Результат интеллектуальной деятельности: ПЛАЗМЕННЫЙ КОНВЕРТОР ГАЗООБРАЗНОГО И ЖИДКОГО УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ И ТОПЛИВ В СИНТЕЗ-ГАЗ НА ОСНОВЕ МИКРОВОЛНОВОГО РАЗРЯДА

Данное изобретение относится к микроволновым плазменным конверторам углеводородного сырья и топлив в синтез-газ относительно малой мощности, к которым предъявляются жесткие весогабаритные требования при достаточной дешевизне и возможности крупносерийного производства. Такие конверторы находят применение, например, как источники водорода и синтез-газа в разработках мобильных и автономных энергоустановок на основе топливных элементов. Другое применение плазменных конверторов - установки производства жидкого синтетического моторного топлива из метана, в которых конверсионный синтез-газ является промежуточным реагентом. И, наконец, плазменные конверторы жидких моторных топлив могут стать основой бортовых энергоустановок водородного транспорта. В настоящее время такие плазменные конверторы могут быть реализованы при использовании СВЧ-генераторов (магнетронов), которые применяются в бытовых печах, как наиболее дешевых и выпускаемых промышленностью в больших количествах.

Успех реализации конкретного плазменного процесса определяется возможностью оптимизации условий поддержания электрического разряда, обеспечения с его помощью плазменной активации исходных реагентов, осуществления требуемого химического процесса и извлечения целевых продуктов реакции. Как известно, при использовании электромагнитных волн микроволнового (СВЧ) диапазона электрический разряд в плазмотронах формируется в двух возможных режимах: либо в пробойном режиме в потоке газа, либо в допробойном режиме ввода СВЧ-энергии в плазменное образование в специально организованной зоне рециркуляции газа (ВЧ- и СВЧ-плазмотроны. Низкотемпературная плазма, т.6., Новосибирск, «Наука» Сиб. Отд., 1992). В первом случае при использовании импульсных источников СВЧ-излучения можно в принципе осуществлять плазменную активацию газа независимо от его температуры. Такой режим организации СВЧ-разряда и плазменного процесса используется, например, в патенте РФ № 2182239 «Способ плазменной конверсии моторных топлив в синтез-газ и плазменный конвертор для его реализации». Во втором случае используется обычно стационарный или длинноимпульсный (τ≥10^-3 с) режим ввода СВЧ-энергии, что позволяет применять более дешевые СВЧ-генераторы и их источники питания, но разряд при этом поддерживается лишь при температурах газа 4000-6000 K в зоне поглощения СВЧ-энергии. При работе на атмосферном давлении, в этом случае, СВЧ-разряд формируется обычно внутри диэлектрической (кварцевой трубки) в закрученном потоке газа. Эти конструкции широко используются для проведения плазменных процессов синтеза порошковых материалов и различных газофазных технологических процессов [ВЧ- и СВЧ-плазмотроны. Низкотемпературная плазма, т.6., Новосибирск, «Наука» Сиб. Отд., 1992; Физика химически активной плазмы, М., Наука, 1984).

Известен простой и недорогой СВЧ-источник плазмы, описанный в Simple low cost microwave plasma sourse. Rev. Sci. Instrum. 57(1986), № 2, 164-166. В нем бытовой СВЧ-магнетрон подключен к резонатору, через который пропущена кварцевая трубка, внутри которой создается микроволновый разряд. Недостатком этого устройства является использование резонатора, требующего индивидуальной настройки и имеющего заметные габариты, а также кварцевой трубки, ограничивающей температурный диапазон потока газа.

Известен также микроволновый плазмотрон, включающий магнетрон, волноводный резонатор, коаксиальный тракт транспортировки микроволнового излучения в виде внешнего и внутреннего проводников, в котором резонатор выполнен в виде отрезка прямоугольного волновода с отверстием в широкой стенке для ввода микроволнового излучения и с отверстиями для ввода петли связи резонатора с коаксиальным трактом транспортировки микроволнового излучения, при этом коаксиальный тракт состоит из металлического внешнего электрода в виде цилиндра и внутреннего центрального, выполненного из металлической трубки, соединенной с системой подачи рабочего газа и являющейся продолжением петли связи, конечная часть центрального электрода выполнена в виде сопла Лаваля и изолирована от внешнего электрода кварцевой трубкой, внешний электрод снабжен стыкующимся с ним токопроводящей насадкой для формирования факела и защиты от микроволнового излучения, выполненной в виде полого цилиндра с прорезями или отверстиями в боковой поверхности («Микроволновый плазмотрон», патент РФ № 2153781). Устройство имеет следующие недостатки: изолирующая внутренний электрод с целью препятствия возникновения дуги между внутренним и внешним электродами кварцевая трубка выступает за торец внутреннего электрода, и поэтому будет подвергаться не только нагреву до исходной температуры рабочего газа, вводимого через внутренний электрод, но и от создаваемого СВЧ-разряда, что приводит к перехвату части СВЧ-мощности кварцевой трубкой и, как следствие снижению энергопередачи в плазму и возможному разрушению самой трубки; использование высокоскоростного потока газа, формируемого соплом Лаваля, приводит к возникновению разрыва между плазменным образованием и торцом внутреннего электрода, вносящего рассогласование в линию передачи СВЧ-энергии в плазму, для устранения которого в систему вводится волноводный резонатор, что существенно усложняет конструкцию устройства и ограничивает его технологические возможности, так как согласование достигается лишь в определенных режимах работы устройства (заданный род газа, его расход и величина СВЧ-мощности).

Прототипом изобретения является плазменный конвертор газообразного и жидкого углеводородного сырья и топлив в синтез-газ на основе микроволнового разряда, включающий плазмотрон типа микроволновая свеча, состоящий из магнетрона и цилиндрического коаксиального тракта транспортировки микроволнового излучения к разрядной зоне. Между магнетроном и коаксиальным трактом включен отрезок волновода и коаксиально-волноводный переход с диэлектрическим герметизатором. Коаксиальный тракт сформирован между стенкой внешнего цилиндрического проводника и внутренним проводником. Зона разряда расположена между торцами более короткого внутреннего и внешнего проводников коаксиального тракта. Реактор смешения соединен с разрядной зоной плазмотрона через отверстие в торце внешнего проводника. В стенке внешнего проводника под углом в 45° в начале коаксиального тракта выполнены два отверстия для подачи плазмообразующего газа - топливно-воздушной смеси (А.И.Бабарицкий и др. Плазмокаталитическая переработка углеводородного сырья и моторных топлив. Препринт ИАЭ-6302/13, М., 2003 г.).

Конструкция прототипа имеет следующие недостатки:

- между магнетроном и коаксиальным трактом включен отрезок волновода и коаксиально-волноводный переход, что предопределяет сложность конструкции и принципиально не позволяет уменьшать габариты устройства;

- для исключения возможности «убегания» разряда в волновод необходима установка диэлектрического герметизатора между выходом коаксиально-волноводного перехода и магнетроном;

- не оптимизирована газодинамическая связь между плазмотроном и реактором, что приводит к возможности подсоса продуктов реакции в зону плазмообразования и, как возможное следствие, зауглероживанию конструкционных элементов.

Техническим результатом изобретения является:

- упрощение и удешевление конструкции устройства за счет исключения промежуточных узлов между магнетроном и разрядной зоной;

- возможность создания предельно компактного и дешевого устройства, в том числе с использованием серийно выпускаемых бытовых магнетронов;

- расширение функциональных возможностей устройства за счет плазменной обработки любых, в том числе химически активных и легко конденсирующихся реагентов за счет оптимизации газодинамической связи между плазмотроном и реактором смешения, исключающей подсос реагентов и продуктов процесса в разрядную зону.

Для этого предложен плазменный конвертор газообразного и жидкого углеводородного сырья и топлив в синтез-газ на основе микроволнового разряда, включающий плазмотрон типа микроволновая свеча, состоящий из магнетрона, цилиндрического коаксиального тракта транспортировки микроволнового излучения магнетрона к разрядной зоне, образуемой за торцом внутреннего проводника коаксиального тракта, и реактор смешения, соединенный с разрядной зоной плазмотрона посредством отверстия связи, выполненного в торце внешнего проводника, в стенке которого выполнены отверстия для подачи плазмообразующего газа, при этом магнетрон выполнен с антенным выводом микроволнового излучения в виде цилиндрического керамического элемента, заканчивающимся металлическим наконечником, внутренний проводник коаксиального тракта закреплен на указанном металлическом наконечнике, внешний проводник закреплен на магнетроне, при этом во внешнем проводнике напротив керамического элемента антенного вывода микроволнового излучения выполнено не менее 2-х тангенциально направленных отверстий для подачи плазмообразующего газа, а внутренний диаметр внешнего проводника D равен (2,3÷2,6)d, где d-диаметр внутреннего проводника, длина внутреннего проводника составляет не менее чем λ/4, где λ - длина волны микроволнового излучения магнетрона.

При этом величина зазора L между торцом внутреннего проводника коаксиального тракта и отверстием связи удовлетворяет условию λ/4≤L≤λ/2.

Величина диаметра d₁ отверстия, соединяющего разрядную зону с реактором смешения, удовлетворяет условию 0,05D≤d₁≤0,15D.

В конечной части внутреннего проводника может быть выполнена цилиндрическая полость и диаметром d_2, удовлетворяющим условию 1,2d₁≤d₂≤2d₁.

При этом часть внешнего проводника, например его конечная часть, может быть выполнена в виде сужающегося конуса.

В конечной части внутреннего проводника может быть выполнено утолщение, например, в виде расширяющегося конуса, увеличивающее диаметр d внутреннего проводника до значения d', удовлетворяющего условию 0,9D'≤d'≤0,95D', где D'-диаметр внешнего проводника в сечении коаксиального тракта по торцу внутреннего проводника.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид плазменного конвертора; на фиг.2 изображены варианты конструктивного исполнения отдельных элементов устройства.

Конструкция плазменного конвертора включает плазмотрон типа микроволновая свеча, состоящий из магнетрона 1 с антенным выводом микроволнового излучения, цилиндрического керамического элемента 2, заканчивающегося металлическим наконечником 3, цилиндрического коаксиального тракта, который образуется внешним 4 и внутренним 5 проводниками, при этом внутренний проводник 5 закреплен непосредственно на металлическом наконечнике 3 вывода энергии магнетрона 1, а внешний проводник 4 закреплен на корпусе магнетрона 1, и разрядной зоны 6, образуемой за торцом внутреннего проводника коаксиального тракта, которая через отверстие связи 7 в торце внешнего проводника коаксиального тракта соединена с реактором смешения 8. Во внешнем проводнике 4 непосредственно в зоне керамического элемента вывода энергии 2 магнетрона 1 выполнено не менее 2-х тангенциально направленных отверстий-сопел 9, предназначенных для подачи плазмообразующего газа, а в начальном участке реактора смешения 8, примыкающем к разрядной зоне, выполнены отверстия-сопла 10 для подачи исходных реагентов. Как показано на фиг.2, во внутреннем проводнике 5 может быть выполнена цилиндрическая полость 11, часть внешнего проводника 4, например его конечная часть, выполнена в виде сужающегося конуса 12, а в конечной части внутреннего проводника 5 выполнено утолщение, например, в виде расширяющегося конуса 13.

Сущность изобретения состоит в соединении коаксиального тракта передачи микроволновой энергии от магнетрона в разрядную зону, непосредственно с антенным выводом микроволнового излучения магнетрона, выполненным в виде цилиндрического керамического элемента, заканчивающегося металлическим наконечником, выборе места ввода плазмообразующего газа непосредственно напротив керамического элемента вывода энергии магнетрона, выборе взаимосвязанных размеров и формы внутреннего и внешнего проводников коаксиального тракта, выборе диаметра отверстия связи разрядной зоны с реактором смешения и введении внутренней цилиндрической полости в конечную часть внутреннего проводника. Соединение коаксиального тракта непосредственно с металлическим наконечником 3 антенного вывода микроволнового излучения магнетрона 1 исключает промежуточные согласующие элементы между магнетроном и разрядной зоной и, таким образом, позволяет предельно компактизировать конструкцию устройства. При этом роль диэлектрического герметизатора выполняет керамический элемент 2 вывода энергии магнетрона, обдуваемый высокоскоростным вихревым потоком плазмообразующего газа из, по-крайней мере, 2-х тангенциально направленных отверстий-сопел 9, что исключает возможность возникновения разряда в этой энергонапряженной зоне. Предложенный в изобретении выбор размеров коаксиального тракта D=(2,3÷2,6)d, длины внутреннего проводника 5 не менее чем λ/4, где λ - длина волны излучения магнетрона, и величины зазора L между торцом внутреннего проводника коаксиального тракта и отверстием связи, удовлетворяющей условию λ/4≤L≤λ/2, обоснован экспериментально и обеспечивает безотражательный режим поглощения СВЧ-мощности в плазменном образовании. Выбор диаметра d₁ отверстия связи 7, связывающего плазмотрон с реактором смешения 8, в диапазоне 0,05D≤d₁≤0,15D, позволяет оптимизировать газодинамическое согласование разрядной зоны с реактором смешения, исключив возможный подсос продуктов реакции в зону разрядной зоны. (Э.П.Волчков, В.И.Терехов Структура течения в вихревых камерах. Известия Сибирского отделения АН СССР, серия технических наук, № 11, вып.3 стр.14-23). Выполнение части внешнего проводника 4, например его конечной части, в виде сужающегося конуса 12 и введение внутренней полости 11, имеющей диаметр d₂ в диапазоне 1,2d₁≤d₂≤2d₁, в конечную часть внутреннего проводника 5 позволяет увеличить интенсивность циркуляционного течения потоков газа в разрядной зоне 6 между торцом на конце внутреннего проводника 5 и выходным отверстием связи 7 (А.Гупта Закрученные потоки, «Мир», 1987 г., стр.352, 411). Вводимый через отверстия 9 вращающийся поток движется к выходному отверстию связи 7, часть этого потока меняет направление, проникает внутрь полости 11 во внутреннем проводнике 5 и, отражаясь от дна полости, возвращается к выходному отверстию связи. При этом часть газа в приосевой зоне вовлекается в рециркуляцию. В результате вблизи торца на конце внутреннего проводника 5 создаются условия, благоприятные для поддержания в этой зоне СВЧ-разряда при напряженности электрического поля значительно ниже его пробойного значения. Выполнение части внешнего проводника 4, например его конечной части, в виде сужающегося конуса 12 способствует безотражательному режиму ввода СВЧ-мощности в создаваемый плазменный столб. Введение утолщения, например, в виде расширяющегося конуса 13 на конечной части внутреннего проводника 5 увеличивает диаметр на торце до значения d', удовлетворяющего условию 0,9D'≤d'<0,95D', где D'-диаметр внешнего проводника в сечении коаксиального тракта по торцу внутреннего проводника, значительно увеличивает напряженность электрического поля в области плазменного образования (Х.Мейнке, Ф.Гундлах Радиотехнический справочник, ГЭИ, М., Л., 1961, стр.131), что может оказаться решающим для поддержания разряда при работе на газах с высоким пробойным напряжением.

Плазменный конвертор работает следующим образом. Через систему подачи газа, выполненную в виде тангенциальных отверстий 9, в плазмотрон вводят плазмообразующий газ в виде вихревого потока в зазор между внутренним и внешним проводниками коаксиального тракта. При этом вблизи торца на конце внутреннего проводника за счет возникающих рециркуляционных потоков создаются условия, благоприятные для поддержания СВЧ-разряда при напряженности электрического поля значительно ниже его пробойного значения. Инициация СВЧ-разряда производится при включенном магнетроне любым из известных способов: впрыском легко ионизующегося газа, от высоковольтной искры или кратковременным введением в разрядную зону металлического штыря. В результате в разрядной зоне возникает устойчивое плазменное образование, генерирующее активные частицы, поступающие вместе с плазмообразующим газом далее через отверстие связи в реактор смешения, где происходит смешение с основным потоком исходных реагентов и плазмохимический процесс. В микроволновом плазменном конверторе данного типа экспериментально реализованы экономичные и энергетически эффективные процессы конверсии углеводородов в синтез-газ. Плазменная структура, сформированная в разряде типа «микроволновая свеча», фактически заменяет катализатор, ускоряя процесс конверсии углеводородов, другими словами, реализуют плазменно каталитический процесс. В качестве конкретных процессов реализованы процессы парокислородной конверсии и парциального окисления. В качестве исходных продуктов могут быть использованы газообразные и жидкие углеводороды: метан, пропан-бутановая смесь, бензин, керосин, дизельное топливо. Исходные реагенты в смеси с воздухом или обогащенным кислородом воздухом подаются в реактор смешения. При этом в качестве плазмообразующего газа используется часть (до 20%) воздуха. Соотношение углеводород/(суммарный кислород) в исходных реагентах выбирается близким к стехиометрическому для реализуемого процесса. Конструкция плазменного конвертора не зависит от типа используемого углеводорода. Степень конверсии достигает 90%, степень газификации жидких углеводородов 100%. Энергозатраты плазменных процессов невелики: 0,1-0,2 кВт·час на м куб. синтез-газа. Плазменные конверторы на основе микроволнового разряда практически безынерционны, допускают неограниченное количество циклов пуск/остановка/изменение режима. Плазменно каталитические конверторы не подвержены проблеме зауглероживания катализатора, их работа не зависит от количества сернистых соединений в исходном углеводородном сырье. Производительность плазменных микроволновых конверторов: 5-50 м куб. синтез-газа в час при использовании в качестве источника микроволнового излучения магнетронов мощностью 1-10 кВт (2,45 ГГц) и 50-500 м куб. в час при использовании магнетронов мощностью 10-100 кВт (0,915 ГГц).