RU184920U1 - Малотоннажная установка получения водорода - Google Patents
Малотоннажная установка получения водорода Download PDFInfo
- Publication number
- RU184920U1 RU184920U1 RU2018123855U RU2018123855U RU184920U1 RU 184920 U1 RU184920 U1 RU 184920U1 RU 2018123855 U RU2018123855 U RU 2018123855U RU 2018123855 U RU2018123855 U RU 2018123855U RU 184920 U1 RU184920 U1 RU 184920U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gas
- outlet
- oxygen
- heat exchanger
- conversion
- Prior art date
Links
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 title claims abstract description 47
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 47
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 42
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 14
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 97
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 73
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 47
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 45
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 38
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims abstract description 33
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims abstract description 33
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 32
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 32
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 32
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 claims abstract description 30
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims abstract description 29
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 22
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 claims abstract description 20
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 claims abstract description 20
- 229910001868 water Inorganic materials 0.000 claims abstract description 20
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 16
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 15
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 15
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 14
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 claims abstract description 14
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims abstract description 13
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 claims abstract description 11
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 claims abstract description 11
- 239000004568 cement Substances 0.000 claims abstract description 10
- 238000000746 purification Methods 0.000 claims abstract description 9
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims abstract description 7
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 claims abstract description 7
- 238000011084 recovery Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 claims abstract description 5
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 239000008213 purified water Substances 0.000 claims description 8
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 claims description 6
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 5
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims description 5
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims description 5
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 4
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 4
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 claims description 4
- QPLDLSVMHZLSFG-UHFFFAOYSA-N Copper oxide Chemical compound [Cu]=O QPLDLSVMHZLSFG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000005751 Copper oxide Substances 0.000 claims description 3
- 229910000431 copper oxide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000004401 flow injection analysis Methods 0.000 claims 1
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 24
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 12
- 238000001816 cooling Methods 0.000 abstract description 8
- 239000004071 soot Substances 0.000 abstract description 8
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 abstract description 5
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 4
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 abstract description 4
- 239000010949 copper Substances 0.000 abstract description 4
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 239000002918 waste heat Substances 0.000 abstract description 3
- 239000011701 zinc Substances 0.000 abstract description 3
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 abstract description 3
- JTJMJGYZQZDUJJ-UHFFFAOYSA-N phencyclidine Chemical class C1CCCCN1C1(C=2C=CC=CC=2)CCCCC1 JTJMJGYZQZDUJJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 2
- 229920005989 resin Polymers 0.000 abstract description 2
- 239000011347 resin Substances 0.000 abstract description 2
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 abstract 1
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 18
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 18
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 13
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 8
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 6
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 4
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 3
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 3
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N nitrogen oxide Inorganic materials O=[N] MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 3
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 2
- 239000000047 product Substances 0.000 description 2
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 238000000629 steam reforming Methods 0.000 description 2
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000889 atomisation Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- TVZPLCNGKSPOJA-UHFFFAOYSA-N copper zinc Chemical compound [Cu].[Zn] TVZPLCNGKSPOJA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 1
- 239000003208 petroleum Substances 0.000 description 1
- 239000011541 reaction mixture Substances 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 229910052815 sulfur oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 238000009834 vaporization Methods 0.000 description 1
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 description 1
- 238000010792 warming Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
- C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
- Y02P20/10—Process efficiency
- Y02P20/129—Energy recovery, e.g. by cogeneration, H2recovery or pressure recovery turbines
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
Abstract
Установка малотоннажного получения водорода в управляемых режимах парциального окисления природного газа кислородом с последующей двухступенчатой паровой каталитической конверсией монооксида углерода и доведением концентрации водорода до требуемого значения с использованием короткоцикловой адсорбции.
Осуществляют раздельную подачу кислорода и нагретого и увлажненного природного газа в смесительную головку химического реактора - газогенератора синтез-газа (ГСГ). В камере сгорания ГСГ происходит смешивание компонентов в турбулентном режиме течения газов и парциальное окисление природного газа кислородом при давлении 3,0÷3,5 МПа и значениях коэффициента избытка окислителя в диапазоне 0,34÷0,36. Начальное охлаждение продуктов парциального окисления, содержащих водород, монооксид углерода, воду, диоксид углерода и балластные газы, проводят до регулируемой температуры 900-950°С потоком воды, впрыскиваемой в проточную испарительную камеру ГСГ, соосно соединенную с камерой сгорания. Для очистки газа с выхода ГСГ от твердой фазы (сажи и смол) применяют блок циклонов. Блок циклонов соединяют с котлом-утилизатором, в котором получают технологический пар, а водород, содержащий газ, охлаждают до регулируемой температуры 300-350°С.
Для повышения концентрации водорода проводят двухступенчатую паровую конверсию монооксида углерода, содержащегося в газе на выходе котла-утилизатоа. Конверсию проводят на единой каталитической композиции с использованием однотипного Cu-Zn-цементсодержащего катализатора. На первой ступени конверсии при температурах 300-500°С применяют катализатор с повышенным содержанием цинка, на второй ступени конверсии при температурах 200-300°С применяют катализатор с повышенным содержанием меди. Нагретый газ с выходов конверторов первой и второй ступеней конверсии используют для нагрева природного газа и кислорода.
Выделение водорода осуществляют путем охлаждения газовой смеси с выхода блока конверсии до 30-50°С в теплообменнике-холодильнике и отделения водяного конденсата в сепараторе, с выхода которого отходящий газ подают в блок короткоцикловой адсорбции и доводят концентрацию водорода до требуемого уровня.
Description
Полезная модель относится к области химии и предназначена для малотоннажного производства водорода путем парциального окисления природного газа кислородом.
Свыше 95% мирового производства водорода получают путем конверсии углеводородного сырья, в качестве которого преимущественно используют углеводородные газы (УВГ) - метан, природный газ, попутные нефтяные газы и др. Практически все известные технологии получения водорода конверсией углеводородов включают этап получения синтез-газа (СГ) - смеси водорода H2 и монооксида углерода СО. Основной промышленной технологией, позволяющей создавать крупномасштабное производство водорода, является паровая каталитическая конверсия УВГ, при которой стехиометрическое мольное соотношение водорода и монооксида углерода в образующемся СГ равно Н2/СО=3. Недостатками этой технологии являются: высокие капитальные затраты на получение СГ, большие массогабаритные характеристики установок, высокие затраты энергии на осуществление эндотермической реакции паровой каталитической конверсии углеводородов, сравнительно низкие рабочие давления процесса.
Важной особенностью рынка водорода является то, что крупные потребители производят его для собственных нужд самостоятельно из-за высоких цен на товарный водород, технических сложностей его хранения и транспортировки. В то же время увеличивается число малых и средних предприятий, а также транспортных систем, потребляющих небольшие объемы водорода и при этом не имеющих побочных продуктов производства, позволяющих получать водород химическими методами. Это обусловливает актуальность научно-технической проблемы создания рентабельных малогабаритных модульных установок с производительностью от 100 до 5000 нм3/час водорода, работающих на газообразном или жидком углеводородном сырье.
Перспективной технологией для создания малотоннажных мобильных установок по производству водорода является парциальное окисление - горение УВГ при недостатке окислителя (кислорода или обогащенного воздуха). При парциальном окислении природного газа (метана) основная реакция протекает по уравнению:
Стехиометрическое мольное соотношение водорода и монооксида углерода в образующемся синтез-газе равно H2/СО=2. Несмотря на более низкое стехиометрическое соотношение компонентов СГ по реакции (1) в сравнении с паровой каталитической конверсией УВГ, удельные затраты сырья на получение водорода сопоставимы, поскольку до 50% сырья расходуют на нагрев УВГ для проведения эндотермической реакции паровой каталитической конверсии УВГ. При этом удельные массогабаритные характеристики реакторов парциального окисления (газогенераторов СГ) в 5-10 раз меньше реакторов паровой каталитической конверсии УВГ и значительно дешевле [1]. (1. Загашвили Ю.В., Левихин А.А., Кузьмин A.M. и др. Технология получения водорода с использованием малогабаритных транспортабельных установок на основе высокотемпературных газогенераторов синтез-газа // Вопросы материаловедения, 2017, №2, с. 92-109).
Известен способ получения водорода по патенту США №5,714,132, С01В 3/18. Способ включает сжигание УВГ в кислородно-топливной пламенной печи с использованием кислорода в качестве окислителя. Полученные в результате сжигания углекислый газ и пары воды с температурой от 525 до 1000°С подают в конвертор, в котором они контактируют с предварительно нагретым углеводородом или в реактор неполного окисления, где он контактирует с дополнительным углеводородным топливом и кислородом. Реакцию конверсии проводят в присутствии катализатора, однако возможно проведение термической конверсии. Не прореагировавшее топливо рециркулируют в реактор неполного окисления или конвертор. Газообразный поток, выходящий из конвертора или реактора неполного окисления, содержащий высокие концентрации монооксида углерода и водорода и некоторую часть углекислого газа, подвергают очистке от нежелательных компонентов, таких как оксиды серы и азота. При необходимости в конвертор или реактор неполного окисления добавляют водяной пар. Отходящий поток подвергают очистке с использованием короткоцикловой адсорбции. Недостатками способа является сложность аппаратурной реализации, большие габариты установки, отсутствие рекомендаций по выбору режимов парциального окисления УВГ, сравнительно высокие удельные расходы компонентов, обусловленные необходимостью подготовки реакционной смеси для парциального окисления УВГ.
Известен способ и устройство получения синтез-газа по патенту РФ №2191743. Способ включает смешивание углеводородного сырья с воздухом в соотношении, соответствующем коэффициенту избытка окислителя менее 1, принудительное воспламенение воздушно-углеводородной смеси и парциальное окисление углеводородного сырья кислородом воздуха в реакционной зоне, расширение и охлаждение с последующим выводом продуктов процесса, содержащих синтез-газ, введение новой порции углеводородного сырья и воздуха, при этом подогрев углеводородного сырья и воздуха осуществляют при повышенных давлении и температуре на 50-100°С ниже температуры самовоспламенения их смеси, процесс парциального окисления углеводородного сырья проводят в проточной камере горения, принудительное воспламенение проводят при коэффициенте избытка окислителя 0,6-0,7 и после прогрева камеры горения коэффициент избытка окислителя доводят до уровня 0,30-0,56.
Основным недостатком способа и устройства получения водорода по патенту РФ №2191743 является использование воздуха для окислительной конверсии метана на стадии получения СГ. Это приводит к получению «бедного», сильно разбавленного азотом синтез-газа, снижению экономической эффективности процесса, увеличению стоимости водорода. Кроме того, в патенте не дано описание технологии повышения концентрации водорода в образующемся водородсодержащем газе до требуемого уровня.
Известен способ получения водорода из углеводородного сырья по патенту РФ №2561077. Способ включает смешивание сырья с кислородом и сжигание его в камере сгорания проточного охлаждаемого реактора с получением парогазовой смеси, содержащей водород, моно- и диоксид углерода, пары воды и побочные продукты реакции горения, увлажнение и одновременное охлаждение полученной парогазовой смеси до температуры 300-500°С путем подачи воды в газовый поток, очистку полученной газовой смеси путем фильтрации, пропускание очищенной смеси через конверторы с катализаторами для проведения двухстадийной паровой каталитической конверсии монооксида углерода сначала с использованием среднетемпературного катализатора при температурах 300-500°С, а затем низкотемпературного катализатора при температурах 200-300°C с последующим выделением водорода. Недостатками способа являются: возможность повышенного сажеобразования в реакторе парциального окисления вследствие отсутствия подготовки компонентов - нагрева УВГ и окислителя, увлажнения окислителя; усложненная и нерациональная схема каталитической конверсии монооксида углерода; большие потери тепла водородсодержащего газа, образующегося в результате экзотермической реакции парциального окисления углеводородного сырья; отсутствие рекомендаций по режимам парциального окисления углеводородов; необходимость очистки углеводородного сырья от примесей серы для надежной работы катализаторов.
Известен способ получения водорода из углеводородного сырья по патенту РФ №2643542, в котором по сравнению с патентом РФ №2561077 предложены следующие основные улучшения: во-первых, предварительный нагрев компонентов и увлажнение УВГ для профилактики сажеобразования и оптимизации внутрикамерных процессов в газогенераторе парциального окисления; во-вторых, использование тепла экзотермических реакций для нагрева УВГ и получения водяного пара. В-третьих, предложено использовать единую каталитическую композицию на основе Cu-Zn-цементсодержащих катализаторов для расширения температурного диапазона паровой каталитической конверсии монооксида углерода, упрощения технологии активации и пассивации катализаторов, придания высокотемпературному катализатору с более высоким содержанием цинка дополнительной функции хемосорбента серосодержащих компонентов в синтез-газе на первой стадии высокотемпературной конверсии [2]. (2. Голосман Е.З., Нечуговский А.И. Медьцементные промышленные катализаторы конверсии оксида углерода и других процессов. Эксплуатация медьцинкцементных катализаторов // Химическая промышленность, 1994, №5, с. 39-44) Недостатками способа являются: отсутствие рекомендаций по очистке синтез-газа от сажи, сложное регулирование теплообменных процессов в установке, наличие избыточных теплообменных аппаратов, недостаточно эффективное решение по промежуточной очистке газа от диоксида углерода.
Целью заявляемой полезной модели является интеграция известных технических решений для повышения эффективности малотоннажного производства водорода на основе парциального окисления природного газа (метана) кислородом путем применения очистки газа с выхода газогенератора от сажи, повышения объемной концентрации водорода на выходе газогенератора, совершенствования блока паровой каталитической конверсии монооксида углерода, упрощения процесса регулирования массового расхода водяного пара для увлажнения УВГ, упрощения конструкции блока теплообменных аппаратов, повышения эффективности технологии очистки водородсодержащего газа после блока конверсии от балластных газов.
Достижение сформулированной цели и решение перечисленных задач обеспечиваются следующими техническими решениями. Для очистки генерируемого газа от сажи на выходе газогенератора предлагается устанавливать блок фильтров-циклонов. При этом для обеспечения термической стойкости конструкционных материалов необходимо уменьшить температуру парогазовой смеси на выходе газогенератора до 900-950°С. Снижение температуры газа достигают впрыском химочищенной воды в испарительную камеру (ИК) газогенератора, что приводит также к увеличению концентрации водорода в газе за счет паровой некаталитической конверсии монооксида углерода, протекающей в ИК.
Совершенствование блока катализа предусматривает переход на двухстадийный процесс паровой каталитической конверсии монооксида углерода. При использовании в качестве исходного УВГ природного газа (метана) двухстадийный процесс гарантированно обеспечивает полную конверсию СО на высокотемпературном и среднетемпературном Cu-Zn-цементсодержащих катализаторах, выпускаемых ООО «НИАП-Катализатор», Новомосковск. Номинальными термодинамическими параметрами проведения конверсии СО на этих типах катализаторов являются: давления 2,5÷3,5 МПа, температуры: 250÷550°С - для высокотемпературного катализатора с повышенным до 40 мас.%, содержанием окиси цинка, 200÷400°С - для среднетемпературного катализатора с повышенным до 48 мас.% содержанием окиси меди [2]. Нижняя граница температуры конверсии ограничена температурой конденсации водяного пара, которая составляет 230°С при парциальном давлении пара 3,0 МПа. Поскольку объемное содержание водяного пара составляет до 30 об.%, то при давлении газа в блоке катализа 3,0-3,5 МПа водяной пар конденсируется при температурах ниже 200°С.
Известно, что в результате экзотермической реакции паровой каталитической конверсии СО температура СГ возрастает на 8-10°С на каждый объемный процент конвертируемого СО [3, с. 86]. (3. Производство аммиака / Под ред. В.П. Семенова. - М.: Химия, 1985. - 368 с.) Вследствие этого при концентрации СО в парогазовой смеси на входе в блок катализа менее 25 об.%, что характерно для балансового состава газов при парциальном окислении природного газа (метана) кислородом, температура газа на выходе первой ступени конверсии гарантированно не превысит верхней допустимой границы 600°С и не произойдет перегрева катализатора. Это позволяет значительно упростить регулирование температуры газовых потоков в блоке конверсии и ограничиться только впрыском химочищенной воды между конверторами для снижения температуры парогазовой смеси после первого конвертора и поддержания объемного соотношения пар/газ ≥ 0,5.
Упрощения конструкции блока теплообменных аппаратов достигают: во-первых, исключением теплообменника для выработки пара, идущего на увлажнение УВГ; во-вторых, применением теплообменника на выходе второй ступени конверсии, в котором СГ используют для подогрева кислорода. В-третьих, исключают избыточные теплообменники-холодильники и используют только один теплообменник для охлаждения парогазовой смеси перед ее сепарацией, поскольку частичное удаление диоксида углерода путем охлаждения парогазовой смеси до 10-15°C с последующей сепарацией жидкой фазы, предложенное в патенте РФ №2643542, неэффективно при низких парциальных давлениях СО2.
Упрощения процесса регулирования расхода водяного пара для увлажнения УВГ достигают исключением расходомера-регулятора массового расхода воды и дополнительного теплообменника для выработки водяного пара на смешение с УВГ. В предлагаемом техническом решении водяной пар на смешение с нагретым УВГ подают с выхода котла-утилизатора через мерную шайбу, обеспечивающую постоянный массовый расход пара на уровне 15 мас.% от номинального массового расхода УВГ.
Повышение эффективности очистки сухого охлажденного газа от балластных примесей, преимущественно диоксида углерода, с доведением концентрации водорода до заданного уровня достигают за счет применения хорошо отработанных в промышленности стандартных блоков короткоцикловой адсорбции (КЦА), работающих на номинальных давлениях порядка 2,0÷3,0 МПа, температурах 30÷50°С и перепадах давления 0,8÷1,5 МПа.
Для обеспечения работы блоков конверсии и КЦА в номинальных режимах давление в камере сгорания трехкомпонентного газогенератора должно составлять 3,0-3,5 МПа, при этом давление подачи компонентов (природного газа, кислорода, химочищенной воды) должно быть на 0,5 МПа выше с учетом перепада давлений на форсунках смесительной головки и узла впрыска воды.
Работу установки поясняет блок-схема, изображенная на фиг. 1, где обозначены: 1 - смесительная головка газогенератора - реактора парциального окисления, 2 - камера сгорания (КС), 3 - испарительная камера (ИК), 4 - блок циклонов, 5 - котел-утилизатор (КУ), 6 - конвертор, 7 - увлажнитель, 8 - конвертор, 9 - теплообменник, 10 - компрессор подачи УВГ, 11 - расходомер-регулятор УВГ, 12 - теплообменник, 13 - смеситель, 14 - компрессор кислорода, 15 - расходомер-регулятор кислорода, 16, 17 - насосы, 18-21 - расходомеры-регуляторы массового расход воды, 22 - теплообменник, 23 - сепаратор, 24 - блок КЦА.
Блок подачи природного газа включает компрессор 10, расходомер-регулятор 11, теплообменник 12 и смеситель 13. Для нормального функционирования установки природный газ предварительно очищают от серосодержащих компонентов. Очищенный природный газ подают от компрессора 10 через расходомер-регулятор 11 в теплообменник 12, где его нагревают потоком водородсодержащего газа, поступающего в 12 с выхода конвертора 6. Нагретый до температуры 300-400°С природный газ подают в смеситель 13, где смешивают с водяным паром, поступающим через мерную шайбу (на фигуре не показана) с выхода котла-утилизатора 5. Массовый расход водяного пара составляет 15 мас.% от номинального массового расхода природного газа [1]. Блок подачи кислорода включает компрессор 14, расходомер-регулятор 15 и теплообменник 9, в котором кислород нагревают до температуры не более 170°С потоком газа с выхода конвертора 8.
Нагретый и увлажненный природный газ с выхода 13 и нагретый кислород с выхода 9 раздельно подают в смесительную головку 1 проточного охлаждаемого трехкомпонентного газогенератора (окислитель-УВГ-вода), включающего соосно соединенные КС и ИК. В КС происходит смешивание УВГ и кислорода в турбулентном режиме течения газов, принудительное начальное воспламенение и неполное сгорание смеси газов - парциальное окисление углеводородного сырья при недостатке кислорода. В результате на выходе КС образуется парогазовая смесь, содержащая преимущественно синтез-газ, а также диоксид углерода, пары воды, азот, остаточные количества УВГ и балластных газов, следы сажи.
Определяющее влияние на балансовые соотношения продуктов парциального окисления оказывает соотношение компонентов, характеризуемое коэффициентом избытка окислителя [1]. Соотношение УВГ и окислителя в газогенераторе выбирают таким образом, чтобы обеспечить максимально возможный выход водорода без нежелательного образования конденсированной фазы (сажи и смол). Для компонентов природный газ и технически чистый кислород в зависимости от объемного содержания метана в природном газе коэффициент избытка окислителя варьируют в диапазоне от 0,34 до 0,36, при этом диапазон изменения температуры газа на выходе КС составляет от 1500 до 1700°С [1].
Из КС водород, содержащий газ, поступает в испарительную камеру 3, в которую одновременно через расходомер-регулятор 18 подают химочищенную воду от насоса 16 (вода 1). В ИК, конструктивно подобной КС, происходит распыление, смешение и испарение воды в потоке поступающего из КС газа. В результате увеличивается доля паров воды в газе, а его температуру на выходе ИК снижают до регулируемого значения в диапазоне 900÷950°С. При указанной температуре сохраняется длительная термостойкость трубопроводов и фильтров-циклонов, изготовленных из жаростойких жаропрочных сталей.
Парогазовую смесь с выхода ИК подают в блок циклонов 4 для очистки от конденсированной фазы. С выхода 4 газ подают в котел-утилизатор 5, на второй вход которого подают химочищенную воду от насоса 18 через расходомер-регулятор 19 (вода 2). На выходе 5 образуется пар с регулируемой температурой 350°С.
Охлажденная до 350°С парогазовая смесь из 5 поступает в конвертор 6, в котором протекает экзотермическая реакция паровой каталитической конверсии монооксида углерода с увеличением температуры газа на выходе конвертора приблизительно до 450-500°С. Одновременно в конверторе 6 происходит доочистка газа от оставшихся примесей серы за счет повышенного содержания окиси цинка в высокотемпературном Cu-Zn-цементсодержащем катализаторе.
С выхода 6 парогазовую смесь подают в теплообменник 12, в котором нагревают природный газ до температуры 300-400°С. Парогазовая смесь из 12 поступает в увлажнитель 7, на второй вход которого через расходомер-регулятор 20 подают химочищенную воду от насоса 17 (вода 3). Охлажденный до регулируемой температуры 220°С газ из 7 поступает в конвертор 8, загруженный Cu-Zn-цементсодержащим катализатором с увеличенным содержанием меди. С выхода 8 газ подают в теплообменник 9, в котором нагревают кислород, поступающий в 9 через расходомер-регулятор 15 от компрессора 14. Нагретый до температуры не более 170°С кислород подают в смесительную головку 1 газогенератора.
Из 9 парогазовую смесь подают на вход теплообменника-холодильника 22, в котором ее охлаждают до регулируемой температуры 30-50°С потоком оборотной химочищенной воды (вода 4) или используют воздушное охлаждение. Газожидкостную смесь с выхода 22 подают в сепаратор 23, а отделенный паровой конденсат используют в оборотном водоснабжении для охлаждения теплонагруженных элементов газогенератора (система охлаждения на фигуре не указана). Сухой охлажденный водородсодержащий газ из 23 поступает в блок КЦА 24, в котором происходит его очистка от балластных компонентов, главным образом от диоксида углерода.
Работа установки иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1. В качестве исходного сырья используют природный газ следующего состава: СН4 - 97,57%, С2Н6 - 1%, С3Н8 - 0,37%, С4Н10 - 0,15%, N2 - 0,84%, CO2 - 0,07%, в качестве окислителя используют кислород. Парциальное окисление проводят при давлении в камере сгорания 3,5 МПа и начальной температуре газовой смеси 300°С. В эксперименте варьируется соотношение компонентов.
Пример 2. Сырье и окислитель, как в примере 2. Парциальное окисление проводят при α=0,35, давлении в камере сгорания 3,5 МПа, начальной температуре газовой смеси 300°С, степени увлажнения сырья 15 мас.% от массы сырья. В эксперименте варьируется относительный массовый расход впрыска воды в испарительную камеру (в процентах по отношению к массовому расходу газа на выходе камеры сгорания ГСГ).
Массовый расход впрыска воды в ИК, составляющий 70-80% от массового расхода газа с выхода камеры сгорания ГСГ, позволяет: во-первых, снизить температуру газа на выходе ГСГ до требуемых значений порядка 900°С; во-вторых, увеличить отношение пар/газ в водород содержащем газ на выходе ГСГ до значений порядка 0,6 и проводить каталитическую паровую конверсию СО на первой ступени при рекомендованных соотношениях пар/газ более 0,5.
Пример 3. В примере иллюстрируется каталитическая активность Cu-Zn-цементсодержащего катализатора с повышенным содержанием цинка, применяемого на первой стадии паровой конверсии СО, давление газа в конверторе 3,0 МПа.
Пример 4. В примере иллюстрируется каталитическая активность Cu-Zn-цементсодержащего катализатора с повышенным содержанием меди, применяемого на второй ступени паровой конверсии СО, давление газа 3,0 МПа.
Активность и термостабильность катализатора второй ступени с большим содержанием меди выше в сравнении с катализатором первой ступени конверсии.
Пример 5. В примере иллюстрируется изменение балансового состава газа в процессе двухступенчатой конверсии водородсодержащего газа, полученного парциальным окислением природного газа кислородом. Исходные данные газа, поступающего в конвертор 6, соответствуют данным таблицы 2 при подаче химочищенной воды в испарительную камеру в количестве 70% масс. относительно массы газа с выхода камеры сгорания.
Claims (8)
1. Малотоннажная установка получения водорода, характеризующаяся тем, что содержит узлы подготовки кислорода и предварительно очищенного от примесей серы природного газа, соединенные с реактором парциального окисления, с выхода которого парогазовую смесь, содержащую преимущественно синтез-газ, а также водяной пар, диоксид углерода и другие балластные газы, подают в блок очистки от конденсированной фазы, выход блока очистки соединяют с котлом-утилизатором, с выхода которого парогазовую смесь подают в блок конверсии, состоящий из первого конвертора, увлажнителя и второго конвертора, в конверторах которого проводят двухступенчатую паровую каталитическую конверсию монооксида углерода на основе единой каталитической композиции с использованием Cu-Zn-цементсодержащих катализаторов, выход первого конвертора соединяют с первым теплообменником, в котором нагревают природный газ, выход первого теплообменника соединяют со входом последовательно соединенных увлажнителя и второго конвертора, выход второго конвертора соединяют со входом второго теплообменника для нагрева парогазовой смесью кислорода, выход второго теплообменника соединяют со входом третьего теплообменника-холодильника, в котором парогазовую смесь охлаждают до 30-50°С, выход третьего теплообменника соединяют с сепаратором, с выхода которого сухую газовую смесь, содержащую преимущественно водород и диоксид углерода, подают в блок короткоцикловой адсорбции.
2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что реактор парциального окисления состоит из смесительной головки, в которую раздельно подают подготовленные природный газ и кислород, соединенной со смесительной головкой проточной камеры сгорания, в которой осуществляют смешение компонентов подачи в турбулентном режиме течения газов и их парциальное окисление, соосно соединенной с камерой сгорания проточной испарительной камеры, в которой парогазовую смесь, поступающую из камеры сгорания, охлаждают до регулируемой температуры в диапазоне 900-950°С потоком впрыскиваемой химочищенной воды.
3. Установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что узел подготовки природного газа включает последовательно соединенные компрессор, расходомер-регулятор массового расхода природного газа, первый теплообменник, в котором природный газ нагревают потоком газа с выхода первого конвертора, и смеситель, в котором поток нагретого природного газа с выхода первого теплообменника смешивают с потоком водяного пара, который подают в смеситель с выхода котла-утилизатора, а парогазовую смесь с выхода смесителя подают в смесительную головку реактора парциального окисления.
4. Установка по п.1 или 3, отличающаяся тем, что водяной пар с выхода котла-утилизатора подают в смеситель через мерную шайбу с постоянным расходом 15% от номинального массового расхода природного газа.
5. Установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что узел подготовки кислорода включает последовательно соединенные компрессор, расходомер-регулятор массового расхода кислорода и второй теплообменник, в котором кислород нагревают парогазовой смесью с выхода второго конвертора и с выхода второго теплообменника нагретый кислород подают в смесительную головку реактора парциального окисления.
6. Установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что парциальное окисление проводят при коэффициенте избытка окислителя в диапазоне от 0,34 до 0,36 и давлении в камере сгорания 3,0-3,5 МПа.
7. Установка по п.1, отличающаяся тем, что первый конвертор содержит катализатор с содержанием окиси цинка 40 мас.% и окиси меди 27 мас.%, второй конвертор содержит катализатор с содержанием окиси меди 48 мас.% и окиси цинка 22,5 мас.%.
8. Установка по п.1, отличающаяся тем, что парогазовую смесь с выхода первого теплообменника охлаждают до 220°С путем впрыска химочищенной воды в увлажнитель.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018123855U RU184920U1 (ru) | 2018-06-29 | 2018-06-29 | Малотоннажная установка получения водорода |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018123855U RU184920U1 (ru) | 2018-06-29 | 2018-06-29 | Малотоннажная установка получения водорода |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU184920U1 true RU184920U1 (ru) | 2018-11-14 |
Family
ID=64325181
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018123855U RU184920U1 (ru) | 2018-06-29 | 2018-06-29 | Малотоннажная установка получения водорода |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU184920U1 (ru) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5714132A (en) * | 1993-09-07 | 1998-02-03 | The Boc Group, Inc. | Production of hydrogen and carbon monoxide from oxyfuel furnace off-gas |
| RU2505586C2 (ru) * | 2012-01-10 | 2014-01-27 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Малотоннажная установка по утилизации ресурсов малых месторождений природного газа |
| RU2561077C2 (ru) * | 2013-07-11 | 2015-08-20 | Общество с ограниченной ответственностью "ВТР" | Способ получения водорода из углеводородного сырья |
| RU2630307C1 (ru) * | 2016-06-02 | 2017-09-07 | Публичное акционерное общество "Газпром" | Способ и установка для получения высокооктановой синтетической бензиновой фракции из природного или попутного газов |
| RU2643542C1 (ru) * | 2016-11-11 | 2018-02-02 | Общество с ограниченной ответственностью "ВТР" | Способ получения водорода из углеводородного сырья |
-
2018
- 2018-06-29 RU RU2018123855U patent/RU184920U1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5714132A (en) * | 1993-09-07 | 1998-02-03 | The Boc Group, Inc. | Production of hydrogen and carbon monoxide from oxyfuel furnace off-gas |
| RU2505586C2 (ru) * | 2012-01-10 | 2014-01-27 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Малотоннажная установка по утилизации ресурсов малых месторождений природного газа |
| RU2561077C2 (ru) * | 2013-07-11 | 2015-08-20 | Общество с ограниченной ответственностью "ВТР" | Способ получения водорода из углеводородного сырья |
| RU2630307C1 (ru) * | 2016-06-02 | 2017-09-07 | Публичное акционерное общество "Газпром" | Способ и установка для получения высокооктановой синтетической бензиновой фракции из природного или попутного газов |
| RU2643542C1 (ru) * | 2016-11-11 | 2018-02-02 | Общество с ограниченной ответственностью "ВТР" | Способ получения водорода из углеводородного сырья |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| AU768779B2 (en) | Process for preparing a H2-rich gas and a CO2-rich gas at high pressure | |
| TW201912565A (zh) | 自熱性氨裂解製程 | |
| CN100526273C (zh) | 以焦炉气为原料一体化生产液氨和甲醇和/或二甲醚的方法 | |
| JPH07115841B2 (ja) | メタノ−ルの水蒸気改質法 | |
| JP2023544950A (ja) | 一酸化炭素を含むガス流を製造するためのプロセス | |
| RU2561077C2 (ru) | Способ получения водорода из углеводородного сырья | |
| CN108557764B (zh) | 一种无水制氢工艺 | |
| US20240043272A1 (en) | Methods and apparatuses for hydrogen production | |
| RU2643542C1 (ru) | Способ получения водорода из углеводородного сырья | |
| RU2632846C1 (ru) | Способ получения водородсодержащего газа для производства метанола и устройство для его осуществления | |
| RU176510U1 (ru) | Малотоннажная установка получения метанола | |
| RU184920U1 (ru) | Малотоннажная установка получения водорода | |
| RU2515477C2 (ru) | Способ получения водорода | |
| CN109095438B (zh) | 一种生物质多级转换联合制氢装置及其工作方法 | |
| NZ216396A (en) | Recovering energy from low calorific value fuel gas using gas turbine engine | |
| AU2021286875B2 (en) | Method for the production of hydrogen | |
| WO2003080503A1 (en) | Method for producing syngas with recycling of water | |
| RU102537U1 (ru) | Установка для получения метанола из природного газа | |
| JPS606281B2 (ja) | 水素の製造方法 | |
| RU2198838C1 (ru) | Способ получения метанола | |
| RU183401U1 (ru) | Установка получения синтез-газа для малотоннажного производства метанола | |
| RU2202531C1 (ru) | Способ получения метанола | |
| CN103569965A (zh) | 烃类两段法蒸汽纯氧转化制取合成气的方法 | |
| AU2022311270B2 (en) | Nitric acid production process and plant with oxygen supply unit | |
| RU2117627C1 (ru) | Способ получения метанола |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM9K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20181128 |