PL210560B1

PL210560B1 - Burner for semi-combustion of natural gas

Info

Publication number: PL210560B1
Application number: PL388349A
Authority: PL
Inventors: Edward Rój; Marek Dmoch
Original assignee: Inst Nawozow Sztucznych
Priority date: 2009-06-22
Filing date: 2009-06-22
Publication date: 2012-02-29

Description

Przedmiotem wynalazku jest palnik do półspalania gazu ziemnego 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 strumieniem tlenu lub powietrza. Strumienie surowców wprowadzane są do komory półspalania poprzez palnik, umieszczony nad komorą półspalania reaktora, który pełni funkcję mieszalnika.The present invention relates to a natural gas semi-combustion burner for the production of synthesis gas. Autothermal reforming of high-methane natural gas and / or other hydrocarbon feedstocks is a known synthesis gas synthesis process for the synthesis of ammonia, methanol, olefins, dimethyl ether, oxo alcohols and hydrogen. The process is carried out in a thermally insulated reactor. The reactor is fed with a stream of natural gas and / or other hydrocarbon gas mixed with a stream of steam and a stream of oxygen or air. The raw material streams are introduced into the semi-combustion chamber through a burner located above the reactor semi-combustion chamber, which acts as a mixer.

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 określane 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 przetwarzaniaIn the semi-combustion chamber located in the upper part of the reactor, the oxygen stream reacts catalytically with the hydrocarbon gas. The combustion reactions in the semi-combustion chamber proceed with an oxygen deficiency and are referred to as semi-combustion. The products of reactions taking place in the semi-combustion chamber are subjected to steam reforming of methane on the catalyst bed located in the lower part of the reactor. The synthesis gas product stream undergoes conversion and purification processes for further processing

W znanych reaktorach stosowane są palniki typu dyfuzyjnego, w których mieszanie strumieni gazu i utleniacza realizowane jest poza palnikiem w obrębie komory półspalania. Palniki dyfuzyjne wyposażane są w elementy konstrukcyjne służące do:Known reactors use diffusion-type burners in which the mixing of the gas and oxidant streams takes place outside the burner within the semi-combustion chamber. Diffusion burners are equipped with construction elements for:

• rozdrobnienia strumieni gazu i/lub utleniacza.• fragmentation of the gas and / or oxidant streams.

• nadania strumieniom gazu i utleniacza odpowiednich szybkoś ci i kierunków uł atwiają cych mieszanie.• giving the gas and oxidant streams appropriate rates and directions to facilitate mixing.

W palnikach typu dyfuzyjnego nieuniknione jest istnienie w komorze pół spalania w pobliż u wylotu palnika stref o dużym stężeniu węglowodoru i wysokiej temperaturze płomienia. W miejscach takich tworzy się sadza lub prekursory sadzy. Para wodna hamuje proces tworzenia się sadzy w komorze półspalania, poprzez zintensyfikowanie procesu zgazowania sadzy.In diffusion-type burners, it is inevitable that there are zones with high hydrocarbon concentration and high flame temperature in the semi-combustion chamber near the burner outlet. At such sites, soot or soot precursors are formed. Water vapor inhibits the soot formation in the semi-combustion chamber by intensifying the soot gasification process.

Znane są rozwiązania tych palników i można je podzielić na:The solutions of these burners are known and can be divided into:

• palniki z dyszami pierś cieniowymi, w których paliwo i utleniacz są podawane przy pomocy pierścieniowych wylotów oraz paliwo i utleniacz ulegają zmieszaniu poza palnikiem oraz wpływają do komory półspalania, gdzie zachodzi reakcja spalania • palniki z dyszami strumieniowymi, w których mieszanie zachodzi w wyniku dynamicznego oddziaływania strug utleniacza i paliwa poza obszarem palnika.• burners with ring nozzles, in which the fuel and oxidant are fed by means of ring outlets, and the fuel and oxidant are mixed outside the burner and flow into the semi-combustion chamber, where the combustion reaction takes place • burners with jet nozzles, where mixing occurs as a result of dynamic interaction jets of oxidizer and fuel outside the burner area.

• palniki z przepł ywem wirowym, w których strumienie paliwa i utleniacza mieszane s ą w wyniku takiego uformowania strug, że powstający wir wspomaga efektywność mieszania.• swirl flow burners in which the streams of fuel and oxidant are mixed by the formation of the streams in such a way that the resulting vortex promotes the efficiency of the mixing.

Istnieją również palniki typu kinetycznego, w których wymieszanie strumieni gazu i utleniacza realizuje się w obrębie palnika, w zakresie temperatur podgrzewu wstępnego surowców, znacznie niższych niż temperatura płomienia. Rozwiązania techniczne tych palników polegają na przeniesieniu znanych rozwiązań dystrybucji gazu, jak dysze pierścieniowe, dysze strumieniowe, kierownice wytwarzające wiry, w obręb palnika.There are also kinetic type burners in which the gas and oxidant streams are mixed within the burner, in the range of raw materials preheating temperatures that are much lower than the flame temperature. The technical solutions of these burners consist in transferring known gas distribution solutions, such as annular nozzles, jet nozzles, vortex guides, into the burner area.

Istota wynalazku polega na tym, że posiada jedną rurę lub wiązkę równoległych n rur rozmieszczonych w równych odstępach w przestrzeni międzyrurowej palnika, ułożonych w korpusie, zamocowanych w dnie sitowym i zwężonych na końcu, przy czym każda z n rur posiada co najmniej cztery otwory boczne z wylotem do przestrzeni międzyrurowej palnika, rozmieszczone tak, że kąt między kierunkiem strumieni w otworach bocznych i kierunkiem strumienia w przestrzeni międzyrurowej jest w granicach od 75° do 90° oraz posiada otwór na końcu rury z wylotem do komory półspalania, przy czym stosunek łącznej powierzchni otworów bocznych rury do powierzchni otworu na końcu rury jest w granicach od 1:4 do 1:2 oraz odległ o ś ci otworów bocznych od otworu na koń cu rury są w granicach od 10 do 20 średnic zewnętrznej rury, a także posiada w przestrzeni międzyrurowej nie mniej niż jedną płytę perforowaną usytuowaną powyżej otworów bocznych.The essence of the invention consists in the fact that it has one tube or a bundle of n parallel tubes spaced equidistantly in the inter-tube space of the burner, arranged in the body, fixed in the tube sheet and narrowed at the end, each of the n tubes having at least four side openings with an outlet to the inter-pipe space of the burner, arranged so that the angle between the direction of the streams in the side openings and the direction of the stream in the inter-pipe space is within the range of 75 ° to 90 ° and has an opening at the end of the pipe with the outlet to the semi-combustion chamber, the ratio of the total area of the side openings pipe to the surface of the opening at the end of the pipe is from 1: 4 to 1: 2 and the distances of the side openings from the opening at the end of the pipe are within the range of 10 to 20 external pipe diameters, and it has not less than than one perforated plate located above the side openings.

Korpus ma kształt o przekroju kołowym lub kwadratowym lub prostokątnym.The body has a shape with a circular or square or rectangular cross-section.

Wprowadzany do komory półspalania strumień mieszaniny gazu węglowodorowego zawiera tlen w ilości stanowiącej 1/2-2/3 ogólnej ilości tlenu kierowanego do procesu. Po podgrzaniu tego strumienia do temperatury samozapłonu zachodzą w nim bardzo szybkie 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.The stream of the hydrocarbon gas mixture introduced into the semi-combustion chamber contains oxygen in an amount equal to 1 / 2-2 / 3 of the total amount of oxygen directed to the process. When this stream is heated to the auto-ignition temperature, very fast combustion reactions occur in it, leading to the formation of water vapor. The presence of water vapor in the hydrocarbon stream directed to the flame zone in the semi-combustion chamber allows for autothermal reforming to be carried out at H2O / C <0.6, and even without the addition of steam.

PL 210 560 B1PL 210 560 B1

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.The residence time of the combustible hydrocarbon-oxygen mixture within the kinetic type burner must be shorter than the induction time for the combustion reaction. The induction time of the autothermal reforming raw material mixture depends on the temperature, pressure and composition of the mixture. The presence of water vapor extends the induction time.

Średni czas wymagany dla uzyskania wysokiego stopnia wymieszania mieszaniny palnej w obrębie palnika zależy od stopnia rozdrobnienia surowców i doboru właściwych kierunków mieszających się strumieni. Możliwe jest uzyskanie wysokiego stopnia wymieszania mieszania strumieni gazowych w czasie rzędu 0.1 sekundy.The average time required to obtain a high degree of mixing of the combustible mixture within the burner depends on the degree of comminution of the raw materials and the selection of the correct directions of the mixing jets. It is possible to achieve a high degree of mixing of the gas streams mixing in a time of the order of 0.1 seconds.

W wyniku przeprowadzonych badań procesu półspalania z wykorzystaniem instalacji badawczej oraz przeprowadzonych symulacji komputerowych obliczono czasy samozapłonu mieszanin gazowych o typowym skł adzie charakterystycznym dla procesu pół spalania zachodzą cym przy róż nych parametrach ciśnienia i temperatury. Okazało się, że możliwe jest dobranie takich objętości komór mieszania palników, które zapewniają bezpieczne mieszanie się gazów palnych w obrębie palnika o czasie krótszym od czasu indukcji.As a result of the conducted tests of the semi-combustion process with the use of the research installation and computer simulations, the self-ignition times of gas mixtures with a typical composition characteristic for the semi-combustion process taking place at various pressure and temperature parameters were calculated. It turned out that it is possible to select such volumes of the burner mixing chambers that ensure safe mixing of combustible gases within the burner with a time shorter than the induction time.

Wyniki badań doświadczalnych i obliczeń symulacyjnych pozwoliły na znalezienie odpowiednich rozwiązań i zaprojektowanie palników z wykorzystaniem mieszania gazów w obrębie palnika. W proponowanym rozwiązaniu miesza się z gazem tylko część utleniacza. Pozostała część tlenu jest mieszana poza palnikiem. Takie rozwiązanie poprawia bezpieczeństwo użytkowania palnika poprzez obniżenie stężenia tlenu w mieszaninie przebywającej w obrębie palnika, co wpływa na wzrost czasu indukcji.The results of experimental tests and simulation calculations allowed to find appropriate solutions and design the burners with the use of gas mixing within the burner. In the proposed solution, only part of the oxidant is mixed with the gas. The remainder of the oxygen is mixed outside the burner. This solution improves the safety of the burner by reducing the oxygen concentration in the mixture within the burner, which increases the induction time.

Pojedynczy palnik stanowi moduł, który może być powielany wielokrotnie celem powiększania skali. Wykorzystując pojedyncze moduły można budować palniki o coraz większej wydajności bez potrzeby badania pracującego układu. Poprawna praca jednego modułu zapewnia poprawną pracę zespołu złożonego z wielu modułów. Liczba modułów zależy od wielkości palnika, który ma pracować w danej instalacji przemysł owej. Proponowane rozwią zanie zapewnia niezwykłą elastyczność w konstruowaniu palników o dowolnej wielkości, przy jednoczesnej pełnej gwarancji poprawnej pracy całego układu.A single torch is a module that can be duplicated many times to enlarge the scale. Using single modules, burners with ever greater efficiency can be built without the need to test the operating system. The correct operation of one module ensures the correct operation of a team composed of many modules. The number of modules depends on the size of the burner to be operated in the given industrial installation. The proposed solution provides extraordinary flexibility in the construction of burners of any size, while fully guaranteeing the correct operation of the entire system.

P r z y k ł a dP r z k ł a d

Schemat ideowy palnika według wynalazku przedstawiono na rysunku, na którym na fig. 1 - pokazano przekrój osiowy palnika, na fig. 2 - pokazano przekrój poprzeczny palnika, a pojedynczy moduł palnika pokazano na fig. 3.A schematic diagram of a burner according to the invention is shown in the drawing in which in Fig. 1 - an axial section of the burner is shown, in Fig. 2 - a cross section of a burner is shown and a single burner module is shown in Fig. 3.

Palnik do półspalania gazu w procesie reformingu autotermicznego węglowodorów gazowych,Gas half-combustion burner in autothermal reforming of gaseous hydrocarbons,

ATR, usytuowany jest nad komorą półspalania, w górnej części reaktora. Składa się z jednej rury lub wiązki równoległych n rur 1, rozmieszczonych w równych odstępach w przestrzeni międzyrurowej palnika. Rury ułożone są w korpusie o kołowym przekroju poprzecznym, zamocowane w dnie sitowym 2 i zwężone na końcu. Każda z n rur 1 posiada co najmniej cztery otwory boczne 3 z wylotem do przestrzeni międzyrurowej palnika. Otwory rozmieszczone są tak, że kąt między kierunkiem strumieni w otworach bocznych i kierunkiem strumienia w przestrzeni międzyrurowej wynosi 85°. Rura zakończona jest otworem 4 z wylotem do komory półspalania, przy czym stosunek łącznej powierzchni otworów bocznych rury do powierzchni otworu na końcu rury wynosi 1:2. Odległości otworów bocznych od otworu na końcu rury usytuowano w odległości 15 średnic rury zewnętrznej 6. W przestrzeni międzyrurowej znajduje się jedna płyta perforowana 5 usytuowana powyżej otworów bocznych. Przewężenie na wylocie jest tak dobrane, aby 50% strumienia tlenu było mieszane w obrębie palnika, a pozostała część poza palnikiem. Palnik jest zasilany tlenem poprzez króciec 7 i paliwem poprzez króćce 8 i 9. Wymieszane gazy kierowane są do komory półspalania 10, której osłona 11 stanowi ochronę termiczną.The ATR is located above the semi-combustion chamber, in the upper part of the reactor. It consists of one tube or a bundle of n tubes 1 in parallel, equally spaced in the space between the burner tubes. The pipes are arranged in a body with a circular cross-section, fixed in the tube sheet 2 and narrowed at the end. Each of the n tubes 1 has at least four side openings 3 with an outlet to the inter-tube space of the burner. The openings are arranged so that the angle between the direction of the streams in the side openings and the direction of the stream in the inter-tube space is 85 °. The pipe ends in an opening 4 with an outlet to the semi-combustion chamber, the ratio of the total area of the pipe side openings to the area of the opening at the end of the pipe is 1: 2. The distances of the side openings from the opening at the end of the pipe are at a distance of 15 diameters of the outer pipe 6. In the inter-pipe space there is one perforated plate 5 located above the side openings. The outlet restriction is selected so that 50% of the oxygen stream is mixed within the burner and the remainder outside the burner. The burner is supplied with oxygen through the stub pipe 7 and fuel through the stub pipes 8 and 9. The mixed gases are directed to the semi-combustion chamber 10, the shield 11 of which provides thermal protection.

Działanie palnika polega na tym, że do przestrzeni rurowej podawany jest utleniacz natomiast do przestrzeni międzyrurowej paliwo. Strumienie paliwa i części utleniacza spotykają się przy wylocie z otworów bocznych. Zmieszane gazy przechodzą przez dolną część palnika do komory spalania, gdzie następuje dalsze wymieszanie z pozostałą ilością utleniacza i zapłon mieszaniny gazowej. Płomień palnika pojawia się poza obrębem komory mieszania, przez co palnik jest znacznie mniej narażony na wpływ wysokich temperatur płomienia. Gazy są dobrze wymieszane i spalają się bez wydzielenia sadzy Para wodna podawana razem z gazem ziemnym jest tym czynnikiem, przy pomocy którego można kontrolować przebieg reakcji, w tym warunki pojawienia się sadzy.The operation of the burner is based on the fact that an oxidant is fed to the pipe space, and fuel to the inter-pipe space. The jets of fuel and parts of the oxidizer meet at the exit of the side openings. The mixed gases pass through the lower part of the burner into the combustion chamber, where it is further mixed with the remaining amount of oxidant and the gas mixture ignited. The burner flame appears outside the mixing chamber, making the burner much less exposed to high flame temperatures. The gases are well mixed and will burn without the formation of soot. Water vapor fed together with the natural gas is the factor by which the course of the reaction, including the conditions for the appearance of soot, can be controlled.

Claims

1. Burner for semi-combustion of natural gas for the production of synthesis gas located in a pipe connected to the reactor semi-combustion chamber, characterized in that it has one tube or a bundle of n parallel tubes (1), spaced at equal intervals in the inter-tube space of the burner, arranged in the body , fixed in the tube sheet (2) narrowed at the end, each of the n tubes (1) having at least four side openings (3) with an outlet to the inter-tube space of the burner, arranged so that the angle between the direction of the jets in the side openings and the direction of the jet in the inter-pipe space it is in the range from 75 ° to 90 ° and has an opening (4) at the end of the pipe with an outlet to the semi-combustion chamber, the ratio of the total area of the side openings of the pipe to the area of the opening at the end of the pipe is within the range of 1: 4 to 1 : 2 and the distance of the side holes from the opening at the end of the pipe are within 10 to 20 diameters of the outer pipe, and it has not less than them in the inter-pipe space a bottom perforated plate (5) located above the side openings.

2. The burner according to claim 6. The device of claim 1, characterized in that the body has a shape with a circular or square or rectangular cross-section.