Устройство для получения метано-водородного топлива из углеводородного газа Российский патент 2021 года по МПК B01J19/24 C01B3/50 

Изобретение относится к производству водородного топлива, в частности, к производству топлива, обогащенного водородом углеводородного газа, содержащего метан, так называемого метано-водородного топлива (далее - МВТ), и может быть использовано в качестве альтернативного варианта газового топлива.

Метано-водородное топливо, в отличие от газового топлива на основе естественного углеводородного газа, полностью сгорает и рассматривается специалистами как целесообразный вариант наиболее экологически чистого топлива по сравнению с углеводородным газом.

МВТ было изобретено в США в 1989 году, как компромисс между чисто горящим без вредных выбросов, но дорогим (в 4-5 раз дороже дизельного топлива) водородом, и дешевым, доступным и экологичным природным газом [1]. Тогда же было придумано и запатентовано название - «хайтан» (Hythane = Hydrogen + Methane) применительно к варианту топлива, обогащенного водородом углеводородного газа, в частности, природного газа с объемной долей водорода от 20% до 30%.

Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что добавление водорода в углеводородный газ существенно повышает экологическую безопасность и экономичность двигателя. Опытная эксплуатация автомобилей на метано-водородном топливе показала, что при переводе автотранспорта на МВТ с содержанием водорода 20% по объему, эксплуатационный расход топлива уменьшается на 35-40%, эксплуатационная экономичность повышается на 20-25%, резко (в 2-4 раза) снижается количество токсичных выбросов: выбросы оксидов азота снижаются на 50%, метана на 16%, углеводородов на 23%, СО₂ на 7% в сравнении с природным газом [2].

Таким образом, добавка водорода к углеводородному газу усиливает экологический и экономический эффект топлива.

Из уровня техники известны различные устройства по получению обогащенного водородом топлива из углеводородного газа, содержащего метан.

В числе таких можно указать устройства, реализующие диссоциацию молекул природного газа в отсутствии воздуха (пиролиз газа) с выделением водорода и углерода, например, в результате следующей реакции: СН₄=С+2Н₂. Однако, для выполнения этого процесса требуется высокая (порядка 1400°С) температура, значительные затраты на оборудование и на обеспечение энергией [3, 4].

Известен способ и устройство, представленные в патенте RU №2446010 [далее - 5], в котором для понижения температуры (до 600-800°С) диссоциации молекул природного газа применяются катализаторы типа Ni - Fe/y - Al₂O₃.

Недостатками указанных изобретений являются высокие энергетические расходы, зауглероживание катализатора и, следовательно, ограниченный срок службы катализатора, что снижает эффективность работы устройства.

Известно устройство для получения обогащенного водородом топлива, из патента RU №2423176, [далее - 6], содержащее реактор с реакторной камерой, подсоединенной к источнику метанового газа и источник микроволнового излучения, в котором для производства топлива, обогащенного водородом посредством разложения метана при пониженных температурах и низких энергетических затратах, нагревание катализатора осуществляется за счет поглощения энергии микроволнового излучения катализатором с помощью механизмов релаксации (к примеру, дипольных процессов, переходах ионов, активных резистивных потерях). При этом энергия излучения затрачивается только на нагрев катализатора, в результате обеспечивается экономия потребления энергии.

Однако этому изобретению также присущи недостатки, такие как зауглероживание катализатора, низкий коэффициент использования углеводородного газа, низкая производительность.

Известно устройство, в котором при пиролизе природного газа вместо металлических катализаторов используется плазма для процесса диссоциации молекул метана в неравновесной низкотемпературной плазме микроволнового разряда [7].

Устройство содержит магнетрон, плазмохимический реактор, выполненный в виде цилиндрической металлической камеры с выходом углеводородного газа, содержащего метан, и выходом водородосодержащего газа с углеродом, распложенных на противоположных концах цилиндрической металлической камеры. Камера реактора одновременно служит цилиндрическим волноводным трактом с короткозамкнутым концом и цилиндрическим резонатором. На расстоянии четверти длины волны от короткозамкнутого конца ортогонально оси камеры реактора в ее стенке установлена вольфрамовая игла. При работе устройства в камеру реактора подают предварительно нагретый метан, и вводят СВЧ-энергию от магнетрона. В максимуме напряженности стоячей волны электрического поля резонатора, где установлена вольфрамовая игла, возникает СВЧ микроволновой разряд, в области которого происходит вышеуказанная диссоциация молекул метана на водород и углерод и таким образом в реакторе создается метано-водородная смесь с углеродом.

Недостаток устройства - наличие отдельного источника предварительного подогрева газа, неизбежные потери тепла и низкий (относительно потребительных нужд) процентный выход водорода.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому, является устройство, в котором плазменный катализ процесса диссоциации молекул природного газа с образованием водорода и углеродного материала (углерода) осуществляется в плазме СВЧ-разряда [8].

Устройство содержит проточный реактор, который включает плазмотрон с прямоугольным волноводом, соединенным через ферритовый циркулятор с источником СВЧ-излучения, короткозамыкающий поршень, волноводно-коаксиальный переход с внешним и внутренним проводниками отрезка коаксиальной линии длиной, кратной четверти длины, образующими разрядную камеру. Блок ввода углеводородного газа данного устройства обеспечивает ламинарный поток газа в разрядной камере между внутренним и внешним проводниками коаксиала, а блоки вывода обеспечивают удаление метано-водородной смеси и углерода из разрядной камеры.

В указанном устройстве реализован процесс бескислородной диссоциации молекул природного газа в неравновесной низкотемпературной плазме атмосферного давления. При осуществлении способа газ пропускают через плазму СВЧ-разряда. Под воздействием плазмы СВЧ-разряда происходит диссоциация молекул газа с образованием водорода и углерода.

Недостатком прототипа является низкая эффективность получения МВТ при расходе газа, более 1 м³/час. Низкая эффективность получения МВТ в прототипе объясняется недостаточным временем контакта газа с плазмой, что вызвано конструкцией разрядной камеры, позволяющей создавать только ламинарный поток газа в ней.

Основной задачей заявляемого изобретения является создание эффективного устройства для производства экологически чистого метано-водородного топлива, исключающего недостатки прототипа, и уменьшающего затраты на его производство.

Технический результат - повышение производительности и эффективности заявляемого устройства за счет создания турбулентного потока в области газового разряда.

Заявляемый технический результат достигается тем, что в известное устройство для получения метано-водородного топлива из углеводородного газа, содержащее источник СВЧ-излучения, соединенный с проточным реактором, включающим плазмотрон с разрядной камерой, блок ввода природного газа в плазмотрон, блоки вывода метано-водородной смеси и углерода из реактора, блок очистки метано-водородной смеси от углерода, дополнительно введены блок регулирования расхода газа, блок управления мощностью СВЧ-излучения, блок регулирования концентрации водорода в метано-водородной смеси, выполненный в виде газоанализатора и управляемого сопла, установленного в стенке разрядной камеры плазмотрона, и автоматизированная система управления, соединенная с блоками регулирования расхода газа и концентрации водорода в метано-водородной смеси, и с блоком управления мощностью СВЧ-излучения.

Автоматизированная система управления может быть выполнена в виде персонального компьютера и контроллера, соединенных информационными и управляющими каналами параллельно между собой.

Предпочтительно выполнить блок регулирования расхода газа в виде последовательно соединенных отсечного клапана, регулятора расхода газа и расходомера, при этом отсечной клапан подключить к источнику природного газа.

Оптимально выполнить газоанализатор двухканальным.

Блок управления мощностью СВЧ-излучения может быть выполнен в виде измерителей мощности СВЧ-излучения прямой и отраженной волн и регулятора мощности СВЧ-излучения.

Предпочтительно выполнить блок очистки метано-водородной смеси от углерода в виде фильтра, соединенного с бункером углерода через трубопровод.

Двухканальный газоанализатор может быть подключен одним каналом к блоку отбора природного газа, а другим каналом к блоку вывода метано-водородной смеси.

Проточный реактор может быть выполнен в виде плазмотрона с разрядной камерой, прямоугольного волновода, короткозамыкающего поршня и волноводно-коаксиального перехода.

Плазмотрон может быть подключен к источнику СВЧ-излучения через ферритовый циркулятор.

Предпочтительно установить управляющее сопло с тангенциальной ориентацией продольной оси относительно образующей цилиндрической поверхности разрядной камеры и по касательной к окружности поперечного сечения разрядной камеры.

Блок регулирования концентрацией водорода в метано-водородной смеси оптимально выполнить с возможностью обеспечения концентрации водорода в интервале (20-30) об.%.

Предпочтительно угол изменения положения управляемого сопла к плоскости сечения разрядной камеры относительно ее оси выбирать 25-90°.

Совокупность отличительных признаков обеспечивает более высокую производительность и эффективность заявляемого устройства путем создания турбулентного потока за счет дополнительного введения в известное устройство блока регулирования расхода газа, блока управления мощностью СВЧ-излучения, блока регулирования концентрации водорода в метано-водородной смеси, выполненного в виде газоанализатора и управляемого сопла, установленного в стенке разрядной камеры плазмотрона, и автоматизированной системы управления, соединенной с блоками регулирования расхода газа, мощности СВЧ-излучения и регулирования концентрации водорода в метано-водородной смеси.

При этом управляемое сопло, обеспечивает возможность изменять угол инжекции газа в разрядную камеру, что позволяет формировать турбулентный поток в разрядной камере и изменять соотношение поперечной и продольной составляющих скорости частиц в газовом потоке, от которых зависит время контакта частиц газа с плазмой. А именно при одном и том же расходе газа, проходящего через сопло, с увеличением угла инжекции газа будет увеличиваться поперечная составляющая скорости частиц и уменьшаться продольная составляющая и, следовательно, будет увеличиваться время контакта газа с плазмой.

Оптимальную концентрацию водорода в метано-водородной смеси (20-30 об.%) в процессе получения МВТ при изменении расхода газа (производительности установки по газу) обеспечивает оптимальное соотношение продольной и поперечной составляющих скорости частиц газа в турбулентном потоке через оптимальный угол инжекции газа в разрядную камеру и необходимая мощность СВЧ-излучения с учетом мощности излучения падающей и отраженной волн. Регулировку этих параметров обеспечивает автоматизированная система управления по заданной технологической программе.

На фиг. 1 представлена экспериментальная зависимость объемной концентрации водорода в газовой смеси от времени контакта газа с плазмой - (верхняя ось абсцисс) и от расхода газа - (нижняя ось абсцисс), при различных уровнях СВЧ-мощности, вводимой в СВЧ-разряд, а именно: 1 кВт, 1,5 кВт, 2 кВт. Эти результаты были получены на лабораторной установке, выполненной по прототипу заявляемого устройства.

На фиг. 2 схематично изображена конструкция заявляемого устройства для получения метано-водородного топлива из углеводородного газа.

Заявляемое устройство содержит проточный реактор 1, в состав которого входят плазмотрон 2 с разрядной камерой 3, прямоугольный волновод 4, короткозамыкающий поршень 5 и волноводно-коаксиальный переход 6, блок регулирования концентрации водорода в метано-водородной смеси, выполненный в виде управляемого сопла 7 с приводом 8, блок очистки метано-водородной смеси от углерода, включающий фильтр 9, соединенный через трубопровод 11 с бункером углерода 28. Плазмотрон 2 через волноводно-коаксиальный переход 6, прямоугольный волновод 4, ферритовый циркулятор 12 подключен к источнику СВЧ-излучения 13, который соединен с блоком управления СВЧ-мощностью 39. Блок 39 включает регулятор мощности СВЧ-излучения 29, измеритель мощности СВЧ-излучения падающей волны 30, измеритель мощности СВЧ-излучения отраженной волны 31. Управляемое сопло 7 установлено в стенке разрядной камеры 3 напротив области газового разряда 14 с тангенциальной ориентацией продольной оси сопла относительно образующей цилиндрической поверхности камеры 3 и по касательной к окружности поперечного сечения камеры 3. В управляемое сопло 7 газ подается по трубопроводу 15 из блока 16 регулирования расхода газа, который состоит из отсечного клапана 17 с приводом, регулятора расхода газа 18 с приводом, расходомера 19. Вход блока 16 регулирования расхода газа подключен к источнику углеводородного газа, в частности, к газгольдеру 20, а выход блока 16 соединен с блоком 22 отбора углеводородного газа. Анализ состава углеводородного газа и метано-водородной смеси осуществляется двухканальным газоанализатором 21, один канал которого подключен к блоку отбора углеводородного газа 22, другой - к блоку отбора метано-водородной смеси 23. Отфильтрованная от углеродного материала в фильтре 9 метано-водородная смесь через блок вывода метано-водородной смеси 10 через трубопровод 24 и вытяжной вентилятор 25 подается на компрессор 26. Компримированная в компрессоре 26 метано-водородная смесь, в качестве готового продукта - МВТ, через отсечной клапан 38 с приводом поступает для хранения в газгольдер МВТ 27. Выделенный из метано-водородной смеси углерод через трубопровод 11 поступает в бункер углерода 28.

Управление приводом сопла 8, регулятором расхода газа 18, регулятором мощности СВЧ-излучения 29 осуществляется автоматизированной системой управления 32, содержащей персональный компьютер (далее - ПК) 33 и контроллер 34, которые соединены информационными х и управляющими у каналами параллельно между собой. Выходы двухканального газоанализатора 21, расходомера 19, измерителей мощности СВЧ-излучения падающей 30, и отраженной 31 волн соединены параллельно информационными и управляющими каналами с входом ПК 33 и контроллера 34, а выходы контроллера 34 соединены параллельно с приводом отсечного клапана 17, приводом 8 управляемого сопла 7, приводом регулятора расхода газа 18, регулятором 29 мощности СВЧ-излучения и с входами ПК 33. Автоматизированная система управления 32 предназначена для сбора, обработки, хранения и анализа полученных данных по информационным каналам (x₁ - x₉), а также реализации тех же функций, но уже по величине сигналов управляющих воздействий (y₁ - у₁₁) на основании заданного алгоритма управления.

Устройство работает следующим образом.

В начале работы устройство продувается инертным газом (азотом) с целью вытеснения из ее объема кислорода воздуха. После удаления кислорода, из газгольдера 20 подается редуцированный углеводородный газ на блок регулирования расхода газа 16. С помощью ПК 33 задается требуемый расход газа, и по командам с ПК 33 с помощью привода открывается отсечной клапан 17, а с помощью привода регулятора 18 расхода газа устанавливается заданный расход газа, и приводом 8 сопла 7 устанавливается необходимый угол инжекции газа в разрядную камеру 3. При этом регулятором мощности СВЧ-излучения 29 устанавливается необходимый уровень мощности излучения и включается источник СВЧ-излучения 13. СВЧ-энергия через ферритовый циркулятор 12 по прямоугольному волноводу 4 через волноводно-коаксиальный переход 6 поступает в разрядную камеру 3 плазмотрона. За счет создания критического режима распространения электромагнитной волны в области перехода с коаксиальной линии, с внутренним 35 и внешним 36 электродами разрядной камеры 3, на круглый волновод 37, в зоне торца внутреннего электрода 35 возрастает напряженность электрической составляющей электромагнитного поля до пробивного значения для газа, заполняющего разрядную камеру 3. В результате в области газового разряда 14 разрядной камеры 3 с максимальной напряженностью электрического поля возникает СВЧ-разряд, создающий неравновесную низкотемпературную плазму. Стабильность разряда регулируется уровнем мощности СВЧ-излучения, по сигналу, поступающему с измерителя мощности 31 излучения отраженной волны. Уровень СВЧ-мощности, поступающей в разрядную камеру 3, контролируется измерителем мощности 30 излучения падающей волны. В плазме разряда молекулы газа диссоциируют на водород и углерод. Количество образовавшегося водорода и углерода зависит от времени контакта молекул газа с плазмой. Время контакта газа с плазмой зависит от соотношения продольной и поперечной составляющих скоростей газа при инжекции его из сопла 7 в область микроволнового разряда, которые являются функцией угла инжекции газа в разрядную камеру 3. В результате диссоциации молекул газа в плазме разряда образуется смесь углеводородного газа, в основном метана, водорода и углерода. Образовавшиеся продукты диссоциации газа вытяжным вентилятором 25 выносятся из плазмотрона в фильтр 9, где происходит отделение метано-водородной смеси от углерода. Углерод через трубопровод 11 поступает в бункер углерода 28, а метано-водородная смесь через блок вывода метано-водородной смеси 10 по трубопроводу 24 через вытяжной вентилятор 25 поступает на компрессор 26, и далее в газгольдер 27 через отсечной клапан 38 в виде МВТ. Для получения МВТ оптимально поддерживать концентрацию водорода в интервале (20-30) об.% [1], которое осуществляется отбором проб метано-водородной смеси и углеводородного газа. Отбор пробы метано-водородной смеси осуществляется из трубопровода 24 через блок отбора метано-водородной смеси 23, на один из каналов двухканального газоанализатора 21 для определения объемной концентрации водорода в метано-водородной смеси. Отбор пробы углеводородного газа осуществляется из трубопровода 15 через блок отбора углеводородного газа 22, и по другому каналу подается на двухканальный газоанализатор 21 для определения объемной концентрации метана. По результатам определения объемных концентраций водорода и метана с помощью заданной программы технологического процесса ПК 33 вырабатываются команды для корректировки угла инжекции газа из сопла 7. В устройстве регулируются следующие параметры:

- расход углеводородного газа, поступающего на вход плазмотрона 2 по информационному сигналу x₁, поступающему с расходомера 19 на ПК 33 и контроллер 34, который вырабатывает управляющее воздействие по каналу y₁ на привод регулятора расхода газа 18;

- угол инжекции газа из сопла 7 в разрядную камеру 3 по информационному сигналу x₂, поступающего с двухканального газового анализатора 21 на ПК 33 и контроллер 34, подающего управляющее воздействие по каналу у₂ на привод 8 управляемого сопла 7;

- мощность СВЧ-излучения, подаваемого в проточный реактор 1, по информационным сигналам х₃ и x₄, поступающих с измерителей СВЧ-мощности прямой волны 30 и обратной волны 31 на ПК 33 и контроллер 34, с выработкой в нем управляющего воздействия по каналам у₃ и у₄ на регулятор мощности 29 источника СВЧ-излучения 13.

Автоматизированная система 32 осуществляет регулирование работы следующих блоков:

- источника СВЧ-излучения 13 на его включение и выключение по информационным каналам x₅ и x₆ с блока отбора природного газа 22 и блока отбора метано-водородной смеси 23 газоанализатора 21, связанных со входами ПК 33 и контроллера 34 с выработкой в нем соответствующих управляющих воздействий по каналам y₅ и у₆, поступающих в источник СВЧ-излучения 13 на включение-выключение;

- приводов отсечных клапанов 17 и 38 на их открытие и закрытие при подаче редуцированного природного газа из газгольдера 20 и МВТ в газгольдер 27 по информационным каналам x₇ с регулятора расхода газа 18, х₃ с измерителя СВЧ-мощности 30, x₄ с измерителя СВЧ-мощности 31, связанных со входами ПК 33 и контроллера 34, с выработкой в нем соответствующих управляющих воздействий по каналам у₇ и у₈ на приводы отсечных клапанов 17 и 38, а по каналам у₇, у₈, y₉ на автоматы (на чертеже не показаны) включение и выключение источника СВЧ-излучения 13, вытяжного вентилятора 25, компрессора 26;

- приводами (на чертеже не показаны) в бункере углерода 28 по загрузке углерода из трубопровода углерода 11 и выгрузке углерода из бункера по информационным каналам x₈ и x₉, связанных с входами ПК 33 и К 34, с выработкой в нем соответствующих управляющих воздействий по каналам у₁₀ и у₁₁ на приводы в бункере углерода.

Реализацию заявляемого устройства с высокой эффективностью по сравнению с прототипом можно подтвердить следующими экспериментальными примерами.

Пример 1

Осуществление работы лабораторной установки по прототипу.

Для получения экспериментальной зависимости объемной концентрации водорода в метано-водородной смеси от времени контакта газа с плазмой использовались коаксиальные разрядные камеры с внешним проводником коаксиала диаметром 40 и 70 мм, внутренним проводником 16 и 30 мм. Продольный размер плазменного образования лежал в интервале от 10 до 20 мм. Поток газа был ламинарным. При ламинарном потоке газа через разрядную камеру время контакта определяется по формуле

где S_плазм. - площадь поперечного сечения разрядной камеры, заполненной плазмой;

- продольный размер разрядной камеры, заполненный плазмой; V_газ - объемный расход газа, вводимого в разрядную камеру.

В эксперименте измерения объемной концентрации водорода проводились при расходе газа: 0,1 м³/ч; 0,35 м³/ч; 1 м³/ч; 1.5 м³/ч, что соответствовало времени контакта газа с плазмой: 330 мс; 100 мс; 33 мс; 25 мс.

Как следует из фиг. 1, для получения оптимальной по составу концентрации водорода (20-30) об.% в метано-водородной смеси необходимо обеспечить время контакта газа с плазмой не менее 25 мс, при этом объемный расход газа не должен превышать (1,5-2,0) м³/ч. Таким образом, при ламинарном потоке газа в разрядной камере для получения метано-водородной смеси с объемной концентрацией водорода (20-30) об.%, в результате эксперимента было установлено, что производительность установки по перерабатываемому газу не превышает 1,5 м³/ч. Очевидно, что для увеличения эффективности использования установки по прототипу при производстве МВТ необходимо увеличивать количество разрядных камер, что приводит к усложнению процесса переработки газа и дополнительным затратам на производство топлива.

Пример 2

С помощью опытной установки заявляемого устройства экспериментально было проверено влияние угла инжекции газа из сопла в разрядную камеру на объемную концентрацию водорода в метано-водородной смеси на выходе из разрядной камеры. Эксперименты проводились при мощности СВЧ-излучения, вводимой в разряд, равной 1 кВт, расходе газа 1,5 м³/час в разрядной камере плазмотрона с внутренним электродом отрезка коаксиальной линии диаметром 16 мм, длиной отрезка 90 мм, внешним проводником коаксиальной линии диаметром 40 мм. Для инжекции газа в разрядную камеру использовалось сопло с диаметром канала инжекции газа 2 мм, длиной 15 мм. Сопло устанавливалось в стенке внешнего электрода коаксиала разрядной камеры выше торца внутреннего электрода 35 коаксиала разрядной камеры на 20 мм. Сопло ориентировалось вниз к области газового разряда 14 под углами - а) 25° и б) 87° к плоскости поперечного сечения разрядной камеры относительно оси разрядной камеры.

Эксперимент показал:

1. При угле 25° объемная концентрация водорода в метано-водородной смеси составляет (20-27) об.%, что согласно зависимости фиг.1 соответствует времени контакта газа с плазмой (25-33) мс;

2. При угле 87° объемная концентрация водорода составляет (40-45) об.%, что соответствует времени контакта газа с плазмой (80-100) мс.

Таким образом, при объемной концентрации водорода, необходимой для получения МВТ, изменением угла инжекции газа можно увеличить расход газа, т.е. увеличить производительность и эффективность установки по получению МВТ.

Заявляемое устройство, в качестве альтернативного варианта газового топлива, сможет найти широкое применение в производстве топлива, обогащенного водородом углеводородного газа, содержащего метан, например, в производстве экологически чистого газового топлива для двигателей внутреннего сгорания.

Список источников сведений из уровня техники

1. Е.Н. Пронин. 12.08.2015: Метано-водородные смеси, www.gazpronin.ru/20150811SynGas.html - [1].

2. О.Е. Аксютин, А.Г. Ишков, В.Г. Хлопцов, В.А. Казарян, А.Я. Столяровский. Концепция крупномасштабного развития инновационных систем производства и распределения метано-водородногоо топлива как эффективного альтернативного энергоносителя, www.ccortes.ru/st_docs/(Klumpur2012.pdf) - [2].

3. Арутюнов B.C., Веденеев В.И. Пиролиз метана в области температур 1000-1700 К// успехи химии. - 1991. - т. 60. - вып. 12. - С. 2663-2682 - [3].

4. Романов А.Д., Мартьянов М.А. Научный Руководитель - А.Р. Мартьянов Получение водорода и технического углерода пиролизом природного газа // Научная сессия МИФИ-2006. Т. 11 Инновационные проекты. Студенческие идеи, проекты, предложения, стр. 83-84 - [4].

5. RU №2446010, дата публикации 27.03.2012, Бюл. №9 - [5].

6. RU №2423176, дата публикации 10.07.2011 г., Бюл. №19 - [6].

7. А.И. Бабарицкий, Е.Н. Герасимов, С.А. Демкин и др. Импульсно-периодический СВЧ разряд как катализатор химической реакции // Журнал технической физики. - 2000. - т. 70. - вып. 11. - С. 36-41) - [7].

8. А.Г. Жерлицын, В.П. Шиян, B.C. Косицын Экспериментальное исследование СВЧ плазмотрона с углеводородосодержащей плазмообразующей средой // Изв. Вузов. Физика. - 2012. - Т. 55. - №12/3. - С. 235-238) - [8].

Перечень элементов к фиг. 2

1. Проточный реактор

2. Плазмотрон

3. Разрядная камера

4. Прямоугольный волновод

5. Короткозамыкающий поршень

6. Волноводно-коаксиальный переход

7. Управляемое сопло

8. Привод управляемого сопла

9. Фильтр углерода

10. Блок вывода метано-водородной смеси

11. Трубопровод углерода

12. Ферритовый циркулятор

13. Источник СВЧ-излучения

14. Область газового разряда

15. Трубопровод

16. Блок регулирования расхода газа

17. Отсечной клапан

18. Регулятор расхода газа,

19. Расходомер

20. Источник газа

21. Газоанализатор

22. Блок отбора углеводородного газа

23. Блок отбора метано-водородной смеси

24. Трубопровод

25. Вытяжной вентилятор

26. Компрессор

27. Газгольдер МВТ

28. Бункер углерода

29. Регулятор мощности СВЧ-излучения

30. Измеритель мощности СВЧ-излучения падающей волны

31. Измеритель мощности СВЧ-излучения отраженной волны

32. Автоматизированная система управления

33. Персональный компьютер

34. Контроллер

35. Внутренний электрод разрядной камеры

36. Внешний электрод разрядной камеры.

37. Круглый волновод

38. Отсечной клапан

39. Блок управления мощностью СВЧ-излучения.

Изобретение относится к производству водородного топлива, а именно к производству топлива, обогащенного водородом углеводородного газа, содержащего метан, так называемое метано-водородное топливо (МВТ) с концентрацией водорода в газе (20-30) об.%. В устройстве для получения МВТ из углеводородного газа, содержащего метан, в частности природного газа, используется неравновесная низкотемпературная плазма микроволнового (СВЧ) разряда атмосферного давления, в которой происходит диссоциация молекул газа на водород и углерод. Устройство для получения метано-водородного топлива из углеводородного газа содержит источник СВЧ-излучения, соединенный с проточным реактором, включающим плазмотрон с разрядной камерой, источник природного газа, блоки вывода метано-водородной смеси и углерода из реактора, блок очистки метано-водородной смеси от углерода. Новым в устройстве является то, что в него дополнительно введены блок регулирования расхода газа, блок управления мощностью СВЧ-излучения, блок регулирования концентрации водорода в метано-водородной смеси, выполненный в виде газоанализатора и управляемого сопла, установленного в стенке разрядной камеры, и автоматизированная система управления, соединенная с блоками регулирования расхода газа, управления мощностью СВЧ-излучения и концентрации водорода в метано-водородной смеси. Технический результат: повышение производительности и эффективности устройства за счет создания турбулентного потока в области газового разряда, создание простого, экологически чистого и эффективного устройства для производства метано-водородного топлива, уменьшение затрат на производство топлива. 11 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 пр.

1. Устройство для получения метано-водородного топлива из углеводородного газа, содержащее источник СВЧ-излучения, соединенный с проточным реактором, включающим плазмотрон с разрядной камерой, источник природного газа, блоки вывода метано-водородной смеси и углерода из реактора, блок очистки метано-водородной смеси от углерода, отличающийся тем, что в него дополнительно введены блок регулирования расхода газа, блок управления мощностью СВЧ-излучения, блок регулирования концентрации водорода в метано-водородной смеси, выполненный в виде газоанализатора и управляемого сопла, установленного в стенке разрядной камеры с возможностью изменения угла положения его к плоскости сечения разрядной камеры, и автоматизированная система управления, соединенная с блоками регулирования расхода газа и концентрации водорода в метано-водородной смеси и с блоком управления мощностью СВЧ-излучения.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что автоматизированная система управления содержит персональный компьютер и контроллер, соединенные информационными и управляющими каналами параллельно между собой.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок регулирования расхода газа содержит последовательно соединенные отсечной клапан, регулятор расхода газа и расходомер, при этом отсечной клапан подключен к источнику природного газа.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что газоанализатор выполнен двухканальным.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок управления мощностью СВЧ-излучения выполнен в виде измерителей мощности СВЧ-излучения прямой и отраженной волн и регулятора мощности СВЧ-излучения.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок очистки метано-водородной смеси от углерода выполнен в виде фильтра, соединенного с бункером углерода через трубопровод.

7. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что двухканальный газоанализатор подключен одним каналом к блоку отбора природного газа, а другим каналом - к блоку вывода метано-водородной смеси.

8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что проточный реактор содержит плазмотрон с разрядной камерой, прямоугольный волновод, короткозамыкающий поршень и волноводно-коаксиальный переход.

9. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что плазмотрон подключен к источнику СВЧ-излучения через ферритовый циркулятор.

10. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что управляемое сопло установлено с тангенциальной ориентацией продольной оси относительно образующей цилиндрической поверхности разрядной камеры и по касательной к окружности поперечного сечения камеры.

11. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок регулирования концентрацией водорода в метано-водородной смеси выполнен с возможностью обеспечения концентрации водорода в интервале (20-30) об.%.

12. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что угол изменения положения управляемого сопла к плоскости сечения разрядной камеры относительно ее оси составляет 25-90°.