КОНВЕРТЕР-МЕТАНАТОР

Полезная модель относится к производству искусственных метансодержащих газов из твердых и жидких топлив и может быть использовано в угольной, нефтяной и газовой промышленности.
3
В топливно-энергетическом комплексе проблемой является снижение вредных выбросов в окружающую среду. Одним из способов получения экологически чистых газообразных топлив из каменных и бурых углей, сланцев и нефтяных остатков является их газификация с последующей очисткой синтез-газа [1-3]. В промышленных условиях угли, нефтяные остатки и другое топливо подвергается воздушной или парокислородной газификации. Соответственно образуются газы с низшей теплотой сгорания 3,5-5 и 10-13 МДж/м [4]. Такие низкокалорийные газы используются в энергетических и, главным образом, в парогазовых установках [3, 5]. Но в настоящее время эти газы практически не используются как промышленное и бытовое топливо, и их экономически не выгодно транспортировать на значительные расстояния из-за малой энергетической плотности.
Однако разведанные запасы твердых топлив значительно превосходят запасы газа и нефти и прогнозируется широкое их использование в будущем для получения высококалорийного газа-заменителя природного (ЗПГ). Работы по производству ЗПГ проводятся многими фирмами. Предлагаемое изобретение помогает решению указанной проблемы.
2
2
Процесс получения ЗПГ многостадийный и включает в себя газификацию топлива, очистку синтез-газа, метанирование СО и СO, извлечение остаточного СO. Наше изобретение относится к стадии метанирования. Ближайшим аналогом (прототипом) является шахтный реактор метанирования, используемый в установке производства ЗПГ по методу CRG Британской газовой корпорации [1, 2].
2
2
4
2
3
В настоящее время для газификации топлив используются различные способы. Но наиболее широкое распространение получили процессы "Шелл" и "Тексако" с газификацией на парокислородном дутье под давлением 2-9 МПа. При этом в зависимости от вида сырья после очистки получается газ приблизительно следующего состава (% об.): H - 35-50, СО - 30-40, СО - 10-20, СН - 0,3-1, N+Ar - 0,5-2. Низшая теплота сгорания газа составляет 10,5-12 кДж/м [1, 4].
Для получения высококалорийного газа очищенный синтез-газ направляется в реактор каталитического метанирования, где протекают преимущественно следующие обратимые реакции с соответствующим тепловым эффектом (кДж/моль) [4]:
СО+3Н<sub>2</sub>↔СH<sub>4</sub>+Н<sub>2</sub>O
Q=206,4
СО+Н<sub>2</sub>O↔СO<sub>2</sub>+Н<sub>2</sub>
Q=41,2
CO<sub>2</sub>+4Н<sub>2</sub>↔СН<sub>4</sub>+2Н<sub>2</sub>O
Q=165,5
2СО+2Н<sub>2</sub>↔СН<sub>4</sub>+СO<sub>2</sub>
Q=248,5
4
2
2
2
В результате этих реакций на активном катализаторе образуется газ с составом близким к равновесному. Процесс обычно ведут при температурах 300-400°С, и реакции сдвинуты вправо, следовательно образуется газ, состоящий в основном из CH и СO (из расчета на сухой газ) с примесями Н и СО. Для получения ЗПГ из него извлекают СO.
Все приведенные реакции имеют положительный тепловой эффект, суммарное выделение тепла значительно, что приводит к большому избыточному повышению температуры газового потока и катализатора. Для того, чтобы не допустить чрезмерного повышения температуры необходимо промежуточное охлаждение. Для этого в промышленных установках используют каскад из нескольких реакторов с промежуточным охлаждением в котлах-утилизаторах или теплообменниках. При этом теплота реакции используется в недостаточной степени или не используется совсем, что приводит к уменьшению энергетического КПД установки газификации и снижению экономических показателей. Реакторы с
внутренним охлаждением для рассматриваемого процесса не применяются и не разработаны.
2
Целью предлагаемой полезной модели является создание аппарата (конвертера-метанатора), выполняющего функции конвертера СО, метанатора СО и СО и котла-утилизатора, что приводит к существенному снижению капитальных вложений.
Конвертер-метанатор от известных аппаратов отличается тем, что он состоит из разъемного корпуса высокого давления, в который вставлена одна кассета, в которой размещены катализаторные коробки со слоями катализатора и пучки (пакеты) испарительных труб для охлаждения газового потока и генерации водяного пара.
Конструктивная схема конвертера-метанатора представлена на рисунке и состоит из цилиндрического корпуса высокого давления 1, кассеты 2, катализаторных коробок 3, испарительных пучков 4, уплотнительных устройств 5, коллекторов 6 и 7, разъема в горизонтальной плоскости 8, паросборника-сепаратора 9, циркуляционного насоса 10 и регулятора расхода воды 11.
В цилиндрический корпус высокого давления 1, который имеет разъем в горизонтальной плоскости 8, вставляется полностью смонтированная кассета 2, в которой размещены катализаторные коробки 3 и испарительные трубчатые пучки 4. Кассета представляет собой аппарат квадратного сечения, изготовленный из тонких стальных листов, так как давление снаружи и внутри кассеты одинаково. Трубы для подвода питательной воды и отвода пароводяной смеси вводятся в корпус через уплотнительные устройства 5. Коллекторы питательной воды и пароводяной смеси расположены внутри корпуса между его стенкой и кассетой. Обеспечена возможность свободного температурного расширения как трубчатых пучков, так и всех коллекторов. Для распределения питательной воды по испарительным пучкам и сбора пароводяной смеси служат коллекторы 6 и 7, которые расположены внутри корпуса между его стенкой и кассетой и также имеют возможность теплового расширения.
Для получения водяного пара в конвертере-метанаторе наиболее приемлемым является пароводяной контур с искусственной циркуляцией воды. Для этого дополнительно к конвертеру-метанатору устанавливаются паросборник-сепаратор 9, циркуляционный насос 10 и регулятор расхода воды 11.
2
2
2
4
Работа конвертера-метанатора осуществляется следующим образом. Синтез-газ в смеси с водяным паром под давлением 4-7 МПа и с температурой 280-320°С подается в верхнюю часть аппарата. В конвертере-метанаторе применен смешанный катализатор, включающий катализатор конверсии на основе железа и катализатор метанирования на основе никеля. На катализаторе протекают представленные выше химические реакции. Н и НО взаимодействуют с СО и CO с образованием метана (СH). При этом газовый поток нагревается до 400-460°С. С этой температурой газ поступает на охлаждение и охлаждается до начальной температуры 280-320°С. При этом генерируется пар. Регулирование температуры осуществляется путем изменения подачи воды с помощью регуляторов расхода. Аналогичные процессы протекают и в следующих катализаторных коробках и трубчатых пучках.
Пароводяная смесь из всех трубчатых пучков, являющихся охладителями газа и генераторами пара, поступает в паросборник- сепаратор, к которому подводится питательная вода, а отводится насыщенный пар. Для обеспечения необходимой циркуляции вода из него прокачивается циркуляционным насосом через все трубчатые пучки.
Монтаж и ремонт конвертера-метанатора легко осуществим, так как в корпус 1 через разъем 8 вставляется одна полностью собранная кассета 2 вместе с коллекторами 6 и 7. При ремонте кассета и коллекторы отсоединяются от подводящих и отводящих патрубков, и кассета вынимается. Кассета собрана из тонких металлических листов с разъемными соединениями. Она легко разбирается, и все ее части доступны для осмотра и ремонта.
2
2
2
2
Например, при парокислородной газификации каменного угля или нефтяного кокса полученный после очистки от HS синтез-газ имеет следующий состав (% об): Н - 40, СО - 38, CO - 21, N - 1. Этот газ поступает в конвертер-метанатор. При
4
2
2
2
2
3
температуре на выходе из последнего слоя катализатора 410°С метансодержащий газ будет иметь приблизительно следующий состав (% об): СH - 54, СО - 42, СО - 0,05, Н - 1,65, N - 2,3. Низшая теплота сгорания этого газа 19500 кДж/м. Так как в нем содержится очень малое количество токсичного СО, то он может применяться как бытовое топливо и практически во всех промышленных котлах и печах. Если же потребуется полноценный ЗПГ, то из полученного метансодержащего газа должен быть выделен СO, и в результате получен почти чистый метан.
Основное преимущество предлагаемого конвертера-метанатора для получения метансодержащего газа состоит в том, что он заменяет несколько последовательно включенных аппаратов: конвертера СО, метанатора и котлов-утилизаторов. При этом капитальные вложения снижаются на 20-25%, на 5-10% повышается энергетический КПД установки получения метансодержащего газа.
СПИСОК ССЫЛОК
1. Лом З.Л., Уильямс А.Ф. Заменители природного газа. Производство и свойства. - М.: Недра, 1979. - 248 с.
2. Степанов А.В., Получение водорода и водородсодержащих газов. - Киев: Наукова думка, 1982. - 312 с.
3. Парогазовые установки с внутрицикловой газификацией топлива и экологические проблемы энергетики. / Масленников В.М., Выскубенко Ю.А., Смитсон Г.Р. и др. - М.: Наука, 1983. - 264 с.
4. Справочник азотчика (изд.- 2-е). - М.: Химия, 1986. - 512 с..
2
5. Саламов А.А. Парогазовые установки с газификацией топлива и сокращением выбросов СО // Теплоэнергетика, 2005, №5, с.78-80.
6. Степанов А.В., Николаенко В.Н. Получение экологически чистого топлива из нефтяных остатков. / Экотехнологии и ресурсосбережение, 2004, №4, с.35-39.