УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДСОДЕРЖАЩЕГО ГАЗА В ПЛАЗМЕ СВЧ-РАЗРЯДА

Полезная модель относится к области получения водородсодержащих газов. Водородсодержащие газы широко используются как сырье для различных процессов химического синтеза, а также для получения из них водорода высокой чистоты.
Традиционным способом получения водородсодержащих газов является паровая конверсия углеводородсодержащего сырья или угля. Применение паровой конверсии требует предварительного компримирования и разогрева газообразного сырья, использования сравнительно громоздкого и сложного в исполнении оборудования, что приводит к потерям энергии ввиду малой эффективности используемых нагревательных приборов (горелок или электронагревателей).
В настоящее время для переработки газов используют плазменную технику и технологию.
Известно устройство для получения водорода разложением аммиака или других газов, содержащих атомы водорода [патент US №7037484 В1, МПК С01В 3/02], состоящее из резонатора, разделенного диэлектрической диафрагмой во избежание контакта газа с антенной, антенны, генератора микроволновых колебаний, инжектора и выпускного клапана. Аммиак или другой газ, содержащий атомы водорода, вводят через инжектор в резонатор, где под действием электромагнитного поля, созданного антенной, зажигается СВЧ-разряд и происходит термическое разложение газа на водород и побочные продукты. Полученную газовую смесь выводят через выпускной клапан и разделяют.
Недостатками известного устройства являются: сложность инициирования безэлектродного разряда, необходимость высокоточного исполнения резонаторной камеры, сложность масштабирования конструкции и ограниченность использования известного устройства процессами разложения аммиака и метана, образование побочных продуктов.
Известна установка получения водорода в плазме СВЧ-разряда [заявка ЕР №1881944 А1, МПК С01В 3/02, 2008], которая включает реакционную камеру, блок подачи газа, генератор микроволновых колебаний, волновод, блок откачки газа и сепаратор. Установка работает следующим образом: из реакционной камеры откачивают газ для поддержания в ней пониженного давления, пропускают углеводородный газ через реакционную камеру, обрабатывают газ микроволновым излучением, разлагают газ на углерод и водород, выделяют водород из образовавшейся смеси.
Недостатками известной установки являются: необходимость поддержания пониженного давления в реакционной камере, что снижает энергоэффективность устройства и ограничивает его производительность, образование побочного продукта - углерода, необходимость его удаления из реакционной камеры, опасность выведения устройства из строя при отложении углерода на деталях.
Известно устройство для получения водорода из углеводородных топлив [заявка WO №2007116225 А1, МПК С01В 3/34, 2007], состоящее из смесителя, теплообменников, реакционной камеры, генератора микроволновых колебаний, двух электродов, расположенных друг напротив друга в реакционной камере, причем один из электродов выполнен полым и служит для выведения продукта из реакционной камеры, а газовая смесь подается в реакционную камеру под углом таким образом, что движение газов в реакционной камере является вихревым. Исходная газовая смесь подвергается действию плазмы СВЧ-разряда при прохождении через зазор между электродами и преобразуется в водородсодержащий газ, который удаляется через полый электрод.
Недостатками известного устройства являются: необходимость высокоточного исполнения реакционной камеры для нахождения электродов вблизи максимума микроволнового поля, наличие малых зазоров в конструкции, в том числе между электродами (около 0,2 мм), что повышает газодинамическое сопротивление конструкции и ограничивает расход газа, вызывает интенсивную эмиссию одного из электродов и ограничивает время непрерывной работы устройства.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемой полезной модели является устройство для преобразования ископаемых топлив в водородсодержащий газ в плазме СВЧ-разряда [заявка WO №0109031, МПК С01В 3/34, 2001], выбранное за прототип.
Это устройство включает нагреватель для воздуха, испарители для воды и топлива, теплообменник, смеситель, реакционную камеру, генератор микроволновых колебаний, резонатор, инициатор разряда и циклонный теплообменник.
Устройство работает следующим образом. Предварительно нагревают воздух с помощью дугового плазматрона, испаряют воду и топливо в испарителях, дополнительно нагревают воздух и водяной пар с помощью теплообменника за счет рециркулируемого тепла, смешивают воздух с парами воды и топлива, затем инициируют СВЧ-разряд в реакционной камере, обрабатывают получившуюся смесь микроволновым излучением в реакционной камере, разделяют и охлаждают продукты реакции в циклонном теплообменнике, отводя при этом рециркулируемое тепло.
Недостатками прототипа являются: сложность и громоздкость конструкции, ограниченность времени непрерывной работы устройства из-за использования в нагревателе воздуха дугового плазматрона, возможное загрязнение получаемого водородсодержащего газа продуктами эрозии электродов дугового плазмотрона, необходимость использования специальных устройств для инициирования разряда в реакционной камере, а также многостадийность процесса. Высокие энергозатраты на предварительный нагрев воздуха и испарение воды и топлива снижают энергоэффективность устройства и увеличивают его стоимость и сложность конструкции. Кроме того, в известном устройстве СВЧ-разряд находится вблизи оси реакционной камеры и из-за этого пристеночная часть газового потока не подвергается плазменной обработке, что понижает степень конверсии сырья в данном устройстве.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является создание устройства, простого в изготовлении и не включающего дорогостоящих механических и электронных устройств, которое позволит получать водородсодержащие газы с высокой степенью конверсии с использованием в качестве сырья широкого спектра газообразных углеводородов и углекислого газа, кислорода или воздуха.
Поставленная задача решается описываемым устройством для получения водородсодержащего газа в плазме СВЧ-разряда, содержащим буферную емкость смешения, реакционную камеру, генератор микроволновых колебаний и резонатор, которое, согласно полезной модели, дополнительно содержит блок
питания переменной мощности и волновод, выполненный в виде коаксиально расположенных внешнего и внутреннего электродов, причем внешний электрод является реакционной камерой, а внутренний электрод изготовлен полым с соплом для последовательной подачи из буферной емкости аргона и газовой смеси, состоящей из углеводородных газов и, по крайней мере, одного газа, выбранного из ряда: воздух, кислород, углекислый газ, в реакционную камеру, при этом сопло выполнено из тугоплавкого материала.
В частном варианте сопло выполнено из тантала.
Основой микроволнового факела является волновод. Внутренний полый электрод волновода короче внешнего. Вблизи острия сопла - возникает максимум электрического поля волны. По мере накопления энергии в волноводе поле возрастает и осуществляется пробой газа. Образуется протяженная плазменная струя (факел) в газовом потоке.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется фигурой.
Устройство для получения водородсодержащего газа включает технологически связанные: буферную емкость смешения газов 1, реакционную камеру 2, внутренний полый электрод 3, сопло 4, источник питания 5, генератор микроволновых колебаний (магнетрон) 6 и резонатор 7.
Плазмообразующий газ (аргон) через буферную емкость смешения газов 1, предназначенную для сглаживания пульсаций давления в рабочей камере и смешения исходных газов, подают по внутреннему полому электроду 3 с заостренным на конце соплом 4, выполненным из тугоплавкого материала, в реакционную камеру 2, являющуюся внешним электродом.
После включения источника питания 5, генератор микроволновых колебаний (магнетрон) 6 генерирует СВЧ-поле в резонаторе 7. Посредством внутреннего полого электрода 3 СВЧ-энергию снимают с резонатора и концентрируют на конце сопла 4. Применение аргона в качестве плазмообразующего газа и заостренного на конце сопла 4 обеспечивает пробой газа при атмосферном давлении и получение стабильного плазменного факела.
После приведения факела в стационарное состояние плазмообразующий газ (аргон) замещают на рабочую газовую смесь (углекислый газ, углеводородсодержащие газы, водяной пар, кислород, воздух).
Предлагаемое устройство иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1
2
3
Аргон подают через буферную емкость смешения при атмосферном давлении через центральный полый электрод, являющийся внутренним электродом волновода. После включения магнетрона на торце сопла инициируется разряд, который распространяется вдоль оси волновода, образуя факел. После установления стационарного режима работы факела в буферную емкость смешения подают углекислый газ и метан в соотношении 60:57, при этом подачу аргона прекращают. Для выбора оптимального режима работы расход газа варьируют от 200 л/ч до 500 л/ч. Ввод СВЧ энергии осуществляют источником питания с регулируемой мощностью от 200 до 1000 Вт. Энергозатраты на получение синтез газа при отношении Н:СО=1:1 составляют 0,70-0,88 кВт·ч/м.
Пример 2
2
2
3
Для получения водородсодержащего газа (синтез-газа - смесь H и СО в соотношении 2:1) после подачи аргона в буферную емкость смешения подают смесь воздуха и метана в объемном соотношении 90:40. Расход газа варьируют от 200 л/ч до 500 л/ч. Ввод СВЧ энергии осуществляют источником питания с регулируемой мощностью от 200 до 1000 Вт. Энергозатраты на получение синтез газа при отношении Н:СО=2:1 составляют 1,25-1,48 кВт·ч/м.
Предлагаемая полезная модель позволяет получать водородсодержащий газ из смеси различных газообразных углеводородов и углекислого газа, кислорода, воздуха или водяного пара с помощью простого в изготовлении и не включающего дорогостоящих механических и электронных устройств. Конструкция устройства обеспечивает прохождение через плазменный факел всего исходного газового потока и, благодаря этому, достигают высокую степень конверсии углеводородного сырья.
Изменяя соотношение исходных газов, возможно получать водородсодержащий газ различного состава.
Устройство также позволяет генерировать плазменный факел вблизи внутреннего электрода с помощью обычного, используемого в бытовых микроволновый печах магнетрона, имеющего мощность меньше 1 кВт и частоту излучения 2,45 ГГц.