Некаталитический способ получения синтез-газа и устройство для его осуществления

Изобретение относится к области переработки и утилизации углеводородного сырья на основе метана в синтез-газ (смесь H2 и CO). В способе исходную смесь топлива и воздуха поочередно подают в два синхронизированных конверсионных блока, заполненных инертной пористой средой, где формируется и распространяется волна горения. Процесс конверсии смеси в синтез-газ происходит при сверхадиабатических температурах, возникающих в спутной волне горения, направление движения которой совпадает с направлением подачи исходной смеси. Запуск каждого блока осуществляется таким образом, чтобы после прохождения спутной волной горения всей длины одного блока, волна горения формировалась в другом, что позволяет без использования катализаторов перерабатывать сырье со значительной долей тяжелых компонентов без предварительной очистки или сепарации с получением синтез-газа постоянного расхода и состава. Для способа характерны высокая степень и скорость конверсии, низкий уровень сажеобразования и отсутствие необходимости внешнего подвода тепла. 2 н.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к области переработки и утилизации газообразного углеводородного сырья на основе метана и может использоваться для производства синтез-газа (смесь H2 и CO), который является основой для производства многочисленных продуктов органического синтеза (получение углеводородов жидкой фракции по методу Фишера-Тропша, синтез метанола, диметилового эфира и т.д.).

Известен способ паровой каталитической конверсии природного газа в синтез-газ и устройство для его осуществления [Патент РФ 2320533, 27.03.2008. Бюл. №9]. Указанный способ осуществляется при температуре 750-900°C за счет наружного обогрева реакционных трубок трубчатой печи, заполненных катализатором, в которые подают смесь природного газа и перегретого пара. Наружный обогрев реакционных трубок с катализатором вначале ведут сжиганием природного газа в воздухе, а после запуска режима паровой конверсии - сжиганием синтез-газа, подаваемого с выхода трубчатой печи в камеру наружного обогрева реакционных трубок. Устройство включает в себя печь с реакционными трубками, заполненными катализатором, камеру смешения природного газа с перегретым паром, камеру наружного обогрева реакционных трубок с входом для подачи воздуха и входом для подачи смеси пара с природным или синтез-газом.

Главным недостатком указанного способа является высокая энергоемкость процесса поддержания теплового баланса. Также существенным недостатком является необходимость постоянной замены, обслуживания и регенерации катализатора, его повышенная чувствительность к химическому составу перерабатываемого сырья и концентрации неорганических примесей.

Известен также способ получения синтез-газа [Патент РФ 2437830, 27.12.2011. Бюл. №36], при котором проводят частичное окисление углеводородного сырья с использованием многоканальной горелки, снабженной системой раздельных каналов. Через один канал протекает подогретое исходное метансодержащее сырье, имеющее температуру от 500 до 900°C, через другой канал горелки протекает газ-окислитель (воздух или, что предпочтительнее, кислород), при этом канал для исходного сырья и канал для газа-окислителя отделены друг от друга третьим каналом, через который протекает газ, содержащий водород, монооксид углерода и/или углеводород. В указанном способе использован рекуперативный вид теплообмена, который определяется передачей тепловой энергии через стенки каналов. Исходное сырье, содержащее углеводороды фракции C2+, обрабатывается в отдельном реакторе в процессе адиабатического парового каталитического риформинга. Предварительно, перед проведением риформинга, из исходного сырья удаляют серу.

Недостатками указанного способа являются высокие энергозатраты на подогрев реагентов вплоть до 900°C, низкая эффективность рекуперативного теплообмена через стенку, необходимость очистки исходного сырья от серы. Также в случае наличия в составе перерабатываемого сырья углеводородов фракции C2+ возникает необходимость использовать дополнительный реактор каталитического парового риформинга, что сопровождается характерными проблемами использования катализаторов. Кроме того, в указанном способе рекомендуют использовать в качестве окислителя кислород.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ сжигания газовых смесей в реверс-процессе [Патент РФ 2418239, 10.05.2011. Бюл. №13], который взят за прототип изобретения. Способ используется для утилизации низкокалорийных газовых смесей, обезвреживания горючих газообразных и жидких отходов и получения полезных химических продуктов. Способ характеризуется тем, что для сжигания используют два типа исходной смеси и поочередно осуществляют их подачу через инертную пористую среду в неизменном направлении (фиг. 1). При этом состав, скорость фильтрации и концентрацию горючего компонента каждого из двух типов исходной смеси выбирают таким образом, чтобы обеспечить существование встречной волны горения в исходной смеси первого типа и спутной волны горения в исходной смеси второго типа. Здесь и далее под спутной волной горения понимают такую волну, направление движения которой совпадает с направлением подачи исходной смеси (спутное движение). Встречная волна движется против направления подачи исходной смеси (встречное движение).

Способ-прототип реализуется в реакторе, который состоит из корпуса, заполненного инертной пористой средой, блока управления, соединенного с датчиками положения волны горения (термопары), трехходового вентиля с входами подачи исходной смеси первого и второго типов.

Поперечные размеры реактора и расход исходной смеси подбирают так, чтобы обеспечить противоположные направления распространения волны горения для смесей первого и второго типа. Смена типа исходной смеси, а следовательно, и смена направления движения волны горения, происходит при достижении волной горения датчиков положения, расположенных по краям реакционной зоны, где происходит ее формирование и распространение.

В способе-прототипе главным недостатком является то, что периодическое изменение типов исходной смеси, отличающихся между собой составом, скоростью подачи и концентрацией горючего компонента, отрицательно сказывается на постоянстве состава получаемого синтез-газа, а также на величине его расхода. Уменьшение концентрации топлива в смеси приводит к повышенному содержанию нежелательного компонента CO2, что снижает качество синтез-газа. При встречном движении волны горения эффективность теплового рекуперативного цикла оказывается меньшей, чем при спутном движении, что препятствует достижению сверхадиабатических температур сгорания и отрицательно сказывается на степени конверсии и скорости процесса.

Задача, на достижение которой направлено предлагаемое решение, состоит в увеличении эффективности процесса конверсии и обеспечении постоянства состава и расхода получаемого синтез-газа за счет использования одного типа исходной смеси, конверсия которой проводится только в спутной волне горения. В качестве исходной смеси используют смесь газа на основе метана (природный газ, попутный нефтяной газ, сланцевый газ, угольный метан и близкие к ним по составу) с воздухом.

Решение поставленной задачи осуществляется путем конверсии исходной смеси, которая, как и известный способ-прототип, осуществляется в режиме фильтрации через инертную пористую среду при неизменном направлении подачи исходной смеси.

В отличие от прототипа, в котором направление движения волны горения меняется от спутного на встречное при достижении края реакционной зоны путем смены типа исходной смеси, в заявленном способе используется один тип исходной смеси, поочередно подаваемой в два синхронизированных конверсионных блока, заполненных инертной пористой средой. При этом направление движения волны горения в каждом из блоков остается неизменным и совпадает с направлением подачи исходной смеси, т.е. волна всегда является спутной.

Процесс синхронизации работы заключается в следующем: при прохождении волной горения всей длины первого конверсионного блока в систему включают второй блок, в котором волна инициируется в начале реакционной зоны. При этом первый блок останавливают до момента, когда волна горения пройдет всю длину второго блока. Далее этот процесс повторяется циклически. Запуск сменяющего блока осуществляют с опережением во времени, необходимом для обеспечения выхода блока на режим, когда формируется устойчивая волна горения и состав продуктов сгорания стабилизируется.

В заявленном способе соотношение топлива и воздуха в исходной смеси соответствует коэффициенту избытка топлива φ в диапазоне от 2 до 5, где

ϕ = m T / m B m T , C / m B , C ,

m T - массовый расход топлива;

m B - массовый расход воздуха;

m T , C - массовый расход топлива при стехиометрическом соотношении;

m B , C - массовый расход воздуха при стехиометрическом соотношении.

При этом исходную смесь предварительно не подогревают и не подвергают очистке или осушке. Значения φ меньше 2 недопустимы, вследствие преобладания в этом диапазоне процесса полного окисления (образуется преимущественно CO2+H2O). При значениях φ больше 5 низкая концентрация воздуха в смеси приводит к неприемлемо высокому уровню сажеобразования и большой доли несгоревшего топлива в получаемом синтез-газе.

Скорость подачи исходной смеси подбирают таким образом, чтобы обеспечить спутное движение волны горения. В этом случае наблюдается максимальная эффективность цикла рекуперации тепла от высокотемпературных продуктов сгорания в область подогрева исходной смеси посредством межфазного теплообмена, что приводит к росту энтальпии в зоне химической реакции и сверхадиабатическим температурам сгорания. В волне горения осуществляется конверсия исходной смеси в синтез-газ в две стадии. Первая стадия - стадия парциального окисления, в которой получается основная часть водорода и монооксида углерода. Во второй стадии (паровой риформинг) пар, накопившийся в стадии парциального окисления, вступает в высокотемпературную эндотермическую реакцию с сажей, что снижает уровень ее образования. Такие условия способствуют увеличению скорости и степени конверсии, что увеличивает эффективность процесса получения синтез-газа.

Заявленный способ реализуется в устройстве, схема которого представлена на фиг. 2. Устройство состоит из двух идентичных конверсионных блоков I и II, заполненных инертным теплостойким пористым материалом. Конверсионный блок представляет собой полость, ограниченную стенкой из металла, керамики, кварца или другого термостойкого материала со слоем теплоизоляции (минеральная вата, пена, бетон и т.д.). В простейшем случае конверсионный блок выполняют в виде цилиндрической трубы из жаростойкой стали со слоем минеральной ваты в качестве теплоизоляции. С торцов конверсионный блок ограничивают крышками с подающим или отборным штуцером по типу фланцев или заглушек.

Конверсионные блоки I и II соответственно комплектуют узлами: расходомер воздуха 1.1 и 1.2, расходомер топлива 2.1 и 2.2, камера смешения 3.1 и 3.2, клапан 4.1 и 4.2, элемент поджига 5.1 и 5.2, многозонная термопара 6.1 и 6.2, газоанализатор 7.1 и 7.2, трехходовой вентиль 8.1 и 8.2, система определения положения волны 9.1 и 9.2. Устройство комплектуется блоком управления 10, дожигателем 11 и ресивером синтез-газа 12. Камера смешения 3.1 и 3.2 может иметь как особую конструкцию, так и стандартную, например, в виде вихревого смесителя. Элемент поджига 5.1 и 5.2 выполняют в виде плоского проницаемого электронагревателя, который обеспечивает равномерную инициацию реакции по сечению конверсионного блока и наиболее быстрый и стабильный выход на режим. Систему определения положения волны 9.1 и 9.2 выполняют в виде тепловизора или организуют программно с помощью видеорегистрации и обработки снимков.

Работа устройства основывается на попеременном включении конверсионных блоков I и II при достижении в одном из них волной горения края реакционной зоны. Таким образом, работу устройства можно объяснить путем описания одного циклически повторяющегося такта работы, состоящего из двух полутактов, когда реакция проходит в I, а затем и во II конверсионном блоке. Первый полутакт начинается с момента, когда осуществляют раздельную подачу топлива и воздуха в камеру смешения 3.1 в соотношении φ, лежащем в промежутке от 2 до 5, которое устанавливают путем регулирования расхода расходомерами 1.1 и 2.1. Из камеры смешения 3.1 полученную однородную смесь подают в конверсионный блок I путем открытия клапана 4.1. Затем включают элемент поджига 5.1, что приводит к инициации горения смеси. Далее формируется спутная волна горения В1. После выхода на режим переключают трехходовой вентиль 8.1 с режима подачи на дожигатель 11, на подачу в ресивер синтез-газа 12, откуда его отбирают для последующего использования. В процессе работы контроль над распространением волны горения осуществляют с помощью системы определения положения волны 9.1 и многозонной термопары 6.1, соединенных с блоком управления 10. Контроль состава получаемого синтез-газа осуществляют с помощью газоанализатора 7.1. При возникновении необходимости корректировки состава газа через блок управления 10 осуществляют подстройку расходомеров воздуха 1.1 и топлива 2.1.

По достижении волной горения В1 края реакционной зоны конверсионного блока I путем открытия клапана 4.2 начинают второй полутакт работы устройства с опережением по времени, соответствующим времени формирования устойчивой волны горения в конверсионном блоке II. При этом продукты горения выходящего на режим конверсионного блока II через трехходовой вентиль 8.2 отводят в дожигатель 11. В момент, когда с помощью многозонной термопары 6.2, газоанализатора 7.2 и системы определения положения волны 9.2 регистрируют формирование устойчивой спутной волны горения В2, а также постоянство состава получаемого синтез-газа, с помощью закрытия клапана 4.1 в конверсионный блок I прекращают подачу исходной смеси, а трехходовой вентиль 8.2 переключают в режим подачи в ресивер синтез-газа 12. При достижении волной В2 края реакционной зоны конверсионного блока II с аналогичным опережением по времени повторяется первый полутакт, и процесс повторяется циклически. В то время как работает один конверсионный блок, другой блок доступен для технического обслуживания без прерывания процесса.

Заявленный способ подтверждается приведенным примером. Был проведен эксперимент по конверсии метано-воздушной смеси в синтез-газ в реакторе фильтрационного горения. Реактор состоял из вертикально расположенной кварцевой трубы диаметром 38 мм, высотой 1 м с толщиной стенок 2 мм, со слоем теплоизоляции толщиной 30 мм. Инертная засыпка реактора была представлена шарами Al2O3 диаметром 5 мм и имела пористость около 40%. Смесь подавали снизу реактора. В ходе проведения эксперимента было показано, что в диапазоне изменения коэффициента избытка топлива φ от 2 до 5 формировалась устойчивая спутная волна горения. Измерения многозонной термопарой показали, что температура газа в зоне горения превышает адиабатическую на ~500 К. В ходе эксперимента было показано, что использование двух попеременно включаемых конверсионных блоков позволяет непрерывно проводить конверсию топлива в синтез-газ постоянного состава. Формирование и распространение волны горения регистрировали с помощью видеокамеры и многозонной термопары. Химический анализ продуктов реакции проводили на газоаналитическом комплексе ЭМГ-20-1.

Из эксперимента были получены распределения температур по длине реактора, скорость волны горения, состав и выход получаемых продуктов. Некоторые из полученных данных для коэффициента избытка топлива φ равного 2.5 приведены в таблице 1. Время выхода реактора на режим составляло около 20 минут. Время прохождения волны горения до верхнего края реактора составляло приблизительно 2.5 часа.

Таблица 1
Коэффициент избытка топлива φ 2.5
Скорость движения волны горения, см/сек 0.01
Температура газа в зоне реакции, K ~1800
Давление, атм 1
Молярная доля продуктов реакции, % H2 18
CO 12
CO2 3
CH4 3
Выход продукта, % H2 48
CO 80

Таким образом, в заявленном способе при использовании двух некаталитических конверсионных блоков, работающих попеременно без изменения направления подачи исходной смеси одного типа, направление движения спутной волны горения остается неизменным, что позволяет непрерывно получать синтез-газ постоянного состава и расхода. За счет достижения в спутной волне горения сверхадиабатических температур сгорания наблюдается высокая скорость и степень конверсии без образования сажи, при этом способ не требует подвода тепла из внешних источников, и процесс является автотермичным. Размер конверсионных блоков и расход исходной смеси ограничивается только областью существования спутной волны горения.

1. Некаталитический способ получения синтез-газа при фильтрационном горении исходной смеси газов на основе метана с воздухом без изменения направления ее подачи, отличающийся тем, что используется исходная смесь постоянного состава, непрерывный процесс конверсии которой осуществляется только в спутной волне горения в сверхадиабатическом режиме, распространяющейся в двух раздельных реакционных зонах, включаемых в циклический процесс попеременно таким образом, чтобы после прохождения волной горения всей длины одной реакционной зоны волна горения инициировалась в другой.

2. Устройство для некаталитического получения синтез-газа в реакторе фильтрационного горения, состоящем из корпуса, заполненного инертной пористой средой, куда исходная смесь газов на основе метана с воздухом подается без смены направления, отличающееся тем, что устройство содержит два синхронизированных конверсионных блока, в которых движется неизменная по направлению спутная сверхадиабатическая волна горения, при этом конверсионные блоки включаются попеременно таким образом, что при прохождении волной горения всей длины первого конверсионного блока подачу исходной смеси в него прекращают и подают смесь уже во второй блок, в начале которого осуществляют ее поджиг с опережением во времени, необходимым для выхода на режим, при этом продукты сгорания, образующиеся при формировании устойчивой волны, отводят в дожигатель, в то время как синтез-газ, полученный в блоке с установившимся режимом, подают в ресивер, откуда его отбирают для дальнейшего использования.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в устройствах для сжигания топлива на тепловых электростанциях. .

Изобретение относится к топочным устройствам и может быть использовано для сжигания пылеугольного топлива на электростанциях . .

Топка // 1150433

Топка // 1025961

Топка // 877225

Изобретение относится к пористому металлорганическому скелетному материалу. Материал содержит по меньшей мере одно по меньшей мере двухкоординационное органическое соединение, координационно соединенное по меньшей мере с одним ионом металла и являющееся производным 2,5-фурандикарбоновой или 2,5-тиофендикарбоновой кислоты.

Изобретение относится к области химии и может быть использовано при получении водорода из углеводородов. Способ получения водорода по технологии двухстадийного окисления углеводородного сырья включает первую стадию - парциальное окисление углеводородов при недостатке окислителя, на которой происходит смешение сырья с кислородом и сжиганием его в камере сгорания проточного охлаждаемого высокотемпературного реактора при высокой температуре (до 3000°C) и на высоких скоростях с получением парогазовой смеси, содержащей водород, моно- и двуокись углерода, воду и побочные продукты реакции горения, затем полученную смесь увлажняют и одновременно охлаждают до температуры от 300 до 700°C путем впрыскивания и распыления воды в газовый поток, и очистка смеси пропусканием ее через фильтры; и вторую стадию - паровое каталитическое окисление монооксида углерода, на которой конверсию монооксида углерода проводят последовательно в два этапа на соответствующих конверторах: первом, предназначенном для среднетемпературной конверсии монооксида углерода при температурах 300-700°C на соответствующем среднетемпературном катализаторе, с последующим дополнительным увлажнением, а затем на втором, предназначенном для низкотемпературной паровой конверсии монооксида углерода при температурах от 200 до 300°C на соответствующем низкотемпературном катализаторе.

Изобретение относится к способу получения синтез-газа из углеводородного сырья. Способ включает последовательное пропускание углеводородного сырья через радиационную печь, устройство теплообменного риформинга и устройство автотермического риформинга, при этом газ, выходящий из устройства автотермического риформинга, используют в качестве источника тепла для реакций риформинга, протекающих в устройстве теплообменного риформинга, а в устройство теплообменного риформинга подают охлаждающую среду.

Изобретение относится к катализатору парциального окисления метана, который представляет собой никель-алюминиевую шпинель. Данная шпинель имеет общую химическую формулу (Ni1-x(М2O3)x)y·γ-Аl2O3, где М - Сr, Мn или Fe, 0,01≤x≤0,99, 0,01≤y≤1.

Изобретение относится к способу получения водорода из сырьевого материала, содержащего углерод, и водяного пара. Способ включает газификацию сырьевого материала газовым потоком, включающим диоксид углерода при высокой температуре и кислород, для получения первого газового потока, содержащего молекулы монооксида углерода и молекулы молекулярного водорода, окисление первого газового потока носителями кислорода в окисленном состоянии и потоком кислорода для получения второго газового потока при высокой температуре, включающего диоксид углерода, носителей кислорода в восстановленном состоянии, и избытка тепловой энергии, активацию носителей кислорода в восстановленном состоянии газовым потоком активации, включающим водяной пар при высокой температуре, для получения носителей кислорода в окисленном состоянии, третьего газового потока, включающего водород, и избытка тепловой энергии.

Изобретение относится к устройству для извлечения трития путем изотопного обмена из таких вещей, как, например, перчатки, бумага и других подобных объектов, называемых «мягкими бытовыми отходами», имеющихся в лабораториях и заводах, обрабатывающих загрязненные тритием материалы.

Изобретение относится к способу и соответствующему оборудованию для получения кондиционного синтез-газа для производства аммиака с криогенной очисткой. Способ включает конверсию углеводородного исходного сырья с последующими стадиями конверсии СО, удаления СО2 и метанирования с получением потока сырого кондиционного синтез-газа, содержащего водород и азот, обработку сырого синтез-газа в секции криогенной очистки с получением потока очищенного синтез-газа, подачу жидкого потока, обогащенного азотом, при криогенной температуре в секцию криогенной очистки, обеспечение косвенного теплообмена между синтез-газом и жидким потоком, обогащенным азотом, в криогенной секции, причем поток, обогащенный азотом, частично испаряют для обеспечения охлаждения криогенной секции, и обработку воздушного потока в устройстве разделения воздуха с получением жидкого потока, обогащенного азотом, и потока, обогащенного кислородом.

Изобретение относится к катализатору получения ацетальдегида и водорода из этанола. Данный катализатор представляет собой мезопористый силикагель (Sуд.

Изобретение относится к способу реформинга с использованием катализатора. Описан способ реформинга с водяным паром углеводородов, включающий контактирование подаваемого газа в реакторе каталитического частичного окисления или установке для автотермического реформинга.

Изобретение относится к области нефтехимии и более конкретно к способу получения синтез-газа, который используется как исходное сырье, например, для синтеза метанола, диметилового эфира, углеводородов по методу Фишера-Тропша.

Изобретение относится к каталитической системе, подходящей для проведения частичного каталитического окисления при малой продолжительности контакта, для получения синтез-газа и, возможно, водорода. Каталитическая система включает по меньшей мере две каталитические зоны, в которой одна зона содержит один или более благородный металл, выбранный из группы, состоящей из родия, рутения, иридия, палладия и платины, и не содержит никеля, и другая зона содержит никель, к которому добавлен один или более металл, выбранный из группы, состоящей из родия, рутения, иридия, палладия и платины, при этом зона, не содержащая никеля, всегда является отдельной, но находится в контакте с другой зоной, содержащей никель. Изобретение обеспечивает высокую степень превращения сырья и высокую селективность относительно синтез-газа и Н2, а также снижение или предотвращение образования сажистых образований. 4 н. и 19 з.п. ф-лы, 10 ил., 2 табл., 10 пр.

Изобретение относится к способу переработки углеводородсодержащего сырья, включающему стадию плазменной конверсии сырья в плазмохимическом модуле с дуговым плазмотроном, снабженным полым катодом, основанному на взаимодействии потока сырья с пароводяной плазмой с получением синтез-газа, с осуществлением вспомогательных стадий - рекуперации тепла, производства электроэнергии, очистки и компрессии синтез-газа. Способ характеризуется тем, что в качестве углеводородсодержащего сырья используют отработанные смазочные материалы, предварительно нагреваемые до температуры 100-150°C, поток которых затем подают в верхнюю часть реактора с массовым соотношением потоков сырья и плазмообразующего газа от 1:1 до 1:2, температурой в реакторе 827-1027°C и при давлении 0,1-0,13 МПа, затем поток разделяют на газовую и твердую фазы, при этом газовую фазу направляют в котел-утилизатор, в котором ее охлаждают водой с получением перегретого водяного пара, служащего рабочим телом в процессе производства электроэнергии, с дальнейшей очисткой газовой фазы от CO2 и H2S и многократной рециркуляцией твердой фазы через полый катод плазмотрона в зоне сверхвысоких температур, что обеспечивает концентрирование редких и ценных металлов и их оксидов на стадии извлечения металлов. Настоящий способ позволяет перерабатывать жидкие техногенные углеводородсодержащие отходы в ценные целевые продукты с высокой степенью конверсии сырья, минимальным вредом для окружающей среды, а также вырабатывать тепловую и электрическую энергию, идущую на внутренние технологические нужды. 6 табл., 6 пр., 5 ил.

Изобретение относится к химии и водородной энергетике и может быть использовано в транспортном машиностроении. Водород получают в генераторе 1, направляют в приёмник 2, разделяют на два потока 3 и воздействуют на них импульсным магнитным полем с амплитудой магнитной индукции В более 100 гаусс. Затем пропускают через аккумуляторы атомарного водорода 6, заполненные нанодисперсным углеродом, содержащим углеродные нанотрубки с удельной поверхностью от 200 до 550 м2/г в качестве микроконтейнеров для хранения водорода, при пульсирующем давлении водорода с амплитудой более 0,1 МПа. Обеспечивается надёжное и безопасное хранение водорода. 1 ил.
Наверх