RU159316U1

RU159316U1 - DEVICE FOR PRODUCING SYNTHESIS GAS

Info

Publication number: RU159316U1
Application number: RU2015108355/05U
Authority: RU
Inventors: Владимир Николаевич Савельев; Константин Олегович Красновский
Original assignee: Публичное акционерное общество криогенного машиностроения (ПАО "Криогенмаш")
Priority date: 2015-03-11
Filing date: 2015-03-11
Publication date: 2016-02-10

Abstract

1. Устройство для получения синтез-газа из жидких или газообразных углеводородов, состоящее из испарителя жидкого горючего и реактора, содержащего корпус с двухслойными металлическими охлаждаемыми стенками, внутреннюю полость, форсуночную головку для подачи сырья и кислорода, расположенную в верхней части корпуса, парогенератор водяного пара, выход которого подключен к системам внешнего охлаждения и ввода пара во внутреннюю полость, смесителя горючего с перегретым водяным паром, выход которого соединен с форсуночной головкой, отличающееся тем, что поверхность внутреннего слоя двухслойной металлической охлаждаемой стенки на стороне пара выполнена оребренной винтовыми ребрами прямоугольного профиля.2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что на внешней поверхности двухслойной металлической стенки реактора установлены компенсаторы температурных деформаций, возникающих при различной степени разогрева внутренней и внешней поверхностей двухслойной стенки во время работы устройства.1. Device for producing synthesis gas from liquid or gaseous hydrocarbons, consisting of a liquid fuel evaporator and a reactor containing a body with two-layer metal cooled walls, an internal cavity, an atomizer head for supplying raw materials and oxygen, located in the upper part of the body, a steam generator the output of which is connected to external cooling systems and the introduction of steam into the internal cavity of the fuel mixer with superheated water vapor, the output of which is connected to the nozzle head, I distinguish eesya in that the surface of the inner layer of two-layer metal-cooled wall formed on the steam side of the finned helical ribs profilya.2 rectangular. The device according to claim 1, characterized in that compensators of thermal deformations that occur during varying degrees of heating of the inner and outer surfaces of the two-layer wall during operation of the device are installed on the outer surface of the two-layer metal wall of the reactor.

Description

Полезная модель относится к области химического машиностроения, а именно к установкам для получения синтез-газа из углеродного сырья. Изобретение может быть использовано в химической, нефтехимической, энергетической и других смежных отраслях промышленности для переработки углеводородного сырья с получением синтез-газа, используемого для энергетических и технологических целей.The utility model relates to the field of chemical engineering, namely, to plants for producing synthesis gas from carbon raw materials. The invention can be used in the chemical, petrochemical, energy and other related industries for the processing of hydrocarbons with the production of synthesis gas used for energy and technological purposes.

Известен генератор синтез-газа, см. RU 2408417 С1, опубл. 10.01.2011, включающий реакционную камеру сгорания, узлы подачи газообразного углеводородного горючего, окислителя, воды, смесительную головку с системой воспламенения и охлаждаемое сопло. Реакционная камера состоит из трех расположенных соосно и последовательно секций, внутренние полости которых образуют цилиндрический рабочий канал. Первая секция выполнена в виде охлаждаемого цилиндра и снабжена смесительной головкой, которая состоит из расположенного по оси секции узла подачи окислителя со спрямляющей решеткой и системой воспламенения, узла подачи углеводородного горючего, представляющего собой расположенные в расширяющейся части смесительной головки под углом к оси рабочего канала форсунки горючего. Вторая секция представляет собой охлаждаемую вставку, имеющую участок с внутренним диаметром, меньшим диаметра рабочего канала, при этом на конической поверхности сужающегося участка вставки расположено не менее трех центробежных форсунок ввода воды. Третья секция выполнена в виде неохлаждаемого или охлаждаемого цилиндра и снабжена охлаждаемым соплом с узлами подачи воды охлаждения.A known synthesis gas generator, see RU 2408417 C1, publ. 01/10/2011, including a reaction chamber of combustion, units for supplying gaseous hydrocarbon fuel, oxidizing agent, water, a mixing head with an ignition system and a cooled nozzle. The reaction chamber consists of three sections arranged coaxially and sequentially, the internal cavities of which form a cylindrical working channel. The first section is made in the form of a cooled cylinder and is equipped with a mixing head, which consists of an oxidizer supply unit located along the section axis with a straightening grid and an ignition system, a hydrocarbon fuel supply unit, which is a nozzle of fuel located in the expanding part of the mixing head at an angle to the axis of the working channel . The second section is a cooled insert having a section with an inner diameter smaller than the diameter of the working channel, and at least three centrifugal water inlet nozzles are located on the conical surface of the tapered section of the insert. The third section is made in the form of an uncooled or cooled cylinder and is equipped with a cooled nozzle with cooling water supply units.

Недостатком данного генератора является отсутствие возможности стабилизации температуры стенок реактора при его охлаждении, что не позволяет обеспечить необходимый процесс окисления горючего и снижает качество получаемого синтез-газа. Также к недостаткам относится отсутствие возможности исключить возникающие в процессе работы устройства термические напряжения в двухслойной охлаждаемой стенке между внешним и внутренним слоями при больших разностях температур.The disadvantage of this generator is the inability to stabilize the temperature of the walls of the reactor during its cooling, which does not allow to provide the necessary process of oxidation of fuel and reduces the quality of the resulting synthesis gas. The disadvantages include the inability to eliminate the thermal stresses arising during the operation of the device in a two-layer cooled wall between the outer and inner layers at large temperature differences.

Также известен реактор для получения синтез-газа, см. RU 2392297 С1, опубл. 20.06.2010, включающий корпус с водяной магистралью и с двухслойными металлическими водоохлаждаемыми стенками и внутренней полостью, горелку для ввода топлива и кислорода или парокислородной смеси, расположенную в верхней части корпуса, патрубок для отвода газа, расположенный в нижней части корпуса, отличающийся тем, что в корпусе выполнены кольцевые коллекторы, один из которых расположен в верхней части корпуса и присоединен к водяной магистрали, а другой расположен в нижней части корпуса и присоединен трубопроводом к горелке, также корпус дополнительно снабжен, например, одним поясом завесы, выполненным в виде кольцевого щелеобразного канала с реданами, и соединен с внутренней полостью, расположенной между двухслойными металлическими водоохлаждаемыми стенками.Also known is a reactor for producing synthesis gas, see RU 2392297 C1, publ. 06/20/2010, including a housing with a water main and two-layer metal water-cooled walls and an internal cavity, a burner for introducing fuel and oxygen or a vapor-oxygen mixture located in the upper part of the housing, a gas outlet pipe located in the lower part of the housing, characterized in that ring collectors are made in the casing, one of which is located in the upper part of the casing and connected to the water main, and the other is located in the lower part of the casing and connected by a pipeline to the burner, also the casing additionally provided, for example, with one curtain veil made in the form of an annular slit-like channel with redans, and connected to an internal cavity located between two-layer metal water-cooled walls.

Недостатком данного генератора является отсутствие возможности стабилизации температуры стенок реактора при его охлаждении, что не позволяет обеспечить необходимый процесс окисления горючего и снижает качество получаемого синтез-газа. Также к недостаткам относится незащищенность двухслойной металлической стенки корпуса от возникающих термических напряжений между слоями, приводящих к снижению механической прочности реактора.The disadvantage of this generator is the inability to stabilize the temperature of the walls of the reactor during its cooling, which does not allow to provide the necessary process of oxidation of fuel and reduces the quality of the resulting synthesis gas. Also disadvantages include the insecurity of the two-layer metal wall of the vessel from the occurring thermal stresses between the layers, leading to a decrease in the mechanical strength of the reactor.

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели, является устройство для получения синтез-газа из жидких или газообразных углеводородов, см. RU 2523824 С2, опубл. 27.07.2014, принято за прототип, состоящее из испарителя жидкого горючего и реактора, содержащего корпус с двухслойными металлическими охлаждаемыми стенками, внутреннюю полость, форсуночную головку для подачи сырья и кислорода, расположенную в верхней части корпуса, парогенератор водяного пара, выход которого подключен к системам внешнего охлаждения и ввода пара во внутреннюю полость, смесителя горючего с перегретым водяным паром, выход которого соединен с форсуночной головкой.Closest to the proposed utility model is a device for producing synthesis gas from liquid or gaseous hydrocarbons, see RU 2523824 C2, publ. 07/27/2014, taken as a prototype consisting of a liquid fuel evaporator and a reactor containing a body with two-layer metal cooled walls, an internal cavity, an atomizer head for supplying raw materials and oxygen located in the upper part of the body, a steam generator, the outlet of which is connected to the systems external cooling and introducing steam into the internal cavity, a fuel mixer with superheated water vapor, the output of which is connected to the nozzle head.

Недостатком данного устройства является отсутствие возможности стабилизации температуры стенок реактора при его охлаждении, что не позволяет обеспечить необходимый процесс окисления горючего и снижает качество получаемого синтез-газа. Также к недостаткам относится незащищенность двухслойной металлической стенки корпуса от возникающих термических напряжений между слоями, приводящих к снижению механической прочности реактора.The disadvantage of this device is the inability to stabilize the temperature of the walls of the reactor when it is cooled, which does not allow for the necessary process of oxidation of fuel and reduces the quality of the resulting synthesis gas. Also disadvantages include the insecurity of the two-layer metal wall of the vessel from the occurring thermal stresses between the layers, leading to a decrease in the mechanical strength of the reactor.

Цель полезной модели - разработка конструкции устройства, позволяющей стабилизировать заданный температурный режим процесса окисления горючего, свести к минимуму количество образующейся сажи, механически защищенной от воздействия температурных деформаций, возникающих при работе устройства.The purpose of the utility model is to develop the design of the device to stabilize a given temperature regime of the fuel oxidation process, to minimize the amount of soot formed, which is mechanically protected from the effects of thermal deformations that occur during operation of the device.

Технический результат - повышение надежности устройства.The technical result is an increase in the reliability of the device.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство для получения синтез-газа из жидких или газообразных углеводородов, состоящее из испарителя жидкого горючего и реактора, содержащего корпус с двухслойными металлическими охлаждаемыми стенками, внутреннюю полость, форсуночную головку для подачи сырья и кислорода, расположенную в верхней части корпуса, парогенератор водяного пара, выход которого подключен к системам внешнего охлаждения и ввода пара во внутреннюю полость, смесителя горючего с перегретым водяным паром, выход которого соединен с форсуночной головкой, при этом поверхность внутреннего слоя двухслойной металлической охлаждаемой стенки на стороне пара выполнена оребренной винтовыми ребрами прямоугольного профиля.The specified technical result is achieved by the fact that the device for producing synthesis gas from liquid or gaseous hydrocarbons, consisting of a liquid fuel evaporator and a reactor, comprising a body with two-layer metal cooled walls, an internal cavity, an nozzle head for supplying raw materials and oxygen, located in the upper part housing, a steam generator, the output of which is connected to external cooling systems and steam input into the internal cavity, a fuel mixer with superheated steam, for which it is connected to the nozzle head, while the surface of the inner layer of the two-layer metal cooled wall on the steam side is ribbed with helical ribs of a rectangular profile.

На внешней поверхности двухслойной металлической стенки реактора установлены компенсаторы температурных деформаций, возникающих при различной степени разогрева внутренней и внешней поверхностей двухслойной стенки во время работы устройства.On the outer surface of the two-layer metal wall of the reactor, compensators for temperature deformations that occur during varying degrees of heating of the internal and external surfaces of the two-layer wall during operation of the device are installed.

Угол наклона винтовой линии ребер к оси секционированного корпуса находится в пределах 10°<α<80°, а коэффициент оребрения - в пределахThe angle of inclination of the helix of the ribs to the axis of the sectioned housing is within 10 ° <α <80 °, and the finning coefficient is within

К=1.4-1.7K = 1.4-1.7

где: К=Fор/Fгл,where: K = For / Fgl,

где: Fор=π[0,5×(Dр²-Dн²)+Dр×δ+Dн×S],where: For = π [0.5 × (Dp ² -Dn ² ) + Dp × δ + Dn × S],

Fгл=π×Dн×(δ+S),Fgl = π × Dн × (δ + S),

где: Fор - величина оребренной поверхности,where: For - the value of the ribbed surface,

Fгл - величина гладкой поверхности,Fgl - the value of a smooth surface,

Dр - диаметр оребренной поверхности,Dr - the diameter of the finned surface,

Dн - диаметр несущей поверхности ребер,Dн - diameter of the bearing surface of the ribs,

δ - толщина ребра,δ is the thickness of the ribs,

S - расстояние между ребрами.S is the distance between the ribs.

Заявленная полезная модель поясняется чертежами, где:The claimed utility model is illustrated by drawings, where:

Фиг. 1 - схема устройства для получения синтез-газа с примененными в ней оребренной поверхностью и линзовыми компенсаторами;FIG. 1 is a diagram of a device for producing synthesis gas with a finned surface and lens compensators used in it;

Фиг. 2 и фиг. 3 - схемы винтового оребрения и геометрические характеристики ребер.FIG. 2 and FIG. 3 - diagrams of screw fins and geometric characteristics of the ribs.

На фиг. 1 приведено схематическое изображение установки для получения синтез-газа. Реактор включает секционированный корпус 1 с двухслойными металлическими стенками 2, охлаждаемыми водяным паром, и внутренней полостью 3, форсуночную головку-теплообменник 4 для ввода парогазовой смеси и кислорода, расположенную в верхней части корпуса 1. Наружная поверхность 10 внутреннего слоя двухслойной охлаждаемой стенки выполнена оребренной винтовыми ребрами прямоугольного поперечного сечения. Применение оребрения для интенсификации теплообмена и увеличения поверхности теплообмена между водяным паром и стенкой реактора способствует стабилизации температуры стенки, обеспечению заданной температуры рабочего потока в реакторе, а, следовательно, повышению надежности устройства. На внешней поверхности двухслойной стенки в каждой секции установлены линзовые компенсаторы 11. Незащищенность двухслойной металлической стенки корпуса от возникающих термических напряжений между слоями из-за значительной разницы температур между ними (до 600-800°C), а, следовательно, разными величинами линейных деформаций внутреннего и наружного слоев, что может привести к разрушению корпуса реактора. Для компенсации термических напряжений между слоями предложены линзовые компенсаторы, позволяющие удлиняться внешнему слою стенки на большую величину, равную удлинению внутреннего слоя стенки и таким образом исключить возникновение термических напряжений. Горячим теплоносителем для форсуночной головки-теплообменника 4 служит перегретый водяной пар. Секции корпуса 1 соединяются с помощью фланцев-коллекторов 5, которые обеспечивают подвод пара для наружного охлаждения реактора и ввод пара внутрь реакционной зоны. На выходе из реактора размещен парогенератор 6, в котором осуществляется испарение воды за счет охлаждения синтез-газа. Устройство снабжено смесителем горючего с перегретым водяным паром 7, выход которого соединен с реакционной камерой. Устройство снабжено испарителем горючего 8, выход которого соединен со смесителем горючего с перегретым водяным паром 7. Реактор снабжен запальным устройством 9.In FIG. 1 is a schematic representation of a plant for producing synthesis gas. The reactor includes a partitioned housing 1 with two-layer metal walls 2 cooled by water vapor, and an internal cavity 3, a nozzle-heat exchanger 4 for introducing a gas-vapor mixture and oxygen, located in the upper part of the housing 1. The outer surface 10 of the inner layer of the two-layer cooled wall is made of ribbed screw ribs of rectangular cross section. The use of fins to enhance heat transfer and increase the surface of heat transfer between water vapor and the wall of the reactor helps to stabilize the wall temperature, to ensure a given temperature of the working stream in the reactor, and, therefore, to increase the reliability of the device. Lens expansion joints 11 are installed on the outer surface of the two-layer wall in each section. The two-layer metal wall of the housing is not protected from thermal stresses between the layers due to the significant difference in temperatures between them (up to 600-800 ° C), and, therefore, different linear strains of the internal and the outer layers, which can lead to destruction of the reactor vessel. To compensate for thermal stresses between the layers, lens compensators are proposed that allow the outer layer of the wall to be extended by a large amount equal to the elongation of the inner layer of the wall and thus eliminate the occurrence of thermal stresses. Hot coolant for the nozzle head-heat exchanger 4 is superheated water vapor. The sections of the housing 1 are connected by means of manifold flanges 5, which provide steam supply for external cooling of the reactor and steam input into the reaction zone. A steam generator 6 is placed at the outlet of the reactor, in which water is evaporated by cooling the synthesis gas. The device is equipped with a fuel mixer with superheated water vapor 7, the output of which is connected to the reaction chamber. The device is equipped with a fuel evaporator 8, the output of which is connected to a fuel mixer with superheated water vapor 7. The reactor is equipped with an ignition device 9.

На фиг. 2 приведены профиль и схема винтового оребрения, на которой показан угол наклона а винтовой линии к оси реактора.In FIG. 2 shows the profile and diagram of the helical finning, which shows the angle of inclination a of the helical line to the axis of the reactor.

На фиг. 3 приведен вид А-А фиг. 2 с указанными геометрическими обозначениями размеров оребренной поверхности, а именно: Dр - диаметр ребер, Dн - диаметр несущей поверхности ребер, S - расстояние между ребрами, δ - толщина ребра.In FIG. 3 is a view AA of FIG. 2 with the indicated geometric designations of the dimensions of the fin surface, namely: Dp is the diameter of the ribs, Dн is the diameter of the bearing surface of the ribs, S is the distance between the ribs, δ is the thickness of the ribs.

Устройство для получения синтез-газа работает следующим образом.A device for producing synthesis gas works as follows.

Парогазовая смесь (испаренное горючее и водяной пар) из смесителя 7 и кислород, который является окислителем, поступают на форсуночную головку-теплообменник 4, где происходит постепенное смешение компонентов (парогаза и кислорода) и прогрев уже готовой смеси. После поступления во внутреннюю полость реактора смесь воспламеняется (первоначальное воспламенение осуществляется с помощью запального устройства 9). Во внутренней полости реактора проходит реакция образования синтез-газа. Температура внутри реактора в верхней зоне достигает 1200-1300°C. В нижней части реактора через фланцы-коллекторы 5 осуществляется ввод водяного пара во внутреннюю полость, благодаря чему проходит доокисление и паровая конверсия образовавшегося в верхней части реактора состава. Паровая конверсия способствует улучшению качества конечных продуктов, уменьшению выхода побочных веществ. После прохождения нижней части реактора температура синтез-газа равна 1100-1200°C. Поддержание необходимой температуры во внутренней полости реактора осуществляется путем отвода тепла к перегретому водяному пару через оребренную (развитую) поверхность теплообмена на внешней стороне внутреннего слоя двухслойной металлической охлаждаемой стенки 10. Возникающие температурные деформации в двухслойной охлаждаемой стенке компенсирутся с помощью, установленных на наружном слое линзовых компенсаторов 11. Далее синтез-газ поступает в парогенератор 6, на выходе из которого температура синтез-газа снижается до 500-600°C. Водяной пар, полученный в парогенераторе 6, разделяется на две линии и через обратные клапаны (на рисунке не показаны) поступает на охлаждение стенок реактора и на фланцы-коллекторы 5 для ввода внутрь реактора. Перегретый пар, использованный для охлаждения реактора, поступает в качестве теплоносителя на форсуночную головку-теплообменник 4, а затем разбивается на два потока, один из которых в качестве теплоносителя поступает в испаритель горючего 8, а другой - в смеситель 7. Полученный синтез-газ, прошедший через теплообменник, поступает потребителю.The gas-vapor mixture (vaporized fuel and water vapor) from the mixer 7 and oxygen, which is an oxidizing agent, are fed to the nozzle-head heat exchanger 4, where the components (gas and oxygen) are gradually mixed and the finished mixture is heated. After entering the internal cavity of the reactor, the mixture ignites (initial ignition is carried out using the ignition device 9). In the inner cavity of the reactor, a synthesis gas reaction takes place. The temperature inside the reactor in the upper zone reaches 1200-1300 ° C. In the lower part of the reactor, through the flanges of the collectors 5, water vapor is introduced into the internal cavity, due to which additional oxidation and steam conversion of the composition formed in the upper part of the reactor takes place. Steam conversion helps to improve the quality of the final products, reducing the yield of by-products. After passing through the bottom of the reactor, the temperature of the synthesis gas is 1100-1200 ° C. Maintaining the required temperature in the inner cavity of the reactor is carried out by removing heat to superheated water vapor through a finned (developed) heat exchange surface on the outer side of the inner layer of the two-layer metal cooled wall 10. The resulting temperature deformations in the two-layer cooled wall are compensated by means of lens compensators installed on the outer layer 11. Next, the synthesis gas enters the steam generator 6, at the outlet of which the temperature of the synthesis gas is reduced to 500-600 ° C. The water vapor obtained in the steam generator 6 is divided into two lines and through the check valves (not shown in the figure) is supplied to cool the walls of the reactor and to the manifold flanges 5 for introduction into the reactor. The superheated steam used to cool the reactor enters the nozzle-heat exchanger 4 as a coolant, and then is divided into two streams, one of which enters the fuel evaporator 8 as the coolant and the other into the mixer 7. The resulting synthesis gas, passed through the heat exchanger, enters the consumer.

Claims

1. Device for producing synthesis gas from liquid or gaseous hydrocarbons, consisting of a liquid fuel evaporator and a reactor containing a body with two-layer metal cooled walls, an internal cavity, an atomizer head for supplying raw materials and oxygen, located in the upper part of the body, a steam generator the output of which is connected to external cooling systems and the introduction of steam into the internal cavity of the fuel mixer with superheated water vapor, the output of which is connected to the nozzle head, I distinguish eesya in that the surface of the inner layer of two-layer metal-cooled wall formed on the steam side of the finned helical ribs rectangular profile.

2. The device according to p. 1, characterized in that on the outer surface of the two-layer metal wall of the reactor, expansion joints are installed for temperature deformations that occur with varying degrees of heating of the inner and outer surfaces of the two-layer wall during operation of the device.