Способ и горелка для получения синтез-газа
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.
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.
| Таблица 1 | |||
| Паровое распыление | Распыление с помощью CO2 | Изменение (%) | |
| Соотношение CO/H2 в синтез-газе | 1.10 | 1.80 | +64.0 |
| Расход топлива в кг кубового остатка/ | 0.55 | 0.45 | -18.2 |
| кг СО | |||
| Расход кислорода | |||
| кг O2/кг СО | 0.57 | 0.46 | -19.3 |
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):
| Таблица 2 | |||
| Хвостовой газ | |||
| Распылительная среда | Пар | установки | Изменение |
| DWA + пар | (%) | ||
| Расход кислорода в м3N-О2/м3N- | 0.28 | 0.25 | -10.1 |
| Н2 | |||
| Расход топлива | 0.30 | -14.4 | |
| в кг кубового остатка /м3N-H2 | 0.36 |
Экономия на кубовом остатке и кислороде получается больше, чем расход на сжатие отходящего газа, в результате чего затраты на производство водорода снижаются на 3%.
1. Способ получения синтез-газа путем частичного окисления жидких или твердых горючих материалов в присутствии кислорода или кислородсодержащих газов, причем горючее, кислородсодержащий газ и распылительную среду подают в горелку раздельно, при этом распылительную среду расширяют непосредственно перед входным отверстием для топлива с помощью одного или нескольких сопел, отличающийся тем, что используют сопло или сопла, обеспечивающее(ие) скорость распылительной среды, равную от 20-300 м/с.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют сопло или сопла, обеспечивающее(ие) скорость распылительной среды, равную от 40 до 200 м/с.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве распылительной среды используют диоксид углерода, который отбирают из последующего скруббера, сжимают и вновь подают в горелку.
4. Способ по п.3, отличающийся тем, что диоксид углерода подают в горелку непосредственно или после незначительного перегрева.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве распылительной среды используют хвостовой газ из установки DWA или мембранной установки, или из установки для получения оксида углерода (Cold Box).
6. Способ по п.5, отличающийся тем, что хвостовой газ перед подачей в горелку сжимают.
7. Горелка для получения синтез-газа путем частичного окисления жидких или твердых горючих материалов в присутствии кислорода или содержащих кислород газов, причем 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 сопел, при этом соотношение диаметра (d) выходного отверстия сопла (11а) для жидкого топлива к диаметру (D) отверстия сопла (13) для распылительной среды составляет от 1/1,1 до 1/5.
8. Горелка по п.7, отличающаяся тем, что соотношение диаметра (d) выходного отверстия сопла (11а) для жидкого топлива к диаметру (D) отверстия сопла (13) для распылительной среды составляет от 1/1,3 до 1/3.
9. Горелка по п.7, отличающаяся тем, что осевая длина смесительной камеры, замеренная от выходного отверстия для топлива до входа в реакционную камеру составляет от 10 до 300 мм, преимущественно от 20 до 200 мм.
10. Горелка по п.7, отличающаяся тем, что угол конуса смесительной камеры составляет от 2 до 20°, преимущественно от 5 до 15°.
11. Горелка по п.7, отличающаяся тем, что максимальный внутренний диаметр смесительной камеры у входного отверстия составляет от 10 до 150 мм, преимущественно от 20 до 90 мм.
