Изобретение относится к устройствам для конверсии жидких углеводородов, например моторных топлив, в синтез-газ с использованием СВЧ-плазмы в присутствии воздуха или кислорода и, возможно, воды и может найти применение в автомобилестроении, а также в химической, нефтеперерабатывающей промышленности, энергетике и др.
Известны способ и устройство, устанавливаемое на борту транспортного средства, влючающее в себя плазменный конвертор моторного топлива МТ в синтез-газ, подключенный к двигателю внутреннего сгорания, адаптированному к работе на смеси моторное топливо - синтез-газ. Плазменный конвертер выполнен в виде дугового плазмотрона (патент US 5437250, МКИ F 02 B 43/08, 15.02.94).
Недостатками известных способа и устройства являются необходимость частой замены расходуемых элементов конструкции дугового плазмотрона (катод, анод), а также низкая энергетическая эффективность, обусловленная избыточной температурой дугового разряда.
Ближайшим техническим решением является способ и устройство, содержащее плазменный конвертер моторных топлив в синтез-газ, содержащий подогреватель, плазмотрон и источник питания плазмотрона, в котором проводят реакции паровоздушной или воздушной плазменной конверсии углеводородов, входящих в состав моторного топлива, причем воздух предварительно нагревают. Предусмотрено использование различных типов разрядов в плазмотроне, от стационарной или пульсирующей дуги до индукционного и СВЧ-разряда (патент US 5487554, МКИ F 02 B 43/10, 19.06.96).
Недостатком известных способа и устройства являются высокие затраты электроэнергии, поскольку в нем применен плазмотрон, использующий плазменный разряд, в котором протекает плазмотермический процесс конверсии МТ в синтез-газ.
Техническим результатом изобретения является снижение затрат электроэнергии при сохранении высокой удельной производительности за счет проведения процесса конверсии МТ в синтез-газ в импульсно-периодическом псевдокоронном СВЧ-разряде атмосферного давления, в котором реализуется плазменно-каталитический механизм протекания процесса при предельно низких температурах. При этом сохраняется высокая удельная производительность, характерная для плазменных процессов, а основная часть термодинамически необходимой энергии вводится в систему в виде тепловой энергии путем предварительного подогрева воздуха в подогревателе и частичного сжигания МТ в камере сгорания.
Технический результат достигается тем, что в способе плазменной конверсии моторных топлив в синтез-газ, например, для использования в транспортных средствах с двигателем внутреннего сгорания, в котором проводят реакции паровоздушной или воздушной плазменной конверсии углеводородов, входящих в состав моторного топлива, причем воздух предварительно нагревают, плазменную конверсию моторного топлива проводят в плазмотроне с импульсно-периодическим псевдокоронным СВЧ-разрядом атмосферного давления, причем часть моторного топлива сжигают в камере сгорания, а остаток смешивают с продуктами сгорания и направляют в плазмотрон, а суммарный расход реагентов Q и среднее значение СВЧ-мощности W выбирают из отношения W/Q=0,05-0,15 кВт•ч/нм3, при этом для проведения реакции паровоздушной конверсии МТ отношение сжигаемой части МТ к его остатку задают в диапазоне 0.5-2,0, а температуры реагентов на входе в плазмотрон задают в диапазоне 800 -1500 К и мольные отношения H2O/воздух и H2O/моторное топливо на входе в плазмотрон задают в диапазонах 0,06-2,5 и 1-6 соответственно, кроме того, для проведения реакции воздушной конверсии МТ отношение сжигаемой части МТ к его остатку задают в диапазоне 0,4-2,0, а температуры реагентов на входе в плазмотрон задают в диапазоне 600-1100 К и мольное отношение воздух/моторное топливо на входе в реактор составляет 16-20. В плазменном конвертере моторных топлив в синтез-газ, например, для транспортного средства с двигателем внутреннего сгорания, содержащем подогреватель воздуха, плазмотрон и источник питания плазмотрона, плазмотрон выполнен в виде плазмотрона псевдокоронного СВЧ-разряда, источник питания плазмотрона выполнен в виде генератора периодических импульсов СВЧ-энергии, например, сантиметрового или дециметрового диапазона длин волн, с длительностью импульса 0,1-1 мкс и скважностью 100-1000, а между подогревателем и плазмотроном по линии газового потока установлена камера сгорания, снабженная двумя раздельными патрубками для ввода МТ, причем плазмотрон выполнен в виде СВЧ-резонатора, снабженного системой острых металлических электродов, выполненных из тугоплавкого материала и установленных в области максимума электрического поля вдоль линий напряженности поля, СВЧ-резонатор выполнен в виде круглого волновода, снабженного узлом возбуждения волны типа Н11, и имеет длину несколько длин волн СВЧ-излучения в волноводе, а камера сгорания содержит две последовательно расположенные по линии газового потока системы концентрических сверхзвуковых сопел, раздельно соединенных с патрубками ввода МТ, нагреватель выполнен в виде рекуперативного теплообменникал.
Изобретение поясняется иллюстрациями, где на фиг.1 показано конструктивное выполнение плазменного конвертора моторных топлив в синтез-газ, на фиг. 2 - схема выполнения плазменного конвертора, работающего в режиме паровоздушной конверсии, на фиг.3 - схема выполнения плазменного конвертора, работающего в режиме воздушной конверсии. Плазменный конвертор (см. фиг.1) содержит камеру сгорания 1, соединенную через сопло 2 с плазмотроном 3 псевдокоронного СВЧ-разряда, выполненным в виде цилиндрического СВЧ-резонатора, ограниченного со стороны ввода реагентов соплом 2, а с противоположной стороны торцевой заглушкой 4 с отверстиями для выхода синтез-газа, с узлом ввода СВЧ-энергии 5 и отверстием связи 6. Перед заглушкой 4 в области максимума электрического поля установлена система острых металлических электродов 7, вокруг которых образуется псевдокоронный СВЧ-разряд 8. Камера сгорания снабжена торцевым патрубком 9 и двумя последовательно расположенными по потоку реагентов боковыми патрубками сответсвенно 10, 11. Узел ввода СВЧ-энергии 5 соединен с СВЧ-генератором 12 (см. фиг.2, 3), а торцевой патрубок 9 камеры сгорания 1 соединен с выходным патрубком 13 нагревателя 14.
Способ плазменной конверсии моторных топлив в синтез-газ, например, для использования в транспортных средствах с двигателем внутреннего сгорания осуществляется следующим образом.
На входной патрубок 9 камеры сгорания 1 из нагревателя 14 подают подогретый воздух, в патрубок 10 подают сжигаемую часть МТ, а в патрубок 11 - остаток МТ для проведения процесса воздушной конверсии МТ, для проведения процесса паровоздушной конверсии - остаток МТ, смешанный с водяным паром. Патрубки 10 и 11 соединены с концентрическими системами сверхзвуковых сопел. Использование таких сопел в конструкции устройства приводит к смешиванию реагентов на молекулярном уровне за время 10-3-10-5 с. В пространстве между системами сопел происходит окисление части топлива кислородом воздуха, а выделенная в процессе окисления энергия дополнительно нагревает реагенты. Смешанные и нагретые реагенты вводят в входное сопло 2 плазмотрона 3. СВЧ-энергию от генератора 12 через узел ввода 5 и отверстие связи 6 вводят в СВЧ-резонатор, образующий плазмотрон, и возбуждают в нем электромагнитные волны, распространяющиеся вдоль цилиндрической части резонатора. Входное сопло 2 плазмотрона представляет собой суживающийся в сторону камеры сгорания участок трубы, входной диаметр d которого выбрают из условия, чтобы он являлся запредельным для волны, возбужденной в резонаторе (например, волны типа Н11), другими словами, чтобы микроволновое излучение отражалось от него. Продукты процесса выводят из реактора через отверстия в торцевой заглушке 4. Назначение заглушки - отражение микроволнового излучения обратно в резонатор. Другим примером выполнения системы вывода продуктов процесса из плазмотрона может служить отрезок трубы, аналогичный соплу ввода реагентов, но сужающийся в противоположном направлении. В обоих случаях реактор является для микрововолнового излучения резонатором. Продольный размер реактора (L на фиг. 1) выбирают равным целому числу n длин полуволн в волноводе. Разряд инициируют введенным в волновод коронирующим элементом - заостренными электродами 7 из тугоплавкого металла. Острие электрода увеличивает величину микроволнового электрического поля Е в своей окрестности и тем самым создает псевдокоронную стадию разряда. Стержень ориентирован вдоль силовых линий электрического поля в резонаторе. Положение острия стержня порядка половины радиуса резонатора. В продольном направлении (L2 на фиг.1) стержень расположен в максимуме поля стоячей волны в резонаторе без разряда. Стримеры псевдокоронной стадии разряда преобразуются в микроволновом поле в систему плазменных каналов и распространяются в виде микроволновых стримеров, заполняя поперечное сечение трубы и формируя зону разряда 8. Назначение псевдокоронной стадии разряда - генерация плазмы атмосферного давления с высокой средней энергией электронов. Назначение стадии микроволновых стримеров - создание развитого в пространстве плазменного образования для плазмо-каталитической обработки реагентов. Источник микроволнового излучения работает в импульсно-периодическом режиме. Длительность импульса излучения t1 задают исходя из времени, необходимого для реализации обеих стадий разряда (псевдокоронной стадии и стадии микроволновых стримеров) в конкретных условиях. Период повторения импульсов излучения t2 задают исходя из оптимального согласования следующих величин:
- времени существования активных частиц, генерируемых плазмой, в пассивной фазе разряда - после прекращения импульса СВЧ- излучения;
- линейной скорости прохода реагентов через зону разряда;
- энерговклада в разряд: Jplasma=W/Q, где Jplasma - плазменный энерговклад, W= Wpulse•t1/t2 - средняя мощность микроволнового излучения, Wpulse - импульсная мощность, Q - объемный расход реагентов.
Импульсная мощность микроволнового излучения Wpulse определяет плазменный энерговклад Jplasma. Отношение плазменного энерговклада к тепловому энерговкладу мало Jplasma/Jheat порядка 1-10%. Кроме того, от импульсной мощности зависит величина электрического поля в круглом волноводе без плазмы, которое должно иметь допробойное значение и в то же время быть достаточным для инициации псевдокоронной стадии разряда на коронирующем элементе.
Способ плазменной конверсии моторных топлив в синтез-газ может работать в режимах проведения процессов паровоздушной и воздушной конверсии моторного топлива в синтез-газ.
В режиме проведения процесса паровоздушной конверсии моторного топлива в синтез-газ для заданных количеств топлива (х) и кислорода (у)
хСmHn+уO2+3.73уN2+(mх-2у)H2O=mхСО+0.5(nх+2m-4у)Н2, +3.73уN2,
в нагреватель подают водяной пар, смешанный с воздухом. Моторное топливо подают на входы 10 и 11 камеры сгорания в пропорции от 0,5 до 2. При этом температура на выходе нагревателя составляет 500-600 К, а на входе в реактор после смешения паровоздушной смеси с топливом - 800-1500 К. Температура после проведения реакции 500-800 К. Мольное отношение водяной пар/воздух и водяной пар/моторное топливо варьируется в диапазонах 0,06-2,5 и 1-6 соответственно.
Степень превращения реагентов в синтез-газ зависит от суммарного энерговклада в систему, а также от мольной доли воздуха "g" по отношению к количеству топлива. Основные количественные характеристики процесса представлены в таблице.
В режиме проведения процесса воздушной конверсии моторного топлива в синтез-газ
CmHn+m/2(O2+79/21 N2)=m CO+n/2H2+m/2 79/21 N2,
в нагреватель подают воздух, а во входы 10 и 11 камеры сгорания - моторное топливо в пропорции от 0,5 до 2. Мольное отношение воздух/моторное топливо на входе в реактор составляет 16-20. Необходимая для проведения процесса паровоздушной конверсии моторного топлива температура воздуха на выходе нагревателя лежит в диапазоне 700-1200 К, а температура на входе в реактор после смешения воздуха с топливом 600-1100 К. Для обеспечения рабочей температуры процесса необходима величина суммарного энерговклада 500-1000 kJ/kg (без рекуперации тепла). При этом степень превращения реагентов достигает 100%. Температура синтез-газа на выходе реактора 1300-1900 К.
Изобретение может быть использовано как в мобильных устройствах, установленных на транспортных средствах, так и в стационарных системах для крупнотоннажного производства синтез-газа. Использование плазменного конвертора, производящего синтез-газ из моторного топлива на борту транспортного средства, в комбинации с двигателем внутреннего сгорания, адаптированного под смесь моторного топлива с синтез-газом, позволяет резко снизить выбросы вредных веществ, увеличив одновременно эффективность двигателя (на 10-50% по сравнению с бензиновым двигателем). Существенно улучшаются рабочие характеристики двигателя без радикального изменения его конструкции.
название | год | авторы | номер документа |
---|---|---|---|
ПЛАЗМЕННЫЙ КОНВЕРТОР ГАЗООБРАЗНОГО И ЖИДКОГО УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ И ТОПЛИВ В СИНТЕЗ-ГАЗ НА ОСНОВЕ МИКРОВОЛНОВОГО РАЗРЯДА | 2006 |
|
RU2318722C2 |
СВЧ ПЛАЗМЕННЫЙ КОНВЕРТОР | 2013 |
|
RU2522636C1 |
ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЙ СПОСОБ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ ГАЗООБРАЗНЫХ И ЖИДКИХ ГАЛОГЕНОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ | 1996 |
|
RU2105928C1 |
Плазмохимический способ обезвреживания газообразных и жидких галогенорганических веществ и содержащих их отходов | 2002 |
|
RU2224178C1 |
СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ГЕКСАФТОРИДА УРАНА НА МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ УРАН И БЕЗВОДНЫЙ ФТОРИД ВОДОРОДА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 1996 |
|
RU2120489C1 |
МИКРОВОЛНОВЫЙ ПЛАЗМАТРОН | 1999 |
|
RU2153781C1 |
СПОСОБ СЖИГАНИЯ НИЗКОКАЛОРИЙНОГО ТОПЛИВА | 2015 |
|
RU2588220C1 |
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕРОДА И ВОДОРОДА ИЗ УГЛЕВОДОРОДНОГО ГАЗА | 2008 |
|
RU2390493C1 |
СВЧ плазменный реактор для получения однородной нанокристаллической алмазной пленки | 2016 |
|
RU2644216C2 |
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОДИСПЕРСНЫХ ПОРОШКОВ В ПЛАЗМЕ СВЧ-РАЗРЯДА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 2010 |
|
RU2455061C2 |
Изобретение относится к двигателестроению, в частности к способам и устройствам для плазменной конверсии жидких углеводородов, например моторных топлив, в синтез-газ с использованием СВЧ-плазмы в присутствии воздуха или кислорода и, возможно, воды, и может найти применение в автомобилестроении, а также в химической нефтеперерабатывающей промышленности, энергетике. Изобретение позволяет снизить затраты электроэнергии при сохранении высокой удельной производительности. Способ плазменной конверсии моторных топлив в синтез-газ заключается в том, что проводят реакции паровоздушной или воздушной плазменной конверсии углеводородов, входящих в состав моторного топлива, предварительно нагревая воздух. Часть моторного топлива сжигают в камере сгорания, а остаток смешивают с продуктами сгорания и водяным паром или только с продуктами сгорания и направляют в плазмотрон, где в импульсно-периодическом псевдокоронном СВЧ-разряде атмосферного давления проводят конверсию моторного топлива. Плазменный конвертор содержит нагреватель воздуха, камеру сгорания, плазмотрон, выполненный в виде плазмотрона псевдокоронного СВЧ-разряда. Источник питания плазмотрона выполнен в виде генератора периодических импульсов СВЧ-энергии, например, сантиметрового или дециметрового диапазона длин волн с длительностью импульса 0,1-1 мкс и скважностью 100-1000, между нагревателем и плазмотроном по линии газового потока установлена камера сгорания, снабженная двумя разделительными патрубками для ввода реагентов. 2 с. и 11 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.
US 5887554 А, 30.03.1999 | |||
RU 2059845 C1, 10.05.1996 | |||
СИЛОВАЯ УСТАНОВКА | 1997 |
|
RU2120041C1 |
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕЗ-ГАЗА | 1996 |
|
RU2096313C1 |
СПОСОБ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ТОПЛИВА ПЕРЕД СЖИГАНИЕМ В ТЕПЛОСИЛОВОЙ УСТАНОВКЕ | 1990 |
|
RU2043516C1 |
ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ | 1991 |
|
RU2044900C1 |
US 3992277 А, 16.11.1976 | |||
US 4510915 А, 16.04.1985. |
Авторы
Даты
2002-05-10—Публикация
2000-05-11—Подача