СВЧ ПЛАЗМЕННЫЙ КОНВЕРТОР

Полезная модель относится к технике переработки углеводородного сырья, в частности, природного и попутного нефтяного газов, и производству водорода и углерода.
Требования сегодняшнего дня к рациональному использованию углеводородосодержащих природных ресурсов определяют необходимость поиска новых методов и средств их глубокой переработки. В этом аспекте на одном из первых мест стоит переработка природного и попутного нефтяного газов. Здесь возможны многие варианты: превращение газа в жидкую фракцию, метано-водородное топливо, использование в качестве источника для производства электроэнергии, конверсия в такие ценные продукты, как водород и углерод, потребность в которых достаточно высока. Что касается водорода, то это металлургия, водородная энергетика, космос и т.п.
4
2
Известно устройство для получения водорода и углерода из углеводородного газа (метана) [А.И. Бабарицкий и др. Импульсно-периодический СВЧ разряд как катализатор химической реакции // ЖТФ. - 2000. - Т. 70. - Вып. 11. - С. 36-41], которое реализует процесс термической диссоциации метана на водород и углерод: СН→2Н+С при воздействии плазмы импульсно-периодического СВЧ разряда на предварительно нагретый газ. Устройство содержит источник нагрева газа, СВЧ генератор, ферритовый циркулятор, разрядную камеру, волноводы для подачи в разрядную камеру СВЧ энергии. Недостатками известного устройства являются: необходимость дополнительного внешнего источника тепла для предварительного нагрева исходного углеводородного газа, т.е. неизбежные потери тепловой энергии и усложнение конструкции, а также относительно низкие степень конверсии метана и выход водорода и углерода.
Известно устройство, реализующее способ эндотермических реакций, к которым относится и реакция диссоциации молекул метана [СВЧ каталитический реактор для эндотермических газофазных реакций. Патент РФ № 2116826]. Новизна устройства заключается в том, что реактор выполнен в виде СВЧ резонатора, а рабочая смесь открыта для проникновения и воздействия электромагнитного СВЧ поля. Это позволяет осуществлять нагрев рабочей смеси сырья и катализатора за счет диссипации СВЧ энергии на резистивных потерях материла. Данное устройство обладает недостатками, свойственными устройствам пиролизной диссоциации: низкой производительностью, закоксовыванием катализатора, малым сроком «активности» катализатора.
Известно устройство для плазмохимической конверсии углеводородного газа (метана) в водород и углерод [Патент РФ № 2522636, опубл. 20.07.2014 г.], в котором предварительный нагрев и последующая диссоциация углеводородного газа на водород и углерод осуществляется совмещенным воздействием СВЧ энергии, плазмы СВЧ разряда и катализатора. По совокупности признаков этот аналог выбран в качестве прототипа предлагаемой полезной модели. Устройство по прототипу содержит проточный реактор из радиопрозрачного термостойкого материала, заполненный газопроницаемым электропроводящим веществом (катализатором), помещенный в сверхвысокочастотный волновод, соединенный с источником сверхвысокочастотного электромагнитного излучения, снабжённый концентратором СВЧ электромагнитного поля, выполненным в виде волноводно-коаксиально перехода (ВКП) с полым внутренним и внешним проводниками, образующими разрядную камеру, и системой вспомогательного разряда. Система вспомогательного разряда выполнена из N>1 разрядников, по крайней мере четырех, расположенных в плоскости поперечного сечения разрядной камеры равномерно по её окружности, при этом продольные оси разрядников ориентированы тангенционально по отношению к боковой поверхности разрядной камеры в одном направлении.
3
Система вспомогательного разряда, примененная в устройстве-прототипе частично сняла проблемы со стабильным «горением» СВЧ разряда при расходах метана порядка 1 м/час и СВЧ мощности, вкладываемой в разряд около 2000 Вт. При этом ввод конвертируемого газа (метана) осуществляется аксиально, т.е. по полому внутреннему проводнику коаксиала ВКП.
3
При увеличении расхода метана свыше 1 м/час для его эффективной конверсии необходимо повышать уровень СВЧ мощности, вводимой в разрядную камеру. В этом случае возникает проблема с эрозией внутреннего проводника коаксиала вплоть до его плавления.
Дополнительно к этому остается не до конца решенной проблема, связанная с перекрытием межэлектродного пространства углеродным «мостиком» при больших расходах конвертируемого газа и высоких уровнях подаваемой СВЧ мощности в разрядную камеру.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в повышении эффективности за счет увеличения объема плазменного образования и вихревого стабилизирующего действия на вводимый конвертируемый газ, повышение выхода целевых продуктов (водорода и углеродного наноматериала), а также продолжительности непрерывной работы конвертора.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом СВЧ плазменном конверторе, содержащем, как и прототип, сверхвысокочастотный (СВЧ) прямоугольный волновод, соединенный с источником электромагнитного излучения, снабженный концентратором СВЧ электромагнитного поля, выполненным в виде волноводно-коаксиального перехода с внешним и внутренним проводниками коаксиала, образующими разрядную камеру, устройство ввода конвертируемого газа в разрядную камеру, систему вспомогательного разряда, выполненную из четырех разрядников, расположенных в плоскости поперечного сечения разрядной камеры, равномерно по её окружности, при этом продольные оси разрядников ориентированы тангенциально по отношению к боковой поверхности разрядной камеры в одном направлении, в отличие от прототипа, устройство ввода конвертируемого газа в разрядную камеру выполнено из четырех газопроводов, расположенных с интервалом в 90° между разрядниками системы вспомогательного разряда, причём, газопроводы конвертируемого газа ориентированы тангенционально по отношению к боковой поверхности разрядной камеры и в одном направлении с разрядниками системы вспомогательного разряда.
По сравнению с аксиальным вводом конвертируемого газа в разрядную камеру прототипа, предложенное исполнение ввода газа в виде четырех газопроводов с описанным выше их расположением по отношению к разрядной камере и системе вспомогательного разряда, во-первых, увеличивает объем плазмы СВЧ разряда (реакционный объем), что, в свою очередь, позволяет увеличить расход газа и, соответственно, производительность устройства, во-вторых, тангенциональное расположение газопроводов конвертируемого газа создает закрученный поток газа, оказывая вихревое, стабилизирующее действие на плазменный факел СВЧ разряда.
3
За счет данного исполнения ввода конвертируемого газа в разрядную камеру повышается эффективность процесса его конверсии, выход водорода и углерода при значительных (более 1 м/час) расходах газа, представляющих интерес для практического использования предлагаемой полезной модели.
На фиг. 1 схематически представлен пример исполнения заявляемого устройства.
На фиг. 2 представлен вид поперечного сечения разрядной камеры с системами вспомогательного разряда и ввода конвертируемого газа в виде четырех газопроводов.
Предлагаемого устройство содержит волновод 1 прямоугольного сечения, образующий вместе с коаксиальной линией 2 волноводно-коаксиальный переход (ВКП) 3, являющийся концентратором СВЧ электромагнитной энергии. Вход волновода 1 через циркулятор 4 соединен с СВЧ генератором (магнетроном) 5. Волновод 1 оснащен трубопроводом 6 для выхода газообразных продуктов реакции, одновременно представляющим собой запредельный круглый волновод, предотвращающий СВЧ излучение наружу. В выходном конце волновода 1 установлен подвижный короткозамыкающий поршень 7. Полые внутренний и внешний проводники коаксиальной линии 2 ВКП образуют разрядную камеру 8, содержащую систему вспомогательного разряда, состоящую из N>1 (в частности N=4) разрядников 9, каждый из которых снабжен индивидуальным газопроводом 10 для подачи плазмообразующего газа (азота) в межэлектродный промежуток, образованный изолированными друг от друга электродами 11 и 12. Разрядники 9 расположены равномерно по окружности и ориентированы своими продольными осями тангенционально по отношению к боковой поверхности разрядной камеры 8 в одном направлении. С интервалом 90° между разрядниками 9 в одной плоскости с ними расположены четыре газопровода 13, представляющие собой устройство ввода конвертируемого газа в разрядную камеру 8. При этом газопроводы 13 ориентированы тангенционально по отношению к боковой поверхности разрядной камеры 8 и сопутно (в одном направлении) с разрядниками системы вспомогательного разряда.
С целью предотвращения попадания продуктов конверсии через волновод 1 на циркулятор 4 и магнетрон 5 разрядная камера 8 разделена с волноводом 1 радиопрозрачной диэлектрической шайбой 14. К нижнему торцу разрядной камеры 8 подключен сборник углерода 15.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
На первом этапе вся система продувается инертным газом (азотом) с целью вытеснения из её объема кислорода воздуха. Затем подают азот в разрядники 9 системы вспомогательного разряда, после чего включается генератор импульсов (на фигуре не показан). Импульсы высокого напряжения от источника 15 кВ с частотой повторения 100 Гц подаются электроды 12 разрядников 9 через высоковольтные вводы, представляющие собой автомобильные свечи зажигания, например А20Д, у которых удален боковой электрод (не показано), Под воздействием высокого импульсного напряжения возникает электрический разряд, создающий начальную концентрацию плазмы, достаточную для «зажигания» основного СВЧ разряда.
4
2
На следующем этапе в разрядную камеру 8 подают природный газ. После этого посредством ВКП от магнетрона 5 в разрядную камеру 8 подается СВЧ энергия. Под её воздействием в разрядной камере 5 «зажигается» СВЧ разряд атмосферного давления. В плазме СВЧ разряда при температуре 4000÷5000 К происходит реакция диссоциации метана на водород и углеродный материал согласно химической формуле СН→2Н+С.
По результатам проведенного рентгеноструктурного анализа в состав углеродного материала входят однослойные, многослойные, луковичные углеродные нанотрубки и аморфный углерод.
В конкретном примере реализации предлагаемой полезной модели внутренний проводник коаксиальной линии 2 ВКП, являющийся электродом разрядной камеры 8, выполнен из нержавеющей стали полым, диаметром 16 мм и длиной С, определяющейся из условия
0
где m=0, 1, 2, 3 - целые числа; λ/4 - четверть длины волны СВЧ генератора.
0
0
При значении рабочей частоты СВЧ генератора f = 2450 МГц (λ=12,24 см) данное условие выбора длины электрода диктуется необходимостью расположения торца электрода в пучности электрической напряженности СВЧ поля в разрядной камере.
Внешний проводник коаксиальной линии 2 ВКП, выполняющий функцию разрядной камеры, снабженную четырехэлектродной системой вспомогательного разряда, является в своем продолжении круглым волноводом внутренним диаметром 40 мм.
10
01
Передача СВЧ энергии от СВЧ генератора осуществляется по прямоугольному волноводу на основном типе Н. Затем этот тип волны преобразуется в волну ТЕМ для коаксиала ВКП, после чего она трансформируется в волну E круглого волновода, представляющего собой внешний проводник разрядной камеры 8.
01
0
С учетом того, что критическая длина волны типа E в волноводе 2,62R, где R - радиус круглого волновода, при длине волны СВЧ генератора λ=12,24 см и диаметре волновода D=40 мм, данный волновод является запредельным (Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Под ред. академика Н.Д. Девяткова / М. «Высшая школа», 1970, 440 с). За счет отраженной электромагнитной волны от запредельного волновода возникает стоячая волны и повышается до пробивной напряженность электрического поля в области торца электрода разрядной камеры, в следствие чего «зажигается» СВЧ разряд.
Подвод СВЧ энергии в разрядную камеру 8 осуществляется от СВЧ генератора 5 с регулируемой выходной мощностью через циркулятор 4 по волноводу 1 прямоугольного сечения размером 90×45 мм. В качестве СВЧ генератора использован магнетрон типа М-168 с выходной мощностью до 5 кВт в непрерывном режиме, а в качестве циркулятора - ферритовый вентиль типа ВФВВ2-39.
Ввод конвертируемого газа в разрядную камеру выполнен в виде четырех газопроводов, расположенных с интервалом 90° между разрядниками системы вспомогательного разряда и ориентированных тангенционально по отношению к боковой поверхности разрядной камеры, сопутно с разрядниками системы вспомогательного разряда. Газопроводы выполнены из нержавеющих трубок внутренним диаметром 6 мм.
В конверторе предусмотрено водяное охлаждение разрядной камеры.
Таким образом, новая конструкция ввода конвертируемого газа в разрядную камеру позволила достичь основного технического результата заявляемой полезной модели - повышение эффективности конвертора за счет следующий факторов:
1. Увеличение производительности процесса за счет более высокой пропускной способности системы ввода конвертируемого газа в разрядную камеру.
2. Стабилизирующее действие вихревого газового потока на плазменный факел СВЧ разряда.
3. Увеличение объема плазмы, приводящее к более высокому, по сравнению с прототипом, выходу целевых продуктов (водорода и углеродного наноматериала).