УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕЗ-ГАЗА

Полезная модель 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, см. RU 2408417 С1, опубл. 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 отсутствие возможности стабилизации температуры стенок реактора при его охлаждении, что не позволяет обеспечить необходимый процесс окисления горючего и снижает качество получаемого синтез-газа. Также к недостаткам относится отсутствие возможности исключить возникающие в процессе работы устройства термические напряжения в двухслойной охлаждаемой стенке между внешним и внутренним слоями при больших разностях температур.
Также известен реактор для получения синтез-газа, см. RU 2392297 С1, опубл. 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 генератора является отсутствие возможности стабилизации температуры стенок реактора при его охлаждении, что не позволяет обеспечить необходимый процесс окисления горючего и снижает качество получаемого синтез-газа. Также к недостаткам относится незащищенность двухслойной металлической стенки корпуса от возникающих термических напряжений между слоями, приводящих к снижению механической прочности реактора.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели, является устройство для получения синтез-газа из жидких или газообразных углеводородов, см. RU 2523824 С2, опубл. 27.07.2014, принято за прототип, состоящее из испарителя жидкого горючего и реактора, содержащего корпус с двухслойными металлическими охлаждаемыми стенками, внутреннюю полость, форсуночную головку для подачи сырья и кислорода, расположенную в верхней части корпуса, парогенератор водяного пара, выход которого подключен к системам внешнего охлаждения и ввода пара во внутреннюю полость, смесителя горючего с перегретым водяным паром, выход которого соединен с форсуночной головкой.
Недостатком данного устройства является отсутствие возможности стабилизации температуры стенок реактора при его охлаждении, что не позволяет обеспечить необходимый процесс окисления горючего и снижает качество получаемого синтез-газа. Также к недостаткам относится незащищенность двухслойной металлической стенки корпуса от возникающих термических напряжений между слоями, приводящих к снижению механической прочности реактора.
Цель полезной модели - разработка конструкции устройства, позволяющей стабилизировать заданный температурный режим процесса окисления горючего, свести к минимуму количество образующейся сажи, механически защищенной от воздействия температурных деформаций, возникающих при работе устройства.
Технический результат - повышение надежности устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для получения синтез-газа из жидких или газообразных углеводородов, состоящее из испарителя жидкого горючего и реактора, содержащего корпус с двухслойными металлическими охлаждаемыми стенками, внутреннюю полость, форсуночную головку для подачи сырья и кислорода, расположенную в верхней части корпуса, парогенератор водяного пара, выход которого подключен к системам внешнего охлаждения и ввода пара во внутреннюю полость, смесителя горючего с перегретым водяным паром, выход которого соединен с форсуночной головкой, при этом поверхность внутреннего слоя двухслойной металлической охлаждаемой стенки на стороне пара выполнена оребренной винтовыми ребрами прямоугольного профиля.
На внешней поверхности двухслойной металлической стенки реактора установлены компенсаторы температурных деформаций, возникающих при различной степени разогрева внутренней и внешней поверхностей двухслойной стенки во время работы устройства.
Угол наклона винтовой линии ребер к оси секционированного корпуса находится в пределах 10°<α<80°, а коэффициент оребрения - в пределах
К=1.4-1.7
где: К=Fор/Fгл,
2
2
где: Fор=π[0,5×(Dр-Dн)+Dр×δ+Dн×S],
Fгл=π×Dн×(δ+S),
где: Fор - величина оребренной поверхности,
Fгл - величина гладкой поверхности,
Dр - диаметр оребренной поверхности,
Dн - диаметр несущей поверхности ребер,
δ - толщина ребра,
S - расстояние между ребрами.
Заявленная полезная модель поясняется чертежами, где:
Фиг. 1 - схема устройства для получения синтез-газа с примененными в ней оребренной поверхностью и линзовыми компенсаторами;
Фиг. 2 и фиг. 3 - схемы винтового оребрения и геометрические характеристики ребер.
На фиг. 1 приведено схематическое изображение установки для получения синтез-газа. Реактор включает секционированный 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. Наружная поверхность 10 внутреннего слоя двухслойной охлаждаемой стенки выполнена оребренной винтовыми ребрами прямоугольного поперечного сечения. Применение оребрения для интенсификации теплообмена и увеличения поверхности теплообмена между водяным паром и стенкой реактора способствует стабилизации температуры стенки, обеспечению заданной температуры рабочего потока в реакторе, а, следовательно, повышению надежности устройства. На внешней поверхности двухслойной стенки в каждой секции установлены линзовые компенсаторы 11. Незащищенность двухслойной металлической стенки корпуса от возникающих термических напряжений между слоями из-за значительной разницы температур между ними (до 600-800°C), а, следовательно, разными величинами линейных деформаций внутреннего и наружного слоев, что может привести к разрушению корпуса реактора. Для компенсации термических напряжений между слоями предложены линзовые компенсаторы, позволяющие удлиняться внешнему слою стенки на большую величину, равную удлинению внутреннего слоя стенки и таким образом исключить возникновение термических напряжений. Горячим теплоносителем для форсуночной головки-теплообменника 4 служит перегретый водяной пар. Секции корпуса 1 соединяются с помощью фланцев-коллекторов 5, которые обеспечивают подвод пара для наружного охлаждения реактора и ввод пара внутрь реакционной зоны. На выходе из реактора размещен парогенератор 6, в котором осуществляется испарение воды за счет охлаждения синтез-газа. 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.
На фиг. 2 приведены профиль и схема винтового оребрения, на которой показан угол наклона а винтовой линии к оси реактора.
На фиг. 3 приведен вид А-А фиг. 2 с указанными геометрическими обозначениями размеров оребренной поверхности, а именно: Dр - диаметр ребер, Dн - диаметр несущей поверхности ребер, S - расстояние между ребрами, δ - толщина ребра.
Устройство 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°C. 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°C. Поддержание необходимой температуры во внутренней полости реактора осуществляется путем отвода тепла к перегретому водяному пару через оребренную (развитую) поверхность теплообмена на внешней стороне внутреннего слоя двухслойной металлической охлаждаемой стенки 10. Возникающие температурные деформации в двухслойной охлаждаемой стенке компенсирутся с помощью, установленных на наружном слое линзовых компенсаторов 11. Далее синтез-газ поступает в парогенератор 6, на выходе из которого температура синтез-газа снижается до 500-600°C. 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.