EA000145B1

EA000145B1 - Способ стабилизации пламени в процессе получения синтез-газа

Info

Publication number: EA000145B1
Application number: EA199800012A
Authority: EA
Inventors: Петер Ортвейн; Хендрик Мартинус Вентинк
Original assignee: Шелл Интернэшнл Рисерч Маатсхаппий Б.В.
Priority date: 1995-06-06
Filing date: 1996-06-05
Publication date: 1998-10-29
Also published as: WO1996039354A1; DE69602093D1; MY116011A; ZA964587B; CA2222146C; NZ311650A; EA199800012A1; CA2222146A1; BR9609269A; EP0832037A1; SK165297A3; JPH11506410A; CN1073965C; AU6300996A; AU688687B2; NO975677D0; EG20966A; US5803724A; CN1187170A; NO316825B1

Description

Настоящее изобретение относится к способу стабилизации пламени в процессе получения синтез-газа частичным окислением газообразного углеводородсодержащего топлива кислородсодержащим газом.

В указанном процессе для получения синтез-газа подают кислородсодержащий газ, который используют как окислитель, и газообразное углеводородсодержащее топливо в зону газификации через горелку, например многосопловую (коаксиальную) горелку, содержащую концентрическое устройство из n проходов или каналов, коаксиальных относительно продольной оси указанной горелки, где n есть целое число больше 2, и в которой автоматически получают при соответствующих условиях газовый поток, содержащий синтез-газ .

Такие коаксиальные горелки содержат по существу цилиндрические проходы, которые отделяют окислитель от углеводородсодержащего топлива до выхода из горелки.

Кислородсодержащий газ, который применяют в качестве окислителя, обычно представляет собой воздух, или (чистый) кислород, или водяной пар, или их смесь. Для регулировки температуры в зоне газификации в указанную зону можно подавать регулирующий газ (например водяной пар, воду или углекислый газ или их смесь). Регулирующий газ может вводиться через топливный канал, канал для окислителя или по отдельному каналу в горелке.

Специалистам в данной области хорошо известны условия применения окислителя и регулирующего газа.

Синтез-газ содержит окись углерода и водород и применяется в качестве, например, чистого газового топлива средней калорийности или как исходное сырье при синтезе метанола, аммиака или углеводородов, таких как жидкие и газообразные углеводороды, в частности, бензиновая фракция, газойль, масляный дистиллят и парафин.

В описании и в формуле изобретения используется выражение «газообразное углеводородсодержащее топливо» применительно к углеводородсодержащему топливу, газообразному при температуре и давлении газификации сырья.

В соответствии с известным процессом получения синтез-газа последний получают в реакторе частичным окислением газообразного топлива, такого как газообразные углеводороды, в частности нефтяного или природного газа, при температуре 1000-1800°С и давлении 0,1-12 МПа абс. в присутствии кислородсодержащего газа.

Синтез-газ зачастую получают вблизи или непосредственно на нефтеперерабатывающих заводах и применяют в качестве исходного сырья при синтезе аммиака, метанола, водорода, газойля или в качестве топливного газа, например, для нагрева печей при нефтепереработке или, более предпочтительно, в газовых турбинах для привода электрогенераторов и при выработке тепла.

В газовых горелках, используемых в процессах получения синтез-газа частичным окислением, наблюдаются явления сползания насадок, вызываемые высокими температурами окисления и науглероживания. Эти процессы уменьшают период эксплуатации горелок. Это явление может вызвать значительное повреждение горелки.

Поэтому для горелок с длительным сроком эксплуатации необходима меньшая их зависимость от указанного явления, чем у существующих горелок. Ранее была предложена конструкция горелки, в которой общий поток и схема смещения реагентов гарантировали отсутствие контакта каких-либо частей горелки с горячими газами из зоны горения, что обеспечивало возможность работы при высоких температурах пламени без осложнений, вызываемых износом горелки (см. статью «Улучшение производства синтез-газа экзотермическим реформингом» Христенсен Т.С и Примдал И.И. Christensen T.S. & Primdahl I.I. Hydrocarbon Prosessing», март 1994 р.42). Однако, если пламя поднимается из горелки, это может привести к нежелательному изменению состава полученной газовой смеси и изменению температуры в реакторе. В результате может возникнуть шум (более 120 дБ) и сильные механические вибрации горелки и газификатора. Такие вибрации могут нанести существенный ущерб огнеупорному слою реактора.

Было установлено, что эффективность работы горелки преимущественно зависит от стабилизации пламени, и, следовательно, должны быть разработаны меры для стабилизации пламени на насадках горелок.

Задачей настоящего изобретения является способ стабилизации пламени на насадках горелки, который решает указанные выше проблемы.

Настоящим изобретением предлагается способ стабилизации пламени на насадках проходов (внутрикорпусных устройств) горелки в процессе получения синтез-газа частичным окислением газообразного углеводородсодержащего топлива, включающий операции:

(а) подачи газообразного углеводородсодержащего топлива, регулирующего газа и окислителя через горелку в реактор, при которой массовый расход регулирующего газа устанавливают таким, чтобы концентрация регулирующего газа не превышала заданного предела;

(б) осуществления условий процесса, так чтобы пламя находилось в контакте с насадками проходов горелки;

(в) изменения скоростей и массовых расходов топлива, и/или окислителя, и/или регулирующего газа в случае подъема пламени из насадок проходов горелки таким образом, чтобы пламя вновь стабилизировалось на насадках проходов горелки;

при сохранении концентрации регулирующего газа в пределе, указанном для операций (а).

Здесь описан основной проектный режим, при котором пламя находится в контакте с насадками горелки.

Таким образом, пламя стабилизируется на насадках проходов горелки, и путем применения небольших количеств регулирующего газа представляется возможным приготовить обогащенный СО газ с относительно высоким отношением СО:Н₂, что выгодно для последующих процессов, таких как например, процесс производства средних дистиллятов (SMDS). Насадки проходов горелки делают из подходящего материала, который может выдерживать такое пламя, например из керамических материалов (например, из карборунда или нитрида кремния), благородных металлов или их сплавов (например, платины и/или родия).

Так как пламя на выходе из горелки генерирует звук, его подъем от насадок проходов горелки может регулироваться по изменению уровня шума.

Уровни шума могут регистрироваться с помощью пьезодатчиков давления.

Другим возможным способом регулирования положения пламени является использование оптической регистрации, например, с помощью оптического зонда, который вводят в канал горелки, например в центральный канал горелки. Подъем пламени вызывает изменение спектральных характеристик, которые анализируют.

В основу изобретения положена идея, что, в частности путем регулирования концентрации регулирующего газа при заданных условиях процесса, таких как пропускная способность, давление, температура и тому подобные параметры, можно управлять положением пламени, его стабилизацией относительно выхода горелки. Поддержание постоянного режима пламени или его регулирование особенно важно в случае использования в качестве исходного сырья природного газа переменного состава или газа рециркуляции переменного состава, добавляемого в исходный природный газ.

Предпочтительно, регулирующий газ, такой как водяной пар или углекислый газ, может подаваться, например, со скоростью 3-10 м/с в канал между газообразным углеводородсодержащим топливом и окислителем. Ширина канала равна, например, 1 -2 мм.

Далее изобретение будет описано более подробно со ссылками на Примеры А, Б и В.

Сырье: природный газ, имеющий следующий состав, об.%:

Метан	94,4
Этан	3,0
Пропан	0,5
Бутан	0,2
Пентаны и выше	0,2

Углекислый газ 0,2

Азот 1,5

Температура этого исходного сырья при подаче в горелку 150 - 400°С. В качестве окислителя используется кислород чистотой 99,5% , температура подачи 150-300°С.

Горелка работает в режиме стабилизированного пламени при обычном давлении в реакторе 2-7 МПа и температуре в реакторе/син-газа 1200-1500°С. В качестве регулирующего газа используется водяной пар.

Пример А иллюстрирует горелку, в которой скорость подачи топлива выше, чем скорость подачи окислителя (газовая горелка с топливным дутьем). Примеры Б и В относятся к горелке, в которой скорость окислителя выше, чем скорость топлива (газовая горелка с дутьем кислорода).

	А	Б	В
Число проходов	4	3	2
Проход 1 сырье	окислитель	топливо	окислитель
			(вдуваемый поток)
скорость, м/с	20-50	20-50	80-120
Проход 2 сырье	топливо	окислитель	топливо
	(вдуваемый	(вдуваемый
	поток)	поток)
скорость, м/с	50-100	80-120	20-50
Проход 3 сырье	окислитель	топливо
скорость, м/с	20-50	20-50
Проход 4 сырье	топливо	_-	_-
скорость, м/с	20-50	-	-
Отношение скоростей между вдуваемым потоком и другими потоками	2-4	2-4	2-4
Пар в
окислите-	менее 30	менее 20	менее 20
ле, об. %

В случае, если природное газовое сырье также содержит регулирующий газ, максимальное количество регулирующего газа, добавляе5 мого в окислитель, необходимо уменьшить, чтобы обеспечить стабилизацию пламени.

В случае, когда регулирующий газ также содержит СО₂ и азот, максимальная молярная концентрация регулирующего газа в окислителе может быть изменена, чтобы гарантировать стабилизацию пламени.

Эти уменьшения или изменения соответствуют изменениям скорости ламинарного пламени предварительно смешанных стехиометрических смесей окислителя и топлива, известным специалистам в данной области.

В случае, если регулирующий газ не добавляли к окислителю вплоть до выхода горелки, но инжектировали его по маленькому каналу или прорези между каналом для окислителя и топливным каналом, регулирующий газ также может содержать окись углерода, водород и углеводороды вплоть до 20 об.% от суммы. В этом случае регулирующий газ подают через прорезь шириной 1-2 мм с обычной скоростью 5-10 м/с.

Специалистам в данной области очевидно, что для настоящих целей могут применяться щели любой ширины, в зависимости от производительности горелки.

Предпочтительно, чтобы первый центральный канал имел диаметр до 70 мм, в то время как остальные концентрические проходы имеют ширину зазора в пределах от 1 до 20 мм.

Если скорость окислителя больше, чем скорость топлива, пламя будет подниматься от насадки внутрикорпусных устройств горелки при содержании регулирующего газа в окислителе больше 20 об.%.

Когда скорость топлива выше, чем скорость окислителя, очевидно, что пламя будет подниматься над насадкой прохода горелки, если содержание регулирующего газа в окислителе больше 30 об.%.

Специалистам в данной области очевидно, что возможны различные модификации настоящего изобретения. Эти модификации входят в объем патентных притязаний.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ стабилизации пламени на насадках проходов горелки в процессе получения синтез-газа частичным окислением газообразного углеводородсодержащего топлива, включающий:

(а) подачу газообразного углеводородсодержащего топлива, регулирующего газа и окислителя через горелку в реактор, при которой массовый расход регулирующего газа устанавливают таким, чтобы концентрация регулирующего газа не превышала заданного предела;

(б) осуществление условий процесса, так чтобы пламя контактировало с насадками проходов горелки;

отличающийся тем, что он включает изменение скоростей и массовых расходов топлива, и/или окислителя, и/или регулирующего газа в случае подъема пламени от насадок проходов горелки таким образом, чтобы пламя вновь стабилизировалось на насадках проходов горелки при сохранении концентрации регулирующего газа в пределе, указанном для операции (а).
2. Способ по п. 1 , отличающийся тем, что используют многосопловую (коаксиальную) горелку, включающую концентрическое устройство с n проходами или каналами, коаксиальными с продольной осью указанной горелки, где n целое число не менее 2.
3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что пламя регулируют по характеристике шума, регистрируемого, например, с помощью датчиков давления.
4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что пламя регулируют по его оптическим характеристикам.
5. Способ по п.4, отличающийся тем, что оптические характеристики пламени регистрируют с помощью оптического датчика, устанавливаемого в канале горелки.
6. Способ по п.5, отличающийся тем, что оптический датчик помещают в центральный канал горелки.
7. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что в качестве горелки используют горелку, в которой края насадки проходов горелки выполнены керамическими, из благородных металлов или их сплавов.
8. Способ по любому из пп.2-7, отличающийся тем, что регулирующий газ пропускают через канал или прорезь между каналом для газообразного углеводородсодержащего топлива и каналом для окислителя.
9. Способ по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что регулирующий газ подают с газообразным углеводородсодержащим топливом.
10. Способ по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что регулирующий газ подают с окислителем.
11. Способ по любому из пп.1-10, отличающийся тем, что в качестве регулирующего газа используют водяной пар, воду, углекислый газ или их смеси.