ГЕНЕРАТОР СИНТЕЗ-ГАЗА
SYNTHESIS GAS GENERATOR

2
Изобретение относится к области органического синтеза и предназначено для получения синтез-газа (состав: Н, СО) методом парциального окисления углеводородных газов кислородом при давлении до 10 МПа и при избытке горючего (соотношение компонентов Km=0,8-1,6). Изобретение может быть использовано как техническое средство для децентрализованного производства водорода из природного газа в целях развития инфраструктуры снабжения водородом автономных установок. Также изобретение можно использовать в качестве элемента малогабаритных химических производств непосредственно в районах добычи природного газа для получения синтез-газа, например как исходное сырье для производства метанола, бензола и других органических веществ.
Известно устройство высокопроизводительного генератора синтез-газа (ГСГ) (патент РФ №2266778 от 28.10.2003 «Устройство высокопроизводительного генератора синтез-газа модульного типа»), работающее по методу высокотемпературного парциального окисления (сгорания) углеводородных газов техническим кислородом или воздухом при номинальном давлении в пределах 0,2-10 МПа. Предлагается генератор синтез-газа, состоящий из скомпонованных в единую сборку 2-100 модулей камер сгорания. Каждый модуль включает в себя узлы подвода углеводородного газа (УВГ), окислителя, газов коррекции, охлаждающего компонента и смесительные элементы - горелки, выполненные по типу коаксиальных смесительных элементов для камеры сгорания. Модуль состоит из соединенных соосно и последовательно горелки и прямоточного цилиндрического рабочего канала. Рабочий канал имеет двух-трехстенную оболочку для прохода охлаждающего компонента. В компоненты топлива вводится газ коррекции состава: водяной пар и/или углекислый газ для коррекции состава продуктов парциального окисления.
Основными недостатками данного аналога являются:
1. Введение газов коррекции состава синтез-газа в компоненты топлива непосредственно перед смесительными элементами. Перемешивание газа коррекции с компонентом топлива происходит в смесительных элементах - горелках. Введение водяного пара в компоненты топлива предусматривает дополнительные энергоемкие устройства. Балластирование продуктов сгорания углекислым газом для снижения их температуры для реального аппарата является неэффективным.
2. Сложность конструкции смесительных элементов - горелок, состоящих из тонкостенных оболочек, ограничивающих долговременную работоспособность смесительных элементов. Изготовление смесительных элементов и рабочего канала с трактом охлаждения требует высокозатратных технологий и современных конструкционных материалов.
3. Использование устройства для зажигания компонентов топлива, установленного в выходном газовом коллекторе и отделенного от реакционного объема рабочего канала и смесительного элемента сверхзвуковым соплом, может оказаться неэффективным из-за большой скорости компонентов топлива на выходе из сопла.
Наиболее близким аналогом заявляемого устройства является устройство высокопроизводительного генератора синтез-газа, защищенного патентом РФ №2310600 от 13.09.2005 «Высокопроизводительный генератор синтез-газа». Описанный в патенте генератор работает по методу неравновесного высокотемпературного парциального окисления углеводородных газов кислородом. Генератор включает в себя электроплазменное зажигательное устройство (ЭПЗУ) и модуль камеры сгорания, состоящий из герметично скрепленных между собой коаксиального смесительного элемента - горелки типа газ-газ, представляющей собой двухкомпонентную форсунку с закруткой в противоположных направлениях струй УВГ и кислорода, и охлаждаемого рабочего канала с соплом. Генератор включает блок высокотемпературной сажеочистки с корундовой засыпкой. Выход рабочего канала модуля камеры сгорания герметично скреплен с блоком очистки через газовод, в корпусе которого выполнены отверстия, обеспечивающие возможность ввода пара в синтез-газ до его контакта с корундовой засыпкой.
Недостатки этого изобретения заключаются в следующем:
1. Метан является предельным углеводородом с очень прочными связями между атомами. Воспламенение метана в кислороде происходит в узком диапазоне соотношений компонентов и относительных скоростей. Узкие концентрационные пределы воспламенения метана с кислородом вызывают определенные трудности применения ЭПЗУ. Процессы, происходящие в ЭПЗУ, смесительном элементе и рабочем канале, взаимосвязаны и влияют друг на друга, что требует четкой настройки режима работы ЭПЗУ. Изменение режима работы генератора в широком диапазоне параметров приводит к необходимости использования ряда ЭПЗУ, настроенных на определенный диапазон параметров.
2. Известно, что кислород не является идеальным охладителем. Газовод ЭПЗУ охлаждается кислородом, но имеется неохлаждаемый участок. Очевидно, что при изменении режима работы генератора горячие продукты реакции могут проникнуть в газовод ЭПЗУ и привести к его прогару. Применение ЭПЗУ с газоводом, проходящим внутри смесительного элемента, представляется нецелесообразным из-за теплонапряженного состояния системы.
3. В данном устройстве предусмотрено введение водяного пара во входном газоводе блока сажеочистки. Как и в предыдущем аналоге, введение водяного пара в компоненты топлива предусматривает дополнительные энергоемкие устройства. Введение водяного пара после генератора нецелесообразно. Водяной пар существенно охлаждает продукты сгорания генератора. Участок газового тракта после введения воды или водяного пара можно выполнять неохлаждаемым. Исходя из этого место введения пара в данном аналоге выбрано неудачно.
4. Необходимо также отметить, что используемые в данном патенте конструктивные решения системы «ЭПЗУ - смесительный элемент», охлаждаемых трактов рабочих каналов и сопла требуют высокозатратной технологии изготовления.
Технической задачей, решаемой заявляемым изобретением, является разработка конструкции генератора синтез-газа, позволяющей устранить вышеуказанные недостатки и обеспечить высокую производительность (порядка 9-10 тонн синтез-газа в сутки), надежность запуска и долговечность работы генератора.
Предлагается конструкция генератора синтез-газа, включающего в себя реакционную камеру сгорания, узлы подачи газообразного углеводородного горючего, окислителя, воды, смесительную головку с системой воспламенения и охлаждаемое сопло. Реакционная камера генератора синтез-газа состоит из трех расположенных соосно и последовательно секций, внутренние полости которых образуют цилиндрический рабочий канал. Первая секция представляет собой охлаждаемый водой цилиндр, снабженный узлами подвода воды охлаждения и смесительной головкой. Смесительная головка состоит из расположенного по оси секции узла подачи окислителя со спрямляющей решеткой и системой воспламенения и узла подачи углеводородного горючего, представляющего собой расположенные в расширяющейся части смесительной головки под углом к оси рабочего канала форсунки горючего. Вторая секция представляет собой охлаждаемую вставку, имеющую участок с внутренним диаметром, меньшим диаметра рабочего канала. На конической поверхности сужающегося участка вставки расположены три или более центробежные форсунки, посредством которых в генератор во время работы вводится вода. Третья секция - это цилиндр с охлаждаемым соплом. При использовании генератора, в зависимости от режима работы, цилиндр третьей секции может быть выполнен охлаждаемым или неохлаждаемым. Если выбранный режим работы генератора соответствует температуре в первой секции генератора, превышающей 1500 К, то цилиндр третьей секции необходимо выполнять охлаждаемым.
Особенностями предлагаемого решения задачи являются:
1. Конструкция смесительной головки сочетает в себе функции смешения компонентов и воспламенения горючей смеси в момент запуска. При этом используется циклограммный метод воспламенения. Зажигание компонентов топлива осуществляется с помощью двух электроискровых свечей (например, СД-55), установленных в канале окислителя. Циклограмма запуска организована таким образом, что мимо работающих электросвечей проходит смесь кислорода и метана с концентрацией от 0 до 1, что гарантирует воспламенение компонентов топлива. Смесительный элемент не находится под воздействием высоких температур, а во время работы свечи защищены потоком кислорода. Нет необходимости в точной настройке системы воспламенения. Конструкция смесительной головки не требует сложной технологии изготовления.
2. Генератор имеет охлаждаемую вставку (вторая секция), посредством которой против потока высокотемпературных продуктов сгорания первой секции через три или более центробежных форсунок вводится вода. Такое конструктивное решение избавляет от необходимости предварительного получения водяного пара для введения в компоненты топлива (как в описании к патенту РФ №2266778) или в поток генераторного газа за соплом генератора (как в описании к патенту РФ №2310600), так как высокотемпературные продукты сгорания первой секции испаряют введенную во вторую секцию воду, при этом охлаждаются в третьей секции до температуры, при которой ее (секцию) можно выполнить неохлаждаемой (фиг. 1). Введение воды в восстановительный газ (продукты неполного окисления) при соблюдении некоторых условий позволяет получить дополнительный водород в синтез-газе (фиг. 2).
3. Охлаждаемые тракты рабочих каналов выполнены в виде несвязанных оболочек с проволочной намоткой или с фрезерованными ребрами, технологически просты.
Изобретение поясняется следующими чертежами.
Фиг.1. Снижение температуры генераторного газа (синтез-газа) при добавлении различных долей воды.
На графике: Т - температура генераторного газа (синтез-газа) во второй зоне генератора после добавления воды; g H2O - массовая доля добавляемой в продукты генерации (синтез-газ) во второй зоне генератора воды; Km - соотношение компонентов Km=mO2/mH2, где mO2, mH2 - расходы O2 и Н2.
Фиг.2. Доля водорода, получаемая из воды при изменении соотношения компонентов и доли добавляемой воды (термодинамический расчет).
На графике: gH2 - массовая доля водорода в генераторном газе (синтез-газе); g H2O - массовая доля добавляемой в продукты генерации (синтез-газ) во второй зоне генератора воды; Km - соотношение компонентов Km=mO2/mH2, где mO2, mH2 -расходы O2 и Н2.
Фиг.3. Общий вид генератора синтез-газа с неохлаждаемым цилиндром третьей секции.
Фиг.4. Общий вид генератора синтез-газа с охлаждаемым цилиндром третьей секции.
Фиг.5. Фотография экспериментального генератора синтез-газа.
Генератор синтез-газа состоит из трех секций (фиг.3).
Первая секция I состоит из смесительной головки 1 и охлаждаемого цилиндра 2. Смесительная головка имеет узлы подачи окислителя 3 и углеводородного горючего 4. В узле подачи окислителя под углом к оси генератора и симметрично относительно нее расположены две электроискровые свечи 5 системы воспламенения, а также спрямляющая решетка 6, которые вместе составляют систему воспламенения. Узел подвода горючего 4 соединен с коллектором 7, имеющим два ряда струйных форсунок 8, расположенных под углом к оси генератора (т.е. под углом к потоку окислителя). К смесительной головке крепится охлаждаемый цилиндр 2, имеющий по два штуцера подвода 9 и отвода 10 воды в тракт его охлаждения 11.
Вторая секция II представляет собой охлаждаемую вставку, имеющую участок с внутренним диаметром, меньшим диаметра рабочего канала, и снабженную штуцерами подвода 12 и отвода 13 воды охлаждения, соединенными с охлаждающим коллектором 14 и двумя расположенными симметрично штуцерами 15 подвода воды на форсунки 17. Штуцер 15 соединен с коллектором 16, который сообщается с тремя или более центробежными водяными форсунками 17. Форсунки 17 расположены на сужающемся участке газового тракта таким образом, чтобы сопла форсунок были направлены против потока продуктов сгорания.
Третья секция III состоит из охлаждаемого или неохлаждаемого цилиндра 18 (причем если он охлаждаемый, то его конструкция аналогична конструкции охлаждаемого цилиндра 2 первой секции, фиг. 4) и охлаждаемого сопла 19, снабженного узлами подвода 20 и отвода 21 воды охлаждения.
Секции генератора могут быть соединены как неразъемным, так разъемным способами, причем соединение первой и второй секций целесообразно выполнить разъемным для удобства замены форсунок.
Работа генератора синтез-газа протекает следующим образом. Через штуцера 9, 12 и 20 подается вода охлаждения соответствующих секций. Через штуцера 4 в смесительную головку 1 подается УВГ. Углеводородный газ распределяется по коллектору 7 и через два ряда струйных форсунок 8 попадает в рабочий канал ГСГ, далее через решетку 6 заполняет узел подачи окислителя. Подается напряжение на электроискровые свечи 5, расположенные таким образом, чтобы заряд исходил между электродом свечи и спрямляющей решеткой 6. Затем через штуцер 3 подается окислитель, который начинает вытеснять горючее. Таким образом, мимо работающих электросвечей проходит смесь кислорода и метана с концентрацией от 0 до 1, что гарантирует воспламенение компонентов топлива. Происходит воспламенение смеси. В рабочем канале I секции происходит горение смеси газов при соотношении компонентов Km=0,8-1,6. Практически одновременно с подачей компонентов топлива включается подача воды на центробежные форсунки воды второй секции ГСГ через штуцера 15. Таким образом, в высокотемпературные продукты сгорания первой секции впрыскивается вода. В третьей секции ГСГ происходит испарение воды, перемешивание и охлаждение продуктов сгорания. Полученная смесь газов через сопло поступает потребителю.
Предлагаемое конструктивное решение генератора синтез-газа отличается простотой конструкции составляющих элементов, надежностью воспламенения и обеспечивает получение синтез-газа требуемого состава.
В ФГУП Центр Келдыша изготовлен генератор синтез-газа, конструкция которого описана в данной заявке на изобретение. Фотография экспериментального образца генератора приведена на фиг. 5.
H2
CO
Генератор испытывался на предмет получения синтез-газа состава, необходимого для получения впоследствии из него метанола (V/V ≈ 2, где V - объемная доля). Результаты проведенных испытаний соответствуют основному требованию - получаемый синтез-газ имеет соотношение водород /монооксид углерода, близкое к 2/1. Результаты испытаний приведены в таблице.
2
4
2
O2
CH4
H2
CO
В таблице: mO - расход кислорода; mCH - расход водорода; mHO - расход воды; Km - соотношение компонентов (TKm==m/m); Ргг - давление в генераторе синтез-газа; V/V - отношение объемных долей водорода и оксида углерода синтез-газе (по газовому анализу после испытания).
Результаты испытаний генератора синтез-газа
№ исп
Параметры испытания
Массовые доли продуктов реакции
V<sub>H2</sub>/V<sub>CO</sub>
mO<sub>2</sub>
mCH<sub>4</sub>
mH<sub>2</sub>O
Km
Ргг
H<sub>2</sub>
СО
CH<sub>4</sub>
CH<sub>2</sub>
кг/с
кг/с
кг/с
-
ата
-
-
-
-
1
0.0335
0.0266
0.0129
1.26
~40
0.0633
0.5693
0.2045
0.1415
1.56
0.0628
0.5630
0.1980
0.1486
1.56
2
0.0352
0.0269
0.0124
1.31
~40
0.0635
0.5524
0.1565
0.1992
1.61
0.0648
0.5520
0.1583
0.1979
1.64
3
0.0353
0.0235
0.0109
1.5
~40
0.0645
0.5052
0.1092
0.2917
1.79
0.0644
0.5063
0.1115
0.2923
1.78
4
0.0360
0.0235
0.0134
1.53
~0
0.0642
0.5141
0.1147
0.2822
1.75
<b>5</b>
<b>0.0362</b>
<b>0.0241</b>
<b>0.0132</b>
<b>1.5017</b>
<b>~40</b>
<b>0.0650</b>
<b>0.4703</b>
<b>0.1088</b>
<b>0.3325</b>
<b>1.94</b>