Большое внимание было уделено созданию генератора синтез-газа, поскольку в существующих сегодня в мире технологиях эта первая стадия процесса получения жидких целевых продуктов является наиболее сложной, энергоемкой и дорогой (50–60% от стоимости всего производства).

Разработка, масштабирование и освоение технологии проводилось в Экспериментальном комплексе “Новые энергетические технологии” Института высоких температур РАН (ИВТ РАН) с участием ЗАО “Новые каталитические технологии”.

В качестве базового агрегата для получения синтез-газа из метана был выбран химический реактор сжатия (ХРС), который представляет собой модифицированный дизельный двигатель. Следует отметить, что именно факт использования практи­чески готового промышленного изделия сыграл решающую роль в этом выборе.

В теоретическом плане основной проблемой является обеспечение цепной реакции воспламенения газовоздушной смеси при низких коэффициентах избытка (недостаток) окислителя a, значения которого лежат в диапазоне 0,4–0,5. Как известно, эта область характеризуется процессом медленного горения в отличие от области с более высокими значениями a, где сгорание носит взрывообразный характер.

В инженерном плане наиболее сложной проблемой, кроме выбора и реализации способа воспламенения смеси, является управление совместно работающими цилиндрами модифицированного промышленного дизеля.

Принцип работы химического реактора сжатия

Поскольку в качестве базового агрегата используется серийный четырехтактный дизельный двигатель, при изменении его функционального назначения основные циклы его работы сохраняются.

Подготовленная газовоздушная смесь компримируется в турбокомпрессоре самого агрегата (если он имеет дополнительный привод от вала двигателя) или в отдельном нагнетателе и подается в цилиндры. В такте сжатия происходит дополни­тельный подогрев топливного заряда, и в конце такта смесь воспламеняется с помощью электрической искры в случае применения газового мотора, или происхо­дит самовоспламенение, если используется двигатель компрессионного типа. Момент воспламенения газовоздушной смеси является ключевым, и при кажущейся простоте именно в нем заключаются основные проблемы. Для получения синтез-газа с составом компонентов, приемлемым для последующей переработки в метанол или ДМЭ, необходимо воспламенить смесь в объеме, чтобы обеспечить необходимые параметры для полного прохождения процесса парциального окисления за время, которое определяется несколькими угловыми градусами поворота коленчатого вала двигателя в зоне верхней мертвой точки (ВМТ).

Другими словами, смесь должна воспламениться, и при последующем дожатии температура должна достигнуть значений 1900–2100К. Затягивание воспламенения выводит процесс в зону за ВМТ, где наблюдается резкий спад температуры, что сопровождается замедлением скорос­ти реакции, повышенным сажеобразованием, снижением содержания водорода, ухудшением соотношения Н2/СО, химическим недожогом метана и повышением концентрации кислорода. На рисунке 1 приведена индикаторная диаграмма процесса воспламенения газовоздушной смеси в цилиндре ХРС при коэффициентах избытка (недостатка) окислителя a = 0,4.

Так как вышеописанный процесс носит циклический характер, то для повышения производительности агрегата, снижения его веса и улучшения удельных характе­ристик необходимо использовать в качестве базового высокооборотные дизельные двигатели с числом оборотов 1100–1500 об/мин, достаточно высокой степенью сжатия 13,5–17 и максимально допустимым давлением в цилиндрах в зоне ВМТ 14,0–16,0 МПа. Следует отметить, что энергия, необходимая для поджига богатой газовоздушной смеси, достаточно высока, и для обеспечения цепной реакции в объеме цилиндра она должна превышать потери тепла в стенки, что достигается намного более сложными средствами, чем в обычном газовом моторе или компрессионном двигателе.

Таким образом, в конце такта сжатия – начале расширения при правильно выбранных параметрах и мерах, обеспечивающих прохождение реакции в заданное числом оборотов время, получается практически термодинамически равновесный состав синтез-газа, который немедленно “замораживается” в пределах такта расширения и совершения механической работы. Температура при этом падает до 600–700К.

Существует ряд способов корректировки состава синтез-газа, снижения саже­образования, понижения “жесткости” процесса, каждый из которых может быть применен с учетом поставленной задачи. Например, известный способ впрыска пара в цилиндры двигателя или в топливный заряд на входе позволяет несколько изменить соотношение Н2/СО, но приводит к снижению электрической мощности, что в отдельных случаях может оказаться экономически не выгодным. Следующие за рабочим ходом такты всасывания смеси и сжатия отличаются от обычных для четырехтактного двигателя тем, что в случае работы в режиме ХРС имеет место внешнее смесеобразование, при котором концентрация метана в воздухе лежит вне зоны взрываемости. Однако сжатие такой смеси в цилиндре за счет изменения показа­теля политропы дает существенно более низкую температуру, чем традиционное сжатие воздуха, что необходимо учитывать при выборе величины предварительного подогрева. Наддув воздуха с помощью штатного турбо­компрессора или отдельного агрегата практически обеспечивает необходимую температуру, а величина этого наддува определяет производительность ХРС по синтез-газу. Ограничениями являют­ся допустимая для данного дизеля величина наибольшего давления Рz и технико-экономические соображения, поскольку для наддува необходимы дополнительные энергозатраты.

При соблюдении всех выше изложенных соображений и использовании модифицированного дизельного двигателя вполне реальной задачей является создание генератора синтез-газа, в котором реализуется классический процесс неполного термического окисления углеводородов:

 

C_nH_2n+2 + ½nO₂ ® nCO + (n+1)H₂

Преимущества новой технологии получения синтез-газа

Данный тип генератора синтез-газа имеет очевидные преимущества:

- в одном агрегате удается совместить компрессор для сжатия рабочей смеси, камеру сгорания и реактор, в котором осуществляется конверсия метана, охладитель получившегося синтез-газа от температуры 2200К до 620–750К с одновременной выработкой электроэнергии электрогенератором, находящимся на валу дизеля. Высокие параметры процесса: давление до 10,0–15,0 МПа и температура свыше 2000К обеспечивают скорость прохождения парциального окисления метана за 10^-2–10^-3 сек. В этом плане рабочий цилиндр двигателя получается совершенно уникальным элементом по своей универсальности, так как в нем происходят все выше перечисленные процессы;

- модельный ряд (типоразмеры) производимых сегодня в России и в мире дизельных двигателей настолько велик, что на их базе можно создавать ХРС с производительностью по синтез-газу от 10 нм³/час до 10–20 тыс. нм³/час, не соз­давая новых специальных агрегатов;

- использование тепла экзотермической химической реакции парциального окисле­ния осуществляется в самой удобной форме – выработке электроэнергии. Таким образом, за вычетом механических потерь, потерь тепла в систему охлаждения и затрат энергии на сжатие вся энергия газа идет на совершение полезной работы и выработку целевого продукта – синтез-газа. Поскольку все это происходит в одном агрегате, потери минимальны. Весь процесс от подачи топливовоздушной смеси до выхлопа готового синтез-газа происходит при числе оборотов 1500 об/мин и даже более, поэтому он близок к адиабатическому;

- дизель может в режиме ХРС работать как с наддувом, так и без него; это дает возможность использовать газ любого давления от 0,1–0,5 МПа до 10 МПа;

- даже самые крупные транспортные дизельные агрегаты достаточно компактны по сравнению с традиционными установками по получению синтез-газа.

Другие страницы раздела

Технология переработки синтез-газа в товарные продукты для установок небольшой мощности

Особенности технологии GTL и установок "Энергосинтоп". Презентация технологии

Рис. 1 Индикаторная диаграмма процесса воспламенения газовоздушной смеси в цилиндре ХРС при a = 0,4