Химический реактор сжатия для получения синтез-газа

 

Изобретение относится к химическому машиностроению и может быть использовано в химическом производстве для получения синтез-газа из богатых смесей углеводородных газов, в частности природного газа, и воздуха. Сущность изобретения: для получения синтез-газа из метановоздушной смеси в химическом реакторе сжатия с принудительным воспламенением, работающем по четырехтактному циклу, включающем цилиндропоршневую группу, кривошипно-шатунный механизм и систему привода клапанов, каждый цилиндр снабжен форкамерой с системой подачи воздуха, обеспечивающей создание в ней смеси, состав которой гарантирует надежное принудительное воспламенение, причем система привода клапанов цилиндров выполнена так, чтобы обеспечить открытие впускного клапана только после закрытия выпускного клапана. Предлагаемое устройство позволяет обеспечить надежное воспламенение метановоздушной смеси в объеме цилиндра ХРС и снизить содержание кислорода в продуктах процесса. 1 з.п. ф-лы, 1ил.

Изобретение относится к химическому машиностроению и может быть использовано в химическом производстве для получения синтез-газа из углеводородных газов, в частности природного газа, и воздуха.

Поршневые машины для осуществления реакций при повышенных давлениях и температурах получили название "химический реактор сжатия" [1 - 3]. Их техническая реализация, как правило, связана с модернизацией двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

Известны химические реакторы сжатия (ХРС) различных типов и назначений. Для получения синтез-газа практически применяют ХРС, работающие по четырехтактному циклу. К их числу относится ХРС крейцкопфного типа с фонарем [3]. Известно также применение в качестве ХРС для получения синтез-газа непосредственно двигателей внутреннего сгорания с инициированным воспламенением: бензинового [4] и газового [5] (прототип).

Указанный газовый двигатель фирмы "Ингерсолл Ранд" [5] представляет собой восьмицилиндровый V-образный двигатель мощностью 300 л.с., работающий по четырехтактному циклу, в котором воспламенение смеси богатого газа коксовых производств с обогащенным кислородом воздухом инициируют при помощи искры. Угол опережения зажигания составляет 20 - 25^o. При уменьшении угла опережения зажигания догорание газа происходит в течение рабочего хода, а при его увеличении в цилиндрах двигателя возникают резкие металлические стуки. Давление сжатия находится в пределах 6,2 - 6,6 кг/см². а давление сгорания - в пределах 25,0 - 27,5 кг/см².

Недостаток описанного устройства заключается в трудности пуска реактора при низких значениях коэффициента избытка воздуха α, необходимого для получения синтез-газа из богатых смесей α = 0,25 - 0,65). Кроме того, в составе продуктов сгорания всегда присутствует кислород от 0,3 до 5 об.% (в зависимости от значения α), являющийся сильным ядом для всех катализаторов последующих процессов: синтеза углеводородов, метанола и диметилового эфира из угарного газа и водорода. Чтобы избежать отравления катализатора, приходится оборудовать реактор дополнительным специальным узлом для очистки синтез-газа от кислорода, что повышает металлоемкость и ухудшает техноэкономические показатели производства синтез-газа.

Указанные недостатки устраняются тем, что в химическом реакторе сжатия для получения синтез-газа из богатой метано-воздушной смеси при принудительном воспламенении, работающем по четырехтактному циклу, включающем цилиндропоршневую группу, кривошипно-шатунный механизм и систему привода клапанов, каждый цилиндр снабжен форкамерой с системой подачи воздуха, обеспечивающей создание в ней смеси, состав который гарантирует надежное принудительное воспламенение, причем система привода клапанов цилиндров выполнена так, чтобы обеспечить открытие впускного клапана только после закрытия выпускного клапана. При этом время между указанными двумя операциями можно регулировать.

Такое техническое решение приводит к следующим результатам: надежное воспламенение метановоздушной смеси в объеме цилиндра ХРС; снижение содержания кислорода в продуктах процесса.

Причем каждый из отличительных признаков оказывает влияние на достижение обоих технических результатов.

Так, из уровня техники в области энергетики известно использование форкамеры в двигателях внутреннего сгорания. В частности, в газовых двигателях в форкамеру с целью улучшения зажигания бедных смесей подают дополнительное количество топлива.

Использование форкамер в ХРС для получения синтез-газа нам неизвестно.

Кроме того, несмотря на более легкое воспламенение богатой метановоздушной смеси, для обеспечения надежного и эффективного ее зажигания коэффициент избытка воздуха в форкамере должен быть выше, чем в объеме цилиндра, что обеспечивает система регулируемой подачи воздуха, которая создает в форкамере смесь с α = 0,8 - 1,2, легко воспламеняющуюся от искры.

В свою очередь, струя газа, со звуковой скоростью вырываясь из сопла форкамеры, не только воспламеняет газ в объеме цилиндра, но и создает в нем развитую турбулентность, что приводит к разрушению теплового пограничного слоя и дополнительному вовлечению в реакцию остатков кислорода.

Открытие впускного клапана только после закрытия выпускного, во-первых, исключает прямой проскок исходного сырья и его смешение с продуктами процесса, благодаря чему снижается содержание кислорода в продуктах процесса. Во-вторых, в цилиндре всегда остаются продукты процесса, в числе которых помимо воды и углекислоты легко (относительно метана) окисляемые водород и окись углерода. Это обстоятельство является важным фактором, облегчающим воспламенение богатой метановоздушной смеси в объеме цилиндра ХРС.

На чертеже схематически изображен ХРС в разрезе.

ХРС включает цилиндр 1, поршень 2, шатун 3, крышку цилиндра 4, в которой размещены впускной 5 и выпускной 6 клапаны с системой их привода (на чертеже показана механическая система: кулачки 7 и 7' распределительного вала 8), форкамеру 9 со свечой зажигания 10. Форкамера снабжена системой подачи воздуха, включающей клапан 11 и кулачок 12.

Клапаны 5 и 6 могут приводиться в движение также при помощи электромагнитов, управляемых посредством датчиков, установленных на коленчатом валу ХРС.

Возможно также применение гидромеханической системы привода клапанов с использованием в качестве силового агрегата масляного насоса высокого давления, связанного с коленчатым валом ХРС.

Работа предлагаемого химического реактора сжатия происходит следующим образом. В начале движения поршня 2 вниз от верхней мертвой точки (ВМТ) открывается впускной клапан 5 и в цилиндр ХРС поступает метановоздушная смесь. Когда поршень 2 достигает нижней мертвой точки (НМТ), впускной клапан 5 закрывается. При движении поршня 2 от НМТ вверх происходит сжатие метановоздушной смеси в цилиндре 1 и форкамере 9. За 15 - 30^o по углу поворота коленчатого вала до ВМТ открывается клапан 11 форкамеры и в нее под давлением подается воздух, обеспечивая в форкамере оптимальный для воспламенения состав метановоздушной смеси. После этого клапан 11 закрывается и смесь в форкамере поджигают при помощи свечи зажигания 10. Газы вырываются из сопла форкамеры, турбулизуют и поджигают смесь в цилиндре 1. При этом происходит разрушение теплового пограничного слоя и кислород воздуха полностью расходуется в процессе окисления метана в синтез-газ. В процессе горения давление газа возрастает и поршень движется вниз, совершая при этом полезную работу, что обеспечивает энергетическую автономность ХРС. Вблизи НМТ открывается выпускной клапан 6 цилиндра, и продукты реакции выводятся из цилиндра при движении поршня 2 от НМТ вверх. Непосредственно перед достижением ВМТ клапан 6 закрывают и часть продуктов процесса остается в цилиндре. После достижения поршнем ВМТ начинается следующий четырехтактный цикл.

Таким образом, сочетание указанных конструктивных решений обеспечивает надежное воспламенение рабочей смеси метана с воздухом в цилиндре ХРС и одновременно резко снижает содержание кислорода с продуктах процесса получения синтез-газа.

Успешная реализация форкамерного зажигания богатой смеси позволяет отказаться от ее предварительного подогрева, что приводит к увеличению производительности установки.

Источники информации 1. Авторское свидетельство СССР N 774020, 27.06.80.

2. Авторское свидетельство СССР N 1572690, 22. 02.90.

3. Импульсное сжатие газов в химии и технологии /Под ред. Ю.А.Колбановского. - М.: Наука, 1982.

4. Кобозев Н.И., Казарновский Я.С., Менделевич И.И. Труды ГИАП. - 1957, вып. 7, с. 155.

5. Казарновский Я.С., Деревянко И.Г., Стежинский А.И., Кобозев Н.И. Труды ГИАП. - 1957, вып. 8, с. 89.

Формула изобретения

1. Химический реактор сжатия для получения синтез-газа из богатых смесей углеводородных газов с воздухом, работающий по четырехтактному циклу при принудительном воспламенении и включающий цилиндропоршневую группу, кривошипно-шатунный механизм и систему привода клапанов, отличающийся тем, что каждый цилиндр снабжен форкамерой с системой подачи воздуха, обеспечивающей создание в ней смеси, состав которой гарантирует надежное принудительное воспламенение, причем привод клапанов цилиндров выполнен так, чтобы обеспечить открытие впускного клапана только после закрытия выпускного клапана.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно имеет механический, электромагнитный или гидромеханический привод клапанов.

РИСУНКИ

Рисунок 1