PL191629B1

PL191629B1 - Sposób reformingu wtórnego, palnik i urządzenie go zawierające

Info

Publication number: PL191629B1
Application number: PL350136A
Authority: PL
Inventors: Gianfranco Bedetti
Original assignee: Casale Chemicals Sa
Priority date: 1999-02-10
Filing date: 2000-02-10
Publication date: 2006-06-30
Also published as: BR0008048B1; DE60011425D1; HUP0200615A2; US7048772B1; MXPA01008109A; RU2235058C2; HUP0200615A3; EP1183209A1; CN1340027A; AU771003B2; DE60011425T2; NZ513255A; BR0008048A; CA2361704C; EP1183209B1; UA59487C2; AU2313800A; ATE268734T1; ZA200106119B; CA2361704A1

Abstract

1. Sposób reformingu wtórnego obejmujacy etapy, w których: - wprowadza sie strumien gazu zawierajacy tlen do komory spalania poprzez przewód zasilajacy palnika; - wprowadza sie strumien gazu zawierajacy weglo- wodory do komory spalania poprzez zasadniczo pierscie- niowy kanal okreslony z zewnatrz przez przewód zasilajacy we wczesniej okreslonym kierunku; - miesza sie i poddaje reakcji strumien gazu zawiera- jacego tlen ze strumieniem gazu zawierajacego weglowodory wewnatrz wymienionej komory spalania, z wytworzeniem stru- mienia gazu zawierajacego wodór i monotlenek wegla; - wprowadza sie strumien gazu zawierajacego wo- dór i monotlenek wegla do zloza katalitycznego lezacego ponizej komory spalania w celu przeprowadzenia reakcji reformingu para; znamienny tym, ze obejmuje etapy, w których: - wprowadza sie strumien gazu zawierajacego tlen do komory spalania w postaci wielu strumieni wytworzonych przez odpowiadajace równolegle rurki ………… 5. Palnik do procesu reformingu wtórnego obejmujacy: - zasadniczo cylindryczny kanal o wstepnie okre- slonej dlugosci do wprowadzania strumienia gazu zawiera- jacego tlen do komory spalania znajdujacej sie ponizej palnika; znamienny tym, ze dodatkowo zawiera:…… PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób reformingu wtórnego, palnik i urządzenie go zawierające, do wytwarzania mieszanin gazów zawierających wodór i monotlenek węgla takich jak np. gazy syntezowe dla amoniaku i metanolu. Palnik służy do prowadzenia egzotermicznej reakcji spalania, która poprzedza silnie endotermiczną reakcję katalityczną reformingu parą.

W szczególności niniejszy wynalazek dotyczy procesu reformingu wtórnego obejmującego następujące etapy:

- wprowadzanie strumienia gazu zawierającego tlen do komory spalania poprzez przewód zasilający palnika;

- wprowadzanie strumienia gazu zawierającego węglowodory do komory spalania stosując pierścieniowy przepływ na zewnątrz przewodu zasilającego;

- mieszanie i poddanie reakcji strumienia gazu zawierającego tlen ze strumieniem gazu zawierającym węglowodory, uzyskanie strumienia gazu zawierającego wodór i monotlenek węgla;

- wprowadzanie strumienia gazu zawierającego wodór i monotlenek węgla do złoża katalitycznego położonego poniżej komory spalania w celu przeprowadzenia reakcji reformingu parą. W dalszej części opisu i w załączonych zastrzeżeniach patentowych termin: „strumień gazu zawierającego tlen”, stosuje się ogólnie dla gazu współpaliwowego zawierającego oprócz tlenu także parę i czasami azot; natomiast termin: „strumień gazu zawierającego węglowodory” stosuje się dla gazu palnego lub procesowego, zawierającego wodór, monotlenek węgla, ditlenek węgla i parę oprócz lekkich węglowodorów (np. C1-C4).

Gaz palny na ogół otrzymuje się z sekcji reformingu podstawowego, w którym węglowodory, jak np. gaz naturalny, nafta, LPG (gaz płynny) lub gaz rafineryjny i ich mieszaniny, poddaje się reakcji z parą wodną. W dziedzinie wymienione gazy nazwa się także gazami transformowanymi lub reformowanymi. W dalszej części opisu i w załączonych zastrzeżeniach patentowych termin: „strumień gazu zawierającego wodór i monotlenek węgla” stosuje się dla strumienia gazu zawierającego także N2, Ar i He oprócz CO i H2.

W dziedzinie produkcji gazu syntezowego coraz bardziej odczuwana jest potrzeba procesu prowadzenia reakcji reformingu wtórnego z dużymi wydajnościami, który można łatwo zrealizować i który zapewni mniejsze zużycie energii i będzie miał niskie koszty eksploatacji.

W celu zaspokojenia tej potrzeby zaproponowano procesy, w których reakcję spalania realizuje się w komorze spalania przez zmieszanie tlenu ze strumieniem gazu zawierającego węglowodory, na ogół gazu transformowanego pochodzącego z sekcji reformingu podstawowego.

W szczególności, w procesach tych, strumień tlenu zasilający komorę spalania dzieli się na wiele dysz, ułożonych promieniowo w rzędy, na ogół leżące jeden za drugim, z kolistego kolektora, podczas gdy strumień węglowodorów przepływa poprzez te dysze.

W ten sposób tworzy się wiele promieniowych płomieni (odpowiednio jeden dla każdej dyszy), które na ogół są rozdzielone na koliste rzędy leżące jeden za drugim w stosunku do kierunku strumienia gazu procesowego, a zatem może występować spalanie znaczących ilości gazu procesowego, nawet w ograniczonej przestrzeni takiej jak komora spalania.

Należy tu przypomnieć, że w urządzeniach do reformingu wtórnego komora spalania, w której zachodzi spalanie węglowodorów, znajduje się w obszarze powyżej złoża katalitycznego do następnej reakcji reformingu parą palonego gazu zawierającego monotlenek węgla i wodór.

Ma to miejsce z uwagi na fakt, że w celu optymalizacji wydajności takiego urządzenia, przestrzeń zajmowana przez katalizator jest możliwie największa, tym samym ograniczając przestrzeń, w której powinna zachodzić reakcja spalania gazu procesowego.

Pomimo faktu, że rozdzielenie strumienia tlenu na wiele rzędów dysz leżących jeden za drugim i ułożonych częściowo promieniowo poprawia spalanie węglowodorów w zmniejszonej przestrzeni, procesy stosowane dotychczasowo mają różne wady, które wyjaśniono poniżej.

- Wiele dysz ułożonych promieniowo w koliste rzędy leżące jeden za drugim w stosunku do kierunku przepływu węglowodorów stanowi główną przyczynę nie optymalnego mieszania gazowych reagentów, także z palonym gazem, w komorze spalania.

W konsekwencji zachodzące spalanie jest niehomogeniczne, co pogarsza wydajność późniejszej reakcji reformingu parą ze szkodą dla produkcji gazu syntezowego.

PL 191 629B1

Ta wada bierze się głównie z faktu nieoptymalnego umieszczenia i rozmiarów strumieni tlenu, które zawierają różne ilości gazu procesowego i gazu palonego, powodując później powstawanie zróżnicowanych płomieni, tj. mających różne temperatury i różne składy.

Ponadto, zjawisko to może być dodatkowo uwypuklone w procesach według dotychczasowej wiedzy w dziedzinie przez niejednorodną szybkość przepływu strumienia gazu zawierającego węglowodory, który wprowadza się do komory spalania w pobliżu strumieni tlenowych.

- Nadmierna długość płomieni wytwarzanych przez strumienie tlenu w komorze spalania, z powodu wielkości tych strumieni dalekich od optymalnych, tj. z uwagi na nieodpowiednią liczbę wtryśnięć i zbyt duże średnice dysz przez które wprowadza się te strumienie.

Długość płomieni jest parametrem krytycznym dla optymalnej eksploatacji komory spalania. Zbyt długie płomienie mogą sięgać wykładziny komory spalania z ogniotrwałego materiału, jak również katalizatora znajdującego się poniżej, niszcząc jedno i drugie.

Ze względu na nadmierną długość płomieni w urządzeniu do reformingu wtórnego, w procesie według dotychczasowego stanu wiedzy w dziedzinie konieczna jest względnie częsta wymiana ogniotrwałego materiału w komorze spalania, co powoduje wysokie koszty utrzymania i straty produkcyjne. Ponadto, w celu uniknięcia uszkodzenia katalizatora, poświęca się część przestrzeni przeznaczonej na złoże katalizatora ze szkodą dla ogólnej wydajności takiego urządzenia do wytwarzania gazu syntezowego.

-Duży spadek ciśnienia strumienia tlenu, który, oprócz zastosowania jako współpaliwo w reakcji spalania, jest bardzo ważny jako chłodziwo ścian palnika do przeprowadzenia reakcji spalania, w celu uniknięcia uszkodzeń lub jego zepsucia.

W procesach zgodnych z dotychczasowym stanem wiedzy w dziedzinie, gaz współpaliwowy płynie specjalnymi kanałami w celu uzyskania efektu oziębienia, w konsekwencji jednakże przy takim przepływie następuje duży spadek ciśnienia, z negatywnymi konsekwencjami w zakresie zużycia energii i kosztów eksploatacji.

Ze względu na te wady, wdrażanie procesów przeprowadzania reakcji reformingu wtórnego według dotychczasowego stanu wiedzy w dziedzinie wymaga uwzględnienia dużego zużycia energii, jak również pociąga za sobą duże koszty eksploatacji i utrzymania tak, że koszty wytwarzania gazu syntezowego są znacząco większe.

Problemem technicznym leżącym u podstaw niniejszego wynalazku jest opracowanie procesu do przeprowadzenia reakcji reformingu wtórnego z dużą wydajnością, łatwego do wykonania i nie mającego dużych kosztów eksploatacyjnych i utrzymania.

Sposób reformingu wtórnego obejmujący etapy, w których:

- wprowadza się strumień gazu zawierający tlen do komory spalania poprzez przewód zasilający palnika;

- wprowadza się strumień gazu zawierający węglowodory do komory spalania poprzez zasadniczo pierścieniowy kanał określony z zewnątrz przez przewód zasilający we wcześniej określonym kierunku;

- miesza się i poddaje reakcji strumień gazu zawierającego tlen ze strumieniem gazu zawierającego węglowodory wewnątrz wymienionej komory spalania, z wytworzeniem strumienia gazu zawierającego wodór i monotlenek węgla;

- wprowadza się strumień gazu zawierającego wodór i monotlenek węgla do złoża katalitycznego leżącego poniżej komory spalania w celu przeprowadzenia reakcji reformingu parą;

według wynalazku charakteryzuje się tym, że obejmuje etapy, w których:

- wprowadza się strumień gazu zawierającego tlen do komory spalania w postaci wielu strumieni wytworzonych przez odpowiadające równoległe rurki prądu o równej prędkości, przy czym strumienie nie leżą jeden na drugim w stosunku do kierunku strumienia zawierającego węglowodory;

- rozprasza się te wiele strumieni w strumieniu gazu zawierającego węglowodory w komorze spalania;

- miesza się w komorze spalania strumienie gazu zawierającego tlen ze strumieniem gazu zawierającego węglowodory w lokalnie stałej proporcji.

Korzystnie, strumień gazu zawierającego tlen przecina zasadniczo poprzecznie strumień gazu zawierającego węglowodory w komorze spalania. Wten sposób wewnątrz komory spalania osiąga się optymalne krążenie palonych gazów, które są odpowiednio porywane przez strumienie tlenu i dostarczają wystarczającą ilość energii do zapłonu płomieni.

PL 191 629B1

Korzystnie, strumień gazu zawierającego tlen przepływa wzdłuż przewodu zasilającego przy ogólnym spadku ciśnienia w zakresie pomiędzy 25 kPa i 200 kPa, co dodatkowo zmniejsza zużycie energii.

Korzystnie, strumienie gazu zawierającego tlen wprowadza się do komory spalania zasadniczo prostopadle w stosunku do kierunku przepływu tego strumienia wewnątrz przewodu zasilającego. W ten sposób łatwo uzyskuje się powstawanie strumieni, które są jednorodne i stałe w czasie, dodatkowo ułatwiając mieszanie z węglowodorami i późniejszą reakcję spalania. Ponadto osiąga się nawet bardziej efektywne oziębienie w końcowej części przewodu zasilającego poddawanej większym obciążeniom cieplnym.

Palnik do procesu reformingu wtórnego obejmujący:

- zasadniczo cylindryczny kanał o wstępnie określonej długości do wprowadzania strumienia gazu zawierającego tlen do komory spalania znajdującej się poniżej palnika;

według wynalazku charakteryzuje się tym, że dodatkowo zawiera:

-co najmniej jeden kolektor dla strumienia gazu zawierającego tlen, wystający z końca kanału palnika i połączony z nim, zawierający wiele dysz rozmieszczonych wzdłuż obwodu co najmniej jednego kolektora w pobliżu jego niższego końca i ułożonych tak, aby nie leżały jedna na drugiej w stosunku do kierunku prostopadłego do niższego końca kolektora.

Korzystnie, dysze są rozmieszczone w kolektorze tylko w jednym rzędzie, korzystnie równoległym do niższego końca kolektora, i mają średnicę w zakresie pomiędzy 2 i 30 mm, korzystnie pomiędzy 5 i 25 mm. Korzystnie, dysze są rozszerzone po wewnętrznej stronie kolektora.

Palnik według wynalazku charakteryzuje się korzystnie tym, że niższy koniec kolektora ma zasadniczo przekrój półkolisty.

Palnik według wynalazku korzystnie zawiera wiele kolektorów, które są rozmieszczone promieniowo od końca kanału, przy czym dysze są rozdzielone wzdłuż przeciwległych ścian kolektorów. Dysze korzystnie są koliste i odpowiednio oddalone jedna od drugiej według następującej zależności:

Ni*Di²/(Ri*DR)=C gdzie C oznacza stałą, Ri promień i-tego obwodu przechodzącego poprzez dysze, Ni liczbę dysz na obwodzie o promieniu Ri, Di średnicę dysz na obwodzie o promieniu Ri, a odległość promieniowa DR = (Ri+1 - Ri-1)/2.

Korzystnie, przeciwległe ściany kolektorów są płaskie i zasadniczo równoległe do siebie i sięgają końca kanału palnika, pod kątem w zakresie pomiędzy 30 i 60° w stosunku do osi (A) kanału palnika. Niższy koniec kolektorów jest zasadniczo prostoliniowy i ma kąt pochylenia w zakresie pomiędzy 45° i 90° w stosunku do osi (A). Dysze mają kąt nachylenia w stosunku do ścian kolektorów w zakresie pomiędzy 90° i 10°, korzystnie 45°.

Korzystnie, w zakończeniu kanału palnika znajdują się środki do odchylania strumienia gazu zawierającego węglowodory w kierunku kolektorów, korzystnie jest to deflektor o kształcie stożka, którego wierzchołek znajduje się w pobliżu górnej części końca kanału palnika.

Urządzenie do prowadzenia reformingu wtórnego obejmujące:

- zasadniczo cylindryczną obudowę, która określa wewnątrz niej komorę spalania, i w której złoże katalityczne znajduje się poniżej komory spalania,

-dysze wlotowe odpowiednio dla strumienia gazu zawierającego węglowodory i strumienia gazu zawierającego tlen, połączone z komorą spalania;

- dyszę wylotową dla strumienia obejmującego gaz syntezowy, połączoną ze złożem katalitycznym; w rozwiązaniu według wynalazku charakteryzuje się tym, że pomiędzy dyszami wlotowymi, a komorą spalania dodatkowo zawiera palnik obejmujący:

- zasadniczo cylindryczny kanał o wstępnie określonej długości do wprowadzania strumienia gazu zawierającego tlen do komory spalania znajdującej się poniżej palnika; oraz

-co najmniej jeden kolektor dla strumienia gazu zawierającego tlen, wystający z końca kanału palnika i połączony z nim, zawierający wiele dysz rozmieszczonych wzdłuż obwodu kolektora w pobliżu jego niższego końca i ułożonych tak, aby nie leżały jedna na drugiej w odniesieniu do kierunku prostopadłego do niższego końca kolektora.

Zatem, rozwiązaniem przedstawionego problemu jest proces omówiony powyżej, który obejmuje następujące etapy:

PL 191 629B1

- wprowadzanie strumienia gazu zawierającego tlen do komory spalania przez wiele dysz, które nie leżą jedna za drugą w stosunku do kierunku przepływu strumienia zawierającego węglowodory, i wytworzonego z odpowiednich równoległych rurek prądu mających równą prędkość;

- rozdzielenie na wiele części strumienia gazowego węglowodoru wewnątrz komory spalania tak, aby zmieszać strumień gazowy zawierający tlen ze strumieniem gazowym zawierającym węglowodór w lokalnie stałej proporcji. Wynalazek umożliwia optymalizację reakcji spalania węglowodorów, a zatem ułatwia produkcję gazu syntezowego, zmniejszając zużycie energii oraz koszty eksploatacyjne i utrzymania.

Właściwie, w procesie według wynalazku, strumień gazu zawierającego tlen, zasilający komorę spalania jest rozdzielony w wielu dyszach, nie leżących jedna za drugą, w stosunku do kierunku strumienia gazu zawierającego węglowodory. Innymi słowy, każda część strumienia zawierającego węglowodory ukierunkowana do komory spalania styka się tylko z jednym strumieniem tlenu, a nie z wieloma strumieniami, jak to miało miejsce w procesach według dotychczasowego stanu wiedzy w dziedzinie.

Ponadto, takie strumienie rozpraszają się w strumieniu gazowego węglowodoru tak, aby mieszać strumień gazowy zawierający tlen ze strumieniem gazowym zawierającym węglowodór w lokalnie stałej proporcji.

Umożliwia to każdemu strumieniowi tlenu wprowadzenie do komory spalania stałej ilości gazu palnego, a także zawróconego gazu palonego, dając w efekcie wszystkie płomienie o tej samej temperaturze i jednakowym składzie.

Innymi słowy, możliwa jest optymalizacja mieszania gazowych reagentów, uzyskanie równych płomieni, a zatem jednakowego i homogenicznego spalania w całej komorze spalania, co poprawia zupełność reakcji spalania, z korzyścią w postaci zmniejszenia zużycia energii i poprawienia wydajności późniejszej katalitycznej reakcji reformingu parą.

Ponadto, ponieważ nie ma dysz leżących jedna za drugą, a także strumienie tworzy się z odpowiednich równoległych rurek prądu mających równą prędkość, końcowa część przewodu zasilającego, która kontaktuje się z gorącymi gazami palonymi, a zatem na ogół poddawana jest gwałtownym warunkom, może być chłodzona skutecznie i równomiernie przez wszystkie strumienie tlenu, tj. przez stałe i homogeniczne ilości tlenu płynące w jego wnętrzu. W ten sposób możliwe jest zagwarantowanie długiego czasu eksploatacji przewodu zasilającego (palnika do spalania gazu procesowego), co oznacza uniknięcie jego częstych wymian, które wymagają wyłączenia instalacji, a także wynikające z tego stosowne oszczędności pod względem ekonomicznym i zmniejszenie strat produkcyjnych.

Co więcej, proces według wynalazku jest bardzo prosty, niezwykle niezawodny i łatwy do wdrażania, a także nie wymaga dużego kapitału inwestycyjnego i nie ma dużych kosztów utrzymania.

Przedmiot wynalazku w korzystnych przykładach wykonania został przedstawiony na rysunku, na którym fig. 1 obrazuje schematycznie przekrój podłużny urządzenia do reformingu wtórnego, do wytwarzania gazu syntezowego, zawierającego palnik pracujący w procesie według korzystnego rozwiązania według niniejszego wynalazku; fig. 2 przedstawia schematycznie przekrój poprzeczny palnika pokazanego na fig. 1, według korzystnego rozwiązania według wynalazku, fig. 3 przedstawia schematycznie przekrój podłużny palnika pokazanego na fig. 2, wzdłuż linii X-X; fig. 4 przedstawia schematycznie przekrój podłużny szczegółu palnika pokazanego na fig. 3, wzdłuż linii Y-Y.

Urządzenie 1 do reformingu typu wtórnego przedstawione na fig. 1, obejmuje zasadniczo cylindryczną obudowę 2, w której znajduje się złoże katalizatora 3 do przeprowadzenia reakcji takiej jak reakcja reformingu parą do wytwarzania gazu syntezowego. Na górnym i dolnym końcu obudowy 2, na ogół w postaci ściętego stożka, znajdują się, odpowiednio, komora spalania 4 do spalania węglowodorów i komora 5 do zbierania gazu syntezowego wytwarzanego w złożu katalitycznym 3.

W szczególności, komora spalania 4, w której zachodzi reakcja spalania pomiędzy tlenem i węglowodorami, jest ograniczona od dołu maksymalnym poziomem osiąganym przez katalizator wewnątrz obudowy 2, wskazanym w fig. 1 linią przerywaną 3a, a od góry palnikiem 6, który bardziej szczegółowo opisano poniżej.

Wnętrze obudowy 2 jest wyłożone materiałem ogniotrwałym - na fig. 1 ogólnie oznaczonym 7- odpornym na wysokie temperatury, jako zabezpieczenie metalowej struktury obudowy.

Strumień gazu zawierającego węglowodory doprowadzany na ogół z sekcji reformingu podstawowego wprowadza się do urządzenia 1 poprzez dyszę wlotową gazu 8. Natomiast strumień gazu zawierającego tlen wprowadza się do urządzenia 1 poprzez dyszę wlotową gazu 9. Ten strumień, nazwany także gazem współpaliwowym, zawiera na ogół powietrze lub powietrze wzbogacone w tlen.

PL 191 629B1

Termin: „powietrze wzbogacone w tlen” rozumie się jako wskazujący powietrze z zawartością tlenu większą niż 21% molowych, np. zawartą pomiędzy 22% i 80%.

Gaz syntezowy uzyskany z katalitycznej reakcji reformingu parą wychodzi z urządzenia 1 poprzez dyszę wylotową gazu 10, połączoną z komorą 5.

oznacza półkolisty element zamykający, podpierający złoże katalityczne 3w obudowie 2.

Urządzenie do reformingu wtórnego 1 na fig. 1 na ogół pracuje w temperaturach w zakresie pomiędzy 800-1000°C, i pod ciśnieniami w zakresie pomiędzy 2-4 MPa. W dziedzinie takie urządzenie nazwa się także adiabatycznym urządzeniem do reformingu.

W urządzeniu stosuje się typowe materiały i katalizator używane w urządzeniu 1 do reformingu wtórnego i nie będą one opisywane bardziej szczegółowo w dalszej części opisu.

Palnik 6 na fig. 1 jest obsadzony w górnym wypuście 2a obudowy 2, o mniejszej średnicy niż obudowa.

Obejmuje on po pierwsze kanał 12, zasadniczo cylindryczny i o wstępnie określonej długości, który jest połączony z dyszą wlotową 9 w celu wprowadzania strumienia gazu zawierającego tlen do znajdującej się poniżej komory spalania 4.

Drugi kanał 13, zewnętrzny i współosiowy w stosunku do palnika 6, umieszczony w wypuście 2a obudowy 2, ogranicza wewnątrz niego - pomiędzy kanałami 12 i 13 - zasadniczo pierścieniową przestrzeń w kształcie rury 14 służącą do wprowadzania strumienia gazu zawierającego węglowodory do komory spalania 4.

Przestrzeń w kształcie rury 14 jest połączona z dyszą wlotową 8, która prowadzi do drugiego kanału 13 w kierunku prostopadłym do niej.

Palnik 6 według wynalazku obejmuje dodatkowo co najmniej jeden kolektor 15 dla strumienia gazu zawierającego tlen połączony z końcem 12a pierwszego kanału 12.

Według korzystnego rozwiązania wynalazku, przedstawionego bardziej szczegółowo na fig. 2-4, palnik 6 obejmuje wiele kolektorów 15, które są umieszczone promieniowo na końcu 12a pierwszego kanału 12.

Korzystnie, liczba kolektorów 15 może zmieniać się od 4 do 12, w zależności od szybkości przepływu reagentów gazowych i od dostępnej przestrzeni komory spalania 4. W przykładzie tu zilustrowanym, palnik 6 zawiera osiem kolektorów 15, które są umieszczone promieniowo wzdłuż obwodu pierwszego kanału 12 i w tej samej odległości od siebie.

Korzystnie, kolektory 15 obejmują z kolei wiele dysz 16 rozdzielonych wzdłuż obwodu kolektorów 15 w pobliżu ich niższych końców 15a i rozmieszczonych tak, aby nie znajdowały się jedna na drugiej w stosunku do kierunku prostopadłego do końca 15a kolektorów 15.

W tym specyficznym przykładzie, dysze 16 są rozdzielone wzdłuż przeciwległych ścian 17 kolektorów 15.

Na fig. 2-4 szczegóły palnika 6 równoważne pod względem budowy i funkcji ze zilustrowanymi na fig. 1 oznaczono tymi samymi oznaczeniami liczbowymi i nie opisywano ich ponownie.

Dzięki szczególnemu rozmieszczeniu dysz 16 wzdłuż ścian 17 kolektorów 15, można osiągnąć znaczne, w stosunku do dotychczasowego stanu wiedzy, ulepszenie mieszania, a zatem także spalania reagentów gazowych w komorze spalania 14.

Właściwie, w takim wykonaniu, każda część strumienia gazu zawierającego węglowodory wpływająca z przestrzeni w kształcie rury 14, która prowadzi do komory spalania 4, głównie w kierunku osiowym jak wskazano linią przerywaną 18 na fig. 3, jest porywana, tj. miesza się z tylko jedną porcją strumienia gazu zawierającego tlen, uzyskaną z przepływu gazu współpaliwowego poprzez dysze 16 kolektorów 15.

To samo odnosi się do strumienia gazów palonych (nie pokazanego) cyrkulującego w komorze spalania 4. Także w tym przypadku każda część strumienia gazu palonego w pobliżu palnika 7 jest porywana tylko przez jedną porcję gazu współpaliwowego.

Palnik 6 według niniejszego wynalazku umożliwia zatem wytworzenie prawie stałych warunków mieszania przy kolektorach 15, co oznacza pracę z wszystkimi płomieniami równymi sobie i mającymi tę samą temperaturę i skład.

Szczególnie korzystne wyniki, w sensie mieszania pomiędzy reagentami gazowymi, otrzymano rozmieszczając dysze 16 w tylko jednej linii, korzystnie równolegle do niższego końca 15a kolektorów 15, jak pokazano w rozwiązaniu na fig. 3.

PL 191 629B1

W tym względzie ważna jest obserwacja, że promieniowe rozmieszczenie wielu kolektorów 15 połączonych z końcem 12a pierwszego kanału 12 umożliwia uzyskanie optymalnej eksploatacji małej dostępnej przestrzeni komory spalania 4.

To rozmieszczenie kolektorów 15 umożliwia użycie dużej liczby dysz 16 o małej średnicy, nie leżących jedna za drugą w stosunku do kierunku prostopadłego do końca 15a kolektorów 15. Umożliwia to uzyskanie wielu płomieni (jeden dla każdej dyszy tlenowej) stwarzając możliwość dopełnienia reakcji spalania wewnątrz komory spalania 4. Jednocześnie, te płomienie są wystarczająco krótkie, aby uniknąć jakiegokolwiek zniszczenia katalizatora poniżej komory spalania 4 lub wewnętrznych ścian tej komory.

W pokazanym przykładzie, dysze 16 mają kształt kolisty. Jednakże możliwe jest wykonanie dysz 16 o różnym kształcie, na przykład zasadniczo prostokątnym tak, aby uzyskać wiele sąsiadujących szczelin.

Korzystnie, dysze 16 rozmieszcza się wzdłuż obwodu kolektorów 15 w zmiennej odległości tak, aby utrzymać stałą proporcję mieszania pomiędzy gazowym strumieniem zawierającym tlen i gazowym strumieniem zawierającym węglowodory w każdej części komory spalania 4 pod palnikiem 6. W ten sposób zapewnią się homogeniczne warunki spalania wzdłuż całego promienia kolektorów 15.

W przypadku kolistych dysz 16, taką odległość korzystnie określa się według następującego stosunku:

Ni*Di²/(Ri*DR)=C w którym: C oznacza stałą, Ri promień i-tego obwodu przechodzącego poprzez dysze, Ni liczbę dysz na obwodzie o promieniu Ri, Di średnicę dysz na obwodzie o promieniu Ri, przy czym odległość promieniowa DR = (R_i+1 - R_i-1)/2.

Promień Ri jest równy odległości pomiędzy osią A kanału 12 i dyszami 16 rozmieszczonymi na i-tym obwodzie.

Analogiczne kryteria można stosować w przypadku dysz 16o kształcie innym niż kolisty.

Postępując w ten sposób można dysze 16 odpowiednio umieścić w celu zapewnienia optymalnego spalania w komorze 4i -między innymi - unikać niepożądanych przecięć lub zaburzeń pomiędzy sąsiadującymi dyszami, tj. sąsiadującymi płomieniami.

Szczególnie korzystne wyniki otrzymano zapewniając odległość promieniową DR pomiędzy sąsiadującymi dyszami 16 tego samego kolektora 15 odwrotnie proporcjonalną do promienia R.

Innymi słowy, przy równym wymiarze dysz 16, odległość pomiędzy nimi wzdłuż kolektorów 15 zmniejsza się wraz ze zwiększeniem odległości od osi A kanału 12.

Alternatywnie, homogeniczne warunki spalania można także otrzymać stosując dysze 16 o różnych rozmiarach rozmieszczone wzdłuż obwodu kolektorów 15 w stałej odległości.

Korzystnie, dysze 16mają średnicę w zakresie pomiędzy 2 i 30 mm, korzystnie pomiędzy 5 i 25 mm i bardziej korzystnie pomiędzy 5 i 15 mm.

Wymienione powyżej wymiary dysz 16 są szczególnie korzystne dlatego, że umożliwiają optymalizację liczby i średnicy dysz, które można wykonać w ścianach 17 kolektorów 15.

Postępując w ten sposób można otrzymać wiele strumieni o małej szybkości przepływu, a więc wiele krótkich płomieni. To umożliwia spalanie dużych ilości gazu procesowego w bardzo ograniczonej przestrzeni, bez ryzyka, że płomienie dosięgną katalizatora lub ogniotrwałego wyłożenia komory spalania 4.

W ten sposób unika się niepożądanych uszkodzeń palnika, jak również katalizatora do reakcji reformingu parą, w pełni wykorzystując całkowitą wydajność urządzenia do reformingu wtórnego. Następnie, fakt że nie zachodzi potrzeba częstych wymian palnika -jak w procesach według dotychczasowego stanu wiedzy w dziedzinie - prowadzi do olbrzymich oszczędności w kosztach, ponieważ zmniejszają się straty produkcyjne gazu syntezowego i koszty utrzymania.

W celu uniknięcia niepożądanego spadku ciśnienia strumienia zawierającego tlen i pary przechodzących poprzez kolektory 15, koliste dysze 16 są rozszerzone (stożkowo) po wewnętrznej stronie 17' ścian 17, jak pokazano na fig. 4.

Dzięki temu przedsięwzięciu możliwe jest uniknięcie spadku ciśnienia nawet do 50% w stosunku do spadku ciśnienia, który występuje, gdy strumień tlenu wypływałby z dysz 16, które nie byłyby rozszerzone.

Takie rozszerzenie jest dodatkowo korzystne, ponieważ sprzyja ono zasadniczo laminarnemu przepływowi gazu współpaliwowego poprzez dysze 16. W ten sposób unika się powstawania niepo8

PL 191 629B1 żądanych zawirowań, które mogłyby powodować, że strumienie tlenowe byłyby niejednakowe i niejednorodne, dając w efekcie nieprawidłowe mieszanie pomiędzy reagentami gazowymi i ryzyko wystąpienia zmian w temperaturze płomieni i składzie.

Następnie, niższy koniec 15a kolektorów 15 ma korzystnie w zasadzie półkolisty przekrój w celu ułatwienia wypływu strumienia gazów zawierających tlen z dysz 16, dodatkowo zmniejszając spadek ciśnienia tego strumienia.

W kolejnym aspekcie wynalazku, korzystnie dostarcza się odpowiednie środki do ujednorodnienia szybkości przepływu strumienia gazów zawierającego węglowodory wpływającego zasadniczo pierścieniową przestrzenią w kształcie rury 14.

Według rozwiązania pokazanego na fig. 2-4, środki do ujednorodnienia szybkości przepływu strumienia gazu procesowego, obejmują wiele przegród w postaci perforowanej płytki 20 umieszczonych w przestrzeni w kształcie rury 14 w pobliżu kolektorów 15. Dokładniej płytki przegradzające 20 umieszcza się prostopadle do ścian 17 i równolegle do odpowiedniego niższego końca 15a kolektorów 15, w pozycji tuż powyżej dysz 16.

Oczywiście jest także możliwe wykonanie tylko jednej płytki przegradzającej 20, zależnie od ilości i kształtu kolektorów 15.

Dysza wlotowa 8 gazu procesowego na ogół jest prostopadła do przestrzeni w kształcie rury 4 znajdującej się pomiędzy kanałami 12 i 13, a burzliwość strumienia gazowego zawierającego węglowodory uzyskuje się podczas przepływu wewnątrz przestrzeni w kształcie rury 4. Ta burzliwość powoduje niejednorodność szybkości przepływu strumienia zasilającego w komorze spalania 4.

Gdy taki strumień wprowadza się w małej odległości od strefy mieszania z tlenem, brak przegrody w postaci perforowanej płytki 20, która zapewnia jednorodny rozdział gazu procesowego -może prowadzić do nie optymalnego mieszania reagentów gazowych, przy czym szybkość przepływu strumienia zawierającego węglowodory może zmieniać się lokalnie i w czasie.

Przez ujednorodnienie szybkości przepływu strumienia gazu zawierającego węglowodory kierowanego do komory spalania 4, utrzymuje się stałą ilość gazu procesowego porywaną przez pojedynczy strumień tlenowy wypływający z dysz 16i homogeniczność w pobliżu całego palnika 6, dodatkowo uzyskując prawidłowe i zupełne spalanie węglowodorów.

Innymi słowy strumień gazowy zawierający węglowodory wprowadzany do komory spalania 4, korzystnie wstępnie poddaje się określonemu spadkowi ciśnienia w momencie jego wychodzenia z zasadniczo pierścieniowego kanału określonego przez przestrzeń w kształcie rury 14, tak by ujednorodnić szybkość przepływu tego strumienia.

Jak pokazano na fig. 3, przeciwległe ściany 17 kolektorów 15 są korzystnie płaskie i zasadniczo równoległe do siebie. Ponadto te ściany 17 zaczynają się od końca 12a pierwszego kanału 12, korzystnie pod kątem w zakresie pomiędzy 30° i 60° w stosunku do osi A kanału 12.

Innymi słowy, kolektory 15 mają zasadniczo kształt równoległościenny w taki sposób, aby jak najbardziej wspomagać laminarny przepływ gazu współpaliwowego poprzez kolektory 15, przy małym spadku ciśnienia.

Specyficzna kątowa orientacja kolektorów 15 w stosunku do osi A pierwszego kanału 12 umożliwia ograniczenie strefy mieszania reagentów gazowych w pobliżu górnego końca komory spalania 4 tak, aby jak najbardziej wykorzystać dostępną przestrzeń dla reakcji spalania.

Niższy koniec 15a kolektorów 15 korzystnie jest prostoliniowy i wykonuje się go pod kątem pochylenia w zakresie pomiędzy 45° i 90° w stosunku do osi A, korzystnie pomiędzy 60° i 80°, na przykład 70°.

W celu jak najlepszego ograniczenia ryzyka zniszczenia ogniotrwałego wyłożenia wewnętrznych ścian komory spalania 4 przez płomienie wytwarzane przez strumienie tlenowe wypływające z kolektorów 15 i jednocześnie w celu zmniejszenia obciążeń mechanicznych, którym są poddawane dysze 16, i które przyczyniają się do szybkiego ich zużywania, dysze 16 mają kąt pochylenia w stosunku do ścian 17 kolektorów 15w zakresie pomiędzy 90° i 10°, korzystnie 90° i 30°, na przykład 45°.

Według szczególnie korzystnego rozwiązania według wynalazku, koniec 12a pierwszego kanału 12 ma szczeliny 21dla przepływu strumienia gazu zawierającego tlen z pierwszego kanału 12 do kolektorów 15. Korzystnie, ogólną końcową powierzchnię kolektorów 15 określoną przez szczeliny 21 wyznacza się tak, aby była równa lub większa od powierzchni przepływu kanału 12.

Dzięki palnikowi 6 według wynalazku, gaz współpaliwowy przepływa poprzez kanał 12 i kolektory 15 w zasadzie osiowo, jak pokazano linią przerywaną 19 na fig. 3 i zasila poprzecznie, całą swoją szybkością przepływu, wszystkie dysze 16.

PL 191 629B1

W ten sposób wszystkie dysze 16 są zasilane przez odpowiednie równoległe rurki prądu strumienia gazu zawierającego tlen o równej prędkości, uzyskując strumienie o jednorodnej prędkości, a zatem płomienie o równej długości wzdłuż całego obwodu kolektorów 15.

Cecha ta jest nie tylko korzystna ze względu na umożliwienie osiągnięcia optymalnego i zupełnego spalania w komorze spalania 4, ale przede wszystkim ponieważ nie powoduje ona znaczącego spadku ciśnienia strumienia gazu współpaliwowego podczas jego przepływu z kanału 12 do kolektorów 15. Ponadto, ta cecha umożliwia uzyskanie w końcowej części kolektorów 15 bardzo skutecznego kapilarnego chłodzenia, tym samym wydłużając czas eksploatacji palnika, a zatem daje stosowne oszczędności w stratach produkcyjnych gazu syntezowego, kosztach utrzymania i zużyciu energii.

Należy przy tym uwzględnić, że dzięki niniejszemu wynalazkowi, gaz współpaliwowy (który jest chłodniejszy niż gaz procesowy) utrzymuje się w ciągłym i jednorodnym kontakcie (kontakt omywający) z każdą częścią kanału 12 i kolektorów 15, tak więc zapewniając zawsze optymalne oziębianie tych części.

Figura 3 jednoznacznie pokazuje, że płynące reagenty gazowe docierają do palnika 6 zasadniczo w sposób osiowy (linie przepływu 18, 19). W szczególności strumień tlenu poddaje się tylko bardzo małemu odchyleniu od osi A kanału 12, minimalizując spadek ciśnienia.

Następnie, strumień gazowy zawierający tlen, korzystnie płynie prostopadle względem końca 15a kolektorów 15, równomiernie rozkładając się wzdłuż całej długości tego końca 15a. Postępując w ten sposób, możliwe jest uzyskanie skutecznego, stałego oziębienia także w tej części palnika, która - będąc w bezpośrednim kontakcie z gorącymi gazami palonymi cyrkulującymi wewnątrz komory spalania 4-w większym stopniu zużywa się i jest poddawana obciążeniom termicznym.

Należy zauważyć, że koniec 12a pierwszego kanału 12 ma kształt stożka ściętego (odwróconego), w celu wspomagania przepływu strumienia gazu zawierającego tlen z kanału 12 do kolektorów 15, możliwie najbardziej zmniejszając spadek ciśnienia.

W tym samym celu koniec 12a pierwszego kanału 12 zawiera we wnętrzu środki do odchylania strumienia gazu zawierającego tlenw kierunku kolektorów 15.

Korzystnie, takie środki obejmują deflektor 22 w kształcie stożka, którego wierzchołek znajduje się w pobliżu górnej części końca 12a pierwszego kanału 12.

Spadek ciśnienia strumienia gazu zawierającego tlen płynącego najpierw kanałem 12 można następnie zmniejszyć zapewniając półkolisty kształt wierzchołka 23 deflektora 22w kształcie stożka.

Na fig. 2i 3, kołnierz uszczelniający, oznaczony numerem 24, umieszczono pomiędzy przegrodą w kształcie perforowanej płytki 20 a kanałem 13 w celu zminimalizowania bezpośredniego przepływu gazu procesowego z przestrzeni w kształcie rury 14 do komory spalania 4.

Palnik 6 opisany na fig. 1-4 umożliwia przeprowadzenie procesu według wynalazku, reakcji reformingu wtórnego, opisanego powyżej. W szczególności, proces ten zawiera etapy wprowadzania strumienia gazu zawierającego tlen (linia strumienia 19) do komory spalania 4 w postaci wielu strumieni nie leżących jeden na drugim w stosunku do kierunku strumienia zawierającego węglowodory (linia strumienia 18) i złożonego z odpowiednich równoległych rurek prądu mających równą prędkość; rozszczepienia wielu strumieni gazu zawierającego węglowodory w komorze spalania 4 tak, aby zmieszać strumień gazu zawierającego tlen ze strumieniem gazu zawierającego węglowodory w lokalnie stałej proporcji.

Korzystnie, dysze dla strumienia gazu zawierającego tlen mogą mieć średnicę wylotu przewodu zasilającego palnik 6 w zakresie pomiędzy 2 i 30 mm, korzystnie pomiędzy 2 i 25 mm, na przykład 10 mm.

Mała średnica tych dysz umożliwia skuteczną regulację długości płomieni uzyskiwanych podczas spalania gazu procesowego tak, aby uzyskać optymalne wykorzystanie komory spalania bez ryzyka zniszczenia ogniotrwałego wyłożenia i/lub znajdującego się poniżej katalizatora.

Korzystnie, palnik 6 według wynalazku dodatkowo umożliwia przeprowadzenie reakcji spalania w komorze spalania 4 dzięki szczególnie małej prędkości przepływu reagentów gazowych przez kanał 12i przestrzeń w kształcie rury 14. Na przykład z szybkością w zakresie 20-200 m/s, korzystnie 40-100 m/s, na przykład 50, 60 m/s. Postępując w ten sposób zmniejsza się spadek ciśnienia strumieni gazów, a zatem unika się późniejszego wydatku energii na rozpraszanie, tym samym zmniejszając zużycie energii. Ponadto zapewnia się optymalne mieszanie strumieni gazów w komorze 4.

Warto powtórzyć, że dzięki niniejszemu wynalazkowi, gaz współpaliwowy wypływający z kolektorów 15 zderza się ze strumieniem gazu procesowego w taki sposób, że każda pojedyncza dysza tlenu wprowadza taką samą ilość gazu procesowego i, w przypadku poprzecznego zasilania reagen10

PL 191 629B1 tów gazowych, także równą ilość gazu palonego, cyrkulując wewnątrz komory spalania 4. W ten sposób otrzymuje się optymalne mieszanie gazów w płomieniach równych sobie i mających takie same temperatury i składy, dopełniając zalety reakcji spalania.

Z powyższego opisu wynikają zalety procesu według wynalazku. W szczególności możliwe jest prowadzenie reformingu wtórnego z dużymi wydajnościami, łatwego do wdrożenia i przystosowanego do otrzymywania dużej produkcji gazu syntezowego przy małym zużyciu energii, niskich kosztach eksploatacyjnych i utrzymania, oraz ze znacznym zmniejszeniem strat produkcyjnych - w stosunku do procesów według dotychczasowego stanu wiedzy w dziedzinie - dzięki uzyskaniu dłuższego czasu eksploatacji i większej niezawodności palnika pracującego w procesie według wynalazku.

Claims

1. Sposób reformingu wtórnego obejmujący etapy, w których:

znamienny tym, że obejmuje etapy, w których:

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że strumień gazu zawierającego tlen przecina zasadniczo poprzecznie strumień gazu zawierającego węglowodory w komorze spalania.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że strumień gazu zawierającego tlen przepływa wzdłuż przewodu zasilającego przy ogólnym spadku ciśnienia w zakresie pomiędzy 25 kPa i 200 kPa.

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że strumienie gazu zawierającego tlen wprowadza się do komory spalania zasadniczo prostopadle w stosunku do kierunku przepływu tego strumienia wewnątrz przewodu zasilającego.

5. Palnik do procesu reformingu wtórnego obejmujący:

- zasadniczo cylindryczny kanał o wstępnie określonej długości do wprowadzania strumienia gazu zawierającego tlen do komory spalania znajdującej się poniżej palnika; znamienny tym, że dodatkowo zawiera:

- co najmniej jeden kolektor (15) dla strumienia gazu zawierającego tlen, wystający z końca (12a) kanału (12) palnika i połączony z nim, zawierający wiele dysz (16) rozmieszczonych wzdłuż obwodu co najmniej jednego kolektora (15) w pobliżu jego niższego końca (15a) i ułożonych tak, aby nie leżały jedna na drugiej w stosunku do kierunku prostopadłego do niższego końca (15a) kolektora (15).

6. Palnik według zastrz. 5, znamienny tym, że dysze (16) są rozmieszczone w kolektorze (15) tylko w jednym rzędzie, korzystnie równoległym do niższego końca (15a) kolektora.

7. Palnik według zastrz. 5, znamienny tym, że dysze (16) mają średnicę w zakresie pomiędzy 2 i 30 mm, korzystnie pomiędzy 5 i 25 mm.

8. Palnik według zastrz. 5, znamienny tym, że dysze (16) są rozszerzone po wewnętrznej stronie (170 kolektora (15).

9. Palnik według zastrz. 5, znamienny tym, że niższy koniec (15a) kolektora (15) ma zasadniczo przekrój półkolisty.

PL 191 629B1

10. Palnik według zastrz. 5, znamienny tym, że zawiera wiele kolektorów (15), które są rozmieszczone promieniowo od końca (12a) kanału (12), przy czym dysze (16) są rozdzielone wzdłuż przeciwległych ścian (17) kolektorów (15).

11. Palnik według zastrz. 10, znamienny tym, że dysze (16) są koliste i odpowiednio oddalone jedna od drugiej według następującej zależności:

12. Palnik według zastrz. 10, znamienny tym, że przeciwległe ściany (17) kolektorów (15) są płaskie i zasadniczo równoległe do siebie i sięgają końca (12a) kanału (12), pod kątem w zakresie pomiędzy 30 i 60° w stosunku do osi (A) kanału (12).

13. Palnik według zastrz. 12, znamienny tym, że niższy koniec (15a) kolektorów (15) jest zasadniczo prostoliniowy i ma kąt pochylenia w zakresie pomiędzy 45 i 90° w stosunku do wymienionej osi (A).

14. Palnik według zastrz. 12, znamienny tym, że dysze (16) mają kąt nachylenia w stosunku do ścian (17) w zakresie pomiędzy 90° i 10°, korzystnie 45°.

15. Palnik według zastrz. 10, znamienny tym, że w zakończeniu (12a) kanału (12) znajdują się środki (22) do odchylania strumienia gazu zawierającego węglowodory w kierunku kolektorów (15).

16. Palnik według zastrz. 15, znamienny tym, że wymienione środki obejmują deflektor (22) o kształcie stożka, którego wierzchołek znajduje się w pobliżu górnej części końca (12a) kanału (12).

17. Urządzenie do prowadzenia reformingu wtórnego obejmujące:

- dysze wlotowe odpowiednio dla strumienia gazu zawierającego węglowodory i strumienia gazu zawierającego tlen, połączone z komorą spalania;

- dyszę wylotową dla strumienia obejmującego gaz syntezowy, połączoną ze złożem katalitycznym; znamienne tym, że pomiędzy dyszami wlotowymi (8, 9), a komorą spalania (4) dodatkowo zawiera palnik obejmujący:

- zasadniczo cylindryczny kanał (12) o wstępnie określonej długości do wprowadzania strumienia gazu zawierającego tlen do komory spalania (4) znajdującej się poniżej palnika; oraz

- co najmniej jeden kolektor (15) dla strumienia gazu zawierającego tlen wystający z końca (12a) kanału (12) palnika i połączony z nim, zawierający wiele dysz (16) rozmieszczonych wzdłuż obwodu kolektora (15) w pobliżu jego niższego końca (15a) i ułożonych tak, aby nie leżały jedna na drugiej w stosunku do kierunku prostopadłego do niższego końca (15a) kolektora (15).