Настоящее изобретение относится к способу вторичного реформинга, точнее к способу проведения реакций вторичного реформинга для получения смесей газов, содержащих водород и моноксид углерода, например синтез-газов, используемых для производства аммиака и метанола, а также к горелке для осуществления такого способа и к установке для вторичного реформинга.
Основное внимание в изобретении уделено, в частности, экзотермической реакции сгорания, которая предшествует сильной эндотермической каталитической реакции конверсии (каталитического реформинга) с водяным паром.
Изобретение, в частности, относится к способу вторичного реформинга, в котором в камеру сгорания через подводящую трубу горелки подают поток кислородсодержащего газа и поток содержащего углеводороды газа через по существу кольцевой канал горелки, внутри которого проходит труба, по которой в камеру сгорания подается поток кислородсодержащего газа, в камере сгорания поток газа, содержащего кислород, смешивают с потоком вступающего с ним в реакцию содержащего углеводороды газа, получая в итоге поток газа, содержащего водород и моноксид углерода, и поток газа, содержащего водород и моноксид углерода, пропускают через расположенный под камерой сгорания слой катализатора, в котором происходит реакция реформинга с водяным паром.
В приведенном ниже описании и в формуле изобретения под "потоком кислородсодержащего газа" понимается поддерживающий горение газ, в котором помимо кислорода содержится также водяной пар и при определенных условиях азот, а под "потоком содержащего углеводороды газа" понимается горючий или технологический газ, содержащий кроме легких углеводородов (C1-C4) водород, моноксид углерода, диоксид углерода и пар.
Горючий газ обычно получают в секции первичного реформинга, в которой различные углеводороды, такие как природный газ, сырая нефть, сжиженный нефтяной газ или нефтезаводской газ и их смеси, вступают в реакцию с водяным паром. Такие газы также называют преобразованными или конверсионными газами.
В приведенном ниже описании и в формуле изобретения под "потоком газа, содержащего водород и моноксид углерода", понимается поток газа, содержащего кроме СО и Н2 также N2, Аr и Не.
В настоящее время в промышленности, связанной с получением синтез-газа, ощущается, как известно, острая необходимость в разработке новых способов осуществления имеющих высокий выход реакций вторичного реформинга, которые могли бы быть осуществлены достаточно просто при пониженном потреблении энергии и низких технологических и эксплуатационных расходах.
В настоящее время известны различные отвечающие этим требованиям способы вторичного реформинга, которые основаны на проведении реакции сгорания путем смешения в камере сгорания потока кислородсодержащего газа с потоком содержащего углеводороды газа, обычно преобразованного газа, полученного в секции первичного реформинга.
Обычно при осуществлении таких способов поток кислородсодержащего газа подают в камеру сгорания в радиальном направлении из круглого коллектора в виде множества сгруппированных в расположенные один над другим ряды отдельных струй, вместе с которыми в камеру сгорания подается поток содержащего углеводороды газа.
При этом в камере сгорания образуется множество распределенных по окружности радиальных факелов (языков) пламени (по одному на каждую струю), которые обычно сгруппированы в расположенные относительно направления движения потока технологического (горючего) газа один над другим ряды, в результате чего даже в ограниченной по размерам камере сгорания происходит практически полное сгорание подаваемого в нее технологического газа.
В этой связи необходимо отметить, что в предназначенных для вторичного реформинга установках камера сгорания, в которой происходит сжигание углеводородов, занимает расположенное над слоем катализатора пространство, в котором затем происходит реакция конверсии образовавшегося в результате сгорания углеводородов газа, содержащего моноксид углерода и водород, с водяным паром.
Для получения оптимального выхода в таких установках необходимо, чтобы находящийся в них катализатор занимал по возможности максимальный объем, что, как очевидно, ограничивает размеры пространства, в котором происходит реакция сгорания технологического (горючего) газа.
Несмотря на то, что разделение потока кислорода на отдельные сгруппированные в расположенные один над другим ряды струи, направляемые в камеру сгорания в полурадиальном направлении, позволяет повысить эффективность сжигания углеводородов даже в небольшой по размерам камере сгорания, такие известные в настоящее время способы обладают целым рядом перечисленных ниже недостатков.
Подача в камеру сгорания кислородсодержащего газа в виде отдельных распределенных по окружности и направленных радиально струй, сгруппированных относительно направления подачи в камеру сгорания газообразного потока углеводородов в расположенные один над другим ряды, не обеспечивает оптимального смешения в камере сгорания химически активных вступающих друг с другом в реакцию сгорания газов и газа, образовавшегося в результате этой реакции. Следствием этого является неоднородное сгорание углеводородов и связанное с этим снижение выхода последующей реакции конверсии с водяным паром, что отрицательно сказывается на всем процессе получения синтез-газа.
В первую очередь это связано с неоптимальным расположением и размерами струй, в виде которых в камеру сгорания подается кислородсодержащий газ и которые не обеспечивают равномерного по всему объему камеры сгорания поступающего в нее технологического (горючего) газа и смешения с газом, образовавшимся в результате сгорания углеводородов, а также связано с образованием в камере сгорания разных факелов пламени, отличающихся друг от друга по температуре и по составу.
Характерным для известных в настоящее время способов вторичного реформинга является неодинаковое количество поступающего в камеру сгорания вместе с каждой струей кислородсодержащего газа содержащего углеводороды газа.
При неоптимальном расположении и неоптимальных размерах струй, в виде которых в камеру сгорания подается кислород, в частности, при их неадекватном количестве и слишком большом диаметре формирующих эти струи сопел, образующиеся в камере сгорания факелы пламени имеют слишком большую длину.
Длина факела (языка) пламени является основополагающим параметром, от которого зависит оптимальный режим работы камеры сгорания. Слишком длинные языки пламени, которые воздействуют на огнеупорную футеровку, которой выложены стенки камеры сгорания, а также на расположенный под ней катализатор, снижают срок службы футеровки и преждевременно делают катализатор непригодным для дальнейшего использования.
При слишком большой длине языков пламени в установках для проведения вторичного реформинга известными способами огнеупорную футеровку камеры сгорания приходится менять сравнительно часто, что повышает затраты на обслуживание и стоимость получаемого на них синтез-газа. Кроме того, во избежание повреждения катализатора приходится уменьшать объем занимаемого им пространства, снижая тем самым выход предназначенной для получения синтез-газа установки.
Характерным для известных способов вторичного реформинга углеводородов является большое падение давления потока содержащего кислород газа, который не только используется в качестве газа, поддерживающего реакцию горения, но и в качестве газа, охлаждающего стенки горелки, предназначенной для осуществления реакции сгорания, с целью их защиты от разрушения и очень быстрого выхода горелки из строя.
В известных способах вторичного реформинга при использовании поддерживающего процесс горения газа для охлаждения стенок горелки его приходится пропускать по определенному пути с большим гидравлическим сопротивлением, определяющим высокие потери давления потока поддерживающего процесс горения газа и, как следствие этого, повышенные затраты энергии и большие технологические и эксплуатационные расходы.
Практическая реализация обладающих такими недостатками известных способов проведения реакций вторичного реформинга связана с высоким потреблением энергии и высокими технологическими и эксплуатационными расходами, которые определяют очень высокую стоимость получаемого в итоге синтез-газа.
Исходя из вышеизложенного в основу настоящего изобретения была положена задача разработать способ проведения реакций вторичного реформинга с высоким выходом, который был бы простым в осуществлении при сравнительно низких технологических и эксплуатационных расходах.
Эта задача решается согласно изобретению с помощью указанного в начале описания способа вторичного реформинга, который отличается тем, что при его осуществлении поток содержащего кислород газа подают в камеру сгорания в виде множества отдельных имеющих равную скорость струй, которые образуются с помощью расположенных параллельно друг другу сопел небольшого диаметра и расположены относительно направления подачи в камеру сгорания потока, содержащего углеводороды, не одна над другой, в камере сгорания множество струй кислородсодержащего газа распределяют в газообразном потоке углеводородов и поток кислородсодержащего газа смешивают в одинаковом по всей камере сгорания соотношении с соответствующими количествами потока содержащего углеводороды газа.
Преимуществом изобретения является возможность оптимизации реакции сжигания углеводородов, а следовательно, и повышения эффективности всего процесса получения синтез-газа при минимальных затратах энергии и технологических и эксплуатационных расходах.
При осуществлении предлагаемого в изобретении способа поток кислородсодержащего газа, подаваемого в камеру сгорания, разделяют на множество отдельных струй, которые относительно направления подачи в камеру сгорания потока содержащего углеводороды газа не расположены одна над другой. Иными словами, каждая часть потока содержащего углеводороды газа, подаваемого в камеру сгорания, вступает, в отличие от известных способов, во взаимодействие не с множеством, а только с одной струей подаваемого в камеру сгорания кислородсодержащего газа.
Кроме того, подаваемый в камеру сгорания в виде отдельных струй поток кислородсодержащего газа, который распределяется в потоке подаваемого в камеру сгорания содержащего углеводороды газа, смешивается с потоком содержащего углеводороды газа в одинаковом по всей камере сгорания соотношении.
В результате этого под действием разрежения, создаваемого каждой струей кислородсодержащего газа, в камеру сгорания поступает постоянное (по всему пространству камеры сгорания) количество горючего газа и возможно вторичного образовавшегося в результате сжигания углеводородов газа и поэтому все образовавшиеся в камере сгорания языки пламени имеют одинаковую температуру и одинаковый состав.
Другими словами, изобретение позволяет оптимизировать процесс смешения подаваемых в камеру сгорания газообразных реагентов и получить одинаковые языки пламени, обеспечивающие постоянное и однородное сгорание углеводородов во всей камере сгорания.
Одновременно с этим за счет полного сгорания углеводородов обеспечивается экономия энергии и повышается выход последующей реакции каталитической конверсии (каталитического реформинга) с водяным паром.
Кроме того, предлагаемый в изобретении способ, при осуществлении которого отдельные струи газа не проходят одна над другой, а формируются в виде отдельных параллельных друг другу тонких струй с одинаковой скоростью, обеспечивает возможность более эффективного и равномерного охлаждения конца подводящей трубы, которая из-за воздействия на нее образовавшихся в результате сгорания углеводородов горячих газов подвержена быстрому выходу из строя, всем количеством проходящего через эту трубу и поступающего в камеру сгорания кислородсодержащего газа, протекающего через конец этой трубы с постоянной скоростью в виде однородного потока газа. Тем самым существенно увеличивается срок службы, имеющийся в горелке, которая используется для сжигания технологического газа, подводящей трубы, по которой в камеру сгорания подается поток кислородсодержащего газа, и, как следствие этого, отпадает необходимость в ее частой замене, которая требует остановки всей установки, снижаются эксплуатационные расходы и уменьшается стоимость получаемого синтез-газа.
Помимо этого предлагаемый в изобретении способ при всей своей простоте и высокой надежности является достаточно простым в осуществлении без больших капиталовложений или больших расходов на обслуживание.
Разработка предлагаемого в изобретении способа проведения реакций вторичного реформинга для получения синтез-газа, лишенного перечисленных выше недостатков, присущих известным способам, стала возможной только в результате проведенных заявителем исследований.
Предпочтительно поток кислородсодержащего газа подавать в камеру сгорания по существу в поперечном направлении относительно подаваемого в нее потока содержащего углеводороды газа.
В этом случае обеспечивается оптимальная циркуляция внутри камеры сгорания газов, образовавшихся в ней в результате сгорания углеводородов, которые увлекаются струями кислорода и несут энергию, достаточную для образования пламени в камере сгорания.
Для дополнительной экономии энергии целесообразно, чтобы при прохождении потока кислородсодержащего газа по подводящей трубе горелки его давление суммарно падало на 0,25-2 бара.
Предпочтительно, чтобы струи подаваемого в камеру сгорания кислородсодержащего газа были направлены по существу ортогонально направлению движения потока этого газа в подводящей трубе.
В этом случае существенно упрощается формирование однородных и не меняющихся во времени струй кислородсодержащего газа и создаются условия для более эффективного перемешивания кислорода с углеводородами и повышения эффективности реакции сгорания.
Одновременно с этим обеспечивается и более эффективное охлаждение конца подводящей трубы горелки, подверженного воздействию высоких тепловых напряжений.
В соответствии с другим объектом в изобретении предлагается также горелка для вторичного реформинга, имеющая по существу цилиндрическую подводящую трубу определенной заранее выбранной длины, по которой в расположенную под горелкой камеру сгорания подается поток кислородсодержащего газа, отличающаяся наличием по крайней мере одного коллектора для потока кислородсодержащего газа, расположенного на конце подводящей трубы и сообщающегося с ней, в котором расположено множество сопел, распределенных по периметру коллектора у его нижнего края и не расположенных друг над другом в направлении, перпендикулярном нижнему краю коллектора.
Предпочтительно сопла горелки расположить в коллекторе в один ряд, предпочтительно параллельный нижнему края коллектора.
Предпочтительно сопла горелки выполнить диаметром от 2 до 30 мм, предпочтительно от 5 до 25 мм.
В предпочтительном варианте выполнения сопла горелки имеют на входе выполненную на внутренней стороне коллектора обратной зенковкой коническую фаску.
При этом нижний край коллектора должен иметь в поперечном сечении по существу полукруглую форму.
В еще одном варианте предпочтительного выполнения горелка имеет множество коллекторов, которые отходят в радиальном направлении от нижнего конца подводящей трубы, а имеющиеся в коллекторах сопла распределены вдоль их противоположных стенок.
В этом случае сопла могут быть выполнены круглыми и расположены на определенном расстоянии друг от друга, которое удовлетворяет следующему условию:
Ni·D
где С является постоянной величиной; Ri означает радиус i-той окружности, проходящей через сопла; Ni означает количество сопел на окружности с радиусом Ri; di означает диаметр сопел на окружности с радиусом Ri; DR означает радиальное расстояние, равное (Ri+1-Ri-1)/2.
Целесообразно противоположные стенки коллекторов выполнить плоскими, по существу параллельными друг другу и отходящими от нижнего конца подводящей трубы под углом от 30 до 60° к оси подводящей трубы.
При этом нижние края коллекторов желательно выполнить по существу прямоугольными и наклонными к оси под углом от 45 до 90° .
В то же время сопла могут быть наклонены по отношению к стенкам коллекторов под углом от 90 до 10° , предпочтительно под углом, равным 45° .
Следует отметить, что целесообразно конец подводящей трубы оснастить устройством, отклоняющим поток кислородсодержащего газа в направлении коллекторов.
Указанное устройство предпочтительно выполнить в виде отражателя конической формы, вершина которого расположена вблизи верхней части конца подводящей трубы.
Объектом изобретения является также установка для вторичного реформинга, имеющая по существу цилиндрический корпус, образующий расположенную внутри него камеру сгорания, под которой находится слой катализатора, впускные патрубки, через которые в камеру сгорания подается соответственно поток содержащего углеводороды газа и поток кислородсодержащего газа, и выпускной патрубок, который сообщается со слоем катализатора и по которому из корпуса выводится поток синтез-газа. Согласно изобретению установка снабжена горелкой описанного выше выполнения и расположенной между впускными патрубками и камерой сгорания.
Другие отличительные особенности и преимущества изобретения более подробно рассмотрены ниже на примере одного из возможных, но не ограничивающих его объем вариантов осуществления предлагаемого в нем способа со ссылками на соответствующие чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - схематичное изображение в продольном разрезе используемой для получения синтез-газа установки для вторичного реформинга, которая имеет горелку, предназначенную для осуществления предпочтительного варианта предлагаемого в изобретении способа,
на фиг.2 - схематичное изображение в поперечном сечении горелки по фиг.1, выполненной в соответствии с предпочтительным вариантом изобретения,
на фиг.3 - схематичное изображение горелки в сечении плоскостью Х-Х по фиг.2 и
на фиг.4 - схематичное изображение деталей горелки по фиг.3 в сечении плоскостью Y-Y.
На фиг.1 показана схема установки 1 для вторичного реформинга, которая имеет по существу цилиндрический корпус 2, в котором находится слой 3 катализатора, в котором происходят соответствующие реакции, в частности реакция конверсии (реформинга) с водяным паром, в результате которой получают синтез-газ.
В верхней части корпуса 2, имеющей форму конуса, находится камера 4 сгорания, в которой происходит сгорание углеводородов, а в его нижней также имеющей форму конуса части находится камера 5, в которой собирается синтез-газ, полученный в результате реакций, протекающих в слое 3 катализатора.
Камера 4 сгорания, в которой происходит реакция сгорания между кислородом и углеводородами, ограничена снизу максимальным уровнем (верхней поверхностью) слоя находящегося в корпусе 2 катализатора, обозначенным на фиг.1 пунктирной линией 3а, а сверху - горелкой 6, конструкция которой подробно рассмотрена ниже.
Внутренняя поверхность корпуса 2 покрыта огнеупорной облицовкой, обозначенной на фиг.1 позицией 7 и защищающей металлический корпус от воздействия высоких температур.
Поток содержащего углеводороды газа подается в установку 1 через впускной патрубок 8 обычно из секции (не показана) первичного реформинга.
Поток кислородсодержащего газа подается в установку 1 через впускной патрубок 9. Этот газ, который называют также поддерживающим горение газом, представляет собой обычный воздух или воздух, обогащенный кислородом. Под "обогащенным кислородом воздухом" понимается воздух, в котором содержится более 21 (в частности, от 22 до 80) мол.% кислорода.
Полученный в результате конверсии (реформинга) с водяным паром синтез-газ выводится из установки 1 через сообщающийся с камерой 5 выпускной патрубок 10.
Позицией 11 на чертеже обозначена полусферическая перегородка, удерживающая внутри корпуса 2 слой 3 находящегося в нем катализатора.
Показанная на фиг.1 установка для вторичного реформинга обычно работает при температуре от 800 до 1000° С и давлении от 20 до 40 бар. В технике такие установки называют также автотермическими реформинг-установками.
В качестве катализатора в установке 1 для вторичного реформинга используют обычный катализатор, который в приведенном ниже описании подробно не рассматривается.
Горелка 6, показанная на фиг.1, расположена внутри верхней части 2а корпуса 2, диаметр которой меньше диаметра средней или основной части корпуса.
В горелке имеется первая по существу подводящая цилиндрическая труба 12 определенной заранее выбранной длины, которая сообщается с впускным патрубком 9, через который в расположенную под горелкой камеру 4 сгорания подается поток кислородсодержащего газа.
В верхней части 2а корпуса 2 на одной оси с горелкой 6 расположена вторая труба 13, которая вместе с первой трубой 12 образует расположенный между ними кольцевой канал 14, по которому в камеру 4 сгорания подается поток содержащего углеводороды газа.
Кольцевой канал 14 сообщается с впускным патрубком 8, который отходит от второй трубы 13 в перпендикулярном направлении.
Предлагаемая в изобретении горелка 6 имеет также по крайней мере один коллектор 15, в который через нижний конец 12а первой трубы 12 поступает поток кислородсодержащего газа.
В предпочтительном, показанном более подробно на фиг.2-4 варианте предлагаемая в изобретении горелка 6 имеет несколько коллекторов 15, которые отходят в радиальном направлении от нижнего конца 12а первой трубы 12.
Предпочтительное количество коллекторов 15, которое выбирается в зависимости от расхода вступающих в реакцию газов и имеющегося в камере 4 сгорания свободного пространства для их размещения, составляет от 4 до 12. В рассматриваемом примере горелка 6 имеет восемь вытянутых в радиальном направлении коллекторов 15, равномерно распределенных по окружности первой трубы 12.
Целесообразно, чтобы каждый коллектор 15 имел расположенные вдоль его нижнего края сопла 16, которые в направлении, перпендикулярном нижнему краю 15а коллектора, не должны быть расположены одно над другим.
В данном конкретном примере сопла 16 выполнены в противоположных стенках 17 коллекторов 15.
Показанные на фиг.2-4 детали горелки 6, аналогичной по своей конструкции и принципу работы горелке по фиг.1, обозначены теми же позициями, что и соответствующие детали показанной на фиг.1 и в дальнейшем уже не рассматриваемой горелки.
Благодаря наличию выполненных в стенках 17 коллекторов 15 по всей их длине сопел 16 предлагаемая в изобретении установка для вторичного реформинга обладает существенными преимуществами по сравнению с известными установками такого типа в части смешения участвующих в проведении реакции вторичного реформинга газов и их более эффективного сгорания в камере 4 сгорания.
При наличии в предлагаемой установке коллекторов с выполненными в них соответствующим образом соплами каждая часть потока содержащего углеводороды газа, который подается в камеру 4 сгорания из кольцевого канала 14 фактически в осевом направлении, изображенном на фиг.3 пунктирной линией 18, увлекается в камеру сгорания и смешивается в ней только с одной струей кислородсодержащего газа, образующейся при прохождении этого поддерживающего горение газа через сопла 16 коллекторов 15.
То же самое можно сказать и о циркулирующих в камере 4 сгорания газах, образовавшихся в ней в результате сгорания углеводородов (на чертежах не показаны). В этом случае каждая часть образовавшегося в камере сгорания отработанного газа, протекающего рядом с горелкой, также увлекается только одной струей поддерживающего процесс горения газа.
Предлагаемая в изобретении горелка 6 обеспечивает почти постоянные условия смешивания у коллекторов 15 подаваемых в камеру сгорания газов, и поэтому все образующиеся в камере сгорания языки пламени имеют одинаковую протяженность, температуру и состав.
Для наиболее эффективного смешения вступающих в камере сгорания во взаимодействие газов все имеющиеся в каждом коллекторе сопла 16 следует располагать по одной линии, предпочтительно параллельной нижнему краю 15а коллектора 15, как это показано на фиг.3.
В этой связи необходимо отметить, что радиальное расположение всех коллекторов 15, сообщающихся с концом 12а первой трубы 12, позволяет оптимальным образом использовать небольшое пространство в камере 4 сгорания.
В расположенных таким образом коллекторах 15 можно выполнить большое количество сопел 16 небольшого диаметра, не расположенных одно над другим в направлении, перпендикулярном нижнему краю 15а коллектора 15. Большое количество сопел позволяет иметь в камере сгорания такое же большое количество языков пламени (по одному на каждую струю кислорода), наличие которых обеспечивает полное сгорание внутри камеры 4 сгорания всего подаваемого в нее газа. При этом все языки пламени, в которых сгорают углеводороды, имеют сравнительно небольшую длину и не оказывают разрушающего воздействия на расположенный ниже камеры 4 сгорания катализатор или на ее внутренние стенки.
В рассматриваемом примере сопла 16 имеют круглую форму. Однако сопла 16 могут иметь и любую иную форму, например прямоугольную, образуя при этом на конце коллектора множество расположенных рядом друг с другом щелей.
Сопла 16 целесообразно располагать по периметру коллекторов 15 с переменным расстоянием между соседними соплами, обеспечивающим в каждой обращенной к горелке 6 зоне камеры 4 сгорания одинаковое соотношение между смешиваемыми друг с другом потоком кислородсодержащего газа и потоком содержащего углеводороды газа.
Переменное расстояние между соплами позволяет добиться того, чтобы вдоль всего радиуса каждого коллектора 15 процесс сгорания углеводородов происходил в одинаковых условиях.
Для круглых сопел 16 расстояние между соседними соплами определяется из следующей зависимости:
Ni·D
где С является постоянной величиной; Ri означает радиус i-й окружности, проходящей через сопла; Ni означает количество сопел на окружности с радиусом Ri; Di означает диаметр сопел на окружности с радиусом Ri, a DR означает радиальное расстояние, равное (Ri+1-Ri-1)/2.
Радиус Ri равен расстоянию между осью А трубы 12 и соплами 16, расположенными на i-й окружности.
Аналогичной зависимостью можно руководствоваться и для некруглых сопел.
Выбор расстояния между соседними соплами 16 на основании приведенной выше зависимости позволяет добиться оптимального режима сгорания углеводородов в камере 4 сгорания и помимо всего остального избежать нежелательного пересечения друг с другом или воздействия друг на друга соседних струй или соседних языков пламени.
Наилучших с этой точки зрения результатов можно добиться в том случае, когда радиальное расстояние DR между соседними соплами 16 одного и того же коллектора 15 будет обратно пропорционально радиусу Ri.
Иными словами, при равном размере сопел 16 по мере удаления от оси А трубы 12 расстояние между соседними соплами по длине коллектора 15 должно уменьшаться.
В другом варианте для того, чтобы процесс сгорания углеводородов в камере сгорания происходил в одинаковых по длине коллектора условиях, можно использовать расположенные на одинаковом расстоянии друг от друга сопла 16 с разными по длине коллектора 15 размерами.
Целесообразно, чтобы сопла 16 имели диаметр от 2 до 30 мм, предпочтительно от 5 до 25 мм и наиболее предпочтительно от 5 до 15 мм. Указанные выше размеры позволяют оптимизировать количество и диаметр сопел 16 при их выполнении в стенках 17 коллекторов 15.
Выполненные таким образом сопла позволяют получить на выходе из коллектора большое количество струй, выходящих из него с небольшой скоростью, а следовательно, и большое количество коротких языков пламени. Тем самым создаются условия для сжигания больших количеств технологического газа в крайне ограниченном по размерам пространстве и исключается опасность нежелательного воздействия языков пламени на катализатор или на выложенные огнеупорной облицовкой стенки камеры 4 сгорания.
Выполненные описанным выше способом коллекторы с соплами не только исключают возможность повреждения самой горелки 6 и расположенного под камерой сгорания катализатора, используемого для проведения реакции конверсии (реформинга) с водяным паром, но и увеличивают суммарный выход предназначенной для этого установки. Кроме того, отсутствие необходимости в частой замене огнеупорной облицовки (в отличие от известных в настоящее время установок такого типа) обеспечивает значительную экономию в части снижения потерь получаемого синтез-газа и уменьшения расходов, связанных с обслуживанием установки.
Для уменьшения нежелательных потерь давления потока, содержащего кислород и водяной пар, проходящего через коллекторы 15, на входе в круглые сопла 16 со стороны внутренней поверхности 17' стенки 17 выполнена обратной зенковкой коническая фаска, как показано на фиг.4.
Наличие на входе в сопло такой конической фаски позволяет по сравнению с обычным соплом без фаски на входе до 50% уменьшить потери давления выходящего из сопла потока кислородсодержащего газа.
Кроме того, наличие на входе в сопло конической фаски обеспечивает ламинарный режим течения проходящего через сопло 16 потока поддерживающего горение газа. При ламинарном течении в потоке газа отсутствуют завихрения, из-за которых выходящая из сопла струя кислорода становится обычно нестационарной и неоднородной и не обеспечивает надлежащего смешения вступающих в реакцию сгорания газов, в результате чего возникает опасность образования в камере сгорания различных по температуре и составу языков пламени.
Нижние края 15а коллекторов 15 имеют предпочтительно полукруглое поперечное сечение, которое способствует более равномерному течению выходящего из сопла 16 потока кислородсодержащего газа и позволяет еще больше уменьшить его потери давления.
В соответствии с другим объектом изобретения предлагается использовать специальное устройство, выравнивающее (по распределению скоростей в поперечном сечении) поток содержащего углеводороды газа, который попадает в камеру сгорания из по существу кольцевого канала 14.
В варианте, показанном на фиг.2-4, такое устройство состоит из множества перфорированных плоских перегородок 20, установленных в кольцевом канале 14 рядом с коллекторами 15. Перегородки 20 расположены перпендикулярно стенкам 17 соответствующего коллектора 15 и проходят параллельно их нижнему краю 15а на некотором расстоянии над соплами 16.
При определенном количестве и форме коллекторов 15 предлагаемая в изобретении горелка может иметь и одну такую перегородку 20.
Поскольку патрубок 8, по которому в горелку подается технологический газ, расположен перпендикулярно кольцевому каналу 14, образованному трубами 12 и 13, в протекающем по кольцевому каналу 14 потоке содержащего углеводороды газа возникает определенная турбулентность. Из-за возникновения такой турбулентности попадающий в камеру 4 сгорания поток содержащего углеводороды газа становится неоднородным и имеет неравномерное по поперечному сечению распределение скоростей.
При отсутствии перфорированной перегородки 20, которая обеспечивает равномерное распределение скоростей в потоке технологического (горючего) газа, и небольшом расстоянии от того места, где технологический газ попадает в камеру сгорания, до той ее зоны, в которой этот поток смешивается с кислородом, не удается добиться оптимального смешения в камере сгорания вступающих в ней в реакцию газов, которое могло бы обеспечить равномерное по всему объему камеры сгорания и постоянное во времени распределение скоростей, а следовательно, и количества (расхода) сгорающего в камере сгорания содержащего углеводороды газа.
При равномерном распределении скоростей в потоке содержащего углеводороды газа на входе в камеру 4 сгорания количество технологического газа, попадающего в камеру сгорания под воздействием любой из вытекающих из сопел 16 струй кислорода, оказывается одинаковым и не меняется во времени в любой точке камеры сгорания в непосредственной близости от горелки 6, что способствует более эффективному и полному сгоранию углеводородов.
Иными словами, для выравнивания на входе в камеру 4 сгорания выходящего из по существу кольцевого канала 14 потока содержащего углеводороды газа необходимо, пропустив его через перфорированную перегородку, создать в нем определенные потери его давления.
Как показано на фиг.3, противоположные стенки 17 коллекторов 15 выполнены плоскими и расположены по существу параллельно друг другу. Кроме того, стенки 17 коллекторов, которые отходят от нижнего конца 12а первой трубы 12, расположены к оси А трубы 12 под некоторым углом, составляющим предпочтительно от 30 до 60° .
Иными словами, коллекторы 15 имеют по существу форму параллелепипедов и образуют имеющие низкое гидравлическое сопротивление каналы, через которые в камеру сгорания в режиме, близком к ламинарному, проходит поддерживающий горение газ.
Наклонное по отношению к оси А первой трубы 12 расположение коллекторов 15 позволяет ограничить зону смешения вступающих друг с другом в реакцию газов верхней частью камеры 4 сгорания, увеличив тем самым ту ее зону, в которой происходит реакция сгорания.
В этой связи следует также отметить, что нижние края 15а коллекторов 15 выполнены прямолинейными и наклонены к оси А под углом от 45 до 90° , предпочтительно от 60 до 80° , в частности под углом, равным 70° .
С целью уменьшить опасность повреждения огнеупорной облицовки внутренних стенок камеры 4 сгорания языками пламени, образующимися выходящими из коллекторов 15 струями кислородсодержащего газа, и одновременно снизить возникающие в соплах 15 механические напряжения, которые являются причиной их быстрого износа, сопла 16 выполняются наклонными к стенкам 17 коллекторов 15 с углом наклона от 90 до 10° , предпочтительно от 90 до 30° , в частности с углом наклона, равным 45° .
В предпочтительном варианте изобретения на конце 12а первой трубы 12 предусмотрены узкие прорези 21, через которые кислородсодержащий газ проходит внутрь коллекторов 15. Суммарная площадь поперечного сечения входных отверстий коллекторов 15, образованных прорезями 21, должна быть как минимум равна площади внутреннего отверстия трубы 12.
В предлагаемой в изобретении горелке 6 поток поддерживающего горение газа проходит через ее трубу 12 и коллекторы 15 по существу в осевом направлении, что на фиг.3 показано пунктирными линиями 19, и целиком попадает в ориентированные в поперечном направлении сопла 16.
Выходящие из сопел 16 с одинаковой скоростью параллельные тонкие струи кислородсодержащего газа обеспечивают образование в камере сгорания имеющих одинаковую длину языков пламени по всему периметру коллекторов 15.
Такое выполнение горелки не только обеспечивает оптимальное и полное сгорание углеводородов в камере 4 сгорания, но и ограничивает падение давления в потоке поддерживающего горение газа при его попадании из трубы 12 в коллекторы 15. Предлагаемая в изобретении конструкция обеспечивает также максимально эффективное капиллярное охлаждение нижних краев коллекторов 15, увеличивая тем самым срок службы горелки и снижая не только затраты, связанные с возможными потерями получаемого синтез-газа и обслуживанием установки, но и потребление энергии.
В этой связи необходимо отметить, что в предлагаемой в изобретении горелке поддерживающий горение газ (более холодный, чем технологический газ), который без всяких отрывов потока равномерно и непрерывно движется по стенкам трубы 12 и коллекторов 15, обеспечивает их постоянное и оптимальное охлаждение.
На фиг.3 хорошо видно, что вступающие друг с другом в реакцию газы проходят через горелку 6 по существу в осевом направлении (пунктирные линии 18 и 19). Такое движение газов, при котором, в частности, поток кислородсодержащего газа незначительно отклоняется в сторону от оси А трубы 12, позволяет минимизировать происходящие в горелке потери давления газов.
Кроме того, в предлагаемой горелке поток кислородсодержащего газа выходит из конца 15а коллектора 15 в поперечном направлении равномерно распределенным по всей его длине. Тем самым обеспечивается эффективное и постоянное охлаждение этой зоны горелки, которая, находясь в постоянном контакте с циркулирующими в камере 4 сгорания горячими газами, наиболее подвержена износу и воздействию тепловых напряжений.
Необходимо отметить, что конец 12а первой трубы 12 выполнен в виде усеченного сужающегося вниз конуса, способствующего при минимальных потерях давления движению потока кислородсодержащего газа из трубы 12 в коллекторы 15.
Для этой же цели предназначено и расположенное внутри конца 12а трубы 12 устройство, отклоняющее поток содержащего кислород газа в направлении коллекторов 15.
Такое устройство предпочтительно выполнить в виде конического отражателя 22 с вершиной, расположенной в верхней части конца 12а трубы 12.
Для дополнительного уменьшения потерь давления потока кислородсодержащего газа в первой трубе 12 вершину 23 конического отражателя 22 следует выполнить полукруглой.
На фиг.2 и 3 показана сплошная кольцевая перегородка 24, расположенная между перфорированными плоскими перегородками 20 и трубой 13 и препятствующая попаданию технологического (горючего) газа из кольцевого канала 14 непосредственно в камеру 4 сгорания.
Описанная выше со ссылками на фиг.1-4 горелка 6 предназначена для осуществления предлагаемого в изобретении рассмотренного выше и соответствующего формуле изобретения способа проведения реакций вторичного реформинга.
Этот способ отличается, в частности, тем, что при его осуществлении поток кислородсодержащего газа (линия 19) подают в камеру 4 сгорания в виде множества отдельных тонких струй, которые относительно направления (линия 18) подачи в камеру сгорания потока, содержащего углеводороды, расположены не одна над другой, а параллельно друг другу и имеют равную скорость, в камере 4 сгорания множество струй кислородсодержащего газа распределяют в потоке содержащего углеводороды газа, перемешивая в одинаковом по всей камере сгорания соотношении поток кислородсодержащего газа с соответствующими количествами потока содержащего углеводороды газа.
Целесообразно, чтобы на выходе из горелки 6 струи кислородсодержащего газа имели диаметр 2-30 мм, предпочтительно 2-25 мм, например 10 мм.
Небольшой диаметр таких струй позволяет эффективно контролировать длину языков пламени, образующихся в результате сгорания технологического газа, и обеспечивает возможность оптимального использования всего объема камеры сгорания, не опасаясь при этом возможного повреждения огнеупорной облицовки ее стенок и/или расположенного ниже катализатора.
Преимущество предлагаемой в настоящем изобретении горелки 6 состоит также в возможности обеспечения низких скоростей газов, подаваемых по трубе 12 и кольцевому каналу 13 в камеру 4 сгорания, в которой они вступают друг с другом в реакцию горения. Величина скорости газов может при этом составлять от 20 до 200 м/с, предпочтительно от 40 до 100 м/с, в частности 50 или 60 м/с. Движение газов с такими скоростями сопровождается сравнительно небольшими потерями давления и позволяет уменьшить расход энергии, связанный с ее рассеиванием. При этом одновременно обеспечивается и оптимальное смешение газов в камере 4 сгорания.
Необходимо еще раз отметить, что при осуществлении предлагаемого в изобретении способа каждая одиночная струя поддерживающего горение газа, выходящая из коллекторов 15, смешивается с одним и тем же количеством технологического (горючего) газа и при их подаче в камеру сгорания в направлениях, перпендикулярных друг другу, с одним и тем же количеством циркулирующих в камере сгорания газов, образовавшихся в процессе горения. Тем самым создаются условия для оптимального смешения газов, вступающих в камере сгорания во взаимодействие друг с другом, и образования в ней равных по протяженности, а также по температуре и составу языков пламени, в которых при этих условиях реакция сгорания протекает в оптимальном режиме.
Приведенное выше описание подтверждает все многочисленные преимущества настоящего изобретения, в котором, в частности, предлагается способ вторичного реформинга, который обладает высоким выходом, является простым в практическом осуществлении и позволяет получать синтез-газ в промышленных масштабах при низком потреблении энергии, низких технологических и эксплуатационных расходах и существенно сниженных потерях получаемого синтез-газа по сравнению с известными в настоящее время способами за счет увеличения срока службы и более высокой надежности используемой при его осуществлении горелки.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ПРОВЕДЕНИЯ ЭНДОТЕРМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ | 1994 |
|
RU2136360C1 |
| СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭНДОТЕРМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ | 2013 |
|
RU2643734C2 |
| СПОСОБ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА СЖИГАНИЯ ГАЗА И ГОРЕЛОЧНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ | 2004 |
|
RU2287110C2 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОНООЛЕФИНОВ | 1993 |
|
RU2115692C1 |
| УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ВОДОРОДА И ОБОРУДОВАННАЯ ИМ СИСТЕМА ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА | 2009 |
|
RU2459764C1 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕКУЧЕГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ, ИСПОЛЬЗУЕМОГО В КАЧЕСТВЕ КОСВЕННОГО ИСТОЧНИКА ТЕПЛА ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ЭНДОТЕРМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ, И СПОСОБ ПРОВЕДЕНИЯ РЕАКЦИЙ РИФОРМИНГА УГЛЕВОДОРОДОВ | 2001 |
|
RU2283272C2 |
| СПОСОБ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ГАЗА, ОБОГАЩЕННОГО ВОДОРОДОМ И/ИЛИ ОКИСЬЮ УГЛЕРОДА | 2001 |
|
RU2266946C2 |
| ГОРЕЛКА ПЕЧНАЯ ДВУХТОПЛИВНАЯ | 2004 |
|
RU2267706C1 |
| ТЕРМОХИМИЧЕСКАЯ РЕГЕНЕРАЦИЯ ПОСРЕДСТВОМ ДОБАВЛЕНИЯ ТОПЛИВА | 2017 |
|
RU2708603C1 |
| АППАРАТ ДЛЯ КОНВЕРСИИ ГАЗОВ | 2004 |
|
RU2363530C2 |
Настоящее изобретение относится к способу проведения реакций вторичного реформинга для получения смесей газов, содержащих водород и моноксид углерода, например синтез-газов, используемых для производства аммиака и метанола. Способ получения вторичного реформинга включает подачу кислородсодержащего газа и поток содержащего углеводороды газа в камеру сгорания, получая в итоге поток газа, содержащий моноксид, углерода и водород, и который затем пропускают через слой катализатора, в котором проходит реакция реформинга с водяным паром. Поток содержащего кислород газа подают в камеру сгорания в виде множества отдельных струй, которые относительно направления подачи в камеру сгорания потока, содержащего углеводороды, расположены не одна над другой, а параллельно друг другу и имеют равную скорость, распределяют в камере сгорания множество струй кислородсодержащего газа в газообразном потоке углеводородов, перемешивая в одинаковом по всей камере сгорания соотношении поток кислородсодержащего газа с соответствующими количествами потока содержащего углеводороды газа. Для проведения процесса используют горелку, содержащую по существу цилиндрическую подводящую трубу определенной заранее выбранной длины, по которой в расположенную под горелкой камеру сгорания подается поток кислородсодержащего газа, горелка имеет по крайней мере один коллектор для потока кислородсодержащего газа, сообщающийся с концом подводящей трубы горелки, в котором расположено множество сопел, распределенных по периметру коллектора у его нижнего края и не расположенных друг над другом в направлении, перпендикулярном нижнему краю коллектора. Изобретение позволяет снизить технологические и эксплуатационные расходы. 3 н. и 14 з.п. ф-лы, 4 ил.
Ni·D
где С является постоянной величиной;
Ri означает радиус i-й окружности, проходящей через сопла;
Ni означает количество сопел на окружности с радиусом Ri;
Di означает диаметр сопел на окружности с радиусом Ri;
DR означает радиальное состояние, равное (Ri+1-Ri-1)/2.
| Hydrocarbon processing | |||
| Способ изготовления фанеры-переклейки | 1921 |
|
SU1993A1 |
| Способ получения восстановительного газа | 1977 |
|
SU740711A1 |
| Горелка реактора для производства синтез-газа | 1989 |
|
SU1828449A3 |
| Способ получения синтез-газа для производства аммиака и шахтный реактор для его осуществления | 1990 |
|
SU1754644A1 |
| US 3945942 А, 23.03.1976 | |||
| DE 3902773 А1, 02.08.1990 | |||
| ЛЕБУШ А.Г | |||
| Производство технологического газа для синтеза аммиака | |||
| - М., 1971, с.174-178. | |||
