способ получения синтез-газа

Формула изобретения

1. Способ получения синтез-газа, включающий парциональное окисление смеси газообразного углеводородного сырья с окислителем и паром путем сжатия предварительно подогретой смеси для обеспечения условий самовоспламенения поршнем в объеме цилиндров двигателя внутреннего сгорания компрессионного типа при движении поршня к верхней мертвой точке, расширение смеси за счет движения поршня к нижней мертвой точке при одновременном совершении механической работы, охлаждение и вывод продуктов процесса, содержащих синтез-газ, из реакционного объема, в последующих циклах введение новой порции смеси при движении поршня к нижней мертвой точке, отличающийся тем, что смесь газообразного углеводородного сырья, окислителя и пара подают при коэффициенте избытка окислителя менее 0,5 в начале каждого цикла движения поршня в цилиндры двигателя внутреннего сгорания компрессорного типа, частично заполненные остаточным синтез-газом от предыдущего цикла, при нахождении поршня в зоне верхней мертвой точки производят локальный подогрев смеси для осуществления устойчивого самовоспламенения упомянутой смеси с последующим повышением температуры до величины, обеспечивающей прохождение химической реакции конверсии газообразного углеводородного сырья в синтез-газ.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве газообразного углеводородного сырья используют природный газ, попутный нефтяной газ, шахтный метан.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области переработки углеводородного сырья, а более конкретно к технологии получения синтез-газа из газообразного углеводородного сырья.

Известны способы получения синтез-газа из углеводородного сырья с окислителем, введение смеси в реакционную зону при температуре, которая не менее чем на 93^o ниже точки самовоспламенения смеси, со скоростью турбулентного потока, превышающей скорость проскока пламени в присутствии катализатора, (см., например, патент РФ N 1831468, кл. С 01 В 3/386 1993).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ, описанный в патенте РФ N 2096313, кл. С 01 В 3/38 (Бюл. N 32 20.11.97). Способ-прототип включает парциальное окисление смеси углеводородного сырья с окислителем путем сжатия ее поршнем в объеме цилиндров двигателя внутреннего сгорания компрессионного типа при движении поршня к верхней мертвой точке, расширение, охлаждение и вывод продуктов процесса, содержащих синтез-газ, из реакционного объема в последующих циклах, введение новой порции смеси углеводородного сырья с окислителем при движении поршня к верхней мертвой точке. Известные способы-аналоги получения синтез-газа имеют следующие недостатки. Для их осуществления требуется каталитический реактор специальной конструкции и использование высокоселективного катализатора.

Существенным недостатком способа-прототипа являются:

- критичность способа к величине , т.к. работа на 0,5 существенно снижает ресурс химического реактора сжатия за счет высокого давления в цилиндрах и повышенной жесткости его работы, при этом работа с 0,5 приводит к сажеобразованию, снижению степени конверсии углеводородного сырья и ухудшению качества синтез-газа; самовоспламенение только за счет сжатия предварительно подогретой смеси окислителя углеводородного сырья приводило к неустойчивости работы химического реактора сжатия и его быстрому износу, а увеличение температуры предварительного подогрева смеси > 200^oC - к снижению производительности процесса по синтез-газу; невозможность работы с воздухом, обогащенным кислородом из-за высокого давления в цилиндрах химического реактора сжатия и жесткости его работы, что приводит к уменьшению ресурса химического реактора сжатия и не дает возможность повысить производительность процесса по синтез-газу,

- сравнительно узкий спектр используемого сырья (природный газ и нефтяные попутные газы).

В изобретении ставятся следующие задачи:

1) расширение спектра используемого сырья;

2) повышение производительности процесса и качества продукта;

3) удешевление конечного продукта.

Эти задачи решены в способе получения синтез-газа, включающем парциальное окисление смеси углеводородного сырья с окислителем путем сжатия ее поршнем в объеме цилиндров двигателя внутреннего сгорания компрессионного типа, при движении поршня к верхней мертвой точке, расширение, охлаждение и вывод продуктов процесса, содержащих синтез-газ, из реакционного объема в последующих циклах, введение новой порции смеси углеводородного сырья с окислителем при движении поршня к нижней мертвой точке, в котором в начале каждого цикла движения поршня в цилиндры двигателя внутреннего сгорания компрессионного типа, частично заполненные остаточным синтез-газом предыдущего цикла подают смесь окислителя, газообразного углеводородного сырья и водяного пара при коэффициенте избытка окислителя менее 0,5, предварительно подогретую для обеспечения условий самовоспламенения смеси при нахождении поршня в зоне верхней мертвой точки, при этом в реакционном объеме производят локальный подогрев смеси для осуществления устойчивого самовоспламенения упомянутой смеси с последующим повышением температуры до величины, обеспечивающей прохождение химической реакции конверсии углеводородного сырья в синтез-газ с последующим его расширением за счет движения поршня к нижней мертвой точке, при одновременном совершении механической работы.

Отличия предложенного способа заключаются в том, что в начале каждого цикла движения поршня в цилиндры двигателя внутреннего сгорания компрессионного типа, частично заполненные остаточным синтез-газом предыдущего цикла подают смесь окислителя, газообразного углеводородного сырья и водяного пара при коэффициенте избытка окислителя менее 0,5, предварительно подогретую для обеспечения условий самовоспламенения смеси при нахождении поршня в зоне нижней мертвой точки, при этом в реакционном объеме производят локальный подогрев смеси для осуществления устойчивого самовоспламенения упомянутой смеси с последующим повышением температуры до величины, обеспечивающей прохождение химической реакции конверсии углеводородного сырья в синтез-газ с последующим его расширением за счет движения поршня к нижней мертвой точке, при одновременном совершении механической работы.

Частичное заполнение цилиндров остаточным синтез-газом предыдущего цикла позволяет снизить температуру предварительного подогрева смеси за счет смешения с остаточным газом, имеющим повышенную температуру, а присутствие в цилиндре водорода снижает температуру самовоспламенения и, в конечном счете, способствует расширению спектра используемого сырья.

Подача в смесь окислителя и газообразного углеводородного сырья водяного пара обеспечивает снижение границы сажеобразования. Снижение границы сажеобразования благодаря наличию в предварительно подготовленной и подогретой смеси окислителя и газообразного углеводородного сырья водяного пара позволяет осуществить работу двигателя на < 0,5 что обеспечивает:

- увеличение ресурса двигателя за счет отсутствия сажи;

- увеличение производительности процесса по синтез-газу за счет повышения расхода газообразного углеводородного сырья;

- увеличение степени конверсии углеводородного сырья в синтез-газ из-за отсутствия сажи.

Величина коэффициента избытка < 0,5 в комбинации с подачей водяного пара и частичным заполнением цилиндра синтез-газом позволяет существенно улучшить качественный состав получаемого конечного продукта и увеличить производительность процесса.

Снижение жесткости работы двигателя и давления в цилиндрах за счет наличия в предварительно подготовленной и подогретой смеси окислителя и газообразного углеводородного сырья водяного пара позволяет:

- увеличить ресурс работы двигателя;

- использовать в качестве окислителя воздух, обогащенный кислородом, что улучшает качество синтез-газа и повышает производительность процесса по синтез-газу за счет увеличения расхода углеводородного сырья.

Использование в реакторном объеме локального подогревания смеси обеспечивает устойчивое самовоспламенение предварительно подготовленной и подогретой смеси окислителя, газообразного углеводородного сырья и водяного пара что позволяет:

- повысить устойчивость работы двигателя и его ресурс;

- снизить температуру предварительного подогрева смеси до величин менее 200^oC что обеспечивает повышение производительности процесса по синтез-газу, снижение давления в цилиндрах и повышение ресурса работы двигателя;

- расширение спектра используемого сырья может быть произведено за счет использования, например, шахтного метана, который представляет собой смесь невысоких концентраций метана с воздухом или азотом и непригоден для переработки другим способом. Использование шахтного метана в качестве газообразного углеводородного сырья позволяет расширить диапазон предлагаемого способа и улучшить не только экологическую обстановку, но и повысить безопасность работ по добыче угля.

Способ осуществляют следующим образом.

1. Предварительно смешивают газообразное углеводородное сырье с водяным паром и окислителем до < 0,5.

2. Нагревают полученную смесь до температуры, обеспечивающей самовоспламенение смеси в цилиндре.

3. Подают нагретую смесь в объем цилиндра двигателя внутреннего сгорания компрессионного типа при движении поршня к нижней мертвой точке.

4. Осуществляют парциальное окисление углеводородов при сжатии смеси в объеме цилиндра движением поршня к верхней мертвой точке локальным подогревом, до ее самовоспламенения и получения температуры, необходимой для получения синтез-газа.

5. Охлаждают продукты процесса, расширяя их при движении поршня двигателя к нижней мертвой точке.

6. Выводят продукты процесса, содержащие синтез-газ из цилиндра двигателя при движении поршня к верхней мертвой точке.

7. Используют кинетическую энергию механизма движения в цилиндре двигателя для получения электроэнергии в генераторе, установленном на валу двигателя.

Способ получения синтез-газа может быть осуществлен на установке, принципиальная схема которой изображена на фиг. 2.

Установка содержит основанный на двигателе внутреннего сгорания компрессионного типа химический реактор сжатия, включающий цилиндр 1, представляющий собой замкнутый реакционный объем, в котором размещен поршень 2, впускной клапан 3, размещенный в зоне верхней мертвой точки цилиндра 1, для подвода рабочей смеси окислителя и углеводородного сырья, связанный трубопроводом с теплообменником 9 подогрева указанной смеси, соединенным со смесителем 5 указанных продуктов процесса, выпускной клапан 6, расположенный в зоне верхней мертвой точки цилиндра 1 для отвода продуктов процесса. Поршень 2 цилиндра 1 соединен с кривошипно-шатунным механизмом 7. Вал кривошипа 7 соединен с генератором 8.

В реакторном объеме цилиндра 1 расположено устройство 4 для локального подогрева смеси.

Работа установки и осуществление способа происходит следующим образом.

В смеситель 5 подают газообразное углеводородное сырье, обогащенный кислородом и водой воздух в указанных выше соотношениях. Полученную смесь подают в теплообменник 9 подогрева смеси до указанных выше температур и подогретую смесь через клапан 3 подают в цилиндр 1, в котором с помощью движения поршня 2 к верхней мертвой точке смесь сжимают до температуры ее самовоспламенения и получения температур, при которых происходит сжигание - термическое разложение рабочей смеси.

При движении поршня 2 в цилиндре 1 к нижней мертвой точке происходит расширение продуктов процесса, охлаждение их и закалка, причем тепловая энергия этих продуктов превращается в механическую энергию механизма движения, используемую при помощи генератора 8. При последующем движении поршня 2 к верхней мертвой точке продукты процесса выводят из цилиндра 1 через выпускной клапан 6. Подача в цилиндр 1 свежей рабочей смеси происходит при движении поршня 2 к нижней мертвой точке и открытии впускного клапана 3.

Примеры осуществления способа.

Примеры осуществления способа синтез-газа приведены в таблице. Способ осуществляют на установке, включающей модифицированный двухцилиндровый дизельный двигатель внутреннего сгорания компрессионного типа Ч 8,5/11(1Р2-6), перерабатывающий углеводородное газовое сырье.

Как видно из таблицы, объемное отношение H₂/CO находится в пределах 1,4 - 2,2 что вполне подходит для последующей каталитической переработки в топливо или метанол.