PL210552B1 - Sposób mieszania gazu ziemnego w procesie autotermicznego półspalania - Google Patents

Abstract

Sposób mieszania gazu w procesie autotermicznego półspalania charakteryzuje się tym, że strumień gazu ziemnego z dodatkiem pary wodnej o stosunku H2O/C zawierającym się w przedziale 0,3 do 4 kieruje się do przestrzeni międzyrurowej palnika, a strumień zawierający tlen dzieli się na n równych strumieni cząstkowych przy pomocy n rur i następnie te strumienie dokładnie miesza się w przestrzeni międzyrurowej, poprzez wtryskiwanie do tej przestrzeni 30-50% strumienia tlenu w czasie krótszym od czasu samozapłonu. W wymieszanych strumieniach zmiana stosunku O/C w każdym miejscu przekroju poprzecznego na wylocie z palnika nie przekracza ± 5% w stosunku do wartości średniej. Proces mieszania prowadzi się pod ciśnieniem od 1 do 10 MPa przy temperaturze mieszaniny gazów od 500°C do 600°C, przy czym szybkość objętościowa gazu w obrębie palnika kształtuje się w zakresie od 3,6x105 do 3,6x107 Nm3/m3/h Wymieszany gaz wraz z pozostałą częścią strumienia tlenu kieruje się do komory spalania z szybkością większą od 20 m/s, w której zachodzi wymieszanie pozostałej części tlenu oraz następuje samozapłon mieszaniny gazu.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób mieszania gazu ziemnego w procesie autotermicznego półspalania do wytwarzania gazu syntezowego. Autotermiczny reforming gazu ziemnego wysokometanowego i/lub innych surowców węglowodorowych jest znanym procesem otrzymywania gazu syntezowego do syntezy amoniaku, metanolu, olefin, eteru dimetylowego, alkoholi oxo i wodoru.

Proces realizowany jest w izolowanym cieplnie reaktorze. Reaktor zasilany jest strumieniem gazu ziemnego i/lub innego gazu węglowodorowego zmieszanym ze strumieniem pary wodnej i częścią strumienia tlenu lub powietrza. Strumienie surowców wprowadzane są do komory półspalania poprzez palnik, którego zadaniem jest dokładne wymieszanie doprowadzonych surowców gazowych. W komorze półspalania usytuowanej w górnej części reaktora, strumień tlenu reaguje bezkatalitycznie z gazem węglowodorowym. Reakcje spalania w komorze półspalania przebiegają z niedomiarem tlenu i okreś lane są terminem półspalanie. Produkty reakcji zachodzących w komorze półspalania poddawane są parowemu reformingowi metanu na złożu katalizatora usytuowanym w dolnej części reaktora. Strumień produktu w postaci gazu syntezowego poddawany jest procesom konwersji oraz oczyszczania i kierowany zostaje do dalszego przetwarzania.

W znanych reaktorach autotermicznych procesy spalania gazu realizuje się poprzez mieszanie strumieni gazu i utleniacza poza palnikiem w obrębie komory półspalania. Stosuje się następujące sposoby mieszania poprzez:

• podział strumieni gazu i/lub utleniacza, • nadanie strumieniom gazu i utleniacza odpowiednich szybkoś ci i kierunków uł atwiają cych mieszanie.

W wyniku mieszania gazu poza palnikiem, w komorze pół spalania u wylotu palnika, pojawiają się strefy o dużym stężeniu węglowodorów i wysokiej temperaturze płomienia.

W miejscach takich tworzy się sadza lub prekursory sadzy. Dodatek pary wodnej hamuje proces tworzenia się sadzy w komorze półspalania poprzez zintensyfikowanie procesu zgazowania sadzy. W procesie ciś nieniowego reformingu autotermicznego stosunek H2O/C=0,6 oceniany jest jako minimalny lub krytyczny dla uzyskania produktu wolnego od sadzy.

Istnieją również znane sposoby mieszania, w których ten proces realizuje się w obrębie palnika, w zakresie temperatur podgrzewu wstępnego surowców znacznie niższych od temperatury płomienia.

Celem wynalazku było opracowanie skutecznego sposobu mieszania gazów palnych bez możliwości wystąpienia samozapłonu w określonych warunkach temperatury i ciśnienia w obrębie palnika.

Istota wynalazku polega na tym, że strumień gazu ziemnego z dodatkiem pary wodnej o stosunku H2O/C zawierającym się w przedziale 0,3 do 4 kieruje się do przestrzeni międzyrurowej palnika, a strumień zawierający tlen dzieli się na n równych strumieni cząstkowych przy pomocy n rur i następnie te strumienie dokładnie miesza się w przestrzeni międzyrurowej, poprzez wtryskiwanie do tej przestrzeni 30-50% strumienia tlenu, w czasie krótszym od czasu samozapłonu. W wymieszanych strumieniach zmiana stosunku O/C w każdym miejscu przekroju poprzecznego na wylocie z palnika nie przekracza ± 5% w stosunku do wartości średniej. Proces mieszania prowadzi się pod ciśnieniem od 1 do 10 MPa przy temperaturze mieszaniny gazów od 500°C do 600°C, przy czym szybkość obję tościowa gazu w obrębie palnika kształtuje się w zakresie od 3,6x10⁵ do 3,6x10⁷ Nm³/m³/h, po czym wymieszany gaz wraz z pozostałą częścią strumienia tlenu kieruje się do komory spalania z szybkością większą od 20 m/s, w której zachodzi wymieszanie pozostałej części tlenu oraz następuje samozapłon mieszaniny gazu.

Stosunek O/C zawiera się w przedziale 0,5 do 0,8, a czas indukcji samozapłonu wymieszanych reagentów zawiera się w przedziale od 10 ms do 100 ms.

Kierunek przepływu strumieni cząstkowych z tlenem, wtryskiwanych do strumienia gazu w obrębie palnika, jest poprzeczny do kierunku przepływu strumieni cząstkowych gazu ziemnego z parą wodną, korzystnie pod kątem 65°-115°.

Korzystne jest aby ilość strumieni tlenu n wynosiła minimum 1.

Wprowadzenie do komory półspalania strumienia mieszaniny gazu węglowodorowego oraz tlenu w ilości stanowiącej 1/2-2/3 ogólnej ilości tlenu kierowanego do procesu powoduje obniżenie czasu indukcji. Po podgrzaniu tego strumienia do temperatury samozapłonu zachodzą w nim bardzo szybkie

PL 210 552 B1 reakcje spalania biegnące z wytworzeniem pary wodnej. Obecność pary wodnej w strumieniu węglowodoru kierowanego do strefy płomienia w komorze półspalania pozwala na prowadzenie reformingu autotermicznego przy H2O/C<0.6, a nawet bez dodatku pary wodnej.

Czas przebywania mieszaniny palnej, węglowodoru z tlenem, w obrębie palnika typu kinetycznego musi być krótszy od czasu indukcji dla reakcji spalania. Czas indukcji mieszaniny surowców reformingu autotermicznego zależy od temperatury, ciśnienia i składu mieszaniny Obecność pary wodnej wydłuża czas indukcji.

Średni czas wymagany dla uzyskania wysokiego stopnia wymieszania mieszaniny palnej w obrębie palnika zależy od stopnia podziału strumieni surowców i doboru właściwych kierunków mieszających się strumieni.

W wyniku przeprowadzonych badań doświadczalnych procesu półspalania z wykorzystaniem instalacji badawczej oraz przeprowadzonych symulacji komputerowych obliczono czasy samozapłonu mieszanin gazowych o typowym składzie charakterystycznym dla procesu półspalania, zachodzącym przy różnych parametrach ciśnienia i temperatury. Okazało się, że możliwe jest dobranie takich parametrów procesu, które zapewniają bezpieczne mieszanie się gazów palnych w obrębie palnika. W proponowanym rozwiązaniu w obrębie palnika miesza się z gazem ziemnym tylko część tlenu. Pozostała część tlenu miesza się poza palnikiem. Takie rozwiązanie poprawia bezpieczeństwo użytkowania palnika poprzez obniżenie stężenia tlenu w mieszaninie w obrębie palnika oraz wpływa na wzrost czasu indukcji.

P r z y k ł a d

Strumień gazu ziemnego z dodatkiem pary wodnej o stosunku H2O/C wynoszącym 0,6 wynoszący 89656 Nm³/h skierowano do przestrzeni międzyrurowej palnika, a strumień tlenu wynoszący 31940 Nm³/h podzielono na 109 równych strumieni cząstkowych przy pomocy 109 rur. Strumienie z tlenem i gazem z parą wodną dokładnie wymieszano w przestrzeni międzyrurowej, poprzez wtryskiwanie do tej przestrzeni 50% strumienia tlenu, w czasie krótszym od czasu samozapłonu. W wymieszanych strumieniach zmiana stosunku O/C w każdym miejscu przekroju poprzecznego na wylocie z palnika nie przekracza ± 3% w stosunku do wartości średniej. Proces mieszania prowadzono pod ciśnieniem 3 MPa przy temperaturze mieszaniny gazów wynoszącej 550°C. Szybkość objętościowa gazu w obrębie palnika wynosi 1,7x10⁷ Nm³/m³/h. Wymieszany gaz wraz z pozostałą częścią strumienia tlenu skierowano do komory spalania z szybkością wynoszącą 57 m/s, w której zachodzi wymieszanie pozostał ej części tlenu oraz następuje reakcja spalania gazu. Stosunek O/C wynosi 0,57. Czas indukcji samozapłonu wymieszanych reagentów wynosi 100 ms. Kierunek przepływu strumieni cząstkowych z tlenem, wtryskiwanych do strumienia gazu w obrębie palnika, jest poprzeczny do kierunku przepływu strumieni cząstkowych gazu ziemnego z parą wodną i wynosi 90°.

Claims (4)

1. Sposób mieszania gazu ziemnego w procesie autotermicznego półspalania do wytwarzania gazu syntezowego, znamienny tym, że strumień gazu ziemnego z dodatkiem pary wodnej o stosunku H2O/C zawierającym się w przedziale 0,3 do 4 kieruje się do przestrzeni międzyrurowej palnika, a strumień zawierający tlen dzieli się na n równych strumieni cząstkowych przy pomocy n rur i następnie te strumienie dokładnie miesza się w przestrzeni międzyrurowej, poprzez wtryskiwanie do tej przestrzeni 30-50% strumienia tlenu w czasie krótszym od czasu samozapłonu, przy czym w wymieszanych strumieniach zmiana stosunku O/C w każdym miejscu przekroju poprzecznego na wylocie z palnika nie przekracza ± 5% w stosunku do wartości średniej, z tym że proces mieszania prowadzi się pod ciśnieniem od 1 do 10 MPa przy temperaturze mieszaniny gazów od 500°C do 600°C, przy czym szybkość objętościowa gazu w obrębie palnika kształtuje się w zakresie od 3,6x10⁵ do 3,6x10⁷ Nm³/m³/h, po czym wymieszany gaz wraz z pozostałą częścią strumienia tlenu kieruje się do komory spalania z szybkością większą od 20 m/s, w której zachodzi wymieszanie pozostałej części tlenu oraz następuje samozapłon mieszaniny gazu.

2. Sposób mieszania gazu według zastrz. 1, znamienny tym, że stosunek O/C zawiera się w przedziale 0,5 do 0,8, a czas indukcji samozap ł onu wymieszanych reagentów zawiera się w przedziale od 10 ms do 100 ms.

PL 210 552 B1

3. Sposób mieszania gazu według zastrz. 1, znamienny tym, że kierunek przepływu strumieni cząstkowych z tlenem, wtryskiwanych do strumienia gazu w obrębie palnika, jest poprzeczny do kierunku przepływu strumieni cząstkowych gazu ziemnego z parą wodną, korzystnie pod kątem 65°-115°.

4. Sposób mieszania gazu według zastrz. 1, znamienny tym, że ilość strumieni tlenu n wynosi minimum 1.