БОРТОВОЙ ГЕНЕРАТОР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕЗ-ГАЗА
ONBOARD SYNTHESIS GAS GENERATOR

Изобретение относится к бортовому генератору, а именно к устройству для осуществления каталитического парциального окисления газообразных углеводородных топлив, и может быть использовано для получения синтез-газа и дальнейшего его использования в качестве добавок к топливу в двигатели внутреннего сгорания и в энергоустановках на топливных элементах.
Известно устройство (RU 2175799, H01M 8/06, C01B 3/38, 10.11.2001), которое может работать в режиме частичного окисления углеводородного газа. Устройство предполагает для обеспечения изотермического режима окисления углеводородного газа использование пакета, в котором имеются последовательно расположенные инертные «теплопроводные пластины» и каталитические пластины, при этом изотермичность процесса обеспечивается хорошей (радиальной) теплопроводностью только «теплопроводной пластины». Известно, что парциальное окисление протекает через стадию окисления метана и последующие реакции риформинга, поэтому из-за высокой экзотермичности реакции сжигания в первой части неподвижного слоя катализатора возникают «горячие точки» и поэтому каталитическое парциальное окисление метана проводят в реакторах при малых временах контакта (доли секунд) и термической теплопроводности слоя не менее 0,15 Дж/(сек·м·К) [M.Fathi, R.H.Hofstad, T.Sperle, O.A.Rokstad, A.Holmen. Partial oxidation of methane to synthesis gas at very short contact times // Catalysis Today 42, 1998, p.205-209]. Толщина каталитического слоя обеспечивает полную конверсию метана при времени контакта не выше 0,3 с. Температура в каталитическом слое поднимается до 750-850°С. Наиболее подходящим материалом, пригодным работать в данных условиях длительное время, является сплав состава Fe-Ni-Cr-Al или Fe-Cr-Al. Передача тепла от поверхности каталитического слоя во внешний объем осуществляется в основном посредством конвекции и инфракрасного излучения, поэтому избежать возникновения локальных «горячих точек» на каталитической пластине возможно лишь значительным увеличением теплопроводности носителя катализатора, которая позволит перераспределить температуру по поперечному сечению каталитической пластины. Недостатком данной конструкции является то, что изотермичность процесса обеспечивается установкой инертных «теплопроводных пластин». Эти пластины являются балластной массой в конструкции, и при теплопроводности материала этих пластин менее 16 Дж/(сек·м·К) пластины должны иметь толщину, в несколько раз большую, чем толщина каталитических пластин.
Известно интегрированное устройство для реформинга углеводородов (US 6641625, B01J 8/04; C01B 3/36, 04.11.2003). Устройство для реформинга углеводородов включает два реактора с теплообменником. Первый реактор генерирует водородсодержащий газ посредством парциального окисления, паровой конверсии углеводородного сырья либо иным способом. Второй реактор содержит катализатор, обеспечивающий шифт-реакцию богатого водородом реформата. Теплообменник обеспечивает поступление пара, необходимого для проведения шифт-реакции, во второй реактор.
Известен каталитический реактор (RU 2208475, B01J 8/04; C01B 3/00, 20.07.2003) для получения синтез-газа радиального типа, содержащий газораспределительную трубку со слоем катализатора, который выполнен в виде газопроницаемых плоских и гофрированных армированных лент, навитых и спеченных с газораспределительной трубкой с зазорами между витками с образованием газовоздушных каналов между лентами. Реактор имеет устройство подогрева для запуска его в работу. Газораспределительная трубка имеет отверстия перфорации с диаметром, меньшим критического диаметра, для предотвращения проникновения пламени внутрь газораспределительной трубки. В качестве катализатора используют армированный пористый материал, содержащий активные компоненты: родий, никель, платину, палладий, железо, кобальт, рений, рутений или их смеси.
Вышеуказанное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и поэтому выбрано в качестве прототипа.
Недостатками этого устройства являются высокая трудоемкость изготовления армированных пористых материалов, снижение общей каталитической активности в связи с использованием армирующих материалов, высокая стоимость активных компонентов и высокая температура выходящего синтез-газа.
Изобретение решает задачу создания компактного бортового генератора - устройства осевого типа для получения синтез-газа из углеводородного газа с повышенной эффективностью.
Задача решается конструкцией устройства для получения синтез-газа осевого типа, которое содержит смесительно-распределительное пусковое устройство, погружной теплообменник с увеличенной поверхностью теплообмена, каталитический реактор, включающий один или несколько каталитических блоков, которые выполнены в виде осевых блоков из чередующихся между собой плоских и гофрированных теплопроводных металлопористых каталитических лент с наличием каналов для прохождения газовых потоков.
Гофрированные теплопроводные металлопористые каталитические ленты выполнены либо методом пористого проката из теплопроводных металлических порошков, либо из жаропрочных металлопористых носителей с последующей пропиткой каталитически активной массой.
В качестве активных компонентов каталитически активной массы используют никель, магний или кобальт, марганец, барий или их смеси.
Теплообменник может быть интегрирован с каталитическим реактором.
Устройство содержит погружной теплообменник коридорного типа с увеличенной поверхностью теплообмена. Конструкция интегрированного с каталитическим реактором погружного теплообменника с увеличенной поверхностью теплообмена предотвращает разрушение бортового генератора синтез-газа из-за наличия значительных температурных градиентов.
Внутри смесительно-распределительного пускового устройства расположена система запуска, которая состоит из распределительного конуса с тангенциальным вводом и искровой свечи или электрического нагревательного элемента.
Из устройства выходит охлажденный синтез-газ.
Новым является выполнение катализатора в виде осевого блока из чередующихся между собой плоской и гофрированной теплопроводной металлопористой каталитической ленты с образованием каналов для прохождения газовых потоков. Теплопроводная металлопористая каталитическая лента выполнена либо методом пористого проката из теплопроводных металлических порошков, либо из жаропрочных металлопористых носителей с последующей пропиткой каталитически активными элементами. Новым является также то, что устройство содержит погружной теплообменник коридорного типа с увеличенной поверхностью теплообмена.
Новым в этом устройстве является изготовление каталитического блока из освоенных промышленностью серийных технологий изготовления металлопористых материалов, низкая трудоемкость и себестоимость, увеличение общей каталитической активности в связи с использованием в качестве подложки каталитически активного в реакции парциального окисления углеводородного сырья пористого никеля, отсутствие благородных металлов. Внутри смесительно-распределительного пускового устройства расположена система запуска, которая состоит из тангенциального ввода с запальной свечой или электрического нагревательного элемента. Новым также является выполнение бортового генератора синтез-газа в виде компактного интегрированного каталитического реактора и погружного теплообменника коридорного типа с увеличенной поверхностью теплообмена. Время выхода устройства на рабочий режим составляет не более 45 с.
На Фиг.1 представлена конструкция заявляемого устройства.
На Фиг.2 представлена конструкция смесительно-распределительного пускового устройства.
Устройство содержит герметичный цилиндрический охлаждаемый корпус с расположенными в нем: смесительно-распределительном пусковым устройством 1, тангенциальным вводом 2, искровой свечой 3 или электрическим нагревательным элементом, каталитическим реактором, включающим один или несколько каталитических блоков, 4 и интегрированным погружным теплообменником коридорного типа с увеличенной поверхностью теплообмена 5. Каталитический блок (или блоки) выполнен в виде осевого блока из чередующихся между собой плоских и гофрированных теплопроводных металлопористых каталитических лент. Гофрированная теплопроводная металлопористая каталитическая лента выполнена либо методом пористого проката из теплопроводных металлических порошков, либо из жаропрочных металлопористых носителей с последующей пропиткой каталитически активной массой. В блоке от центра к периферии выполнены треугольные пазы, обеспечивающие осевое прохождение реакционной смеси. Пазы в каталитическом блоке имеют форму треугольника. Пакет каталитических блоков для обеспечения термического (теплового) контакта стягивается между двумя жесткими поддерживающими устройствами с помощью шпилек. Металлопористые теплопроводные каталитические ленты выполнены методом пористого проката, пористостью 40-50%, с последующей пропиткой каталитически активной массой. В качестве катализатора используют активные компоненты, содержащие никель, магний, кобальт, марганец, барий или их смеси.
Кольцевой зазор, образованный внутренней поверхностью корпуса и наружной цилиндрической поверхностью каталитического пакета, образует коллектор отвода синтез-газа в теплообменник. Равномерное распределение реформируемой смеси по сечению каталитического блока обеспечивается смесительно-распределительным пусковым устройством 1. Внутри смесительно-распределительного пускового устройства расположена система газового запуска, которая состоит из запальной свечи (искровой или накаливания) или электрического нагревательного элемента (ТЭНа). Смесительно-распределительное устройство выполнено в виде конуса, причем поток углеводородного газа и воздуха с помощью тангенциального ввода закручен относительно оси конуса, что обеспечивает гомогенность смеси углеводородный газ-воздух как на этапе парциального окисления, так и при пуске (разогреве) - в режиме полного окисления. Запуск реактора осуществляют прогревом каталитического блока до температуры начала реакции парциального окисления. Прогрев каталитического блока осуществляется прогревом продуктами окисления углеводородного газа, при этом воспламенение смеси углеводородный газ-воздух производится запальной свечой (искровой или накаливания). Устройство погружного теплообменника коридорного типа с увеличенной поверхностью теплообмена предотвращает разрушение конструкции бортового генератора синтез-газа в связи с наличием значительных температурных градиентов.
Конструкция предлагаемого каталитического реактора за счет использования металлопористого теплопроводного каталитического носителя, имеющего хорошую теплопроводность, обеспечивает режим, близкий к изотермическому. Номинальную производительность бортового генератора синтез-газа можно изменять за счет изменения диаметра и длины каталитического блока. Габариты каталитического блока определяются требуемой производительностью, активностью катализатора. Рекомендуемая толщина каталитической ленты - 90 мкм, ширина каталитической ленты - 54 мм, высота гофра каталитической ленты - 1,2-2 мм.
Устройство работает следующим образом.
Исходные реагенты: углеводородный газ и воздух в соотношении α=0.85-1 подаются через тангенциальный ввод 2 в смесительно-распределительное пусковое устройство 1. В смесительно-распределительном пусковом устройстве 1 происходит перемешивание газов до однородного состояния, и далее смешанный поток попадает в зону свечи 3. Смесь загорается, и продуктами сгорания (дымными газами) происходит разогрев каталитического блока. При нагреве каталитического блока до температуры начала парциального окисления (500-600°С) изменяется соотношение углеводородный газ и воздух до α≈0.25-0.3. Данная смесь, проходя через каталитический блок, подвергается частичному окислению с выходом синтез-газа, содержащего до 33% водорода и до 16-17% оксида углерода, при использовании в качестве углеводородного газа природного газа. Далее горячий синтез-газ поступает в интегрированный теплообменник, где с помощью тосола температура синтез-газа снижается с 750°С до 150°С.
2
Предлагаемое устройство позволяет конвертировать часть топлива в синтез-газ на борту транспортного средства. Добавка синтез-газа к основному топливу позволяет в условиях городского цикла снизить расход топлива на 20-25% при холостом ходе и достичь норм Евро-4 без установки каталитического нейтрализатора. Также позволяет снизить эксплуатационный расход топлива и обеспечить значительное снижение токсичных выбросов в выхлопных газах двигателя, в том числе и CO, создающего парниковый эффект.