Патент на изобретение №2182239

(54) СПОСОБ ПЛАЗМЕННОЙ КОНВЕРСИИ МОТОРНЫХ ТОПЛИВ В СИНТЕЗ-ГАЗ И ПЛАЗМЕННЫЙ КОНВЕРТОР ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

(57) Реферат:

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.

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 кВтч/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: J_plasma=W/Q, где J_plasma – плазменный энерговклад, W= W_pulset₁/t₂ – средняя мощность микроволнового излучения, W_pulse – импульсная мощность, Q – объемный расход реагентов.

Импульсная мощность микроволнового излучения W_pulse определяет плазменный энерговклад J_plasma. Отношение плазменного энерговклада к тепловому энерговкладу мало J_plasma/J_heat 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)
хС_mH_n+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
C_mH_n+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.

Формула изобретения

1. Способ 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, отличающийся тем, что 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 плазменную конверсию моторного топлива.

2. Способ по п. 1 отличающийся тем, что суммарный расход реагентов Q и среднее значение СВЧ-мощности W выбирают из отношения W/Q= 0,05-0,15 кВтч/нм³.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что для проведения реакции паровоздушной конверсии МТ отношение сжигаемой части МТ к его остатку задают в диапазоне 0,5-2,0.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что температуры реагентов на входе в плазмотрон задают в диапазоне 800-1500 К.

5. Способ по п. 3, отличающийся тем, что мольные отношения ₂O/воздух и H₂O/моторное топливо на входе в плазмотрон задают в диапазонах 0,06-2,5 и 1-6 соответственно.

6. Способ по п. 2, отличающийся тем, что для проведения реакции воздушной конверсии МТ отношение сжигаемой части МТ к его остатку задают в диапазоне 0,4-2,0.

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что температуры реагентов на входе в плазмотрон задают в диапазоне 600-1100 К.

8. Способ по п. 6, отличающийся тем, что мольное отношение воздух/моторное топливо на входе в реактор составляет 16-20.

9. Плазменный конвертор моторных топлив в синтез-газ, например, для транспортного средства с двигателем внутреннего сгорания, содержащий нагреватель воздуха, плазмотрон и источник питания плазмотрона, отличающийся тем, что 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 нагревателем и плазмотроном по линии газового потока установлена камера сгорания, снабженная двумя раздельными патрубками для ввода реагентов.

10. Плазменный конвертор по п. 9 отличающийся тем, что 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.

11. Плазменный конвертор по п. 10 отличающийся тем, что СВЧ-резонатор выполнен в виде круглого волновода, снабженного узлом возбуждения волны типа Н₁₁, и имеет длину несколько длин полуволн СВЧ-излучения в волноводе.

12. Плазменный конвертор по п. 9, отличающийся тем, что камера сгорания содержит две последовательно расположенные по линии газового потока системы концентрических сверхзвуковых сопл, раздельно соединенных с патрубками ввода реагентов.

13. Плазменный конвертор по п. 9, отличающийся тем, что нагреватель выполнен в виде рекуперативного теплообменника.

РИСУНКИ