СМЕСИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ГОМОГЕННОГО ТИПА ДЛЯ КАМЕР СГОРАНИЯ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ СИНТЕЗ-ГАЗА Российский патент 2001 года по МПК C01B3/00 B01F3/02 F23D14/62 

Изобретение относится к области органического синтеза, а именно к устройствам и технологии переработки углеводородного сырья в синтез-газ (nH₂ + CO) и может быть использовано при получении синтез-газа по методам равновесного, но преимущественно неравновесного парциального окисления предварительно перемешанных газообразных углеводородного горючего и кислородосодержащего окислителя.

Известны устройства (горелки) с предварительным перемешиванием газообразных углеводородного горючего и окислителя, предложенные компаниями Тексако (патент США 3945942), Монтекатини (патент США 2859103), Французским институтом нефти (патент США 4582630, патент Франции 2617577).

В устройствах горелок Тексако и Французского института нефти осуществляется только частичная гомогенизация смеси метана и окислителя до их ввода в реакционную зону путем подачи одного из компонентов по трубкам, размещаемым на входе или даже в критическом сечении одного или многих сопел.

В патенте Монтекатини гомогенизация осуществляется в гладком цилиндрическом канале со шнековым завихрителем, но конструкция предназначена только для процессов, осуществляемых при низком (атмосферном) давлении.

Предложенные в указанных патентах смесительные элементы (горелки) гомогенного типа теоретически наиболее перспективны для проведения процессов парциального окисления, но на практике не получили распространения в высокоскоростных генераторах (реакторах) из-за низкой их надежности. При запуске высокоскоростных генераторов (реакторов), как правило, происходит заброс давления в реакционной зоне, а соответственно и заброс пламени во внутренний объем горелки, что приводит к ее подгару и даже возгоранию. Кроме этого, предложенные в указанных выше патентах устройства смесительных элементов не решают задач организации высокоэффективных по выходным параметрам процессов неравновесного высокоскоростного парциального окисления углеводородного газа в реакционной зоне высокопроизводительных генераторов (реакторов) синтез-газа при средних и высоких давлениях.

Известные решения практически во всех случаях используются в реакторах (конверторах), создаваемых по схеме идеального перемешивания за счет организации макровихревых циркуляционных течений почти во всем реакционном объеме.

Целью настоящего изобретения является создание устройства, обеспечивающего
1) надежное, без возгораний, получение гомогенной смеси окислительных и горючих компонентов в камере минимального объема до подачи их в реакционную зону;
2) ввод гомогенной смеси в высокоскоростную реакционную зону камеры сгорания среднего и высокого давления по геометрической схеме и со скоростями, обеспечивающими стабильную структуру и определенную интенсивность макро- и микровихрей в зоне торцевого днища смесительного элемента и в начальных зонах реакционного объема (в зоне фронта пламени), необходимые для достижения максимальной полноты процесса окисления при минимальном времени пребывания потока в реакционной зоне;
3) высокую работоспособность конструкции на всех режимах работы камеры сгорания, в том числе при пиках и колебаниях давления;
4) создание реакторов (камер сгорания) для получения синтез-газа, совмещающих в себе схемы идеального смешения и идеального вытеснения (прямоток).

Предлагаемое в данной заявке устройство смесительного элемента гомогенного типа, сравнительно с известными устройствами того же назначения по указанным выше патентам Тексако, Монтекатини и Французского института нефти, имеет существенные отличия по конструкции, по функциональным характеристикам и обладает повышенной надежностью в отношении возгорания гомогенной смеси.

Единичный смесительный элемент гомогенного типа имеет область предпочтительного применения:
- по расходу углеводородного газа - 0,375 - 3,75 т/ч;
- по давлению в реакционной зоне - 2,0-15,0 МПа.

Характерный размер смесительного элемента - наружный диаметр торцевого днища D (см. фиг. 1), для указанных областей предпочтительного применения, лежит в диапазоне 60-180 мм. При этом предполагается, что последующая реакционная зона имеет примерно такой же поперечный размер, задаваемый физической стенкой, либо это условная граница газодинамической трубки тока в реакторе (камере сгорания) большого поперечного размера, в котором используется много аналогичных смесительных элементов.

Изобретение заключается в том, что смесительный элемент, имеющий гладкий или ступенчатый цилиндрический охлаждаемый корпус (показан только первый вариант) снабжен многосекционной камерой смешения конвертируемых газов требуемой геометрии, расположенной внутри корпуса по всей его длине и устройством ввода гомогенизированного потока по заданной геометрии в реакционную зону. Камера смешения состоит из секций предварительного смешения, турбулизации, выравнивания потока и окончательной гомогенизации. Последняя секция выполняет одновременно и функции теплоемкостного пламягасителя. Устройство ввода гомогенизированной смеси в реакционную зону представляет собой охлаждаемое, например, трехстеночное торцевое днище со сквозными перепускными отверстиями заданной геометрии и заданного расположения по площади днища. На входе смесительного элемента расположены узлы подвода конвертируемых газов и узел подвода и отвода охладителя. На наружной поверхности гладкого или ступенчатого цилиндрического корпуса располагаются устройства для разъемного и герметичного соединения смесительного элемента со смежными сборками.

На фиг. 1 представлен общий вид смесительного элемента.

На фиг. 2, 3, вид по стрелке А, показано расположение перепускных отверстий.

На фиг. 4, 5 показаны варианты геометрии сквозных отверстий в днище.

В соответствии с фиг. 1 смесительный элемент содержит охлаждаемый цилиндрический корпус 1, многосекционную камеру смешения 2, охлаждаемое днище 3, узел подвода окислителя 4, узел подвода горючего 5, узел подачи и отвода охладителя 6.

Камера смешения смесительного элемента включает секцию предварительного смешения компонентов 7, секцию турбулизации потока 8, секцию выравнивания потока 9, секцию окончательной гомогенизации - пламягаситель 10, ограниченный с одной стороны металлической сеткой 11, с другой - решеткой 12, которая поджимает проницаемую металлическую набивку пламягасителя и скреплена с корпусом камеры смешения.

Внутренний проточный диаметр всех секций может быть одинаковым либо диаметр D₁ может быть меньше диаметра D₂ на 10-20%. Переход от D₁ к D₂ должен быть плавным, а на наружном корпусе допускается уступ под размещение уплотнения.

Продольные длины секций предварительного смешения, турбулизации и выравнивания потока равны соответственно 1-2,0,2-0,5 и 1-3 к диаметру D₁.

Во избежание проскока пламени внутрь камеры смешения при забросах давления в реакционной зоне продольная длина пламегасителя 10, снабженного проницаемой металлической набивкой, например в виде медных трубочек или проволоки, составляет 2 - 3 диаметра камеры смешения. Гидравлическое сопротивление набивки задается в диапазоне 0,1 - 0,3 МПа. В разветвленных, с малым гидравлическим диаметром, каналах набивки процесс гомогенизации в основном завершается.

Охлаждаемое днище 3 имеет сквозные перепускные отверстия 13, выполненные или в форме цилиндра, или в форме усеченного конуса, переходящего в цилиндр, причем большее основание конуса обращено в сторону камеры смешения. Второе решение предназначено для уменьшения воздействий на поток в смесительном элементе со стороны реакционной зоны в вариантах его использования в высокодинамичных при запуске камерах сгорания.

Отверстия расположены или параллельными рядами, или по радиальным лучам, как показано на фиг. 2 и 3.

Общее число рядов или лучей не менее 3.

Суммарная площадь проходных сечений сквозных перепускных отверстий составляет 0,02 - 0,1 поперечной площади камеры смешения.

Отношение продольной длины L сквозных перепускных отверстий к диаметру (L/d) должно быть не менее 5, длины L₁ к диаметру d - не менее 2,5, а диаметр d выбирается в диапазоне 0,3 - 3,0 мм, см. фиг. 4 и 5.

Все подводы и отводы компонентов выполнены на входной части смесительного элемента, при этом по трактам окислителя и углеводородного газа на входе в секцию предварительного смешения 7 установлены завихрители 14 и 15, см. фиг. 1.

На корпусе 1 размещаются устройства для разъемного и герметичного соединения смесительного элемента со смежными сборками (с корпусом смесительной головки).

Смесительный элемент работает следующим образом, см. фиг. 1.

Газообразное углеводородное горючее, например, преимущественно природный газ, поступает в узел подвода 5 и через завихритель 15 подается в секцию 7 предварительного смешения компонентов. Кислородосодержащий окислитель, например, воздух или кислород, или воздух, обогащенный по кислороду, или кислород в смеси с одним из газов-модификаторов (CO₂, Н₂О), поступает в узел подвода 4 и через завихритель 14 также подается в секцию 7 предварительного смешения рабочих компонентов.

Из секции 7 поток поступает в секцию турбулизации 8, где установлены, например, две плоских перегородки 16 со сквозными каналами малого диаметра 1-5 мм с радиальным или угловым смещением каналов в перегородках друг относительно друга. Далее гомогенизируемая смесь газообразных углеводородного горючего и окислителя поступает в секцию выравнивания потока 9, а из нее через решетку 12 - в пламягаситель 10. Пройдя пламягаситель и металлическую сетку 11, гомогенная смесь по сквозным перепускным отверстиям 13 в виде газовых струй истекает наружу, в реакционную зону камеры сгорания, со скоростью, не менее чем в 2-3 раза превышающую скорость распространения пламени в смеси того же состава. Рекомендуемый диапазон скоростей струй на выходе из перепускных отверстий 50-100 м/с.

Для охлаждения корпуса 1 и торцевого днища 3 на вход в узел подачи и отвода охладителя 6 подается охлаждающий компонент, преимущественно вода, но могут использоваться и основные компоненты, который протекает в зазоре между перегородкой 17 и корпусом 1 в одном направлении, омывает изнутри торцевое днище 3 и по зазорам в промежуточной стенке вдоль втулок перепускных отверстий 13 отводится в сборный коллектор днища и далее протекает в зазоре между перегородкой 17 и корпусом камеры смешения 2 в обратном направлении на выход.

Рекомендуемые конструкционные материалы - нержавеющие стали и сплавы. Для набивки пламягасителя и для днища 3 при высоких давлениях в реакционной зоне рекомендуется использовать сплавы на основе меди и/или никеля.

Смесительный элемент гомогенного типа для камер сгорания высокопроизводительных генераторов синтез-газа (nH₂+СО), работающих преимущественно по методу неравновесного парциального окисления углеводородного горючего кислородосодержащим окислителем, включает цилиндрический охлаждаемый корпус, внутри которого по всей его продольной длине расположена многосекционная камера смешения, охлаждаемое торцевое днище со сквозными отверстиями, узлы подвода горючего и окислителя, подачи и отвода охладителя. Предложенная конструкция обеспечивает надежную гомогенизацию потока смешиваемых компонентов и его подачу в реакционную зону камеры сгорания по определенной геометрической схеме и со скоростными параметрами, обеспечивающими в неравновесных условиях высокий коэффициент конверсии (по окиси углерода) и достижение более высокой объемной производительности агрегата в целом (не менее чем в 10 раз) сравнительно с лучшими из известных аналогов. При этом достигается высокая работоспособность смесительного элемента на всех режимах работы и при всех реальных тепловых и динамических воздействиях на него со стороны реакционной зоны. Смесительный элемент используется при создании реакторов (камер сгорания) для получения синтез-газа, совмещающих в себе схемы идеального перемешивания (вихревая зона у торцевого днища смесительного элемента) и идеального вытеснения (прямоток в реакционной зоне). 2 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Смесительный элемент гомогенного типа для камер сгорания высокопроизводительных генераторов синтез-газа (nH₂ + CO), работающих преимущественно по методу неравновесного высокотемпературного парциального окисления углеводородных газов кислородом, содержащий охлаждаемый цилиндрический корпус с устройствами для крепления, многосекционную камеру смешения, охлаждаемое торцевое днище, узел подвода газообразного кислородосодержащего окислителя, узел подвода газообразного углеводородного горючего, узел подачи и отвода охладителя, отличающийся тем, что камера смешения, расположенная внутри корпуса по всей его продольной длине имеет по ходу движения перемешиваемых газообразных компонентов секцию предварительного смешения, секцию турбулизации потока, секцию выравнивания потока и секцию окончательной гомогенизации, выполняющей и функции пламягасителя, выполненную в виде проницаемой металлической набивки, например, из обрезков медных трубочек или проволоки, ограниченной со стороны торцевого днища металлической сеткой, а со стороны секции выравнивания потока поджимающей набивку решеткой, которая разъемно или неразъемно скреплена с корпусом, а в торцевом днище выполнены сквозные отверстия с диаметрами в минимальном сечении 0,3 - 3,0 мм, расположенные параллельными рядами или по радиальным лучам при общем числе рядов или лучей не менее 3 и имеющие суммарную площадь проходного поперечного сечения 0,02 - 0,1 от площади торцевого днища, при этом на входе в камеру смешения в каждом из узлов подвода смешиваемых газообразных компонентов установлены завихрители-жиклеры. 2. Смесительный элемент по п.1, отличающийся тем, что продольная длина секции пористого пламягасителя составляет 2 - 3 внутренних диаметра его корпуса, продольные длины секций предварительного смешения, турбулизации и выравнивания потока равны соответственно 1 - 2, 0,2 - 0,5 и 1 - 3 их внутреннего диаметра, который может быть равен внутреннему диаметру секции пламягасителя или отличаться от него в большую или меньшую сторону на 10 - 20%. 3. Смесительный элемент по п. 1 или 2, отличающийся тем, что каждое сквозное перепускное отверстие в торцевом днище выполнено в форме усеченного конуса с вершиной, переходящей в цилиндр, обращенный наружу, в сторону реакционной зоны, и с основанием, направленным в сторону камеры смешения, а отношение продольной длины цилиндрической части сквозных перепускных отверстий к их диаметру d не менее 2,5, а диаметр основания конуса не менее 2d.