ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЙ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕЗ-ГАЗА И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
PLASMA-CHEMICAL SYNTHESIS GAS PRODUCTION METHOD AND INSTALLATION FOR ITS IMPLEMENTATION

2
Группа изобретений относится к области плазмохимии и служит для получения синтез-газа, состоящего преимущественно из монооксида углерода (СО) и водорода (Н), методом окислительной конверсии природного газа или метана с водой и/или диоксидом углерода или смесью этих компонентов, а также методом парциального окисления метана кислородом в потоке плазмы.
Синтез-газ является одним из основных компонентов органического синтеза и служит для производства многих химических и нефтехимических продуктов, таких как метанол и другие оксигенаты, продукты процесса Фишера-Тропша, а также используется для восстановления железной руды.
Существует множество различных схем получения синтез-газа (Современные методы получения синтез-газа и процесс Фишера-Тропша / Миргаязов И.И., Абдуллин А.И. / Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т. 17. №9. С. 258-261). Среди них - газификация угля и углеродсодержащих продуктов, конверсия метана, а также парциальное окисление углеводородов. Конверсия метана водой является эндотермическим процессом:
также, как и конверсия диоксидом углерода:
Парциальное окисление кислородом идет по экзотермической реакции:
Так как реакции (а) и (б) эндотермические, то для их осуществления необходим подвод энергии. Для реакции (в) использование плазмотрона обусловлено повышением выхода полезного продукта при повышении адиабатической температуры.
Известен способ микроволновой конверсии метан-водяной смеси в синтез-газ, раскрытый в патенте RU 2513622 С2, опубл. 20.04.2014. Преимущество известного решения заключается в повышении эффективности за счет использования водного аэрозоля, подаваемого непосредственно в реакционную зону и отсутствия необходимости предварительного парообразования. К недостаткам изобретения следует отнести то, что использование микроволнового излучения значительно усложняет всю технологию, а также снижает КПД процесса при необходимости работы на больших мегаваттных мощностях.
Наиболее близким аналогом предлагаемой группы изобретений является плазмохимический способ получения синтез-газа и установка для его осуществления, раскрытые в статье авторов: Ф.Г. Рутберг, А.Н. Братцев, В.А. Кузнецов [и др.] «Получение синтез-газа конверсией метана в плазме водяного пара и диоксида углерода». Письма в ЖТФ, 2014, том. 40, вып. 17. При осуществлении известного способа в электродуговой трехфазный генератор плазмы подают водяной пар или смесь водяного пара с углекислым газом (дополнительный исходный компонент), в камеру смешения, установленную после генератора плазмы, подают метан (основной компонент) и осуществляют плазмохимическое взаимодействие исходных компонентов в струе низкотемпературной плазмы. Установка состоит из трехфазного электродугового генератора и проточного реактора с камерой смешения. Недостатком изобретения является необходимость предварительной подготовки перегретого пара, что в случае большой производительности процесса при больших мощностях требует организации инфраструктуры для подготовки перегретого пара. При этом снижается КПД процесса получения синтез-газа за счет затрат энергии на производство перегретого пара, а также потерь энергии при подаче водяного пара к генератору плазмы. Кроме того производство перегретого пара требует наличия дополнительного горючего, такого как жидкие углеводороды (бензин, мазут и др.) или природного газа (метана), поскольку подогрев и перегрев посредством стандартных электрических парогенераторов имеет низкий КПД.
В отличие от наиболее близкого аналога в предлагаемом способе получения синтез-газа все продукты синтеза подаются непосредственно в плазмотрон, где за счет значительно более высоких температур непосредственно в электродуговых разрядах (в месте их соединения) происходит полная и быстрая конверсия продуктов в синтез-газ. Помимо этого в состав оборудования для получения синтез-газа входит теплообменник-рекуператор, который позволяет понизить удельные энергозатраты на производство электроэнергии, за счет рекуперации энтальпии продукта, совместно с его закалкой, в тепло подаваемого природного газа (метана).
Задачей предлагаемой группы изобретений является создание плазмохимического способа получения синтез-газа с использованием электродугового трехфазного плазмотрона большой мощности и установки для осуществления этого способа.
Технический результат предлагаемой группы изобретений заключается в снижении энергозатрат ~ на 5% при получении синтез-газа с высокой производительностью.
Для решения задачи и обеспечения технического результата предлагается плазмохимический способ получения синтез-газа, при котором в электродуговой трехфазный плазмотрон подают основной и дополнительный исходные компоненты и осуществляют их плазмохимическое взаимодействие. Основной исходный компонент подают в дуговые камеры, а дополнительный исходный компонент - в смесительную камеру электродугового трехфазного плазмотрона непосредственно в место соединения трех электродуговых разрядов. Полученный синтез-газ охлаждают. При этом высвобождающимся при охлаждении синтез-газа теплом подогревают основной исходный компонент.
Предложена также установка для получения синтез-газа, включающая электродуговой трехфазный плазмотрон, содержащий три дуговые камеры с электродами, соединенные со смесительной камерой, и средства подачи исходных компонентов. Дополнительно содержит теплообменник-рекуператор, внутренний контур которого связан со смесительной камерой плазмотрона, а внешний контур - с дуговыми камерами плазмотрона. При этом в смесительной камере установлена форсунка для подачи дополнительного исходного компонента внутрь смесительной камеры непосредственно в место соединения трех электродуговых разрядов.
В качестве основного исходного компонента может быть использован метан или природный газ, в качестве дополнительного исходного компонента используют воду или углекислый газ или их смеси или кислород.
Установка для получения синтез-газа схематично представлена на фигуре.
Установка состоит из трехфазного электродугового плазмотрона 1, содержащего три дуговые камеры 2 с электродами (не показаны), соединенные со смесительной камерой 3, и теплообменника-рекуператора 4. Смесительная камера плазмотрона 1 и внутренний контур теплообменника-рекуператора 4 соединены посредством трубопроводов. Плазмотрон 1 может работать от стандартной трехфазной промышленной сети с напряжением 10 кВ. В смесительной камере 3, например, в задней стенке или крышке камеры, установлена форсунка 5 для подачи дополнительного исходного компонента внутрь смесительной камеры 3 в место соединения трех электродуговых разрядов. Причем дуговые камеры 2 снабжены средствами подачи основного исходного компонента. При этом подача основного компонента может быть осуществлена тангенциально, что обеспечивает закрутку и газовихревую стабилизацию электродуговых разрядов. Дуговые камеры связанны с внешним контуром теплообменника-рекуператора 4 посредством трубопроводов. Проходя внешний контур теплообменника-рекуператора, основной исходный компонент подогревается за счет тепла, высвобождающегося при охлаждении синтез-газа, т.е. основной исходный компонент одновременно является хладагентом для получаемого синтез-газа, что позволяет сократить энергозатраты и материалоемкость процесса.
Предлагаемая установка работает следующим образом. Основной компонент - природный газ или метан поступает из коллектора (на фигуре не показан) с заданным расходом, подается в дуговые камеры 2 с электродами плазмотрона 1. Далее на плазмотрон 1 подается напряжение и зажигаются электродуговые разряды. После установления постоянного режима в смесительную камеру 3 плазмотрона через форсунку 5 подается дополнительный исходный компонент, например, вода. Расход основного компонента задается давлением в коллекторе. Дополнительный исходный компонент подается через струйную форсунку 5, установленную в смесительной камере 3 плазмотрона таким образом, что струя попадает непосредственно в место соединения трех электродуговых разрядов, где мгновенно испаряется, перемешивается с основным исходным компонентом и вступает с ним в химическую реакцию с образованием синтез-газа. Расход дополнительного исходного компонента задается давлением в коллекторе (на фигуре не показан) перед форсункой 5. Такой способ подачи компонентов обеспечивает строгое соблюдение соотношения компонентов, а также упрощает систему запуска. Рабочий процесс организован таким образом, что в смесительной камере плазмотрона температура газовой смеси достигает 1600 К, что обеспечивает достаточно полную конверсию (до 98%) исходных компонентов в конечный продукт в виде синтез-газа.
Предлагаемая группа изобретений обеспечивает упрощение процесса получения синтез-газа и повышения его надежности за счет исключения части элементов, таких как парогенератор, пароперегреватель и соответствующие трубопроводы, а также максимально полную конверсию исходных компонентов в конечный продукт с максимальным КПД и минимальными энергозатратами.