Устройство и способ конверсии газообразного углеводородного топлива в неравновесной плазме газового разряда при атмосферном давлении

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ КОНВЕРСИИ ГАЗООБРАЗНОГО УГЛЕВОДОРОДНОГО ТОПЛИВА В НЕРАВНОВЕСНОЙ ПЛАЗМЕ ГАЗОВОГО РАЗРЯДА ПРИ АТМОСФЕРНОМ ДАВЛЕНИИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Архипенко Валерий Иванович Симончик Леонид Васильевич Згировский Сергей Михайлович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Устройство для конверсии газообразного углеводородного топлива в неравновесной плазме газового разряда при атмосферном давлении, содержащее диэлектрическую разрядную камеру, включающую верхнюю секцию, соединенную с системой подачи рабочего газа, и нижнюю секцию, соединенную с системой подачи реакционной смеси, систему отвода продуктов конверсии, а также три электрода, второй из которых разделяет указанные секции и выполнен с центральным отверстием диаметром порядка 2 мм, а первый и третий установлены соответственно в верхней части верхней секции и в нижней части нижней секции, и два источника питания постоянного тока, подключенных к указанным электродам так, что отрицательный вывод первого источника через первый балластный резистор соединен с первым электродом, подвижным в направлении второго электрода 18377 1 2014.06.30 для возможности непосредственного контакта с ним, а положительный вывод второго источника через второй балластный резистор соединен с третьим электродом, отличающееся тем, что содержит дополнительную секцию, установленную внутри нижней секции на третьем электроде и выполненную в виде диэлектрического стакана с отверстием, соединенным с системой отвода продуктов конверсии. 2. Способ конверсии газообразного углеводородного топлива в неравновесной плазме газового разряда при атмосферном давлении в устройстве по п. 1, в котором подают рабочий газ в верхнюю секцию и далее через отверстие во втором электроде - в нижнюю и дополнительную секции, зажигают самостоятельный нормальный тлеющий разряд между находящимися под напряжением первым и вторым электродами путем их сведения до непосредственного контакта и последующего разведения на расстояние порядка 2 мм, затем зажигают несамостоятельный неравновесный плазменный разряд внутри дополнительной секции путем приложения к третьему электроду напряжения, положительного по отношению к напряжению второго электрода, и подают в нижнюю секцию содержащую указанное топливо реакционную смесь, например воздуха с этанолом, с последующим попаданием топлива вместе с нагретым газом внутрь дополнительной секции, его конверсией в результате контакта с плазмой и отведением в емкость продуктов конверсии через отверстие в указанной секции и третьем электроде. Изобретение относится к области химической технологии плазменного катализа, в частности к конверсии углеводородов в электрическом разряде, и может найти применение при создании компактных и эффективных технологических устройств плазменной конверсии углеводородного сырья (жидкого или газообразного) в синтез-газ (смесь водорода с окисью углерода). Использование углеводородов, например чистого этанола, в качестве топлива затруднено из-за низкой скорости распространения волны горения. Чтобы увеличить скорость распространения волны горения углеводородного топлива, необходимо обогатить его синтез-газом, который можно получить конверсией этанола посредством неравновесной плазмы газового разряда 1. Способ и устройство конверсии углеводородного топлива реализуется в 2. Конверсия этанола происходила в установке, которая состоит из плазмохимического реактора,выполненного в виде кварцевой трубки, где помещали анод диаметром 5 мм и катод в виде трубки с диаметром канала 7 мм. Расстояние между анодом и катодом варьировалось в диапазоне 0-5 мм. Системы подачи реагентов и отвода продуктов конверсии. Плазма создавалась высоковольтным источником напряжением 1,5 кВ, сила тока изменялась в диапазоне 0,1-0,5 А. Недостатком данного устройства является малый объем плазмы,который участвует в плазмохимическом процессе. Наиболее близким по технической сущности предлагаемого способа и его реализации является устройство, описанное в 3. Устройство содержит двухсекционную разрядную камеру, три электрода, два источника питания постоянного тока, систему подачи и отвода газа. Секции выполнены разделенными средним электродом с центральным отверстием порядка 2 мм. Электроды секции выполнены с возможностью взаимного сведения до касания и разведения, а также разноудалены от среднего электрода и подключены к источникам питания. При этом минус первого источника питания соединен через первый балластный резистор с электродом первой секции, а плюс второго источника питания - через второй балластный резистор с электродом второй секции вторая секция выполнена с отверстием для подачи молекулярного газа. Недостатком устройства является отсутствие возможности перевода топлива из жидкого состояния в газообразное. 2 18377 1 2014.06.30 Задачей предлагаемого устройства является получение синтез-газа при конверсии углеводородного топлива плазмой, повышение эффективности плазмохимической конверсии и увеличение количества получаемого синтез-газа. 1. Устройство для конверсии газообразного углеводородного топлива в неравновесной плазме газового разряда при атмосферном давлении, содержащее диэлектрическую разрядную камеру, включающую верхнюю секцию, соединенную с системой подачи рабочего газа, и нижнюю секцию, соединенную с системой подачи реакционной смеси, систему отвода продуктов конверсии, а также три электрода, второй из которых разделяет указанные секции и выполнен с центральным отверстием диаметром порядка 2 мм, а первый и третий установлены соответственно в верхней части верхней секции и в нижней части нижней секции, и два источника питания постоянного тока, подключенных к указанным электродам так, что отрицательный вывод первого источника через первый балластный резистор соединен с первым электродом, подвижным в направлении второго электрода для возможности непосредственного контакта с ним, а положительный вывод второго источника через второй балластный резистор соединен с третьим электродом, содержит дополнительную секцию, установленную внутри нижней секции на третьем электроде и выполненную в виде диэлектрического стакана с отверстием, соединенным с системой отвода продуктов конверсии. 2. Способ конверсии газообразного углеводородного топлива в неравновесной плазме газового разряда при атмосферном давлении в устройстве по п. 1, в котором подают рабочий газ в верхнюю секцию и далее через отверстие во втором электроде - в нижнюю и дополнительную секции, зажигают самостоятельный нормальный тлеющий разряд между находящимися под напряжением первым и вторым электродами путем их сведения до непосредственного контакта и последующего разведения на расстояние порядка 2 мм, затем зажигают несамостоятельный неравновесный плазменный разряд внутри дополнительной секции путем приложения к третьему электроду напряжения, положительного по отношению к напряжению второго электрода, и подают в нижнюю секцию содержащую указанное топливо реакционную смесь, например воздуха с этанолом, с последующим попаданием топлива вместе с нагретым газом внутрь дополнительной секции, его конверсией в результате контакта с плазмой и отведением в емкость продуктов конверсии через отверстие в указанной секции и третьем электроде. Для решения поставленной задачи предлагается двухсекционную камеру сделать трехсекционной, используя вторую секцию как испаритель для топлива, что позволит использовать третью секцию с большим объемом неравновесной плазмы и получить увеличенное количество синтез-газа при том же количестве углеродного топлива. Общий вид предлагаемого устройства схематично представлен на фиг. 1, где 1 - разрядная камера 2, 3, 4 - электроды 5 - внутренний диэлектрический стакан 1, 2 - балластные резисторы 1, 2 - источники питания. Согласно изобретению, разрядная камера 1 образуется двумя цилиндрическими диэлектрическими стаканами (позиция не указана), которые создают верхнюю и нижнюю секции. В нижней секции внутренним диэлектрическим стаканом 5, установленным на электроде 4, образована дополнительная секция. Сверху и снизу стаканы закрыты диэлектрическими крышками, в которых закреплены электроды 2, 3 и 4. Электрод 2 изготовлен из вольфрама и имеет диаметр 6 мм, а его рабочая поверхность, обращенная к среднему электроду 3, слабо закруглена. Электрод 3 изготовлен из медной пластины и имеет отверстие порядка 2 мм в центре напротив электрода 2. Электрод 3 разделяет верхнюю секцию от нижней и дополнительной секций. Расстояние между электродом 2 и электродом 3 порядка 2 мм. Третий плоский электрод 4 диаметром 3 см изготовлен из меди и расположен 3 18377 1 2014.06.30 на расстоянии до 15-20 мм от среднего электрода 3 в нижней и дополнительной секциях. Нижняя секция предназначена для испарения жидкого топлива и нагрева газа, находящегося в реакционной смеси при попадании на нагретый электрод 4. Система подачи газа(позиция не указана) состоит из баллона, редукторов и трактов, по которым газ поступает в разрядную камеру 1 в верхнюю, нижнюю и дополнительную секции - азот или воздух. Система подачи реакционной смеси (позиция не указана) состоит из баллона, редуктора,дозатора топлива и тракта, по которому реакционная смесь (смесь топлива с азотом или воздухом) поступает в нижнюю секцию и дополнительную. Система отвода продуктов конверсии (позиция не указана) из дополнительной секции состоит из тракта для отвода и емкости. Система питания имеет два источника. Первый источник 1 постоянного тока напряжением 500 В (сила тока до 200 мА, балластный резистор 1 порядка 2 кОм служит для зажигания в верхней секции самостоятельного тлеющего разряда между электродами 2 и 3. Минус источника 1 соединен через балластный резистор 1 с электродом 2. Плюс источника 1 соединен с электродом 3. Второй источник 2 напряжением 3 кВ (сила тока 100 мА, балластный резистор 2 порядка 30 кОм) служит для получения основного объемного несамостоятельного разряда в дополнительной секции. Плюс источника 2 соединен через балластный резистор 2 с электродом 4. Минус источника 2 соединен с электродом 3. Устройство для конверсии углеводородного топлива работает следующим образом 1. Открывают вентили баллона и с помощью редуктора и расходомера устанавливают расход газа порядка 0,5 л в минуту, при этом газ поступает во все три секции. 2. Включают источник питания 1. Устанавливают напряжение порядка 400 В. 3. Самостоятельный нормальный тлеющий разряд зажигается сведением электродов 2 и 3 до касания и последующего разведения на расстояние порядка 2 мм. Изменением напряжения источника 1 устанавливают силу тока 0,15 А. 4. Включают источник питания 2. Повышая напряжение источника 2, добиваются зажигания разряда в нижней секции и устанавливают необходимый ток до 0,15 А. 5. Регулируя поток газа через отверстие в электроде 3, добиваются максимального объемного свечения разряда в нижней секции. 6. Подают смесь этанола с азотом в нижнюю секцию. 7. Синтез-газ из дополнительной секции по тракту отвода собирают в емкость. Компонентный и количественный состав продуктов конверсии определялся по спектрам поглощения с помощью ИК-Фурье спектрометрафирмы. На фиг. 2-3 представлены ИК-спектры поглощения исходной смеси азот - пары этанола(фиг. 2) после ее обработки в плазменном реакторе (фиг. 3). Анализ зарегистрированных спектров поглощения исходной смеси (азот-пары технического этилового спирта 96,6 ) показал, что в спектре пропускания наблюдаются только интенсивные полосы поглощения этанола (900, 1050, 1250, 1400, 2950 и 3700 см-1), а также слабые полосы молекул углекислого газа и паров воды. После обработки в плазменном реакторе наряду с полосами этанола, часть которого не диссоциировала в газоразрядной камере, наблюдаются несколько новых полос поглощения, которые принадлежат молекулам 4 (3100 см-1),(2200 см-1), 22 (750 и 3300 см-1) и 2 (740 и 2400 см-1). В таблице приведены результаты определения концентрации продуктов конверсии 6 этанола в смеси с азотом. 18377 1 2014.06.30 Таким образом, предлагаемое устройство позволяет получить продукт конверсии синтез-газ, который при смешивании с углеводородным топливом увеличивает скорость распространения волны горения. Источники информации 1. Ассад М.С., Пенязьков О.Г. Особенности работы двигателя внутреннего сгорания на водородосодержащих топливах // ИФЖ. - 2010. - Т. 83. -4. - С. 814-820. 2. Жданок С.А., Крауклис А.В., Самцов П.П., Суворов А.В. Влияние энерговкладов в высоковольтный разряд атмосферного давления на эффективность конверсии этанола // ИФЖ. - 2006. - Т. 79. -6. - С. 3-6. 3.14068, 2011. 1. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5