CZ376497A3

CZ376497A3 - Způsob stabilizace plamene v procesu přípravy syntetického plynu

Info

Publication number: CZ376497A3
Application number: CZ973764A
Authority: CZ
Inventors: Peter Oortwijn; Hendrik Martinus Wentinck
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij B. V.
Priority date: 1995-06-06
Filing date: 1996-06-05
Publication date: 1998-06-17
Also published as: WO1996039354A1; DE69602093D1; MY116011A; ZA964587B; CA2222146C; NZ311650A; EA199800012A1; CA2222146A1; BR9609269A; EA000145B1; EP0832037A1; SK165297A3; JPH11506410A; CN1073965C; AU6300996A; AU688687B2; NO975677D0; EG20966A; US5803724A; CN1187170A

Description

Předkládaný vynález se týká metody stabilizace plamene při procesu přípravy syntetického plynu parciální oxidací paliva obsahujícího uhlovodíky a plynu obsahujícího kyslík.

V tomto procesu přípravy syntetického plynu jsou plyn obsahující kyslík, který plní úkol oxidačního činidla, a palivo obsahující plynné uhlovodíky přiváděny do zplyňovací zóny přes hořák, např. přes ten, který obsahuje mnohonásobné trysky (kruhové) a skládající se ze soustředných uspořádáních průchodů o počtu n nebo kanálků koaxiálních s podélnou osou zmíněného hořáku, ve kterém nje celé číslo větší než 2, a ve kterém je autotermálně proud plynu obsahující syntetický plyn za vhodných podmínek produkován.

Takovéto kruhové hořáky obsahují podstatné válcovité vnitřní části, které oddělují oxidační činidlo a palivo obsahující uhlovodíky, dokud nedosáhnou výpust hořáku.

Plyn obsahující kyslík, který je aplikován jako oxidační činidlo, je obvykle obyčejný vzduch nebo (čistý) kyslík, popř. pára nebo jejich směs. Aby se dala kontrolovat teplota ve zplyňovací zóně, ta se též přivádí do zmíněné zóny moderátorový plyn (např. pára, voda nebo oxid uhličitý či jejich kombinace). Moderátorový plyn lze přivádět přes palivový kanálek, oxidační kanálek nebo zvláštní kanálek hořáku.

Ti, kteří jsou zkušení v tomto oboru, jsou obeznámeni s podmínkami dodávání oxidačního činidla a moderátorového plynu.

Syntetický plyn je plyn, který se skládá z oxidu uhelnatého a vodíku a je např. používán jako čistý palivový plyn střední hodnoty výhřevnosti nebo jako výchozí materiál pro syntézu methanolu, čpavku nebo uhlovodíků, plynných i kapalných, jako např. benzínu, středních destilačních frakcí, mazacích olejů a vosků.

Ve specifikaci a nároků vynálezu se bude použitý termín palivo obsahující uhlovodíky vztahovat k palivu obsahující uhlovodíky o tlaku a teplotě přiváděných do generátoru.

• · • · · · · ·

Podle daného postupuje syntetický plyn produkován parciální oxidací plynného uhlovodíku, zvláště pak ropného nebo přírodního plynu v reakční nádobě při teplotě v rozmezí 1000 - 1800 °C a při tlaku v rozmezí 0,1 MPa až 12 MPa abs. za použití plynu obsahujícího kyslík.

Syntetický plyn se často produkuje v blízkosti nebo v ropné rafinerii neboť ho lze ihned použít jak výchozího materiálu pro výrobu středních destilačních frakcí, čpavku, vodíku, methanolu nebo palivového plynu, např. pro vyhřívání pecí rafinérií a nebo účinněji pro topení plynových turbín pro výrobu elektřiny a tepla.

V plynových hořácích aplikovaných na procesy parciální oxidace při výrobě syntetického plynu se ukázalo, že doba životnosti hořáku je omezena jevem opotřebení hrotů vzhledem k vysoké teplotě nauhličování a oxidace. Z důvodu tohoto jevu se vyskytují vážné poruchy hořáků a období produkce plynných proudů je tak omezena.

Proto vyvstává potřeba na hořáky, které mají delší životnost a jsou méně citlivé k výš uvedenému jevu, než hořáky existující. Byl již navržen hořák, ve kterém celkový průtok a míšení zajišťují, že žádné části hořáku nepřijdou do kontaktu s horkými plyny ze spalovací zóny a tento hořák je schopný pracovat při vysokých teplotách, aniž by se vyskytly problémy opotřebení hořáku, (např. článek: T.S. Christensen a I.I. Primdahl, „Improve syngas production using autothermal reforming“, v „Hydrocarbon Processing“, březen 1994, p 42). Avšak, pokud je plyn z hořáku uvolněn, tak by to mohlo vést k takové směsi plynů jako produktu, která bude mít nežádoucí změněného složení, a ke změně teploty v reaktoru. Jako následek se objeví hluk (více než 120 dB) a silné mechanické vibrace hořáku a generátoru. Takovéto vibrace mohou být škodlivé pro žáruvzdornou vyzdívku reaktoru.

V současné době bylo shledáno, že výkonnost hořáku je výhodně ovlivněna stabilizací plamene a proto by měla být věnována péče ohledně stabilizace plamenu na hrotech hořáků.

Předmětem vynálezu je poskytnutí metody stabilizace plamene na hořákových hrotech, která řeší výše uvedené problémy.

• · · · · · • ·· ··· · ·· ···· · ··· · ···· · · · • β ·· ·· · · · · · ·

Předkládaný vynález proto poskytuje metodu stabilizace plamene na hrotech vnitřních částí hořáků v procesu přípravy syntetického plynu parciální oxidací paliva obsahujícího plynné uhlovodíky, které se skládá z:

a) přivádění paliva oxidační činidlo přes hořák do reaktoru, ve kterém je hmotový tok moderátorového plynu adjustován tak, aby koncentrace moderátorového plynu nepřekročila předem určenou mez;

b) zefektivnění podmínek procesu tak, že plamen kontaktuje vnitřní hořákové hroty;

c) nového adjustování rychlostí hmotového toku paliva a/nebo oxidačního činidla a/nebo moderátorového plynu v případě vyšlehnutí plamene z vnitřních hrotů hořáku takovým způsobem, že plamen je restabilizován na vnitřních hrotech hořáku; a kde, v kroku c) koncentrace moderátorového plynu nepřevýší stanovený limit v bodě a).

Expert patrně zná obecné podmínky návrhu hořáku, ve kterém je plamen v kontaktu s jeho hroty.

Tímto způsobem je plamen stabilizován na vnitřních hrotech hořáku a dodáním malého množství moderátorového plynuje možné připravit plyn bohatý na CO s relativně vysokým poměrem CO/H2 , který je výhodný pro procesy sestupných proudů jako např. Shell Middle Distillates Process (SMDS). Vnitřní hroty hořáku jsou vyrobeny z vhodných materiálů, které jsou schopné snášet takový plamen, např. keramické materiály (karbid křemíku, nitrid křemíku), vzácné kovy nebo jejich slitiny (např. Pt a/nebo Rh).

Poněvadž plamen na výpusti hořáku způsobuje zvuk, tak vyšlehování plamene z vnitřních hrotů hořáku lze pozorovat v závislosti na změně hladiny hluku.

Hladiny hluku jsou monitorovány prostřednictvím (piezo rezistivních) tlakových převodníků.

Další možností, jak monitorovat vyšlehnutí plamene je optickou cestou, t.j. optickou sondou, které lze vložit do kanálku hořáku, např. do centrálního kanálku hořáku. Vyšlehnutý plamen vykazuje rozdílné plamenové spektrum, které se analyzuje.

Vynález je založen na myšlence, že speciálně prostřednictvím adjustování koncentrace moderátorového plynu lze monitorovat polohu plamene/stabilizaci vzhledem k výpusti hořáku za daných podmínek procesu, jakými jsou výkon, tlak,

teplota atd. Monitorování/kontrola plamene má svojí speciální důležitost v případě přírodního plynu jako výchozího materiálu měnícího se svým složením nebo recyklovaného plynu rozdílných složení přidávaných k výchozímu materiálu přírodního plynu.

S výhodou lze přivádět moderátorový plyn vodní páru nebo CO2 o rychlostech 3 - 10 m/s do kanálku mezi palivem obsahujícím uhlovodíky a oxidační činidlo. Šířka kanálku je např. 1 - 2 mm.

Vynález bude nyní detailně popsán způsoby, které se vztahují k příkladům A, B aC.

Výchozí materiál: Přírodní plyn s typickým složením

CI-I4 :	94,4 obj.%
c₂h₆	3,0 %
c₃h₈	0,5 %
c₄h₁₀	0,2 %
C₅H,2⁺	0,2 %
CO₂	0,2 %
n₂	1,5 %

Vstupní teplota hořáku tohoto výchozího materiálu je 150 - 400 °C. Oxidační činidlo je O2 o čistotě 99,5% má vstupní teplotu 150 - 300 °C.

Hořák pracuje v módu stabilizovaného plamene při typické reaktorové teplotě 2 7 MPa a reaktorová teplota a teplota syntetického plynuje 1200 - 1500 °C. Moderátorový plyn je vodní pára.

Příklad A představuje hořák, ve kterém je rychlost paliva větší než rychlost oxidačního činidla (palivový sklářský kahan) a příklady B a C představují hořák, ve kterém je rychlost oxidačního činidla větší než rychlost paliva (kyslíkový sklářský kahan).

• ·

4 4 4 ·

4 4 · · · 44 4

4 4 4 4 · · · ·4 « 4 4 4 4 4 4 44 444 44

4444 4444 4 4·

	A	B	C
Počet kanálků:	4	3	2
Kanálek 1 rychlost přívodu	oxidační činidlo 20 až 50 m/s	palivo 20 až 50 m/s	oxidační činidlo (vháněcí proud) 80 - 120 m/s
Kanálek 2 rychlost přívodu	palivo (vháněcí proud) 50 až 100 m/s	oxidační činidlo (vháněcí proud) 80 až 120 m/s	palivo 20 - 50 m/s
Kanálek 3 rychlost přívodu	oxidační činidlo 20 až 50 m/s	palivo 20 až 50 m/s
Kanálek 4 rychlost přívodu 20 až 50 m/s	palivo
Poměr rychlosti mezi vháněcím proudem a jinými proudy	2-4	2-4	2-4
Pára v činidle činidle	méně než 30obj.%	méně než 20 obj.%	méně než 20 obj. %

• · · 4 • 4

V případě, že výchozí materiál přírodního plynu také obsahuje moderátorový plyn, tak maximální množství moderátorového plynu, které lze přidat k oxidačnímu činidlu musí být redukováno, aby se zajistila stabilizace plamene.

V případě, že moderátorový plyn také obsahuje CO2 nebo N2, tak maximální molární koncentrace moderátorového plynu v oxidačním činidle se může měnit, aby se zajistila stabilizace plamene.

Tyto redukce nebo změny jsou v souhlase se změnami v rychlosti laminárního proudění plamene předem namíchaných stechiometrických směsí oxidačního činidla a paliva, tak, jak je známo expertům v tomto oboru.

V případě, že moderátorový plyn není přidán k oxidačnímu činidlu před hořákovou výpustí, aleje injektován přes malé kanálky nebo štěrbiny mezi kanálkem oxidačního činidla a kanálku paliva, tak moderátorový plyn může obsahovat CO2, H2 a uhlovodíky až do celkového množství 20 % obj. .V tomto případě moderátorový plyn proudí přes štěrbinu o šířce 1 - 2 mm o typické rychlosti 5-10 m/s.

Jistě je expertům v oboru známo, že lze použít jakékoliv šířky štěrbin vhodné pro tento účel, v závislosti na kapacitě hořáku.

Výhodou je, když první nebo prostžřední kanálek hořáku má průměr do 70 mm, kdežto zbývající soustředné kanálky mají šířky štěrbin pohybující se v rozmezí 1 - 20 mm.

Ukázalo se, že pokud je rychlost oxidačního činidla větší než rychlost paliva, tak bude plamen vyšlehávat z vnitřního hrotu hořáku, pokud je koncentrace moderátorového plynu v oxidačním činidle větší než 20 % obj..

Rozdílné modifikace předkládaného vynálezu se stanou zřejmými těm, kteří jsou zkušení v oboru, z následujících popisů. Tyto modifikace jsou myšleny tak, aby spadaly do rozsahu přiložených nároků.

Claims

1. Metoda stabilizace plamene na hrotech vnitřních částí hořáků v procesu přípravy syntetického plynu parciální oxidací paliva obsahujícího plynné uhlovodíky, které se skládá z:

a) přivádění paliva obsahujícího plynné uhlovodíky, moderátorový plyn a oxidační činidlo přes hořák do reaktoru, ve kterém je hmotový tok moderátorového plynu adjustován tak, aby koncentrace moderátorového plynu nepřekročila předem určenou mez;

2. Metoda, tak jak je nárokována v nároku 1, ve které je hořák takový, který obsahuje mnohonásobné trysky (kruhové) a skládající se ze soustředných uspořádáních průchodů o počtu n nebo kanálků koaxiálních s podélnou osou zmíněného hořáku, ve kterém n je celé číslo větší nebo rovno než 2,

3. Metoda nárokovaná v nárocích 1 a 2, ve které je monitorován plamen.

4. Metoda nárokovaná v nároku 3, ve které je plamen monitorován detekcí hluku, např. pomocí tlakových převaděčů.

5. Metoda nárokovaná v nároku 3, ve které je plamen monitorován opticky.

6. Metoda nárokovaná v nároku 5, ve které je plamen monitorován optickou sondou vloženou do kanálku hořáku.

7. Metoda nárokovaná v nároku 6, ve které je plamen monitorován optickou sondou vloženou do centrálního kanálku hořáku.

8. Metoda nárokovaná v jakémkoliv z nároků 1 - 7, v které jsou okraje vyrobeny z keramiky, ušlechtilých kovů nebo jejich slitin.

• ♦ • · · ·

9. Metoda nárokovaná v jakémkoliv z nároků 2 - 8, ve které moderátorový plyn prochází přes kanálek nebo štěrbinu mezi kanálek paliva obsahujícího uhlovodíky a kanálek oxidačního činidla.

10. Metoda nárokovaná v jakémkoliv z nároků 1 - 8, ve které je moderátorový plyn přiváděn palivem obsahující plynné uhlovodíky.

11. Metoda nárokovaná v jakémkoliv z nároků 1 - 8, ve které je moderátorový plyn přiváděn oxidačním činidlem.

12. Metoda nárokovaná v jakémkoliv z nároků 1 -11, ve které je moderátorový plyn pára, voda, oxid uhličitý nebo jejich kombinace.

13. Metoda nárokovaná v jakémkoliv z nároků 1 - 12, ve které je rychlost proudění paliva vyšší než rychlost proudění oxidačního činidla a hmotový tok moderátorového plynuje adjustována tak, že koncentrace moderátorového plynu v oxidačním činidle je menší než 30 % obj.

14. Metoda nárokovaná v jakémkoliv z nároků 1 - 12, ve které je rychlost proudění oxidačního Činidla vyšší než rychlost proudění paliva a hmotový tok moderátorového plynuje adjustována tak, že koncentrace moderátorového plynu v oxidačním činidle je menší než 20 % obj.