способ пиролиза углеводородного сырья

Формула изобретения

Способ пиролиза углеводородного сырья - природного газа до водорода и углерода, включающий предварительный подогрев углеводородного сырья и подачу его на стадию пиролиза, осуществляемого при контакте сырья с нагретым жидким теплоносителем, отличающийся тем, что для нагрева жидкого теплоносителя используют горение газового топлива в окислителе с долей кислорода 0,4-0,95 и коэффициентом расхода окислителя 0,4-0,8, а отходящие газы сгорания подвергают процессу энергохимической аккумуляции, для чего в него подают природный газ, получая вторичное топливо, при этом увеличивая долю горючих компонентов и снижая температуру газов до 900-1000°С полученное вторичное топливо охлаждают до температуры 25-150°С за счет подогрева им углеводородного сырья, газового топлива и окислителя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к доменному производству или бескоксовому восстановлению металлов, может быть использовано в сажевой промышленности и в производстве водорода, при дополнительном получении энергоценного вторичного топлива.

Известен аппарат для пиролиза углеводородного сырья, в котором происходит нагрев жидкого теплоносителя газообразным теплоносителем, разделение газообразного и жидкого теплоносителя, пиролиз углеводородного сырья при контакте с жидким теплоносителем и разделение жидкого теплоносителя с продуктами пиролиза, (см. А.с. СССР № 1680759, C10G 9/34, опубл. 1991 г.).

Недостатком известного аппарата для пиролиза углеводородного сырья являются значительные потери тепла вследствие недостаточной утилизации теплоты отходящих.

Наиболее близким аналогом к заявляемому способу является способ пиролиза углеводородного сырья (метана), включающий предварительный подогрев углеводородного сырья и подачу его на стадию пиролиза, осуществляемую при контакте с жидким и нагрев жидкого теплоносителя (см. US 5213770 А, 25.05.1993 г.).

Основным недостаткам способа является отсутствие процесса утилизации отходящих газов, получаемых при нагреве жидкого теплоносителя.

Техническая задача, решаемая предлагаемым способом, состоит в повышении экономичности путем полной переработки отходящих газов в энергоценное вторичное топливо.

Техническая задача решается тем, что в известном способе пиролиза углеводородного сырья - природного газа до водорода и углерода, включающем предварительный подогрев углеводородного сырья и подачу его на стадию пиролиза, осуществляемого при контакте сырья с нагретым жидким теплоносителем, согласно предлагаемому изобретению для нагрева жидкого теплоносителя используют горение газового топлива в окислителе с долей кислорода 0,4-0,95 и коэффициентом расхода окислителя 0,4-0,8, а отходящие газы сгорания подвергают процессу энергохимической аккумуляции, для чего к ним подают природный газ, при этом увеличивая долю горючих компонентов и снижая температуру газов до 900-1000°С, полученное вторичное топливо охлаждают до температуры 25-150°С за счет подогрева углеводородного сырья, газового топлива и окислителя.

Предлагаемый способ реализуется по схеме, изображенной на чертеже. Схема состоит из подогревателя углеводородного сырья 1, реакционной камеры пиролиза углеводородного сырья 2, камеры нагрева жидкого теплоносителя 3, камеры энергохимической аккумуляции (ЭХА) отходящих газов 4, подогревателя топлива и окислителя 5. В качестве рабочих сред на схеме показаны: углеводородное сырье 6, жидкий теплоноситель 7, продукты пиролиза 8, продукты сгорания 9, газовое топливо 10, окислитель 11, отходящие газы 12, природный газ для энергохимической аккумуляции 13, вторичное топливо 14.

Схема работает следующим образом. Углеводородное сырье (природный газ) 6 с температурой, равной температуре окружающей среды, поступает в подогреватель углеводородного сырья 1, где подогревается до 500-700°С, затем поступает в реакционную камеру пиролиза углеводородного сырья 2, где подогретое углеводородное сырье под действием жидкого теплоносителя 7 нагревается до температуры 1300-1500°С и осуществляется термическое разложения природного газа на водород и углерод по реакции:

СН₄=С+2Н ₂

Из реакционной камеры пиролиза углеводородного сырья 2 выходят продукты пиролиза 8. Нагрев жидкого теплоносителя 7 осуществляется продуктами сгорания топлива 9, которые получаются при сжигании газового топлива (природного газа) с окислителем 11. Газовое топливо 10 и окислитель 11 с начальной температурой, равной температуре окружающей среды, поступают в подогреватель газового топлива и окислителя 5, топливо 10 подогревается до температуры 500-700°С, а окислитель 11 до температуры 600-1000°С, после этого газовое топливо 10 и окислитель 11 поступают на горение в камеру нагрева жидкого теплоносителя 3. Отходящие газы 12 с температурой 1400-1600°С из камеры нагрева жидкого теплоносителя 3 поступают в камеру энергохимической аккумуляции (ЭХА) отходящих газов 4, куда подается природный газ для ЭХА 13 с температурой, равной температуре окружающей среды в количестве 0,05-0,12 м ³/м³ отходящих газов сгорания. В камере энергохимической аккумуляции (ЭХА) отходящих газов сгорания 4 происходят химические реакции между метаном (CH₄) природного газа 13 и двуокисью углерода (СО₂) и водяным паром (Н₂О) отходящих газов 12 по следующим химическим реакциям:

СО ₂+СН₄=2СО+2Н₂;

2Н ₂О+СН₄=2Н₂+СО₂.

В результате этого происходит снижение температуры отходящих газов сгорания до 900-1000°С и в камере энергохимической аккумуляции 4 получается вторичное топливо 14 с температурой с повышенным содержанием окиси углерода (СО) и водорода (Н ₂) по сравнению с отходящим газами 12. Полученное вторичное топливо 14 направляется в подогреватель углеводородного сырья 1 и подогреватель газового топлива и окислителя 5, где нагревает углеводородное сырье 6, газовое топливо 10 и окислитель 11 в результате чего охлаждаются до температуры 25-100°С и отправляются к потребителю.

Теплота сгорания, жаропроизводительность и удельное количество топливного газа, получаемого при пиролизе 1 м³ углеводородного сырья (природного газа), зависят от используемого окислителя (соотношения доли кислорода и азота в окислителе - К_О2) и от режима горения (коэффициента расхода окислителя - ). Характеристики топлива в зависимости от К_О2 и представлена в таблице 1.

Таким образом, в заявляемом способе пиролиза углеводородного сырья в жидком теплоносителе при получении вторичного топлива возможно значительное сокращение потребления топливно-энергетических ресурсов за счет получения вторичного топлива различных параметров и обеспечение транспортирования получаемого вторичного топлива за счет снижения его температуры при регенеративном подогреве углеводородного сырья, газового топлива и окислителя.

Таблица 1.
КО2		Удельное количество топливного газа, м3	Теплота сгорания топливного газа, кДж/м3	Жаропроизводительность топливного газа, °С
0,40	0,4	6,76	7903	2022
0,5	7,16	6829	1890
0,6	4,05	5755	1758
0,8	3,72	4072	1472
0,60	0,4	5,66	8952	2102
0,5	4,42	7799	1976
0,6	3,18	6645	1849
0,8	2,92	4641	1544
0,80	0,4	5,12	9639	2148
0,5	3,97	8463	2027
0,6	2,82	7286	1905
0,8	2,54	5086	1593
0,95	0,4	4,87	10016	2172
0,5	3,77	8839	2054
0,6	2,66	7660	1935
0,8	2,36	5361	1621

Пример. Углеводородное сырье (природный газ) 6 с температурой 0°С подается в подогреватель углеводородного сырья 1, одновременно с этим в подогреватель 1 подводится вторичное топливо 14 с температурой 900°С, подогрев углеводородного сырья 1 вторичным топливом 14 происходит без смешения. Далее углеводородное сырье с температурой 600°С поступает в реакционную камеру пиролиза углеводородного сырья 2, одновременно с этим в камеру 2 поступает жидкометаллический теплоноситель 7 с температурой 1600°С, при этом происходит нагрев углеводородного сырья до температуры 1300°С, что способствует процессу пиролиза углеводородного сырья. Далее в реакционной камере 2 происходит разделение газовой и жидкой фазы (аналогично прототипу), продукты пиролиза углеводородного сырья 8 с температурой 1300°С поступают к потребителю, а жидкометаллический теплоноситель 7 с температурой 1300°С поступает в нагревательную камеру 3, куда подаются продукты сгорания 9 с температурой 2197°С, полученные при сгорании топлива 10 с начальной температурой 600°С в окислителе 11 с начальной температурой 827°С при коэффициенте избытка окислителя =0,6, при этом происходит нагрев жидкометаллического теплоносителя до 1600°С. Далее в нагревательной камере 3 происходит разделение газовой и жидкой фазы, при этом жидкометаллический теплоноситель направляется в реакционную камеру 2, а отходящие газы в 12 с температурой 1600°С - в камеру энергохимической аккумуляции (ЭХА) отходящих газов 4, также в камеру 4 подводится природный газ 13 с температурой 0°С в количестве 0,10 м³ /м³ отходящих газов 12. После смешения потоков 12 и 13 температура газовой смеси вторичного топлива 14 становится равной 900°С, а доля СО и Н₂ увеличилась соответственно в 1,45 и 2,42 раза по сравнению с отходящими газами 12. Далее вторичное топливо 14 отправляется в подогреватель углеводородного сырья 1 и в подогреватель подогрева топлива и окислителя 5, где охлаждается до температуры 65°С, далее вторичное топливо смешивается в единый поток и направляется к потребителю топлива.

В результате было установлено, что в данном случае возможно получение вторичного топлива с теплотой горения 7240 кДж/м³, с жаропроизводительностью 1920°С в количестве 3,8 м³/м³ углеводородного сырья.