РЕАКТОР АВТОТЕРМИЧЕСКОГО РИФОРМИНГА ПРИРОДНОГО ГАЗА

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области газопереработки, а именно к реактору автотермического риформинга для получения синтез-газа с регулируемым содержанием основных компонентов, в котором комбинируются некаталитическое парциальное окисление, протекающее на поверхности газопроницаемой матрицы (матричная конверсия), и последующая паровая конверсия метана и СО.
Уровень техники
2
Основными промышленными способами получения синтез-газа в настоящее время являются паровая, углекислотная и кислородная конверсии природного газа в синтез-газ (смесь Н и СО). Однако все эти способы требуют применения дорогостоящих катализаторов, отличаются высокой сложностью и громоздкостью оборудования, а также большими удельными капитальными затратами, что делает их малопригодными для создания небольших автономных источников синтез-газа. При этом удельная производительность каталитических способов получения синтез-газа значительно ниже некаталитических газофазных [Арутюнов B.C. Окислительная конверсия природного газа. Монография. КРАСАНД Москва. 2011. 640 с].
Из уровня техники [RU 2675561 С1, дата публикации: 19.12.2018] известно устройство для получения синтез-газа при горении смеси углеводородного сырья с окислителем с коэффициентом избытка окислителя менее 1. В данном устройстве не используется катализатор, что значительно повышает его удельную производительность относительно промышленных каталитических реакторов. Также отсутствует необходимость дополнительно сжигать топливный газ для обеспечения тепла для протекания конверсии природного газа в синтез-газ, как это делается в каталитическом паровом риформинге.
Недостатком данного устройства является низкая концентрация водорода в получаемом синтез-газе, что, например, не позволяет эффективно использовать его в промышленных технологиях синтеза метанола.
Раскрытие сущности полезной модели
В настоящей полезной модели решается задача снижения энергозатрат на получение синтез-газа за счет использования тепла матричной конверсии для проведения паровой конверсии.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в возможности одновременного получения синтез-газа регулируемого состава основных компонентов в автотермическом режиме без использования энергии извне в одном реакторе. Это позволяет увеличить удельную производительность блока получения синтез-газа, снизить удельный расход топливного газа, снизить энергетическую нагрузку на стадию получения синтез-газа.
Указанный технический результат достигается за счет создания реактора, позволяющего одновременно проводить процесс матричной конверсии (некаталитического парциального окисления) и каталитической паровой конверсии метана и СО.
Более подробно, технический результат достигается тем, что реактор автотермического риформинга для получения синтез-газа содержит две последовательные секции, объединяющиеся газовым потоком, при этом нижняя секция состоит из камеры подачи исходных реагентов, матричных горелок и камеры сгорания, а верхняя секция представляет собой трубки, в которых загружен катализатор паровой конверсии метана и/или СО, а межтрубное пространство заполнено продуктовым синтез-газом.
Секция матричной конверсии (нижняя секция) может отдельно использоваться для выработки тепла для генерации водяного пара, что позволяет реализовывать пусковые и переходные режимы паровой конверсии без использования дополнительного оборудования.
Краткое описание чертежа
На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства.
Осуществление полезной модели
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Природный газ (поток I), смешиваясь с водяным паром (поток II) в мольном соотношении 1 к 1 в смесителе 1 и с кислородом (поток III) в смесителе 2, подается через штуцер 3 в нижнюю секцию реактора в камеру подачи исходных реагентов 4, где нагревается до температуры 200-250°С. Затем исходная смесь, проходит через газопроницаемые матричные горелки 5, располагаемые в шахматном порядке на удерживающей их площадке 6, приваренной к корпусу реактора 7, диаметр матричных горелок 400-500 мм каждая. Пройдя матричные горелки 5, газовая смесь поступает в камеру сгорания 8, где протекает ее горение. За счет локализации фронта пламени на поверхности газопроницаемых матриц и рекуперации тепла через тело газопроницаемых матричных горелок к исходному газу температура конверсии (горения) составляет 1200-1300°С. Получаемый синтез-газ, содержащий водород, монооксид углерода и непрореагировавший метан, проходит через удерживающее устройство 9, приваренное к корпусу реактора 7, расположенное в верхней части секции матричной конверсии. Розжиг газовоздушной смеси в камере сгорания осуществляется электродом зажигания, подключаемым к трансформатору розжига.
Пуск секции матричной конверсии происходит в ручном режиме, который запускается при помощи специально разработанного программного обеспечения (ПО). После активации команды запуска задается расход воздуха для продувки камеры сгорания генератора. После этого по команде системы управления (СУ) на регуляторе расхода задается расход природного газа, соответствующий удельной тепловой нагрузке горелки. То есть коэффициент избытка окислителя (α) при розжиге горелки равен 1, что соответствует стехиометрии реакции полного окисления природного газа. Одновременно с подачей природного газа подается питание на трансформатор розжига, что сопровождается искровой генерацией на запальном электроде. После стабилизации температуры внутри камер понижается исходное соотношение воздух/природный газ до значения α, равное 0,34-0,36.
После чего в верхней секции реактора начинается этап активации катализатора паровой конверсии 10, расположенного внутри каталитических труб 11. После достижения температуры в слое катализатора более 600°С происходит резкий переход на использование кислорода в качестве окислителя вместо воздуха и подается водяной пар, который генерируется в теплообменнике 12 за счет тепла получаемого синтез-газа. Получаемый в ходе автотермического риформинга синтез-газ (поток IV) подается в межтрубное пространство верхней секции реактора для более равномерного прогрева катализатора. Температура катализатора паровой конверсии составляет 600-700°С.
Регулирование содержание водорода и СО в получаемом природном газе осуществляется за счет изменения давления внутри реактора, то есть изменения времени нахождения, получаемого на стадии матричной конверсии, синтез-газа на катализаторе паровой конверсии. Чем выше давление, тем больше время контакта синтез-газа с поверхностью катализатора, что приводит к снижению содержания СО в синтез-газе. Понижение давление приводит к увеличению содержания СО в получаемом синтез-газе. Давление в реакторе задается регулятором давления «до себя» 13.
Остановка реактора производится вручную с панели ПО. Эта команда обеспечивает сначала прекращение подачи воздуха, а затем прекращение подачи природного газа и водяного пара. После чего производится продувка установки воздухом.
Таким образом, предлагаемая конструкция устройства позволяет в одном реакторе получать синтез-газ с регулируемым соотношением водород к СО в автотермическом режиме без использования энергии извне.