в печи во время реакции окисления, в результате чего температура реакции смешанного газа повышается в соответствии со скоростью повышения температуры, требуемой разработанной кривой высыхания термоизоляционного огнеупорного материала в печи каталитического окисления природного газа, и реализует управляемую кривую нагрева печи каталитического окисления природного газа, и соответственно позволяет избежать растрескивания термоизоляционных огнеупорных материалов при ударном нагреве, защищая печь каталитического окисления природного газа и обеспечивая ее устойчивый переход в нормальное рабочее состояние.

[0022] 2. Исходный газ смешивается с терморегулирующим газом, который является негорючим или не поддерживающим горение в настоящем изобретении, и температурой реакции управляют путем подходящего управления молярной долей терморегулирующего газа и регулирования молярного отношения природного газа к кислороду во время стадии нагревания; соответственно настоящее изобретение предлагает контролируемый и относительно умеренный способ интерактивной сушки печи каталитического окисления природного газа, более эффективно избегая тем самым снижения эффективности печи окисления или ее отказа из-за растрескивания.

[0023] 3. Способ настоящего изобретения может управлять диапазоном нагрева во время процесса интерактивной сушки/запуска и уменьшать риск отложения углерода в адиабатической печи каталитического окисления природного газа, делая тем самым переход печи окисления в нормальное рабочее состояние устойчивым.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0024] Фиг. 1 представляет собой кривую высыхания огнеупорного термоизоляционного материала в предшествующем уровне техники;

[0025] Фиг. 2 представляет собой график изменения температуры газа, выходящего из слоя катализатора, при изменении объемной скорости потока N₂ в Примере 1;

[0026] Фиг. 3 представляет собой график изменения температуры газа, выходящего из слоя катализатора, при изменении объемной скорости потока гелия в Примере 2;

[0027] Фиг. 4 представляет собой график изменения температуры газа, выходящего из слоя катализатора, при изменении объемной скорости потока CO₂ в Примере 3;

[0028] Фиг. 5 представляет собой график изменения температуры газа, выходящего из слоя катализатора, при изменении объемной скорости потока N₂ в Примере 4;

[0029] Фиг. 6 представляет собой график изменения температуры газа, выходящего из слоя катализатора, при изменении объемной скорости потока H₂O в Примере 5;

[0030] Фиг. 7 представляет собой график изменения температуры газа, выходящего из слоя катализатора, при изменении объемной скорости потока аргона в Примере 6.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

[0031] Для того, чтобы дополнительно проиллюстрировать настоящее изобретение, далее приведено описание экспериментов, подробно описывающее способ интерактивной сушки для адиабатической печи каталитического окисления природного газа, вместе с сопроводительными чертежами. Следует отметить, что следующие примеры предназначены для описания, а не для ограничения настоящего изобретения.

Пример 1

[0032] Сначала N₂, природный газ и кислород были введены в высушенную печь каталитического окисления природного газа, загруженную катализатором из благородного металла, где природный газ содержал более чем 99,9 об.% метана; объемная скорость потока природного газа составляла 1 кмоль/час; чистота кислорода превышала 99,9%; объемная скорость потока кислорода составляла 0,6 кмоль/час; чистота N₂ превышала 99,9%; и объемная скорость потока N₂ составляла 7 кмоль/час. После этого смешанный газ, содержащий N₂, природный газ и кислород, был подогрет до температуры 300°C для того, чтобы вызвать каталитическое окисление; подогрев был прекращен, и объемная скорость потока азота постепенно уменьшалась до тех пор, пока объемная скорость потока азота не стала равна 0, так что повышение температуры реакции смешанного газа соответствовало скорости повышения температуры разработанной кривой высыхания термоизоляционного огнеупорного материала в печи каталитического окисления природного газа. В частности, температура неуклонно повышалась до 1115°С, что было нормальной рабочей температурой печи каталитического окисления. Кривая высыхания термоизоляционного огнеупорного материала в печи каталитического окисления природного газа показана на Фиг. 1.

[0033] Во время стадии сушки с уменьшением объемной скорости потока N₂, температура газа, выходящего из слоя катализатора, показана на Фиг. 2 для тех случаев, когда объемные скорости потока N₂ составляют 7 кмоль/час, 6 кмоль/час, 5 кмоль/час, 4 кмоль/час, 3 кмоль/час, 2 кмоль/час, 1 кмоль/час и 0,1 кмоль/час. Как показано на Фиг. 2, температура газа в печи неуклонно увеличивается при уменьшении объемной скорости потока N₂, без ударного нагрева; и молярное соотношение природного газа, кислорода и N₂ показано в Таблице 1 на каждой изолирующей стадии сушки.

Таблица 1

Пример 2

[0034] Сначала гелий, природный газ и кислород были введены в высушенную печь каталитического окисления природного газа, загруженную катализатором из благородного металла, где природный газ содержал более чем 99,9 об.% метана; объемная скорость потока природного газа составляла 1 кмоль/час; чистота кислорода превышала 99,9%; объемная скорость потока кислорода составляла 0,3 кмоль/час; чистота гелия превышала 99,9%; и объемная скорость потока гелия составляла 7 кмоль/час. После этого смешанный газ, содержащий гелий, природный газ и кислород, был подогрет до температуры 550°C для того, чтобы вызвать каталитическое окисление; подогрев был прекращен, и объемная скорость потока гелия постепенно уменьшалась до тех пор, пока объемная скорость потока гелия не стала равна 0, так что повышение температуры реакции смешанного газа соответствовало скорости повышения температуры разработанной кривой высыхания термоизоляционного огнеупорного материала в печи каталитического окисления природного газа. В частности, температура неуклонно повышалась до 760°C, что было нормальной рабочей температурой печи каталитического окисления. Кривая высыхания термоизоляционного огнеупорного материала в печи каталитического окисления природного газа показана на Фиг. 1.

[0035] Во время стадии сушки с уменьшением объемной скорости потока гелия, температура газа, выходящего из слоя катализатора, показана на Фиг. 3 для тех случаев, когда объемные скорости потока гелия составляют 7 кмоль/час, 6 кмоль/час, 5 кмоль/час, 4 кмоль/час, 3 кмоль/час, 2 кмоль/час, 1 кмоль/час и 0,1 кмоль/час. Как показано на Фиг. 3, температура газа в печи неуклонно увеличивается при уменьшении объемной скорости потока гелия, без ударного нагрева; и молярное соотношение природного газа, кислорода и гелия показано в Таблице 1 на каждой изолирующей стадии сушки.

Пример 3

[0036] Сначала CO₂, природный газ и кислород были введены в высушенную печь каталитического окисления природного газа, загруженную катализатором из благородного металла, где природный газ содержал более чем 99,9 об.% метана; объемная скорость потока природного газа составляла 1 кмоль/час; чистота кислорода превышала 99,9%; объемная скорость потока кислорода составляла 0,4 кмоль/час; чистота CO₂ превышала 99,9%; и объемная скорость потока CO₂ составляла 7 кмоль/час. После этого смешанный газ, содержащий CO₂, природный газ и кислород, был подогрет до температуры 600°C для того, чтобы вызвать каталитическое окисление; подогрев был прекращен, и объемная скорость потока CO₂ постепенно уменьшалась до тех пор, пока объемная скорость потока CO₂ не стала равна 0, так что повышение температуры реакции смешанного газа соответствовало скорости повышения температуры разработанной кривой высыхания термоизоляционного огнеупорного материала в печи каталитического окисления природного газа. В частности, температура неуклонно повышалась до 760°C, что было нормальной рабочей температурой печи каталитического окисления. Кривая высыхания термоизоляционного огнеупорного материала в печи каталитического окисления природного газа показана на Фиг. 1.

[0037] Во время стадии сушки с уменьшением объемной скорости потока CO₂, температура газа, выходящего из слоя катализатора, показана на Фиг. 4 для тех случаев, когда объемные скорости потока CO₂ составляют 7 кмоль/час, 6 кмоль/час, 5 кмоль/час, 4 кмоль/час, 3 кмоль/час, 2 кмоль/час, 1 кмоль/час и 0,1 кмоль/час. Как показано на Фиг. 4, температура газа в печи неуклонно увеличивается при уменьшении объемной скорости потока CO₂, без ударного нагрева; и молярное соотношение природного газа, кислорода и CO₂ показано в Таблице 1 на каждой изолирующей стадии сушки.

Пример 4

[0038] Сначала N₂, природный газ и кислород были введены в высушенную печь каталитического окисления природного газа, загруженную катализатором из благородного металла, где природный газ содержал более чем 99,9 об.% метана; объемная скорость потока природного газа составляла 1 кмоль/час; чистота кислорода превышала 99,9%; объемная скорость потока кислорода составляла 0,3 кмоль/час; чистота N₂ превышала 99,9%; и объемная скорость потока N₂ составляла 7 кмоль/час. После этого смешанный газ, содержащий N₂, природный газ и кислород, был подогрет до температуры 300°C для того, чтобы вызвать каталитическое окисление; подогрев был прекращен, и объемная скорость потока азота постепенно уменьшалась, а молярное отношение природного газа к кислороду регулировалось так, чтобы повышение температуры реакции смешанного газа соответствовало скорости повышения температуры разработанной кривой высыхания термоизоляционного огнеупорного материала в печи каталитического окисления природного газа. В частности, температура неуклонно повышалась до 1115°C, что было нормальной рабочей температурой печи каталитического окисления, объемная скорость потока азота стала равна 0, и молярное отношение природного газа к кислороду составило 1: 0,6. Кривая высыхания термоизоляционного огнеупорного материала в печи каталитического окисления природного газа показана на Фиг. 1.

[0039] Во время стадии сушки при уменьшении объемной скорости потока N₂ и увеличении объемной скорости потока кислорода температура газа, выходящего из слоя катализатора, показана на Фиг. 5 для тех случаев, когда объемные скорости потока N₂ составляют 7 кмоль/час, 6 кмоль/час, 5 кмоль/час, 4 кмоль/час, 3 кмоль/час, 2 кмоль/час, 1 кмоль/час и 0,1 кмоль/час, и объемные скорости потока кислорода составляют 0,3 кмоль/час, 0,4 кмоль/час, 0,5 кмоль/час и 0,6 кмоль/час. Как показано на Фиг. 5, температура газа в печи неуклонно увеличивается при уменьшении объемной скорости потока N₂ и увеличении объемной скорости потока кислорода, без ударного нагрева; и молярное соотношение природного газа, кислорода и N₂ показано в Таблице 1 на каждой изолирующей стадии сушки.

Пример 5

[0040] Сначала водяной пар, природный газ и кислород были введены в высушенную печь каталитического окисления природного газа, загруженную катализатором из благородного металла, где природный газ содержал более чем 99,9 об.% метана; объемная скорость потока природного газа составляла 1 кмоль/час; чистота кислорода превышала 99,9%; объемная скорость потока кислорода составляла 0,3 кмоль/час; чистота водяного пара превышала 99,9%; и объемная скорость потока водяного пара составляла 7 кмоль/час. После этого смешанный газ, содержащий водяной пар, природный газ и кислород, был подогрет до температуры 600°C для того, чтобы вызвать каталитическое окисление; подогрев был прекращен, и объемная скорость потока водяного пара постепенно уменьшалась, а молярное отношение природного газа к кислороду регулировалось, то есть молярный процент кислорода постепенно увеличивался так, чтобы повышение температуры реакции смешанного газа соответствовало скорости повышения температуры разработанной кривой высыхания термоизоляционного огнеупорного материала в печи каталитического окисления природного газа. В частности, температура неуклонно повышалась до 1342°C, что было нормальной рабочей температурой печи каталитического окисления, объемная скорость потока водяного пара стала равна 0, и молярное отношение природного газа к кислороду составило 1: 0,6. Кривая высыхания термоизоляционного огнеупорного материала в печи каталитического окисления природного газа показана на Фиг. 1.

[0041] Во время стадии сушки при уменьшении объемной скорости потока водяного пара и увеличении объемной скорости потока кислорода температура газа, выходящего из слоя катализатора, показана на Фиг. 6 для тех случаев, когда объемные скорости потока водяного пара составляют 7 кмоль/час, 6 кмоль/час, 5 кмоль/час, 4 кмоль/час, 3 кмоль/час, 2 кмоль/час, 1 кмоль/час и 0,1 кмоль/час, и объемные скорости потока кислорода составляют 0,3 кмоль/час, 0,4 кмоль/час, 0,5 кмоль/час и 0,6 кмоль/час. Как показано на Фиг. 6, температура газа в печи неуклонно увеличивается при уменьшении объемной скорости потока водяного пара и увеличении объемной скорости потока кислорода, без ударного нагрева; и молярное соотношение природного газа, кислорода и водяного пара показано в Таблице 1 на каждой изолирующей стадии сушки.

Пример 6

[0042] Сначала аргон, природный газ и кислород были введены в высушенную печь каталитического окисления природного газа, загруженную катализатором из благородного металла, где природный газ содержал более чем 99,9 об.% метана; объемная скорость потока природного газа составляла 1 кмоль/час; чистота кислорода превышала 99,9%; объемная скорость потока кислорода составляла 0,3 кмоль/час; чистота аргона превышала 99,9%; и объемная скорость потока аргона составляла 7 кмоль/час. После этого смешанный газ, содержащий аргон, природный газ и кислород, был подогрет до температуры 300°C для того, чтобы вызвать каталитическое окисление; подогрев был прекращен, и объемная скорость потока аргона постепенно уменьшалась, а молярное отношение природного газа к кислороду регулировалось, то есть молярный процент кислорода постепенно увеличивался так, чтобы повышение температуры реакции смешанного газа соответствовало скорости повышения температуры разработанной кривой высыхания термоизоляционного огнеупорного материала в печи каталитического окисления природного газа. В частности, температура неуклонно повышалась до 1115°C, что было нормальной рабочей температурой печи каталитического окисления, объемная скорость потока аргона стала равна 0, и молярное отношение природного газа к кислороду составило 1: 0,6. Кривая высыхания термоизоляционного огнеупорного материала в печи каталитического окисления природного газа показана на Фиг. 1.

Во время стадии сушки при уменьшении объемной скорости потока аргона и увеличении объемной скорости потока кислорода температура газа, выходящего из слоя катализатора, показана на Фиг. 7 для тех случаев, когда объемные скорости потока аргона составляют 7 кмоль/час, 6 кмоль/час, 5 кмоль/час, 4 кмоль/час, 3 кмоль/час, 2 кмоль/час, 1 кмоль/час и 0,1 кмоль/час, и объемные скорости потока кислорода составляют 0,3 кмоль/час, 0,4 кмоль/час, 0,5 кмоль/час и 0,6 кмоль/час. Как показано на Фиг. 7, температура газа в печи неуклонно увеличивается при уменьшении объемной скорости потока аргона и увеличении объемной скорости потока кислорода, без ударного нагрева; и молярное соотношение природного газа, кислорода и аргона показано в Таблице 1 на каждой изолирующей стадии сушки.