Конвертор паровой органического топлива на базе нежаростойких конструкционных материалов со сниженными потерями энергии с уходящими газами

Полезная модель относится к области технологии генерации чистого водорода из органического топлива и может быть использована в химической промышленности и в энергетике, в частности, в транспортных и стационарных энергетических установках с электрохимическими генераторами (ЭХГ). Задачей полезной модели является создание конструкции парового конвертора органического топлива, позволяющей повысить его эффективность за счет минимизации тепловых потерь с уходящими газами с одновременным исключением необходимости применения для его изготовления дорогостоящих жаростойких сталей. Технический результат достигается тем, что в конструкцию парового конвертора включен струйный аппарат (инжектор) с трубопроводами, обеспечивающий рециркуляцию уходящих газов в паровом конверторе.

Полезная модель относится к области генерации чистого водорода из органического топлива и может быть использована в химической промышленности и в энергетике, в частности, в транспортных и стационарных энергетических установках с электрохимическими генераторами (ЭХГ).

Производство водорода (см. Водород. Свойства, получение, хранение, транспортирование, применение: Спр. изд.: Под ред. Д.Ю. Гамбурга, Н.Ф. Дубовкина - М.: Химия, 1989) возможно следующими способами:

- термохимическое разложение воды;

- электролиз воды;

- каталитическая конверсия углеводородов.

Основным современным промышленным способом генерации водорода является процесс паровой конверсии углеводородов, заключающийся в разложении исходного сырья в присутствии катализаторов и при высокой температуре на смесь водорода, метана, монооксида и диоксида углерода с последующим выделением чистого водорода из водородосодержащего газа (см. Арутюнов В.С, Орлов О.В. Окислительные превращения метана. - М.: Наука, 1998). В качестве исходного сырья могут быть использованы как газообразные, так и жидкие углеводороды.

Известен способ получения особо чистого водорода (патент РФ 2085476, C01B 3/32, 3/56, опубл. 27.07.97), включающий последовательную сероочистку природного газа (ПГ), смешение очищенного ПГ с водяным паром, паровую конверсию полученной парогазовой смеси в каталитическом реакторе с получением смеси, содержащей водород и оксид углерода, паровую конверсию оксида углерода в конверторе, сжатие газовой смеси, выделение из нее диоксида углерода и воды вымораживанием и диффузию водорода через палладиевую мембрану с выделением особо чистого водорода.

Недостатки известного способа заключаются в следующем:

- предусмотрено сжатие компрессором газовой смеси на заключительных стадиях процесса;

- водородосодержащий газ после отделения воды и диоксида углерода вымораживанием имеет низкую температуру. Диффузионное выделение водорода на палладиевой мембране должно происходить при температуре от 773 до 900 K, что требует подвода тепла для подогрева поступающего газа и увеличивает затраты на производство водорода;

- в способе не предусмотрена утилизация тепла уходящих дымовых газов, которое может быть использовано для нагрева исходной смеси, подаваемой в каталитический реактор паровой конверсии, и для нагрева воздуха, подаваемого в топочное устройство, что приводит к увеличению удельного расхода топлива на единицу вырабатываемой продукции.

Известен способ получения водорода из углеводородного газа (патент РФ 2088517, C01B 3/32, 3/56, опубл. 27.08.97).

По данному способу производится паровая конверсия углеводородного газа с получением газа, содержащего водород и оксид углерода. Полученный газ подается на конверсию оксида углерода, затем конвертированный газ охлаждается с отделением водяного конденсата и из конвертированного газа выделяется диоксид углерода. Очистка полученного водородосодержащего газа от примесей выполняется методом короткоцикловой адсорбции с получением водорода. Регенерация адсорбента осуществляется продувкой частью полученного водорода с получением газов регенерации, которые возвращают на стадию конверсии оксида углерода. Конверсионные стадии проводят при атмосферном давлении, а адсорбционные - при давлении от 1,5 до 3,0 МПа, для чего газ перед аппаратом короткоцикловой адсорбции сжимают с помощью компрессора. Перед подачей на паровую конверсию проводят сатурацию конденсата углеводородным газом. Данный способ имеет недостатки:

- поскольку конверсионные стадии процесса проходят при атмосферном давлении, увеличивается металлоемкость технологического оборудования;

- на заключительных этапах процесса газовую смесь сжимают компрессором от 1,5 до 3,0 МПа, что приводит к увеличению затрат на оборудование и на техническое обслуживание;

- выделение из газовой смеси диоксида углерода предусмотрено в отдельном адсорбере, что приводит к удорожанию установки;

- в данном способе не предусмотрена утилизация тепла отходящих дымовых газов.

Также известна энергоустановка на топливных элементах с твердополимерным электролитом, использующая углеводородное топливо (патент РФ 2353023, H01M 8/06, опубл. 20.04.2009).

Энергетическая установка содержит подсистему выработки электроэнергии, подсистему переработки углеводородного топлива с десульфуратором, увлажнителем топлива, реактором паровой конверсии топлива, конвертором монооксида углерода, подсистему окислителя с компрессором, подсистему регенерации воды, подсистему терморегулирования с насосом для циркуляции жидкости, теплообменником для рассеяния избыточного тепла и предохладителем топлива В подсистему терморегулирования дополнительно введен пусковой подогреватель терморегулирующей жидкости с горелкой.

Способ получения водорода, реализованный в рассматриваемой энергоустановке, имеет основной недостаток - наличие пускового подогревателя. Введение дополнительно пускового подогревателя увеличивает пожароопасность установки, что недопустимо для установок, работающих в замкнутых объемах (отсеках).

Наиболее технически близкой, принятой за прототип к предлагаемой полезной модели, является конструкция установки для получения водорода из углеводородного сырья по патенту РФ 2394754, C01B 3/34, C01B 3/12, опубл. 20.07.2010. Установка содержит подвод углеводородного сырья к узлу сероочистки, после которого очищенный от соединений серы углеводородный газ разделяют на два потока. Один поток газа смешивают с водяным паром и подвергают паровой конверсии в каталитическом реакторе паровой конверсии при температуре 800-1050°C. Полученный конвертированный газ подают в качестве греющей среды в паровой котел-утилизатор, охлажденный в нем газ направляют в каталитический реактор для паровой конверсии оксида углерода при температуре 190-220°C, затем полученный водородсодержащий газ дополнительно охлаждают до температуры 20-40°C внешним хладоносителем и отделяют от влаги в охладителе-осушителе газа, после чего подают в узел разделения водородсодержащего газа, в котором выделяют водород методом короткоцикловой адсорбции. Продувочный газ отводят от узла разделения и смешивают со вторым потоком очищенного от серы углеводородного газа, полученную смесь подают в качестве топливного газа на горелку каталитического реактора паровой конверсии углеводородов, перед подачей на горелку эту смесь и требуемый для горения воздух нагревают в блоке рекуперации тепла, после чего дымовые газы для отделения влаги дополнительно охлаждают внешним хладоносителем в охладителе-осушителе дымовых газов и выводят из установки в атмосферу.

Недостатками данного прототипа являются:

- проведение конверсии углеводородов при высокой температуре, приводящее к необходимости использования дорогостоящих конструкционных материалов;

- наличие значительных тепловых потерь, компенсируемых за счет подачи на сжигание не только продувочного газа, но и дополнительного количества углеводородного топлива.

Задачей предлагаемой полезной модели является создание конструкции парового конвертора органического топлива, позволяющей повысить энергетическую эффективность его применения и удешевить его производство.

Техническим результатом полезной модели, является использование энергии уходящих (дымовых) газов, при этом, исключается необходимость применения для его изготовления дорогостоящих жаростойких сталей, а использовать при изготовлении предлагаемой полезной модели нежаростойкие конструкционные материалы.

Технический результат достигается тем, что в конструкцию парового конвертера органического топлива согласно предлагаемой полезной модели включен струйный аппарат (инжектор), обеспечивающий рециркуляцию уходящих газов в паровом конверторе.

Конструктивная схема парового конвертора и схема включения парового конвертора в цикл получения водорода приведены на иллюстрациях фиг. 1 и фиг. 2 соответственно.

На иллюстрациях обозначены следующие элементы:

1 - Трубопровод подвода воздуха;

2 - Трубопровод подвода воды;

3 - Трубопровод отвода водорода;

4 - Струйный аппарат (инжектор);

5 - Топочное устройство;

6 - Реактор паровой конверсии;

7 - Паровой конвертор;

8 - Смеситель;

9 - Трубопровод подвода топлива;

10 - Теплообменник;

11 - Теплообменник;

12 - Трубопровод сброса уходящих газов;

13 - Трубопровод возврата части уходящих газов к топочному устройству;

14 - Трубопровод остаточного синтез-газа;

15 - Трубопровод подвода топливной смеси на конверсию.

Конструктивное исполнение полезной модели и ее функционирование поясняется следующим конкретным примером ее выполнения и прилагаемым чертежом фиг. 1, на котором изображен паровой конвертор органического топлива со встроенным струйным аппаратом.

Подготовленная в смесителе топливная смесь поступает в конвертор по трубопроводу 15. Для ее получения в смеситель 8 по трубопроводу подвода топлива 9 и трубопроводу подвода воды 2 после теплообменника 10, где происходит парообразование, поступают соответственно исходное органическое топливо и образованный водяной пар. Процесс конвертирования топливной смеси производится при ее нагреве. Нагрев осуществлятся с помощью топочного устройства, входящего в состав конвертора, к которому подводится по трубопроводу 14 остаточный синтез-газ, а по трубопроводу 1 воздух для осуществления его горения. Циркуляция части уходящих газов через реактор паровой конверсии 6 осуществляется с помощью струйного аппарата (инжектора) 4 по трубопроводу 13 с подачей газа к топочному устройству 5. Рабочая среда (остаточный синтез-газ) поступает к струйному аппарату по трубопроводу 14. Образующийся в реакторе паровой конверсии 6 водород отводится к потребителю по трубопроводу 3, а уходящие газы сбрасываются в трубопровод 12.

Схема включения конвертора в цикл получения водорода приведена на иллюстрации фиг. 2.

В полезной модели используется процесс паровой конверсии углеводородов с разложением исходного сырья на смесь водорода, метана, монооксида и диоксида углерода (синтез-газ) с последующим мембранным выделением чистого водорода из водородосодержащего газа. Чем больше глубина конверсии, тем меньше в водородосодержащем газе монооксида углерода и метана. Полная конверсия исходного сырья описывается уравнением реакции:

C_nH_m+2n·H ₂O=n·CO₂+(2n+m/2)·H₂+Q,

где:

C_nH_m - осредненная формула для исходной смеси углеводородов;

Q - тепловой эффект реакции, численно равный количеству тепла, которое нужно подвести для осуществления конверсии одного моля исходного сырья при постоянной температуре.

Конверсия углеводородов является реакцией эндотермической, с подводом тепла. Фактический состав получаемого синтез-газа и фактическое значение теплового эффекта реакции зависят как от состава исходного сырья, так и от физических условий проведения конверсии. Конверсия осуществляется при высокой температуре, что увеличивает скорость и глубину реакции, и при повышенном давлении, что увеличивает поток водорода через единицу поверхности мембран, изготавливаемых из дорогостоящих металлов и сплавов, позволяя уменьшить их общую поверхность и существенно удешивить конструкцию устройств для отделения водорода. Тепло, необходимое для проведения конверсии, а также тепло, необходимое для генерации из воды водяного пара, обеспечивается за счет сжигания остаточного синтез-газа после выделения из него большей части водорода. Остаточный синтез-газ сжигается в топочном устройстве 5 с образованием горячих уходящих газов, которые служат теплоносителем для отдачи тепла в реакторе паровой конверсии (РПК) конвертора бив теплообменниках 10 и 11. Температура уходящих газов на входе в РПК должна быть не выше 750°C, что с учетом того, что температура контактирующих с уходящими газами поверхностей примерно на 100°C ниже, позволяет отказаться от использования дорогостоящих жаростойких конструкционных материалов. С другой стороны, температура уходящих газов на выходе из РПК должна быть не слишком низкой для обеспечения высокой производительности РПК по водороду. При относительно малой разности входной и выходной температур уходящих газов необходимый тепловой поток обеспечивается за счет большого расхода уходящих газов, что без принятия специальных мер приводит к большим потерям тепла при удалении отработавшего уходящего газа. Конструкция полезной модели позволяет обеспечить расход уходящих газов через РПК, многократно превосходящий количество уходящих газов, за счет организации рециркуляции значительной его части. В предлагаемой полезной модели рециркуляция осуществляется с помощью инжектора (струйного аппарата). Инжектируемой средой струйного аппарата является часть выходящих из РПК газов, а рабочей средой - остаточный синтез-газ. При этом используется то обстоятельство, что давление остаточного газа высокое и незначительно отличается от давления в зоне конверсии, а давление в тракте уходящих газов является близким к атмосферному. Таким образом, рециркуляция осуществляется без дополнительных энергозатрат и при этом устройством высокой надежности, поскольку струйный аппарат не содержит движущихся частей. Тепловая энергия уходящей части газов утилизируется в теплообменнике 10, генерирующем пар, подаваемый в смеситель 8 для смешения с исходным топливом, а затем в теплообменнике 11, подогревающем подаваемый в топочное устройство воздух. В результате, потери энергии с уходящими газами оказываются минимальными.

Снижение уровня рабочих температур позволяет вместо сталей с повышенной жаростойкостью марок ХН45Ю, ХН78Т и других подобных использовать при изготовлении предлагаемой полезной модели нежаростойкие конструкционные материалы, в том числе широко применяемые коррозионно-стойкие стали 12Х18Н10Т, 12Х18Н9Т, 08Х18Н10Т по ГОСТ 5632-72. При этом становится доступным большой ассортимент проката, отработанные технологии механической обработки и сварки, а оказывается ниже более, чем на порядок.

Паровой конвертор органического топлива, содержащий реактор паровой конверсии и топочное устройство, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен струйным аппаратом с трубопроводами, осуществляющим подачу части уходящих газов в топочное устройство и обеспечивающим их рециркуляцию в паровом конверторе с помощью энергии остаточного синтез-газа, а реактор паровой конверсии парового конвертора выполнен из нежаростойких конструкционных материалов.

РИСУНКИ