коаксиальный смесительный элемент-горелка типа "газ-газ" для камер сгорания высокопроизводительных генераторов синтез-газа

Формула изобретения

Коаксиальный смесительный элемент-горелка типа "газ-газ" для камер сгорания высокопроизводительных газогенераторов синтез-газа nH₂ + CO, содержащий охлаждаемый цилиндрический корпус, два и более коаксиальных канала для раздельного ввода в реакционную зону камеры сгорания окислителя и горючего компонента в смеси в газами-корректорами состава CO₂, H₂O или без них, торцевое охлаждаемое днище, узлы подвода окислителя и горючего компонента, узлы подачи и отвода охлаждающего компонента с противоположной стороны, отличающийся тем, что коаксиальные каналы, площадь проходного сечения которых равна 0,02 . .. 0,1 свободной площади торцевого днища, выполнены с возможностью тангенциальной закрутки в противоположных направлениях струй горючего компонента и окислителя, для чего на входе каждого коаксиального канала выполнены тангенциальные перепускные отверстия, а на выходе каждого из коаксиальных каналов установлены шнеки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области органического синтеза, а именно к устройствам и технологии переработки газового углеводородного сырья в синтез-газ (nH₂ + CO) по методу неравновесного, парциального окисления углеводородного газа кислородом. Данное изобретение может быть использовано при создании генераторов синтез-газа с высокой объемной производительностью и высоком, не ниже 0,9, коэффициенте конверсии исходных газов в синтез-газ (по углероду).

Коаксиальные горелки типа "газ-газ" известны и широко использованы в различных теплотехнических устройствах, в том числе и в высокотемпературных реакторах-конверторах углеводородных газов. Известна горелка, выполненная в виде штанги с охлаждаемым водой кожухом, в верхней части которой размещены подводы окислителя, природного газа, газов-корректоров состава синтез-газа (H₂O, CO₂), а в нижней части - устройство ввода компонентов в реакционную зону в виде двух коаксиальных каналов, расположенных по периферии торцевого охлаждаемого водой днища. Конвертируемые газы вводятся в реакционную зону большого объема реактора с футерованными стенками либо спутными осевыми потоками с различными скоростями, либо один из потоков имеет тангенциальную крутку. Горелка формирует макровихревое, циркуляционное течение продуктов сгорания в реакционном объеме (реактором вместе с горелкой, по существу, образован аппарат идеального смешения).

Известны коаксиальные горелки, монтированные в генераторы синтез-газа (см. патенты США 2582938, НКИ 48-196, 15.01.52; США 3945942, НКИ 252-373, МКИ С 01 В 1/16, 23.03.76; США 4582630, НКИ 252-373, МКИ С 01 В 3/36, 15.04.86; США 5087270, НКИ 48-127.9, МКИ B 01 J 7/00, 11.02.92; США 5358696, НКИ 423-610, МКИ C 01 B 3/24, 25.10.94). В указанных патентах описаны не только сами горелки, но и схема организации циркуляционных течений в аппарате идеального смешения.

Известна многофункциональная коаксиальная горелка для реакторов синтез-газа, которая представлена в патенте Великобритании 2219003, НКИ С5Е, МКИ С 01 В 3/36, 29.11.89 (заявитель компания Шелл), принятая в качестве прототипа. Она содержит пять концентричных каналов осевого ввода конвертируемых газов, жидкофазных углеводородов и твердого пылевидного горючего (угля), но последние два компонента могут и отсутствовать. При отсутствии дух последних компонентов горелка представляет собой коаксиальную горелку типа "газ-газ", имеющую пять зон ввода конвертируемых газов. Интенсификация перемешивания конвертируемых компонентов достигнута заданием существенно различных осевых скоростей для каждой из пяти зон. При этом окислитель подается, например, через первую и третью зоны со скоростью 50 - 150 м/с, природный газ подается через центральную и четвертую периферийную зоны со скоростью 5 - 84 м/с, а через вторую периферийную зону со скоростью 0 - 15 м/с подается смесь газов с низким содержанием углеводородной составляющей (например, смесь природного газа и CO₂). Многофункциональная коаксиальная горелка по данному патенту предназначена для использования в генераторах синтез-газа с отношением H₂/CO= 1 - 1,6, работающих при давлении до 12 МПа (преимущественно при 4 МПа) и при средней температуре 1400^oC, формируя аппарат идеального смешения.

Принципиальное отличие, определяющее цель настоящего изобретения, предлагаемого коаксиального смесительного элемента - горелки от прототипа заключается в обеспечении эффективного смешения и высокой полноты сгорания только вблизи торцевого днища горелки (со стороны камеры сгорания генератора) путем создания структуированной вихревой зоны при использовании горелки в прямоточных генераторах синтез-газа, в которых совмещены схемы идеального смешения и идеального вытеснения.

Указанная цель достигается обеспечением скоростных режимов истечения коаксиальных струй, а именно интенсивной и взаимопротивоположной тангенциальной круткой каждого из коаксиальных потоков при сохранении примерного равенства по модулю моментов количества движения потоков и соблюдением определенного соотношения площадей проходного сечения коаксиальных каналов, в которых движутся закрученные потоки к свободной площади торцевого днища горелки.

Для достижения поставленной цели в коаксиальном смесительном элементе-горелке, содержащем коаксиальные каналы для раздельного ввода в реакционную зону камеры сгорания генератора синтез-газа газообразных окислителя и горючего компонента, торцевое охлаждаемое днище, узлы подвода окислителя и горючего компонента, узлы подачи и отвода охлаждающего компонента, на входе каждого коаксиального канала выполнены тангенциальные перепускные отверстия, на выходе каждого из них установлены шнеки (завихрители), а площадь проходного сечения коаксиальных каналов равна 0.02...0.1 свободной площади торцевого днища горелки.

На фиг. 1 представлен общий вид коаксиального смесительного элемента - горелки с двумя коаксиальными каналами (одним поясом) ввода компонентов, являющийся основной модификацией.

На фиг. 2 представлен вид с торцевого днища коаксиального смесительного элемента - горелки, показанного на фиг. 1.

На фиг. 3 и 4 представлены варианты основной модификации.

Предлагаемый коаксиальный смесительный элемент - горелка содержит охлаждаемый цилиндрический корпус 1, охлаждаемое торцевое днище 2, периферийный тракт подачи одного из основных компонентов, например горючего компонента 3, центральный тракт подачи второго основного компонента (например, окислителя) 4, выполненные в виде коаксиальных цилиндров, узлы подвода основных компонентов 5 и 6, узел подвода и отвода охладителя 7, устройства крепления со смежными сборками 8. По трактам подачи окислительного и горючего компонентов, содержащих добавки газов-корректоров или без них, на входе в смесительный элемент, устанавливаются настроечные жиклеры 9 и 10, а на входе в каналы ввода компонентов в реакционную зону выполнены тангенциальные перепускные отверстия 11 и 12, обеспечивающие потребную по величине и направлению крутку потоков, усиливаемую шнеками - многозаходными винтовыми оребрениями 13 и 14, установленными на выходе из каждого коаксиального канала, вблизи среза ввода потоков в реакционную зону камеры сгорания газогенератора синтез-газа.

Предлагаемый коаксиальный смесительный элемент - горелка работает следующим образом. Горючий компонент и окислитель раздельно подаются через настроечные жиклеры 9 и 10 в узлы подвода компонентов 5 и 6, а оттуда - в коаксиальные каналы, на входе в которые выполнены тангенциальные перепускные отверстия 11,12. Проходя через указанные перепускные отверстия, потоки закручиваются в прямо противоположных направлениях. Крутка потоков усиливается шнеками 13,14. Каждый из закрученных потоков истекает в виде кольцевых струй наружу (в камеру сгорания генератора синтез-газа), образуя вблизи торцевого днища структуированную вихревую зону.

Тангенциальная крутка обоих потоков такова, что модули моментов количества движения потоков примерно равны. Момент количества движения потока равен r m V_, где r - эффективный радиус, m - массовый расход, V - тангенциальная составляющая скорости на срезе канала (см. фиг. 2, вид А). Тангенциальная скорость потока лежит в пределах 50...150 м/с, осевая скорость потока, определяемая проходными сечениями канала, составляет 10...30% от тангенциальной скорости. Характерный размер для коаксиального смесительного элемента - горелки - это наружный диаметр торцевого днища D (см. фиг. 1), лежащий в диапазоне 70...180 мм.

Сформированная развитая вихревая зона около торцевого днища коаксиального смесительного элемента - горелки зависит, как показывают расчеты, не только от скоростных параметров потоков, но и геометрии торцевого днища: от отношения суммарной выходной площади потоков (площади проходных сечений коаксиальных каналов) к свободной площади торцевого днища. Оптимальная величина отношения площадей составляет 0.02...0.1.

На фиг. 3 показана модификация коаксиального смесительного элемента со свободным участком охлаждаемого торцевого днища в центре. Отношение диаметра D₁ этого участка к наружному диаметру торцевого днища D лежит в диапазоне 0,2 - 0,5, при этом отношение суммарной площади проходного сечения коаксиальных каналов к свободной площади торцевого днища составляет 0,02 - 0,1.

На фиг. 4 показана модификация смесительного элемента с числом поясов ввода компонентов больше одного, отношение суммарной площади ввода компонентов к свободной площади днища равно 0,02 - 0,1. В каждом из дополнительных коаксиальных каналов на входе выполнены тангенциальные перепускные отверстия, на выходе установлены шнеки. Предлагаемый коаксиальный смесительный элемент - горелка как единичный смесительный элемент типа "газ-газ" может быть использован для камер сгорания генераторов синтез-газа с расходом горючего компонента (углеводородного газа) 0.375 - 3.75 т/ч и давлением в реакционной зоне камеры сгорания 2 - 15 МПа.