УСТРОЙСТВО ГЕНЕРАТОРА СИНТЕЗ-ГАЗА
SYNTHETIC GAS GENERATING ASSEMBLY

2
Предлагаемое техническое решение относится к области органического синтеза, а конкретно к устройствам и технологии переработки газового углеводородного сырья в синтез-газ (nH+СО), 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, известен высокотемпературный реактор (конвертор) углеводородных газов для получения синтез-газа по методу парциального окисления, описанный в патенте США №4582630.
2
В этом патенте заявлена комбинированная схема получения синтез-газа, сочетающая трубчатую печь парового риформинга части природного газа, параллельно с ней работающую камеру сгорания остальной части метана при недостатке кислорода и замыкающий схему шахтный реактор вторичного парового риформинга потоков из трубчатой печи камеры сгорания. Камера сгорания и шахтный реактор могут выполняться в одном корпусе, и реализуется схема прямого однокорпусного тандема. В этом патенте в сочетании с очень широким диапазоном давлений и температур (мольных отношений O /С), в привязке к нормальным условиям (одна атмосфера и ноль градусов Цельсия), заявлены времена пребывания конвертируемых компонентов в камере сгорания в диапазоне 0,001…100 секунд. При пересчете заявленных времен пребывания на диапазон давлений 0,2…10,0 МПа и температур 1000…1800°C фактические времена пребывания составят примерно 0,0025…250 секунд.
Недостатком этого устройства является громоздкость установки вследствие использования большого количества стационарных малопроизводительных агрегатов. В материалах патента нет решений, эффективных в области времен пребывания <0,1 с, когда процессы парциального окисления являются термодинамически частично неравновесными и решающее значение приобретает организация начального смесеобразования, определяемая конструкцией и режимом работы смесительного элемента.
Наиболее близким аналогом, взятым нами за прототип, является устройство - генератор синтез-газа по патенту РФ 2266778 от 10.04.2005 г. В этом патенте заявлена схема модульного генератора синтез-газа, также работающего по методу 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). Устройство включает в себя узлы подвода исходных компонентов и охладителя, смеситель для образования реакционной смеси. 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. Генератор синтез-газа включает от двух до нескольких десятков модулей камер сгорания, скомпонованных в вертикальные или горизонтальные пакеты с общим охлаждающим корпусом и общим выходным газовым коллектором. На входе в камеру сгорания модуль содержит смеситель для компонентов реакционной смеси. Камера горения представляет из себя прямоточный цилиндрический канал.
Данный генератор имеет следующий существенный недостаток. Его конструкция не обеспечивает полноту смешения исходных компонентов реакционной смеси, т.к. смешение их происходит в смесителе, являющемся входной частью реактора горения. В результате смесь, попадая в камеру, мгновенно воспламеняется, а поскольку скорость горения несравненно выше скорости смешения, происходит большое сажеобразование. Это приводит к необходимости при получении чистого синтез-газа использования дополнительных очистительных агрегатов. Кроме того, большие линейные размеры каждого модуля, определяемые временами завершения реакций в камере горения, обуславливают высокую удельную массу реактора на единицу перерабатываемого сырья и необходимость наличия больших производственных площадей.
Целью заявляемого технического решения является разработка конструкции устройства, обеспечивающего полноту реакций за время пребывания исходного сырья в реакционной зоне камеры горения, а также снижение удельной массы реактора на единицу сырья.
Указанная задача была решена путем оборудования генератора смесителем, вынесенным из камеры горения, и установкой в камере дополнительных профильных перегородок, превращающих реактор в многоходовую камеру.
Сущность заявляемого генератора для получения синтез-газа, работающего по методу парциального окисления углеводородных газов кислородом воздуха при давлении в камере реактора не менее 0,2 МПа, заключается в том, что он содержит выделенные отдельные узлы для подвода исходных компонентов. Узел приготовления и подвода окислителя включает аппарат для обогащения воздуха чистым кислородом, компрессор и смеситель обогащенного воздуха с водяным паром. В материалах заявки - это смеситель А. Обогащенный кислородом воздух и водяной пар подаются в переднюю часть смесителя. Перемешивание компонентов на молекулярном уровне происходит при движении газовой смеси вдоль оси смесителя по лабиринтному тракту, представляющего собой цилиндрический канал, разделенный перегородками. Такой смеситель обеспечивает полное перемешивание компонентов, достижение постоянных концентраций и температур по сечению потока на выходе из смесителя. Узел подготовки и ввода углеводородного газа (УВГ) состоит из смесителя окислителя и УВГ - это смеситель Б, и пристыкованного к нему теплообменника, предназначенного для разогрева готовой реакционной смеси теплом целевого продукта, поступающего из реактора. Эффективность смешения для достижения полной гомогенизации обеспечивается в смесителе Б за счет ступенчатого подвода парокислородовоздушной смеси в поток углеводородного газа, это приводит к постепенному, ступенчатому увеличению концентрации парокислородовоздушной смеси в углеводородном газе. Такая конструкция смесителя Б позволяет избежать появления в смешиваемом объеме областей, концентрация кислорода воздуха в которых будет выше концентраций самовоспламенения при данной температуре. Узел охлаждения состоит из подводящего УВГ трубопровода, компрессора и пропускного тракта в стенках устройства, выполняющего функции рубашки охлаждения. Реактор горения выполнен в виде цилиндрической камеры, стенки которой имеют пропускной тракт для охлаждения. В реакторе установлены дополнительные перегородки в виде стенок также с пропускным трактом. Рабочий объем камеры, разделенный перегородками - стенками, - образуют несколько условных зон, через которые реакционная смесь проходит последовательно. Поэтому такая камера в отличие от прямоточной является многоходовой. Количество устанавливаемых внутренних перегородок может варьироваться от потребности создания одной или несколько реакционных зон для обеспечения необходимого времени протекания реакции. При этом габариты камеры, определяемые в зависимости от скорости прохождения реакционной смеси вдоль стенок камеры, подобраны таким образом, чтобы обеспечить время пребывания смеси в зоне в пределах 2…10 сек, необходимое для протекания химических реакций до термодинамического равновесия. Для обеспечения заданного температурного режима реакционного процесса корпус генератора и стенки многоходовой камеры снабжены пропускным трактом (рубашками) с зазором до 5 мм, достаточным для прохода охлаждающего теплоносителя, в качестве которого используется исходный углеводородный газ (УВГ), выполняющий в этом случае роль теплоносителя.
Достигаемым техническим результатом от осуществленных конструктивных решений в газогенераторе синтез-газа является повышение качественных показателей целевого продукта при одновременном снижении его физических параметров (габариты, вес, производственные площади).
Установка работает следующим образом (фиг.1). Окислитель готовят смешением воздуха, предварительно обогащенного кислородом, с водяным паром. Воздух поступает в аппарат обогащения воздуха кислородом 1, затем кислородно-воздушная смесь по магистралям поступает на компрессор 2, а затем в смеситель A - поз.3, в который также подается водяной пар. В смесителе A образуется парокислородно-воздушная смесь, которая затем поступает в смеситель Б. Все линии подачи оснащены датчиками температуры, давления и расхода, контролирующими параметры смеси в магистралях. Исходное сырье - углеводородный газ (УВГ) - подается компрессором 4 в охлаждающий тракт 5 - рубашку реактора 6. Проходя через охлаждающий тракт реактора и стенок-перегородок камеры 7, УВГ забирает тепло прореагировавшей смеси, охлаждая ее, нагреваясь до температуры порядка 300°C, затем он поступает в смеситель Б - поз.8. В смесителе Б образуется готовая реакционная смесь углеводородного газа и паро-кислородно-воздушного окислителя. К смесителю Б пристыкован теплообменный аппарат 9, в котором происходит повышение температуры реакционной смеси до 500…600°C за счет теплоотдачи от целевого продукта с целью снижения его температуры.
Пройдя теплообменный аппарат 9, смесь через антипроскоковую решетку 10 поступает в первую зону реактора горения. Первоначальное воспламенение смеси происходит при помощи запальной камеры 11, на основных режимах работы обеспечивается самовоспламенение горючей смеси во фронте пламени.
Заявляемый газогенератор устроен следующим образом (фиг.2): Реактор выполнен в виде набора коаксиальных цилиндров с внутренними перегородками 12, которые разворачивают поток и тем самым обеспечивают многоходовость камеры. Корпус 13 выполнен из стали в виде цилиндрической двустенной оболочки с зазором 2…5 мм, внутри которого размещена камера сгорания 14, в виде прямоточной цилиндрической камеры, разделенной перегородками 12 на несколько зон. Камера сгорания, также как и корпус реактора, выполнена в виде двустенной оболочки с зазором 2…5 мм, предназначенной для прохода охлаждающего компонента.
Для обеспечения равномерной подачи реакционной смеси из коллектора 15 в зону горения, а также для предотвращения забрасывания пламени в полость теплообменного аппарата служит форсуночная головка 10 (антипроскоковая решетка).
Начальное инициирование процесса горения происходит при помощи запальной камеры, форс пламени от которой подается через штуцер 11.
Реактор имеет наружное проточное регенеративное охлаждение, при котором осуществляется проток углеводородного газа по тракту, образованному между внутренней и наружной оболочками корпуса реактора, а также камеры сгорания, пройдя через которые газ поступает в зазор между огневым 16 и промежуточным 17 днищем форсуночной головки, а затем через штуцер 18 отводится в смеситель Б.
Основные габариты реактора горения (диаметр и длина) определяются по выбранной скорости прохождения и времени пребывания. С учетом опыта работы агрегатов-аналогов в смежных отраслях промышленности и задачи обеспечения полноты прохождения реакций рекомендуется обеспечить время пребывания газа в реакторе не менее 2 с и скорость протекания газа по каналам реактора не менее 2…10 м/с.
2
Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет создавать генератор синтез-газа без использования агрегатов очистки газа от сажи, кроме того, используемая конструкция обусловливает меньшие по сравнению с аналогами массогабаритные характеристики генератора, что обеспечивает его мобильность. Организация процесса, сочетающая идеальное смешение потоков горючих и окислительных компонентов с последующим подогревом до температуры, близкой к температуре самовоспламенения смеси, обеспечивают увеличение скорости прохождения химических реакций и высокий удельный выход целевых продуктов (СО и Н) на единицу сырья.