NO172486B - Fremgangsmaate ved partiell oksydasjon for fremstilling avsyntesegass, reduserende gass eller brenselsgass - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte ved partiell oksydasjon for fremstilling av syntesegass, reduserende gass eller brenselsgass.

Partiell forbrenning av metan med i det vesentlige rent oksygen for fremstilling av karbonmonoksyd og hydrogen har lenge vært kjent, se US-patent nr. 2.582.938. For imidlertid å unngå (1) tap grunnet uomvandlet karbon og (2) problemer forårsaket av sot i nedstrømsutstyr, er det funnet nødvendig ved tidligere kjente partielle oksydasjonsprosesser med gassformige råstoffer å drive syngassreaktoren slik at i det vesentlige ingen karbon dannes. Derfor er oksygenforbruket relativt høyt. Oksygenforbruket er vanligvis større enn 245 volumdeler pr. 1000 volumdeler H2+CO dannet. Temperaturen i gassreaktoren er i området 1316 til 1427°C. Oppvarmingsverdien for det dannede E2+CO er bare ca. 84 av den for naturgassråstoffet.

Det er uventet funnet at ved den følgende forbedrede partielle oksydasjonsprosessen kan syntesegass, reduserende gass og drivstoffgass fremstilles mer økonomisk fra hydrokarbongasser .

Ifølge foreliggende oppfinnelse tilveiebringes en fremgangsmåte ved partiell oksydasjon for fremstilling av syntesegass, reduserende gass, eller brenselsgass, som er kjennetegnet ved trinnene: (1) tilveiebringelse av en strøm av hydrokarbonråstoffgass, med eller uten tilsetning til strømmen av hydrokarbon-og/eller hydrogenholdig resirkuleringsgasstrøm, ved en temperatur i området fra omgivelsestemperatur til 760°C, hvor nevnte hydrokarbontilførselsgasstrøm inneholder 40-100 volum-% CH4; (2) blanding av nevnte gass fra trinn (1) med en vandig oppslemmingsdispersjon av resirkulert karbonsot i en gass-vaeskeblandeinnretning; (3) opprettholdelse av blandingen fra trinn (2) ved en temperatur i området fra 149°C til 760°C for å fordampe nevnte oppsiemmingsvann og dispergere nevnte sotpartikler i hydrokarbontilførselsgassen (og eventuell resirkuleringsgass); (4) omsetning av den oppvarmede blandingen fra trinn (3) med en strøm av gass <i>som inneholder fritt oksygen, hvis temperatur er i området fra omgivelsestemperatur til 982°C, i en reaksjonssone for partiell oksydasjon for dannelse av en rå effluentgasstrøm ved en temperatur i området fra 927°C til 1316°C, og et trykk i området 1-253 bar (1-250 atmosfærer), og i det vesentlige omfattende H2, CO, CO2. minst en gass valgt fra gruppen bestående av H2O, CH4, N2, Ar, H2S og COS, og innesluttet fritt karbonsot slik at atomforholdet for fritt oksygen til karbon i den samlede tilførsel til reaksjonssonen er i området 0,75-1,15; det spesifikke oksygenforbruket er i området 212-235 standard m<5> rent oksygen forbrukt pr. 1000 m<5> H2 og CO produsert; oppholdstiden er i området 2,5-10 sekunder, slik som 3-6 sekunder; og nevnte frie karbonsot dannes i området 0,1-3,0 vekt-# av det samlede karboninnhold i blandingen av hydrokarbontilførsels-gass, resirkuleringssot-vann, og resirkuleringsgass, dersom slik er tilstede, i tilførselen; (5) avkjøling av den, rå effluentgasstrømmen fra trinn (4) til en temperatur i området 38-427°C, og vasking av den delvis avkjølte rå effluentgasstrømmen med vann i en gass-vaskesone for dannelse, av en vesentlig sotfri strøm av syntesegass, reduserende gass, eller brenselsesgass, og en separat vandig dispersjonsstrøm av karbonsot; (6) tilveiebringelse; av nevnte vandige dispersjon som en pumpbar sot-EtøO-dispersjon inneholdende 0,5-4,0 vekt-# karbonsot; og (7) resirkulering av vesentlig all sot-EtøO-dispersjon fra trinn (6) til trinn (2) for blanding med nevnte gass-blanding fra trinn (1).

Oppfinnelsen kan lettere forstås under henvisning til de vedlagte tegningene som omfatter en skjematisk fremstilling av en foretrukket utførelse av oppfinnelsen, og hvori: Fig. 1 er et skjematisk diagram for prosessen;

Fig. 2 er en del av en 3-strømsbrenner; og

Fig. 3 er en virknings-sammenligningskurve.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en forbedret partiell oksydasjonsprosess for fremstilling av gassformige blandinger innbefattende Etø+CO, dvs. syntesegass, reduserende gass eller brenselsgass. Hovedbestanddelene i syntesegass er Etø og CO, og H2/C0-molforholdet for syntesegassen bestemmes av det ønskede sluttproduktet. Mengden av hver gassformig bestanddel i produktgassen bestemmer anvendelsen av gassblandingen. Reduserende gass er rik på H2+CO, men er fattig på H2O+CO; og brenselsgass innbefatter Etø, CO og CE4.

I prosessen innføres en hydrokarbonråstoffgass i blanding med en vandig dispersjon av resirkulert karbonsot i en syngass-reaktor som innbefatter en frittflytende, vertikal, ildfast-f6ret reaksjonssone fri for pakning og katalysator. I denne sonen reagerer råstoffgassen ved partiell oksydasjon med en fritt oksygenholdig gass som også innføres i reaksjonssonen. Temperaturen i reaksjonssonen er i området fra 927°C til 1316°C, så som 982 °C til 1204<*>C. Trykket i reaksjonssonen er i området fra 1 til 250 bar (atmosfærer), så som 15 til 100 bar (atmosfærer). Residenstiden i gassreaktoren er 2,5 til 10 sekunder, f.eks. 3 til 6 sekunder. ;Per definisjon er hydrokarbongassråstoffet til syngassgeneratoren, også betegnet som reaktoren, mettede og umettede hydrokarbongasser fra gruppen bestående av C^ til C^ og blandinger derav. For eksempel kan hydrokarbonråstoffgassen innbefatte fra 40 til 100 volum-Sé CH4. Svovelinnholdet av hydrokarbonråstof fgassen kan være i området fra 0 til 400 000 deler pr. million. Typiske hydrokarbonråstoffgas-strømmer innbefatter alle de normalt gassformige hydrokar-bonene og blandingene derav. Naturgass er foretrukket hydrokarbonråstoffgass. Eventuelt kan en strøm av resirkuleringsgass være blandet med hydrokarbonråstoffgassen. For eksempel kan forholdet mellom resirkuleringsgass og hydrokarbonråstof fgass være i området fra 0 til 1, så som 0,01 til 0,10 volumdeler resirkuleringsgass for hver volumdel hydrokarbonråstof fgass . Resirkuleringsgassen kan være en hvilken som helst spillgasstrøm 1 systemet eller en hvilken som helst gass fra annet steds inneholdende hydrokarboner og/eller oksygen, f.eks. ammoniakk-sløyfespyling, kryogenisk avgass. ;Hydrokarbonråstoffgasstrømmen, med eller uten nevnte resirku-leringsbrenselsgass, oppvarmes eventuelt til temperaturer i området fra 149°C til 454°C, så som 260°C til 427°C i forvarmer. Når råstoffgasstrømmen inneholder mer enn få deler pr. million av svovel, kan den føres gjennom en beskyttelses-reaktor fylt med sinkoksyd eller annet aktivt adsorpsjonsmiddel for å avsvovle gassen. Det er ikke nødvendig å avsvovle en råstoffgasstrøm som inneholder svovel med tanke på den partielle oksydasjonen, men avsvovling er vanligvis fordelaktig for nedstrømsbearbeidelse. Den delvis forvarmede, og om nødvendig, avsvovlede, hydrokarbongasstrømmen blandes med en dispersjon av resirkulert sot-EtøO for å fremstille en råstoffblanding som forvarmes til en temperatur i området fra 149" C til 760"C, og innføres deretter i syngassreaktoren og omsettes ved partiell oksydasjon med en strøm av fritt oksygenholdig gass. ;Per definisjon er betegnelsen "fritt oksygenholdig gass" en gass valgt fra luft, oksygenanriket luft, dvs. inneholdende mer enn 21 mol-% oksygen, og i det vesentlige ren oksygen, dvs. minst 95 mol-% oksygen. Luft er en foretrukket fritt oksygenholdig gass bare når større mengder nitrogen i syngassen kan anvendes, tolereres eller fjernes på økonomisk måte. O/C-forholdet (atomer fritt oksygen dividert med atomer karbon) i den partielle oksydasjonsreaksjonssonen ligger i området fra 0,75 til 1,15, avhengig av renheten av den fritt oksygenholdige gasstrømmen og forvarmingsnivået for råstoff-strømmene. For i det vesentlige rent oksygen er f.eks. 0/C-atomf orholdet i området fra 0,75 til 0,95. For luft og oksygenanriket luft er O/C-atomforholdet i området fra 0,85 til 1,15. ;Gas sammensetningen av den rå ef f luentgasstrømmen fra reaksjonssonen i mol-# er som følger: H2 10,0 til 68,0, CO 15,0 til 60,0, C02 1,0 til 30,0, H20 2,0 til 50,0, CH4 0,0 til 28,0, E2S 0,0 til 20, COS 0,0 til 3,0, N2 0,0 til 60,0, Ar 0,0 til 1,8, og NH3 0 til 0,02. Innbefattet i den varme effluentgasstrømmen er fritt karbonsot i området fra ca. 0,1 til 3,0 vekt-56 av det samlede karboninnholdet av blandingen av hydrokarbonråstoffgass, resirkulert sotvann og eventuell resirkuleringsgass. ;En mer fullstendig forståelse av oppfinnelsen kan oppnås ved henvisning til den vedlagte tegningen som illustrerer en foretrukket utførelse av oppfinnelsen, hvori en konvensjonell partiell oksydasjonssyngassreaktor drives kontinuerlig. ;Som vist i fig. 1 av tegningen, blandes eventuelt en hydrokarbonråstof fgasstrøm, f.eks. naturgass og/eller andre hydrokarbongasser i rør 1, eventuelt i rør 2, med en hydrokarbon- og/eller hydrogen-holdig resirkuleringsgasstrøm fra rør 3. For eksempel kan hydrokarbonråstoffgassen og/eller hydrokarbonresirkuleringsgasstrømmen innbefatte 40 til 100 volum-# CH4. I en utførelse kan strømmen av resirkuleringsgass inneholde 0-20 mol-% hydrokarboner og befinner seg ved en temperatur i området fra omgivelsestemperatur til 316"C. Den volumetriske prosentandelen resirkuleringshydrokarbon-og/eller E2-holdig gass i blanding med hydrokarbonråstoffgassen ligger i området fra 0 til 50, så som 1 til 10. Ved omgivelsestemperatur oppvarmes gassen fra rør 2 i ett eller flere trinn til en temperatur i området fra 316°C til 760°C i forvarmer 4 som kan være en oppfyrt gassvarmer. Andre fremgangsmåter for å tilføre i det minste en del av varmen for oppvarming av gassen fra rør 2 kan benyttes, f.eks. indirekte varmeveksling mot varm syngass eller damp, så som damp som produseres i syntesegasskjøleren. Eventuelt er den hydrogen- og/eller hydrokarbonholdige resirkuleringsstrømmen en kryogen avgass fra gassrensesonen (ikke vist). I en utførelse innbefatter nevnte råstoffstrøm av hydrokarbongass med hydrokarbon- og/eller hydrogenholdig resirkuleringsgass i (1) minst 20 mol-# hydrokarboner og befinner seg ved en temperatur i området fra omgivelsestemperatur til 316°C. ;Den oppvarmede blandingen av hydrokarbonråstoffgass i rør 6 kan eventuelt avsvovles ved å føres gjennom rør 7, ventil 8, rør 9, og sinkoksydholdig avsvovlingsinnretning 10. Den avsvovlede gassen som inneholder mindre enn en del pr. million av svovel føres ut gjennom bunnrør 11. Avsvovlingsinnretning 10 kan være en beholder inneholdende sinkoksyd eller annet aktivt adsorpsjonsmiddel og kan shunt-omkobles ved å føre hydrokarbonråstoffgasstrømmen i rør 6 gjennom rør 16, ventil 17 og rør 18. All hydrokarbonråstoffgasstrømmen i rør 11 eller 18 blandes med en pumpbar vandig oppslémming inneholdende 0,5 til 4 vekt-# karbonsot fra rør 19 i blandbeholdere 20 eller 21. Følgelig kan hydrokarbonråstoffgass-strømmen 11 føres gjennom rør 22, ventil 23, rør 24 inn i blandbeholderen 21. Samtidig kan den vandige dispersjonen av karbonsot i rør 19 føres gjennom rør 25 inn i blandbeholder 21. Tilsvarende kan hydrokarbonråstoffgasstrømmen i rør 18 føres inn i blandbeholder 20 ved hjelp av rør 26, ventil 27 og rør 28. Alternativt kan, med ventiler 17 og 23 lukket, hydrokarbonråstoffgasstrømmen i rør 11 føres inn i blandbeholder 20 ved hjelp av rør 35, 216, ventil 27 og rør 28. Blandbeholdere 20 og 21 er utstyrt med indre spraydyser, så som henholdsvis 80 og 81, anordnet for å forstøve sot-vannresirkuleringen slik at den fordamper uten at vanndråper støter mot beholderen eller rørvegger. ;Blandbeholdere 20 og 21 kan benyttes samtidig eller separat. Blandingen av hydrokarbonråstoffgass og vandig karbonsotdispersjon i blandbeholdere 20 og 21 fjernes henholdsvis gjennom rør 36, ventil 38, rør 39, rør 40; eller gjennom rør 37, ventil 41, rør 42 og rør 40. Alternativt kan blanding av strømmene finne sted ved å føre strømmen av hydrokarbontil-førselsgass gjennom den rørformede hovedpassasjen av en T-blander, venturiblander, spraydyse, blandbeholder eller en kombinasjon derav, samtidig som en vandig dispersjon av karbonsot føres gjennom minst en annen passasje i nevnte blander, som kan være perpendikulær på nevnte aksielle hovedpassasje. Blandingen av hydrokarbonråstoffgass og vandig karbonsotdispersjon i rør 40 føres gjennom viklingene i forvarmer 4 og oppvarmes til en temperatur i området fra 316°C til 7bO°C, så som 371"C til 538°C. Den oppvarmede blandingen i rør 43 føres gjennom den nedoverfyrte blanderen 44 anbragt i det øvre hodet av den partielle oksydasjonsreaktoren 50. ;Samtidig oppvarmes en fritt oksygenholdig gasstrøm i rør 51 til en temperatur i området fra omgivelsestemperatur til 982° C i en oppvarmet forvarmer 52, og føres deretter gjennom rør 53 og brenner 44 inn i reaksjonssonen av forgasningsinn-retning 50. Omhyggelig blanding av gasstrømmene finner sted ved, eller nær, toppen av brenneren 44. ;Brenner 44 kan være en 2-, 3-, eller fler-passasjebrenner. For eksempler på egnede brennere, henvises til US-patentene nr. 3.874.592; 3.847.564; 4.386.941 og 4.443.230. For eksempel kan en tre-strømsbrenner 55 anvendes som vist i fig. ;2. Brenner 55 innbefatter sentralt rør 56, et mellomkoaksialt rør 57 som omgir det sentrale røret og danner en ringformet passasje med dette hvorigjennom den nevnte forvarmede blandingen av hydrokarbonråstoffgass med eller uten tilsetning av en hydrokarbon- og/eller hydrogenholdig resirkuler-ingsgassstrøm og en gassfase vandig dispersjon av karbon-sot i rør 43 føres, og en ytre koaksial ringformet passasje 58 som omgir nevnte mellomrør. Den forvarmede fritt oksygenholdige gassen i rør 53 spaltes i to separate strømmer. En strøm 59 føres gjennom det sentrale røret 56, og den andre fritt oksygenholdige gasstrømmen 60 føres gjennom den ytre ringformede passasjen 58. I en lignende utførelse av foreliggende prosess spaltes den forvarmede blandingen av hydrokarbonråstoffgass med eller uten tilsats av en hydrokarbon- og/eller hydrogenholdig resirkuleringsgasstrøm i to separate strømmer. En av strømmene føres ned gjennom det sentrale røret, og den andre av strømmene passerer gjennom den ytre ringformede passasjen av tre-strømsbrenneren innbefattende et sentralt rør, en mellomliggende ringformet passasje som omgir den sentrale passasjen, og en ytre ringformet passasje som omgir den mellomliggende ringformede passasjen. Strømmen av fritt oksygenholdig gass passerer ned gjennom nevnte mellomliggende ringformede passasje. ;I nok en utførelse ved anvendelse av en tre-passasjebrenner føres en strøm av hydrokarbonråstoffgass, med eller uten tilsetning av en hydrokarbon- og/eller hydrogenholdig resirkuleringsgasstrøm og forvarmet til en temperatur i området fra 149°C til 760°C, f.eks. 149°C til 454°C, gjennom det sentrale røret 56 og den ytre ringformede passasjen 58. En flytende eller gassfase vandig dispersjon innbefattende 0,5 til 4 vekt-# karbon-sot ved en temperatur i området fra omgivelsestemperatur til 760°C føres gjennom den mellomliggende ringformede 1 passasjen, og en strøm av fritt oksygenholdig gass ved en temperatur i området fra omgivelsestemperatur til 982°C føres gjennom den gjenværende frie passasjen i brenneren og inn i reaksjonssonen av gassgeneratoren. I et slikt tilfelle finner blanding og oppvarming av reaktantene sted i den partielle oksydasjons-gassgeneratoren. ;I en tilsvarende utførelse av foreliggende prosess føres tilførselsgassblandingen gjennom den mellomliggende og den ytre ringformede passasjen av en tre-passasjebrenner innbefattende en sentral passasje, en konsentrisk mellomliggende ringformet passasje, og en konsentrisk ytre ringformet passasje. Den vandige dispersjonen av resirkulert karbonsot føres gjennom den sentrale passasjen; og strømmen av fritt oksygenholdig gass føres gjennom den gjenværende frie passasjen i brenneren. Hastigheten av eventuell gassformig strøm som passerer gjennom det sentrale røret av en tre-strømsbrenner kan ligge i området fra 15 m pr. sek. til lydhastighet. Hastigheten av enhver gassformig strøm som passerer gjennom enhver ringformet passasje i brenneren ligger i området fra 46 ms-<1> til lydhastighet. Hastigheten av en vandig dispersjon av karbon-sot som passerer gjennom en hver passasje av brenneren er 0,3 til 15 ms-<*> med en væskefasedispersjon på 46 ms-<1> til lydhastighet med en fordampet dispersjon.

Den varme effluentgasstrømmen som forlater syngassgeneratoren 50 ved hjelp av rør 64 ved en temperatur i området fra 927°C til 1316<0>C, så som 982°C til 1204oC, avkjøles til en temperatur i området fra 38°C til 427°C ved først å føre den varme rå effluentgasstrømmen i rør 64 gjennom gasskjøler 65 hvori den varme råe effluentgassstrømmen avkjøles til en temperatur i området fra ca. 204°C til ca. 927°C, og deretter bråkjøle og vaske den delvis avkjølte gasstrømmen i rør 68 med vann i to-trinnsvasker 69. Den varme råe gasstrømmen avkjøles i gasskjøler 65 ved indirekte varmeveksling med kondensat eller fordamper-tilførselsvann fra rør 66. Biprodukt, høytrykksdamp produseres og forlater gasskjøler 65 ved hjelp av rør 67. Innesluttet partikkelformig karbon i den delvis avkjølte effluentgasstrømmen i rør 68 fjernes ved vasking av gasstrømmen med vann i konvensjonell to-trinns gassvasker 69. Avkjølt sotfri produktgass forlater vaskeinn-retningen 69 gjennom rør 70 ved toppen av gassvaskeren 69. En pumpbar vandig dispersjon av karbonsot som har et faststoff innhold i området fra 0,5 til 4,0 vekt-56, så som 1,0 til 2,0 vekt-#, forlater gjennom rør 71 bunnen av gassvasker 69. Om nødvendig for å oppnå nevnte faststoffkonsentrasjon, kan en hvilken som helst egnet innretning benyttes for å konsentrere den vandige dispersjonen av karbonsot i rør 71 til et faststoff innhold i området fra 1,0 til 4,0 vekt-#. For eksempel er en konvensjonell hydrosyklon 72 vist i tegningen. Spillvann forlater bunnen av hydrosyklonen gjennom rør 73. Konsentrert vandig dispersjon av karbonsot fjernes ved toppen av hydrosyklonen 72, og den pumpbare konsentrerte dispersjonen resirkuleres til blandbeholdere 20 og 21 ved hjelp av rørene 19. ; Alternativt kan sot-vanndispersjonen konsentreres i to-trinns gassvasker 69 ved resirkulering av det meste av vannet fra den øvre delen tilbake til vasker-åpningen 74 ved hjelp av rør 75, og pumping av bare en liten mengde av dette vannet inn i den nedre delen ved hjelp av rør 76.

Under tidligere driftsbetingelser fant partiell oksydasjon av naturgass med luft sted ved en temperatur i reaksjonssonen på 1316°C til 1427°C. Det spesifikke oksygenforbruket (SOC), f.eks. antall standard <m>eter<3> rent oksygen forbrukt pr. 1000 standard <m>eter<3> av (Etø+CO) produsert, var i området på 245-270. Den beslektede kaldgasseffektiviteten (CGE), dvs. den høye oppvarmingsverdien (hensiktsmessig uttrykt i BTU) av Etø+CO i produktgassen dividert med den høye oppvarmingsverdien (BTU) for hydrokarbongassråstoffet, var vanligvis i området 83-84$.

Det er uventet funnet at ved den forbedrede fremgangsmåten kan den maksimale kaldgasseffektiviteten (CGE) oppnås når O/C-forholdet reduseres og 100$ av det resulterende forøkede enkeltpassasjepunktutbyttet i produktgassen utvinnes og resirkuleres fullstendig i blanding med hydrokarbongassråstoffet. Videre er det spesifikke oksygenforbruket (SOC) i området fra 212 til 235, og temperaturen i reaksjonssonen er redusert til området fra 927°C til 1316°C. Kaldgasseffektiviteten for den forbedrede prosessen økes til en verdi i området fra 84,5 til 86,5.

For tilfellet med partiell oksydasjon ved hjelp av luft, kan denne forbedringen illustreres ved henvisning til den vedlagte figur 3, en kurve som viser CGE som funksjon av SOC, som er parametrene for forbruk av de to hovedråmaterialene, hydrokarbonråstoff (naturgass) og oksygen (komprimert luft). Den nedre kurven Cl representerer konvensjonell partiell oksydasjon av hydrokarbongasser ved hjelp av luft uten sotresirkulering. Denne kurven genereres ved hjelp av suksessive driftspunkter ettersom råstoffets O/C-atomforhold økes fra venstre mot høyre. For alle punkter til venstre for maksimum CGE avtar CGE ettersom O/C-forholdet nedsettes, og mer restmetan og uomvandlet sot (fritt karbon) produseres. For punkter til høyre for dette samme maksimumet avtar CGE ettersom O/C-forholdet heves fordi, selvom metan og karbon avtar, avtar utbyttet av E2+CO på grunn av mer fullstendig oksydasjon til H2O+CO2. Det normale driftsbetingelsespunktet NI for konvensjonell partiell oksydasjon er begrenset til et relativt ineffektivt område, ved høy O/C og temperatur, slik at i det vesentlige ingen sot vil bli produsert.

De øvre kurvene i C2 og C3 i fig. 3 representerer den forbedrede partielle oksydasjonsprosessen ifølge oppfinnelsen hvori all sot resirkuleres og O/C-forholdet for hvert punkt svarer til det samlede karbonet i både nytt råstoff og resirkulert sot. Siden alt karbon omvandles på en total basis er CGE alltid høyere for den forbedrede prosessen, bortsett fra ved meget høye O/C-forhold når sot (og metan)-produk-sjonen er neglisjerbar. Til venstre for CGE-maksimumet for den nye prosessen avtar CGE bare på grunn av økende restmetan. Som en generelle korrelasjon øker restmetanet alltid når (1) temperaturen faller og (2) residenstiden i reaksjonssonen avtar. De beste driftsbetingelsene for den forbedrede prosessen vil være ved et punkt N2 og N3 til venstre for maksimal CGE på hver kurve. Ved disse optimale punktene oppveier kostnadsbesparelsene når det gjelder SOC, sammenlignet med SOC ved maksimal CGE, nøyaktig tapene av CGE sammenlignet med maksimalverdien. Den nøyaktige plasseringen av dette optimale driftskostnadspunktet avhenger naturligvis av de relative enhetskostnadene (prisene) for hydrokarbonråstoff (naturgass) og oksygen (komprimert luft), som er de to hovedråmaterialene.

Videre er det, i den forbedrede prosessen, uventet funnet at ved å øke volumet av reaksjonssonen, opptil en grense som settes av for høyt varmetap fra denne sonen, øker kaldgasseffektiviteten, det spesifikke oksygenforbruket reduseres, og temperaturen i reaksjonssonen reduseres. Dersom volumet av reaksjonssonen f.eks. er 25,5 m<3> for partiell oksydasjon av en hydrokarbongass med luft med alle tilførselsbetingelser holdt konstante, vil det ved drift gi en reaksjonssone på 34 m<3>, dvs. en økning på 33 1/3$, kaldgassef f ektiviteten øker fra 84,4 til 86,6$, det spesifikke oksygenforbruket reduseres fra 230 til 215, og temperaturen i reaksjonssonen reduseres fra 1124°C til ca. 1054°C. Fordelaktig kan volumet av reaksjonssonen for deniforbedrede prosessen økes sammenlignet med volumet av reaksjonssonen for konvensjonell partiell oksydasjon. Typisk kan denne fordelaktige økningen ligge i området 10-100$ høyere. Dette større volumet kan bestemmes ved konvensjonelle beregningsfremgangsmåter. Visse prinsipper er beskrevet i US-patent nr. 2.582.938. En økning i volumet av reaksjonssonen bidrar til økningen i oppholdstid, men reduserer også varmetap og nedsetter temperaturen. Mens følgelig den konvensjonelle oppholdstiden i reaksjonssonen av den partielle oksydasjonsreaktoren er i området fra 2,0 til 5 sekunder for den partielle oksydasjonen av en hydrokarbongass, f.eks. metan, er den foretrukne oppholdstiden i den forbedrede prosessen i området fra 2,5 til 10 sekunder, for å minimalisere restmetanet. Følgelig kan volumet av den partielle oksydasjonsreaksjonssonen i foreliggende forbedrede prosess være større enn volumet av reaksjonssonen for konvensjonell partiell oksydasjon ved en størrelse som tilveiebringer tilstrekkelig residenstid til å redusere gjenværende metan i den rå effluentgasstrømmen fra reaksjonssonen mest mulig ved det lavere tilførsels-0/C-atomforholdet, men med alle andre uavhengige variable størrelser holdt konstante.

Utover den enkle optimaliseringen angitt ovenfor av rå-materialkostnadene alene er det mulig å optimalisere den forbedrede prosessen fullt ut med hensyn på både driftskostnader og faste kostnader, som angitt nedenfor:

For å optimalisere både utforming og operasjon beregnes alle de ovenfor nevnte kostnadene for to eller tre punkter nær punktet for de beste driftsbetingelsene for den forbedrede prosessen med et gitt reaktorvolum i fig. 3. Ved å gjenta denne beregningsfremgangsmåten for minst to andre reaksjons-volumer, er det mulig å velge den optimale utformingen og driftsbetingelsene.

I en utførelse av foreliggende prosess kan råmaterialene optimaliseres ved å regulere oksygen/karbonforholdet i råstoffet (O/C = antall atomer fritt oksygen i oksydant-strømmen dividert med antall atomer karbon i strømmen av nytt hydrokarbonråstoff pluss resirkuleringssot-vann pluss resirkulert hydrokarbon- og/eller hydrogenholdig gass) slik at det resulterende spesifikke oksygenforbruket og kaldgassef f ektiviteten fører til et minimum for de samlede kostnadene av oksydasjonsmiddel (luft, oksygenanriket luft, eller i det vesentlige rent oksygen) pluss hydrokarbonråstoffgass pr. enhetsvolum av (H2 + CO) fremstilt. Videre kan de samlede driftskostnadene optimaliseres ved å regulere O/C-forholdet i råstoffet slik at de samlede nettokostnadene for oksydasjons-middelstrømmen pluss liydrokarbonråstof fgassen pluss andre utgifter (primært foroppvarmingsbrennstoff, men innbefattende tilført damp, elektrisitet, avkjølingsvann og eventuelt annet) pluss eventuelle andre driftsutgifter (så som lønnsut-gifter) minus kreditt for utvunnet damp minimaliseres pr. enhetsvolum av (Etø + CO) fremstilt. Videre kan utformingen av prosessenheten optimaliseres ved å velge utformingsverdien for råstoffet O/C på en slik måte at, pr. enhetsvolum (Etø + CO) produsert minimaliseres summen av alle driftskostnader pluss alle investeringskostnader (så som for råstoff og forvarmingsutstyr, fremstilling av brenner, reaktorvolum, gassavkjølings- og bråkjølingsutstyr, og sot-utvinnings- og resirkuleringsutstyr). I visse tilfeller kan det foreligge en fastsatt øvre grense for effluentmetankonsentrasjonen, bestemt av nedstrømsprosesskravene. For disse tilfellene kan råstoffet O/C reduseres bare til en verdi som holder utgangs-metanen ved eller under denne grensen; slik at optimalisering utføres, men bare ned til det laveste O/C-forholdet tillatt ved en slik metangrense.

Det følgende eksemplet illustrerer en foretrukket utførelse av foreliggende oppfinnelse for det tilfellet at luft anvendes som oksydasjonsmiddel.

Eksempel

9,45 x IO<9> m<3> pr. dag, målt ved 16°C og et overtrykk på 1'10<5 >Pa, av en blanding innbefattende naturgass og hydrokarbon-holdig resirkuleringsgass fra ammoniakk-sløyfespyling av en nedstrømsprosess blandes sammen og forvarmes til en temperatur på ca. 371"C i en oppfyrt gassforvarmer. Sammensetningen av tilførselsesgassblandingen av naturgass pluss resirkulert gass er angitt i tabell 1 i mol-% :

i

Den forvarmede tilførselsgassblandingen blandes i en blandbeholder med 6,96 x IO<3> kg pr. time av resirkulert sot-vanndis-persjon som har et faststoffinnhold på 1,0$ og en temperatur på 121°C. Blandingen forvarmes deretter i en oppfyrt gassforvarmer slik at det dannes en dispersjon av sot i gass som har en temperatur på 566°C og som innbefatter fullstendig fordampet oppslemmingsvann og fullstendig dispergerte sotpartikler i naturgass og resirkuleringsgass ved et overtrykk på 34.5-10<5> Pa.

Den partikkelformige-karbonnaturgassråstoffdispersjonen føres gjennom den mellomliggende ringformede passasjen av en brenner innbefattende et sentralt rør, en mellomliggende ringformet passasje som omgir det sentrale røret og en ytre ringformet passasje som omgir den mellomliggende passasjen. Samtidig spaltes 7,64 x IO<5> kg pr. driftsdag av 100$ oksygen inneholdt i luft som har sammensetningen i mol-$ vist i tabell 2 nedenfor og ved en temperatur på 788°C i to strømmer og føres gjennom det sentrale røret og den ytre ringformede passasjen av nevnte brenner ved en overtrykk på 34,5 x 10^ Pa.

5,15 x 10^° m<3> pr. driftsdag av rå ef f luentsyntesegass (våt basis) tømmes fra den frittflytende ildfast-f6rede reaksjonssonen hvori den partielle oksydasjonen finner sted ved en temperatur på 1124°C og et overtrykk på 3,24 x IO<6> Pa.

Den rå effluentgasstrømmen føres gjennom en gasskjøler og avkjøles til en temperatur på 328°C ved indirekte varmeveksling med fordamper-tilførselsvann. Derved produseres damp som har en temperatur på 317°C og et overtrykk på 1,08 x IO<7> Pa. Den delvis avkjølte rå effluentgasstrømmen vaskes med vann i en konvensjonell to-trinnssotvasker. 69 kg pr. time sot (uomsatt karbon) fjernes fra gasstrømmen og danner en dispersjon med vaskevannet. Den resulterende vandige dispersjonen av sot innbefattende 1,0 vekt-$ faste stoffer resirkuleres for blanding med blandingen av naturgass pluss hydrokarbon- og/eller hydrogenholdig resirkuleringsgass. Eventuelt kan sotvannstrømmen konsentreres i en hydrosyklon til ca. 3 vekt-$. Denne konsentrasjonen gjøres, i en hvilken som helst apparatur, så høy som mulig samtidig som pumpbarheten bevares for å øke effektiviteten ved å minimalisere mengden vann som må fordampes. Sammensetningen av den fremstilte sotfrie syntesegassen er vist i tabell 3 nedenfor.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte ved partiell oksydasjon for fremstilling av syntesegass, reduserende gass, eller brenselsgass, karakterisert ved trinnene:

(1) tilveiebringelse av en strøm av hydrokarbonråstoffgass (1,2), med eller uten tilsetning til strømmen av hydrokarbon- og/eller hydrogenholdig resirkuleringsgasstrøm (3), ved en temperatur i området fra omgivelsestemperatur til 760°C, hvor nevnte hydrokarbontilførselsgasstrøm inneholder 40-100 volum-$ CH4;

(2) blanding av nevnte gass fra trinn (1) med en vandig oppslemmingsdispersjon av resirkulert karbonsot (19) i en gass-væskeblandeinnretning (20,21);

(3) opprettholdelse av blandingen fra trinn (2) ved en temperatur i området fra 149°C til 760°C for å fordampe nevnte oppslemmingsvann og dispergere nevnte sotpartikler i hydrokarbontilførselsgassen (og eventuell resirkuleringsgass );

(4) omsetning av den oppvarmede blandingen fra trinn (3) med en strøm (51) av gass som inneholder fritt oksygen, hvis temperatur er i området fra omgivelsestemperatur til 982°C, i en reaksjonssone (50) for partiell oksydasjon for dannelse av en rå effluentgasstrøm ved en temperatur i området fra 927°C til 1316°C, og et trykk i området 1-253 bar (1-250 atmosfærer), og i det vesentlige omfattende H2, CO, C02, minst en gass valgt fra gruppen bestående av H20, CE4, N2, Ar, H2S og COS, og innesluttet fritt karbonsot slik at atomforholdet for fritt oksygen til karbon i den samlede tilførsel til reaksjonssonen (50) er i området 0,75-1,15; det spesifikke oksygenforbruket er i området 212-235 standard m<5> rent oksygen forbrukt pr. 1000 m<5> H2 og CO produsert; oppholdstiden er i området 2,5-10 sekunder, slik som 3-6 sekunder; og nevnte frie karbonsot dannes i området 0,1-3,0 vekt-$ av det samlede karboninnhold i blandingen av hydrokarbontilførsels-gass, resirkuleringssot-vann, og resirkuleringsgass, dersom slik er tilstede, i tilførselen;

(5) avkjøling (65) av den rå effluentgasstrømmen (64) fra trinn (4) til en temperatur i området 38-427°C, og vasking av den delvis avkjølte rå effluentgasstrømmen med vann i en gass-vaskesone (69) for dannelse av en vesentlig sotfri strøm av syntesegass (70), reduserende gass, eller brenselsesgass, og en separat vandig dispersjonsstrøm av karbonsot (71);

(6) tilveiebringelse av nevnte vandige dispersjon som en pumpbar sot-EgO-dispersjon inneholdende 0,5-4,0 vekt-# karbonsot; og

(7) resirkulering av vesentlig all sot-EgO-dispersjon fra trinn (6) til trinn (2) for blanding med nevnte gass-blanding fra trinn (1).

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at strømmen av hydrokarbongass i trinn (1) som blandes med hydrokarbon- og/eller hydrogenholdig resirkuleringsgass, inneholder minst 20 mol-$ hydrokarboner og befinner seg ved en temperatur i området fra omgivelsestemperatur til 316°C.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at den innbefatter et trinn med avsvovling (10) av gassen fra trinn (1) før blandetrinnet (2).

4. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at gassblandingen fra trinn (1) blandes i trinn (2) med nevnte dispersjon av sot-EgO ved forstøvning av den sot-vandige sirkuleringsstrøm-men (19) i en blandbeholder (20,21), slik at den fordamper uten at dråpene av dispersjonen støter mot beholderen.

5. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at gassen (11) fra trinn (1) avleveres i trinn (2) aksielt (24) til en blande-innretning (21) mens den vandige dispersjonen av karbonsot (19) samtidig avleveres gjennom en annen passasje (25) i nevnte blander, hvilken passasje er perpendikulær eller i det vesentlige perpendikulær, på nevnte aksielle avleverings-passasj e.

6. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at blandtrinnet (2) bringes til å finne sted inne i den partielle oksydasjonsreaksjonssonen (50), ved avlevering gjennom tre separate passasjer til den nevnte reaksjonssonen av gasstrømmen fra trinn (1), den vandige oppslemmingsdispersjonen og den fritt oksygenhoIdige gasstrømmen.

7. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 5, karakterisert ved at ved at blandingen fra trinn (3) føres i trinn (4) gjennom den mellomliggende ringformede passasjen (57) av en tre-strømsbrenner (55) innbefattende et sentralt rør (56), hvor den nevnte mellomliggende ringformede passasjen (57) omgir den sentrale passasjen, og en ytre ringformet passasje (58) som omgir den mellomliggende ringformede passasjen; og hvori nevnte strøm av fritt oksygenholdig gass spaltes i to separate strømmer med en strøm (59) som passerer ned gjennom nevnte sentrale rør (56) og den gjenværende strømmen (60) som passerer gjennom den ytre ringformede passasjen (58).

8. Fremgangsmåte ifølge krav 6, karakterisert ved at gassen fra trinn (1) føres gjennom den mellomliggende (57) eller ytre ringformede passasjen (58)av en tre- passasjebrenner (55) innbefattende en sentral passasje (56), konsentrisk med den nevnte mellomliggende ringformede passasjen (57), og konsentrisk med den nevnte ytre ringformede passasjen (58); den vandige oppslemmingsdispersjonen føres gjennom den sentrale passasjen (56); og strømmen av fritt oksygenholdig gass føres gjennom den gjenværende frie passasjen i nevnte brenner.

9. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at trinn (6) innbefatter konsentrering av nevnte vandige dispersjon av sot.

10. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at gassvaskesonen (69) i trinn (5) innbefatter en øvre og en nedre vaskesone og fremgangsmåten innbefatter trinnet med resirkulering av det meste av vannet fra den øvre sonen tilbake til den øvre sonen ved hjelp av en vaskeåpning (74), mens bare en del av dette vannet ledes til den nedre sonen.