способ получения синтез-газа

Формула изобретения

1. Способ получения синтез-газа, включающий парциальное окисление углеводородного сырья окислителем в двигателе внутреннего сгорания компрессионного типа при коэффициенте избытка окислителя менее 0,8, подачу для активизации процесса в рабочий объем двигателя внутреннего сгорания компрессионного типа инициаторов парциального окисления, отличающийся тем, что инициаторы подают в количестве менее 10 об.% к углеводородному сырью, степень сжатия двигателя внутреннего сгорания компрессионного типа выбирают и/или регулируют от 13 до 30 и рабочие поверхности двигателя внутреннего сгорания компрессионного типа изготавливают из материалов и/или покрывают материалами, которые активизируют процесс парциального окисления.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в рабочий объем двигателя внутреннего сгорания компрессионного типа подают водяной пар и/или диоксид углерода.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что углеводородное сырье, и/или инициаторы парциального окисления, и/или водяной пар, и/или диоксид углерода, и/или окислитель подают в рабочий объем в цикле сжатия рабочей смеси.

4. Способ по любому из пп. 1 - 3, отличающийся тем, что инициаторы, и/или окислитель, и/или водяной пар, и/или диоксид углерода, и/или углеводородное сырье подают в линию подачи инициаторов парциального окисления.

5. Способ по любому из пп. 1 - 4, отличающийся тем, что рабочую смесь из углеводородного сырья и окислителя подогревают до температуры, обеспечивающей проведение процесса парциального окисления.

6. Способ по любому из пп. 1 - 5, отличающийся тем, что инициаторы парциального окисления, и/или углеводородное сырье, и/или водяной пар, и/или диоксид углерода, и/или окислитель подают через каталитический реактор в рабочий объем двигателя внутреннего сгорания компрессионного типа.

7. Способ по любому из пп. 1 - 6, отличающийся тем, что для инициирования процесса парциального окисления используют остающиеся в рабочем объеме двигателя внутреннего сгорания компрессионного типа продукты парциального окисления.

8. Способ по любому из пп. 1 - 7, отличающийся тем, что дополнительно используют систему(ы) зажигания.

9. Способ по любому из пп. 1 - 8, отличающийся тем, что процесс протекает при различных оборотах вращения двигателя внутреннего сгорания компрессионного типа.

10. Способ по любому из пп. 1 - 9, отличающийся тем, что выбирают и/или регулируют фазы газораспределения двигателя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии переработки углеводородного сырья, в частности к получению синтез-газа из углеводородного сырья в компрессионном химическом реакторе (КХР), и может быть использовано в нефтегазодобывающих отраслях, в нефтяной и газовой промышленности и т.д.

Известен способ получения синтез-газа в двигателе внутреннего сгорания компрессионного типа из смеси газообразного углеводородного сырья и воздуха (патент РФ N 2096313, кл. С 01 В 03/36).

Наиболее близким предлагаемому способу является способ получения синтез-газа путем парциального окисления смеси углеводородного сырья с воздухом при отношении количества кислорода в смеси к количеству углеводородного сырья альфа = 0,5-0,8. Смесь сжимают поршнем в объеме цилиндра двигателя внутреннего сгорания компрессионного типа до возникновения самовоспламенения и получения температуры 1300-2300^oC на период 10^-3-10^-2 с. Процесс окисления активизируют подачей продуктов парциального окисления в количестве 10-20 об. % к исходному сырью, введенному в количестве 90-80 об.% (патент РФ N 2119888, кл. С 01 В 03/36).

Основным недостатком прототипа является большое количество продуктов парциального окисления (10- 20 об. % к исходному сырью), направляемых на активизацию технологического процесса, это приводит к уменьшению выхода продуктов парциального окисления и к повышению удельной себестоимости продуктов процесса, так как в качестве инициаторов используют продукты парциального окисления компрессионного химического реактора (КХР). Недостатком также является использование в качестве окислителя только воздуха.

В изобретении предлагается решение следующих задач:

1. Улучшение качества синтез-газа и расширение диапазона отношения H₂/CO.

2. Увеличение производительности технологического процесса.

3. Снижение удельной себестоимости продуктов процесса.

4. Расширение ряда оборудования ДВС.

Эти задачи решаются в способе получения синтез-газа, включающем парциальное окисление углеводородного сырья окислителем в двигателе внутреннего сгорания компрессионного типа при коэффициенте избытка окислителя менее 0,8, подачу для активизации процесса в рабочий объем двигателя внутреннего сгорания компрессионного типа инициаторов парциального окисления в количестве менее 10 об.% к углеводородному сырью. Степень сжатия двигателя внутреннего сгорания компрессионного типа выбирают и/или регулируют от 13 до 30 и рабочие поверхности двигателя внутреннего сгорания компрессионного типа изготавливают из материалов и/или покрывают материалами, активизирующими процесс парциального окисления. Коэффициент избытка окислителя - это мольное отношение фактически затраченного количества кислорода к стехиометрическому.

В рабочий объем двигателя внутреннего сгорания компрессионного типа подают водяной пар и/или диоксид углерода.

Углеводородное сырье, и/или инициаторы парциального окисления, и/или водной пар, и/или диоксид углерода, и/или окислитель подают в рабочий объем в цикле сжатия рабочей смеси.

Инициаторы, и/или окислитель, и/или водяной пар, и/или диоксид углерода, и/или углеводородное сырье подают в линию подачи инициаторов парциального окисления.

Рабочую смесь из углеводородного сырья окислителя подогревают до температуры, обеспечивающей проведение процесса парциального окисления.

Инициаторы парциального окисления, и/или углеводородное сырье, и/или водяной пар, и/или диоксид углерода, и/или окислитель подают через каталитический реактору в рабочий объем двигателя внутреннего сгорания компрессионного типа.

Для инициирования процесса парциального окисления используют остающиеся в рабочем объеме двигателя внутреннего сгорания компрессионного типа продукты парциального окисления.

Дополнительно используют систему(ы) зажигания.

Процесс протекает при различных оборотах вращения двигателя внутреннего сгорания компрессионного типа.

Выбирают и/или регулируют фазы газораспределения двигателя.

В предлагаемом способе для активизации процесса парциального окисления подают инициаторы парциального окисления в количестве менее 10 об.% к исходному сырью. В качестве инициаторов используются продукты парциального окисления как выработанные в ДВС, так и от внешнего источника, водород, углеводороды, соединения азота, металлоорганические соединения, оксигенаты и их смеси, эфиры, отходы химических процессов и производств, в которых содержатся инициирующие компоненты и т. д. И/или углеводородное сырье (в и/или паровой, и/или жидкой, и/или газообразной фазе(ах)), и/или водяной пар, и/или диоксид углерода, и/или инициаторы подают в линию подачи инициаторов парциального окисления и/или в рабочий объем ДВС в цикле сжатия рабочей смеси.

В рабочий объем ДВС подают и/или водяной пар, и/или диоксид углерода, для проведения этих(ого) процессов(а) парциального окисления рабочую смесь подогревают до температуры, обеспечивающей проведение процесса, подогрев рабочей смеси осуществляют и в других технологических операциях. Подогрев рабочей смеси осуществляют до 350^oC в зависимости от состава рабочей смеси (углеводородного сырья и др. компонентов) и требования к качеству продуктов парциального окисления, в частности соотношения H₂/CO.

В линию подачи инициаторов подают и/или инициаторы, и/или окислитель, и/или водяной пар, и/или диоксид углерода, эти составляющие подают непосредственно и/или в рабочий объем ДВС, и/или в каталитический реактор, а затем в рабочий объем ДВС.

Технологический процесс проводят в двигателях внутреннего сгорания различных типов (поршневых, Ванкеля и т.д.). Рабочие поверхности ДВС изготавливают из каталитически активных материалов и/или на рабочие поверхности наносят каталитически активные композиции и/или элементы, способствующие проведению процесса парциального окисления, в частности, за счет снижения тепловых потерь, повышения температуры стенки рабочего объема (цилиндра, корпуса и т. п.), рабочего органа (поршня, ротора и т.п.) и т.д.

Технологический процесс протекает при различных оборотах двигателя в диапазоне от 100 до 10 000 об в мин, степенях сжатия от 13 до 30. Вентиляция рабочего(их) объема(ов) ДВС необходима для удаления продуктов сгорания воздухом. При процессе парциального окисления в ДВС (КХР) подают рабочую смесь, содержащую углеводородное сырье и другие ценные компоненты, которые вентилируются через рабочий объем. В связи с этим для каждого КХР и/или выбирают, и/или регулируют фазы газораспределения.

Способ осуществляется следующим образом (чертеж).

В смеситель 1 подают окислитель и углеводородное сырье с коэффициентом избытка окислителя менее 0,8. Далее рабочая смесь поступает в рабочий объем 2, в частности цилиндр(ы) ДВС компрессионного типа, где сжимается рабочим органом 3, в частности поршнем, до самовоспламенения и осуществления реакций парциального окисления, с последующим расширением, охлаждением и выводом продуктов парциального окисления, в частности синтез-газа, из рабочего объема. Для активизации процесса в рабочий объем ДВС подают инициаторы парциального окисления до 10 об.% к исходному сырью. В качестве инициаторов napциального окисления используются продукты парциального окисления как выработанные в ДВС, так и от внешнего источника, а также водород, углеводороды, соединения азота, металлоорганические соединения, оксигенаты и их смеси, эфиры, отходы химических процессов и производств, содержащие инициирующие компоненты, и тому подобное.

Затем процесс повторяется.

В качестве окислителя используют воздух, и/или воздух, обогащенный кислородом, и/или кислород.

Для изменения качественного состава синтез-газа в ДВС подают водяной пар (H₂O) и/или диоксид углерода, в результате, например, для метана получают соотношение H₂/CO в синтез-газе в интервале от единицы до трех. В этом случае рабочую смесь (углеводородное сырье, например метан, окислитель, водяной пар и/или диоксид углерода) нагревают до температуры, обеспечивающей проведение технологического процесса. Нагрев рабочей смеси может быть необходим при других технологических операциях. Качественный состав продуктов парциального окисления может изменяться при применении различных видов углеводородного сырья и других компонентов рабочей смеси. Так, например, для этана мольное соотношение и состав синтез-газа меняется в зависимости от подаваемых компонентов (водяной пар или диоксид углерода).

C₂H₆ + O₂ = 2CO + 3H₂

мольное соотношение H₂/CO = 1,5

C₂H₆ + 2H₂O = 2СО + 5H₂

мольное соотношение H₂/CO = 2,5

C₂H₆ + 2CO₂ = 4CO + 3H₂

мольное соотношение H₂/CO = 0,75

Для других составов углеводородного сырья и компонентов рабочей смеси также меняются количество, качество и состав продуктов парциального окисления. Углеводородное сырье подают в газообразной, и/или в жидкой, и/или паровой фазах(е).

Углеводородное сырье, и/или инициаторы, и/или водяной пар, и/или диоксид углерода, и/или окислитель могут подаваться в линию подачи инициаторов, затем смесь подают в рабочий объем 3 и/или смесь подают в рабочий объем через каталитический блок 5 (реактор).

И/или углеводородное сырье, и/или инициаторы, и/или водяной пар, и/или диоксид углерода подают в рабочий объем под давлением в цикле сжатия рабочей смеси.

Рабочие поверхности ДВС и/или изготавливают из материалов, и/или покрывают материалами, которые активизируют процесс парциального окисления. Для активизации процесса парциального окисления используют оставшиеся в рабочем объеме продукты парциального окисления.

В технологическом процессе дополнительно могут использоваться системы зажигания двигателя внутреннего сгорания 4.

В ходе технологического процесса в ДВС генерируется механическая энергия, которую можно использовать для получения электроэнергии в генераторе, установленном на валу ДВС, или для привода других механизмов, в частности компрессора и т.д.

Предлагаемый способ был осуществлен на одноцилиндровом ДВС (типа КАМАЗ-740). Примеры осуществления способа отражены в таблице.