Газогенератор синтез-газа

Полезная модель предназначена для использования в нефтегазохимических производствах в качестве химического реактора парциального некаталитического окисления углеводородного сырья для получения синтез-газа.
2
Разработка и совершенствование технологий получения синтез-газа для каталитического синтеза целевых химических продуктов (водорода, метанола, диметилового эфира и моторных топлив) является одним из наиболее актуальных направлений развития современной нефтегазохимии. Они приобретают особую важность при создании малотоннажных транспортабельных химических установок для освоения ресурсов углеводородного сырья, сосредоточенных в мало- и среднедебитных низконапорных нефтегазовых месторождениях, составляющих более 50% всех мировых запасов [1-2]. ( Арутюнов B.C. Окислительная конверсия природного газа / B.C. Арутюнов // М.: Красанд, 2011. - 590 с.)
3
3
Важнейшим узлом малотоннажных установок является химический реактор - газогенератор синтез-газа (ГСГ), который должен иметь малые массогабаритные характеристики, высокие надежность, безопасность и ремонтопригодность, удобство эксплуатации. Названным требованиям удовлетворяют ГСГ, реализующие технологию получения синтез-газа путем некаталитического парциального окисления углеводородного сырья, преимущественно углеводородных газов (УВГ). Подобные ГСГ имеют малые габариты, что позволяет создавать малотоннажные химические производства, в частности метанола, непосредственно в промысловых условиях [3]. ( Пост-релиз конференции «Метанол 2016» URL: http://www.newchemistry.ru/printletter.php?n_id=6615 (дата обращения: 09.04.2018).  Арутюнов B.C. Арутюнов B.C., Савченко В.И., Седов И.В. О перспективах промысловых газохимических технологий на основе азотсодержащего синтез-газа // НефтеГазоХимия, 2016, №4, с. 14-23.)
4
Известны технические решения, в которых синтез-газ получают в ГСГ по типу жидкостных ракетных двигателей [4]. ( Загашвили Ю.В., Левихин А.А., Кузьмин A.M. Основы проектирования трехкомпонентных газогенераторов синтез-газа // Нефтегазохимия, 2017, №4, с. 9-16.) Такие газогенераторы представляют охлаждаемую блочно-модульную конструкцию на фланцевых прочно-плотных соединениях, состоящую из следующих основных элементов: узлов ввода компонентов (УВГ, окислителя и воды), смесительной головки, устройства зажигания, камеры сгорания (КС), испарительной камеры (ИК). В смесительную головку ГСГ под давлением подают исходные компоненты - УВГ (преимущественно природный газ) и окислитель (преимущественно кислород). С выхода смесительной головки УВГ и окислитель в турбулентном режиме течения газов раздельно поступают в КС, в которой происходит смешение компонентов и их парциальное окисление - неполное горение УВГ при недостатке окислителя. Инициацию процесса осуществляют с помощью устройства зажигания, снаряженного электроискровой свечой. Продукты парциального окисления, содержащие синтез-газ (монооксид углерода и водород), диоксид углерода, пары воды, азот и следовые количества других балластных газов, а также конденсированную фазу (сажу, смолы), с выхода КС поступают в проточную ИК. В ИК впрыскивают химочищенную воду и охлаждают газовую смесь до требуемой температуры. Внутренние стенки всех элементов ГСГ имеют развитое наружное оребрение. Узлы ГСГ охлаждают раздельно, чем достигают возможность независимого изменения режимов охлаждения любой секции. В качестве хладагента используют химочищенную воду. Недостатками подобных ГСГ являются некачественное смесеобразование, повышенное сажеобразование, малый ресурс и низкая ремонтопригодность, обусловленная сложностью демонтажа и замены элементов ГСГ.
Известно устройство по патенту RU 2392297, C10J 3/34 (2006/01), включающее в себя корпус с водяной магистралью и двухслойными металлическими водоохлаждаемыми стенками, внутреннюю полость, горелку для ввода топлива, кислорода или парокислородной смеси, патрубок для отвода газа расположенный в нижней части корпуса.
2
2
Корпус дополнительно снабжен одним поясом завесы, выполненным в виде кольцевого щелеобразного канала с реданами, и соединен с внутренней полостью, расположенной между двухслойными металлическими водоохлаждемыми стенками. Технологический процесс осуществляют при высоких температурах в реакторе и давлениях до 30 МПа. Существенным недостатком устройства является высокая, порядка 3000°С, температура синтез-газа на выходе ГСГ, что обусловлено использованием кислорода в качестве окислителя. Кроме того, ГСГ работает на близких к стехиометрическим режимах, характеризуемых высокими значениями коэффициента избытка окислителя alfa≥0,5. В таких режимах выход компонентов синтез-газа на 30-50% меньше по сравнению с режимами парциального окисления и отношение Н/СО<1,3, что существенно ниже значений Н/СО≥2,1, рекомендуемых для эффективного синтеза метанола. Недостатком данного устройства является низкая надежность ГСГ, в том числе неремонтопригодность неразборной конструкции.
Известно устройство ГСГ по патенту RU 2320531, С01В 3/36 B01J 7/00, включающее в себя двухкамерную КС. В первую, основную, камеру сгорания подают трехкомпонентную смесь, состоящую из УВГ (преимущественно природного газа), окислителя (кислорода, воздуха или обогащенного кислородом воздуха), водяного пара. Смесь воспламеняют струей горячего газа из второй камеры сгорания, в которой первоначальное воспламенение горючего осуществляют от внешнего источника с давлением подачи, превышающим давление подачи компонентов в первую КС. Недостатком устройства является установка сопла с критическим перепадом давления, вследствие чего давление газа на выходе ГСГ составляет менее 50% от давления газа в КС. Таким образом, в данном типе ГСГ требуется дополнительное дорогостоящее компрессорное оборудование для компримирования синтез-газа перед стадией каталитического синтеза целевых продуктов. Поскольку вторая камера сгорания работает на близком к стехиометрическому режиме, высока вероятность прожога стенок камеры, а возникающие температурные напряжения снижают надежность ГСГ. Поэтому существенным недостатком является отсутствие возможности замены узлов и ремонта ГСГ.
Ближайшим аналогом, выбранным в качестве прототипа, является устройство по патенту RU 2408417, B01J 7/00 (2006/01). ГСГ включает следующие основные элементы: узел подачи углеводородного сырья, окислителя и воды, смесительную головку с системой воспламенения, трехсекционную реакционную камеру. Газогенератор синтез-газа изображен на фиг. 1 и состоит из смесительной головки 1 и трех соосно и последовательно расположенных секций. Первая секция состоит из охлаждаемого цилиндра - камеры сгорания 2, вторая секция представляет собой охлаждаемую вставку - узел ввода воды 3 со штуцерами подвода воды, которые устанавливают перпендикулярно оси реакционной камеры, третья секция состоит из охлаждаемого или неохлаждаемого цилиндра - испарительной камеры 4. Каждая секция имеет цилиндрическую конструкцию, снабженную узлами подвода воды охлаждения. В первой секции осуществляют ввод исходных компонентов (УВГ, окислителя, водяного пара), воспламенение и парциальное окисление газовой смеси при различных соотношениях массовых расходов компонентов окислитель-УВГ в диапазоне от 0,8 до 1,6. Во второй секции в продукты парциального окисления, температура которых может достигать 2200°С, вводят химочищенную воду. В третьей секции высокотемпературные продукты парциального окисления охлаждают за счет испарения воды. Конструкция секций выполнена по типу «труба в трубе», и секции охлаждают подачей химочищенной воды в межтрубное пространство. Вода, поступающая в межтрубное пространство через канал ввода, обеспечивает охлаждение внешней поверхности внутренней стенки секции и одновременно охлаждение внешней стенки. Смесительную головку с реакционной камерой и секции реакционной камеры соединяют как разъемным, так и неразъемным способом.
Существенным недостатком прототипа является низкая надежность реакционной камеры ГСГ, поскольку реакционная камера не является полностью сборно-разборной конструкцией и не предусмотрена замена отдельных узлов. Поэтому при прогаре и деформациях элементов конструкции необходим полный демонтаж и замена ГСГ. Также необходимо затрачивать большое количество времени для демонтажа подводящих магистралей топливоподачи и охлаждения.
Целью полезной модели является повышение надежности ГСГ за счет улучшения его ремонтопригодности.
Заявляемый технический результат достигают введением быстроразъемных мультисоединений узлов (далее - БРМ) ГСГ: смесительной головки и камеры сгорания, секций реакционной камеры (камеры сгорания и узла ввода воды, узла ввода воды и испарительной камеры).
5
6
Традиционно подачу охлаждающей жидкости в межтрубное (межрубашечное) пространство осуществляют через неразъемное сварное соединение патрубка и внешней стенки. [5-6]. ( Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели. Основы проектирования: Учебник для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. / Под ред. Д.А Ягодникова. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. - 488 с: ил. стр. 149.  В.А. Борисов / Конструирование основных узлов и систем ракетных двигателей стр. 66-70) Учитывая короткое время эксплуатации, данный тип соединения является оптимальным, но он, как и в приведенном аналоге RU 2408417, B01J 7/00 (2006/01), не позволяет провести работы по замене отдельных узлов и элементов.
4
6
7
8
9
10
Известны разборные соединения [4, 6], ( Загашвили Ю.В., Левихин А.А., Кузьмин A.M. Основы проектирования трехкомпонентных газогенераторов синтез-газа // Нефтегазохимия, 2017, №4, с. 9-16.  В.А. Борисов / Конструирование основных узлов и систем ракетных двигателей стр. 66-70) представляющие собой фланцы, к внешней стороне которых приваривают резьбовой фитинг-штуцер [7], ( http://htr.spb.ru/develop; http://htr.spb.ru/blocks) соединение фитингов обеспечивают гибким сильфоном (металлорукавом) [8] ( ОСТ 92-3901-76) или жесткой трубкой с приваренным резьбовым конусовидным фитингом, ниппелем и гайкой [9-10]. ( https://componenta-s.ru/catalog/metallorukava-vysokogo-davleniya/metallorukava-pod-privarku/  ОСТ 92-3910-76) В процессе эксплуатации и монтажных работ резьба фитинга выходит из строя и соединение теряет герметичность, также фитинг подвергается коррозии, закисанию и термическим деформациям, что может привести к его выходу из строя. Поэтому подобный тип соединений имеет низкую надежность, кроме того необходимо затрачивать большее время на осуществление монтажа и демонтажа путем среза и приваривания новых фитингов и замены металлорукавов.
11
Сущность предлагаемого технического решения поясняют фиг. 2, 3, на которых изображена секция реакционной камеры с установленным на нем БРМ. На фигурах обозначены: 5, 12 - отверстия для установки фитинга; 6, 10 - фланцы, 7 - цилиндр, 8 - внешняя стенка, 9 - фрезерованный канал, 11 ( ОСТ 92-3906-76), 20 - уплотнительные кольца, 13 - фитинг, 14 - область сварки фланца 10 с цилиндром 7, 15 - область сварки цилиндра 7 с фланцем 6, 16 - область сварки фланца 6 с внешней стенкой 8, 17 - область сварки фланца 10 с внешней стенкой 8, 18 - отверстие для болтового соединения, 19 - область установки прокладки, 21 - паз для установки уплотнительного кольца, 22 - прокладка.
В полезной модели предлагается БРМ, представляющее сборочный узел, состоящий из фланцев с отверстиями для установки фитингов и болтовых соединений, фитингов с пазами, уплотнительных колец, прокладки и болтовых соединений для надежного крепления
Конструкционную взаимосвязь элементов БРМ поясняют фиг. 2-4.
В пазы 21 двух фитингов 13 устанавливают уплотнительные кольца 11, 20, после чего фитинги с уплотнительными кольцами устанавливают в отверстия 12 фланца 10, далее фланец 6 и фланец 10 соединяем, чтобы фитинг 13 проходил в отверстие 5 фланца 6.
Соединение фланцев между собой обеспечивают болтовым соединением через отверстие 18. Уплотнительные кольца 11 и 20 обеспечивают герметичность зазора между фитингами и отверстиями 5 и 12. Прокладка 22 в области установки прокладки 19 обеспечивает герметичность БРМ. Элементы мультисоединения взаимно дополняют друг друга, БРМ является самостоятельным сборочным узлом.
Процесс установки БРМ предусматривает следующие технологические операции. Внутреннюю стенку 7 сваривают в области сварки 15 с фланцем 6 и в области сварки 14 с фланцем 10, внешнюю стенку устанавливают между фланцами 6, 10, и сваривают в области сварки 16 с фланцем 6 и в области сварки 17 с фланцем 10.
Применение предлагаемого БРМ повышает ремонтопригородность ГСГ за счет возможности оперативной замены не только узлов ГСГ (смесительной головки, КС, узла ввода воды, ИК), но и самого фитинга с уплотнительными кольцами. БРМ обеспечивает плотное соединение цилиндров, сплошность поверхности внутренней полости цилиндров и отсутствие утечек. Кроме того, подача химочищенной воды через фитинг 13 в межтрубное пространство, образованное фрезерованным каналом 9 и внешней стенкой 8, позволяет исключить использование подводящих магистралей и дополнительных соединений.