ГАЗОГЕНЕРАТОР СИНТЕЗ-ГАЗА

2
Предлагаемое техническое решение относится к области химического машиностроения, а конкретно к конструированию устройств, применяемых в переработке газового углеводородного сырья в синтез-газ (nH+СО), для целевого использования в различных отраслях.
Основным и широко применяемым способом получения синтез-газа является метод высокотемпературного парциального окисления углеводородных газов техническим кислородом или кислородом воздуха при давлениях 0,2-10,0 МПа и расходе кислорода 0,2…0,4 от стехиометрии (1,0), реализуемый в высокотемпературных реакторах - генераторах синтез-газа.
Известно устройство для осуществления способа получения синтез-газа (пат. РФ 2191743 публ.27.10.2002 г.) состоящее из проточной камеры парциального окисления углеводородного сырья, в которой размещено средство воспламенения - свеча зажигания, антипроскоковая решетка и установлены вставки, выполняющие роль стабилизатора процесса и обеспечения многоканального протока продуктов окисления. Стенка камеры горения охвачена оболочкой, содержащей внутристеночный тракт для пропуска воздуха с целью охлаждения камеры.
Существенным недостатком устройства в целом является размещение всех составляющих элементов способа в единый комплекс, что не позволяет добиться качественной подготовки реакционной смеси при смешении исходных компонентов. Кроме того, такая конструкция чрезвычайно взрывоопасна. Недостатками самой камеры горения является применение свечи зажигания в качестве средства воспламенения и ее расположение в нижней части камеры, а также невозможность поддерживать стабильный температурный режим в камере. Наружные стенки охлаждаются, а внутренний объем перегревается за счет разогретых вставок-стабилизаторов. Это приводит к неравномерному протеканию процесса и сказывается на качестве целевого продукта.
Наиболее близким аналогом, взятый нами за прототип, является устройство - генератор синтез-газа по патенту РФ 2266778 от 10.04.2005 г. В этом патенте заявлена схема модульного генератора синтез-газа, так же работающего по методу парциального окисления углеводородных газов кислородом воздуха при номинальном давлении в 0,2…10,0 МПа и расходе кислороде или воздуха 0,2…0,4 от стехиометрии (1,0). Устройство включает в себя узлы подвода исходных компонентов и охладителя, смеситель для образования реакционной смеси. Реактором такого устройства является прямоточный цилиндрический канал, образованный стенками, внутри которых предусмотрен проточный тракт, выполняющий функции рубашки охлаждения. Охлаждающим элементом является вода. Для воспламенения реакционной смеси реактор снабжен зажигательным устройством - горелкой ЭПЗУ. Реактор оборудован антипроскоковой решеткой и дроссельным устройством на выходе.
Данный газогенератор имеет следующий существенный недостаток. Его конструкция не обеспечивает качественные показатели получаемого продукта - синтез-газа, т.к. не обеспечивается равномерность температуры всего реакционного объема камеры: стенки камеры из-за жидкостного охлаждения более холодные, что приводит к отложению сажи на стенках. Кроме того, генератор устроен таким образом, что процесс подготовки реакционной смеси путем смешения окислителя и углеводородного газа осуществляется в одном узле, совместимым с процессом воспламенения и горения. В результате, реакционная смесь, попадая в камеру, мгновенно воспламеняется, а поскольку скорость горения несравненно выше скорости смешения, происходит большое сажеобразование. Это приводит к необходимости для получения чистого синтез-газа использование дополнительных очистительных агрегатов. Большие линейные размеры прямоточного реактора, установленные расчетом в зависимости от времени пребывания реакционной смеси в зоне горения, обуславливают высокую удельную массу реактора на единицу перерабатываемого сырья и необходимость наличия больших производственных площадей.
Целью заявляемого технического решения является разработка конструкции устройства, обеспечивающего полноту реакций за время пребывания исходного сырья в реакционной зоне камеры горения, получение качественного синтез-газа, а также снижение удельной массы реактора на единицу сырья.
Указанная задача была решена разделением процессов смешения и воспламенения путем оборудования газогенератора специальным блоком смешения компонентов для формирования реакционной смеси и ее подогрева, а также установкой в камере горения дополнительных продольных двухстеночных перегородок с трактом для охладителя.
Сущность заявляемого генератора для получения синтез-газа, работающего по методу парциального окисления углеводородных газов кислородом воздуха при давлении в камере реактора не менее 0,2 МПа, заключается в том, что узел смешения исходных компонентов выполнен в виде самостоятельного блока, состоящего из секционной емкости, выполняющей роль смесителя и пристыкованного к ней теплообменника. Блок установлен непосредственно перед входом в камеру горения, оборудованную антипроскоковой решеткой, устройством воспламенения и дроссельным устройством для выхода целевого продукта.
Камера горения реактора выполнена в виде прямоточного цилиндрического канала, заключенного в корпус из двух-трехстенной оболочкой с внутренним проходным трактом для пропуска охладителя. В камере установлены дополнительные перегородки в виде стенок также с пропускным трактом, связанным с трактом корпуса. Рабочий объем камеры разделен перегородками - стенками на несколько продольных объемов (зон), через которые реакционная смесь проходит последовательно. Поэтому такая камера, в отличие от известной из прототипа является многоходовой. При этом габариты камеры, определяемые в зависимости от скорости прохождения реакционной смеси вдоль стенок камеры, подобраны таким образом, чтобы обеспечить время пребывания смеси в зоне в пределах 2…10 сек, необходимое для протекания химических реакций до термодинамического равновесия. Для обеспечения заданного температурного режима реакционного процесса корпус реактора и стенки многоходовой камеры снабжены пропускным трактом (рубашками) с зазором до 5 мм, достаточным для прохода охлаждающего теплоносителя.
Достигаемым техническим результатом от осуществленных конструктивных решений в реакторе парциального окисления является повышение качественных показателей целевого продукта при одновременном снижении его физических параметров (габариты, вес, производственные площади).
Сущность конструктивных особенностей заявляемого газогенератора поясняется Фиг.
Газогенератор работает следующим образом. В секционную емкость 1 подаются раздельно исходные компоненты: углеводородный газ (УВГ) и окислитель. Смешение осуществляется ступенчато, поэтапно для обеспечения полной гомогенизации. Реакционная смесь поступает в трубчатый теплообменник 2, греющим телом в котором является целевой синтез-газ, поступающий из выходного канала камеры горения. Теплообменник пристыкован непосредственно к антипроскоковой решетке 3 на входе камеры 4.
Подготовленная реакционная смесь, содержащая окислитель и углеводородный газ, через антипроскоковую решетку поступает в первую зону камеры горения реактора. Воспламенение смеси происходит при помощи запального устройства, на основных режимах работы обеспечивается самовоспламенение горючей смеси во фронте пламени.
Заявляемый генератор устроен следующим образом. Корпус камеры горения, выполнен из стали в виде цилиндрической двухстенной оболочки, между стенками которой размещен пропускной тракт 5 для охладителя. Камера горения содержит дополнительные внутренние стенки в виде двухстеночных перегородок 6, в которых также установлен пропускной тракт для охладителя, состыкованный с трактом корпуса. Зазор в пропускном тракте до 5 мм, что является достаточным для прохода охлаждающего теплоносителя,
Начальное инициирование процесса горения происходит при помощи запальной камеры, форс пламени от которой подается через штуцер 7.
Генератор имеет наружное проточное регенеративное охлаждение, при котором осуществляется проток охладителя по тракту, образованному между внутренней и наружной оболочками корпуса, а также стенками камеры сгорания.
Основные габариты реактора (диаметр и длина) определяются по выбранной скорости прохождения и времени пребывания. С учетом опыта работы агрегатов-аналогов в смежных отраслях промышленности и задачи обеспечения полноты прохождения реакций рекомендуется обеспечить время пребывания газа в реакторе не менее 2 с и скорость протекания газа по каналам реактора не менее 2…10 м/с.
Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет создавать газогенератор синтез-газа с меньшими по сравнению с аналогами массогабаритными характеристиками генератора и обеспечивающий получение целевого продукта более высокого качества