Объединенный генератор синтез-газа

Изобретение относится к объединенным генераторам синтез-газа. Генерирование синтез-газа может быть объединено в различных системах и способах. Для получения синтез-газа могут быть объединены реактор частичного окисления (РЧО) и установка каталитического реформинга с водяным паром конвекционно нагретого газа/углеводорода. В некоторых вариантах для получения синтез-газа могут быть объединены реактор частичного окисления (РЧО), установка каталитического реформинга с водяным паром конвекционно нагретого газа/углеводорода и паровой котел-утилизатор. Техническим результатом изобретения является создание объединенной системы генерирования синтез-газа. 14 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Данная заявка устанавливает приоритет заявки на патент США, серийный № 61/101138, поданной 29 сентября 2008 г, полное содержание которой включено полностью в качестве ссылки.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к объединенным генераторам синтез-газа.

Предпосылки создания изобретения

В настоящее время при получении синтез-газа, содержащего монооксид углерода и водород, питание водорода и кислород и необязательно водяной пар подаются в реактор частичного окисления, а продукт из реактора частичного окисления и/или часть потока питания затем подаются в установку каталитического реформинга. Необязательно тепло от поднимающегося пара отводится в отдельной установке. Трубопровод высокого давления и высокой температуры соединяет различные реакторы, которые также включают в себя отдельные основания или отдельные несущие конструкции.

Краткое описание изобретения

В различных вариантах осуществления изобретения может быть предусмотрена объединенная система генерирования синтез-газа. Объединенная система генерирования синтез-газа может включать в себя двухстадийный реактор, который включает в себя реактор частичного окисления и установку каталитического реформинга. Двухстадийный реактор может быть сконструирован с уменьшением зон малого или незначительного смешения (например, оптимального смешения) между газами, полученными в процессе генерирования синтез-газа. В некоторых вариантах осуществления объединенная система генерирования синтез-газа может включать в себя трехстадийную систему, которая включает в себя реактор частичного окисления, установку каталитического реформинга и паровой котел-утилизатор.

Подробности одного или более вариантов осуществления приводятся на прилагающихся чертежах и в описании ниже. Другие характеристики, цели и преимущества вариантов осуществления будут видны из описания и чертежей.

Описание чертежей

На фигуре 1 показан пример объединенной системы генерирования синтез-газа.

На фигуре 2 представлена часть примерной объединенной системы генерирования синтез-газа, показанной на фигуре 1.

На фигуре 3 представлена другая часть примерной объединенной системы генерирования синтез-газа, показанной на фигуре 1.

На фигуре 4 представлена технологическая схема способа получения синтез-газа с использованием примерной объединенной системы генерирования синтез-газа, показанной на фигуре 1.

На фигуре 5 представлена часть примерной объединенной системы генерирования синтез-газа.

На фигуре 6 представлено примерное поперечное сечение примерной объединенной системы генерирования синтез-газа, показанной на фигурах 1, 2 и 5.

На фигуре 7 представлено примерное поперечное сечение примерной объединенной системы генерирования синтез-газа, показанной на фигурах 1, 2 и 5.

Подобные ссылочные символы на различных чертежах показывают подобные элементы.

Подробное описание изобретения

В различных вариантах осуществления изобретения поток питания перерабатывают с получением потоков синтез-газа (например, потоков, содержащих водород и монооксид углерода). Перерабатываемые потоки питания могут включать в себя ряд потоков питания, которые содержат метан, такой как природный газ, углеводородные топлива, метанобогащенные газы, такие как метан угольного слоя или биогаз (например, поток, получаемый от анаэробного разложения вещества). Потоки питания могут содержать жидкие или газообразные углеводороды, такие как природный газ и сжиженный нефтяной газ и дистилляты.

Объединенная система генерирования синтез-газа может объединять реактор частичного окисления ((РЧО)(РОХ)) и установку каталитического реформинга нагретого газа ((УРНГ)(GHR)) (например, установку каталитического реформинга конвекционно нагретого водяного пара/углеводорода), так что синтез-газ, полученный в РЧО, смешивается с синтез-газом из УРНГ. Объединенный поток может использоваться для нагревания УРНГ (например, потому что синтез-газ, полученный в РЧО и УРНГ, может иметь температуру, достаточную для нагревания питания, поступающего в УРНГ, и/или водяного пара, поступающего в УРНГ, и обеспечивать эндотермическое тепло реакции, необходимое для конверсии водяного пара и углеводородного питания в УРНГ с получением синтез-газа). Необязательно газы, подаваемые в РЧО и/или УРНГ, могут включать в себя поток СО₂ с получением требуемого соотношения СО:Н₂ в объединенной системе генерирования синтез-газа.

Объединенный поток, который содержит синтез-газ, может выходить из внетрубной зоны УРНГ охлажденным и дополнительно охлаждаться в паровом котле-утилизаторе ((ПКУ)(WHB)). В трехстадийных системах генерирования синтез-газа ПКУ может представлять собой интегрированную стадию объединенной системы генерирования синтез-газа. В двухстадийных системах генерирования синтез-газа ПКУ может представлять собой отдельный реактор. Тепло от объединенного потока, выходящего из внетрубной зоны УРНГ, может нагревать питательную воду котла с получением водяного пара, используемого РЧО и/или УРНГ. Водяной пар может быть получен в ПКУ при давлении, достаточно высоком, чтобы обеспечить смешение водяного пара с углеводородным питанием для УРНГ и/или РЧО. В некоторых вариантах осуществления изобретения получаемый водяной пар и поток питания могут быть дополнительно предварительно нагреты внешними средствами.

Обычно РЧО, УРНГ и ПКУ конструируют как три отдельные установки, например, отдельные сосуды, работающие под давлением, соединенные трубами и расположенные на несущей конструкции. Обычное размещение требует дорогостоящего внутренне изолированного трубопровода и/или трубопровода из высокосплавной стали и связанных с ними несущих конструкций и т.д. Объединенная система генерирования синтез-газа может снизить затраты (например, поскольку может использоваться менее дорогостоящий трубопровод и поскольку могут быть исключены соединения между ранее отдельными установками) при сохранении характеристик технологии, работы, обслуживания и безопасности, требуемых в объединенной системе генерирования синтез-газа. Другой характеристикой единой реакторной установки для последовательных операций частичного окисления, автотермического реформинга и необязательно извлечения отходящей теплоты является генерирование внутри водяного пара, так что поток синтез-газа проходит через объединенную установку без необходимости прохождения синтез-газа через какое-либо соединение трубопроводом между установками.

На фигуре 1 показана примерная объединенная система генерирования синтез-газа 100, а на фигурах 2 и 3 показаны части объединенной системы генерирования синтез-газа 100. Показанная объединенная система генерирования синтез-газа 100 представляет собой трехстадийную объединенную систему генерирования синтез-газа, в которой РЧО-стадия 1, УРНГ-стадия 5 и ПКУ-стадия 14 размещены вертикально. Вертикальное размещение может снизить зону обслуживания, требуемую для объединенной системы генерирования синтез-газа, по сравнению с традиционными объединенными системами генерирования синтез-газа и/или традиционными системами генерирования синтез-газа с отдельными установками. Снижение зоны обслуживания может быть более экономически эффективным (например, снижает требования к земле), обеспечивает расположение системы в сниженных условиях зоны обслуживания и/или обеспечивает изготовление объединенной системы генерирования синтез-газа (например, вместе с другими компонентами общего способа) как единого модуля компактных размеров и минимальной высоты.

Как показано, РЧО-стадия 1 расположена вблизи днища объединенной системы генерирования синтез-газа 100. ПКУ-стадия 14 расположена вблизи верха объединенной системы генерирования синтез-газа 100, а УРНГ-стадия 5 расположена между ПКУ-стадией и РЧО-стадией. РЧО-стадия 1 может содержать узел горелки 2 РЧО, который имеет впуск питания 3 и другой впуск 4. Поток кислорода и/или поток водяного пара может подаваться на РЧО-стадию 1 через другой впуск 4. Горелки узла горелки 2 могут быть сконструированы с подавлением зон небольшого или незначительного смешения на РЧО-стадии 1. Например, горелки могут быть сконструированы с обеспечением стабильного вихревого потока.

Пространство смешения 6 может находиться выше РЧО-стадии 1 и ниже труб 7 УРНГ-стадии 5. Стадия смешения 6 может иметь достаточный объем для эффективного смешения высокотемпературных газов, полученных горелкой 5, и/или достаточное время пребывания для того, чтобы имели место высокотемпературные реакции, такие как частичное окисление и реакции конверсии. Это может дать максимальный выход синтез-газа с требуемым соотношением СО:Н₂ при минимизации получения твердых углеродных частиц. Трубы 7 могут быть, по меньшей мере, частично заполнены катализатором, подходящим для каталитического реформинга с водяным паром потока питания, поступающего на УРНГ-стадию через УРНГ-впуск 19. Трубы 7 закреплены на трубной решетке 7' на холодном конце и не закреплены на горячем конце, обеспечивая свободное расширение при рабочей температуре. Трубы 7 УРНГ-стадии 5 могут иметь ограничение 9 (например, выпускное сопло) для увеличения скорости выпуска газа. Увеличение скорости выпуска газа может способствовать хорошему смешению между потоками газов, получаемых в РЧО и УРНГ. Смешению также может способствовать размещение перфорированной плиты 8 в объединенный поток газовых потоков (например, объединенный газ из труб 7 УРНГ-стадии 5 и РЧО-стадии 1). Плита 8 расположена выше выпускных сопел 9 УРНГ-труб 7. Слой частиц (например, слой частиц 560 на фигуре 5) может содержать твердые гранулы, или твердые формованные таблетки 560 могут быть помещены выше перфорированной плиты. Указанные гранулы или таблетки 560 могут содержать инертный материал, такой как глинозем, или кремнезем, или другие инертные материалы, способные выдержать рабочую температуру. Гранулы или таблетки могут фильтровать, по меньшей мере, часть углеродных частиц, полученных в РЧО-реакторе с предотвращением чрезмерного перемещения в УРНГ-реактор. Углерод, уловленный на поверхности указанных гранул или таблеток, будет быстро взаимодействовать с избыточным водяным паром, присутствующим в объединенном потоке синтез-газа (например, при рабочих температурах выше 1000 °C), и непрерывное удаление осевшего твердого углерода будет замедлять закупорку благодаря твердому углероду. В некоторых вариантах осуществления изобретения гранулы или таблетки могут содержать катализаторы, такие как катализаторы для промотирования реакции конверсии вода/газ. Смотри уравнение (1). Это может установить близкое приближение к равновесию, что будет обеспечивать в высокотемпературных условиях конверсию части диоксида углерода, присутствующего в потоке синтез-газа, до монооксида углерода при экзотермической реакции с водородом. Это также может снизить температуру синтез-газа.

СО₂+Н₂=СО+Н₂О (уравнение 1)

Трубы 7 УРНГ-стадии 5 могут быть сопряжены (например, прикреплены) с трубной решеткой 7'. Трубная решетка 7' может быть закреплена на несущем кольце 10, которое сопряжено (например, приварено) с корпусом 11 РЧО-стадии 1 и УРНГ-стадии 5. Положение УРНГ трубной решетки 7' на несущем кольце 10 может удерживаться сопрягающими элементами 21 (например, шпильками, болтами и т.д.).

Поток УРНГ-питания, который может включать в себя водяной пар и часть углеводородного питания и/или СО₂, может течь на УРНГ-стадию 5 через УРНГ-впуск 19. УРНГ-впуск может включать в себя гибкую часть 24, например, для компенсации термического расширения, когда установка находится при ее рабочей температуре. УРНГ-стадия 5 может содержать верхнюю крышку 20 вблизи верха УРНГ-стадии. Верхняя крышка 20 может быть сопряжена (не по центру) с верхним фланцем УРНГ-стадии 5 с использованием сопрягающих элементов 22 (например, шпилек, болтов и т.д.), так что она покрывает (по меньшей мере, часть) верхнюю секцию трубной решетки 7' и покрывает все УРНГ-трубы 7. Вся верхняя секция УРНГ-труб 7 может быть покрыта верхней крышкой 20. Внутренняя часть впускного сопла 19 может быть отсоединена от стенки сосуда 11 для облегчения удаления УРНГ верхней крышки 20 и/или обеспечения доступа к каждой из труб реактора, заполненных катализатором.

Как показано, УРНГ-стадия 5 содержит сегментно перегороженную внетрубную зону. Внетрубная зона УРНГ-стадии 5 имеет сегментный вырез 12 в трубной решетке для обеспечения прохода потока синтез-газа из внетрубной зоны УРНГ-стадии 5 в пространство 13 ниже ПКУ-стадии 14. ПКУ-стадия 14 содержит сопряженную с внетрубной зоной впускную трубу питательной воды котла 15 (например, вблизи основания ПКУ-стадии) и трубу выпуска водяного пара или водяного пара плюс воды 16 (например, вблизи верха ПКУ-стадии). ПКУ-стадия 14 содержит трубы для прохождения потока общего продукта синтез-газа в теплопередающем контакте с выпаренной водой во внетрубной зоне. ПКУ-стадия 14 содержит верхнюю крышку 17 с выпускной трубой синтез-газа 18.

Как показано, поток УРНГ-питания может быть предусмотрен через УРНГ-впуск 19 в зону 20', которая закрывается верхней крышкой. Поток УРНГ-питания может течь из зоны 20', которая закрывается верхней крышкой 20, в трубы 7. Верхняя крышка может препятствовать сообщению между впуском питания в трубе 19 и получаемым газом в пространстве 13. По меньшей мере, части потока УРНГ-питания могут подвергаться каталитическому реформингу с водяным паром с получением синтез-газа. Поток продукта может выходить через сопла 9 труб 7 со смешением с газами из РЧО-стадии объединенной системы генерирования синтез-газа. Объединенный поток может течь через перфорированную плиту 8 во внетрубную зону УРНГ-стадии с подводом тепла к трубам для каталитического реформинга с водяным паром потока УРНГ-питания в трубах 7. При подводе тепла к потоку в трубах 7 объединенный газовый поток может быть охлажден.

Охлаждение и теплоотдача от потока синтез-газа внетрубной зоны могут быть улучшены при введении равномерно отстоящих друг от друга горизонтальных перегородок (например, вертикально разделенных, которые направляют поток внетрубной зоны поверх наружной поверхности труб 7, оптимальным образом согласуясь с ограничениями падения давления через внетрубную зону УРНГ 5). Как показано, перегородки имеют чередующиеся сегментные вырезы, размещенные для облегчения потока газа внетрубной зоны из одного перегороженного пространства в другое. Размещение перегородок обеспечивает совпадение выреза в трубной решетке с размером перегородки и положением относительно пучка труб, так что поток газа внетрубной зоны может выходить через вырез 12 в трубной решетке. В некоторых вариантах осуществления изобретения может использоваться размещение дисковых и тороидных перегородок. Охлажденный газовый поток может выходить из внетрубной зоны УРНГ-стадии 5 в отверстие 12, чтобы течь в пространство 13, расположенное между ПКУ-стадией 14 и УРНГ-стадией 5. Охлажденный газовый поток может затем течь в участок труб ПКУ-стадии 14 и обеспечивать тепло для получения водяного пара из питательной воды из впуска 15, которая может дополнительно охлаждать охлажденный объединенный газовый поток. Полученный водяной пар или пар плюс вода могут выходить из внетрубной зоны ПКУ через выпуск 16. Часть или весь поток водяного пара необязательно с дополнительной обработкой, которая может включать дополнительное нагревание, может подаваться на УРНГ-стадию 5 и/или РЧО-стадию 1. Дополнительно охлажденный объединенный поток синтез-газа может выходить с ПКУ-стадии и/или из объединенной системы генерирования синтез-газа через выпуск синтез-газа 18.

В некоторых вариантах осуществления изобретения наружные металлические части или их части (например, наружные металлические части, включающие необязательно наружную поверхность трубной решетки ПКУ) в пространстве 13 могут иметь защитное покрытие 23 (например, покрытием может быть покрытие, покрытием может быть верхний слой частей, покрытием может быть съемно сопряженный слой и т.д.). Защитное покрытие 23 может быть по существу газонепроницаемым и/или нанесено после того, как на УРНГ-стадии 5 была установлена верхняя крышка 20. Защитное покрытие 22 может быть съемным, если УРНГ-пучок труб должен заменяться в будущем. Защитная изоляция может, по меньшей мере, частично покрывать сопрягающие элементы 21 и 23. Нижняя сторона УРНГ трубной решетки 7' или, по меньшей мере, ее части могут быть покрыты газонепроницаемым покрытием 24. Покрытие 24 может позволить конструировать трубную решетку из менее дорогостоящего материала, чем УРНГ-трубы 7 (например, УРНГ-трубы могут содержать никелевые сплавы, такие как 693 и 617). Стенка сосуда РЧО-стадии 1 и УРНГ-стадии 5 может быть изолирована изнутри изоляционным слоем 25. Изоляционный слой 25 может содержать постоянную керамическую изоляцию. Корпус сосуда в зоне пространства 13 может быть изолирован изнутри изоляционным слоем 26, который может содержать в некоторых вариантах постоянную керамическую изоляцию.

Хотя вариант трехстадийной объединенной системы генерирования синтез-газа показан на фигуре 1, различные компоненты и/или характеристики могут быть добавлены, исключены или модифицированы. Например, стадии могут быть размещены горизонтально или наклонно. В качестве другого примера РЧО-стадия может быть расположена вблизи верха объединенной системы генерирования синтез-газа. УРНГ-стадия может быть расположена вблизи (например, смежно, ниже и т.д.) РЧО-стадии с ПКУ-стадией ниже УРНГ-стадии. В данном случае сопло 16 будет выше сопла 15 и вблизи трубной решетки 27. Система может быть размещена в вертикальной или наклонной конфигурации с РЧО в верхней части с последующей УРНГ и с ПКУ в нижней части. Вертикальное размещение, показанное на фигуре 1, может позволить легко поднять пучок труб из корпуса после удаления секции парового котла-утилизатора. В другом примере трубой может быть трубопровод. В некоторых вариантах другие изоляционные слои 25 и/или 26 могут содержать различный тип изоляции. Площадь поперечного сечения РЧО-стадии и УРНГ-стадии может быть приблизительно равной по размеру. В некоторых вариантах объединенной системой генерирования синтез-газа может быть единый сосуд, работающий под давлением, который включает в себя три стадии. В качестве другого примера водяной пар, полученный на ПКУ-стадии, может быть объединен с потоком питания и/или подан в устройство предварительного нагревания. Водяной пар, полученный на ПКУ-стадии, может не подаваться в систему трубопровода, внешнюю относительно объединенной системы генерирования синтез-газа, но в большей степени подаваться внутри на РЧО-стадию и/или УРНГ-стадию.

На фигуре 4 показан примерный способ получения синтез-газа с использованием объединенной системы генерирования синтез-газа, такой как объединенная система генерирования синтез-газа, показанная на фигуре 1. Поток питания может быть частично окислен на стадии частичного окисления трехстадийного реактора с использованием, по меньшей мере, одной горелки вблизи днища трехстадийного реактора (операция 402). Например, поток природного газа, поток кислорода и/или водяной пар могут быть предусмотрены на РЧО-стадии трехстадийного реактора. Распределение температуры на РЧО-стадии выше определенного интервала может быть затруднено (операция 404). Например, горелка (горелки) РЧО может быть сконструирована для достижения по существу равномерной температуры реакции на РЧО-стадии. Зоны ограничения небольшого или незначительного смешения могут, например, увеличить выход синтез-газа, снизить затраты на получение синтез-газа и/или способствовать достижению равномерной температуры реакции на РЧО-стадии. Получение свободного углерода и/или кокса может быть подавлено (операция 406). Например, горелка (горелки) РЧО может быть сконструирована или выбрана так, чтобы минимизировать получение свободного углерода и/или кокса.

На РЧО-стадии трехстадийного реактора может быть обеспечено смешение газов (например, благодаря модели потока газов), так что подавляются зоны небольшого или незначительного смешения на РЧО-стадии (операция 408). Например, РЧО-горелки могут быть расположены так, что зоны небольшого или незначительного смешения минимизируются или подавляются. На РЧО-стадии может быть получен стабильный вихревой поток с подавлением зон небольшого или незначительного смешения. РЧО-стадия может иметь объем, достаточный для того, чтобы имело место эффективное смешение высокотемпературных газов, полученных горелкой, и время пребывания, достаточное для того, чтобы имели место высокотемпературные реакции, что может максимизировать выход синтез-газа и минимизировать получение твердых углеродных частиц (например, нулевое или минимальное получение углеродных частиц).

Газам с РЧО-стадии и газам из труб УРНГ-стадии может быть позволено смешиваться (операция 410). Например, газам с РЧО-стадии и газам из труб УРНГ-стадии может быть позволено смешиваться в зоне смешения, расположенной между трубами УРНГ-стадии и РЧО-стадией. Газ из труб УРНГ-стадии модет содержать синтез-газ, полученный каталитическим реформингом с водяным паром потока питания и потока водяного пара и/или потока CO₂, поступающих в трубы УРНГ-стадии. Газообразный продукт с УРНГ-стадии может выходить из сопел труб и способствовать смешению между газами от РЧО и из труб УРНГ (операция 412).

Объединенный газовый поток может течь через перфорированную плиту (операция 414). Например, объединенный газовый поток может течь через перфорированную плиту, расположенную вблизи зоны смешения, во внетрубную зону УРНГ-стадии. Перфорированная плита может нести слой частиц, который может действовать как устройство удаления углерода и/или каталитическая секция с достижением равновесия для реакции конверсии вода/газ и/или охлаждением объединенной смеси синтез-газа. Внетрубная зона УРНГ может быть перегорожена перегородками. Позволение объединенному газовому потоку течь через перфорированную плиту может вызвать падение давления через перфорированную плиту, что может обусловить более равномерный поток (например, при сравнении с потоком без использования перфорированной плиты) через перфорированную плиту через поперечное сечение пространства смешения.

Водяной пар и питание и/или СО₂ в трубах УРНГ-стадии могут быть нагреты (операция 416). Например, объединенный газовый поток во внетрубной зоне УРНГ может обеспечить тепло для нагревания потока на участке труб УРНГ-стадии.

Охлажденный объединенный газовый поток может течь из внетрубной зоны УРНГ-стадии на ПКУ-стадию (операция 418). Питательная вода для ПКУ может быть нагрета с использованием охлажденного газа для получения водяного пара, подаваемого на УРНГ-стадию и/или РЧО-стадию (операция 420). Избыточный водяной пар может быть использован для генерирования энергии. Охлажденный объединенный газовый поток может быть дополнительно охлажден при обеспечении тепла для получения водяного пара в ПКУ. Охлажденный объединенный газовый поток, который содержит синтез-газ, может течь из ПКУ (операция 422).

Способ 400 может быть осуществлен с помощью различных систем, таких как система 100. Кроме того, различные операции могут быть добавлены, исключены или модифицированы. Например, в двухстадийном объединенном реакторе синтез-газа операции 418, 420 и/или 422 не могут быть осуществлены объединенной системой генерирования синтез-газа. В другом примере полученный поток водяного пара может подаваться в установку предварительного нагрева и/или смешиваться с частью потока питания. В некоторых вариантах способ 400 или его части могут быть осуществлены с помощью двухстадийного реактора (например, реактора, который содержит РЧО-стадию и УРНГ-стадию).

На фигуре 5 показана часть примерной объединенной системы генерирования синтез-газа 500. Как показано, объединенная система генерирования синтез-газа 500 включает в себя двухстадийный реактор с интегрированными РЧО-стадией 510 и УРНГ-стадией 520. Поток питания, поток кислорода и/или поток водяного пара могут подаваться в горелку 512 РЧО-стадии 510. Поток питания может быть частично окислен с получением синтез-газа. Поток питания и поток водяного пара и/или поток СО₂ могут подаваться на участок труб УРНГ-стадии 520. В трубах 522, которые содержат катализатор, по меньшей мере, часть потока питания в трубах может быть подвергнута каталитическому реформингу с водяным паром с получением синтез-газа. Поток газа из труб 522 необязательно с соплами 9 УРНГ-стадии 520 и газы на РЧО-стадии 510 могут смешиваться и течь через перфорированную плиту 530. Объединенный газовый поток может течь через перфорированную плиту 530 и слой частиц 560 во внетрубную зону УРНГ-стадии. Тепло от объединенного газового потока может передаваться к потоку в трубах УРНГ-стадии. Обеспечение использования тепла объединенного газового потока для нагревания потока в трубах УРНГ-участка может обеспечить экономию затрат и дать высокий выход синтез-газа.

Форма верха РЧО-стадии 510 может быть такой, что наращивается огнеупорная внутренняя облицовка 550 сосуда (например, так, что в полости сосуда существует выступ (выступы)), и/или выступы могут быть сопряжены с внутренней зоной сосуда так, что трубы 522 приблизительно равномерно распределены в выходном поперечном сечении РЧО газового потока, как показано на фигурах 5-7. На фигуре 6 показано поперечное сечение верхней части 600 РЧО-стадии. Как показано, два сегмента перегородки 610 располагаются вблизи краев поперечного сечения с допущением, что трубы 620 не проходят через сегменты перегородки. Как показано на фигуре 7, для устройства УРНГ с дисковыми и тороидными перегородками внетрубной зоны, поперечное сечение 700 которого показано на фигуре 7, сегменты 710 будут секториальным кольцом, и также может быть круговая пустая зона в перфорированной плите 540 выше выпускных УРНГ-сопел.

Как показано на фигуре 5, перфорированная плита 530 может быть расположена вблизи концов УРНГ-труб 522 (например, выше выпускных сопел 9 труб). УРНГ-трубы могут проходить через перфорированную плиту 530. Перфорированная плита 530 может иметь отверстия для прохождения УРНГ-труб и вторую группу отверстий, которые могут быть мельче. Газовый поток из зоны смешения может проходить через вторую группу отверстий во внетрубную зону УРНГ. Вторая группа отверстий может вызвать дополнительное падение давления и/или обеспечить равномерный поток через поперечное сечение пространства смешения РЧО/УРНГ. Выше указанной перфорированной плиты 530 и слоя частиц 560 объединенный поток синтез-газа может быть асимметричным, т.к. газовый поток поступает в перегороженную секцию теплообмена.

Различные варианты трехстадийных реакторов и/или двухстадийных реакторов могут иметь одну или более или никакую из следующих характеристик. Зона поперечного сечения сосуда (например, диаметр) между РЧО-стадией и УРНГ-стадией может быть одинаковой или различной. Например, сосуд может быть узким между РЧО-стадией и УРНГ-стадией и/или через УРНГ-стадию. В качестве другого примера сосуд может иметь приблизительно постоянное поперечное сечение по длине сосуда. В некоторых вариантах внетрубная зона УРНГ-стадии может иметь слой набивочного материала, такого как инертный керамический формованный набивочный материал (например, в пространстве 560, показанном на фигуре 5). Набивка может быть расположена выше перфорированной плиты и может улавливать углеродные частицы, полученные РЧО-горелкой (например, углеродные частицы могут быть получены, в частности, в процессе запуска системы, когда она доводится до рабочей температуры). Характеристика системы может состоять в том, что, когда система работает при температурах выше приблизительно 900°C, любой углерод, уловленный в набивочном слое, будет образовывать СО и Н₂ при взаимодействии с водяным паром.

Другая характеристика системы может состоять в том, что РЧО-горелка может представлять собой единственное устройство или множество устройств, каждое с отдельными впусками кислорода, питания и/или водяного пара. РЧО-горелка (горелки) может быть расположена вблизи нижней головки РЧО-стадии и гореть вертикально вверх. Горелка (горелки) может быть сконструирована для способствования обратному смешению горячего продукта синтез-газа в зоне высокотемпературной первичной реакции кислород/углеводород с обеспечением равномерного интервала температуры реакции. Горелка (горелки) может быть сконструирована для минимизации, замедления и/или исключения образования горелкой свободного углерода или кокса.

Другая характеристика системы может содержать то, что рециркуляция может быть вызвана конструкцией горелки и может обеспечить модель потока выходящего газа, которая обеспечивает стабильный вихревой поток непосредственно выше каждой горелки. Стабильный вихревой поток может обеспечить модель большой рециркуляции газового потока обратно в реакционную зону горелки. В некоторых вариантах может иметься минимальный уровень потока массовой рециркуляции в главной зоне РЧО-стадии. Например, более 90% РЧО-синтез-газа может иметь время пребывания 4 с или более, чтобы позволить максимизировать получение синтез-газа в РЧО-реакторе.

Другая характеристика системы может содержать то, что смешение потока синтез-газа, выходящего из УРНГ-труб, и РЧО-потока синтез-газа может не зависеть от моделей потока в системе РЧО-горелок. Таким образом, для каждой стадии смешения может быть осуществлена подходящая модель потока. В некоторых вариантах главный механизм смешения УРНГ-синтез-газа, выходящего из каждой трубы, заполненной катализатором, состоит в использовании ограничивающего сопла вблизи конца каждой трубы. Газ, выходящий из сопла, может иметь среднюю скорость выпуска, по меньшей мере, приблизительно 20 м/с или от приблизительно 30 до 80 м/с. Указанные высокоскоростные газовые потоки могут заставить большую часть окружающего газа смешиваться с УРНГ-продуктом синтез-газа, выходящим из труб.

Другая характеристика системы может содержать то, что стадия УРНГ-реакторного сосуда может быть размещена с УРНГ-трубами в теплообменной конфигурации с перегородками с использованием либо сегментной перегородки, либо дисковой и тороидной конструкции перегородок.

Другая характеристика системы может содержать концентрическую трубу, окружающую каждую из УРНГ-труб 7, так что объединенный синтез-газ, выходящий из слоя 560, поступает в указанные концентрические пространства и обеспечивает тепло, необходимое для УРНГ реакций реформинга. Концентрические трубы могут тогда заканчиваться на верхней перегородке (либо сегментной, либо концентрической) на холодном конце УРНГ, так что объединенный поток синтез-газа может проходить через отверстие 12 в пространство 13 между УРНГ и ПКУ.

Другая характеристика системы может представлять собой значительную экономию затрат (например, снижение требований к трубопроводу, сниженная зона обслуживания, более эффективное извлечение тепла и утилизация и т.д.). Например, в некоторых вариантах не требуется трубопровод для потоков газообразного продукта (например, синтез-газа), чтобы течь между множественными сосудами. Трубопровод, требуемый для отдельных сосудов, представляет собой обычно высокотемпературную, изолированную изнутри наружную стальную трубу высокого давления с большим диаметром, которая либо должна иметь водную рубашку для поддержания постоянной температуры, либо должна контролироваться на любой местный нагрев благодаря проблемам с внутренней изоляцией. Уменьшение потребности в указанном типе дорогостоящего трубопровода может снизить затраты на монтаж (например, благодаря более легкой установке, менее необходимому трубопроводу и т.д.) и получение синтез-газа (например, поскольку дорогостоящий трубопровод нет необходимости контролировать, ремонтировать или заменять). В качестве другого примера при использовании трех отдельных сосудов требуется минимальное вертикальное и горизонтальное разделение между сосудами (например, по государственным и/или промышленным стандартам, таким как DOW Fire and Safety Standards) для размещения соединений высокотемпературного трубопровода синтез-газа. Это значит, что три сосуда устанавливаются на дорогостоящую стальную раму со значительными поперечным сечением и высотой. Одиночный сосуд может быть свободно устанавливающимся с адекватным зазором для удаления горелок из днища сосуда. Никакая несущая стальная конструкция может не потребоваться, и/или может потребоваться значительно меньше конструкционной стали по сравнению с системами, которые используют отдельные сосуды. Кроме того, стоимость одной установки является значительно меньше, чем трех установок. Например, имеются две головки сосуда высокого давления на одиночной установке в большей степени, чем шесть - на трех отдельных установках. Кроме того, может быть реализована экономия затрат, поскольку при использовании одиночной установки требуется программирование и аттестация одного сосуда в противоположность трем установкам или двум установкам.

Другая характеристика системы может заключаться в том, что одиночная установка может быть построена как модульная полностью изготовленная транспортируемая конструкция, которая также может включать в себя другие компоненты выше и ниже по потоку при намного большей производительности, чем конфигурация из трех сосудов. Другая характеристика системы включает в себя сниженный риск огнеупорного разрушения, поскольку огнеупорная конструкция, расположение и количество могут быть более благоприятными, чем конструкция с изолированным изнутри соединительным трубопроводом.

Другая характеристика системы может заключаться в том, что приблизительно одинаковое или меньшее число значительных проблем связано с запуском и работой одиночного сосуда. Действительно, меньшее число значительных проблем может быть связано с одиночным сосудом по сравнению с двумя или тремя отдельными установками, поскольку на практике весь ряд из трех сосудов синтез-газа должен запускаться, останавливаться и работать как одиночная установка без изоляции клапанов между тремя установками. Другая характеристика системы может заключаться в том, что датчики для контроля за характеристиками установки могут быть легко установлены в корпусе одиночного сосуда. Кроме того, в однососудной конфигурации могут быть облегчены обслуживание и осмотр по сравнению с обслуживанием и осмотром множественных установок.

Другая характеристика может включать в себя стабильное вихревое смешение РЧО-стадии. Например, системы, описанные в патенте США № 4741885, имеют завихренное размещение РЧО-горелок по длине сосуда с индуцированием вихревого потока с идущим вверх центральным компонентом, который имеет поперечное сечение, соответствующее поперечному сечению зоны труб в УРНГ. Использование множественных горелок, размещенных тангенциально по периферии РЧО-секции и наклоненных под углом к радиальной оси в положении каждой горелки, а также наклоненных вверх, обуславливает в полости РЧО-стадии индуцирование завихренного движения вверх. Однако будут иметь место мертвые зоны или области незначительного смешения или скоростей потока. Мертвые зоны могут обусловить неравномерный профиль распределения температуры реакции на РЧО-стадии и/или сниженный выход синтез-газа. Кроме того, система, описанная в патенте США № 4741885, вызывает перепад давления в установке. Указанный перепад давления является весьма нежелательным. Другим недостатком является то, что вихреобразование имеется во всем РЧО-пространстве и служит для индуцирования выведения вниз продукта синтез-газа при более низкой температуре в РЧО-пространство, таким образом, локально снижая температуру РЧО-пространства и предотвращая максимальную конверсию газов РЧО-горелок в синтез-газ благодаря колебанию температуры и времени пребывания, вызванному указанным размещением.

Несмотря на то, что потоки были описаны с содержанием различных компонентов в вариантах, потоки могут содержать один или более других компонентов. Например, хотя поток питания описан как содержащий метан, поток питания может содержать другие компоненты, такие как другие углеводороды (например, этан, пропан, бутан, пентан и т.д.), другие углеродсодержащие соединения (например, диоксид углерода, монооксид углерода, спирты и т.д.), органические соединения, серосодержащие соединения (например, органические соединения серы, сульфид водорода и т.д.), азот, аргон и т.д. Потоком питания могут быть природный газ, газы, связанные с получением сырой нефти, горючие отходящие газы из других способов, таких как операции нефтеочистки, жидкие углеводороды и т.д. В некоторых вариантах, когда потоком питания может быть перерабатываемый природный газ, например, соединения серы в природном газе могут быть удалены или, по меньшей мере, частично удалены для предотвращения разрушения катализатора, в частности, в УРНГ. В качестве другого примера, хотя синтез-газ описан как содержащий монооксид углерода и водород, синтез-газ может также содержать другие компоненты, такие как инертные газы (например, азот или аргон). В качестве другого примера поток кислорода помимо кислорода может содержать инертные газы или азот.

Хотя потоки описаны как газовые потоки или потоки, содержащие газы, в потоках могут также существовать другие формы вещества. Например, поток может содержать жидкость. В качестве примера потоки на ПКУ-стадии могут содержать воду и водяной пар, или жидкие углеводороды могут быть использованы в качестве потока питания в РЧО-горелке.

Хотя различные характеристики описаны в связи с описанием двухстадийного реактора или трехстадийного реактора, различные характеристики могут быть применимы к любому.

Хотя трубы описаны в различных вариантах, другие трубопроводы могут быть использованы, когда подходит. Хотя сосуды описаны в различных вариантах, другие типы контейнеров (например, различные формы и конструкции) могут быть использованы, когда подходит.

Хотя выше описаны отдельные варианты системы, различные компоненты могут быть добавлены, исключены и/или модифицированы. Кроме того, различные температуры и/или концентрации описаны в целях примера. Температуры и/или концентрации могут варьироваться, когда подходит.

Был описан ряд вариантов осуществления настоящего изобретения. Однако понятно, что могут быть сделаны различные модификации без отступления от сущности и объема вариантов. Соответственно, другие варианты находятся в объеме данной заявки.

Должно быть понятно, что варианты осуществления настоящего изобретения не ограничиваются описанными частными системами или способами, которые могут, конечно, варьироваться. Также должно быть понятно, что использованная здесь терминология существует только для целей описания частных вариантов осуществления изобретения и не предназначена быть ограничивающей.

1. Система получения синтез-газа, содержащего, по меньшей мере, водород и монооксид углерода, содержащая:
реактор частичного окисления ((РЧО) (РОХ)), в котором экзотермически взаимодействует первая часть потока углеводородного питания с окисляющим газом, содержащим молекулярный кислород и необязательно водяной пар и диоксид углерода, в первом реакторе с получением экзотермически генерированного продукта синтез-газа, где поток питания содержит метан;
установку реформинга нагретого газа ((УРНГ) (GHR)), расположенную смежно с РЧО, в которой осуществляется эндотермически реформинг второй части потока углеводородного питания с водяным паром и, необязательно, диоксидом углерода с помощью катализатора в установке-теплообменнике реформинга с получением продукта синтез-газа эндотермического реформинга, где тепло, используемое в генерировании продукта синтез-газа эндотермического реформинга, происходит от тепла, высвобожденного при охлаждении объединенного потока продукта синтез-газа из РЧО и УРНГ;
паровой котел-утилизатор ((ПКУ) (WHB)), расположенный смежно с УРНГ, который генерирует водяной пар с использованием тепла, получаемого при охлаждении объединенного потока синтез-газа из УРНГ; и
в котором РЧО, УРНГ и ПКУ содержатся в едином сосуде, работающем под давлением, независимо от трубопровода между РЧО, УРНГ и ПКУ и имеют внутреннее смешение между синтез-газом из РЧО и синтез-газом из УРНГ с получением объединенного потока синтез-газа, который течет поверх труб УРНГ, обеспечивая тепло для эндотермических реакций реформинга и пропуская объединенный поток синтез-газа с выходом из участка УРНГ и поступлением в ПКУ с обеспечением тепла для получения водяного пара.

2. Система по п.1, в которой РЧО, УРНГ и ПКУ расположены вертикально, причем РЧО расположен ниже УРНГ, и ПКУ расположен выше УРНГ.

3. Система по п.1, в которой РЧО имеет РЧО-горелку с первым впуском для потока питания и второе питание для потока кислорода и, необязательно, потока водяного пара и потока диоксида углерода, и сконструированную для подавления зон незначительного смешения и обеспечения равномерного времени пребывания газов, полученных в РЧО.

4. Система по п.1, дополнительно содержащая стадию смешения между РЧО и УРНГ для смешения продукта синтез-газа, полученного из РЧО и УРНГ, так что объединенные газовые потоки, поступающие во внетрубную зону УРНГ, находятся по существу при равномерной температуре.

5. Система по п.1, в которой внутреннее устройство УРНГ включает в себя трубную решетку, где УРНГ-трубы имеют отверстие, через которое общий поток синтез-газа может проходить изолированно от потока УРНГ-питания через крышку, прикрепленную к и покрывающую часть трубной решетки, в которой закреплены УРНГ-трубы.

6. Система по п.1 или 5, в которой УРНГ имеет УРНГ-впуск для общего потока питания, включающий в себя гибкие элементы для компенсации термического расширения.

7. Система по п.1 или 5, дополнительно содержащая внутреннее соединение между впускным соплом общего газового питания УРНГ и УРНГ-трубной решеткой, причем крышка может быть удалена для раскрытия УРНГ-труб.

8. Система по п.1 или 5, в которой УРНГ-пучок труб может быть удален из сосуда, работающего под давлением, при удалении ПКУ с раскрытием УРНГ.

9. Система по п.1, в которой каждая из УРНГ-труб имеет ограничение, такое как сопло на выпускном конце для увеличения скорости выпуска УРНГ-синтез-газа, расположенное, по меньшей мере, вблизи зоны смешения между РЧО и УРНГ.

10. Система по п.1, в которой УРНГ содержит перфорированную плиту, расположенную выше выпускных ограничений УРНГ-труб, через которые течет общий продукт синтез-газа, причем перфорированная труба имеет отверстия для прохождения через нее труб и отверстия для прохождения общего синтез-газа, имеющие размер для способствования смешению общего продукта синтез-газа.

11. Система по п.1 или 10, в которой слой твердых частиц помещается выше перфорированной плиты для улавливания углеродных частиц из общего потока продукта синтез-газа и для обеспечения достаточного времени пребывания для реакции осажденного углерода и водяного пара, присутствующего в общем потоке продукта синтез-газа.

12. Система по п.1 или 10, в которой твердые частицы содержат катализатор для реакции конверсии монооксида углерода со снижением температуры общего потока продукта синтез-газа и снижением соотношения (монооксид углерода):(водород) в общем потоке продукта синтез-газа.

13. Система по п.1, в которой наружные металлические поверхности в пространстве между УРНГ и ПКУ и на обратной стороне УРНГ-трубной решетки покрываются слоем материала, по существу непроницаемого для диффузии монооксида углерода в рабочих условиях.

14. Система по п.1, в которой внутренняя стенка сосуда, работающего под давлением, в зонах РЧО и УРНГ и пространстве между УРНГ и ПКУ изолируется изнутри подходящей огнеупорной изоляцией.

15. Система по п.1, в которой УРНГ-трубы выполнены из материала, по существу стойкого к металлическому припудриванию, вызванному воздействием общего потока продукта синтез-газа.