專利名稱：制造合成氣的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制造合成氣的方法以及一種與其相關(guān)的燃燒器。其中液態(tài)烴如石油或化學制造中的副產(chǎn)品以及氣態(tài)烴如天然氣或民用煤氣在高溫下被非催化分解為一氧化碳(CO)和氫氣(H2)。
這種方法是已知的，被稱為多用途氣化方法(MPG方法)，它包括一反應(yīng)器、廢熱通道、氣體凈化以及CO2和H2S洗滌過程。這一技術(shù)的主要部件是燃燒器，進料在該燃燒器中被混合并被送入反應(yīng)器。
在文獻AT-B-369345和EP-B-0127273中詳細描述了燃燒器的操作原理。液體燃料在特殊的噴嘴中借助于高壓蒸汽被分裂成霧狀。通過噴成霧狀的蒸汽而被引入的水參與了MPG反應(yīng)器中的反應(yīng)，并被部分地轉(zhuǎn)化為H2。在天然氣的非催化分解中，需要蒸汽以用來避免由于過熱而引起的燃燒器的損害。由于天然氣中預(yù)先確定的碳-氫比例，在成品氣中只能獲得較小的CO/H2比。蒸汽的使用進一步降低了這一比例。這在需要具有高含量一氧化碳的合成氣時，或者在實際有用氣體只是一氧化碳本身的情況下是特別不利的。
在EP-B-0380988中，提出了一種燃燒器，它適于將液體燃料引入到反應(yīng)器中，其中，燃料的霧化通過蒸氣或者可選擇地通過二氧化碳(CO2)來實現(xiàn)。
這種燃燒器的缺點是需要很高的超壓，即臨界壓力比的100％到250％，通過該超壓水蒸氣或CO2必須被引入到燃燒器中。
基于本發(fā)明的目的就是要建立一改進的制造合成氣的方法，在該方法中，對燃料的霧化不僅使用蒸汽，也使用其他適合的氣體介質(zhì)，如二氧化碳、天然氣、民用煤氣或廢氣或它們的混合物，在該方法中，進入反應(yīng)空間的燃料的霧化只需較低的成本以及在設(shè)備方面較少的花費就實現(xiàn)了。
根據(jù)本發(fā)明，這一目的被解決了，其中，為了在氧氣或含氧氣體燃料存在的情況下通過液體或氣體燃料的部分氧化來制造合成氣，則含氧氣體和霧化介質(zhì)被分別送入燃燒器中，霧化介質(zhì)通過直接設(shè)在用于燃料的開口孔之前的一個或多個噴嘴膨脹，該霧化介質(zhì)膨脹的壓差只有反應(yīng)器壓力的2％到50％。
通過這一用于在引入燃燒器時膨脹霧化介質(zhì)所需的較小的超壓，用于提供霧化介質(zhì)的費用就大大縮減了。當要使用霧化蒸汽時，就不需要自相應(yīng)的高壓級的單獨的蒸汽網(wǎng)絡(luò)或鍋爐提供了，而是利用在氣化反應(yīng)器的廢熱鍋爐中必須產(chǎn)生的蒸汽作為氣化介質(zhì)，直接或者在其被輕微過熱之后利用。
當二氧化碳被用作霧化介質(zhì)時，外部提供二氧化碳的過程就可被省略，而是在后續(xù)的氣體洗滌過程中將二氧化碳從原始合成氣中提取然后再提供給燃燒器。在這種情況下，燃燒器所需要的霧化介質(zhì)的小的超壓就尤其地有利。這樣所需的壓縮機可只裝配有較少的分級，且只需要較小的運轉(zhuǎn)能量，該壓縮機用于將氣體洗滌階段分離出來的二氧化碳壓縮到在燃燒器中用于霧化所需的壓力。更好地是，二氧化碳在被引入燃燒器之前被輕微過熱。
作為霧化介質(zhì)，也可以使用其他氣體介質(zhì)，這些介質(zhì)在方法本身或裝置中獲得，例如-來自壓力擺動吸附(pressure-swing adsorption)裝置(PSA裝置)或用于氫回收的膜片裝置中的尾氣，-來自一氧化碳回收冷箱中的尾氣，-作為其他過程的副產(chǎn)品而獲得的氣體，這些氣體通常在一燃料氣網(wǎng)絡(luò)中被收集，否則必須被燒掉。
-天然氣。
這些氣體可被單獨地、混合地或濃縮在蒸汽中地提供給燃燒器作為霧化介質(zhì)。
要獲得有效的霧化，氣體霧化介質(zhì)從噴嘴中的釋放速度必須在20米/秒到300米/秒的范圍內(nèi)。優(yōu)選地，使用40米/秒到200米/秒范圍內(nèi)的霧化介質(zhì)自噴嘴的釋放速度。釋放速度的最高點則依賴于例如所使用的霧化介質(zhì)以及隨后將解釋的噴嘴直徑比例等。
通過燃燒器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可獲得高釋放速度，其中用于液體燃料的噴嘴出口的直徑相對于霧化介質(zhì)的噴嘴孔的直徑有一個確定的比例。該直徑比是1/1.1到1/5，優(yōu)選地是1/1.3到1/3。通過噴嘴空間的這種設(shè)計，可獲得混合介質(zhì)所需要的釋放速度。由于這一高釋放速度，根據(jù)本發(fā)明就可以只需采用較小的膨脹了。
該方法的實施例通過參考附圖的例子來解釋。


圖1表示了一制造一氧化碳的流程的圖。在反應(yīng)器(1)中，設(shè)置了一燃燒器，此處未表示出來。液體燃料或氣體通過管線(2)被引入到反應(yīng)器(1)中。通過管線(3)，燃燒所需的氧氣被加入。另一管線(4)提供用于霧化和冷卻所必需的霧化介質(zhì)。所述霧化介質(zhì)舉例說可由此處未示出的一氣體罐提供。在反應(yīng)器中，進料在1000℃到1500℃的溫度和1到100巴(bar)的壓力下氣化。在氣化過程中，獲得氣體CO、H2、CO2。這些氣體流經(jīng)氣體冷卻和除塵(5)，之后被送去氣體洗滌(6)。成品氣CO和H2通過管線(7)流出，供進一步使用。
當燃料中包含硫時，硫作為H2S在氣體洗滌中被分離出來，且通常通過管線(8)流入一克勞斯(Claus)裝置，因此從合成氣中分離出來的純二氧化碳首先從管線(9)通過一壓縮機(10)流出，然后通過管線(4)循環(huán)送至反應(yīng)器。
在圖2中，MPG燃燒器的原理被表示出來。液體燃料膨脹后通過噴嘴(11)進入預(yù)混合腔(12)，通過環(huán)狀空間(15)提供霧化介質(zhì)，該霧化介質(zhì)從噴嘴(13)以一高速進入預(yù)混合腔。霧化介質(zhì)的脈動流實現(xiàn)了燃料流進一步地擴散成細微液滴。通過環(huán)狀空間(21)提供含氧氣體，該含氧氣體在燃燒器孔處與燃料和霧化介質(zhì)的混合物相接觸，即在此處未示出的反應(yīng)空間(20)的入口的緊鄰附近處。構(gòu)造設(shè)計依賴于液體燃料和霧化介質(zhì)的特性及其數(shù)量比。在液體燃料(11a)的出口和反應(yīng)空間入口的開口之間的混合腔(12)軸長(A)是10到300毫米，優(yōu)選地是20到200毫米?；旌锨坏膮⒄找惠S向平行線(25)測量的錐角(x)是2到20°，通常是5到15°?；旌锨?12)的內(nèi)側(cè)直徑在開口孔處達到最大，是10到150毫米，優(yōu)選地是20到90毫米。對于液體燃料的細微液滴及其與霧化介質(zhì)徹底的混合起決定性作用的是液體燃料的噴嘴出口(11a)的直徑(d)與霧化介質(zhì)的噴嘴孔(13)的直徑(D)之比。直徑比d/D是1/1.1到1/5，優(yōu)選地是1/1.3到1/3。霧化介質(zhì)經(jīng)過噴嘴(13)的膨脹可被調(diào)整成使得霧化介質(zhì)的釋放速度達到20到300米/秒，通常是40到200米/秒。例1在60巴壓力下氣化重殘油時，CO2被用作霧化介質(zhì)。相比較，另外用于霧化目的所需的蒸汽由同樣質(zhì)量的CO2所取代了。CO的制造因而得到了顯著的提高，特殊燃料的消耗減少了。差別可由下表表示蒸汽霧化 CO2霧化改變(％)合成氣CO/H2比例 1.101.80+64.0燃料消耗(千克油/千克CO)0.550.45-18.2氧氣消耗(千克O2/千克CO) 0.570.46-19.3由于原料油和氧氣的消耗分別減少了18％和19％，CO的制造成本顯著降低了。大幅增高的CO/H2比例促進了在冷箱或膜片裝置中純CO的回收。例2在一個工廠中，純氫通過重殘油的氣化在35巴壓力下從一精煉裝置中制造出。為達到這一目的，從MPG氣化而來的原料氣中的CO在一CO變換反應(yīng)器中在催化劑的作用下借助于蒸汽被轉(zhuǎn)換成氫。純氫通過一壓力擺動吸附裝置(PSA裝置)從氣體中回收。同時也獲得了含有H2(56％)，CO(28％)以及CO2(10％)的排出氣。不將這一排出氣供應(yīng)到民用煤氣網(wǎng)絡(luò)并將其燃燒，而是將其壓縮，與蒸汽相混合并被用作霧化介質(zhì)。在該排出氣被利用作為霧化介質(zhì)時，提供到反應(yīng)器的蒸汽數(shù)量就可被縮減40％。
通過再循環(huán)PSA裝置的排出氣到反應(yīng)器，就可獲得氫制造方法中的下述改進霧化介質(zhì) 蒸汽PSA尾氣+蒸汽改變(％)氧氣消耗標準立方米O2/標準立方米H20.280.25 -10.1燃料消耗千克油/標準立方米H20.360.30 -14.4原料油和氧氣的節(jié)省大于壓縮排出氣的花費，這樣用于制造氫的費用被節(jié)省了約3％。
權(quán)利要求
1.一種在氧氣或含氧氣體存在的情況下，通過液體或固體燃料的部分氧化來制造合成氣的方法，其中燃料、含氧氣體和霧化介質(zhì)被分別提供給燃燒器，霧化介質(zhì)通過直接設(shè)在用于燃料的開口孔之前的一個或多個噴嘴膨脹，其特征在于該霧化介質(zhì)膨脹的壓差只有反應(yīng)器壓力的2％到50％。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于使用二氧化碳作為霧化介質(zhì)，其被壓縮后再送到燃燒器中，其中該二氧化碳從后續(xù)的氣體洗滌過程中提取。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于二氧化碳被直接送到燃燒器中或被輕微過熱之后送到燃燒器中。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于使用來自一PSA裝置或膜片裝置中的尾氣或來自一用于一氧化碳回收的冷箱中的尾氣作為霧化介質(zhì)。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述尾氣在送入燃燒器之前被壓縮。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于霧化介質(zhì)以20米/秒到300米/秒的速度從擴散器中釋放出。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于霧化介質(zhì)以40米/秒到200米/秒的速度從擴散器中釋放出。
8.一種在氧氣或含氧氣體存在的情況下，通過液體或固體燃料的部分氧化來制造合成氣的燃燒器，其中燃料、含氧氣體和霧化介質(zhì)被分別提供給該燃燒器，霧化介質(zhì)通過直接設(shè)在用于燃料的開口孔之前的一個或多個噴嘴膨脹，其特征在于液體燃料的噴嘴出口(11a)的直徑(d)與霧化介質(zhì)的噴嘴孔(13)的直徑(D)之比在1/1.1到1/5的范圍內(nèi)。
9.如權(quán)利要求8所述的燃燒器，其特征在于液體燃料的噴嘴出口(11a)的直徑(d)與霧化介質(zhì)的噴嘴孔(13)的直徑(D)之比在1/1.3到1/3的范圍內(nèi)。
10.如權(quán)利要求8所述的燃燒器，其特征在于從燃料的出口到反應(yīng)空間的入口之間的混合腔的軸長是10到300毫米，優(yōu)選地是20到200毫米。
11.如權(quán)利要求8所述的燃燒器，其特征在于混合腔的錐角是2到20°，優(yōu)選地是5到15°。
12.如權(quán)利要求8所述的燃燒器，其特征在于混合腔在所述開口孔處的最大內(nèi)側(cè)直徑是10到150毫米，優(yōu)選地是20到90毫米。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制造一氧化碳的方法和燃燒器，其中液態(tài)烴如石油或天然氣在高溫下被非催化分解為一氧化碳(CO)和氫氣(H
文檔編號F23D11/10GK1426958SQ02145780
公開日2003年7月2日 申請日期2002年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月21日
發(fā)明者霍爾格·施利希廷, 瓦爾德馬·利布納, 賴納·莫根羅特, 克里斯托弗·埃德曼, 格爾德·J·格林費爾德, 赫爾穆特·費爾納, 于爾根·霍夫默克爾 申請人:盧吉股份公司