РЕАКТОР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕЗ-ГАЗА
REACTOR FOR PRODUCING SYNTHESIS GAS

Изобретение относится к области химического машиностроения, к каталитическому реактору для получения синтез-газа, а именно к устройству для осуществления каталитического парциального окисления природного газа, и может быть использовано для получения синтез-газа с целью его использования в качестве инициирующих водородных добавок к основному топливу в двигатели внутреннего сгорания и в газотурбинных двигателях.
Известен каталитический реактор (RU 2208475, B01J 8/04; С01B 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.
Недостатком этого устройства является высокая трудоемкость изготовления армированных пористых материалов, снижение общей каталитической активности в связи с использованием армирующих материалов, высокая температура синтез-газа, выходящего из реактора.
Известно устройство для генерации синтез-газа (RU 2446092, C01B 3/38, B01J 8/04, 25.06.2010), которое содержит смесительно-распределительное пусковое устройство, тангенциальный ввод, искровую свечу или электрический нагревательный элемент, один или несколько каталитических блоков и погружной теплообменник коридорного типа.
Каталитический блок выполнен в виде осевых блоков из чередующихся между собой плоских и гофрированных теплопроводных металлопористых каталитических лент с наличием каналов для прохождения газовых потоков. Погружной теплообменник интегрирован по теплу с каталитическим реактором.
Вышеуказанное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству и поэтому выбрано в качестве прототипа.
Недостатком известного устройства является невысокий ресурс его из-за перегрева входящего в него устройства поджига рабочей смеси в процессе работы и возможная потеря герметичности разъемного фланцевого соединения смесительно-распределительного пускового устройства с цилиндрическим охлаждаемым корпусом в процессе работы реактора.
Задача, решаемая предлагаемым изобретением, - создание компактного реактора с повышенной эффективностью, большим ресурсом работы и небольшой трудоемкостью.
Технический результат от использования изобретения заключается в повышении эффективности преобразования природного газа в синтез-газ за счет снижения тепловых потерь и включения в общую систему охлаждения двигателя, повышения ресурса работы, безопасности.
Указанный результат достигается тем, что в реакторе для получения синтез-газа, содержащем смесительно-распределительное пусковое устройство с тангенциальным вводом, искровую свечу, один или несколько каталитических блоков и погружной теплообменник, перед первым каталитическим блоком размещен пористый экран, на выходе газового потока из последнего каталитического блока расположен элемент высокотемпературной теплоизоляции, при этом на боковой поверхности каталитического блока расположен слой высокотемпературной теплоизоляции, отделенный от погружного теплообменника кольцевым зазором, а каталитический блок выполнен из пористого материала, причем реактор выполнен в виде единого, интегрированного по теплу устройства без разъемных соединений.
В пусковом устройстве расположена система запуска реактора с газовой горелкой вихревого типа, состоящей из конического распределителя со стабилизатором пламени и содержащей охлаждаемую искровую свечу.
Вышеуказанные и иные аспекты и преимущества настоящего изобретения раскрыты в нижеследующем подробном его описании, приводимом со ссылками на чертежи, на которых изображены: на фиг. 1 - представлена конструкция заявляемого реактора, поперечный разрез; на фиг. 2 - поперечный разрез по плоскости А-А.
Реактор для получения синтез-газа (фиг. 1) содержит герметичный охлаждаемый корпус цилиндрической формы с расположенными в нем: смесительно-распределительным пусковым устройством 1 с тангенциальным вводом рабочих реагентов 2, искровой свечой 3, одним или несколькими каталитическими блоками 4, теплообменником 5 для нагрева рабочих реагентов, погружным теплообменником 6 для снижения температуры искровой свечи 3 и снижения температуры синтез-газа. Для контроля и регулирования режимов работы реактора в его конструкции введено как минимум три термопары; термопара 7 в переднем (лобовом) слое катализатора, термопара 8 на выходе из каталитического блока 4, термопара 9, в теплоносителе (тосоле) на выходе из погружного теплообменника 6. Перед каталитическим блоком 4 установлен пористый экран 10. На выходе из каталитического блока 4 на некотором расстоянии расположен элемент высокотемпературной теплоизоляции 11. На боковой поверхности каталитического блока 4 расположен слой высокотемпературной теплоизоляции 12, отделенный от погружного теплообменника 6 с зазором 13. Для обеспечения устойчивого запуска в пусковое устройство введен элемент стабилизации 14 в виде перпендикулярно установленных пластин в количестве не менее 3 перед пористым экраном 10.
В конструкции реактора имеются патрубки для ввода природного газа 15, для ввода воздуха 16, для входа охлаждающей жидкости 17, а также патрубки для вывода охлаждающей жидкости 18 и синтез-газа 19.
Устройство работает следующим образом.
При запуске реактора рабочие реагенты: природный газ и воздух подают через патрубки 15 и 16 в смесительно-распределительное пусковое устройство 1 с коэффициентом избытка воздуха равным 1,0÷1,2. В корпусе пускового устройства 1 поданные с тангенциальной закруткой через тангенциальный ввод 2 рабочие реагенты перемешиваются до однородного состояния, стабилизируются на элементе стабилизации 14, который представляет собой набор пластин, установленных перпендикулярно к пористому экрану 10. Газовый стабилизированный поток подается в зону искровой свечой 3, где смесь загорается. Продукты сгорания разогревают каталитический блок 4 до начала реакции парциального окисления (450-600°C). По термопаре 7, установленной в зоне лобового слоя катализатора, при достижении температуры 450-600°C система управления реактором (на фиг. не показана) изменяет состав газовых реагентов на входе в реактор до коэффициента избытка воздуха в пределах 0,26-0,32. На разогретом катализаторе каталитического блока 4 при заданном коэффициенте избытка воздуха происходит реакция парциального окисления природного газа при рабочей температуре 750-950°C. В погружном теплообменнике 6 за счет подаваемой через патрубок 17 охлаждающей жидкости температура синтез-газа снижается до величины 100÷150°C и синтез-газ подается через патрубок 19 в камеру сгорания двигателя, а охлаждающая жидкость через патрубок 18 поступает в систему охлаждения двигателя внутреннего сгорания. При выходе на рабочий режим двигателя внутреннего сгорания часть выхлопных газов двигателя может подаваться в реактор вместе со смесью природный газ-воздух через патрубок 15, обеспечивая режим смешанной воздушно-пароуглекислотной конверсии. Теплообменник 5 обеспечивает предварительный нагрев рабочих газов, входящих в реактор через патрубки 15 и 16. При этом тепло в теплообменник 5 при работе реактора поступает со стороны каталитического блока 4, разогретого до высоких температур. Погружной теплообменник 6 выполняет при этом несколько функций: снижает рабочую температуру синтез-газа с целью увеличения наполняемости цилиндров двигателей внутреннего сгорания и исключения уменьшения мощности, обеспечения безопасности при установке на транспортное средство. При использовании в качестве охладителя жидкости из системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания появляется дополнительная функция по запуску двигателя внутреннего сгорания в холодное время года, т.к. в период запуска двигателя охлаждающая жидкость будет прогрета, а в камеру сгорания двигателя будет поступать теплый синтез-газ. Зазор 13 обеспечивает проход горячего синтез-газа от каталитического блока 4 до погружного теплообменника 6 вдоль слоя высокотемпературной теплоизоляции 12. Наличие горячего синтез-газа в зазоре 13 снижает тепловой поток от высокотемпературной теплоизоляции 12 в сторону погружного теплообменника 6, что снижает тепловые потери каталитического блока 4 и повышает эффективность реактора. Элемент стабилизации 14 обеспечивает устойчивый поджиг газовоздушной смеси при запуске реактора. В реакторе могут быть использованы один или несколько каталитических блоков, расположенных последовательно. Для уменьшения тепловых потерь перед каталитическим блоком 4 устанавливают пористый экран 10, а на выходе из каталитического блока 4 размещают элемент высокотемпературной теплоизоляции 11.
Реактор может быть изготовлен следующим образом.
При изготовлении реактора для получения синтез-газа можно применять отечественные материалы. Смесительно-распределительное пусковое устройство выполнено в виде усеченного конуса с тангенциальным вводом газовых реагентов, при этом в режиме запуска устройство служит в качестве газовой горелки с электрическим поджигом, а в режиме генерации синтез-газа - распределительным устройством.
Каталитический блок 4 является отечественной разработкой, изготовленный из сплава на основе никеля. Комплектующие реактора - искровая свеча 3, высокотемпературные термопары 7, 8 и низкотемпературная термопара 9, исходные материалы для высокотемпературной теплоизоляции 11, 12 являются серийной отечественной продукцией, которая присутствует на отечественном рынке. Пористый экран 10 может быть изготовлен из сетки из нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Все остальные составные части реактора также могут быть изготовлены из нержавеющей стали 12Х18Н10Т методом гибки, токарно-фрезерной обработки и аргоно-дуговой сварки на типовом механическом участке.
Был изготовлен опытный образец реактора, который опробован в реальных условиях на автомобиле «Баргузин», и отработал более 1000 моточасов. При этом показал высокую эффективность работы: предлагаемое устройство позволяет топливо (природный газ) конвертировать в водородсодержащий синтез-газ. В режиме парциального окисления содержание водорода в синтез-газе составляет до 33%.
Конструкция предлагаемого реактора за счет усовершенствования позволяет создать компактный реактор с хорошими динамическими и ресурсными характеристиками. Реактор может использоваться как в режиме парциального окисления топлива, так и в режиме смешанной воздушно-пароуглекислотной конверсии, что очень важно при его применении совместно с двигателями внутреннего сгорания. Использование режима смешанной конверсии позволяет снизить рабочую температуру реактора и соответственно повысить ресурс, а также уменьшить риск выпадения сажи на переходных режимах и повысить содержание водорода в синтез-газе за счет использования окислителей в виде паров воды и углекислого газа.