Способ и горелка для получения синтез-газа - RU2322479C2
Код документа: RU2322479C2
Чертежи
Описание
Изобретение касается способа, а также соответствующей горелки для получения синтез-газа, при этом жидкие углеводороды, например нефть или жидкие побочные продукты химического производства, а также газообразные углеводороды, например природный газ или горючий газ, при высоких температурах разлагаются без применения катализатора на оксид углерода (СО) и водород (Н2).
Этот способ известен под названием "Многоцелевая газификация" (способ MPG) и реализуется с помощью реактора, участка утилизации тепла, газоочистки и промывной установки для CO2 и H2S. Ядром этой технологии является горелка, в которой смешиваются и подаются в реактор исходные вещества.
В патенте Австрии АТ-В-369345 и европейской заявке на патент ЕР-В-0127273 подробно описан принцип действия горелки. Жидкое топливо с помощью пара высокого давления распыляется в специальной форсунке. Поступающая вместе с распылительным паром вода принимает участие в реакции в реакторе MPG и частично превращается в водород. При некаталитическом расщеплении природного газа требуется водяной пар для предотвращения повреждения горелки в результате перегрева. При существующем в природном газе соотношении углерода и водорода в конечном продукте можно получить только ограниченные соотношения СО/Н2. При использовании водяного пара это соотношение ухудшается еще больше. Это особенно невыгодно в том случае, если требуется синтез-газ с высокой долей оксида углерода или если собственно ценный газ сам является оксидом углерода.
В европейской заявке на патент ЕР-В-0380988 предложена горелка, приспособленная для подачи жидкого топлива в реактор, в которой распыление топлива осуществляется с помощью водяного пара или, альтернативно, диоксида углерода (СО2).
Недостатком этой горелки является необходимое высокое избыточное давление, равное от 100 до 250% критической степени сжатия, с которым пар и CO2 должны подаваться в горелку. В случае применения в качестве распылительной среды СО2 это требует высоких энергетических и аппаратных затрат для сжатия СО2.
В основе изобретения лежит задача создать улучшенный способ получения синтез-газа, при котором для распыления горючего требуется не исключительно пар, но также и иные подходящие газообразные среды типа диоксида углерода, природного газа, горючего газа или их смесей и при котором распыление горючего в реакционной камере может происходить дешево и с незначительными аппаратными затратами.
Эта задача в соответствии с изобретением решается за счет того, что для получения синтез-газа путем частичного окисления жидких или газообразных горючих материалов в присутствии кислорода или содержащих кислород газов горючее содержащий кислород газ и распылительная среда подаются в горелку раздельно и распылительная среда расширяется непосредственно перед входным отверстием для топлива с помощью одного или нескольких сопл, при этом дифференциальное давление расширения распылительной среды составляет только от 2% до 50% давления в реакторе.
В результате столь низкого требуемого избыточного давления для расширения распылительной среды при поступлении в горелку достигается значительное снижение расходов на подготовку распылительной среды. Если используется распылительный пар, то нет необходимости отбирать его из отдельной сети или котла с соответственно высокой степенью давления, так как в качестве газообразующей среды может непосредственно или после незначительного перегрева использоваться пар, так или иначе образующийся в котле-утилизаторе газификационного реактора.
Если в качестве распылительной среды используется диоксид углерода, то можно отказаться от внешнего приготовления диоксида углерода, если она может отбираться из сырого синтез-газа в последующем скруббере и подаваться затем опять в горелку. Здесь особенно выгодным является необходимое в горелке незначительное избыточное давление распылительной среды. Требуемый компрессор для сжатия отделенной в скруббере двуокиси углерода до необходимого в горелке давления может иметь малое число ступеней и требует меньше энергетических затрат для работы привода. Лучше также слегка перегревать диоксид углерода перед ее подачей в горелку.
В качестве распылительной среды подходят также другие газообразные среды, образующиеся в ходе самого процесса или присутствующие в установке, например:
- хвостовой газ из адсорбционного процесса с переменным давлением (из установки DWA) или мембранной установки для получения водорода,
- хвостовой газ из установки для получения оксида углерода (Cold Box),
- газы, являющиеся побочными продуктами других процессов, которые в общем случае собираются в сети горючего газа и подлежат сожжению,
- природный газ.
Эти газы могут по отдельности, в виде смеси или после обогащения паром подаваться в горелку в качестве распылительной среды.
Для получения эффективного распыления скорость газообразной распылительной среды на выходе из сопла должна составлять от 20 до 300 м/с. Преимущественно работают со скоростью распылительной среды на выходе из сопла в диапазоне от 40 м/с до 200 м/с. Величина выходной скорости зависит, среди прочего, от соотношения диаметров сопла, о чем будет сказано далее. Высокая выходная скорость обеспечивается за счет конструкции являющейся объектом настоящего изобретения горелки, в которой диаметр выходного отверстия сопла для жидкого топлива находится в определенном отношении к диаметру отверстия сопла для распылительной среды. Соотношение диаметров составляет от 1/1,1 до 1,5, преимущественно от 1/1,3 до 1/3. За счет такой конструкции полости сопла обеспечивается скорость, необходимая для смешения сред. По причине этой высокой выходной скорости можно, как показывает опыт, работать с менее значительным расширением.
Возможности исполнения технологии поясняются чертежами.
На фиг.1 представлена технологическая схема получения оксида углерода. В реакторе (1) расположена не изображенная в данном случае горелка. В реактор (1) по трубопроводу (2) подается жидкое топливо или газ. По трубопроводу (3) поступает необходимый для сжигания кислород. Еще один трубопровод (4) предназначен для подачи распылительной среды, необходимой для распыления и охлаждения. Это может осуществляться, например, с помощью не изображенного здесь газового резервуара. В реакторе среда подвергается газификации при температуре от 1000 до 1500°С и давлении от 1 до 100 бар. При газификации образуются газы СО, Н2 и СО2. Газы подвергаются охлаждению и очистке от пыли (5) и поступают после этого в скруббер (6). Конечные газообразные продукты СО и Н2 по трубопроводу (7) подаются на участок дальнейшей обработки. Если топливо содержит серу, то она отделяется в скруббере в виде H2S и подается обычным образом по трубопроводу (8) в установку Клауса, в то время как выделенный из синтез-газа чистый диоксид углерода по трубопроводу (9) сначала поступает в компрессор (10), а затем по трубопроводу (4) возвращается обратно в реактор.
На фиг.2 представлена принципиальная схема горелки MPG. Жидкое топливо через сопло (11) поступает в камеру предварительного смешения (12) и расширяется в ней. Распыляющая среда подводится по кольцевой камере (15) и с высокой скоростью поступает в камеру предварительного смешения из сопла (13). Импульсный поток распылительной среды обеспечивает дополнительное распыление потока горючего на мелкие капельки. Содержащий кислород газ подается по кольцевой камере (21) и вступает в контакт со смесью горючего и распылительной среды у устья горелки, непосредственно перед входом в реакторную камеру (20), которая на чертеже не показана. Конструктивное исполнение зависит от особенностей жидкого топлива и распылительной среды и от их количественного соотношения. Осевая длина (А) смесительной камеры (12), замеренная от выходного отверстия для жидкого топлива (11а) до входа в реакционную камеру, составляет от 10 до 300 мм, преимущественно от 20 до 200 мм. Угол конуса (х) смесительной камеры, измеренный относительно параллельной оси линии (25), составляет от 2 до 20°, обычно от 5 до 15°. Максимальный внутренний диаметр смесительной камеры (12) находится у входного отверстия и составляет от 10 до 150 мм, преимущественно от 20 до 90 мм. Решающим моментом для тонкого распыления жидкого топлива и интенсивного перемешивания с распылительной средой является соотношение диаметра (d) выходного отверстия сопла (11а) для жидкого топлива к диаметру (D) отверстия сопла (13) для распылительной среды. Соотношение диаметров d/D составляет от 1/1,1 до 1/5, преимущественно от 1/1.3 до 1/3. При этом расширение распылительной среды с помощью сопла (13) должно быть отрегулировано так, чтобы выходная скорость распылительной среды составляла от 20 до 300 м/с, обычно от 40 до 200 м/с.
Пример 1
При распылении тяжелого кубового остатка при давлении 60 бар в качестве распылительной среды используется СО2. Для сравнения обычно используемый для распыления водяной пар заменяется на равную массу СО2. Это заметно улучшает процесс получения СО и уменьшает удельный расход топлива. Различия представлены в табл.1.
Имеет место заметное снижение производственных затрат на получение СО, так как расходуется на 18% меньше топлива и на 19% меньше кислорода. Значительно более высокое соотношение СО/Н2 облегчает извлечение чистого СО в установке для получения оксида углерода (Cold Box) и в мембранной установке.
Пример 2
В установке осуществляется получение чистого водорода путем газификации кубового остатка нефтеперегонного производства. Для этого оксид углерода, содержащийся в поступающем из установки MPG газе-сырце, превращается в водород в реакторе сдвига СО с помощью водяного пара и с участием катализатора. Чистый водород извлекается из газа путем адсорбции с изменением давления в установке DWA. При этом образуются отходящий газ, Н2 (56%), СО (28%) и CO2 (10%). Вместо того чтобы отводить отходящий газ в сеть горючего газа для его последующего сжигания, он сжимается, смешивается с паром и используется в качестве распылительной среды. При использовании отходящего газа в качестве распылительной среды подача пара в реактор может быть снижена на 40%. Благодаря возврату отходящего газа установки DWA в реактор достигается следующее улучшение показателей производства водорода (табл.2):
Экономия на кубовом остатке и кислороде получается больше, чем расход на сжатие отходящего газа, в результате чего затраты на производство водорода снижаются на 3%.
Реферат
Изобретение касается способа, а также горелки для получения синтез-газа, при этом жидкие углеводороды, например нефть или природный газ, при высоких температурах разлагаются без применения катализатора на окись углерода (СО) и водород (H2). Способ получения синтез-газа осуществляют путем частичного окисления жидких или твердых горючих материалов в присутствии кислорода или кислородсодержащих газов. Горючее, кислородсодержащий газ и распылительную среду подают в горелку раздельно. Распылительную среду расширяют непосредственно перед входным отверстием для топлива с помощью одного или нескольких сопел, обеспечивающего(их) скорость распылительной среды, равную 20-300 м/сек. При этом соотношение диаметра выходного отверстия сопла для жидкого топлива к диаметру отверстия сопла для распылительной среды составляет от 1/1.1 до 1/5. Изобретение позволяет упростить процесс. 2 н. и 9 з.п.ф-лы, 2 ил., 2 табл.
