СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА СИНТЕЗ - ГАЗА
METHOD FOR PRODUCTION OF SYNTHESIS GAS

Изобретение относится к области органического синтеза, а именно к способам производства синтез-газа, окисления углеводородного сырья воздухом, кислородом или их смесью с использованием выделяющейся при этом энергии и может быть использовано при переработке углеводородного сырья в нефтяной и газовой промышленности.
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 (патенты РФ №2096313, C01B 3/36, 20.11.1997; №2119888, C01B 3/36, C01B 3/36, 10.10.1998; №2136580, C01B 3/36, 10.09.1999; №2167808, C01B 3/34, C01B 3/38, 27.05.2001).
Общими признаками известных и предлагаемого способов являются:
- получение синтез-газа парциальным окислением углеводородного сырья воздухом, кислородом или их смесью;
- непосредственное преобразование энергии, выделяющейся в результате экзотермической реакции окисления, в электрическую энергию.
Недостатком известных способов является ограниченная область применения из-за небольшой производительности по синтез-газу и вырабатываемой электрической энергии.
Известен способ совместного производства синтез-газа и электроэнергии (пат. РФ №2534077, C01B 3/36, 27.11.2014), включающий получение синтез-газа окислением углеводородного сырья кислородом в изобарическом реакторе, опосредованное преобразование тепловой энергии синтез-газа, получаемой в результате экзотермической реакции окисления, в электрическую энергию в газотурбинной установке с применением в качестве теплоносителя обедненного кислородом воздуха, полученного из предварительно сжатого атмосферного воздуха при его разделении на мембранах.
Общими признаками известного и предлагаемого способов является:
- получение синтез-газа парциальным окислением углеводородного сырья воздухом, кислородом или их смесью в изобарических условиях;
- опосредованное преобразование тепловой энергии полученного синтез-газа в электрическую энергию;
- применение для производства электрической энергии в газотурбинной установке.
Недостатками известного способа являются:
- применение в качества теплоносителя воздуха, обедненного кислородом, обладающего низкой теплоемкостью, что ограничивает область применения способа;
- затраты электрической энергии, потребляемой извне, на сжатие (компримирование) окислителя для достижения им соответствующего давления;
2
- отсутствие коррекции термобарических параметров (давления и температуры) синтез-газа и его состава по мольному соотношению H/CO, согласно требованиям технологий, в которых он будет использоваться, что уменьшает область его применения (такая коррекция тоже требует затрат электрической энергии, потребляемой извне), что ограничивает область применения способа.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является способ производства энергии (пат. РФ №2121588, F02C 3/28, F01K 23/06, 10.11.1997), включающий окисление кислородом или кислородсодержащим газом углеродистого сырья с получением синтез-газа и тепловой энергии, тепловую энергию или большую ее часть вместе с синтез-газом подают на газотурбинную установку, в которой синтез-газ окисляют увлажненным воздухом и производят электрическую энергию, а для выработки электрической энергии из меньшей части тепловой энергии используют пар.
Общими признаками известного и предлагаемого способов являются:
- получение синтез-газа парциальным окислением в изобарических условиях углеродистого сырья воздухом, кислородом или их смесью;
- непосредственное преобразование интегральной энергии (давления и тепла) синтез-газа в электрическую энергию в газотурбинной установке;
- опосредованное преобразование энергии, выделяющейся в результате экзотермической реакции окисления в электрическую энергию с использованием пара.
Недостатками известного способа являются:
- окисление (сжигание) синтез-газа воздухом в газотурбинной установке при производстве электрической энергии;
- затраты электрической энергии, потребляемой извне, на сжатие (компримирование) окислителя;
2
- отсутствие возможности коррекции термобарических параметров (давления и температуры) синтез-газа и его состава по мольному соотношению Н/СО, по требованиям технологий, в которых он будет использоваться, что уменьшает область его применения (такая коррекция тоже требует затрат электрической энергии, потребляемой извне), что ограничивает область применения способа.
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности производства синтез-газа путем снижения затрат электрической энергии, потребляемой извне, и расширения области его применения.
2
Поставленная задача достигается тем, что в способе производства синтез-газа, включающем его получение парциальным окислением углеводородного сырья жидкостей или газов в реакторе при изобарических условиях окислителем, например кислородом или воздухом, или их смесью, преобразование энергии (давления и тепла) синтез-газа в электрическую энергию производят в газотурбинной установке и/или преобразование тепловой энергии синтез-газа в электрическую энергию с использованием в качестве теплоносителя пара или газа в паротурбинной или газотурбинной установках, преобразование энергии (давления и тепла) синтез-газа в электрическую энергию в газотурбинной установке производят без его сжигания в одну или несколько ступеней, а преобразование тепловой энергии синтез-газа в электрическую энергию производят при снижении температуры синтез-газа перед газотурбинной установкой и/или после нее, а также при давлении синтез-газа, равном или меньшем величины давления, при этом полученной электрической энергией обеспечивают технологические процессы подготовки углеводородного сырья к окислению и подготовку воды, выработки окислителя, коррекции состава по мольному соотношению Н/СО и термобарических параметров синтез-газа.
При преобразовании интегральной энергии синтез-газа в электрическую энергию, перед подачей его в газотурбинную установку снижают его температуру и повышают давление путем эжекции синтез-газа высоконапорным водяным паром.
При преобразовании тепловой энергии синтез-газа в электрическую энергию используют в качестве теплоносителей азот.
При подготовке углеводородного газа к окислению полученной электрической энергией обеспечивают процессы его сжатия и очистки от механических и химических примесей.
2
2
2
2
2
2
Полученной электрической энергией обеспечивают процессы выработки окислителя - кислорода путем разделения воздуха на O, CO, и N на мембранах или криогенным методом, а затем выполняют коррекцию мольного соотношения Н/СО и термобарических параметров синтез-газа, подавая CO в подготовленный углеводородный газ перед его окислением, a N используют в качестве теплоносителя и для производственных нужд, например в системах пожаротушения, вытеснения воздуха из технологических трубопроводов и аппаратов, или в качестве товарного продукта.
2
Полученной электрической энергией обеспечивают процесс выработки окислителя - кислорода из воды электролизом, а затем выполняют коррекцию мольного соотношения Н/СО, подавая водород после электролиза в синтез-газ, излишний водород сжигают с получением тепловой или/и электрической энергии или/и используют в качестве товарного продукта.
2
При коррекции мольного соотношения Н/СО и термобарических параметров синтез-газа полученную электрическую энергию используют для процесса нагнетания углеводородного сырья и окислителя в реактор, оснащенный пористой насадкой из материала, проницаемого для смеси углеводородного сырья с окислителем, и проводят в нем без применения катализаторов экзотермическую реакцию окисления, описываемую формулой
2
при давлении 0,1-3,0 МПа и при температуре 973-1073 К, варьируют компонентный состав углеводородного сырья и количество кислорода, добиваясь получения синтез-газа с необходимым мольным соотношением Н/СО в данных термобарических условиях.
2
При коррекции мольного соотношения Н/СО и термобарических параметров синтез-газа полученную электрическую энергию используют для процесса нагнетания водяного пара, перемешивания его с окислителем и углеводородным газом, подачу смеси в реактор и проводят в нем экзотермическую реакцию окисления, описываемую формулой
1
2
3
4
2
где K, K, K, K - уравнивающие коэффициенты, зависящие от типа углеводорода, при давлении от 0,2 до 10,0 МПа и при температуре 1473-1723 K без катализатора или при 973-1073 K с применением катализаторов на основе оксидов кобальта, и варьируют компонентный состав углеводородного сырья и количество воды, добиваясь получения синтез-газ с необходимым мольным соотношением Н/СО в заданных термобарических условиях.
При коррекции термобарических параметров синтез-газа полученную электрическую энергию используют в процессах его сжатия и охлаждения искусственным и (или) естественным холодом.
2
Технический прием, заключающийся в том, что полученную электрическую энергию используют в технологических процессах подготовки углеводородного сырья к окислению и воды, выработки окислителя, коррекции состава по мольному соотношению Н/СО и термобарических параметров синтез-газа позволяет снизить или полностью исключить затраты электрической энергии, потребляемой извне, на выполнение основных технологических процессов, непосредственно связанных с производством синтез-газа, и, тем самым, расширить область применения производства синтез-газа.
Технический прием, заключающийся в том, что при преобразовании энергии синтез-газа в электрическую энергию, перед подачей его в газотурбинную установку снижают его температуру и повышают давление путем эжекции синтез-газа высоконапорным водяным паром, позволяет оптимизировать термобарические параметры синтез газа сохранить его теплосодержание для работы газотурбинной установки с максимальным КПД.
Технический прием, заключающийся в том, что при преобразовании тепловой энергии синтез-газа в электрическую энергию, используют в качестве теплоносителей азот, позволяет в обоих случаях повысить пожаробезопасность и взрывобезопасность.
Технический прием, заключающийся в том, что при подготовке углеводородного газа к окислению полученную электрическую энергию используют в процессах его сжатия и очистки от механических и химических примесей (например, сероводорода и меркаптанов), что позволяет уменьшить или исключить затраты электрической энергии, потребляемой извне.
2
2
2
2
2
2
Технический прием, заключающийся в том, что, полученную электрическую энергию используют в процессах выработки окислителя - кислорода путем разделения воздуха на O, CO, и N на мембранах или криогенным методом, а затем выполняют коррекцию мольного соотношения Н/СО и термобарических параметров синтез-газа, подавая CO в подготовленный углеводородный газ перед его окислением, a N используют в качестве теплоносителя и для производственных нужд, например в системах пожаротушения, вытеснения воздуха из технологических трубопроводов и аппаратов, или в качестве товарного продукта, позволяет уменьшить или исключить затраты электрической энергии, потребляемой извне, и расширить область применения способа.
2
Технический прием, заключающийся в том, что полученную электрическую энергию используют в процессе выработки окислителя - кислорода из воды электролизом, а затем выполняют коррекцию мольного соотношения Н/СО, подавая водород, преобразуя тепловую энергию синтез-газа в электрическую энергию с использованием в качестве теплоносителя пара или газа в паротурбинной или газотурбинной установках после электролиза в синтез-газ, излишний водород сжигают с получением тепловой или/и электрической энергии или/и используют в качестве товарного продукта, позволяет уменьшить или исключить затраты электрической энергии, потребляемой извне, и расширить область применения способа.
2
Технический прием, заключающийся в том, что при коррекции мольного соотношения Н/СО и термобарических параметров синтез-газа полученную электрическую энергию используют в процессах нагнетания углеводородного сырья и окислителя в реактор с пористой насадкой из материала, проницаемого для смеси углеводородного сырья с окислителем, и проводят в нем без применения катализаторов экзотермическую реакцию окисления, описываемую формулой
2
при давлении 0,1-3,0 МПа и при температуре 973-1073 K варьируют компонентный состав углеводородного сырья и количество кислорода, добиваясь получения синтез-газ с необходимым мольным соотношением Н/СО в данных термобарических условиях, что позволяет осуществить коррекцию мольного соотношения  и термобарических параметров синтез-газа в широких пределах, уменьшить или исключить затраты электрической энергии, потребляемой извне, и расширить область применения способа.
2
Технический прием, заключающийся в том, что при коррекции мольного соотношения Н/СО и термобарических параметров синтез-газа полученную электрическую энергию используют в процессах нагнетания водяного пара, перемешивания его с окислителем и углеводородным газом, подачу смеси в реактор и проводят в нем экзотермическую реакцию окисления, описываемую формулой
1
2
3
4
2
где K, K, K, K - уравнивающие коэффициенты при давленииот 0,2 до 10,0 МПа и при температуре 1473-1723 К без катализатора или при 973-1073 К с применением катализаторов на основе оксидов кобальта, варьируют компонентный состав углеводородного сырья и количество воды, добиваясь получения синтез-газ с необходимым мольным соотношением Н/СО в данных термобарических условиях, позволяет осуществить коррекцию мольного соотношения  и термобарических параметров синтез-газа в широких пределах, уменьшить или исключить затраты электрической энергии, потребляемой извне, и расширить область применения способа.
Технический прием, заключающийся в том, что при коррекции термобарических параметров синтез-газа полученную электрическую энергию используют в процессах его сжатия и охлаждения искусственным и (или) естественным холодом, что позволяет уменьшить или исключить затраты электрической энергии, потребляемой извне.
Авторам неизвестно из существующего уровня техники повышение эффективности производства синтез-газа подобным образом.
На фиг. 1-4 представлены схемы, иллюстрирующие технологическую и техническую стороны реализации способа производства синтез-газа.
На фиг. 1 - технологическая схема производства синтез-газа с непосредственным преобразованием его интегральной энергии (давления и тепла) в газотурбинной установке без его сжигания.
На фиг. 2 - технологическая схема производства синтез-газа с подключением установки опосредованного преобразования тепловой энергии синтез-газа в электрическую (паротурбинной или газотурбинной) в газотурбинной установке непосредственного преобразования интегральной энергии.
На фиг. 3 - технологическая схема производства синтез-газа с давлением, равном или меньшем величины давления, согласно требованиям технологий, в которых он будет применен, и с опосредованным преобразованием тепловой энергии синтез-газа в электрическую энергию в паротурбинной или газотурбинной установках.
На фиг. 4 - технологическая схема производства синтез-газа с непосредственным преобразованием интегральной энергии синтез-газа в электрическую энергию в газотурбинной установке с эжекторным агрегатом для снижения температуры и повышения давления синтез-газа.
Согласно этим схемам синтез-газ производят парциальным окислением углеводородного сырья жидкостей или газов в реакторе 1 при изобарических условиях окислителем, например кислородом или воздухом, или их смесью. Углеводородное сырье по линии 2 из установки 3 его подготовки, а окислитель - по линии 4 из установок его выработки 5 из воздуха и 6 из воды. Исходное углеводородное сырье подают по линии 7, воздух по линии 8, воду сначала по линии 9 в установку ее подготовки 10, затем по линии 11 в установку 6.
В газотурбинной установке 12 производят непосредственное преобразование интегральной энергии (давления и тепла) синтез-газа без его сжигания в электрическую энергию в одну или несколько ступеней.
Опосредованное преобразование тепловой энергии синтез-газа в электрическую энергию с использованием в качестве теплоносителя пара или газа производят в установке 13 (фиг. 2 и 3), оснащенной агрегатами с паровой или/и газовой турбинами. В установке 13 (фиг. 2 и 3), снабженной агрегатом с газовой турбиной в качестве теплоносителя, используют азот.
Опосредованное преобразование тепловой энергии синтез-газа в электрическую энергию в установке 13 производят при необходимости снижения температуры синтез-газа перед газотурбинной установкой 12 и/или после нее (фиг. 2), а также при давлении синтез-газа, равном или меньшем величины давления, согласно требованиям технологий, в которых он будет применен (фиг. 3).
2
Полученной электрической энергией обеспечивают технологические процессы: в установках (фиг. 1-3) подготовки углеводородного сырья 3 к окислению и подготовки воды 10, выработки окислителя 5 и 6, а также коррекции состава по мольному соотношению Н/СО и термобарических параметров в агрегатах 14 и 15 синтез-газа согласно требованиям технологий, в которых он будет применен.
При непосредственном преобразовании интегральной энергии синтез-газа в электрическую энергию перед подачей его в газотурбинную установку 12 снижают его температуру и повышают давление путем эжекции синтез-газа высоконапорным водяным паром в эжекторном агрегате 16 (фиг. 4).
В установке 3 (фиг. 1-4) при подготовке углеводородного газа к окислению полученной электрической энергией обеспечивают процессы его сжатия и очистки от механических и химических примесей.
2
2
2
2
2
2
В установке 5 (фиг. 1-4) полученной электрической энергией обеспечивают процессы выработки окислителя - кислорода путем разделения воздуха на O, CO и N на мембранах или криогенным методом, а затем выполняют коррекцию мольного соотношения Н/СО и термобарических параметров синтез-газа, подавая по линии 17 CO в подготовленный углеводородный газ перед его окислением, a N отводят по линии 18 и используют в качестве теплоносителя и для производственных нужд, например в системах пожаротушения, вытеснения воздуха из технологических трубопроводов и аппаратов, или в качестве товарного продукта.
2
В установке 6 полученную электрическую энергию используют в процессе выработки окислителя - кислорода из воды электролизом, а затем выполняют коррекцию мольного соотношения Н/СО, подавая по линии 19 водород после электролиза в синтез-газ (агрегат 15), излишний водород отводят по линии 20 и сжигают с получением тепловой или (и) электрической энергии или (и) используют в качестве товарного продукта.
2
При коррекции мольного соотношения Н/СО и термобарических параметров синтез-газа полученную электрическую энергию используют в процессе нагнетания, углеводородного сырья и окислителя в реактор 1, (фиг. 1-4) оснащенный пористой насадкой из материала, проницаемого для смеси углеводородного сырья с окислителем, и проводят в нем без применения катализаторов экзотермическую реакцию окисления, описываемую формулой
при давлении 0,1-3,0 МПа и при температуре 973-1073 K.
При коррекции и термобарических параметров синтез-газа полученную электрическую энергию используют в процессе нагнетания водяного пара из агрегата 14 в смеситель 21, перемешивания его с окислителем и углеводородным газом, подачу смеси в реактор 1 и проводят в нем экзотермическую реакцию окисления, описываемую формулой
1
2
3
4
где K, K, K, K - уравнивающие коэффициенты при давлении от 0,2 до 10,0 МПа и при температуре 1473-1723 K без катализатора или при 973-1073 K с применением катализаторов на основе оксидов кобальта.
В агрегате 15 при коррекции термобарических параметров синтез-газа полученной полученную электрическую энергию используют в процессе его сжатия и охлаждения искусственным и (или) естественным холодом.
2
Произведенный по данному способу синтез-газ с необходимым мольным соотношением Н/СО и термобарическими параметрами согласно требованиям технологий, в которых он будет применен, отводится по линии 22.
Реализация способа иллюстрируется примерами.
ПРИМЕР 1
В этом примере представлена принципиальная реализация производства синтез-газа данным способом.
В реакторе 1 (фиг. 1) получают синтез-газ с давлением 1,0 МПа и температурой порядка 973 К. Его интегральную энергию (давление и тепло) преобразуют в электрическую энергию в газотурбинной установке 12 без его сжигания в одну ступень. При получении синтез-газа с давлением более 1,0 МПа - в несколько ступеней.
Если температура полученного синтез газа превышает 973 К ее снижают путем отбора тепловой энергии от синтез-газа и опосредованном ее преобразовании в электрическую энергию в установке 13, снабженной агрегатами с паровой или/газовой турбинами.
Если давление получаемого синтез-газа находится в пределах 0,1-0,3 МПа, то его тепловую энергию предпочтительней опосредованно преобразовывать в электрическую энергию в установке 13.
Возможно одновременное снижение температуры и повышение давления синтез-газа путем его эжекции высоконапорным водяным паром в агрегате 16 (фиг. 4). Этот технический прием применяют, если давление получаемого синтез-газа менее 1,0 МПа, а температура более 1073 К.
Выработка электрической энергии составляет 1,6 МВт, если получают в синтез-газ из 1 кг/с углеводородного сырья, парциальным окислением по реакции, описываемым формулой
и 16 МВт - если по реакции, описываемой формулой
1
2
3
4
где K, K, K, K - уравнивающие коэффициенты, зависящие от типа углеводорода.
1,6 МВт и 16,0 МВт достаточны для покрытия всех технологических процессов при производстве синтез-газа из 1 кг/с углеводородного сырья соответственно низкого до 2,0 МПа и высокого до 10, МПа давления.
2
Полученную электрическую энергию используют в технологических процессах в установках (фиг. 1-3) подготовки углеводородного сырья 3 к окислению и воды 10, выработки окислителя из воздуха 5 и из воды, а также коррекции состава с помощью установок 14 и 15 по мольному соотношению H/СО и термобарических параметров синтез-газа согласно требованиям технологий, в которых он будет применен.
При подготовке углеводородного газа в установке 3 к окислению полученной электрической энергией обеспечивают процессы его сжатия до необходимого давления в реакторе 1, тонкой очистки от механических примесей и очистки от химических примесей в первую очередь от сероводорода и меркаптанов.
ПРИМЕР 2
2
В примере представлена реализация выработки окислителя для производства синтез-газа и коррекции в производимом синтез-газе мольного соотношения H/CO и его термобарических параметров с помощью установок 5 и 6.
2
2
2
2
2
2
В установке 5 полученную электрическую энергию используют в процессе выработки окислителя - кислорода путем разделения воздуха на O, CO, и N на мембранах при давлении до 10,0 МПа, достаточном для проведения реакций парциального окисления углеводородов в реакторе 1. Большей или меньшей подачей CO в реактор 1, во-первых, корректируют мольное соотношение Н/СО в производимом синтез-газе, а во-вторых, регулируют в нем температуру. В связи с тем, что реакция получения синтез-газа от взаимодействия CO с углеводородами является эндотермической, например,
2
температура в реакторе уменьшается с увеличением количества подаваемого CO.
Азот используют в качестве теплоносителя в установке 13 и для производственных нужд, например в системах пожаротушения, вытеснения воздуха из технологических трубопроводов и аппаратов, или в качестве товарного продукта.
2
В установке 6 полученную электрическую энергию используют в процессе выработки окислителя - кислорода из воды электролизом. Кислород подают в реактор 1, а водород по линии 19 в синтез-газ. В зависимости от количества подаваемого водорода корректируют в большую сторону мольное соотношение Н/СО. Излишний водород сжигают с получением тепловой или (и) электрической энергии или (и) используют в качестве товарного продукта.
ПРИМЕР 3
2
В примере представлена реализация в производстве синтез-газа его коррекции мольного соотношения Н/СО термобарических параметров с помощью в реакторе 1 путем варьирования компонентного состава, подаваемого в него по линии 2 углеводородного сырья и количества кислорода - по линии 4 водяного пара из агрегата 14.
Полученную электрическую энергию используют в процессе нагнетания из установки 3 углеводородного сырья (фиг. 1-4) и окислителя из установок 5 и 6 в реактор 1, оснащенного пористой насадкой из материала, проницаемого для смеси углеводородного сырья с окислителем проводят реакцию окисления без применения катализаторов, описываемую формулой
при давлении в пределах от 0,1 до 3,0 МПа и при температуре 973-1073 K.
2
4
2
6
3
8
4
10
5
12
6
14
7
16
2
Мольные соотношения Н/СО составляют для: СН - 2; СН - 3; СН -1,3; СН - 1,33; CH - 1,2; CH - 1,17; CH - 1,14. Варьируя компонентный состав, получают необходимое мольное соотношение Н/СО синтез-газа при указанных термобарических параметрах получаемого синтез-газа.
Полученную электрическую энергию используют в процессе нагнетания водяного пара из агрегата 14 (фиг. 1-4), перемешивания его с окислителем и углеводородным газом в смесителе 21, подачу смеси в реактор 1 и проводят в нем экзотермическую реакцию окисления, описываемую формулой
1
2
3
4
где K, K, K, K - уравнивающие коэффициенты, зависящие от типа углеводорода, при давлении от 0,2 до 10,0 МПа и при температуре 1473-1723 K без катализатора или при 973-1073 K с применением катализаторов на основе оксидов кобальта.
2
4
2
6
3
8
4
10
5
12
Мольные соотношения Н/СО составляют для: CH - 2,33; СН - 2,5; CH - 2,7; СН - 3; CH - 2,2.
2
Варьируют компонентный состав углеводородного сырья и количество воды, добиваясь получения синтез-газ с необходимым мольным соотношением Н/СО в данных термобарических условиях.
ПРИМЕР 4
В агрегате 15 выполняется коррекции термобарических параметров синтез-газа следующим образом. Полученную электрическую энергию используют в процессе его сжатия в компрессоре и охлаждения холодом, вырабатываемом искусственно в холодильных установках, с помощью естественного холода, используемом в аппаратах воздушного или водяного охлаждения.
2
Таким образом, используя технологические и технические приемы, описанные в примерах возможно производство синтез-газа, отводимого по линии 22 с большим спектром величин мольного соотношения Н/СО и термобарических параметров, что способствует расширению области его применения.