УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕЗ-ГАЗА
APPARATUS OF PRODUCING SYNTHESIS GAS

Изобретение относится к области химического машиностроения, а именно к установкам для получения синтез-газа из углеродного сырья. Изобретение может быть использовано в химической, нефтехимической, энергетической и других смежных отраслях промышленности для переработки углеводородного сырья с получением синтез-газа, используемого для энергетических и технологических целей.
Известен «Генератор синтез-газа» по патенту РФ 2408417, кл. B01J 7/00 от 10.01.2011, включающий реакционную камеру сгорания, узлы подачи газообразного углеводородного горючего, окислителя, воды, смесительную головку с системой воспламенения и охлаждаемое сопло. Реакционная камера состоит из трех расположенных соосно и последовательно секций, внутренние полости которых образуют цилиндрический рабочий канал. Первая секция выполнена в виде охлаждаемого цилиндра и снабжена смесительной головкой, которая состоит из расположенного по оси секции узла подачи окислителя со спрямляющей решеткой и системой воспламенения, узла подачи углеводородного горючего, представляющего собой расположенные в расширяющейся части смесительной головки под углом к оси рабочего канала форсунки горючего. Вторая секция представляет собой охлаждаемую вставку, имеющую участок с внутренним диаметром, меньшим диаметра рабочего канала, при этом на конической поверхности сужающегося участка вставки расположено не менее трех центробежных форсунок ввода воды. Третья секция выполнена в виде неохлаждаемого или охлаждаемого цилиндра и снабжена охлаждаемым соплом с узлами подачи воды охлаждения.
Недостатком данного генератора является водяное охлаждение стенок реактора, что создает эффект «холодной стенки» и, как следствие, увеличение выхода сажи. Также к недостаткам относятся непроизводительные теплопотери от сброса нагретой воды, используемой для охлаждения металлических стенок.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению, принятым за прототип, является «Реактор для получения синтез-газа» по патенту РФ 2392297, кл. C10J 3/34 от 20.06.2010, включающий корпус с водяной магистралью и с двухслойными металлическими водоохлаждаемыми стенками и внутренней полостью, горелку для ввода топлива и кислорода или парокислородной смеси, расположенную в верхней части корпуса, патрубок для отвода газа, расположенный в нижней части корпуса, отличающийся тем, что в корпусе выполнены кольцевые коллекторы, один из которых расположен в верхней части корпуса и присоединен к водяной магистрали, а другой расположен в нижней части корпуса и присоединен трубопроводом к горелке, также корпус дополнительно снабжен, например, одним поясом завесы, выполненным в виде кольцевого щелеобразного канала с реданами, и соединен с внутренней полостью, расположенной между двухслойными металлическими водоохлаждаемыми стенками.
Недостатком данного устройства является охлаждение стенок реактора водой, что создает эффект "холодной стенки" и способствует увеличению выхода сажи. Кроме того, недостатком является объединенная с системой охлаждения система парогенерации и ввода пара внутрь реактора через кольцевой щелеобразный канал с реданами, что делает систему охлаждения зависимой от внутрикамерных процессов, снижая тем самым надежность работы установки.
Задачами предлагаемого изобретения являются:
1) Использование водяного пара в качестве охладителя реактора и в качестве сырья, что позволит улучшить экологические показатели установки, приведет к снижению энергетических потерь, более равномерному распределению температуры по сечению реактора, позволит минимизировать выход сажи, что в конечном итоге ликвидирует необходимость использования сажеосадителей.
2) Разделение линий внешнего охлаждения реактора паром и ввода пара внутрь реакционной зоны, что исключает возможность воздействия внутрикамерных процессов на систему охлаждения, вследствие чего повышается надежность установки.
3) Предварительное смешение и прогрев компонентов топлива в форсуночной головке до поступления их в реакционную зону, что приведет к снижению расхода компонентов топлива и, как следствие, к снижению стоимости целевого продукта.
Поставленные задачи решаются следующим образом.
К нижней части реактора присоединен парогенератор, выход которого соединен с системами внешнего охлаждения и ввода пара внутрь реактора. Для использования пара в качестве сырья, помимо ввода пара внутрь реактора, устройство снабжено испарителем горючего и смесителем испаренного горючего с водяным паром. Секции реактора соединены между собой фланцами-коллекторами, посредством которых осуществляется ввод пара внутрь реактора и обеспечивается работа охлаждающего тракта. Для предварительного смешения и прогрева сырья применена форсуночная головка-теплообменник.
На Фиг.1 приведено схематическое изображение установки для получения синтез-газа. Реактор включает секционный корпус 1 с двухслойными металлическими стенками 2, охлаждаемыми водяным паром, и внутренней полостью 3, форсуночную головку-теплообменник 4 для ввода парогазовой смеси и кислорода, расположенную в верхней части корпуса 1. Горячим телом для форсуночной головки-теплообменника 4 служит перегретый водяной пар, входящий из системы внешнего охлаждения. Секции корпуса 1 соединяются с помощью фланцев-коллекторов 5, которые обеспечивают подвод пара для наружного охлаждения реактора и ввод пара внутрь реакционной зоны. Выход реактора соединен с парогенератором 6, горячим телом для которого является синтез-газ, выходящий из реакционной камеры. Устройство снабжено смесителем горючего с перегретым водяным паром 7, выход которого соединен с реакционной камерой. Устройство снабжено испарителем горючего 8, выход которого соединен со смесителем горючего с перегретым водяным паром 7. Реактор снабжен запальным устройством 9.
Форсуночная головка-теплообменник состоит из следующих основных деталей и узлов (Фиг.2):
- огневое днище 10;
- внутреннее днище 11;
- среднее днище 12;
- верхнее днище 13;
- наружное днище 14;
- промежуточное кольцо 15;
- верхнее силовое кольцо 16;
- нижнее силовое кольцо 17;
- компенсационное кольцо 18;
- перегородка 19;
- двухкомпонентные форсунки 20;
- фланец 21.
Головка имеет три полости: полость парогаза 22, образованная верхним 13 и наружным 14 днищами; полость кислорода 23, образованную средним 12 и верхним 13 днищами; полость перегретого водяного пара - зону теплообмена 24, образованную огневым 10 и внутренним днищами 11. Двухкомпонентные форсунки 20 имеют внутреннюю 25 и наружную 26 части.
Установка для получения синтез-газа работает следующим образом.
Парогазовая смесь (испаренное горючее и водяной пар) из смесителя 7 и кислород, который является окислителем, поступают на форсуночную головку-теплообменник 4, где происходит постепенное смешение компонентов (парогаза и кислорода) и прогрев уже готовой смеси. После поступления во внутреннюю полость реактора смесь воспламеняется (первоначальное воспламенение осуществляется с помощью запального устройства 9). Во внутренней полости реактора проходит реакция образования синтез-газа. Температура внутри реактора в верхней зоне достигает 1200-1300°С. В нижней части реактора через фланцы-коллекторы 5 осуществляется ввод водяного пара во внутреннюю полость, благодаря чему проходит доокисление и паровая конверсия образовавшегося в верхней части реактора состава. Паровая конверсия способствует улучшению качества конечных продуктов, уменьшению выхода побочных веществ. После прохождения нижней части реактора температура синтез-газа равна 1100-1200°С. Далее синтез-газ поступает в парогенератор 6, на выходе из которого температура синтез-газа снижается до 500-600°С. Водяной пар, полученный в парогенераторе 6, разделяется на две линии и через обратные клапаны (на рисунке не показаны) поступает на охлаждение стенок реактора и на фланцы-коллекторы 5 для ввода внутрь реактора. Перегретый пар, использованный для охлаждения реактора, поступает в качестве теплоносителя на форсуночную головку-теплообменник 4, а затем разбивается на два потока, один из которых в качестве теплоносителя поступает в испаритель горючего 8, а другой - в смеситель 7. Полученный синтез-газ, прошедший через теплообменник, поступает потребителю.
Форсуночная головка-теплообменник работает следующим образом.
Кислород поступает в полость кислорода 23 и далее - в наружную часть двухкомпонентных форсунок 26. Парогаз поступает в полость парогаза 22 и далее - во внутреннюю часть двухкомпонентных форсунок. Проходя по внутренней части двухкомпонентных форсунок, парогаз через отверстия перетекает в наружную часть двухкомпонентных форсунок, где смешивается с кислородом. Диаметр отверстий увеличивается по длине форсунки. Диаметры отверстий подобраны таким образом, чтобы обеспечивалось постепенное смешивание компонентов. На нижнем участке форсунок (в зоне теплообмена 24), где компоненты полностью перемешаны в заданном соотношении, осуществляется прогрев смеси перегретым водяным паром, выходящим из системы охлаждения реактора. После прогрева смесь попадает в реактор. Кроме прогрева смеси водяной пар, проходящий через зону теплообмена, выполняет функцию охладителя относительно горячего огневого днища.
Изобретение позволяет снизить расход топлива установки газогенерации, улучшить экологические показатели, минимизировать выход сажи, повысить качество получаемого синтез-газа и снизить его стоимость.