Плазмовий конвертор рідкої вуглеводневої сировини у синтез-газ

Реферат: UA 72913 U UA 72913 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до плазмових конверторів та може бути використана як джерело для отримання синтез-газу з рідкої вуглеводневої сировини в розробках мобільного і автономного енергоустаткування на основі паливних елементів. Крім того, можливе використання плазмових конверторів як основи бортового енергоустаткування водневого транспорту. В даний час промисловий попит на водень і багатий воднем газ постійно зростає. Це походить, насамперед, від концепції розвитку виробництва з водневою енергетикою та транспортуванням енергії. Звичайні каталітичні технології такого процесу, з використанням твердих каталізаторів, у випадку малих і помірних розмірів мобільних застосувань, мають певні проблеми, внаслідок відносно низької питомої продуктивності, високої металоємності та розмірів обладнання. Навіть ізотермічна (рівноважна) плазма, будучи середовищем з дуже високою щільністю енергії, дає привабливу альтернативу для виробництва водню і синтез-газу, який є сумішшю водню та моноокису вуглецю. При такому підході плазма змінює тип каталізу (з поверхневого на об'ємний) і прискорює хімічні реакції, в основному, через вплив високої температури. Переваги плазмохімічних методів базуються на тому, що вони мають надзвичайно високу питому продуктивність апаратів, низький рівень інвестицій і експлуатаційних витрат. Тим не менш, відносно високі витрати електроенергії накладають певні обмеження на можливість застосування теплового підходу з рівноважною плазмою. Нерівноважна плазма може значно прискорити хімічні реакції при порівняно низькій температурі, завдяки генерації активних частинок швидкими електронами. Якщо активні частинки, породжені нерівноважною плазмою, здатні сприяти багатьом циклам хімічних перетворень, то висока питома продуктивність плазми може поєднати з низьким споживанням енергії традиційними каталізаторами. Ось чому так званий плазмовий каталіз викликав постійний, великий інтерес в останні десятиліття. Його апаратна реалізація починалась з двокамерних установок типу [A. Czernichowski, М. Czernichowski, К. Wesolowska: Generateur GlidArc-III et son application a I'oxydation totale ou partielle de carburants, French patent 2873306, 2004.], де перша камера слугувала блоком створення робочої плазмової суміші з парів рідкого вуглеводню з водою та повітря, яке подавалось в цю камеру регульованим потоком. Джерелом плазми була ковзаюча дуга між плоскими електродами, тобто плазма була близька до рівноважної. Друга камера була майже повністю заповнена гранульованим твердим каталізатором, за участю якого відбувалися реакції конверсії. Подальші дослідження показали низьку енергетичну ефективність такої конструкції плазмового блока, внаслідок згаданих вище причин. Твердотільні каталізатори реакторного блока вносили притаманні їм негативні властивості, а саме: необхідність підтримки для них стабільного температурного режиму з досить високою температурою, швидке отруєння їх поверхні, яке вимагає або чищення, або заміни каталізатора. Такі недоліки зробили ці пристрої непривабливими з технологічних міркувань, не дивлячись на ті переваги, які ці пристрої демонстрували у порівнянні з традиційними каталітичними технологіями. Подальші дослідження показали перспективність саме двокамерних конструкцій, де в одній з камер формується нерівноважна плазма, яка у вигляді плазмового факелу подається у другу камеру, в якій відбувається конверсія робочої суміші в синтез-газ за допомогою плазмового каталізу [Ch. S. Kalra, Аl. F. Gutsol, and Al. A. Fridman: Gliding Arc Discharges as a Source of Intermediate Plasma for Methane Partial Oxidation, IEEE TRANSACTIONS ON PLASMA SCIENCE, VOL. 33, NO. 1, FEBRUARY 2005]. Намагання спростити конструкцію шляхом використання рідинного розряду [Секике Ясуси, Ватанабе Масато: Способ и аппарат для жидкофазного риформинга углеводородов или кислородсодержащих соединений, Патент RU 2257337 С2], коли обидва електроди занурені в робочу рідину і плазма формується в газовому пухирці між ними, а конверсія відбувається на межі рідина-плазма, не повністю дали очікуваний ефект внаслідок складностей в утворенні такого розряду, підтримці стабільного процесу конверсії та виводі її продуктів за межі системи. Серед позитивних рис такої системи слід відзначити значне зменшення корозії електродів при зануренні їх в рідину. З огляду на те, що існує певний набір плазмових джерел різної конструкції, можна стверджувати, що успіх у реалізації конкретного плазмового апарата визначається можливістю оптимізації умов підтримки електричного розряду, забезпечення за йогодопомогою плазмової активації початкових реагентів, здійснення потрібного хімічного процесу та видобуток потрібних продуктів реакції. Відомий мікрохвильовий плазмовий конвертор рідкої вуглеводневої сировини малої потужності [Бабарицкий А.И., Баранов И.Е., Демкин С.А. и др.: Плазменный конвертор газообразного и жидкого углеводородного сырья и топлив в синтез-газ на основе 1 UA 72913 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 микроволнового разряда, Патент RU 2318722 С2], для використання, наприклад, як джерела синтез-газу при розробці мобільних і автономних енергоустановок (патент, RU 2318722, МПК С01В 3/24, опубл. 10.03.2008). Цей конвертор включає в себе плазмотрон типу мікрохвильова свічка, який складається з магнетрона та циліндричного коаксіального тракту транспортування мікрохвильового випромінювання до розрядної зони, яка утворена за торцем внутрішнього провідника коаксіального тракту та реакторного блока, зв'язаного з розрядною зоною плазмотрона при допомозі отвору зв'язку, виконаному у торці зовнішнього провідника, в бічній стінці якого виконані отвори для подачі плазмоутворюючого газу. Магнетрон виконаний з антенним виводом мікрохвильового випромінювання у вигляді циліндричного керамічного елемента, який закінчується металевим наконечником. Внутрішній провідник коаксіального тракту закріплений на цьому наконечнику. Зовнішній провідник закріплений на магнетроні. У зовнішньому провіднику напроти керамічного елемента антенного виводу мікрохвильового випромінювання виконані не менше 2-х тангенційно спрямованих отворів для подачі плазмоутворюючого газу. Внутрішній діаметр зовнішнього провідника дорівнює 2,3-2,6 діаметра внутрішнього провідника. При цьому довжина внутрішнього провідника складає не менше чверті довжини хвилі мікрохвильового (НВЧ) випромінювання магнетрону. Цей пристрій був вибраний прототипом нашої корисної моделі. Згаданий конвертор працює таким чином. Через тангенціальні отвори в плазмовій камері вводять вихрові потоки плазмоутворюючого газу - суміші парів рідини, води та повітря. За допомогою цих потоків в розрядній зоні, НВЧвипромінювання магнетрону та спеціальної системи ініціації, створюється НВЧ-розряд у вигляді плазмового факела. Далі розряд підтримується НВЧ-випромінюванням магнетрона. Основний потік вихідних реагентів поступає у реакторний блок через додаткові отвори в ньому, змішується з плазмовим факелом, внаслідок чого відбувається конверсія вуглеводнів. Конструкція прототипу має наступні недоліки: - розміщення розрядної зони в ближній зоні НВЧ-антени, яка знаходиться на кінці коаксіального тракту, вимагає суворого дотримання цілої низки геометричних вимог до елементів плазмового блока, породжених мікрохвильовим характером джерела енергії. Навіть невеликі зміни цих розмірів призводять до порушень енергетичного балансу, і, як наслідок, різкого зниження енергетичного виходу конвертора; - створення НВЧ-розряду вимагає додаткової спеціальної системи його ініціації, що веде до ускладнення технологічного циклу і подорожчання системи в цілому; - отвір зв'язку плазмового та реакторного блока теж повинен мати лише певні розміри, які залежать від геометричних параметрів коаксіального тракту. Також, для проведення конверсії та формування нерівноважної плазми у прототипі використані дві системи подачі газу, а саме в плазмову камеру та в розрядний блок, що потребує відповідних засобів для такого подання газу. В цілому можна відмітити, що використання як джерела енергії плазми НВЧ-плазмотрону суттєво ускладнює конструкцію пристрою, збільшує його вартість та обмежує технологічні можливості. Задачею корисної моделі є удосконалення плазмового конвертора рідкої вуглеводневої сировини в синтез-газ, в якому шляхом забезпечення зменшення розміру розрядного проміжку у розрядній зоні досягають формування нерівноважної розрядної плазми у блоці формування плазми та можливості відмовитись від додаткових механізмів для формування розряду, чим значно спрощують конструкцію та здешевлюють експлуатацію конвертора. Поставлена задача вирішується плазмовим конвертором рідкої вуглеводневої сировини у синтез-газ, що містить блок формування плазми з розрядною зоною і реакторний блок, які коаксіально зв'язані між собою за допомогою отвору зв'язку, та систему подачі плазмоутворюючого газу, в якому згідно з корисною моделлю, реакторний блок встановлений над блоком формування плазми, який являє собою частково заповнену робочою рідиною циліндричну діелектричну камеру з нижнім фланцем, в якому закріплений нижній електрод, повністю занурений в робочу рідину та з верхнім фланцем, що є верхнім електродом для утворення розрядної зони між поверхнею рідини та верхнім електродом, при цьому отвір зв'язку виконаний у верхньому фланці, а система подачі плазмоутворюючого газу являє собою засіб для введення потоку плазмоутворюючого газу до блока формування плазми, виконаний у вигляді отвору, просвердленого всередині верхнього фланця, що через кутовий канал зв'язаний з коловою канавкою, виконаною в нижній площині верхнього фланця. При цьому нижній електрод оснащений системою охолодження, як робочу рідину у блоці формування використовують спирти, гліцерол та вуглеводневі з'єднання, які добре змішуються з водою, а у верхньому фланці виконані додаткові отвори для охолодження. 2 UA 72913 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Запропонована конструкція плазмового конвертора рідкої вуглеводневої сировини у синтезгаз із зазначеними ознаками дозволяє утворити зворотно-вихровий потік між поверхнею рідини та верхнім електродом, тобто утворити регульований потік повітря, що входить паралельно головній осі конвертора, а через кутовий канал виходить в колову канавку, виконану в нижній площині верхнього фланця, по дотичній до стінок блока формування плазми у розрядній зоні, наслідком чого є утворення на поверхні рідини витягнутого конуса, який скорочує відстань до верхнього електрода, що сприяє поліпшенню умов утворення розрядної нерівноважної плазми та забезпечує стабільний режим плазмового каталізу робочої суміші з парів робочої рідини і води з повітрям. Це виключає необхідність використання додаткових пристроїв, спрощує конструкцію конвертора та здешевлює його експлуатацію. Крім того, занурення нижнього електрода в робочу рідину забезпечує мінімальність його корозії, наслідком чого є помітне збільшення терміну його експлуатації. Також, завдяки зазначеній конструкції конвертора розрядна плазма не залежить від геометричних вимог до елементів плазмового блока, а пробій та формування нерівноважної розрядної плазми проходить без використання додаткових пристроїв. Суть корисної моделі пояснюється кресленням, де зображені: на фіг. 1 - схематичне зображення загального вигляду плазмового конвертора рідкої вуглеводневої сировини у синтез-газ; на фіг. 2 - розріз А-А на фіг. 1; на фіг. 3 - розріз В-В на фіг. 2. Плазмовий конвертор рідкої вуглеводневої сировини у синтез-газ містить блок формування плазми 1 з розрядною зоною 2 і реакторний блок 3, які коаксіально зв'язані між собою за допомогою отвору зв'язку 4 (фіг. 1), та систему подачі плазмоутворюючого газу 5 (фіг. 2). Реакторний блок 3 встановлений над блоком формування плазми 1. Блок формування плазми 1 являє собою частково заповнену робочою рідиною 6 циліндричну діелектричну камеру 7 з нижнім фланцем 8, в якому закріплений нижній електрод 9, повністю занурений в робочу рідину 6, та з верхнім фланцем 10, що є верхнім електродом для утворення розрядної зони 2 між поверхнею рідини 6 та верхнім електродом 10. При цьому отвір зв'язку 4 виконаний у верхньому фланці 10 (фіг. 1). Система подачі плазмоутворюючого газу 5 являє собою засіб для тангенційного введення потоку плазмоутворюючого газу до блока формування плазми 1 (фіг. 2). Засіб для тангенційного введення потоку плазмоутворюючого газу до блока формування плазми 1 виконаний у вигляді отвору 11, просвердленого всередині верхнього фланця 10 таким чином, що регульований потік повітря входить паралельно головній осі конвертора, а через кутовий канал 12 виходить в колову канавку 13, виконану в нижній площині верхнього фланця 10, по дотичній до стінок блока формування плазми 1 у розрядній зоні 2 (фіг. 2, 3). Нижній електрод 9 оснащений системою охолодження 14. Як робочу рідину 6 у блоці формування 1 використовують спирти, гліцерол та вуглеводневі з'єднання, які добре змішуються з водою. У верхньому фланці 10 виконані додаткові отвори 15 для охолодження. Конвертор оснащений блоком живлення 16. Плазмовий факел, що формується у реакторному блоці 3, має позицію 17. Верхній отвір реакторного блока 3 має позицію 18. Запропонований конвертор являє собою плазмово-рідинну систему зі зворотно-вихровим потоком газу (фіг. 1) і працює наступним чином. Через отвір 11 у верхньому фланці 10 в блок формування плазми 1 вводять плазмоутворюючий газ-повітря. Регульований потік повітря входить паралельно головній осі конвертора, а через кутовий канал 12 виходить в колову канавку 13, виконану у нижній площині верхнього фланця 10, по дотичній до стінок блока формування плазми 1. Канавка 13 є базою для утворення газового вихору, який, відштовхуючись від верхнього фланця 10, опускається до межі з поверхнею робочої рідини 6, тобто в напрямку, протилежному руху в плазмовому факелі 17. Таким чином утворюється зворотно-вихровий потік повітря. Обертаючись, цей потік спускається до поверхні рідини 6 і рухається в напрямку центральної осі блока формування плазми 1. Так як область мінімального статичного тиску над поверхнею рідини 6 у вихровому потоці газу знаходиться недалеко від центральної осі, потік створює стовп рідини на межі газ-рідина у вигляді конуса висотою 1 см вище поверхні рідини 6. Це полегшує виникнення розряду і подальше формування плазмового факела 17. Включають блок живлення 16, виникає пробій і формується нерівноважна плазма у вигляді плазмового факела 17. Факел 17 складається з частково іонізованої робочої суміші, яка перетікає крізь отвір зв'язку 4 у вигляді струменя в реакторний блок 3, де відбувається процес конверсії рідких біопалив в суміш водню та моноокису вуглецю. Тобто отримується синтез-газ, 3 UA 72913 U 5 10 15 20 25 30 35 який виходить крізь верхній отвір 18 реакторного блока 3. Цей процес підтримується та прискорюється активними частинками, наробленими в плазмі розрядної зони 2, тобто реалізується плазмовий каталіз. Таким чином, запропонована конструкція плазмового конвертора рідкої вуглеводневої сировини у синтез-газ з зазначеними ознаками дозволяє створити зворотно вихровий потік плазмоутворюючого газу між поверхнею робочої рідини та верхнім електродом, внаслідок чого на поверхні рідини виникає конусоподібна структура, яка регульованим чином скорочує відстань від поверхні рідини до верхнього електрода і тому полегшує утворення пробою цього проміжку та формування нерівноважної розрядної плазми, яка забезпечує плазмовий каталіз вуглеводнів без використання додаткових пристроїв та засобів. Занурення нижнього електрода в робочу рідину запобігає корозії його поверхні, продовжуючи термін його експлуатації. В цілому можна стверджувати, що створена корисна модель плазмового конвертора з високим ступенем конверсії вуглеводнів в простій та економічній конструкції. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 1. Плазмовий конвертор рідкої вуглеводневої сировини у синтез-газ, що містить блок формування плазми з розрядною зоною і реакторний блок, які коаксіально зв'язані між собою за допомогою отвору зв'язку, та систему подачі плазмоутворюючого газу, який відрізняється тим, що реакторний блок встановлений над блоком формування плазми, який являє собою частково заповнену робочою рідиною циліндричну діелектричну камеру з нижнім фланцем, в якому закріплений нижній електрод, повністю занурений в робочу рідину, та з верхнім фланцем, що є верхнім електродом, для утворення розрядної зони між поверхнею рідини та верхнім електродом, при цьому отвір зв'язку виконаний у верхньому фланці, а система подачі плазмоутворюючого газу являє собою засіб для введення потоку плазмоутворюючого газу до блока формування плазми, виконаний у вигляді отвору, просвердленого всередині верхнього фланця, що через кутовий канал зв'язаний з коловою канавкою, зробленою в нижній площині верхнього фланця. 2. Плазмовий конвертор за п. 1, який відрізняється тим, що нижній електрод оснащений системою охолодження. 3. Плазмовий конвертор за пп. 1, 2, який відрізняється тим, що як робочу рідину у блоці формування використовують спирти, гліцерол та вуглеводневі з'єднання, які добре змішуються з водою. 4. Плазмовий конвертор за будь-яким пп. 1-3, який відрізняється тим, що у верхньому фланці виконані додаткові отвори для охолодження. 4 UA 72913 U 5 UA 72913 U Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6