Печь с обогреваемыми электричеством, а также топливом реакторными трубами для парового риформинга углеводородсодержащего сырья - RU2712608C2
Код документа: RU2712608C2
Чертежи
Описание
Изобретение относится к печи, например, для проведения парового риформинга углеводородсодержащего потока сырьевого газа, а также к соответствующему способу.
Паровой риформинг, в частности, метана, является широко распространенной и испытанной технологией получения синтез-газа. И в настоящее время паровому риформингу отдается предпочтение перед другим способами, в частности, для получения водорода.
Паровой риформинг представляет собой аллотермическую реакцию, которая, например, в случае природного газа или метана в качестве сырья протекает в присутствии подходящего катализатора согласно следующему уравнению реакции:
CH4 + H2O -> CO + 3H2.
Для осуществления риформинга водяной пар, предпочтительно горячий, смешивают с подлежащим конверсии сырьем (например, природным газом или метаном) и при постоянном подводе энергии, которая обеспечивается сжиганием топлива, превращают в присутствии катализатора в газовой фазе в синтез-газ или водород.
Однако в настоящее время повышается спрос на "зеленый", т.е. полученный без ущерба для окружающей среды синтез-газ и водород. Сегодня в качестве способа получения экологически чистого водорода из возобновляемой электроэнергии в распоряжении имеется только электролиз, который, правда, невыгоден из-за сравнительно высоких издержек.
Исходя из этого, в основе изобретения стоит задача разработать устройство, соответственно, способ получения синтез-газа, в частности, водорода, которое, соответственно который усовершенствован в отношении вышеуказанных проблем.
Эта задача решена печью с признаками пункта 1 формулы изобретения. Предпочтительные воплощения изобретения указаны в соответствующих зависимых пунктах и описываются ниже.
В соответствии с пунктом 1 формулы изобретения предусмотрена печь для парового риформинга углеводородсодержащего, предпочтительно метансодержащего сырья изобретением, причем указанная печь содержит:
- камеру сгорания,
- множество расположенных в камере сгорания реакторных труб для приема катализатора, а также для проведения сырья через реакторные трубы,
- по меньшей мере одну горелку, которая предназначена для сжигания топлива в камере сгорания в целях нагрева реакторных труб,
причем в дополнение к упомянутой по меньшей мере одной горелке предусмотрен по меньшей мере один источник напряжения, который таким образом соединен с множеством реакторных труб, что в реакторных трубах соответственно может создаваться электрический ток, который обогревает реакторные трубы для нагрева сырья.
Технический признак, согласно которому реакторные трубы расположены в камере сгорания, следует понимать так, что реакторные трубы по меньшей мере на отдельных участках проходят в камере сгорания, так что создаваемая в ней теплота может передаваться на реакторные трубы.
Таким образом, изобретение использует для получения синтез-газа или водорода традиционную технологию парового риформинга, причем благодаря заявленной технической идее имеется выгодная возможность, например, при наличии избыточной электроэнергии или возобновляемой электроэнергии, сэкономить по меньшей мере часть топлива и поддерживать, соответственно, временно заменять нагревание сырьевого потока прямым электрообогревом реакторных труб.
Согласно одному предпочтительному варианту осуществления печи по изобретению, предусмотрено M внешних проводов L1,...,LM, причем указанный, по меньшей мере один, источник напряжения предназначен для подачи на M внешних проводов L1,...,LM соответствующего переменного напряжения, причем M является натуральным числом больше или равным двум, и причем эти переменные напряжения сдвинуты по фазе относительно друг друга на 2π/M.
Кроме того, согласно одному предпочтительному варианту осуществления печи по изобретению предусматривается, что реакторные трубы заканчиваются в коллекторе, через который из реакторных труб можно отобрать поток неочищенного продукта, соответственно, поток неочищенного синтез-газа происходящего в реакторных трубах в присутствии подходящего катализатора парового риформинга.
Предпочтительно, реакторные трубы расположены параллельно друг другу и простираются вдоль продольной оси, соответственно, оси цилиндра, которая проходит параллельно вертикали. Коллектор расположен относительно вертикали ниже и снаружи камеры сгорания и предпочтительно простирается поперек реакторных труб, соответственно, по горизонтали. Реакторные трубы и/или коллектор могут быть выполнены, по меньшей мере на отдельных участках, в виде полого цилиндра, предпочтительно кругового полого цилиндра. Возможны также и другие формы поперечного сечения. Кроме того, реакторные трубы, а также коллектор состоят из электропроводящего материала или по меньшей мере содержат такой материал, так что возможен нагрев реакторных труб в результате создания электрического тока, соответственно, джоулева тепла в реакторных трубах.
Согласно одному предпочтительному варианту осуществления печи по изобретению предусмотрено, что внешние провода L1,...,LM соединены с соответствующей реакторной трубой. Это следует понимать так, что каждый внешний провод электропроводно соединен с собственной реакторной трубой, так что внешние провода распределены на соответствующее число реакторных труб. При этом внешние проводы предпочтительно таким образом соединены с M реакторных труб, что образуется соединение в звезду, при котором нейтральная точка звезды целесообразно образована коллектором, соответственно, коллектор имеет нейтральную точку звезды. При этом нейтральная точка звезды может быть заземлена.
Под соединением в звезду в данном случае понимается, как обычно, межкомпонентное соединение произвольно большого числа подсоединений (M подсоединений, причем возможно имеющийся нулевой провод также может быть соединен с нейтральной точкой звезды) через сопротивление в общей точке, которая называется нейтральной точкой звезды. При равномерной нагрузке M внешних проводов (например, M=3) в нейтральной точке звезды будет предпочтительно нулевой ток (при несимметричной нагрузке лишь разность токов, соответственно, при высокоомном соединении нулевого провода с нейтральной точкой звезды по меньшей мере одного трубопровода лишь разность напряжений).
Поэтому указанные реакторные трубы предпочтительно проектируют так, т.е. выполняют настолько одинаковыми, чтобы устранить токи в нейтральной точке звезды, т.е. на коллекторе. Другими словами, полученные электропроводящие соединения (которые охватывают по меньшей мере часть обсуждаемых реакторных труб) предпочтительно имеют между соответствующими внешними проводами упомянутого по меньшей мере одного источника напряжения и нейтральной точкой звезды, соответственно, коллектором одинаковое омическое сопротивление, так что в нейтральной точке звезды, соответственно, на коллекторе устраняются отдельные токи и коллектор остается без тока.
Одно преимущество заявленной технической идеи состоит в том, что традиционный реактор парового риформинга, соответственно, печь можно дополнительно оборудовать соответствующим изобретению электрообогревом. Токи, возникающие при обогреве реакторных труб, могут лежать в диапазоне от 6000 до 8000 ампер. Напряжения, подаваемые на внешние провода, могут составлять от 30 до 50 вольт и могут регулироваться, например, через предвключенный тиристорный регулятор.
Согласно одному предпочтительному варианту осуществления M=3, т.е., указанный, по меньшей мере один, источник напряжения выполнен как трехфазный источник переменного напряжения, так что создаваемый в реакторной трубе ток для прямого джоулева нагрева соответствующей реакторной трубы является трехфазным переменным током, который часто называют также просто трехфазным током.
При этом речь идет о многофазном переменном токе, который, как известно, состоит из отдельных переменных токов или переменных напряжений одинаковой частоты:
UL1=U0cos(ωt),
UL2=U0cos(ωt-120°),
UL3=U0cos(ωt-240°),
которые сдвинуты по фазе относительно друг друга на угол 120°, т.е., на 2π/3.
Переменные напряжения достигают своих максимальных отклонений со смещением по времени на треть периода. Временное смещение этих так называемых напряжений внешних проводов относительно друг друга описывается фазовым углом. Указанные три провода называются внешними проводами и обычно сокращенно обозначаются L1, L2 и L3. Возможно имеющийся нулевой провод обозначается N.
В данном случае изобретение описывается для M реакторных труб, соответственно, трех реакторных труб. Естественно, благодаря заявленной технической идее можно также обогревать существенно больше реакторных труб, причем в идеале такое число реакторных труб кратно M, соответственно, трем.
В таком случае M (например, три) внешних провода источника напряжения электропроводно соединяют с M (например, тремя) реакторными трубами вышеописанным способом. Указанные M реакторных труб могут питаться от собственного источника напряжения (например, трансформатора) (таким образом, может применяться несколько источников напряжения). Тогда все токи предпочтительно снова обнуляются на коллекторе, так что коллектор остается без тока (так называемая нейтральная точка звезды).
Под источником напряжения в контексте настоящего изобретения понимается также передаточный пункт, на который подается M фаз. Необходимые напряжения могут при необходимости генерироваться также вне границ установки и передаваться на печь, соответственно, установку. Предпочтительно, напряжения генерируются локально с помощью трансформаторов, причем имеется один трансформатор для трех реакторных труб (трехфазный ток при M=3) или для M реакторных труб при M фазах.
Согласно одному предпочтительному варианту осуществления печи по изобретению предусмотрено, что каждый внешний провод имеет концевую область, через которую он электропроводно соединен с контактной зоной соответствующей реакторной трубы.
Конечно, внешние провода, соответственно, подводящие линии могут быть реализованы всеми допустимыми подходящими электропроводящими соединениями. Согласно одному предпочтительному варианту осуществления печи по изобретению, в этой связи предусмотрено, что каждый внешний провод по меньшей мере на отдельных участках содержит первый и подсоединенный параллельно ему второй электрический провод, причем каждый из обоих электрических проводов имеет концевую область, которая электропроводно соединена с контактной зоной соответствующей реакторной трубы.
При этом, согласно одному варианту осуществления печи по изобретению, предпочтительно предусматривается, что каждая концевая область соединена с контактной зоной соответствующей реакторной трубы, например, через прессовое соединение, сварное соединение или другое подходящее соединение.
Согласно одному предпочтительному варианту осуществления печи по изобретению предусмотрено, что контактные зоны реакторных труб выступают поперек продольной оси соответствующей реакторной трубы из кожуха (т.е. боковой стенки) соответствующей реакторной трубы. К ним могут быть прикреплены обе концевые области первого и второго провода.
Согласно одному следующему предпочтительному варианту осуществления печи по изобретению, предусмотрено, что контактные зоны реакторных труб проходят вне камеры сгорания по вертикали, соответственно, вдоль продольных осей реакторных труб выше камеры сгорания.
Согласно одному другому предпочтительному варианту осуществления печи по изобретению предусмотрено, что реакторные трубы в области соответствующей контактной зоны на отдельных участках имеют утолщение поперечного сечения, например, увеличенный наружный диаметр при постоянном внутреннем диаметре, причем толщина трубы в зоне утолщения поперечного сечения может быть, например, вдвое больше, чем вне участка с утолщенным сечением трубы. Кроме того, под утолщением поперечного сечения может иметься в виду, например, окружной фланец. Утолщение поперечного сечения охватывает соответствую контактную зону рассматриваемой реакторной трубы и предпочтительно находится выше верхней, соответственно, самой верхней стенки камеры сгорания. Благодаря утолщению поперечного сечения на этом участке реакторной трубы снаружи печи снижается сопротивление реакторной трубы, так что на этом участке нежелательное джоулево тепло является меньшим.
Согласно следующему предпочтительному варианту осуществления печи по изобретению, предусмотрено охлаждающее устройство, предназначенное для охлаждения внешних проводов или, соответственно, первого и второго электрических проводов с помощью текучего хладагента, под которым имеется в виду, например, вода. Под текучим хладагентом здесь понимается текучая, предпочтительно жидкая и/или газообразная охлаждающая среда.
Согласно следующему предпочтительному варианту осуществления печи по изобретению, предусмотрено, что внешние провода, соответственно, первый и второй провода образуют, каждый, проточный канал, предназначенный для проведения текучего хладагента.
Согласно альтернативному предпочтительному варианту осуществления печи по изобретению, предусмотрено также, что внешние провода, соответственно, первый и второй провода окружены, каждый, оболочкой, предпочтительно выполненной как электроизоляция, при этом соответствующая оболочка ограничивает проточный канал, предназначенного для проведения текучего хладагента.
Согласно следующему предпочтительному варианту осуществления печи по изобретению, предусмотрено, что соответствующий первому проводу проточный канал гидравлически сообщается с соответствующим второму проводу проточным каналом, смежным с упомянутой контактной зоной, так что текучий хладагент может проводиться через один проточный канал к контактной зоне отводиться от нее по другому проточному каналу.
Другими словами, первый и второй (соединенный параллельно первому) провода соединены с контактной зоной соответствующей реакторной трубы, причем проточный канал, соответствующий первому проводу, используется для того, чтобы провести текучий хладагент к контактной зоне, а затем проточный канал, соответствующий второму проводу, используется для того, чтобы снова отвести текучий хладагент от контактной зоны (при этом, естественно, функции этих обоих проточных каналов могут быть заменены на противоположные). Благодаря этому можно получить контур хладагента, который позволяет непрерывное охлаждение внешних проводов, соответственно, первого и второго проводов, играющих роль этих внешних проводов.
Следующим объектом изобретения является способ парового риформинга согласно пункту 15.
Способ согласно изобретению предпочтительно использует печь по изобретению и может быть усовершенствован с учетом вышеописанных отличительных признаков.
Предлагаемый изобретением способ предусматривает, что углеводородсодержащий, предпочтительно содержащий метан, сырьевой поток, содержащий водяной пар, проводится через реакторные трубы печи и там в присутствии подходящего катализатора, расположенного в реакторных трубах, превращается в поток неочищенного синтез-газа, содержащий CO и H2, причем сырьевой поток проводится в реакторных трубах через камеру сгорания, в которой для нагрева сырьевого потока сжигается топливо. При этом согласно изобретению:
- по меньшей мере временно сырьевой поток дополнительно нагревается в реакторных трубах тем, что в реакторных трубах создается электрический ток, который нагревает реакторные трубы для нагрева сырьевого потока, или
- по меньшей мере временно вместо нагрева сырьевого потока путем сжигания топлива в реакторных трубах создается электрический ток, который нагревает реакторные трубы для нагрева сырьевого потока.
Предпочтительно, за единицу времени расходуется меньше топлива, если нагревание сырьевого потока дополнительно, соответственно, полностью осуществляется путем прямого электронагрева реакторных труб.
Кроме того, внешние провода предпочтительно охлаждаются текучим хладагентом, например, водой (смотри выше).
Образования горячих точек в реакторных трубах в области контактных зон предпочтительно избегают тем, что предусматривается соответствующее утолщение поперечного сечения реакторных труб, соответственно, соответствующего участка реакторной трубы, имеющее более низкое сопротивление (смотри выше).
Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения поясняются при описании примеров осуществления посредством фигур. Показано:
Фиг.1 в сочетании с фиг.2 показывают печь 1 согласно изобретению для парового риформинга углеводородсодержащего сырьевого потока E, который предпочтительно содержит метан. Печь 1 имеет камеру 10 сгорания, которая содержит зону 11 излучения, а также зону 12 конвекции. В зоне излучения, например, на верхней горизонтальной стенке 13 камеры 10 сгорания предусмотрена горелка 30, которая предназначена для сжигания в камере 10 сгорания, соответственно, в зоне 11 излучения топлива в присутствии кислорода, при этом образующееся тепло передается на множество реакторных труб 20, из которых для простоты показано всего три. Реакторные трубы 20 простираются вдоль вертикальной продольной оси z через зону 11 излучения камеры 10 сгорания. В реакторных трубах 20 предусмотрен катализатор K. Количество тепла, выделяющегося в зоне излучения, рассчитано таким образом, чтобы вводимый в реакторные трубы 20 сырьевой поток E, который до этого был предварительно нагрет в зоне 12 конвекции печи 1, соответственно, в камере 10 сгорания, превращался в реакторных трубах 20 с использованием указанного тепла в результате парового риформинга в поток R неочищенного синтез-газа, который содержит CO и H2.
При этом реакторные трубы 20 заканчиваются в предусмотренном ниже камеры 10 сгорания коллекторе 21, через который образованный поток неочищенного синтез-газа можно отобрать из печи 1, соответственно, реакторных труб 20.
Как правило, конвертированный газ R покидает зону 11 излучения печи 1 риформинга с температурой в диапазоне от 780°C до 1050°C, предпочтительно от 820°C до 950°C. Диапазон давлений газа предпочтительно составляет от 10 бар до 50 бар, предпочтительно от 15 до 40 бар.
Согласно изобретению, печь 1 имеет теперь в дополнение к горелкам 30 по меньшей мере один источник 2 напряжения, под которым в настоящем случае речь идет об источнике трехфазного переменного напряжения. Он электропроводно соединен через его внешние провода L1, L2, L3 или через два соединенных параллельно силовых кабеля 51, 52 с реакторной трубой 20, так что при приложении напряжения в соответствующей реакторной трубе 20 создается электрический ток, который нагревает реакторные трубы 20 для нагрева сырьевого потока E.
Таким образом, согласно изобретению для нагрева сырьевого потока E можно вместо топлива или в дополнение к топливу использовать электроэнергию. Предпочтительно под электроэнергией здесь понимается избыточная имеющаяся энергия, например, в виде возобновляемой энергии (например, солнечная энергия или ветровая энергия).
Согласно одному варианту осуществления изобретения, в первом режиме работы печи 1 горючие вещества, как, например, хвостовые или отработавшие газы, содержащие CO, CH4 и/или H2, сжигаются вместе с природным газом, причем природный газ при этом предпочтительно составляет от 10% до 30% от всего топлива, сжигаемого в первом режиме работы, и используется дальше как сырье для парового риформинга. Предпочтительно, хвостовой или остаточный газ поступают с процесса адсорбции при переменном давлении, который служит для очистки продуктового водорода, получаемого при паровом риформинге.
Кроме того, печь 1 может работать во втором (электрическом) режиме, в котором в качестве топлива предпочтительно дополнительно сжигается хвостовой или отработавший газ, причем теперь вместо сжигания природного газа реакторные трубы 20 дополнительно обогреваются электронагревом согласно изобретению. Печь 1 может, например, ежедневно эксплуатироваться от 0 до 6 часов во втором рабочем режиме, чтобы можно было с выгодой надежно израсходовать имеющуюся в сети избыточную энергию.
Как следует из фиг.1 и 2, используется один или несколько источников 2 напряжения, которые подают трехфазное переменное напряжение на три внешних провода L1, L2, L3. При этом каждая фаза L1, L2, L3 сопряжена с собственной реакторной трубой 20. При этом образуется соединение в звезду, у которого нейтральная точка S звезды образована коллектором 21, в котором оканчиваются трубные линии 20 (таким образом, реакторные трубы 20 электропроводно соединены с коллектором 21). В результате коллектор 21 предпочтительно остается без тока. Этот принцип можно, естественно, распространить на большее число реакторных труб 20, например, предназначая для трех реакторных труб 20 фазы L1, L2, L3 источника 12 трехфазного переменного напряжения (если имеется M фаз, то они распределены на M реакторных труб, смотри выше).
Согласно фиг.1, каждый внешний провод L1, L2, L3 (на фиг.1 это для примера показано для провода L1) предпочтительно образован, по меньшей мере на отдельных участках, первым и подсоединенным параллельно ему вторым электрическим проводом 41, 42. При этом первый провод 41 образует внутренний провод первого силового кабеля 51, а второй провод 42 образует внутренний провод второго силового кабеля 52. Оба электрических провода 41, 42 имеют концевую область 41a, 42a, которая электропроводно соединена с контактной зоной 23 соответствующей реакторной трубы 20 (ср. фиг.2). При этом концевая область 41a, 42a предпочтительно электропроводно соединена с контактной зоной 23 соответствующей реакторной трубы 20 прессовым соединением или сварным соединением.
Отдельные контактные зоны 23 реакторных труб 20 выступают поперек продольной оси z соответствующей реакторной трубы 20 из кожуха 24 соответствующей реакторной трубы 20 и могут при этом быть выполнены как одно целое с соответствующим кожухом 24 или приварены к нему. Предпочтительно, контактные зоны 23 предусмотрены снаружи камеры 10 сгорания на реакторных трубах 20, а именно по вертикали выше камеры 10 сгорания. При этом реакторные трубы 20 или их кожуха 24 в области соответствующей контактной зоны 23, а также выше указанной стенки 13 камеры 10 сгорания имеют утолщение поперечного сечения 25, какое можно видеть на фиг.1. Благодаря этому в области контактных зон 23 реакторных труб 20 снижается сопротивление реакторных труб 20, так что там можно с успехом воспрепятствовать избыточному разогреву реакторных труб 20.
Предпочтительно, линии подвода напряжения, соответственно, тока к реакторным трубам 20, т.е. внешние провода L1, L2, L3 или первый и второй провода 41, 42 выполнены с заметно более низкими сопротивлениями по сравнению с реакторными трубами 20, чтобы минимизировать выделение тепла в подводящих линиях или внешних проводах, так как это, как правило, нежелательно.
Для контроля над тепловыделением во внешних проводах L1, L2, L3 или в первом и втором проводах 41, 42 (силовой кабель 51, 52) предпочтительно предусмотрено их непрерывное охлаждение охлаждающим устройством K', соответственно, текучим хладагентом W, предпочтительно водой. При этом первый и второй провода 41, 42 сами могут образовать проточный канал S1, S2, предназначенный для проведения текучего хладагента W.
Предпочтительно, первый и второй провода 41, 42 окружены, каждый, оболочкой 41b, 42b, целесообразно в форме изоляции соответствующего силового кабеля 51, 52. Вместо внутренних проводов 41, 42 границы проточного канала S1 или S2, предназначенного для проведения хладагента W, могут также задаваться оболочкой 41b, 42b.
Особенно предпочтительно, оба проточных канала 31, S2 гидравлически сообщаются с соответствующей контактной зоной 23 или ее окрестностью, так что для каждого внешнего провода L1, L2, L3 можно предоставить контур охлаждения, в котором текучий хладагент W может переноситься к соответствующей контактной зоне 23 (например, силовому кабелю 51 на фиг. 1) и снова отводиться от нее (например, силовой кабель 52 на фиг. 1).
Фиг.3 показывает для примера возможное электропитание печи согласно изобретению, причем вертикальная пунктирная линия показывает разделение между областью печи 1, а также, например, коммутационным пунктом. Согласно фиг.3, для трех труб имеется один трансформатор 503, который, например, имеет напряжение на первичной обмотке 690В и напряжение на вторичной обмотке 50В для каждой фазы (потребляемая мощность 630 кВА). Первичное напряжение (например, 690В) подается по проводу 501, а также через трехфазный тиристорный регулятор 502 на рассматриваемый трансформатор 503, так что напряжение вторичной обмотки может регулироваться к диапазоне от 30В до 50В. Пониженное в трансформаторе 503 трехфазное переменное напряжение по указанному силовому кабелю 51, 52 подается от трансформатора на соответствующую реакторную трубу 20, соответственно, контактную зону 23. Длина силового кабеля 51, 52 может составлять, например, от 10м до 20м. Естественно, допустимы и другие схемы напряжения питания.
Печь 1 согласно изобретению особенно хорошо подходит для осуществления способа по изобретению. В этой связи, технические идеи настоящего изобретения позволяют, например, временно нагревать сырьевой поток E в реакторных трубах 20 в дополнение к сжиганию топлива, благодаря тому, что в реакторных трубах 20 вышеописанным способом создается электрический ток, который нагревает реакторные трубы 20 для нагрева сырьевого потока E. Кроме того, электрический ток можно временно использовать вместо сжигания топлива, чтобы нагревать реакторные трубы 20 в целях нагрева сырьевого потока E. Таким образом, изобретение позволяет с успехом вовлечь избыточную имеющуюся энергию, в частности, возобновляемую (электрическую) энергию в процесс парового риформинга.
Список позиций для ссылок
Реферат
Изобретение относится к печи, например, для проведения парового риформинга углеводородсодержащего, предпочтительно содержащего метан, потока сырьевого газа, а также к соответствующему способу. Печь включает камеру сгорания, расположенные в камере сгорания реакторные трубы для приема катализатора, а также для проведения сырьевого потока через реакторные трубы, горелку, предназначенную для сжигания топлива в камере сгорания в целях нагрева реакторных труб, и в дополнение к горелке источник напряжения, который соединен с реакторными трубами таким образом, чтобы в реакторных трубах мог создаваться электрический ток, который нагревает реакторные трубы для нагрева сырья. Изобретение обеспечивает выгодную возможность вовлечения избыточной энергии, в частности возобновляемой электроэнергии, в процесс парового риформинга и сэкономить часть топлива. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 3 ил.
