УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО НАГРЕВА СМЕСИ ИЗ ГОРЮЧЕГО ГАЗА, В ЧАСТНОСТИ ПРИРОДНОГО ГАЗА, И КИСЛОРОДА
DEVICE FOR PRE-HEATING OF MIXTURE FROM HOT GAS, IN PARTICULAR, NATURAL GAS, AND OXYGEN

Изобретение относится к устройству для непрерывного предварительного нагрева смеси из горючего газа, в частности природного газа, и кислорода перед каталитическим сжиганием, теплота сгорания которого обеспечивает возможность нагревания извлекаемого из хранилища газа перед его расширением или после него с целью компенсации эффекта Джоуля-Томсона и подачи к потребителям.
Устройство указанного выше вида известно из ЕР 0920578.
В выполняемом с помощью известного устройства способе за счет каталитической реакции обмена кислорода с природным газом в сильно ниже стехиометрического диапазоне смешивания на катализаторе, например в потоке газа, достигаются температуры вплоть до 400°С.
В принципе никогда не может быть исключено самовоспламенение при непосредственной подаче кислорода в горючий газ. Однако за счет выбора таких параметров, как давление, температура и концентрация, можно снижать опасность нежелательных самовоспламенений.
Каталитическое сжигание требует температуры активирования катализатора примерно от 180°С до 250°С. Предварительный нагрев смесей природного газа и кислорода до этой температуры активирования катализатора технически не реализуем в отношении самовоспламенения при преобладающих высоких давлениях перед расширением. Безопасное извлечение из хранилища природного газа невозможно.
Самовоспламенение смесей природного газа и кислорода зависит от давления и температуры, и тем самым повышенная концентрация кислорода приводит к сгоранию в газовом потоке и тем самым к повышению давления и температуры также и без катализатора. Это является недостатком, поскольку в этом случае процесс сгорания является неконтролируемым.
Извлекаемая из хранилища смесь природного газа и кислорода имеет перед входом в каталитический реактор температуру от примерно 5°С до 30°С и тем самым является довольно холодной и лежит далеко за пределами диапазона требуемой температуры активирования. Поэтому желаемый процесс сгорания выходит уже через короткое время из равновесия. При понижении температуры ниже температуры активирования реактор обдувается до холодного состояния и кислород остается в природном газе без превращения.
В основу изобретения положена задача создания устройства, которое обеспечивает возможность надежного предварительного нагрева и за счет этого стабильного процесса каталитической реакции кислорода и природного газа.
Эта задача решена с помощью признаков пункта 1 формулы изобретения. Модификации и предпочтительные варианты выполнения следуют из пунктов 2-5 формулы изобретения.
В соответствии с изобретением устройство выполнено в виде струйного насоса, функция которого состоит в дозированной подаче в извлеченный из хранилища холодный поток природного газа, который имеет температуру от 5°С до 30°С, за счет создания разрежения в смесительной камере струйного насоса теплого природного газа из реактора, который имеет температуру от 250°С до 400°С. Эта функция дозированной подачи согласно изобретению осуществляется особенно предпочтительно с регулированием температуры и приводит к тому, что катализатор для последующей реакции между природным газом и кислородом не теряет за счет обдува потоком активной температуры, равной по меньшей мере 180°С.
Это обеспечивается за счет того, что насосное сопло и приемное сопло расположены с возможностью перемещения относительно друг друга в корпусе насоса, а именно в его смесительной камере, при этом регулировочный механизм обеспечивает регулировку расстояния между насосным соплом и приемным соплом в зависимости от температуры потока газовой смеси, выходящего через выход из смесительной камеры.
За счет того, что регулировочный механизм имеет по меньшей мере один опирающийся на корпус рабочий цилиндр, поршневой шток которого расположен на перемещаемом с возможностью регулирования вдоль направляющей приемном сопле, изменяется расстояние между насосным соплом и приемным соплом.
Со смесительной камерой струйного насоса соединен всасывающий трубопровод, который всасывает уже подогретый за счет процесса каталитического сгорания природный газ в смесительную камеру. Подогретый природный газ имеет требуемую температуру от 250°С до 400°С, и завихряется, и смешивается в смесительной камере с холодной смесью природного газа и кислорода, при этом смесь подогревается до заданной, желаемой в данном случае температуры и в конечном итоге выходит через выход смесительной камеры в виде подогретой газовой смеси. Эта подогретая газовая смесь затем снова подвергается каталитическому сжиганию, из которого, как уже указывалось выше, через всасывающий трубопровод непрерывно ответвляется теплый частичный газовый поток.
Согласно одной предпочтительной модификации изобретения приемное сопло является имеющей форму полого цилиндра деталью, которая удерживается с возможностью сдвига в продольном направлении на входе ведущей из смесительной камеры и из корпуса трубы для выхода теперь подогретой газовой смеси.
За счет возможности продольного сдвига задается путь перестановки приемного сопла относительно насосного сопла, которое установлено в корпусе стационарно, т.е. неподвижно относительно корпуса.
С помощью регулировочного клапана, который в зависимости от определяемой с помощью измерительных датчиков температуры проходящей через выход газовой смеси воздействует на три расположенных по периметру приемного сопла рабочих цилиндра, можно тем самым перемещать приемное сопло в зависимости от температуры так, что оно приближается или удаляется от насосного сопла. За счет этого обеспечивается возможность плавного регулирования температуры покидающей смесительную камеру через выход газовой смеси.
С помощью возвратных пружин, встроенных в цилиндрическое пространство рабочих цилиндров, поршни рабочих цилиндров всегда отжимаются в свое конечное положение. При полностью открытом регулировочном клапане для управления поршнями приемное сопло перемещается до насосного сопла, так что в этом случае лишь относительно холодный природный газ может приходить на выход устройства и достигать катализатора с целью его деактивирования, соответственно холодного обдува.
Используемая для управления приемным соплом рабочая среда является природным газом, который ответвляется из главного потока природного газа, а именно перед соответствующим регулировочным клапаном в зоне входа в реактор, в котором происходит каталитическое сгорание природного газа с целью его подогрева. В этом месте ответвления всегда имеется достаточно высокое давление для управления поршнями под контролем управляющего и регулировочного устройства.
Газ, который используется для управления поршнями, может за счет соответствующего выбора посадок между поршнем и стенкой цилиндра также протекать в смесительную камеру выполненного в виде струйного насоса устройства.
Таким образом, при закрытом регулировочном клапане за счет таких «потерь утечки» происходит выравнивание давления и с помощью встроенных в цилиндры возвратных пружин поршни отжимаются в свое первоначальное положение.
Устройство предпочтительно обеспечивает возможность подогрева газовой смеси перед ее подачей в реактор, а также обдув с охлаждением каталитического реактора, в котором происходит подогрев всего извлекаемого из хранилища природного газа, при этом в конечном итоге за счет подмешивания подогретой с помощью выделяемого в реакторе тепла примерно до 250-400°С газовой смеси в извлеченный из хранилища природный газ последний непрерывно подогревается с целью компенсации возникающего при расширении эффекта Джоуля-Томсона.
Устройство вызывает также предпочтительное разбавление смеси кислорода и природного газа до диапазона, который надежно лежит ниже самовоспламенения, за счет чего управление каталитическим сгоранием становится значительно безопасней.
За счет возможности плавного регулирования расстояния между насосным соплом и приемным соплом обеспечивается возможность контролируемого самоподдержания каталитической реакции при последующем сгорании смеси природного газа и кислорода.
Дополнительные приводы, вентиляторы или т.п. в устройстве согласно изобретению не требуются, поскольку оно управляется с помощью имеющегося в распоряжении, извлекаемого из хранилища природного газа, т.е. с помощью собственной среды.
Ниже приводится подробное описание примера выполнения изобретения, из которого следуют другие признаки изобретения, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
фиг.1 - разрез устройства, вид сбоку; и
фиг.2 - блок-схема способа использования тепла каталитического сгорания газовой смеси из природного газа и кислорода с применением устройства.
На фиг.1 показано на виде сбоку в разрезе устройство для непрерывного подогрева смеси из горючего газа, в частности природного газа, и кислорода.
Смесь из природного газа и кислорода подготавливается в не изображенном здесь смесительном резервуаре 18 и протекает с соответствующим извлечению из хранилища давлением в устройство через входное соединение 1. Устройство выполнено в виде струйного насоса 2, который имеет насосное сопло 3, через которое подаваемая смесь из природного газа и кислорода нагнетается в находящуюся в корпусе 4 насоса смесительную камеру 5.
Со смесительной камерой соединен всасывающий трубопровод 6, через который часть уже подогретого в реакторе 15 природного газа всасывается в смесительную камеру 5, когда насосное сопло посылает струю в расположенное соосно с ним противоположное приемное сопло 7.
Приемное сопло является имеющей форму полого цилиндра деталью, которая удерживается с возможностью сдвига в продольном направлении на входе 8 выходящей из смесительной камеры 5 и корпуса 4 трубы 9 для выхода 10 предварительно нагретой в смесительной камере 5 смеси.
Струйный насос 2 имеет регулировочный механизм для регулировки расстояния между насосным соплом 3 и приемным соплом 7 в зависимости от температуры газовой смеси, вытекающей через выход из смесительной камеры 5. Регулировочный механизм содержит несколько опирающихся на корпус 4 рабочих цилиндров, из которых в данном случае показан лишь видимый здесь рабочий цилиндр 11. Поршневой шток 12 рабочего цилиндра 11 шарнирно соединен в точке 12 с приемным соплом 7, направляемым вдоль его направляющей на трубе 9 с возможностью регулирования.
Каждый рабочий цилиндр 11 имеет соединительный элемент для подвода рабочей среды, контролируемого с помощью не изображенного здесь управляющего и регулировочного устройства.
На фиг.2 показана блок-схема и расположение устройства согласно фиг.1 внутри установки для подогрева извлеченного из хранилища природного газа перед его расширением или после него и подачи в сеть снабжения. Извлеченный из хранилища природный газ протекает через главный трубопровод 14 через регулировочный клапан в кольцевое пространство реактора 15, в котором он подогревается перед протеканием в снабжающий трубопровод 16. В реакторе происходит сгорание газовой смеси из природного газа и смеси природного газа и кислорода.
Природный газ для этой подлежащей сгоранию газовой смеси ответвляется от главного потока 14 через трубопровод 17 для частичного потока и обогащается в смесительном резервуаре 18 требуемым кислородом до достижения необходимого количественного соотношения (например, 3 мол.%). Смесь из природного газа и кислорода входит через насосное сопло 3 в смесительную камеру 5. В соединении с приемным соплом 7 в смесительной камере 5 создается разрежение, которое приводит к тому, что через всасывающую трубу 6 из реактора 15 подводится теплый природный газ. Он подмешивается в холодный поток природного газа, который вдувается через насосное сопло 3, и нагретая так, соответственно, предварительно нагретая смесь протекает через выход 10 из смесительной камеры 5 в реактор 15. Происходящее в нем каталитическое сгорание выделяет тепло, с помощью которого, в свою очередь, подогревается подаваемый через главный трубопровод 14 извлеченный из хранилища природный газ за счет непрерывного подмешивания, прежде чем он через трубопровод 16 подается на участок, где он расширяется, например, до преобладающего в снабжающем трубопроводе относительно низкого давления.
Регулировочный механизм для приемного сопла 7 изображен здесь схематично. Возможность продольного сдвига показана условно с помощью двойной стрелки 19.
Показанные здесь рабочие цилиндры 11 и 11' регулировочного механизма опираются на корпус 4 насоса. Поршневые штоки 20 рабочих цилиндров шарнирно соединены, как показано здесь, с приемным соплом 7 в точке 20, соответственно, 20'.
Каждый рабочий цилиндр 11 и 11' имеет возвратную пружину 21 и 21'.
Для подвода рабочей среды к рабочим цилиндрам 11, 11' предусмотрен ответвительный трубопровод 22, который в точке 23 ответвления соединен с главным трубопроводом 14 для извлеченного из хранилища природного газа.
Управляющее и регулировочное устройство содержит регулировочный клапан 24 и температурный датчик 25, который измеряет температуру протекающей в реактор 15 через выход 10 предварительно нагретой газовой смеси и влияет на регулировочный клапан 24 так, что он открывается дальше или закрывается, за счет чего в рабочие цилиндры через ответвительный трубопровод 22 подводится больше или меньше рабочей среды. За счет подвода рабочей среды через ответвительный трубопровод 22 обеспечивается зависящее от температуры движение продольного сдвига приемного сопла 7 на трубе выхода 10.
Всасывающее действие струйного насоса можно дополнительно увеличивать, соответственно, влиять на него с помощью дополнительного транспортировочного средства 26.