Способ ввода в эксплуатацию автотермических реакторов риформинга

Способ ввода в эксплуатацию автотермических реакторов риформинга

Реферат

[0001] Изобретение относится к способу ввода в эксплуатацию автотермического реактора для получения синтез-газа путем риформинга углеводородсодержащих сырьевых газов в реакционной камере, в которой протекают реакции окисления и риформинга, согласно которому подают углеводородсодержащий сырьевой газ и водяной пар, причем содержание водяного пара составляет 0-80% (об.) по отношению к углеводородсодержащему сырьевому газу, а также окислитель с содержанием кислорода 10-100% (об.), и получают газообразный продукт, причем ввод в эксплуатацию осуществляют путем операции зажигания.

[0002] Автотермические реакторы для получения синтез-газа путем риформинга природного газа требуют температуры >800°C для осуществления устойчивой самоподдерживающейся реакции в первичной реакционной зоне, в которой проводят взаимодействие окислителя и сырьевого газа, который представляет собой смесь природного газа и водяного пара.

[0003] Этот высокий уровень температуры невозможно достичь путем только предварительного нагрева природного газа в традиционных обогреваемых текучей средой теплообменниках. Такие теплообменники достигают пределов своего использования при нагревании текучей среды до температур примерно 600°C. Это происходит из-за ограничений, обусловленных материалами и большим различием в температурных расширениях отдельных компонентов емкостей, используемых в процессе, в частности, во время запуска и останова. Кроме того, во время запуска реакторов риформинга часто отсутствуют источники тепла, которые могли бы обеспечить высокие температуры.

[0004] Поэтому требуется зажигающее устройство для начала реакции. Обычно для этой цели используют специальные горелки для запуска, оборудованные отдельными зажигающими устройствами. После нагревания реакционной камеры горелки для запуска должны быть удалены с тем, чтобы, в частности, предохранить зажигающие устройства от атмосферы, существующей в условиях непрерывной работы, и постоянных высоких температур. Удаление горелок требует сброса давления в реакторах после фаз предварительного нагрева и, таким образом, влечет за собой требующие времени операции.

[0005] Электрический предварительный нагрев позволяет достигать температуры нагревающих элементов вплоть до примерно 800°C. Однако вследствие необходимости существования разницы температур между нагревательными элементами и газом для осуществления передачи теплоты перерабатываемому газу и неизбежных потерь тепла на пути ко входу в реактор, температура, которая может быть достигнута в реакторе, будет всегда значительно ниже, чем температура нагревательных элементов. Кроме того, опыт показывает, что действительно преобладающая температура в реакторах зависит очень приблизительным образом от температуры на выходе после предварительного нагрева. Причиной этого является поглощение тепла питающими трубопроводами и керамической футеровкой реактора. Вследствие этих условий в реакторах малого размера невозможно достичь температуры зажигания, необходимой для природного газа, из-за особенно высоких потерь через поверхность. Также представляется сомнительным, что в случае установки с большой производительностью это возможно осуществить с помощью только электрических нагревателей для предварительного нагрева. В любом случае, длительные фазы нагревания и высокое потребление электроэнергии приводят к очень неэффективному способу. Электрические нагреватели для предварительного нагрева, расположенные внутри реактора, необходимо будет удалять в конце периода предварительного нагрева, аналогично горелкам для запуска.

[0006] В патенте US 6123873 описан способ ввода в эксплуатацию автотермического реактора риформинга, в котором газ, содержащий метанол и водяной пар, приводят во взаимодействие с катализатором метанирования, причем газ имеет температуру, которая достаточно высока для того, чтобы инициировать реакцию разложения метанола на водород и монооксид углерода, включающий дополнительный нагрев, и в котором горячий газ затем направляют в автотермический реактор риформинга, причем последний нагревают до температуры, достаточной для начала и поддержания реакции риформинга. Однако при таком решении технические затраты для достижения необходимой температуры зажигания очень высоки.

[0007] Следовательно, целью настоящего изобретения является обеспечить альтернативный способ, который был бы как можно более простым с точки зрения оборудования и позволил бы ввод в эксплуатацию без необходимости затрачивать длительное время на запуск и останов автотермического реактора.

Данная цель достигается с помощью способа ввода в эксплуатацию автотермического реактора для получения синтез-газа путем риформинга углеводородсодержащих сырьевых газов в реакционной камере, в которой протекают реакции окисления и риформинга, согласно которому подают углеводородсодержащий сырьевой газ и водяной пар, причем содержание водяного пара составляет 0-80% (об.) по отношению к углеводородсодержащему сырьевому газу, а также окислитель с содержанием кислорода 10-100% (об.), и получают газообразный продукт, при котором для ввода в эксплуатацию автотермический реактор сначала нагревают до температуры >600°C, используя инертную текучую среду, а затем операцию зажигания инициируют путем введения газа или смеси газов с соответствующей низкой температурой воспламенения, которая ниже температуры воспламенения углеводородсодержащего сырьевого газа, и содержание компонента с низкой температурой воспламенения в указанной смеси газ/газ составляет не менее 40% (об.), и путем подачи окислителя с содержанием кислорода 10-100% (об.), а затем начинают автотермический риформинг путем подачи углеводородсодержащего сырьевого газа и водяных паров.

[0008] В качестве газов или смесей газов с высокой реакционной способностью можно использовать, в частности, высшие углеводороды, т.е. углеводороды, воспламеняющиеся при низкой температуре, причем их температура воспламенения значительно ниже температур воспламенения метана, и известные тем, что их температура воспламенения снижается с ростом длины цепи. В то же время, однако, выбор такого газа является компромиссом в отношении образования сажи внутри реактора, причем указанное образование сажи повышается с ростом длины цепи. Например, особенно критическими в этом отношении, и вследствие этого - непригодными, являются ненасыщенные углеводороды. Поэтому, приемлемым компромиссом является использование пропана или пропансодержащей смеси газов, такой, как смесь газов пропан-бутан, с содержанием пропана не менее 40% (об.).

[0010] Предпочтительно поставлять пропансодержащую смесь газов из резервуара.

[0011] В качестве инертной текучей среды для предварительного нагрева реактора предпочтительно использовать нереакционно-способный газ, такой, как азот, или диоксид углерода, или водяной пар, в зависимости от конкретного случая.

[0012] Ввод в эксплуатацию предпочтительно проводят при давлении 1-10 бар (абс.), предпочтительно при давлении, равном 1-5 бар (абс.). Поскольку выполнение операции запуска происходит при пониженном давлении по сравнению с давлением автотермической реакции риформинга, которую проводят при давлении, равном примерно 20-100 бар, и требует только короткого периода времени, количества газов или смесей газов с низкой температурой воспламенения, необходимые для этой цели, являются небольшими.

[0013] С помощью данного способа ввода в эксплуатацию возможно избежать значительных технических затрат для достижения температуры воспламенения натурального газа, т.е. в основном метана. Напротив, дополнительные устройства для подачи смеси газов с низкой температурой воспламенения, содержащие, например, пропан, необходимые для осуществления способа введения в эксплуатацию по данному изобретению, могут быть применены при значительно более низких технических затратах, т.е. стоимости, и могут быть сконструированы почти полностью отдельно от основных питающих трубопроводов, используемых для смеси природного газа и водяного пара.

[0014] В предпочтительном варианте осуществления способа данного изобретения смесь газов с низкой температурой воспламенения, содержащая, например, пропан, и углеводородсодержащий сырьевой газ, подают в реактор по отдельным питающим трубопроводам.

[0015] В дополнительном варианте осуществления питающие трубопроводы для газа или смеси газов с низкой температурой воспламенения и углеводородсодержащего сырьевого газа соединены с помощью клапанов, предотвращающих обратный ток углеводородсодержащего сырьевого газа, находящегося под более высоким давлением, чем смесь газов с низкой температурой воспламенения, содержащая, например, пропан, в питающую линию сырьевого газа с низкой температурой воспламенения, с помощью блокирующих друг друга клапанов, управляемых соответствующим блоком управления, и таким образом предотвращая возможность совершения ошибки оператором.

[0016] Изобретение более подробно описано ниже с помощью Фигуры 1.

Фиг.1: Упрощенное схематическое изображение, иллюстрирующее способ введения в эксплуатацию автотермического реактора риформинга по данному изобретению.

[0017] В соответствии со схематическим изображением на Фиг.1 температуру в автотермическом реакторе доводят до >600°C с помощью инертной текучей среды 1 на первой стадии, причем указанную текучую среду отводят из автотермического реактора 11 по трубопроводу 8. Для этой цели инертную текучую среду 1 пропускают через предварительный нагреватель 15. По достижении желаемой температуры в автотермическом реакторе 11, этот предварительный нагрев немедленно прекращают, закрывают клапан 16 и направляют поток пропансодержащего газа 2 с низкой температурой воспламенения из резервуара 10 в автотермический реактор риформинга 11. Во время этих операций клапан 12 открыт. Давление потока газа 2 с низкой температурой воспламенения находится в пределах 1-10 бар. Кроме этого, окислитель 3 с содержанием кислорода 10-100% (об.) подают в автотермический реактор 11. По завершении операции зажигания, эту стадию операции продолжают в течение соответствующего периода времени до тех пор, пока температура реактора станет >800°C. Затем клапан 12 закрывают и, с помощью открываемого клапана 14, углеводородсодержащую смесь водяного пара и сырьевого газа 4, которая содержит 0-80% (об.) водяного пара и была получена путем смешивания водяного пара 5 и углеводородсодержащего сырьевого газа 6, подают в предварительный нагреватель 13 природного газа и водяного пара. Там смесь доводят до температуры 500-800°C и затем подают в автотермический реактор 11. Что касается механической и термической нагрузки на кирпичную футеровку реактора, можно питать разогретую углеводородсодержащую смесь водяного пара и сырьевого газа 7 сначала при низкой температуре, при давлении, сравнимом с уровнем давления потока газа 2 с низкой температурой воспламенения, а затем медленно повышать давление до желаемого рабочего значения 15-100 бар. Для того чтобы предотвратить обратный ток нагретой углеводородсодержащей смеси водяного пара и сырьевого газа 7, клапаны 12 и 14 заблокированы по отношению к друг другу с помощью блока управления 17 таким образом, что при подаче углеводородсодержащего сырьевого газа и при соответственно открытом клапане 14, клапан 12 закрыт, предотвращая дальнейшую подачу потока газа 2 с низкой температурой воспламенения. Затем автотермический реактор работает в режиме, известном из уровня техники, и производимый синтез-газ сырец отводят по трубопроводу 8.

[0018] Преимущества, получаемые благодаря вводу в эксплуатацию автотермического реактора согласно данному изобретению:

- Отсутствие длительных операций запуска и останова автотермического реактора, т.е. значительная экономия времени при запуске реактора из холодного состояния.

- Процесс, который можно легко совместить с уже существующими установками.

- Отсутствие необходимости в дополнительных узлах, таких, как горелки для запуска.

- Необходимые легковоспламеняемые текучие среды доступны практически по всему миру и легко могут быть приобретены, быстро и с низкими затратами.

[0019] Перечень номеров позиций и обозначений

1 - инертная текучая среда

2 - поток газа с низкой температурой воспламенения

3 - окислитель

4 - углеводородсодержащая смесь водяного пара и сырьевого газа

5 - водяной пар

6 - углеводородсодержащий сырьевой газ

7 - нагретая углеводородсодержащая смесь водяного пара и сырьевого газа

8 - синтез-газ сырец

10 - резервуар для газа с низкой температурой воспламенения

11 - автотермический реактор

12 - клапан

13 - предварительный нагреватель природного газа и водяного пара

14 - клапан

15 - электрический предварительный нагреватель

16 - клапан

17 - блок управления

1. Способ ввода в эксплуатацию автотермического реактора для получения синтез-газа путем риформинга углеводородсодержащих сырьевых газов в реакционной камере, в которой протекают реакции окисления и риформинга, согласно которому подают углеводородсодержащий сырьевой газ и водяной пар, причем содержание водяного пара составляет 0-80% (об.) по отношению к углеводородсодержащему сырьевому газу, а также окислитель с содержанием кислорода 10-100% (об.), и получают газообразный продукт, причем ввод в эксплуатацию осуществляют путем операции зажигания, отличающийся тем, что для ввода в эксплуатацию автотермический реактор предварительно нагревают до температуры >600°C с помощью инертной текучей среды, а затем операцию зажигания инициируют путем введения газа или смеси газов с соответствующей низкой температурой воспламенения, которая ниже температуры воспламенения углеводородсодержащего сырьевого газа, и содержание компонента с низкой температурой воспламенения в указанной смеси газ/газ составляет не менее 40% (об.), и путем подачи окислителя с содержанием кислорода 10-100% (об.), и затем начинают автотермический риформинг путем подачи углеводородсодержащего сырьевого газа и водяных паров.

2. Способ в соответствии с п.1, отличающийся тем, что ввод в эксплуатацию производят при давлении 1-10 бар (абс.), предпочтительно при давлении 1-5 бар (абс.).

3. Способ в соответствии с п.1 или 2, отличающийся тем, что смесь газов с низкой температурой воспламенения и углеводородсодержащий сырьевой газ подают в реактор по отдельным питающим трубопроводам.

4. Способ в соответствии с п.3, отличающийся тем, что питающие трубопроводы для смеси газов с низкой температурой воспламенения и углеводородсодержащего сырьевого газа соединены с помощью клапанов, предотвращающих обратный ток углеводородсодержащего сырьевого газа, находящегося под более высоким давлением, чем смесь газов с низкой температурой воспламенения, в питающую линию сырьевого газа с низкой температурой воспламенения, с помощью блокирующих друг друга клапанов, контролируемых соответствующим блоком управления.

5. Способ в соответствии с п.1, отличающийся тем, что в качестве газа с низкой температурой воспламенения используют пропан.

6. Способ в соответствии с п.1, отличающийся тем, что в качестве инертной текучей среды для предварительного нагрева реактора используют газ, выбранный из группы, содержащей азот, диоксид углерода и водяной пар.

7. Способ в соответствии с п.1, отличающийся тем, что газ или смесь газов с низкой температурой воспламенения подают из резервуара.