CC BY
249
УДК 662.76 : 665.722
Основы проектирования трехкомпонентных газогенераторов синтез-
Ю.В. ЗАГАШВИЛИ, д.т.н., проф., генеральный директор
ООО «ВТР» (Россия, 199226, Санкт-Петербург, Морская набережная, д. 9, кв. 587). E-mail: [email protected]
А.А. ЛЕВИХИН, к.т.н., завкафедрой двигателей и энергоустановок летательных аппаратов БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова (Россия, 199005, Санкт-Петербург, ул. 1-я Красноармейская, д. 1). E-mail: [email protected] А.М. КУЗЬМИН, к.т.н., генеральный директор
ООО «Генератор синтез-газа» (Россия, 195297, Санкт-Петербург, ул. Ольги Форш, д.15, кор. 1, кв. 49). E-mail: [email protected]
Изложены основы проектирования семейства оригинальных трехкомпонентных (углеводородное сырье-окислитель-вода) газогенераторов синтез-газа (ГСГ), реализующих технологию парциального некаталитического окисления углеводородного сырья. Рассмотрены физическая модель и конструкция ГСГ, включающая основные узлы - смесительную головку, камеру сгорания, узел впрыска воды, испарительную камеру. Предложена методика расчета номинальных геометрических размеров ГСГ, позволяющая уже на стадии выполнения базового проекта оценить массогабаритные характеристики ГСГ. Приведены примеры экспериментальных исследований, подтверждающие адекватность предложенной методики.
Ключевые слова: синтез-газ, газогенератор, парциальное окисление, углеводородное сырье, окислитель, термодинамические расчеты, смесительная головка, камера сгорания, узел впрыска, испарительная камера, коэффициент избытка окислителя, геометрические размеры, малотоннажное производство, водород, метанол.
Введение
Синтез-газ (СГ), представляющий смесь водорода и оксида углерода, а также других компонентов, является исходным сырьем для производства базовых химических продуктов, таких как аммиак, водород, метанол, моторные топлива и др. Поэтому разработка и совершенствование технологий получения синтез-газа является одним из приоритетных направлений химической промышленности [1-17].
СГ получают путем риформинга углеводородного сырья (УВС) - твердого, жидкого и газообразного. Но основными видами сырья служат природный газ, попутные нефтяные газы, газовый конденсат, что отражает тенденцию развития современной мировой экономики - интенсивное развитие газохимических технологий для использования громадных ресурсов газообразного сырья [1-13].
Известны следующие процессы риформинга УВС: паровой (парокислородный) риформинг, получивший наибольшее распространение в промышленности, а также углекислотная конверсия, парциальное окисление (ПО) и автотермический риформинг (АТР). Описание этих процессов с учетом особенностей их протекания в зависимости от видов исходного сырья, катализаторов, масштабов производства, условий эксплуатации и способов технической реализации приведено в работах [3-17].
Парциальное окисление УВС, впервые реализованное компаниями Shell и Texaco в середине XX века, протекает при недостатке окислителя (кислорода, обогащенного воздуха или воздуха) в широком диапазоне давлений до 10-15 МПа и высоких, свыше 1000 °С температур. ПО позволяет преодолеть основные недостатки парового ри-форминга, связанные с большими затратами энергии на
эндотермические реакции конверсии, а также высокими капитальными расходами на производство СГ. Однако продукты парциального окисления УВС помимо водорода и оксидов углерода могут содержать такие нежелательные химические соединения, как конденсированный углерод (сажа, кокс) и оксиды азота [5, 17-19].
Дальнейшим развитием ПО является технология АТР, интенсивно развиваемая компаниями Haldor Topsoe, Lurgi, Technip, Uhde и представляющая комбинацию парового риформинга и парциального окисления УВС. Технические решения АТР направлены на уменьшение и компенсацию недостатков как парового ри-форминга, так и ПО, прежде всего на оптимизацию тепловых балансов экзо- и эндотермических реакций, совершенствование конструкции ре_ актора АТР, уменьшение соотношения пар/сырье, регулирование состава СГ. В совокупности указанные инновации позволяют повысить экономическую эффективность установок на 8-10%, которая, однако, достигается лишь при создании крупномасштабных производств [11,15,16].
В России ПО углеводородов исследовалось в ИНХС РАН им. А.В. Топчиева, ИХФ РАН им. Н.Н. Семенова, ИПХФ РАН, ОИВТ РАН, НПО «Энергомаш» им. В.П. Глушко, НИФХИ им. Л.Я. Карпова, ГНЦ «Центр Келдыша», РНЦ «Прикладная химия», БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова. В частности изучалось некаталитическое парциальное окисление УВС в энергетических установках, имеющих высокую производительность и малые массогабаритные характеристики, что обусловливает потенциально широкий рынок их применения при создании малотоннажных транспортабельных установок по производству водорода, ДМЭ и метанола [5, 6, 11]. Известны экспериментальные установки группы компаний «ЭНЕРГОСИНТОП» по производству метанола, в которых СГ получают с использованием модифицированных дизелей [6, 20]. Проводились испытания установки «газ-бензин» [21] с использованием газогенератора СГ по типу жидкостного ракетного двигателя (ЖРД), разработанного специалистами БГТУ «ВОЕНМЕХ» [22].
В целом, несмотря на значительный объем проведенных исследований, в России существуют лишь опытно-конструкторские разработки газогенераторов синтез-газа, реализующих технологию парциального окисления УВС, и отсутствуют верифицированные инженерные методики, позволяющие обоснованно выбирать геометрические характеристики и режимные параметры газогенераторов с учетом условий эксплуатации, типа УВС, способов уменьшения сажеобразования, особенностей получения СГ заданного состава для последующего каталитического синтеза конечных целевых продуктов.
В настоящей статье рассмотрены принципы конструирования и изложены основы методики проектирования семейства трехкомпонентных малогабаритных и энергоемких газогенераторов синтез-газа (ГСГ), реализующих технологию парциального некаталитического окисления УВС, оригинальные конструкции которых в течение длительного времени разрабатывались на кафедре двигателей и энергоустановок ЛА БГТУ «ВОЕНМЕХ» совместно со специалистами ООО «ВТР» [23-41].
Трехкомпонентный газогенератор представляет охлаждаемую блочно-модульную конструкцию на фланцевых прочно-плотных соединениях [26, 27, 34], изображенную на рис. 1. Внутренние стенки всех узлов имеют развитое наружное оребрение. Наиболее теплонагруженные элементы ГСГ - внутренняя поверхность смесительной головки и узла впрыска - выполнены из хромистой бронзы, все остальные - из нержавеющей стали. Охлаждение узлов ГСГ раздельное и имеет отдельный ввод и вывод хладагента - химочищенной воды, чем достигается возможность независимого изменения режимов охлаждения любой секции.
Рабочие процессы в ГСГ поясним с помощью физической модели, схематично изображенной на рис. 2.
Компоненты подачи - УВС и окислитель - через СМГ подают раздельно в турбулентном режиме течения газов в объем КС (зона 1), где они воспламеняются от запального устройства. На границе их раздела образуется так называемая поверхность тангенциального разрыва, вблизи которой находится область со стехиометрическим
Трехкомпонентный ГСГ
Физическая модель процессов в ГСГ: СМГ -смесительная головка, КС - камера сгорания, УВ - узел впрыска, ИК - испарительная камера
соотношением компонентов, где и происходит горение окислителя и части сырья. Вторая порция сырья, условно называемая дополнительной, нагревается и разлагается без доступа кислорода. Часть дополнительного сырья, сохраняя тангенциальную закрутку ввода, будет двигаться вдоль стенки КС, а его другая часть окажется затянутой в зону обратных токов продуктов сгорания. Тем самым термохимическое и временное воздействие на разные порции дополнительного сырья различается. Это определяет и разные механизмы реакций: экзотермические в области стехиометрических соотношений, эндотермические - в областях нахождения дополнительного сырья.
В испарительную камеру (зона 2) через ряд радиальных отверстий, расположенных на боковой поверхности УВ, подают третий компонент - воду. Поэтому ИК обеспечивает «закалку» продуктов реакции, однородность химического состава и температурного профиля газового потока на выходе из трехкомпонентного ГСГ. В конце зоны 2 газ имеет гомогенный состав и свойства, близкие к расчетным термодинамическим значениям. При использовании в качестве окислителя воздуха возможен отказ от ИК и переход к более простой конструкции двухкомпонентного газогенератора.
Рабочий процесс в ГСГ можно условно разделить на следующие стадии. В зоне 1 происходят: горение части сырья, при этом образуется газ с высокой температурой от 1300 до 2500 К (в зависимости от состава компонентов); нагрев и разложение дополнительного сырья с одновременным охлаждением продуктов сгорания; перемешивание продуктов сгорания и дополнительного сырья; химическое взаимодействие между продуктами сгорания и дополнительным сырьем. В зоне 2 происходят: охлаждение газа с выхода КС за счет нагрева и испарения капель воды; массообмен между испаряющимися каплями воды и газовой смесью; химическое взаимодействие между водяным паром и компонентами газовой смеси.
Изучению механизмов разветвленно-цепных реакций парциального окисления-горения УВС посвящено огромное количество работ [5, 12, 17, 42-44], однако до настоящего времени эта проблема в полной мере не решена. Кинетика процесса в определяющей степени зависит от температуры. Упрощенно можно принимать, что при температурах выше 1500 К длительность окислительных реакций гомогенной смеси природного газа не превышает единиц миллисекунд [5, 18]. Это позволяет в первом приближении не учитывать кинетику ПО и при начальном определении геометрических размеров ГСГ в зоне 1 ограничиваться только термодинамическими расчетами. Для расчета гео-
Рис. 2
Рис. 1
метрии ГСГ в зоне 2 применяют физико-математические модели гидродинамики и тепломассообмена при движении капли жидкости в горячем газовом потоке.
Рассматриваемый трехкомпонентный ГСГ по организации внутрикамерного процесса близок к своему прототипу - газогенератору ЖРД. Поэтому возможно использование хорошо апробированных методик проектирования камер ракетных двигателей и газогенераторов ЖРД, а также расчета равновесных процессов диссоциации газов при высоких температурах и давлениях, изложенных в основополагающих работах В.П. Глушко, А.П. Ваничева, Я.Б. Зельдовича, Ф.Л. Якайтиса и др. [45-47].
Методика расчета трехкомпонентного газогенератора синтез-газа
1. Расчет требуемой производительности ГСГ и балансовых соотношений в генерируемом синтез-газе
Исходными данными для расчета являются: химический состав и энтальпия компонентов подачи, требуемая производительность ГСГ, давление РКС в камере сгорания ГСГ, требуемая температура газовой смеси ТГ на выходе ГСГ. Результатом расчета равновесных процессов является определение параметров номинального режима парциального окисления сырья: номинального значения коэффициента избытка окислителя, равновесного объемного и массового состава продуктов газогенерации, массовых расходов компонентов подачи.
Основным параметром режима парциального окисления является коэффициент избытка окислителя [45].
а = т0 /(тсК0), (1)
где тС, т0 - массовые расходы УВС и окислителя, К0 -массовый стехиометрический коэффициент соотношения компонентов, определяемый по табличным данным для конкретной пары сырье - окислитель (например, для пары компонентов технический кислород - метан К0 = 4,0).
Обоснование выбора номинального значения а является неформальной задачей, решение которой зависит от многих факторов: типов УВС и окислителя, степени увлажнения сырья, давления подачи компонентов, начальной температуры компонентов, обеспечения условий отсутствия сажеобразования и др. [5, 18, 19, 28, 33-35, 42, 44].
Запишем уравнение массового расхода газа на выходе камеры сгорания ГСГ тКС = тС + т0. Состав газовой смеси на выходе КС включает водород, оксиды углерода, водяной пар, азот, остаточные количества сырья и следовые количества других компонентов
После впрыска воды в ИК (зона 2) протекают химические реакции, в частности гомогенная паровая конверсия остаточного метана и реакция водяного газа. Поэтому балансовый состав газовой смеси на выходе ИК изменяется. Введем тВ - массовый расход воды в узел впрыска, необходимый для охлаждения газовой смеси с выхода КС до требуемой температуры газа ТГ на выходе ИК. Обозначим КВ = тВ/тС - удельный массовый расход подачи воды в УВ. В окрестности номинального режима ПО этот коэффициент является приближенно постоянным, его значение идентифицируют по данным термодинамических расчетов согласно методике, изложенной в работе [32].
С учетом введенных обозначений массовый расход газа на выходе ГСГ принимает вид
тГ = тКС + тВ = (1 + аК0 + КВ)тС. (2)
Расчетные температуры, объемные и массовые концентрации компонентов газовой смеси, в том числе от-
носительную массовую долю собственно синтез-газа на выходе ГСГ 8тСГ = тСГ/тГ, определяют по результатам термодинамических расчетов в номинальном режиме парциального окисления. При этом в составе синтез-газа помимо водорода и оксида углерода можно учитывать и углекислый газ, который является необходимым компонентом для синтеза метанола. Тогда с учетом (2) получим
тСГ = 8тСГ(1 + ^ + ^т^ (3)
Из (1), (3) найдем приближенные массовые расходы сырья и окислителя
тС = тСГ / [8тСГ(1 + аК0 + КВ)],
т
ат^0.
тВ = тСКВ.
(4)
(5)
(6)
Значения массовых расходов подлежат уточнению при проведении детальных балансовых расчетов аппаратов комплекса получения синтез-газа. 2. Расчет геометрических размеров ГСГ На расчетной схеме, рис. 3, приняты следующие обозначения: Окс - диаметр КС, ^КС - длина КС, Овпр - диаметр УВ, Оик - диаметр ИК, ^ИК - длина ИК, 0КР - диаметр критического сечения ГСГ.
Характерные размеры ГСГ вычисляют с использованием параметров синтез-газа на выходе ГСГ. Исходными данными для расчетов являются: РКС - давление в КС, МПа; ТГ, ТКС - температура газов, К; тГ, тКС - массовые расходы, кг/с; ЯГ, ЯКС - газовые постоянные продуктов газогенерации на выходе ГСГ и КС, Дж/(кг-К); п - расчетный показатель политропы [23, 47].
Найдем площадь критического сечения ГСГ ГКР = тГ РТФр / РКС, где фр = 0,7+1,0 - эмпирический коэффициент, учитывающий степень отличия реальных внутрикамер-ных процессов от теоретических; расходный комплекс
вТ = 4ЩТГ/ А(п), где А(п) = 4П[2/(п + 1)]°'5(п+1)(п-1). Диаметр критического сечения ГСГ рассчитывают по формуле
0КР V4ГКР / я.
(7)
Для обеспечения изобаричности камеры сгорания должны выполняться соотношения ГКС > 4ГКР, ОКС = (3+5) Окр [47].
Длину камеры сгорания рассчитывают по формуле
^КС = ткстКСДКСТКС / (^КСРКС), (8)
в которой величину времени пребывания компонентов в КС задают в пределах ткс = (5+15)10-3 с [23].
Расчет параметров узла впрыска и испарительной камеры проводится для определения основных параметров
Расчетная схема для определения геометрических размеров ГСГ
Рис. 3
газового потока, скоростных напоров и глубины внедрения струи. Дополнительными исходными данными для расчета являются: массовый расход воды впрыска тВ, плотность воды р, диаметр 0К и площадь ГК канала подачи воды, количество каналов подачи воды пК, коэффициент расхода форсунки |К, коэффициент поверхностного натяжения воды ст.
Площадь сужения в зоне впрыска определяют по фор-
= ^14Гвпр / * .
(9)
У = 0,718ОК(10/0)и,, X = 0,4030ОК (У/0К):
Схема расчета скоростных напоров потоков
,2,225
Скорость движения потока на выходе ИК ^ИК = тГЯГТГ/ тогда минимальная длина ИК составляет
(РКС^КС
ИК
ТИК^ИК,
(10)
муле ^ВПР = тКС Ркс / РКС = тКС Ас7кс / (A(n)Pкc), откуда диаметр узла впрыска
^ВПР
Диаметр ИК равен диаметру КС. Для расчета длины ИК рассмотрим схему скоростных напоров потоков, представленную на рис. 4.
Скорость газового потока ^КС = тКСЯКС7КС/(РКСГКС), плотность газа рКС = РКС / (ЯКС7КС). Расход воды через одну форсунку тВ1 = тВ/пК, перепад давления на форсунке АР = 0,5[тВ1 / (ГК|_1К)]2/ р. Тогда скорость воды через
форсунку WВ = у/2АР / р . Соотношение скоростных напоров 0=Ркс^2кс/(р^2в).
Координаты внедрения струи рассчитывают по формулам [23, 48]:
где тИК - время испарения капли, зависящее от размера капли и температуры газа.
Определим диаметр капель 0КАП при впрыске воды в газовый поток. Рассчитаем критерий Вебера WE = рdКW2В/ст. Тогда средний диаметр капли 0КАП = 4,605 0К^Е)-0,333, а время испарения капли при типовых условиях - диаметре 0КАП = 1,4-10-4 м и температуре 1400 К - составит тИК «3,5-10-4 с [23, 47, 48].
Для гарантированного завершения процессов испарения и перемешивания принимают ^ИК = (3^5)^0ИК.
Экспериментальное исследование трехкомпонентных ГСГ
Для кратковременных испытаний ГСГ создан стенд, упрощенная пневмогидравлическая схема которого представлена на рис. 5.
На рис. 5 обозначены: ВТР - трехкомпонентный ГСГ, ТО -теплообменник, ХА - хроматограф-анализатор, КЗ - клапан запорный, ДД - датчик давления, ДТ - датчик температуры, 01 - расходомер-регулятор кислорода, 02 - расходомер-регулятор пускового горючего, 03 - расходомер-регулятор основного горючего, 04 - расходомер-регулятор воды, 05 - расходомер генерируемого газа.
Управление режимами работы трехкомпонентного ГСГ осуществляется с помощью автоматизированной системы контроля и управления (АСКУ). Фотография рабочего места оператора приведена на фото.
Измерительную часть АСКУ образуют датчики давлений, температур и расходов, включая датчики массовых расходов, встроенные в расходомеры-регуляторы массовых расходов компонентов. Аналитическая система стенда включает пробоотборную систему и программно-аппаратный комплекс на базе хроматографа «Кристаллюкс-4000М».
В процессе испытаний отрабатывались различные режимы работы ГСГ: динамические - запуск ГСГ по заданной циклограмме, выход на номинальный режим и останов; статические - испытания при различных соотношениях и массовых расходах компонентов с целью экспериментального определения состава генерируемого синтез-газа и изучения критических режимов.
Пневмогидравлическая схема испытательного стенда Рабочее место оператора
КЗ ДД ДТ
I_Г
отбор пробыв
Втр Рр = 5 атм Тп = 1000 °С -
ДТ
ДТ
Р-4,5 атм / /I \ Р-4 атм, ' Т-200 °С / |/7 Т-40 °С 1 ТО
ДД
05 □ Шайба перепадная Выхлоп пирагаза
КЗ Осушитель
КЗ >
отбор пробы
а^ХА
Слив воды и пироконденсата
Рис. 4
Рис. 5
01
Р-5 атм
I-400 °С
ТО
КЗ
КЗ
КЗ
вода
вода
04
32
33
КЗ
Рис. 6
Трехкомпонентный газогенератор ВТР-1
Рис. 7
Осциллограммы запуска и работы ВТР-1
:
Вода в испари Геяьиук> камеру \
2
■ ■
:
расход Оклслшед :
-
Горк чее
ß _ Л4В1СШ1- в камере Ol орання
t
На рис. 6 изображен газогенератор ВТР-1, предназначенный для работы на компонентах дизельное топливо-кислород-вода.Производительность ВТР-1 - 150 нм3/ч синтез-газа, длина - 1,1 м, масса - 25 кг, диаметр КС - 0,08 м.
Осциллограммы испытаний ВТР-1 представлены на рис. 7. Запуск газогенератора осуществлялся ступенчато, при этом выход ГСГ на номинальный режим - тдТ =16г/с, а = 0,40, КВ = 2,6, ТГ = 650 К - проходил динамично и плавно, без забросов давления в КС Давление подачи компонентов - 1,2 МПа, установившееся значение давления в камере сгорания РКС «0,9 МПа.
По результатам экспериментальных исследований получены следующие усредненные значения балансового состава в пересчете на сухой синтез-газ в % об.: водород - 46, монооксид углерода - 50, диоксид углерода -3, остальное - остаточные количества метана, этилена и ацетилена.
Комплексные испытания ГСГ проводились на опытно-демонстрационной установке получения водородсодер-жащего газа ОДУ-300 [49], в состав которой входит газогенератор ВТР-2, рис. 8, работающий на компонентах метан-кислород-вода при давлениях до 1,5 МПа. Производительность ВТР-2 - 500 нм3/ч синтез-газа, массогаба-ритные характеристики: масса - 35 кг, длина - 2 м, диаметр КС - 0,08 м.
Результаты краткосрочных испытаний ОДУ-300 подтвердили заявленные характеристики ВТР-2. Так, при а « 0,34 объемные концентрации компонентов синтез-газа на выходе ВТР-2 после пересчета на сухой газ составили: водорода 55-58%, монооксида углерода 25-27%, диоксида углерода 3-4%, наблюдались азот - до 10% (от магистралей продувки), остаточный метан - до 7%, аргон.
Рис. 8
Трехкомпонентный газогенератор ВТР-2: ФГ - форсуночная (смесительная) головка, КС1, КС2 - блоки камер сгорания, Увпр - узел впрыска воды, ИК1, ИК2 - блоки испарительных камер
Длительные испытания ВТР-2 в течение более чем 10-часовой непрерывной работы установки выявили ряд критических режимов эксплуатации. Так, в процессе испытаний на пониженных расходах компонентов (менее 30% от номинала) при а « 0,32 наблюдалось интенсивное выделение сажи, обусловленное нарушением смесеобразования при низких расходах и охлаждением стенок камеры сгорания ниже 600 К.
Результаты испытаний выявили необходимость совершенствования технологии ПО, включая предварительный нагрев и увлажнение УВС, и конструкции ГСГ, включая переход на новые жаропрочные и жаростойкие конструкционные материалы, применение многофорсуночной смесительной головки с перепадными форсунками модифицированной конструкции.
Заключение
В статье изложены основы методики проектирования трехкомпонентных газогенераторов получения синтез-газа по технологии парциального некаталитического окисления углеводородного сырья. Рассмотрены физическая модель, устройство и принципы конструирования газогенератора. Приведены расчетные соотношения, позволяющие на стадии выполнения базового проекта оценить геометрические размеры газогенератора с учетом типа используемых компонентов и требуемой производительности по синтез-газу.
Приведены результаты экспериментальных исследований газогенераторов на различных типах компонентов. Для компонентов дизтопливо-кислород при а « 0,40 объемная концентрация водорода на выходе газогенератора в пересчете на сухой водородсодержащий газ составила 45-47% об., Н2/СО « 0,85-0,95, для компонентов метан-кислород при ос « 0,34 - Н2 = 55-58% об., Н2/СО « 2,0-2,15.
Испытания ГСГ в различных точках факторного пространства выявили критические режимы, ограничивающие условия работоспособности газогенераторов по допустимым диапазонам регулирования производительности (±20%) и соотношениям компонентов.
Внесение дополнительных конструкторско-технологи-ческих изменений позволит перейти к серийному изготовлению ряда газогенераторов в диапазоне производитель-ностей от 500 до 10 000 нм3/ч синтез-газа для работы в составе малотоннажных установок по производству целевых товарных продуктов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Фейгин В.И., Брагинский О.Б., Заболотский С.А. Исследование состояния и перспектив направлений переработки нефти и газа, нефте- и газохимии в РФ. М.: Экон-информ, 2011. 806 с.
2. Лапидус А.Л., Голубева И.А, И. Ф. Крылов И.Ф. и др. Основные направления переработки природного газов в химические продукты // Технологии нефти и газа, 2009. № 5. С. 3-6.
3. Syngas production, application and environmental impact / Edited by A. Indarto and J. Palguandi. -New York: Nova Science Publishers, 2013. - 365 p.
4. Spath P.L, Dayton D.C. Preliminary Screening -Technical and Economic Assessment of Synthesis Gas to Fuels and Chemicals with Emphasison the Potential for Biomass-derived Syngas / NREL Technical Report NREL/TP-510-34929, December 2003. - 142 p.
5. Арутюнов В.С. Окислительная конверсия природного газа. М.: Красанд, 2011. - 590 с.
6. Синтез-газ: совершенствование методов получения из углеводородного сырья. Многоцелевая газификация / Министерство промышленной политики Украины, ГП Черкасский научно-исследовательский институт технико-экономической информации и химической промышленности. Черкассы, 2009. 385 с.
7. Мордкович В.З., Синева Л.В., Кульчаковская Е.В. и др. Четыре поколения технологии получения синтетического жидкого топлива на основе синтеза Фишера-Тропша. Исторический обзор // Катализ в промышленности, 2015. № 5. C. 23-45.
8. Махлин В.А., Цецерук Я.Р. Современные технологии получения синтез-газа из природного и попутного газа // Химическая промышленность сегодня, 2010. № 3. С. 6-17.
9. Современные и перспективные технологии производства водорода: отчет-справочник. Вып. 2. СПб.: ООО «Прима-Химмаш», 2015. 327 с.
10. Хасин А.А., Загоруйко А.Н. Основные пути переработки природного газа в компоненты топлив и ценные химические продукты. Новосибирск: Ред.-изд. центр НГУ, 2015. 100 с.
11. Арутюнов В.С., Савченко В.И., Седов И.В. О перспективах промысловых газохимических технологий на основе азотсодержащего синтез-газа // Не-фтеГазоХимия. 2016. № 4. С. 14-23.
12. Ke Liu, Chunshan Song, VeluSubramani. Hydrogen and syngas production and purification technologies. -Wiley-AIChE, 2010. 546 p.
13. An Engineering-Economic Analysis of Syngas Storage / Final report. DOE / NETL-2008/1331. 139 p.
14. Крылов О.В. Углекислотная конверсия метана в синтез-газ // Российский химический журнал. Т. XLIV (2000). № 1. Катализ на пути в XXI век. Вып. 1. С. 19-33.
15. Даль П.Ю., Кристенсен Т.С., Винтер-Мадсен С. и др. Технология автотермического риформинга для современных крупнотоннажных метанольных установок // Междунар. конф. «Азот и синтез-газ - 2014», Париж, 2014. 14 с.
16. Кристенсен Т.С., Ларсен Й.Р., Шах Л.Д. и др. Передовые разработки для вторичного кислородного риформинга и автотермическогориформинга // Междунар. конф. «Азот и синтез-газ - 2017». Лондон, 2017. 12 с.
17. Pena M.A, Gomez J.P, Fierro J.L.G. New catalytic routes for syngas and hydrogen production // Applied Catalysis A: General, Volume 144, Is. 1-2, 1996, p. 7-57.
18. Бакиров Ф.Г., Захаров В.М., Полещук И.М. и др. Образование и выгорание сажи при сжигании углеводородных топлив. М.: Машиностроение, 1989. 128 с.
19. Билера И.В., Борисов В.А., Борунова А.Б. и др. Образование высокодисперсной сажи при получении синтез-газа в условиях горения метана // Газохимия. № 3. 2010. С. 72-78.
20. Лищинер И.И., Малова О.В., Толчинский Л.С. Модульные энерготехнологические установки «Энергосинтоп» // Газохимия: состояние и пути развития в XXI веке: Тр. Московского семинара по газохимии 2012-2013 гг. / под редакцией А.И. Владимирова и А.Л. Лапидуса. М.: Издательский центр РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2014. 140 с.
21. Синтетический бензин // Наука и жизнь. 2004, № 11. С. 66-68.
22. Патент РФ № 2191743 МПК М1В 3/34 В0и 7/00 Способ получения синтез-газа и устройство для его осуществления / Плаченов Б.Т. Опубл.: 27.10.2002. Бюл. № 30.
23. Филимонов Ю.Н., Анискевич Ю.В. Внутрикамерные процессы в жидкостных ракетных двигателях. СПб.: ВОЕНМЕХ, 2014. 102 с.
24. Патент РФ № 2392297 МПК C10J 3/34 Реактор для получения синтез-газа / Филимонов Ю.Н. Опубл.: 20.06.2010. Бюл. № 17.
25. Патент РФ № 2521377 МПК С01В 3/36 Способ получения синтез-газа / Филимонов Ю.Н. Опубл.: 27.06.2014. Бюл. № 18.
26. Патент РФ № 2523824 МПК С01В 3/32, B01J 19/26 Устройство для получения синтез-газа / Филимонов Ю.Н. Опубл.: 27.07.2014. Бюл. № 21
27. Патент РФ №2535121 МПК B01J 7/00, С01В 3/34 Устройство генератора синтез-газа / Филимонов Ю.Н. Опубл.: 10.12.2014. Бюл. № 34
28. Анискевич Ю.В., Красник В.В., Филимонов Ю.Н. Выбор режимных параметров процесса парциального газофазного окисления метана кислородом воздуха с целью получения синтез-газа требуемого состава // Жур. прикладной химии. 2009, Т. 82. Вып. 8. С. 1335-1341.
29. Патент РФ № 2561077 МПК С01В 3/18, С01В 3/26, С01В 3/48, С01В 3/36 Способ получения водорода из углеводородного сырья / Филимонов Ю.Н. Опубл.: 20.08.2015. Бюл. № 23.
30. Патент РФ № 2632846 МПК С01В 3/34, С01В 3/36, В0и 7/00 Способ получения водородсодержащего газа для производства метанола и устройство для его осуществления / Загашвили Ю.В. Опубл.: 10.10.2017. Бюл. № 28.
31. Савченко Г.Б. Способ получения водорода на основе критических технологий // Насосы. Турбины. Системы. 2014. № 1. С. 21-26.
32. Загашвили Ю.В., Савченко Г.Б, Филимонов Ю.Н. Идентификация статических характеристик газогенератора синтез-газа // Мехатроника, автоматизация, управление. Т. 16. № 8. 2015. С. 556-563.
33. Загашвили Ю.В., Кузьмин А.М., Левихин А.А. и др. Управление технологическим процессом получения синтез-газа в высокотемпературном реакторе // Мехатроника, автоматизация, управление. 2015. Т. 16. № 10. С. 704-709.
34. Отчет о НИР: Теоретическое исследование режимных параметров и облика нового генератора синтез-газа, разработка автоматизированной системы контроля и управления и конструкторской документации генератора. СПб., 2017. URL: http://htr.spb.rU/d/897020/d/itogovyy_otchet_26112016v2.pdf (дата обращения 11.12.2017).
35. Загашвили Ю.В., Левихин А.А., Кузьмин А.М. и др. Технология получения водорода с использованием малогабаритных транспортабельных установок на основе высокотемпературных газогенераторов синтез-газа // Вопросы материаловедения. 2017. № 2. С. 92-109.
36. Загашвили Ю.В., Ефремов В.Н., Кузьмин А.М. и др. Комплекс получения синтез-газа для малотоннажного производства метанола // НефтеГазоХи-мия. 2017. № 1. С. 19-26.
37. Кузьмин А.М. Численная реализация физико-математической модели уничтожения хлорорганических соединений URL: http://www.mai.ru/science/ trudy/published.php?ID=29416 (дата обращения 19.11.2017).
38. Кузьмин А.М. Технические принципы реализации высокотемпературного уничтожения хлорсодержащих органических веществ на примере поли-хлорбифенилов // Вестник КГТУ. Казань: КГТУ. 2010. № 4. С. 17-20.
39. Левихин А.А., Мустейкис А.И., Побелянский А.В. и др.Методы реализации технологии термического бурения горных пород различной крепости// Горное дело. 2016. № 1 (7). С. 43-48.
40. Левихин А.А. Технология парогазового воздействия на призабойную зону // Экологические проблемы нефтедобычи: сб. тр. Всерос. науч. конф. Уфа: УГНТУ, 2010. С. 284-287.
41. Анискевич Ю.В., Левихин А.А. Диверсификация технологий авиаракетного двигателестроения в промышленность // Инновации. 2015. № 5. С. 120-127.
42. Систер В.Г., Борисов А.А., Трошин К.Я. и др. Парциальное окисление метана в режимах горения и самовоспламенения // Химическая физика. 2006. Т. 25. № 1. С. 61-68.
43. Saleh A. Al-Sayari. Recent Developments in the Partial Oxidation of Methane to Syngas // The Open Catalysis Journal, 2013, Volume 6, p. 17-28.
44. B^ggemann P., Seifert P., Meyer B., Mьller-Hagedorn M. Influence of Temperature and Pressure on the Non-Catalytic Partial Oxidation of Natural Gas // Chemical Product and Process Modeling, 2010, Vol. 5, Iss. 1, Article 1, p. 1-24.
45. Глушко В.П. и др. Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания: справ. АН СССР в 10 т. М.: ВИНИТИ, 1972.
46. Якайтис Ф.Л. Аналитический метод расчета тяги жидкостного реактивного двигателя. Л.: ЛВМИ, 1958. 97 с.
47. Якайтис Ф.Л. Основы теории и расчета автономных реактивных двигателей. Ч. 2 Л.: ЛВМИ, 1956. 382 с.
48. Сиротко В.А. Специальные теплоэнергетические установки на основе трех-компонентного газогенератора. дис. на соиск. ст. д.т.н. Л., БГТУ, 1990. 48 с.
49. Новая технология получения водорода / Gasworld Россия и СНГ. 2016. Вып. 48. 20 с.
FOUNDATIONS OF DESIGN OF THREE-COMPONENT
GAS GENERATOR OF SYNTHESIS GAS_
ZAGASHVILI YU.V., Dr. Sci (Tech.), Prof., General Director
LLC «VTR» (9-587, Morskaya Naberezhnaya, 199226, Saint-Petersburg, Russia). E-mail: [email protected] LEVIKHIN A.A., Cand. Sci. (Tech.), Head of the Department of Engines and Aircraft Power Plants BSTU «VOENMEKH» (1, 1-ya Krasnoarmeyskaya St., 190005, Saint-Petersburg, Russia). E-mail: [email protected] KUZMIN A.M., Cand. Sci. (Tech.), General Director
LLC «Generator Synthesis-Gas» (15/1-49, Olgi Forsh St., 195297, Saint-Petersburg, Russia). E-mail: [email protected]
ABSTRACT
The design basics of range of the original three-component (hydrocarbon - an oxidizer - water) gas generators of synthesis gas (GSG), implementing non-catalytic reduction technology partial oxidation of hydrocarbons, are described. The physical model and the design of GSG, including basic units - mixing mount, a combustion chamber, the injection unit of water, the vaporization chamber are presented. The methods of calculating the nominal geometric dimensions of the GSG, which allow to assess weight and size characteristics of the GSG at the stage of execution of the basic design, are offered. Examples of experimental research of the GSG, confirming the adequacy of the proposed methodology and the efficiency of the GSG are presented.
Keywords: synthesis gas, gas genarator, partial oxidation, hydrocarbon materials, oxidizer, thermodynamic calculations, the mixing mount, the combustion chamber, the injection unit, evaporation chamber, the oxidizer / fuel ratio, the geometric dimensions, small-scale production of hydrogen and methanol.
REFERENCES
1. Feygin V.I., Braginskiy O.B., Zabolotskiy S.A. Issledovaniye sostoyaniya i perspektiv napravleniypererabotki neftiigaza, nefti- igazokhimii v RF [A study of the status and prospects of oil refining and gas oil and gas chemical industry in Russia]. Moscow, Ekon-inform Publ., 2011. 806 p.
2. Lapidus A.L., Golubeva I.A., Krylov I.F., Zhagfarov F.G. The main directions of natural gas processing into chemical products. Tekhnologii nefti I gaza, 2009, no. 5, pp. 3-6 (In Russian).
3. Syngas production, application and environmental impact. New York, Nova Science Publ., 2013. 365 p.
4. Spath P.L, Dayton D.C. Preliminary screening -technical and economic assessment of synthesis gas to fuels and chemicals with emphasis on the potential for biomass-derived syngas. Proc. NREL Technical Report NREL/TP-510-34929. 2003,142 p.
5. Arutyunov V.S. Okislitel'naya konversiya prirodnogo gaza [Oxidative conversion of natural gas]. Moscow, Krasand Publ., 2011. 590 p.
6. Sintez-gaz: sovershenstvovanie metodov polucheniya iz uglevodorodnogo syrya. Mnogotselevaya gazifikatsiya [Synthesis gas: improvement of methods for the preparation of hydrocarbons. Multipurpose gasification]. Trudy Ministerstva promyshlennoy politiki Ukrainy GP Cherkasskij nauchno-issledovatel'skiy institut tekhniko-ehkonomicheskoy informatsii i khimicheskoy promyshlennosti [Proc. Ministry of Industrial Policy of Ukraine, GP Cherkassy Research Institute of Technical and Economic Information and Chemical Industry]. Cherkassy, 2009, 385 p.
7. Mordkovich V.Z., Sineva L.V., Kul'chakovskaya E.V. Four generations of technology for production of synthetic liquid fuel based on Fischer - Tropsch Synthesis. Historical overview. Kataliz v promyshlennosti, 2015, no. 5, pp. 23-45 (In Russian).
8. Makhlin V. A., Tsetseruk Y. R. Modern technology of producing synthesis gas from natural and associated gas. Khimicheskaya promyshlennost segodnya, 2010, no. 3 pp. 6-17 (In Russian).
9. Sovremennye I perspektivnye tekhnologiiproizvodstva vodoroda [Modern and prospective technologies for hydrogen production]. St. Petersburg, Prima-Khimmash Publ., 2015. 327 p.
10. KHasin A.A., Zagoruyko A.N. Osnovnye puti pererabotki prirodnogo gaza v komponenty topliv I tsennye khimicheskie produkty [The main ways to converse neutral gas for fuels components and chemical products]. Novosibirsk, NGU Publ., 2015. 100 p.
11. Arutyunov V.S., Savchenko V.I., Sedov I.V. On the prospects of commercial gas chemical technologies based on nitrogen-containing synthesis gas. NefteGazoKhimiya, 2016, no. 4, pp. 14-23 (In Russian).
12. Ke Liu, Chunshan Song, Velu Subramani. Hydrogen and syngas production and purification technologies. Wiley-AIChE, 2010, 546 p.
13. An Engineering-Economic Analysis of Syngas Storage. Proc. Final report. DOE/ NETL-2008/1331. 139 p.
14. Krylov O.V. Carbon dioxide conversion of methane to synthesis gas. Rossiyskiy KHimicheskiyZHurnal, 2000, vol. XLIV, no. 1, pp. 19-33 (In Russian).
15. Dal' P. YU., Kristensen T. S., Vinter-Madsen S. Tekhnologiya avtotermicheskogo riforminga dlya sovremennykh krupnotonnazhnykh metanol'nykh ustanovok [The autothermal reforming technology for modern large-scale methanol plants]. Trudy Mezhdunarodnoy konferentsii «Azot i sintez-gaz-2014» [Proc. International conference "Nitrogen and synthesis gas - 2014"]. Paris, 2014, 14 p.
16. Kristensen T.S., Larsen Y.R., Shakh L.D. Peredovye razrabotki dlya vtorichnogo
kislorodnogo riforminga I avtotermicheskogo riforminga [Advanced development for secondary oxygen reforming and autothermal reforming]. Trudy Mezhdunarodnoy konferentsii «Azot i sintez-gaz-2017» [Proc. International conference "Nitrogen and synthesis gas - 2017"]. London, 2017, 12 p.
17. Pena M.A, Gomez J.P, Fierro J.L.G. New catalytic routes for syngas and hydrogen production. Applied Catalysis A: General, 1996, vol. 144, no. 1-2, pp. 7-57.
18. Bakirov F. G., Zaharov V. M., Poleshchuk I. M., Shajhutdinov Z. G., Obrazovanie i vygoranie sazhi pri szhiganii uglevodorodnykh topliv [The formation and burnout of soot in the combustion of hydrocarbon fuels]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1989. 128 p.
19. Bilera I.V., Borisov A.A., Borunova A.B. The formation of finely dispersed carbon black in the preparation of synthesis gas under conditions of combustion of methane. Gazokhimiya, 2010, no. 3 (13), pp. 72-78 (In Russian).
20. Lishchiner I.I., Malova O.V., Tolchinskiy L.S. Modul'nyye energotekhnologicheskiye ustanovki «Energosintop». Gazokhimiya: sostoyaniye i puti razvitiya v KHKHI veke. Trudy Moskovskogo Seminara po gazokhimii 2012 -2013 gg. [Modular energy-engineering installations "Energosintop" / Gas chemistry: a condition and ways of development in the XXI century. Proceedings of the Moscow Seminar on Gas Chemistry 2012-2013]. Moscow, RGU nefti i gaza imeni I.M. Gubkina Publ., 2014. 140 p.
21. Synthetic gasoline. Nauka Izhizn', 2004, no. 11, pp. 66-68 (In Russian).
22. Plachenov B.T. Sposob polucheniya sintez-gaza I ustroystvo dlya ego osushchestvleniya [Method of producing synthesis gas and device for its implementation]. Patent RF, no. 2191743, 2002.
23. Filimonov YU.N. Aniskevich YU.V. Vnutrikamernye protsessy v zhidkostnykh raketnykh dvigatelyakh [Intrachamber processes in liquid rocket engines]. St. Petersburg, BSTU "VOENMEKH" Publ., 2014. 102 p.
24. Filimonov YU.N. Reaktor dlya polucheniya sintez-gaza [Reactor for producing synthesis gas]. Patent RF, no. 2392297, 2010.
25. Filimonov YU.N. Sposob polucheniya sintez-gaza [Method for obtaining synthesis gas]. Patent RF, no. 2521377, 2014.
26. Filimonov Yu.N. Ustroystvo dlya polucheniya sintez-gaza [Device for producing synthesis gas]. Patent RF, no. 2523824, 2014.
27. Filimonov Yu.N. Ustroystvo generator asintez-gaza [The device of the generator of synthesis gas]. Patent RF, no. 2535121, 2014.
28. Aniskevich Yu.V., Krasnik V.V., Filimonov Yu.N. The choice of the regime parameters of the process of partial gas-phase oxidation of methane by oxygen of air to produce synthesis gas of the required composition. Zhurnal prikladnoy khimii, 2009, vol. 82, no. 8, pp. 1335-1341 (In Russian).
29. Filimonov Yu.N. Sposob polucheniya vodoroda iz uglevodorodnogo syrya [Method for producing hydrogen from hydrocarbon feed]. Patent RF, no. 2561077, 2014.
30. Zagashvili Yu.V. Sposob polucheniya vodorodsoderzhashchego gaza dlya proizvodstva metanola i ustroystvo dlya ego osushchestvleniya. [Method of producing a hydrogen-containing gas for producing methanol and device for its implementation] Patent RF, no. 2632846, 2017.
31. Savchenko G.B. Method of production of hydrogen on the basis of critical technologies. Nasosy. Turbiny. Sistemy, 2014, no. 1, pp. 21-26 (In Russian).
32. Zagashvili Yu.V., Savchenko G.B, Filimonov Yu.N. Identification of the static characteristics of the gasifier synthesis gas. Mekhatronika, avtomatizatsiya, upravleniye, 2015, vol. 16, no. 8, pp. 556-563 (In Russian).
33. Zagashvili Yu.V., Kuz'min A.M., Levikhin A.A. Control of the technological process
of the synthesis gas production in a high-temperature reactor]. Mekhatronika, avtomatizatsiya, upravleniye, 2015, vol. 16, no. 10, pp. 704-709 (In Russian).
34. Otchet o NIR: Teoreticheskoye issledovaniye rezhimnykh parametrov i oblika novogo generatora sintez-gaza, razrabotka avtomatizirovannoy sistemy kontrolya i upravleniya i konstruktorskoy dokumentatsii generatora (Theoretical investigation of operational parameters and appearance of a new generator of synthesis gas, development of automated system control and generator design documentation) Available at: http://htr.spb.ru/d/897020/d/itogovyy_otchet_26112016v2.pdf (accessed 11 December 2017)
35. Zagashvili Yu.V., Levikhin A.A., Kuz'min A.M. Production of hydrogen by using small-scale transportable plants based on high-temperature syngas generators. Voprosy materialovedeniya, 2017, no. 2, pp. 92-109 (In Russian).
36. Zagashvili Yu.V., Efremov V.N., Kuz'min A.M. Complex for obtaining synthesis-gas for small tonnage production of methanol. Neftegazokhimiya, 2017, no. 1, pp. 19-26 (In Russian).
37. Kuz'min A.M. Chislennaya realizatsiya fiziko-matematicheskoy modeli unichtozheniya khlororganicheskikh soedineniy (Numerical realization of physical and mathematical model of destruction chlorine organic connection) Available at: http://www.mai.ru/science/trudy/published.php?ID=29416 (accessed 11 December 2017)
38. Kuz'min A.M. Technical principles of realizing the process of high temperature elimination of chlorine-containing organic matters using as an example the polychlorbiphenyls. VestnikKGTU, 2010, no. 4, pp. 17-20 (In Russian).
39. Levikhin A.A., Musteykis A.I., Pobelyanskiy A.V. Methods of implementation of technology of thermal drilling in rocks of different strength. Gornoe delo, 2016, no. 1 (7), pp. 43-48 (In Russian).
40. Levikhin A.A. Tekhnologiya parogazovogo vozdeystviya na prizaboynuyu zonu [Technology of steam and gas impacts on bottom-hole zone]. Trudy
Vserossiyskoy nauchnoy konferencii [Proc. of the All-Russian scientific conference]. Ufa, 2010, pp. 284-287.
41. Aniskevich Yu.V., Levikhin A.A. Diversification of technologies in the aerospace engine industry. Innovatsii, 2015, no. 5, pp. 120-127 (In Russian).
42. Sister V.G., Borisov A.A., Troshin K.Ya. Partial oxidation of methane in the regimes of combustion and ignition. Khimicheskaya fizika, 2006, vol. 25, no. 1, pp. 61-68 (In Russian).
43. Saleh A. Al-Sayari. Recent Developments in the Partial Oxidation of Methane to Syngas. The Open Catalysis Journal, 2013, vol. 6, pp. 17-28.
44. Brbggemann P., Seifert P., Meyer B., Mbller-Hagedorn M. Influence of Temperature and Pressure on the Non-Catalytic Partial Oxidation of Natural Gas. Chemical Product and Process Modeling, 2010, vol. 5, no. 1, pp. 1-24.
45. Glushko V.P. Termodinamicheskie i teplofizicheskie svoystva produktov sgoraniya [Thermodynamic and thermo physical properties of combustion products]. Moscow, VINITI Publ., 1972.
46. Yakaytis F.L. Analiticheskiy metod rascheta tyagi zhidkostnogo reaktivnogo dvigatelya [Analytical method for calculation of thrust liquid rocket engine]. Leningrad, LVMI Publ., 1958. 97 p.
47. Yakaytis F.L. Osnovy teorii i rascheta avtonomnykh reaktivnykh dvigateley [Fundamentals of theory and calculation, Autonomous jet engines]. Leningrad, LVMI Publ., 1956. 382 p.
48. Sirotko V.A. Spetsial'nyye teploenergeticheskiye ustanovki na osnove trekhkomponentnogo gazogeneratora. Diss. dokt. tekh. nauk [Special heat and power plants on the basis of three-component gas generator. Dr. tech. sci. diss.]. Leningrad, 1990. 48 p.
49. New technology for producing hydrogen. Gasworld Rossiya i SNG, 2016, no. 48, p. 20 (In Russian).
ШШs
Организаторы UWEICrf RUSIRANEXSPO 8 800 707 8149 [звонок бесплатный по России)
OIL & GAS SUMMITS
шТШ ИРАНСКИЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ САММИТ IjLjjp ОБМЕН ОПЫТОМ И ТЕХНОЛОГИЯМИ
8 МАЯ 2018 ИРАН
Институт повышения квалификации «АНДИШЕ М0ИН»
Тегеран, Ядегар Шоссе,ул. Исаргран Шомали,47
+7 (812) 648 6177 +7 (812) 701 0048 [email protected] www.togsummit.org
