Способ получения синтез-газа

 

Изобретение относится к технологии переработки углеводородного сырья, в частности к получению синтез-газа из углеводородного сырья. Способ получения синтез-газа включает парциальное окисление углеводородного сырья окислителем в двигателе внутреннего сгорания компрессионного типа. Рабочие поверхности двигателя внутреннего сгорания изготавливают из материалов или покрывают материалами, которые активизируют парциальное окисление углеводородного сырья. Парциальное окисление углеводородного сырья окислителем ведут при коэффициенте избытка окислителя от 0,5 до 1,6. Данное изобретение позволяет улучшить качество синтез-газа и расширить диапазон отношения H₂/CO, увеличить производительность технологического процесса. 11 з.п.ф-лы, 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к технологии переработки углеводородного сырья, в частности к получению синтез-газа из углеводородного сырья, и может быть использовано в нефтегазодобывающих отраслях, в нефтяной и газовой промышленности и т.д.

Известен способ получения синтез-газа в двигателе внутреннего сгорания компрессионного типа из смеси газообразного углеводородного сырья с окислителем и паром (патент РФ N 2136580, кл. C 01 B 3/36).

Наиболее близким предлагаемому способу является способ получения синтез-газа путем парциального окисления смеси углеводородного сырья с воздухом при отношении количества кислорода в смеси к количеству углеводородного сырья альфа = 0,5- 0,8 или коэффициент избытка окислителя 1-1,6. Смесь сжимают поршнем в объеме цилиндра двигателя внутреннего сгорания компрессионного типа до возникновения самовоспламенения и получения температуры 1300-2300^oC на период 10^-3-10^-2 с. Процесс окисления активизируют подачей продуктов парциального окисления в количестве 10-20 об.% к исходному сырью, введенному в количестве 90-80 об.% (патент РФ N 2119888, кл. C 01 В 03/36).

Основным недостатком прототипа является большое количество продуктов парциального окисления (10-20 об.% к исходному сырью), направляемых на активацию технологического процесса, при этом повышается удельная себестоимость синтез-газа.

В изобретении решаются следующие задачи.

1. Улучшение качества синтез-газа и расширение диапазона отношения H₂/CO.

2. Увеличение производительности технологического процесса.

3. Расширения ряда оборудования ДВС.

Эти задачи решаются в способе получения синтез-газа, включающем парциальное окисление углеводородного сырья с окислителем при коэффициенте избытка окислителя от 0,5 до 1,6 путем сжатия ее рабочим органом (поршнем, ротором и т. д.) в рабочем объеме (например, цилиндре, корпусе и т.д.) двигателя внутреннего сгорания (ДВС) компрессионного типа до самовоспламенения рабочей смеси, завершение технологического процесса, расширение, охлаждение и вывод продуктов процесса, содержащих синтез-газ, из рабочего объема с повторением этих операций в последующих циклах. Рабочие поверхности двигателя внутреннего сгорания изготавливают из материалов или покрывают материалами, которые активизируют парциальное окисление углеводородного сырья.

Коэффициент избытка окислителя - это мольное отношение фактически затраченного количества кислорода к стехиометрическому - для процессов неполного окисления он равен единице (α = 1), например, CH₄+0,5O₂ = CO+2H₂ α = 1 C₂H₆+O₂ = 2CO+3H₂ α = 1 и т.п.

В качестве окислителя используют воздух, воздух, обогащенный кислородом, или кислород.

В прототипе отношение количества кислорода в смеси к количеству углеводородного сырья альфа = 0,5-0,8 или коэффициент избытка окислителя 1-1,6, одновременно для активизации процесса парциального окисления подают продукты парциального окисления в количестве 10-20 об.%.

В рабочий объем двигателя внутреннего сгорания можно подавать инициаторы парциального окисления.

В рабочий объем двигателя внутреннего сгорания можно подавать инициаторы парциального окисления, и/или водяной пар, и/или диоксид углерода. И/или углеводородное сырье, и/или инициаторы парциального окисления, и/или водяной пар, и/или диоксид углерода, и/или окислитель подают в рабочий объем в цикле сжатия рабочей смеси.

И/или окислитель, и/или водяной пар, и/или диоксид углерода, и/или инициаторы парциального окисления, и/или углеводородное сырье подают в линию подачи инициаторов парциального окисления.

Рабочую смесь подогревают до температуры, обеспечивающей проведение процесса парциального окисления. Для инициирования процесса парциального окисления используют остающиеся в рабочем объеме двигателя внутреннего сгорания продукты парциального окисления.

И/или окислитель, и/или инициаторы парциального окисления, и/или углеводородное сырье, и/или водяной пар, и/или диоксид углерода подают через каталитический реактор в рабочий объем двигателя внутреннего сгорания.

В процессе парциального окисления углеводородов используют систему зажигания.

В качестве инициаторов используют продукты парциального окисления, как выработанные в двигателе внутреннего сгорания, так и от внешнего источника, водород, соединения азота, металлоорганические соединения, оксигенаты и их смеси и т.д.

Технологический процесс проводится в двигателях внутреннего сгорания различных типов (поршневых, Ванкеля и т.д.) Рабочие поверхности ДВС могут изготавливаться из каталитически активных материалов или на рабочие поверхности наносятся каталитически активные композиции или элементы, способствующие проведению процесса парциального окисления, в частности, за счет снижения общих тепловых потерь, повышения температуры стенки рабочего объема (цилиндра и т.п.) и рабочего органа (поршня, ротора и т.п.).

Такая совокупность признаков не известна в литературе.

Способ осуществляется следующим образом (чертеж). В смеситель 1 подают окислитель и углеводородное сырье с коэффициентом избытка окислителя от 0,5 до 1,6. Далее рабочая смесь поступает в рабочий объем 2, в частности цилиндр(ы) ДВС компрессионного типа, где сжимается рабочим органом 3, в частности поршнем до самовоспламенения и осуществления реакций парциального окисления, с последующим расширением, охлаждением и выводом синтез-газа из рабочего объема. Затем процесс повторяется.

В качестве окислителя используется воздух или воздух, обогащенный кислородом, или "чистый" кислород. Для активизации процесса в рабочий объем ДВС могут подаваться инициаторы парциального окисления. В качестве инициаторов парциального окисления используют продукты парциального окисления, как выработанные в ДВС, так и от внешнего источника, а также водород, углеводороды, соединения азота, металлоорганические соединения, оксигенаты и их смеси и т. д.

Для изменения качественного состава синтез-газа в ДВС подают водяной пар (H₂O) или диоксид углерода, в результате, например, для метана получают соотношение H₂/CO в синтез-газе в интервале от единицы до трех. В этом случае рабочую смесь (углеводородное сырье, например метан, окислитель, водяной пар или диоксид углерода) нагревают до температуры, необходимой для проведения технологического процесса. Нагрев рабочей смеси может быть необходим при других технологических операциях. Качественный состав синтез-газа может изменяться при применении различных видов углеводородного сырья. Так при наличии этана C₂H₆ + O₂=2CO + 3H₂ мольное соотношение H₂/CO= 1,5 и т.д.

Углеводородное сырье подают в газообразной или в жидкой фазах.

Углеводородное сырье, и/или инициаторы, и/или водяной пар, и/или диоксид углерода, и/или окислитель могут подаваться в линию подачи инициаторов, затем смесь подают в рабочий объем 3 или смесь подают в рабочий объем через каталитический блок 5 (реактор).

Углеводородное сырье, и/или инициаторы, и/или водяной пар, и/или диоксид углерода могут подаваться в рабочий объем под давлением в цикле сжатия рабочей смеси.

Рабочие поверхности ДВС изготавливают из материалов или покрывают материалами, которые активизируют процесс парциального окисления. Для активизации процесса парциального окисления могут использоваться оставшиеся в рабочем объеме продукты парциального окисления.

В технологическом процессе дополнительно могут использоваться системы зажигания двигателя внутреннего сгорания 4.

В ходе технологического процесса в ДВС генерируется механическая энергия, которую можно использовать для получения электроэнергии в генераторе, установленном на валу ДВС, или для привода других механизмов, в частности компрессора, и т.д.

Предлагаемый способ был осуществлен на одноцилиндровом ДВС (типа КАМАЗ-740). Примеры осуществления способа отражены в таблице.

Формула изобретения

1. Способ получения синтез-газа, включающий парциальное окисление углеводородного сырья окислителем в двигателе внутреннего сгорания компрессионного типа, отличающийся тем, что рабочие поверхности двигателя внутреннего сгорания изготавливают из материалов или покрывают материалами, которые активизируют парциальное окисление углеводородного сырья, а парциальное окисление углеводородного сырья окислителем ведут при коэффициенте избытка окислителя от 0,5 до 1,6.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве окислителя используют воздух, воздух, обогащенный кислородом, или кислород.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в рабочий объем двигателя внутреннего сгорания подают инициаторы парциального окисления.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в рабочий объем двигателя внутреннего сгорания подают инициаторы парциального окисления, и/или водяной пар, и/или диоксид углерода.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что и/или углеводородное сырье, и/или инициаторы парциального окисления, и/или водяной пар, и/или диоксид углерода, и/или окислитель подают в рабочий объем в цикле сжатия рабочей смеси.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что и/или окислитель, и/или водяной пар, и/или диоксид углерода, и/или инициаторы парциального окисления, и/или углеводородное сырье подают в линию подачи инициаторов парциального окисления.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что рабочую смесь подогревают до температуры, обеспечивающей проведение процесса парциального окисления.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что для инициирования процесса парциального окисления используют остающиеся в рабочем объеме двигателя внутреннего сгорания продукты парциального окисления.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что и/или окислитель, и/или инициаторы парциального окисления, и/или углеводородное сырье, и/или водяной пар, и/или диоксид углерода подают через каталитический реактор в рабочий объем двигателя внутреннего сгорания.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют систему зажигания.

11. Способ по любому из пп.1 - 10, отличающийся тем, что в качестве инициаторов используют продукты парциального окисления, как выработанные в двигателе внутреннего сгорания, так и от внешнего источника, водород, соединения азота, металлоорганические соединения, оксигенаты и их смеси.

12. Способ по любому из пп.1 - 11, отличающийся тем, что углеводородное сырье подают в жидкой или газообразной фазе.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2