Сжигание углеводородного газа для получения реформированного газа

Сжигание углеводородного газа для получения реформированного газа

Реферат

 

Изобретение относится к системе и способу преобразования углеводородного газа в реформированный газ, содержащий водород и моноокись углерода. Способ осуществляют путем сжатия подаваемого воздуха в первичном компрессоре для получения первичного воздуха с последующим разделением его на две части, первая часть которого представляет собой первичный воздух горения. Первичный углеводородный газ перед подачей в камеру смешения разделяют на две части. Первую часть сжигают с первичным воздухом горения в зоне горения первичной камеры сгорания с образованием первичного газа горения, а вторую часть первичного углеводородного газа подают в зону риформинга с последующим реагированием в ней с первичным газом горения с образованием реформированного газа. Реформированный газ приводит в действие первичные энерготурбину и компрессор. Часть первичного воздуха подается также вместе с вторичным углеводородным газом во вторичную камеру сгорания, производя отходящий газ, приводящий в действие вторичные энерготурбину и компрессор для сжатия газа. Во втором выполнении система практически идентична первому выполнению, но компрессоры и энерготурбины переконфигурированы и система содержит вспомогательную вторичную энерготурбину. Способ выполняется так же, как при первом выполнении, с получением реформированного газа и приведением в действие первичной энерготурбины и компрессора. Отходящий газ приводит в действие вторичную энерготурбину, однако вторичная энерготурбина приводит в действие вспомогательный первичный компрессор, сжимающий подаваемый воздух перед первичным компрессором энергетически самодостаточным образом. Отходящий газ дополнительно приводит в действие вспомогательную вторичную энерготурбину для обеспечения дополнительной энергии для альтернативных энергопотребителей. Система и способ преобразования углероводородного газа в реформированный водородосодержащий газ являются более рентабельными по сравнению с обычными системами преобразованиями углеводородного газа из-за сниженных капиталовложений в оборудование и затрат на работу, а также из-за увеличенного выхода продукта. 4 с. и 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

Область техники Настоящее изобретение относится в общем случае к системе и способу для преобразования углеводородного газа в водородосодержащий газ и, в чтности, к системе и способу сжигания углеводородного газа в присутствии воздуха для выработки реформированного газа, содержащего водород и моноокись углерода.

Информация об аналогах.

Давно существует необходимость в преобразовании доступных углеродистых веществ в промежуточные продукты, которые можно затем преобразовывать в редко встречающиеся, но полезные углеводородные продукты, такие как жидкие углеводородные топлива, нефтехимикаты и тому подобное. Например, одним из таких углеродистых веществ является уголь, легко доступный в некоторых областях. Патент США 3986349 рассматривает процесс газификации угля в промежуточный синтетический газ, который может вслед за тем гидрогенизироваться для обеспечения ценного жидкого углеводородного топлива. Это топливо используется для выработки энергии путем относительно чистого горения в газовой турбине открытого цикла.

Природный газ является еще одним углеродистым материалом, который встречается в изобилии во многих регионах, однако его экономически невыгодно разрабатывать из-за отсутствия местных рынков газа или высоких затрат на транспортировку газа на другие рынки. Одно из решений состоит в том, чтобы производить природный газ и преобразовывать его в полевых условиях в более практичное жидкое углеводородное топливо или другой жидкий продукт. Продукт преобразования может использоваться в местных условиях или рентабельно транспортироваться на другие рынки. Способы преобразования легких углеводородных газов, таких как природный газ, в более тяжелые углеводородные жидкости известны из уровня техники. Такие процессы обычно включают в себя "косвенное" преобразование метана в синтетические парафиновые углеводородные соединения, причем метан сначала преобразуется в промежуточный синтетический газ, содержащий водород и моноокись углерода. Получившийся синтетический газ затем преобразуется в жидкие синтетические парафиновые углеводородные соединения посредством реакции Фишера-Тропша. Непреобразованный синтетический газ, оставшийся в остаточном газе процесса после реакции Фишера-Тропша, обычно каталитически восстанавливается в метан путем реакции метанации и возвращается на вход процесса для увеличения общей эффективности преобразования процесса.

Преобразование метана в синтетический газ часто выполняется с помощью высокотемпературного парового риформинга, при котором метан и пар реагируют эндотермически на катализаторе, содержащемся во множестве нагреваемых извне трубок, вмонтированных в большую обогревную печь. Альтернативно метан преобразуется в синтетический газ путем чтичного окисления, при котором метан экзотермически реагирует с очищенным кислородом. Частичное окисление с помощью очищенного кислорода требует установки для отделения кислорода с возможностью значительного сжатия и соответственно со значительными потребностями в энергии. Производство синтетического газа с помощью любого из вышеуказанных средств занимает основную чть капиталовложений в предприятиях по переработке метана в парафиновые углеводороды.

Автотермический риформинг является менее дорогостоящим средством преобразования метана в синтетический газ. Автотермический риформинг использует комбинацию частичного окисления и парового риформинга. Тепло, требуемое для активации реакции эндотермического парового риформинга, получается из экзотермической реакции частичного окисления. В отличие, однако, от вышеописанной реакции частичного окисления, в качестве источника кислорода для реакции частичного окисления используется воздух. Вдобавок, синтетический газ, полученный путем автотермического риформинга, содержит значительное количество азота из входного воздуха. Следовательно, невозможно заново перерабатывать непереработанные компоненты, содержащиеся в остаточном газе процесса, без нежелательного накопления в процессе избытка азота. Производство синтетического газа с растворенным азотом путем автотермического риформинга или частичного окисления с помощью воздуха с последующим преобразованием синтетического газа путем реакции Фишера-Тропша, как рассмотрено в патентах США 2552308 и 2686195, являются, тем не менее, полезным средством для получения синтетических углеводородных жидких продуктов из метана.

Патент США 4833170 раскрывает другой пример автотермического риформинга, в котором газообразный легкий углеводород реагирует с воздухом в присутствии рециркулирующих двуокиси углерода и пара для получения синтетического газа. Синтетический газ получается в присутствии катализатора углеводородного синтеза, содержащего кобальт, образуя поток остаточного газа и поток жидкости, содержащие более тяжелые углеводороды и воду. Эти более тяжелые углеводороды отделяются от воды и восстанавливаются в виде продукта. Остаточный газ каталитически сжигается с дополнительным воздухом для получения двуокиси углерода и азота, которые разделяются. По меньшей мере часть двуокиси углерода заново подается на шаг автотермического риформинга.

Известные из уровня техники способы преобразования углеводородного газа могут отвечать требованиям преобразования углеводородных газов в реформированные газы, такие как синтетический газ, используемые в качестве промежуточных продуктов при производстве желательных конечных продуктов. Тем не менее, найдено, что такие способы не являются полностью рентабельными из-за значительных капиталовложений в оборудование и энергию, требуемые для сжатия входного воздуха. Энергия, требуемая для сжатия входного воздуха, представляет собой большую часть механической энергии, требуемой в процессе, и много этой энергии теряется в виде невосстанавливаемой энергии давления в промежуточном реформированном газе или выходящем из процесса газе. Вдобавок, значительная часть химической энергии топлива в виде непреобразованных соединений и невосстановленных продуктов часто остается в остаточных газах ниже по потоку. В общем случае сильно разреженная природа остаточного газа ниже по потоку и его низкая теплотворная способность не позволяют эффективно восстанавливать из него энергию топлива. В результате, зачастую энергия топлива теряется либо восстанавливается с огромными трудностями и затратами.

Другим недостатком, имеющимся в известных способах преобразования углеводородного газа, в частности при автотермическом риформинге или частичном окислении, является ограниченный выход желательных промежуточных продуктов, появляющихся в результате процесса. Несмотря на то, что реакции автотермического риформинга или частичного окисления достигают равновесия при высоких температурах, в ходе последующего шага охлаждения/гашения происходит значительное обратное реагирование, уменьшая чистый выход промежуточных продуктов. Таким образом, очевидно, что существует необходимость в более эффективном способе преобразования углеводородного газа, преодолевающем вышеописанные недостатки известных способов.

Соответственно, объектом настоящего изобретения является обеспечение эффективного способа преобразования углеводородного газа в реформированный водородосодержащий газ. Также объектом настоящего изобретения является обеспечение эффективной системы перерабатывающего оборудования для преобразования углеводородного газа в реформированный водородосодержащий газ. В частности, объектом настоящего изобретения является обеспечение таких системы и способа преобразования углеводородного газа, которые имеют значительно сниженную потребность в энергии. Другим объектом настоящего изобретения является обеспечение таких системы и способа преобразования углеводородного газа, которые имеют значительно сниженные капиталовложения в оборудование. Еще одним объектом настоящего изобретения является обеспечение таких системы и способа преобразования углеводородного газа, которые эффективно используют энергию давления выходящего газа и/или энергию топлива остаточного газа ниже по потоку. Еще одним объектом настоящего изобретения является обеспечение таких системы и способа преобразования углеводородного газа, которые имели бы увеличенный выход желательных продуктов. Эти и другие объекты достигаются в соответствии с описанным ниже изобретением.

Раскрытие изобретения Настоящее изобретение представляет собой систему и способ преобразования углеводородного газа в реформированный водородосодержащий газ. В первом выполнении изобретения обеспечивается первая система для выполнения первого способа преобразования углеводородного газа. Эта первая система содержит единственную турбинно-компрессорную установку с первичной энерготурбиной и первичным компрессором и первичную камеру сгорания с зоной горения и зоной риформинга. Первый способ выполняется путем начального обеспечения подачи в первую систему, содержащей подаваемый воздух и первичный углеводородный газ, разделяемый на первую часть и вторую часть. Подаваемый воздух сжимается в первичном компрессоре для получения первичного воздуха, разделяемого на значительно большую первую часть и значительно меньшую вторую часть. Первая часть первичного воздуха подается с первой частью первичного углеводородного газа и, опционно, с водой или паром, в зону горения первичной камеры сгорания так, чтобы в зоне горения достигалось почти стехиометрическое соотношение первичного воздуха и первичного углеводородного газа. Первичный воздух и первичный углеводородный газ, опционно в присутствии воды или пара, сжигаются в зоне горения для получения первичного газа сгорания.

Первичный газ сгорания течет вниз по потоку в первичной камере сгорания в зону риформинга, где он объединяется со второй частью первичного углеводородного газа, вводимой в первичную камеру сгорания вниз по потоку от зоны горения. Смесь первичного газа сгорания и второй части первичного углеводородного газа подвергается в зоне риформинга эндотермическим реакциям риформинга, которые охлаждают смесь и производят реформированный газ, содержащий водород и моноокись углерода.

Хотя общее соотношение первичного воздуха и первичного углеводородного газа, подаваемых в первичную камеру сгорания, является субстехиометрическим, за счет поддержания почти стехиометрического соотношения первичного воздуха и первичного углеводородного газа в зоне горения поддерживается возгорающаяся и стабильная самоподдерживающаяся реакция сгорания без образования сажи. Подача воды или пара в зону горения по желанию увеличивает отношение водорода к моноокиси углерода в последующем реформированном газе, разбавляя и охлаждая в то же время первичный газ сгорания и подавляя образование сажи в зоне риформинга.

Реформированный газ выходит из зоны риформинга первичной камеры сгорания и очень быстро расширяется в первичной энерготурбине. Быстрое расширение и происходящее в результате этого охлаждение реформированного газа эффективно гасит реакцию риформинга, обеспечивая высокий выход желательного водорода и моноокиси углерода в реформированном газе. Расширение реформированного газа приводит в действие первичную энерготурбину, которая соединена первичным валом с первичным компрессором, тем самым приводится в действие первичный компрессор. Затем реформированный газ удаляется из системы для последующего использования по назначению. Вторая часть первичного воздуха выпускается из системы для балансировки осевой нагрузки первичного вала и может использоваться в других применениях, внешних по отношению к системе.

Во втором выполнении изобретения обеспечивается альтернативная вторая система для выполнения альтернативного второго способа преобразования углеводородного газа, имеющего значительно большую производительность, нежели первый способ. Эта вторая система содержит практически те же компоненты, что и первая система, действуя практически так же, как и в первом способе. Однако вторая система дополнительно содержит вторую турбинно-компрессорную установку со вторичной энерготурбиной и вторичным компрессором и вторичную камеру сгорания, имеющую зону пламени и зону выгорания. Предусмотрены дополнительные компоненты для сжатия реформированного газа с помощью того топливо, которое доступно из вторичного углеводородного газа описанным ниже способом. Второй способ выполняется путем начального обеспечения подачи во вторую систему, содержащей подаваемый воздух и первичный углеводородный газ, разделяемый на первую часть и вторую часть. Подаваемый воздух сжимается в первичном компрессоре для получения первичного воздуха, разделяемого на первую часть и вторую часть. Первая часть первичного воздуха подается с первой частью первичного углеводородного газа и, опционно, с водой или паром в зону горения первичной камеры сгорания, образуя в ней первичный газ сгорания. Первичный газ сгорания реагирует со второй частью первичного углеводородного газа в зоне риформинга первичной камеры сгорания, производя реформированный газ, который быстро расширяется в первичной энерготурбине, тем самым приводя первичную энерготурбину в действие и соответственно приводя в действие первичный компрессор.

В отличие от первого способа, вторая часть первичного воздуха остается во второй системе, где она предварительно нагревается теплообменником с помощью выходящего из первичной турбины реформированного газа, образуя вторичный воздух, который разделяется на первую часть и вторую часть. Подача в систему дополнительно содержит вторичный углеводородный газ, предпочтительно отработанный газ с низкой теплотворной способностью из внешнего источника, который предварительно нагревается теплообменником при помощи реформированного газа ниже по потоку от шага предварительного нагрева воздуха. Предварительно нагретый вторичный углеводородный газ подается с первой частью вторичного воздуха в зону пламени вторичной камеры сгорания и сжигается там для получения вторичного газа сгорания. Вторая часть вторичного воздуха подается вместе со вторичным газом сгорания и, опционно, водой или паром в зону выгорания вторичного камеры сгорания для дальнейшего окисления остаточных углеводородов, водорода, моноокиси углерода и других продуктов горения во вторичном газе сгорания до двуокиси углерода и воды. Вторичный газ сгорания также разжижается и охлаждается в зоне выгорания, подавляя образование окислов азота в выходящем из вторичной камеры сгорания отходящем газе. Получающийся отходящий газ расширяется во вторичной энерготурбине, тем самым приводя в действие вторичную энерготурбину и соответственно вторичный компрессор посредством соединенного с ним вторичного вала перед выходом отходящего газа из системы.

После охлаждения реформированного газа теплообменником с помощью второй части первичного воздуха и вторичного углеводородного газа реформированный газ дополнительно охлаждается почти до температуры окружающей среды в обычном средстве охлаждения и поступает в водный сепаратор, где сконденсированная вода удаляется из реформированного газа и выводится из системы. Затем реформированный газ сжимается во вторичном компрессоре и выпускается из системы под относительно высоким давлением для последующего использования по назначению.

В третьем выполнении изобретения обеспечивается альтернативная третья система для выполнения альтернативного третьего способа преобразования углеводородного газа, имеющего гораздо большую производительность, чем второй процесс. Эта третья система содержит практически те же компоненты, что и вторая система, действуя практически так же, как действует второй способ. Третья система, однако, изменяет конфигурацию двух турбинно-компрессорных установок так, что вторая турбинно-компрессорная установка заменяет вторичный компрессор вспомогательным первичным компрессором, который работает вместе с первичным компрессором. Третья система дополнительно предусматривает вспомогательную вторичную энерготурбину, работающую вместе со вторичной энерготурбиной. Переконфигурированные и дополнительные компоненты предусмотрены для сжатия подаваемого воздуха в первичный воздух в две стадии и для производства энергии для потребителей переменной энергии, внешних по отношению к способу, как описано ниже. Третий способ выполняется путем начального обеспечения подачи в третью систему, содержащей подаваемый воздух и первичный углеводородный газ, разделяемый на первую часть и вторую часть. Подаваемый воздух сжимается во вспомогательном первичном компрессоре для получения промежуточного воздуха. Промежуточный воздух подается в первичный компрессор и дополнительно сжимается там для получения первичного воздуха, разделяемого на первую часть и вторую часть. Первая часть первичного воздуха подается вместе с первой частью первичного углеводородного газа и, опционно, водой или паром, в зону горения первичной камеры сгорания, где получается первичный газ сгорания. Первичный газ сгорания реагирует со второй частью первичного углеводородного газа в зоне риформинга первичной камеры сгорания для получения реформированного газа, который быстро расширяется в первичной энерготурбине, тем самым приводя в действие первичную энерготурбину и, следовательно, первичный компрессор.

Вторая часть подаваемого воздуха предварительно нагревается теплообменником с помощью реформированного газа, выходящего из первичной турбины, образуя вторичный воздух, который разделяется на первую часть и вторую часть. Подача в систему дополнительно содержит вторичный углеводородный газ, предварительно нагреваемый теплообменником с помощью реформированного газа ниже по потоку от шага предварительного нагрева воздуха. Предварительно нагретый вторичный углеводородный газ подается вместе с первой частью вторичного воздуха в зону пламени вторичной камеры сгорания и сжигается там для получения вторичного газа сгорания. Вторая часть вторичного воздуха подается вместе со вторичным газом сгорания и, опционно, водой или паром, в зону выгорания вторичной камеры сгорания для дополнительного окисления там продуктов горения, разжижая и охлаждая в то же время вторичный газ сгорания для подавления образования окислов азота в зоне выгорания. Получающийся выходящий из вторичной камеры сгорания отходящий газ расширяется во вторичной энерготурбине.

В отличие от второго процесса, вторичная энерготурбина соединена вспомогательным первичным валом со вспомогательным первичным компрессором, приводя тем самым в действие этот вспомогательный первичный компрессор. Отходящий газ, выходящий из вторичной энерготурбины, подается на вспомогательную вторичную энерготурбину, где он дополнительно расширяется перед выходом из системы. Энергия вала со вспомогательной вторичной энерготурбины может использоваться внешними по отношению к системе потребителями энергии, такими как электрогенератор. После охлаждения реформированного газа теплообменником с помощью второй части первичного воздуха и вторичного углеводородного газа реформированный газ выпускается из системы под относительно низким давлением для последующего использования по назначению.

Найдено, что настоящие система и способ преобразования углеводородного газа в реформированный водородосодержащий газ в каждом из нескольких выполнений является более рентабельной по сравнению с обычными системами преобразования углеводородного газа из-за сниженных капиталовложений в оборудование и затрат на работу, а также из-за увеличенного выхода продукта. В частности, встраивание газотурбинного цикла в систему преобразования устраняет высокие расходы на обеспечение электрических или паровых воздушных компрессов для сжатия воздуха, подаваемого в одну или несколько камер сгорания. Настоящая система имеет также практическое преимущество в возможности использовать в газотрубинном цикле коммерчески доступные модули газотрубинных двигателей. Коммерческие модули газотурбинных двигателей доступны во многих конструкциях и размерах и серийно производятся в широком ассортименте для достижения высокой степени рентабельности, а также тяжелой и надежной службы.

Расходы на работу объединенного газотрубинного цикла существенно ниже, чем расходы на работу запитываемых снаружи воздушных компрессоров, потому что одна или более газовых турбин приводятся в действие реформированным газом, выработанным в качестве промежуточного продукта для производства желательных продуктов, таких как жидкие углеводородные топлива или нефтехимикаты. Впрыскивание пара или воды в первичную камеру сгорания также выгодно умеряет температуры и увеличивает скорости массопереноса к энерготурбинам, обеспечивая тем самым использование стандартной металлургии при изготовлении энерготурбин без существенной потери термического КПД. Результирующим эффектом этих усовершенствований является поддержание капитальных затрат системы на относительно низком уровне.

Изобретение будет более понятно из прилагаемых чертежей и описания.

Краткое описание чертежей Фиг.1 является схемой первого выполнения системы и способа по настоящему изобретению.

Фиг. 2 является схемой альтернативного второго выполнения системы и способа по настоящему изобретению.

Фиг. 3 является схемой альтернативного третьего выполнения системы и способа по настоящему изобретению.

Описание предпочтительных выполнений Настоящее изобретение относится к способу преобразования углеводородного газа для получения водородосодержащего реформированного газа. Изобретение далее относится к системе взаимосвязанного со способом оборудования для осуществления этого способа преобразования углеводородного газа. Выполнение системы и способа по настоящему изобретению описано ниже сначала по фиг.1, на которой система в целом обозначена позицией 10. Система 10 характеризуется включением в нее единственной газотурбинно-компрессорной установки, как будет описано ниже. Система 10 демонстрирует предпочтительное выполнение конфигурации оборудования осуществляемого с его помощью способа для относительно малогабаритного применения, в котором условия рабочего давления сопоставимы с коммерчески доступными газотурбинно-компрессорными установками. Для специалиста, однако, из приводимого здесь описания очевидно, что система 10 может быть модифицирована в объеме настоящего изобретения для применений с другими размерами и другими условиями работы.

Система 10 содержит вход 12 воздуха, который доставляет подаваемый воздух в первичный компрессор 14 со скоростью от приблизительно 5000 до приблизительно 5400 м³/ч, давлением от приблизительно 75 до приблизительно 150 кПа и температурой от приблизительно -30 до приблизительно 40^oС. Подаваемый воздух предпочтительно является воздухом из окружающей атмосферы под нормальным давлением и при нормальных температурных условиях. Первичный компрессор 14 сжимает подаваемый воздух до первичного воздуха, имеющего давление от приблизительно 1000 до приблизительно 1050 кПа и температуру от приблизительно 300 до приблизительно 350^oС. Первичный воздух выпускается из первичного компрессора 14 в первичную воздушную линию 16, которая подает его в первичный воздушный коллектор 18. Первичный воздух разделяется в первичном воздушном коллекторе 18 на первую часть и вторую часть. Первая часть первичного воздуха является первичным воздухом горения, составляющим основную часть всего первичного воздуха. Первичный воздух горения выпускается из первичного воздушного коллектора 18 через линию 20 первичного воздуха горения и подается в первичный смеситель 22 горелки, такой как смешивающий коллектор или другое известное смешивающее средство. Вторая часть первичного воздуха является стравливаемым воздухом, который выводится из первичного воздушного коллектора 18 через линию 24 стравливаемого воздуха со скоростью от приблизительно 1000 до приблизительно 1500 м³/ч, и выходит из системы 10 через клапан 26 управления потоком стравливаемого воздуха для альтернативных использований.

Система 10 дополнительно содержит вход 28 первичного углеводородного газа, который доставляет первичный углеводородный газ из удаленного источника (не показан) в систему 10. Первичный углеводородный газ предпочтительно является природным, несинтетическим углеводородным газом, добываемым из подповерхностной формации. Среди таких газов наиболее предпочтителен природный газ, хотя могут быть использованы и другие углеводородные газы, в том числе сопутствующий газ, содержащий азот и/или двуокись углерода, газ из угольных месторождений и газ, выделенный из океанических гидратов. Первичный углеводородный газ принимается через вход 28 первичного углеводородного газа со скоростью от приблизительно 1000 до приблизительно 1200 ³/ч, давлением от приблизительно 1500 до приблизительно 2500 кПа и температурой от приблизительно 10 до приблизительно 50^oС. Отметим, что скорость потока первичного воздуха горения через линию 20 первичного воздуха горения является субстехиометрической по отношению к скорости потока первичного углеводородного газа через вход 28 первичного углеводородного газа. В частности, первичный воздух горения содержит только от приблизительно 35 до приблизительно 45% кислорода, необходимых для полного сгорания первичного углеводородного газа. Вход 28 первичного углеводородного газа запитывает коллектор 30 первичного углеводородного газа, который разделяет первичный углеводородный газ на первую часть и вторую часть. Первая часть первичного углеводородного газа является первичным газом горелки, составляющим от приблизительно 25 до приблизительно 50% объема всего первичного углеводородного газа. Первая часть первичного углеводородного газа подается через линию 32 первичного газа горелки в первичный смеситель 22 горелки.

Линия 34 первичной воды/пара также ведет в первичный смеситель 22 горелки, опционно доставляя в систему 10 либо первичную воду, либо первичный пар из удаленного источника (не показан). В случае, если исполнитель выбирает подачу воды в первичный смеситель 22 горелки, подаваемая вода входит в систему 10 со скоростью от приблизительно 250 до приблизительно 1000 кг/ч через вход 36 воды/пара. Подаваемая вода обычно находится под давлением от приблизительно 100 до приблизительно 300 кПа и при температуре от приблизительно 10 до приблизительно 50^oС. Подаваемая вода превращается в первичную воду посредством находящегося в линии насоса 38, который перемещает первую воду в линию 34 первичной воды/пара. Первичная вода имеет давление приблизительно 1500 до приблизительно 2500 кПа и температуру от приблизительно 10 до приблизительно 50^oC.

В случае, если исполнитель выбирает подачу пара в первичный смеситель 22 горелки, то для подачи пара используются практически те же средства подачи, что и для воды. Однако из системы 10 исключается встроенный в линию насос 38. Первичный пар подается непосредственно в первичный смеситель 22 горелки через линию 34 первичной воды/пара приблизительно при тех же скорости и давлении, что и вода, но при более высокой температуре от приблизительно 200 до приблизительно 250^oС.

Первичный воздух сгорания, первичный газ горелки и, опционно, первичная вода или первичный пар полностью смешиваются в первичном смесителе 22 горелки для образования первичной смеси горелки, предпочтительно имеющей молярный состав из от приблизительно 70 до приблизительно 75% воздуха, от приблизительно 5 до приблизительно 15% углеводородного газа и от приблизительно 11 до приблизительно 28% пара или воды, при этом остаток составляет двуокись углерода и следы прочих соединений. Молярное соотношение первичного воздуха горения к первичному газу горелки в первичной смеси горелки является почти стехиометрическим, составляя от приблизительно 7,5:1 до приблизительно 12:1. Первичная смесь горелки предпочтительно содержит от приблизительно 20% недостатка до приблизительно 20% избытка кислорода, требуемого для полного сгорания углеводородов в первичной смеси горелки. Первичная смесь горелки подается непосредственно из первичного смесителя 22 горелки в узел 40 первичной горелки, где первичная смесь горелки воспламеняется для горения в зоне 42 горения, связанной с узлом 40 первичной горелки. Первичная смесь горелки находится под давлением от приблизительно 1000 до приблизительно 1050 кПа и при температуре от примерно 95 до примерно 300^oС в узле 40 первичной горелки перед перемещением в зону 42 горения со скоростью от приблизительно 5000 до приблизительно 6000 м³/ч.

Зона 42 горения является одной из двух зон в первичной камере сгорания 44 сгорания, при этом другой зоной, находящейся ниже по потоку, чем зона 42 горения, является зона 46 рефлрминга. Первичная камера 44 сгорания является котлом непрерывного действия с высокой температурой и высоким давлением, обычно поддерживаемым при давлении от приблизительно 1000 до приблизительно 1500 кПа. Температура в зоне 42 горения поддерживается в пределах от приблизительно 1200 до приблизительно 1700^oС, обеспечивая сжигание первичной смеси горелки до состояния первичного газа горения. Первичный газ горения течет из зоны 42 горения в зону 46 рефлрминга.

Вторая часть первичного углеводородного газа, отделенная от первой части первичного углеводородного газа в коллекторе 30 углеводородного газа, является первичным охлаждающим газом, составляющим от приблизительно 50% до приблизительно 75% объема всего первичного углеводородного газа. Эта вторая часть впрыскивается в зону 46 риформинга через линию 48 первичного охлаждающего газа, имеющую размещенный в ней клапан 50 управления потоком первичного охлаждающего газа. Вторая часть первичного углеводородного газа полностью смешивается с первичным газом горения, образуя в зоне 46 риформинга риформенговую смесь. Зона 46 риформинга может содержать катализатор, для содействия идущим в ней эндотермическим реакциям риформинга, но предпочтительно первичная камера 44 сгорания свободна от каких бы то ни было катализаторов, поскольку катализаторы не нужны для эффективного действия системы 10.

В ходе эндотермических реакций риформинга в зоне 46 рефлрминга наблюдается существенное охлаждение риформинговой смеси, но высокая температура зоны 42 горения из-за почти стехиометрического состава первичной смеси горелки поддерживает риформинговую смесь при весьма высокой температуре для активации последующих эндотермических реакций риформинга и для достижения термодинамического равновесия в зоне 46 риформинга. Соответственно в зоне 46 риформинга достигается значительное преобразование риформинговой смеси с получением реформированного газа, содержащего водород и моноокись углерода в желательном соотношении. Пример молярного состава желательного реформированного газа: приблизительно 42% азота, 26% водорода, 8% моноокиси углерода, 6% двуокиси углерода и 17% воды.

Конкретные условия температуры, давления и количественного состава в первичном камере сгорания могут выбираться в пределах выше приведенных диапазонов в соответствии с настоящим изобретением совместно с теорией, известной специалистам, для достижения заранее заданного соотношения водорода и моноокиси углерода в реформированном газе в зависимости от желательного конечного использования реформированного газа. Например, если желательным конечным использованием реформированного газа является синтетический газ для производства жидких углеводородов или нефтехимикатов, конкретные условия первичной камеры сгорания выбираются так, чтобы молекулярное соотношение водорода и моноокиси углерода в реформированном газе находилось в пределах от приблизительно 1,9:1 до приблизительно 2,2:1, предпочтительно приблизительно 2:1. Напротив, если желательным конечным использльзованием реформированного газа является водородсодержащий восстанавливающий газ для восстановления металлургической руды или гидрогенизации тяжелых масел или углей, конкретные условия первичной камеры сгорания выбираются так, чтобы молярное соотношение водорода и моноокиси углерода в реформированном газе находилось в пределах от приблизительно 1,8:1 до приблизительно 3,6:1, предпочтительно по меньшей мере около 3:1. Отметим далее, что присутствие воды или пара в зоне 42 горения желательным образом умеряет температуру горения, снижает образование угля/сажи и увеличивает выработку водорода посредством реакции водно-газового сдвига, тем самым увеличивая соотношение между водородом и моноокисью углерода.

Реформированный газ перемещается из зоны 46 риформинга первичной камеры сгорания 44 и переносится по линии 52 реформированного газа к первичной энерготурбине 54 со скоростью от приблизительно 7500 до приблизительно 8500 м³/ч, под давлением от приблизительно 1000 до приблизительно 1050 кПа и при температуре от приблизительно 750 до приблизительно 1000^oС. Реформированный газ частично расширяется в первичной энерготурбине 54 и после этого возвращается из первичной энерготурбины 54 через выход 56 реформированного газа для желательного конечного использования. Первичная энерготурбина 54 механически связана с первичным компрессором 14 посредством вращающегося первичного вала 58, обеспечивая энергетические требования для приведения в действие первичного компрессора 14. Очевидно, что система 10 проявляет энергетическую самодостаточность в такой степени, что энергия, выработанная расширением реформированного газа, выходящего из первичной камеры 44 сгорания, используется в первичном компрессоре 14 для сжатия воздуха, подаваемого в первичную камеру 44 сгорания. Система 10 также обеспечивает значительное количество выходящего под избыточно высоким давлением воздуха, который может использоваться в любом количес