ГОРЕЛКА И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕЗ-ГАЗА
BURNER AND METHOD FOR PRODUCING SYNTHESIS GAS

Область изобретения
Настоящее изобретение относится к горелке для получения синтез-газа за счет частичного окисления жидкого или газообразного углеродсодержащего топлива в присутствии кислородсодержащего окислителя и замедлителя, при этом пар, или диоксид углерода, или какие-либо другие смеси из этих материалов могут использоваться в качестве замедлителя. Горелка согласно настоящему изобретению может работать неохлажденной, т.е. без пропускания через нее жидкого хладоносителя.
Настоящее изобретение также относится к способу получения синтез-газа за счет частичного окисления или автотермического риформинга углеводородсодержащего газообразного или жидкого сырья с использованием горелки согласно настоящему изобретению.
Уровень техники
Термин «синтез-газы» относится к газовым смесям, которые содержат водород и оксиды углерода и используются в различных реакциях синтеза. Примерами являются синтез метанола, получение аммиака в ходе процесса Габера-Боша или синтез Фишера-Тропша.
Широко используемым способом получения синтез-газов является автотермическая газификация в потоке газообразного, жидкого или твердого топлива, как описано, например, в документе DE 10 2006 059 149 B4. В верхней части реактора запальная и растопочная горелки расположены по центру, и три горелки газификации расположены с вращательной симметрией относительно оси реактора. Угольная пыль вместе с кислородом и паром в качестве агента газификации подается через горелки газификации в пространство газификации реактора, в котором топливо превращается в синтез-газ. Горячий газ, полученный в процессе газификации, покидает пространство газификации вместе с жидким шлаком и переходит в пространство быстрого охлаждения, в которое распыляется вода, чтобы охладить сырой газ и шлак. Шлак осаждается в водяной бане и выпускается через шлакопровод. Быстро охлажденный сырой газ выводится насыщенным водой паром из пространства быстрого охлаждения и очищается на последующих стадиях очистки. Поскольку топливо вступает в реакцию непосредственно с окислителем, окислитель и топливо должны подаваться соосно или одинаково кольцеобразно.
В документе US 5549877 A1 также описываются способ и аппарат для получения синтез-газа, при этом кислородсодержащий окислитель подается по центру в верхней части реактора и вводится вместе с топливом, подаваемым кольцеобразно вокруг впуска для окислителя в реакционное пространство, в котором топливо сперва вступает в субстехиометрическую реакцию. Образуется пламя и распространяется вниз по потоку в реакционное пространство. В зоне рециркуляции материалы, присутствующие в пламени, возвращаются выше по потоку. Дополнительный поток окислителя подается в реакционную зону ниже по потоку через кольцевой трубопровод, таким образом образуется большая зона пламени.
В документе DE 10 2006 033 441 A1 описывается риформинг-установка для системы генерирования электрической энергии на базе топливных элементов, в которой топливо вводится в зону окисления через центрально расположенный впуск для топлива, и окислитель, в частности воздух, также вводится через подающие окислитель устройства, предусмотренные перпендикулярно к нему. В зоне окисления реакция топлива и окислителя происходит в виде сгорания. Образованный синтетический газ затем проходит ниже по потоку в зону смешивания, в которой топливо и окислитель дополнительно вводятся посредством устройства, подающего вторичное топливо. Синтетический газ, смешанный с дополнительным топливом, проходит в зону риформинга, в которой он превращается за счет эндотермической реакции в богатую водородом газовую смесь, которая выводится и подается в батарею топливных элементов.
Изобретение, описываемое в первой публикации DE 10 2010 004 787 A1 Германии, относится к получению синтез-газа за счет частичного окисления жидкого или газообразного углеродсодержащего топлива в присутствии кислородсодержащего окислителя посредством простой в конструктивном отношении горелки, при этом топливо, окислитель и замедлитель подаются в горелку отдельно, а топливо и замедлитель смешиваются в смесительной камере горелки перед их введением в контакт с окислителем. Для того чтобы уменьшить нагрузку на горелку, в частности во время работы при неустановившихся условиях, окислитель вводится по центру в камеру сгорания через выпускное отверстие горелки, и смесь из топлива и замедлителя вводится концентрично вокруг окислителя через выпускное отверстие в камеру сгорания.
Что касается типов горелки, описанных для получения синтез-газа, то в существующей горелке может происходить инициирование реакции частичного окисления, и горелка, следовательно, должна охлаждаться за счет прохождения через нее жидкого хладоносителя. Однако в случае сбоев в подаче хладоносителя рассматриваемая горелка может выйти из строя и, следовательно, может привести к внеплановой остановке установки получения синтез-газа.
Описание изобретения
Следовательно, цель настоящего изобретения заключается в предоставлении горелки для получения синтез-газа за счет частичного окисления углеродсодержащего сырья, в которой отсутствуют вышеупомянутые недостатки горелок, известных из уровня техники.
Эта цель достигается за счет горелки, обладающей признаками пункта 1 формулы изобретения или, в альтернативном варианте осуществления, обладающей признаками пункта 2 формулы изобретения. Дополнительные варианты осуществления горелки согласно настоящему изобретению указаны в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения. Согласно настоящему изобретению также предоставляется способ получения синтез-газа с использованием горелки согласно настоящему изобретению, с преимущественными вариантами осуществления согласно зависимым пунктам способа.
Горелка согласно настоящему изобретению
Горелка для получения синтез-газа за счет частичного окисления жидкого или газообразного углеродсодержащего топлива в присутствии кислородсодержащего окислителя и замедлителя, содержащего пар и/или диоксид углерода, содержащая:
- средство для отдельной подачи в углеродсодержащее топливо кислородсодержащего окислителя и замедлителя,
- центральный первый загрузочный канал, имеющий круглое поперечное сечение, для кислородсодержащего окислителя,
- второй загрузочный канал, который соосно и концентрически окружает первый загрузочный канал с образованием кольцевого зазора между наружной стенкой первого загрузочного канала и внутренней стенкой второго загрузочного канала, через который подается замедлитель,
- третий загрузочный канал, который соосно и концентрически окружает второй загрузочный канал с образованием кольцевого зазора между наружной стенкой второго загрузочного канала и внутренней стенкой третьего загрузочного канала, через который подается топливо, при этом наружная стенка третьего загрузочного канала образует наружную стенку горелки,
- при этом загрузочные каналы выполнены таким образом, чтобы смешивание топлива, замедлителя и окислителя происходило только снаружи горелки.
Горелка согласно настоящему изобретению в соответствии с альтернативным вариантом осуществления
Горелка для получения синтез-газа за счет частичного окисления жидкого или газообразного углеродсодержащего топлива в присутствии кислородсодержащего окислителя и замедлителя, содержащего пар и/или диоксид углерода, содержащая:
- средство для отдельного введения в углеродсодержащее топливо кислородсодержащего окислителя и замедлителя,
- центральный первый загрузочный канал, имеющий круглое поперечное сечение, для топлива,
- второй загрузочный канал, который соосно и концентрически окружает первый загрузочный канал с образованием кольцевого зазора между наружной стенкой первого загрузочного канала и внутренней стенкой второго загрузочного канала, через который подается замедлитель,
- третий загрузочный канал, который соосно и концентрически окружает второй загрузочный канал с образованием кольцевого зазора между наружной стенкой второго загрузочного канала и внутренней стенкой третьего загрузочного канала, через который подается кислородсодержащий окислитель, при этом наружная стенка третьего загрузочного канала образует наружную стенку горелки,
- при этом загрузочные каналы выполнены таким образом, чтобы смешивание топлива, замедлителя и окислителя происходило только снаружи горелки.
Способ согласно настоящему изобретению
Способ получения синтез-газа, содержащего водород и оксиды углерода, за счет частичного окисления жидкого или газообразного углеродсодержащего топлива в присутствии кислородсодержащего окислителя и замедлителя, содержащего пар и/или диоксид углерода, включающий следующие этапы:
(a) предоставление горелки согласно настоящему изобретению,
(b) подачу кислородсодержащего окислителя в первый загрузочный канал, замедлителя во второй загрузочный канал и жидкого или газообразного углеродсодержащего топлива в третий загрузочный канал,
(c) выпуск несмешанных потоков сред из горелки и введение этих потоков в реакционную камеру ниже по потоку от горелки,
(d) обеспечение реакции углеродсодержащего топлива с кислородсодержащим окислителем в реакционной камере при условиях частичного окисления,
(e) выпуск сырого синтез-газа из реакционной камеры и необязательное применение сырого синтез-газа на последующих этапах кондиционирования или обработки.
Для целей настоящего изобретения условия частичного окисления представляют собой условия процесса и реакции, широко известные специалистам в данной области техники, в частности, в отношении температуры, давления и времени выдержки, как было упомянуто выше в качестве примера и объяснено подробно в соответствующей документации, и при которых происходит (происходят) по меньшей мере частичная конверсия, а также предпочтительно соответствующие конверсии с точки зрения производства, сырья в продукты синтез-газа, такие как CO и водород.
Требования того, что загрузочные каналы должны быть выполнены таким образом, что смешивание топлива, замедлителя и окислителя происходит только снаружи горелки, удовлетворяются за счет выбора размера площадей поперечного сечения загрузочных каналов по отношению к предопределенному объемному потоку, проходящему через них, таким образом, чтобы обеспечивать соответственно высокие скорости потока.
Настоящее изобретение основано на определении того, что обратная передача тепла посредством теплового излучения от пламени в горелке может рассматриваться как основная причина нагревания горелки для получения синтез-газа посредством частичного окисления углеродсодержащего сырья, что делает необходимым охлаждение горелки. Количество энергии, передаваемой в данном случае, обратно пропорционально площади расстояния между пламенем в горелке и пространством горелки.
В результате переноса сред согласно настоящему изобретению без смешивания в горелке и конфигурации отверстия горелки, среды смешиваются только в реакционной камере, и только там происходит образование пламени. Отделение пламени от отверстия горелки снижает обратную передачу тепла в горелку посредством теплового излучения по сравнению с традиционными горелками, в которых пламя образуется в самой горелке.
Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения
В предпочтительном варианте осуществления горелки согласно настоящему изобретению наружная стенка горелки, разделительная стенка между вторым загрузочным каналом и третьим загрузочным каналом и разделительная стенка между первым загрузочным каналом и вторым загрузочным каналом заканчиваются в общей плоскости, которая проходит перпендикулярно к продольной оси горелки и образует отверстие горелки. Это обеспечивает то, что все среды покидают горелку одновременно и в несмешанном состоянии, таким образом исключаются реакции окисления в горелке.
В особенно предпочтительном варианте осуществления горелка согласно настоящему изобретению не содержит приспособлений для прохождения через нее текучей охлаждающей среды. Это стало возможным благодаря тому, что экзотермические реакции окисления происходят исключительно в реакционной камере, а не внутри горелки, вследствие конфигурации горелки. Таким образом, введение жидкого хладоносителя, который склонен к сбоям, может быть исключено. Меры по предотвращению выхода радиационного тепла из реакционной камеры и воздействия на горелку могут быть осуществлены за счет подходящего выбора материала или нанесения изолирующего слоя.
В горелке согласно настоящему изобретению по меньшей мере один из загрузочных каналов для топлива, замедлителя и/или окислителя предпочтительно снабжен устройством, создающим завихрение, которое сообщает соответствующему потоку среды вращательное движение вокруг продольной оси горелки и перпендикулярно к направлению потока. Это улучшает смешивание соответствующей среды со средой, выходящей из соседнего канала потока. Однако необходимо обеспечить, чтобы смешивание происходило исключительно снаружи горелки, а также не происходило обратное смешивание с фракциями сред, все еще присутствующими внутри горелки, которое может привести к нежелательным реакциям окисления внутри горелки.
Кроме того, предпочтение отдается по меньшей мере двум загрузочным каналам, снабженным устройствами, создающими завихрение, при этом направления вращения, сообщаемые средам, проходящим по меньшей мере через два загрузочных канала, являются противоположными друг другу по отношению к продольной оси горелки. Это приводит к дополнительному улучшению смешивания соответствующей среды со средой, выходящей из соседнего канала потока.
В особенно предпочтительном варианте осуществления горелки согласно настоящему изобретению все загрузочные каналы снабжены устройствами, создающими завихрение, при этом направления вращения сред, которые проходят через первый загрузочный канал и третий загрузочный канал, являются одинаковыми по отношению к продольной оси горелки, и направление вращения замедлителя, проходящего через второй загрузочный канал, является противоположным к ним. Таким образом, максимально увеличивается смешивание соответствующей среды со средой, выходящей из соседнего канала потока. Как и в случае двух вариантов осуществления, описанных выше, необходимо обеспечить, чтобы смешивание происходило исключительно снаружи горелки, а также не происходило обратное смешивание с фракциями сред, все еще присутствующими внутри горелки, которое может привести к нежелательным реакциям окисления внутри горелки.
Во всех вариантах осуществления горелки, в которых один загрузочный канал или несколько загрузочных каналов снабжен/снабжены устройствами, создающими завихрение, необходимо обеспечить, чтобы скорость потока соответствующей среды в направлении продольной оси горелки была так же достаточно большой для обеспечения желаемого отделения пламени в горелке от устья горелки. В частности, вектор скорости в направлении продольной оси горелки должен быть больше чем вектор скорости, перпендикулярный продольной оси горелки.
В предпочтительном варианте осуществления способа получения синтез-газа согласно настоящему изобретению скорость выхода замедлителя из устья горелки устанавливается таким образом, чтобы находиться в диапазоне от 20 до 200 м/с, предпочтительно от 50 до 150 м/с, наиболее предпочтительно от 80 до 120 м/с. Установка скорости выхода замедлителя из устья горелки осуществляется за счет установки подходящего объемного расхода замедлителя и определения величины площади выходного сечения второго загрузочного канала.
В дополнительном варианте осуществления способа получения синтез-газа согласно настоящему изобретению отношение скорости выхода замедлителя к скорости выхода окислителя находится в диапазоне от 0,2 до 2,5, предпочтительно от 0,6 до 2,0, наиболее предпочтительно от 1,0 до 1,6. Установка скоростей выхода упомянутых сред из устья горелки осуществляется за счет установки подходящих объемных расходов и определения величины площади выходного сечения соответствующих загрузочных каналов.
В дополнительном варианте осуществления способа получения синтез-газа согласно настоящему изобретению отношение скорости выхода замедлителя к скорости выхода топлива находится в диапазоне от 0,2 до 2,0, предпочтительно от 0,4 до 1,6, наиболее предпочтительно от 0,6 до 1,2. Установка скоростей выхода упомянутых сред из устья горелки осуществляется за счет установки подходящих объемных расходов и определения величин площадей выходного сечения соответствующих загрузочных каналов.
В дополнительном аспекте способа согласно настоящему изобретению скорость выхода замедлителя сохраняют постоянной при уменьшении скорости выхода окислителя и/или топлива.
В дополнительном варианте осуществления способа согласно настоящему изобретению диоксид углерода отделяют от сырого синтез-газа по меньшей мере на одном из последующих этапов кондиционирования или обработки и по меньшей мере частично повторно подают в качестве замедлителя в горелку. Диоксид углерода может быть отделен с использованием широкоизвестных процессов мокрой очистки газа, например, процесса Rectisol. В данном случае преимущественно, чтобы диоксид углерода, используемый в качестве замедляющего компонента, как таковой частично превращался в монооксид углерода. Следовательно, данный вариант осуществления особенно подходит для способа получения синтез-газов, богатых монооксидом углерода.
Демонстрационный пример
Дополнительные варианты осуществления изобретения, преимущества и возможные применения настоящего изобретения также могут быть получены из следующего описания демонстрационных примеров и графических материалов. В данном случае все признаки, описанные и/или показанные наглядно, образуют сами по себе или в любой комбинации настоящее изобретение, независимо от того, как они объединены в формуле изобретения или обратных ссылках.
На единственной фигуре изображено:
фиг. 1: горелка согласно настоящему изобретению.
В горелку 1 согласно настоящему изобретению, представленную на фиг. 1, через трубопроводы 10, 20 и 30 подается окислитель, например чистый кислород, замедлитель, например смесь пара/диоксида углерода, и топливо, например природный газ. Окислитель подается через трубопровод 10 в центральный первый загрузочный канал 11, который имеет круглое поперечное сечение. Второй загрузочный канал 21 соосно и концентрически окружает первый загрузочный канал; кольцевой зазор, образованный таким образом между наружной стенкой первого загрузочного канала и внутренней стенкой второго загрузочного канала, служит для размещения замедлителя, который подается через трубопровод 20. Горелка дополнительно содержит третий загрузочный канал 31, который соосно и концентрически окружает второй загрузочный канал; при этом кольцевой зазор, через который подается топливо, подаваемое через трубопровод 30, образован между наружной стенкой второго загрузочного канала и внутренней стенкой третьего загрузочного канала, при этом наружная стенка третьего загрузочного канала образует наружную стенку 35 горелки.
Наружная стенка 35 горелки, разделительная стенка между вторым загрузочным каналом и третьим загрузочным каналом 21, 31 и разделительная стенка между первым загрузочным каналом и вторым загрузочным каналом 11, 21 заканчиваются в общей плоскости A-A′, которая проходит перпендикулярно к продольной оси L горелки и образует устье горелки.
В результате переноса сред согласно настоящему изобретению без смешивания в горелке и конфигурации устья горелки, среды смешиваются только в реакционной камере 40 и только там происходит образование пламени. Отделение пламени 50 от устья горелки снижает передачу тепла обратно к горелке, которая происходит в основном вследствие теплового излучения, по сравнению с традиционными горелками, в случае которых пламя образуется внутри самой горелки.
Следовательно, в случае горелки, показанной на фиг. 1, не предусмотрено средств или устройств для прохождения через нее жидкого хладоносителя.
Демонстрационный пример, который был описан выше и схематично показан на фиг. 1, также применяется аналогичным образом по отношению к варианту осуществления согласно пункту 2 формулы изобретения с направленным переносом сред в отношении топлива и окислителя. Соответственно, топливо подается через трубопровод 10 и первый загрузочный канал 11, а окислитель подается через трубопровод 30 и третий загрузочный канал 31. В результате переноса сред согласно настоящему изобретению без смешивания в горелке и конфигурации устья горелки, среды смешиваются только в реакционной камере 40, и только там происходит образование пламени. Отделение пламени 50 от устья горелки снижает передачу тепла обратно к горелке, которая происходит в основном вследствие теплового излучения, по сравнению с традиционными горелками, в которых пламя образуется внутри самой горелки.
Промышленная применимость
Согласно настоящему изобретению предложены горелка и способ получения синтез-газа, при этом указанная горелка имеет простую и надежную конструкцию и может, в частности, работать неохлажденной, т.е. без пропускания через нее текучей охлаждающей среды. Они обеспечивают экономически выгодные преимущества за счет экономии хладоносителя.
Перечень ссылочных позиций
[1] Горелка
[10] Трубопровод для подачи окислителя
[11] Первый загрузочный канал
[20] Трубопровод для подачи замедлителя
[21] Второй загрузочный канал
[30] Трубопровод для подачи топлива
[31] Третий загрузочный канал
[35] Наружная стенка горелки
[40] Реакционная камера
[50] Пламя
L Продольная ось горелки
A – A’ Плоскость через устье горелки, перпендикулярная к продольной оси горелки.