SK165297A3

SK165297A3 - A method for flame stabilization in a process for preparing synthesis gas

Info

Publication number: SK165297A3
Application number: SK1652-97A
Authority: SK
Inventors: Peter Oortwijn; Hendrik M Wentinck
Original assignee: Shell Int Research
Priority date: 1995-06-06
Filing date: 1996-06-05
Publication date: 1998-07-08
Also published as: WO1996039354A1; DE69602093D1; MY116011A; ZA964587B; CA2222146C; NZ311650A; EA199800012A1; CA2222146A1; BR9609269A; EA000145B1; EP0832037A1; JPH11506410A; CN1073965C; AU6300996A; AU688687B2; NO975677D0; EG20966A; US5803724A; CN1187170A; NO316825B1

Description

V tomto procese prípravy syntetického plynu sa plyn obsahujúci kyslík, ktorý plní úlohu oxidačného činidla, a palivo obsahujúce plynné uhľovodíky privádzajú do splynovačej zóny cez horák, napr. cez taký, ktorý obsahuje mnohonásobné trysky (kruhové) a skladajúce sa zo sústredených usporiadaných priechodov v počte n alebo kanálikov koaxiálnych s pozdĺžnou osou uvedeného horáka, v ktorom n predstavuje celé číslo väčšie ako 2, a v ktorom sa autotermálne pri vhodných podmienkach produkuje prúd plynu obsahujúci syntetický plyn .

Takéto kruhové horáky obsahujú základné valcovité vnútorné časti, ktoré oddeľujú oxidačné činidlo a palivo obsahujúce uhľovodíky, pokým nedosiahnu výpust horáka.

Plynom obsahujúcim kyslík, ktorý sa aplikuje ako oxidačné činidlo, je zvyčajne obyčajný vzduch alebo (čistý) kyslík, prípadne para alebo ich zmes. Aby sa dala kontrolovať teplota v splynovačej zóne, taktiež sa do zmienenej zóny privádza moderátorový plyn (napr. para, voda alebo oxid uhličitý alebo ich kombinácie). Moderátorový plyn sa môže privádzať cez palivový kanálik, oxidačný kanálik alebo špeciálny kanálik horáka.

Odborníci, ktorí sú skúsení v tomto odbore, sú oboznámení s podmienkami dodávania oxidačného činidla a moderátorového plynu.

Syntetický plyn je plyn, ktorý sa skladá z oxidu uhoľná2 tého a vodíka a používa sa napríklad ako čistý palivový plyn so strednou hodnotou výhrevnosti alebo ako východiskový materiál pri syntéze metanolu, čpavku alebo uhľovodíkov, plynných i kvapalných, ako napríklad benzínu, stredných destilačných frakcií, mazacích olejov a voskov.

V opise a v nárokoch vynálezu sa bude použitý termín palivo obsahujúce uhľovodíky vzťahovať na palivo obsahujúce uhlovodíky s tlakom a teplotou privádzaných do generátora.

Podľa uvedeného postupu sa syntetický plyn produkuje parciálnou oxidáciou plynného uhľovodíka, predovšetkým však ropného alebo prírodného plynu v reakčnej nádobe pri teplote v rozmedzí 1000 až 1800 °C a pri tlaku v rozmedzí 0,1 MPa až 12 MPa abs. pri použití plynu obsahujúceho kyslík.

Syntetický plyn sa často produkuje v blízkosti alebo v ropnej rafinérii pretože sa môže ihneď použiť ako východiskový materiál na výrobu stredných destilačných frakcií, čpavku, vodíka, metanolu alebo palivového plynu, napríklad na vyhrievanie pecí rafinérií a/alebo účinnejšie na vykurovanie plynových turbín pri výrobe elektriny a tepla.

V plynových horákoch aplikovaných na procesy parciálnej oxidácie pri výrobe syntetického plynu sa ukázalo, že doba životnosti horáka je obmedzená javom opotrebovania hrotov vzhľadom na vysokú teplotu nauhličovania a oxidácie. Z dôvodu tohto javu sa vyskytujú vážne poruchy horákov a obdobie produkcie plynných prúdov je takto obmedzené.

Preto jestvuje požiadavka potreby horákov, ktoré majú dlhšiu životnosť a sú menej citlivé na vyššie uvedený jav, ako existujúce horáky. Bol už navrhnutý horák, v ktorom celkový prietok a zrniešavanie zabezpečujú, že žiadne časti horáka neprídu do kontaktu s horúcimi plynmi zo spaľovacej zóny a tento horák je schopný pracovat pri vysokých teplotách, bez toho, aby sa vyskytli problémy opotrebovania horáka (napríklad článok: T. S. Christensen a I. I. Primdahl, Improve syngas production using autothermal reforming, v Hydrocarbon Processing, marec 1994, str. 42). Avšak, ak sa plyn z horáka uvoľní, tak by to mohlo viesť k takej zmesi plynov ako produktu, ktorá bude mať nežiadúce zmenené zloženie, a k zmene teploty v reaktore. Ako následok sa objaví hluk (viac ako 120 dB) a silné mechanické vibrácie horáka a generátora. Takéto vibrácie môžu byt škodlivé pre žiaruvzdornú výmurovku reaktora.

V súčasnej období sa zistilo, že výkonnosť horáka je výhodne ovplyvnená stabilizáciou plameňa a preto by sa mala venovaná pozornosť stabilizácii plameňa na hrotoch horákov.

Podstata vynálezu

Predmetom vynálezu je poskytnutie spôsobu stabilizácie plameňa na horákových hrotoch, ktorý rieši vyššie uvedené problémy.

Predkladaný vynález preto poskytuje spôsob stabilizácie plameňa na hrotoch vnútorných častí horákov v procese prípravy syntetického plynu parciálnou oxidáciou paliva obsahujúceho plynné uhľovodíky, ktorý sa skladá z:

a) privádzania paliva obsahujúceho plynné uhľovodíky, moderátorový plyn a oxidačné činidlo cez horák do reaktora, v ktorom je hmotnostný tok moderátorového plynu adjustovaný tak, aby koncentrácia moderátorového plynu neprekročila vopred určenú hranicu;

b) zefektívnenia podmienok procesu tak, že plameň kontaktuje vnútorné horákové hroty;

c) nového adjustovania rýchlostí hmotnostného toku paliva a/alebo oxidačného činidla a/alebo moderátorového plynu v prípade vyšľahnutia plameňa z vnútorných hrotov horáka takým spôsobom, že plameň je restabilizovaný na vnútorných hrotoch horáka; a pričom v kroku c) koncentrácia moderá4 torového plynu neprevýši limit stanovený v bode a).

Odborník teda pozná všeobecné podmienky návrhu horáka, v ktorom je plameň v kontakte s jeho hrotmi.

Týmto spôsobom sa plameň stabilizuje na vnútorných hrotoch horáka a dodaním malého množstva moderátorového plynu je možné pripraviť plyn bohatý na CO s relatívne vysokým pomerom CO/H₂, ktorý je výhodný pre procesy zostupných prúdov ako napr. Shell Middle Distillates Process (SMDS). Vnútorné hroty horáka sú vyrobené z vhodných materiálov, ktoré sú schopné znášať takýto plameň, napríklad keramické materiály (karbid kremíka, nitrid kremíka), vzácne kovy alebo ich zliatiny (napríklad Pt a/alebo Rh).

Pretože plameň na vypusti horáka spôsobuje zvuk, potom vyšlahovanie plameňa z vnútorných hrotov horáka je možné pozorovať v závislosti od zmeny hladiny hluku.

Hladiny hluku sú monitorované prostredníctvom (piezo rezistívnych) tlakových prevodníkov.

Ďalšou možnosťou, ako monitorovať vyšľahnutie plameňa je optickou cestou, t.j. optickou sondou, ktorá sa môže vložiť do kanálika horáka, napr. do centrálneho kanálika horáka. Vyšľahnutý plameň vykazuje rozdielne plameňové spektrum, ktoré sa analyzuje.

Vynález je založený na myšlienke, že špeciálne prostredníctvom adjustovania koncentrácie moderátorového plynu je možné monitorovať polohu plameňa/stabilizáciu vzhladom na výpust horáka pri daných podmienok procesu, akými sú výkon, tlak, teplota atď. Monitorovanie/kontrola plameňa má svoj špeciálny význam v prípade prírodného plynu ako východiskového materiálu, s premenlivým zložením, alebo recyklovaného plynu s rozdielnym zložením pridávaných k východiskovému materiálu prírodného plynu.

Výhodne je možné privádzať moderátorový plyn, vodnú paru alebo C0₂ s rýchlosťami 3 až 10 m/s do kanálika medzi palivom obsahujúcim uhľovodíky a oxidačné činidlo. Šírka kanálika je napríklad 1 až 2 mm.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Vynález bude teraz podrobne opísaný spôsobmi uskutočnenia, ktoré sa vzťahujú k príkladom A, B a C.

Východiskový materiál: Prírodný plyn s typickým zložením

CH₄ 94,4 obj. % ^C2^H6 ³'° ^%

C₃H₈ 0,5 %

0,2 %

0,2 % 0,2 % 1,5 %

Vstupná teplota horáka tohoto východiskového materiálu je 150 až 400 ‘C. Oxidačným činidlom je 0₂ s čistotou 99,5 %, ktorý má vstupnú teplotu 150 až 300 ’C.

Horák pracuje v móde stabilizovaného plameňa pri charakteristickej tlaku reaktora 2 až 7 MPa a teplota reaktora a teplota syntetického plynu je 1200 až 1500 ’C. Moderátorovým plynom je vodná para

Príklad A predstavuje horák, v ktorom je rýchlosť paliva väčšia ako rýchlosť oxidačného činidla (palivový sklársky kahan) a príklady B a C predstavujú horák, v ktorom je rýchlosť oxidačného činidla väčšia ako rýchlosť paliva (kyslíkový sklársky kahan).

	A	B	C
Počet kanálikov	4	3	2

Kanálik 1 rýchlosť	oxidačné	palivo 20 až 50	oxidačné činidlo
	prívodu	činidlo 20 až 50	m/s
m/s	(vháňací prúd) 80 - 120 m/s
Kanálik	2 rýchlosť	palivo		oxidačné		palivo
	prívodu			činidlo		20 - 50 m/s
		(vháňací		(vháňací
		prúd)		prúd)
		50 až 100	m/s	80 až 120	m/s
Kanálik	3 rýchlosť	oxidačné		palivo
	prívodu	činidlo
		20 až 50 m/s	20 - 50 m/s
Kanálik	4 rýchlosť	palivo

prívodu až 50 m/s

Pomer rýchlosti medzi vháňacím prúdom a inými prúdmi	2-4	2-4	2-4
Para v činidle	menej ako 30 obj. %	menej ako 20 obj. %	menej ako 20 obj. %

V prípade, že východiskový materiál prírodného plynu obsahuje tiež moderátorový plyn, potom maximálne množstvo móde7 rátorového plynu, ktoré sa môže pridať k oxidačnému činidlu sa musí redukovať, aby sa zabezpečila stabilizácia plameňa.

V prípade, že moderátorový plyn obsahuje tiež CO₂ alebo N₂, potom maximálna molárna koncentrácia moderátorového plynu v oxidačnom činidle sa môže meniť, aby sa zabezpečila stabilizácia plameňa.

Tieto redukcie alebo zmeny sú v súlade so zmenami rýchlosti laminárneho prúdenia plameňa vopred namiešaných stechiometrických zmesí oxidačného činidla a paliva, tak, ako je známe pre odborníkov v tomto odbore.

V prípade, že moderátorový plyn sa nepridá k oxidačnému činidlu pred horákovým výpustom, ale injektuje sa cez malé kanáliky alebo štrbiny medzi kanálikom oxidačného činidla a kanálikom paliva, potom moderátorový plyn môže obsahovať C0₂, H₂ a uhľovodíky až do celkového množstva 20 % obj. V tomto prípade moderátorový plyn prúdi cez štrbinu so šírkou 1 až 2 mm s charakteristickou rýchlosťou 5 až 10 m/s.

Odborníkom v odbore je zaiste známe, že sa môžu použiť akékoľvek šírky štrbín vhodné na tento účel, v závislosti od kapacity horáka.

Výhodou je, ak prvý alebo prostredný kanálik horáka má priemer do 70 mm, zatial čo zostávajúce sústredné kanáliky majú šírky štrbín pohybujúce sa v rozpätí 1 až 20 mm.

Ukázalo sa, že ak je rýchlosť oxidačného činidla väčšia ako rýchlosť paliva, potom bude plameň vyšlahávat z vnútorného hrotu horáka, ak je koncentrácia moderátorového plynu v oxidačnom činidle väčšia ako 20 % obj..

Rozdielne modifikácie predkladaného vynálezu budú zrejmé odborníkom skúseným v odbore z nasledujúcich opisov. Tieto modifikácie sú mienené tak, aby patrili do rozsahu priložených nárokov.

Claims

1. Spôsob stabilizácie plameňa na hrotoch vnútorných častí horákov v procese prípravy syntetického plynu parciálnou oxidáciou paliva obsahujúceho plynné uhlovodíky, vyznačujúci sa tým, že obsahuje:

a) privádzanie paliva obsahujúceho plynné uhlovodíky, moderátorový plyn a oxidačné činidlo cez horák do reaktora, v ktorom je hmotnostný tok moderátorového plynu adjustovaný tak, aby koncentrácia moderátorového plynu neprekročila vopred určenú hranicu;

b) zefektívnenie podmienok procesu tak, že plameň kontaktuje vnútorné horákové hroty;

c) nové adjustovanie rýchlostí hmotnostného toku paliva a/alebo oxidačného činidla a/alebo moderátorového plynu v prípade vyšlahnutia plameňa z vnútorných hrotov horáka takým spôsobom, že plameň je restabilizovaný na vnútorných hrotoch horáka; pričom v kroku c) koncentrácia moderátorového plynu neprevýši limit stanovený v bode a).

2. Spôsob podlá nároku 1, vyznačujúci sa tým, že horák obsahuje mnohonásobné trysky (kruhové) skladajúce sa zo sústredných usporiadaných priechodov v počte n alebo kanálikov koaxiálnych s pozdĺžnou osou uvedeného horáka, v ktorom n je celé číslo väčšie alebo rovné 2.

3. Spôsob podlá nárokov la 2, vyznačujúci sa tým, že sa plameň monitoruje.

4. Spôsob podlá nároku 3, vyznačujúci sa tým, že sa plameň monitoruje detekciou hluku, napríklad pomocou tlakových prevádzačov.

5. Spôsob podía nároku 3, vyznačujúci sa tým, že sa plameň monitoruje opticky.

6. Spôsob podía nároku 5, vyznačujúci sa tým, že sa plameň monitoruje optickou sondou vloženou do kanálika horáka.

7. Spôsob podía nároku 6, vyznačujúci sa tým, že sa plameň monitoruje optickou sondou vloženou do centrálneho kanálika horáka.

8. Spôsob podía ktoréhokoívek z nárokov 1 až 7, vyznačujúci sa tým, že okraje sú vyrobené z keramiky, ušíachtilých kovov alebo ich zliatin.

9. Spôsob podía ktoréhokoívek z nárokov 2 až 8, vyznačujúci sa tým, že moderátorový plyn prechádza cez kanálik alebo štrbinu medzi kanálikom paliva obsahujúceho uhlovodíky a kanálikom oxidačného činidla.

10. Spôsob podía ktoréhokoívek z nárokov 1 až 8, vyznačujúci sa tým, že sa moderátorový plyn privádza palivom obsahujúcom plynné uhíovodíky.

11. Spôsob podía ktoréhokoívek z nárokov 1 až 8, vyznačujúci sa tým, že sa moderátorový plyn privádza oxidačným činidlom.

12. Spôsob podía ktoréhokoívek z nárokov 1 až 11, vyznačujúci sa tým, že moderátorovým plynom je para, voda, oxid uhličitý alebo ich kombinácie.

13. Spôsob podía ktoréhokoívek z nárokov 1 až 12, vyznačujúci sa tým, že rýchlosť prúdenia paliva je vyššia ako rýchlosť prúdenia oxidačného činidla a hmotnostný tok moderátorového plynu je adjustovaný tak, že koncentrácia moderátorového plynu v oxidačnom činidle je menšia ako 30 % obj.

14. Spôsob podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 12, vyznačujúci sa tým, že rýchlosť prúdenia oxidačného činidla je vyššia ako rýchlosť prúdenia paliva a hmotnostný tok moderátorového plynu je adjustovaný tak, že koncentrácia moderátorového plynu v oxidačnom činidle je menšia ako 20 % obj .