PL210560B1 - Palnik do półspalania gazu ziemnego - Google Patents

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.

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 przetwarzania

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:

• rozdrobnienia strumieni gazu i/lub utleniacza.

• nadania strumieniom gazu i utleniacza odpowiednich szybkoś ci i kierunków uł atwiają cych mieszanie.

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.

Znane są rozwiązania tych palników i można je podzielić na:

• 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.

• 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.

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.

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.

Korpus ma kształt o przekroju kołowym lub kwadratowym lub prostokątnym.

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.

PL 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.

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.

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.

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.

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.

P r z y 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.

Palnik do półspalania gazu w procesie reformingu autotermicznego węglowodorów gazowych,

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.

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.

Claims (2)

1. Palnik do półspalania gazu ziemnego do wytwarzania gazu syntezowego usytuowany w króć cu połączonym z komorą półspalania reaktora, znamienny tym, ż e posiada jedną rurę lub wiązkę równoległych n rur (1), rozmieszczonych w równych odstępach w przestrzeni międzyrurowej palnika, ułożonych w korpusie, zamocowanych w dnie sitowym (2) zwężonych na końcu, przy czym każda z n rur (1) posiada co najmniej cztery otwory boczne (3) 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 (4) 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 odległości otworów bocznych od otworu na końcu rury są w granicach od 10 do 20 średnic zewnętrznej rury, a także posiada w przestrzeni międzyrurowej nie mniej niż jedną płytę perforowaną (5) usytuowaną powyżej otworów bocznych.

2. Palnik według zastrz. 1, znamienny tym, że korpus ma kształt o przekroju kołowym lub kwadratowym lub prostokątnym.