Исследование процесса парциального окисления жидкого углеводородного топлива в факельном СВЧ-разряде атмосферного давления

Получение синтез-газа (смесь Н2 и СО) из углеводородных топлив в масштабах производительности, существенно меньших по сравнению с имеющимися в химической промышленности, представляет большой практический интерес в связи с многочисленными возможными применениями синтез-газа. К таким применениям можно отнести использование синтез-газа в качестве топлива для твёрдооксидных топливных элементов в стационарных малогабаритных бытовых энергоустановках. Он также может быть использован в качестве сырья для получения водорода, который, в свою очередь, является топливом в стационарных и бортовых энергоустановках на основе твёрдополимерных топливных элементов. В связи с транспортными приложениями следует отметить, что получение водорода на борту из жидких топлив (с использованием уже имеющейся инфраструктуры их распределения) имеет определённые преимущества в плане безопасности перед хранением водорода на борту в сжатом или жидком виде. Синтез-газ может быть использован в качестве относительно малой добавки к топливовоздушной смеси двигателя внутреннего сгорания и других устройств для сжигания углеводородов, что позволяет управлять процессом горения и оптимизировать его с целью повышения эффективности двигателя или снижения выброса вредных компонентов в выхлопных газах. Другой подход к снижению вредных выбросов (Ж)х) двигателей внутреннего сгорания заключается в использовании каталитических адсорберов, синтез-газ при этом выступает в качестве эффективного восстановителя адсорбента на стадии его регенерации.

Для перечисленных применений, в особенности для приложений на транспорте, использование традиционных каталитических методов получения синтез-газа, таких как паровая и углекислотная конверсия углеводородов, наталкивается на значительные трудности. Эти трудности обусловлены относительной инерционностью катализаторов, чувствительностью к загрязнению сажей и соединениями серы, плохой переносимостью вибрации и частой смены режимов работы. Поэтому проводятся исследования альтернативных способов получения синтез-газа из моторных топлив.

В химической промышленности для получения синтез-газа и водорода из тяжёлых фракций нефти используется процесс парциального окисления топлива чистым кислородом (БЬеИ-процесс). Это процесс проводят без использования катализатора. Для транспортных приложений гораздо более целесообразно использовать не кислород, а воздух:

СтНп + т/2 02 + (N2) п/2 Н2 + ш СО + (Ы2) + С> (1).

Согласно термодинамическим расчётам, топливо при этом практически полностью переходит в синтез-газ. В таб.1 приведены результаты расчёта равновесного состава продуктов для процесса парциального окисления изооктана (СвН^) воздухом при стехиометрическом соотношении исходных реагентов и различных начальных температурах смеси.

Продукты реакции Начальная температура.

450К 500К 600К 670К н2 26,6 26,8 27,0 27,1.

СО 23,3 23,6 24,0 24,1.

N2 48,7 48,6 48,6 48,5 со2 0,3 0,2 0,08 0,04.

Н20 0,4 0,3 0,1 0,07.

СН4 0,2 0,2 0,1 0,07.

Ста (сажа) 0,4 0,3 0,1 0,04.

Конечная температура Таб.1. Равновес изооктана возду 1128К ный состав прод хом при различны 1157К уктов (в об.%) к начальных темпе 1126К >еакции парциаль ратурах смеси. 1281К юго окисления.

В реальности, однако, из-за кинетических ограничений с достаточной скоростью нарабатывается лишь около половины максимально возможного количества синтез-газа. Это проиллюстрировано на рис. 1 на примере кинетического расчёта процесса парциального окисления изооктана воздухом (методика расчёта описана в главе 4). об.% тдо3к.

J.

1. —1—г—1—1.1.4.Л. .1.11 .1—!. — - - 1.

ОД 1.

Рис. 1. Пример кинетического расчёта состава продуктов парциального окисления изооктана при начальной температуре смеси 900К.

Из рис. 1 видно, что за фронтом горения (резкое скачкообразное изменение температуры и состава) продолжается медленная (шкала времени логарифмическая) наработка синтез-газа в результате реакции паров воды и углекислого газа с остаточными углеводородами, которые также образуются во фронте. Состав продуктов, близкий к равновесному, может быть получен лишь за очень большие времена (>103 ч- 104с) нахождения реагентов в реакторе, что неприемлемо для практических применений. Таким образом, для увеличения выхода полезного продукта процесс необходимо тем или иным образом ускорить. Данная работа посвящена исследованию плазменной стимуляции процесса парциального окисления керосина воздухом в факельном СВЧ-разряде атмосферного давления. Выбор топлива обусловлен тем фактом, что по сравнению с бензином керосин существенно менее взрывоопасен.

Плазма достаточно широко используется для проведения химических процессов [1−3]. Свойства плазмы, такие как степень неравновесности (различие между температурой электронов, поступательной и колебательной температурами), степень ионизации, пространственная неоднородность, импульсный или стационарный режим генерации, существенно влияют на механизм её воздействия на химический процесс. Равновесная горячая плазма (~1(ГК) дугового разряда является эффективным нагревателем, позволяющим вводить энергию в уже достаточно сильно разогретые реагенты (что имеет место в случае парциального окисления, которое является экзотермическим процессом). Воздействие неравновесной плазмы особенно эффективно тогда, когда она является генератором активных частиц (радикалов, возбуждённых молекул, ионов), которые могут участвовать в цепных процессах, что существенно снижает плазменные энергозатраты на дополнительное количество продукта, т. е. повышает эффективность процесса [4, 5]. Также следует отметить возможный положительный эффект от сильной пространственной неоднородности разрядной системы при наличии относительно небольшой, но сильно разогретой области. Положительное влияние плазмы на процесс парциального окисления может происходить благодаря любому указанному фактору. Таким образом, помимо определения общих характеристик плазмохимического процесса парциального окисления достаточно актуальным представляется и выяснение механизма положительного воздействия плазмы на процесс с целью дальнейшего повышения его эффективности.

Выбор в качестве разрядной системы коаксиального СВЧ-плазмотрона атмосферного давления с разрядом в виде факела обусловлен его хорошими технологическими качествами, такими как простая и недорогая конструкция, большой ресурс работы.

Цели диссертационной работы:

• создание экспериментального стенда для исследования процесса парциального окисления жидкого углеводородного топлива в синтез-газ в факельном СВЧ-разряде атмосферного давления;

• измерение зависимостей степени конверсии топлива в синтез-газ и состава продуктов от соотношения исходных реагентов и удельного плазменного энерговклада (отношения мощности разряда к расходу реагентов);

• сравнение эффективности двух способов введение энергии в систему: от разряда и от полного сгорания части топлива;

• численное моделирование кинетики процесса парциального окисления углеводородного топлива при различных способах ввода энергии и выяснение на основе сравнения с экспериментальными данными механизма воздействия плазмы разряда на химический процесс.

В процессе работы были поставлены и решены следующие задачи:

• разработка конструкции плазменного конвертора топлива в синтез-газ;

• усовершенствование конструкции конвертора с целью минимизации тепловых потерь из реакционной зоны;

• определение оптимального взаимного расположения зоны горения и зоны разряда;

• определение минимального количества паров воды, необходимого для подавления образования сажи в процессе парциального окисления;

• разработка методики вычисления плазменного удельного энерговклада, удельного энерговклада от полного сгорания части топлива и сравнения их эффективностей.

Основные выводы диссертационной работы:

1. Разработана конструкция плазменного конвертора на основе коаксиального СВЧ-плазмотрона атмосферного давления и создан экспериментальный стенд для исследования конверсии углеводородного топлива в синтез-газ.

1 о.

2. Показано, что для каждого значения удельного плазменного энерговклада существует определённое оптимальное соотношение реагентов, при котором степень конверсии достигает максимального значения, при увеличении удельного разрядного энерговклада оптимальное соотношение реагентов сдвигается в сторону богатых топливом смесей.

1 о.

3. Показана большая эффективность воздействия разряда на фронт горения по сравнению с обработкой разрядом продуктов парциального окисления за фронтом.

4. Разработана методика для сравнения эффективности воздействия на процесс парциального окисления плазменного энерговкдзда и подогрева от полного сгорания части топлива. Показана большая эффективность воздействия разряда.

5. Проведён расчёт кинетики процесса парциального окисления изооктана. Путём сравнения с экспериментальными результатами показано, что наблюдаемая эффективность разряда объясняется вводом всей энергии разряда во фронт пламени и соответствующим увеличением температуры во фронте.

Ь о.

Автор выражает благодарность своим научным руководителям академику В. Д. Русанову и Р. В. Смирнову, а также В. К. Животову, А. И. Бабарицкому, Б. В. Потапкину, М. Стрелковой, A.C. Московскому, Г. М. Коновалову и М. А. Деминскому за большую помощь в проведении работы.

1. В. Д. Русанов, А. А. Фридман. Физика химически активной плазмы. — М.: Наука, 1984.

2. В. К. Животов, В. Д. Русанов, А. А. Фридман. Диагностика неравновесной химически активной плазмы. — М.: Энергоиздат, 1985.

3. J1.C. Полак, А. А. Овсяников, Д. И. Словенецкий, Ф. Б. Вурзель. Теоретическая и прикладная плазмохимия. — М.: Наука, 1975. ь о.

4. В. Д. Русанов, К. Этьеван, А. И. Бабарицкий и др. Эффкт плазменного катализа на примере диссоциации метана на водород и углерод. — ДАН, 1997, т.354, № 2, с.213−215.

5. С. В. Потехин, Б. В. Потапкин, М. А. Деминский и др. Эффект плазменного катализа при разложении метана. — ХВЭ, 1997, т. ЗЗ, № 1, с.59−66.

6. L. Bromberg, D.R. Cohn, A. Rabinovich. Plasma reformer / fuel cell csystem for decentralized power applications. Preprint MIT PSFC/JA-95−14. (Статьи [6−16] доступны по адресу http://vvww.psfc.mit.edu/librarv/preprints.html в Интернете).

7. L. Bromberg, A. Rabinovich, N. Alexeev and D.R. Cohn. Plasma reforming of diesel fuel. Preprint MIT PSFC/JA-99−4.

8. L. Bromberg, D.R. Colin, A. Rabinovich, N. Alexeev, A. Samokhin, R. 0.

Ramprasad, S. Tamhankar. System optimization and cost analysis of plasma catalytic reforming of hydrocarbons. Preprint MIT PSFC/JA-99−17.

9. L. Bromberg, A. Rabinovich, N. Alexeev and D.R. Colin. Plasma Catalytic Reforming of Natural Gas. Preprint MIT PSFC/JA-99-JA-16.

10. L. Bromberg, D.R. Cohn, A. Rabinovich, N. Alexeev, J.B. Green, Jr. N. Domingo, J.M.E. Storey, R.M. Wagner, J.S. Armfield. Experimental evaluation of SI engine operation suppliment by hydrogen rich gas from a compact plasma boosted reformer. Preprint MIT PSFC/JA-99−32. 0.

11. L. Bromberg, D.R. Colin, A. Rabinovich and N. AJexeev. Hydrogen manufactuting using low current, non-thermal plasma boosted fuel converters. Preprint MIT PSFC/JA-00−39.

12. L. Bromberg, D.R. Cohn, A. Rabinovich, J. Heywood. Emissions reductions using hydrogen plasmatron fuel conberters. Preprint MIT PSFC/JA-00−7.

13. L. Bromberg, A. Rabinovich. Homogeneous charge compression ignition control by the use of plasmatron fuel converter technology. Preprint MIT PSFC/JA-01−18!

14. L. Bromberg, D.R. Cohn, J. Heywood, A. Rabinovich. Onboard Plasmatron generation of Hydrogen rich gas for diesel engine exhaust aftertreatment and other application. Preprint MIT PSFC/JA-02−30.

15. L. Bromberg, S. Crabe, A. Rabinovich, Y. Kong, D.R. Cohn, J. Heywood, N. Alexeev, A. Samokhin. Hydrogen generation from plasmatron reformers: A promising technology for Nox adsorber regeneration6 and other automotive applications. Preprint MIT PSFC/JA-03−27.

16. K. Hadidi, L. Bromberg, D.R. Cohn, A. Rabinovich, N. Alexeev, A. Samokhin. Plasma catalytic reforming of biofiiels. Preprint MIT PSFCftA-03−28.

17. L. Bromberg, D.R. Cohn, A. Rabinovich, N. Alexeev, A. Samokhin, R. Ramprasad, S. Tamhankar. System optimization and cost analysis of plasma catalytic reforming of natural gas. International Journal of Hydrogen Energy, 25 (2000), 1157- 1161.

18. L. Bromberg, D.R. Cohn, A. Rabinovich, J.E. Surma, J. Verden. Compact o plasmatron-boosted hydrogen generation technology for vehicular application. International Journal of Hydrogen Energy, 24 (1999), 341−350.

19. H. Sekiguchi, Y.Mori. Steam plasma reforming using microwave discharge. Thin solid films, 435 (2003), pp.44−48.

20. A. Fridman, S. Nester, L.A. Kennedy, A. Saveliev, O. Mutaf-Yardimci. Gliding-arc discharge. Progress in energy and combustion science, 25 (1999), pp.211−231.

21. O. Mutaf-Yardimci. Plasma catalysis in hydrocarbon processing by using non-equilibrium plasma discharges. Dissertation abstracts international, 62 (2002), 03, p.1543.

22. A. Czernichowski, Glidarc — I Assisted Partial Oxidation of Gaseous iL.

Hydrocarbons. Proc. of 14 International Symposium on Plasma Chemistry, 2−6 August 1999, Prague, p. 2625.

23. К. Iskenderova, P. Porshev, A. Gutsol, A. Saveliev, A. Fridman, L. Kennedy, T. Rufael, «Methane conversion into syn-gas in gliding arc discharge». Proc. of 15th International Symposium on Plasma Chemistry, 2001, Orleans, p.2849.

24. У. Л. Лом, А. Ф. Уильяме. Заменители природного га за. Производство и свойства. Пер. с англ. Т. М. Пьянковой и др. М.: — Недра, 1979.

25. М. А. Репа, J.P. Gomez, J.L.G. Fierro. New catalytic routes for syngas and hydrogen production. Applied Catalysis A: General, 144 (1996), pp.7−57.

26. J.M. Cormier, I. Rusu. Syngas production via methane steam reforming with oxygen: plasma reactors versus chemical reactors. J. Phys. D: Appl. Phys., 34 (2001), pp. 2798−2803.

27. A.K. Avci, Z.I. Onsam, D.L. Trimm. On-board fuel conversion for hydrogen fuel cells: comparison of different fuels by computer simulations. Applied Catalysis A: General, 216 (2001), pp.243−256. t о.

28. A.B. Вишняков, H.B. Яковлева, В. А. Чащин, B.H. Фатеев. Возможности и ограничения методов получения и каталитической очистки водорода для топливных элементов автомобилей. Химическая технология, № 2, 2002, в разд. «Каталитические процессы», с.2−10.

29. J.D. Cobine and D.A. Wilbur. The electronic torch and related high frequency phenomena. Journal of Applied Physics. — June 1951, Volume 22, Issue 6, pp.

835−841. ь 0.

30. A. Bogaerts, E. Neyts, R. Gijbels, J. Mullen. Gas discharges plasmas and their applications. Spectrochimica Acta Part B, 57 (2002), p.609 — 658.

31. Q. Jin, W. Yang, F. Liang, H. Zhang, A. Yu, Y. Cao, J. Zhou, B. Xu. Recent advances in microwave plasma torch atomic emissiori spectroscopy, iournal of Analytical Atomic Spectrometry, May 1998, Vol. 13, pp.377 — 384.

32. M. Moisan, G. Suave, Z. Zakrzewski and J. Hubert. An atmospheric pressure waveguide-fed microwave plasma torch: the TIA designe. Plasma Sources Sci. Technol. — 1994, 3, pp. 584−592.

33. S.I. Gritsinin, I.A. Kossyi, N.I.Malykh, M.A. Misakyan, S.M. Temchin, Y.B.

Bark. Plasma coaxial discharge as a new type of the microwave surface wave th ь discharge. Proc. of 14 International Symposium on Plasma Chemistry,.

August 2−6,1999, Prague, p. 675−680.

34. И. В. Лебедев. Техника и приборы СВЧ, т.1. — М.: Высшая школа, 1970.

—4 35. Ю. Д. Королёв, Г. А. Месяц. Физика импульсного пробоя. — М.: Наука, 1991.

36. Техника высоких температур./ Под ред. И. Э. Кэмпбелла. — М.: ИЛ, 1959.

37. Yu.M. Dmitrenko, S.A. Zhdanok, V.G. Minkina. Hydrogen generation by k о partial oxidation of rich kerosene-air mixtures in filtration combustion waves. VIII International Conference ICHMS, 2003. Hygrogen materials science and chemistry of carbon nanomaterials. Sudak — CrimeaUkraine. September 1420, 2003, pp. 998−999.

38. K.B. Добрего, C.A. Жданок. Физика фильтрационного горения газов. -Мн.: Ин-т теплои массообмена им. А. В. Лыкова НАНБ, 2002.

39. Ю. В. Иванов. Основы расчёта и проектирования газовых горелок. — М.: Гостоптехиздат, 1963.

40. Е. С. Щетинков. Физика горения газов. — М.: Наука, ь1965. 0.

41. Физические величины. Под ред. И. С. Григорьева, Е. З. Мейлихова. ~ М.: Энергоатомиздат, 1991.

42. Низкотемпературная плазма, т. 6. ВЧи СВЧплазмотроны./ Под ред. i д.т.н. C.B. Дресвин и член-кор. РАН В. Д. Русанова. — Новосибирск: Наука. Сиб отд-ние, 1992.

43. Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Т-2. Под ред. В. Е. Фортова. М.: — Наука, 2000.

44. Э. М. Базелян, Ю. П. Райзер. Искровой разряд. — М.: Изд-во МФТИ, 1997.

45. Ю. П. Райзер. Физика газового разряда. — М.: Наука, 1992. ч 46 R.M. Бате: ин, ?1.11 Климовский, Г. В. Лысов, В. Н. Троицкий. СВЧ-генераторы плазмы: Физика, техника, применение. — М.: Энергоатомиздат, 1988.

47. Е. M. Barkhudarov, S. I. Gritsinin, G. V. Dreden, V. Yu. Knyazev, V. A. ь о.

Kop’ev, I. A. Kossy, M. A. Misakyan, G. V. Ostrovskaya, and V. P. Silakov. Repetitive Torch in a Coaxial Waveguide: Temperature of the Neutral Component. Plasma Physics Reports, v.30(6), p. 531−541, June 2004.

48. A.A. Бобров, A.A. Валеева, В.M. Лелёвкин. Исследование характеристик ламинарного потока в канале СВЧ-плазмотрона. — Фрунзе: Илим, 1986.

Ь О.

49. Я. Б. Зельдович, Ю. П. Райзер. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических являений. — М.: Наука, 1966.

50. Ph.G. Rutberg. Some plasma environmental technologies developed in Russia. Plasma Sources Sci. Technol, 11 (2002), A159-A165.

51. Краткий справочник физико-химических величин, под ред. °К. П. Мищенко и А. А. Равделя, Л.: Химия, 1967.

52. Справочник по теплообменникам: В 2-х т. Т.2. Пер. с англ. под ред. О. Г. Мартыненко и др. — М: Энергоатомиздат, 1987.

53. М. Deminsky, V. Chorkov, G. Belov, I. Cheshigin, A. Knizhnik, E. Shulakova, M. Shulakov, I. Iskandarova, V. Alexandrov, A. Petrusev, I. Kirillov, M. Strelkova, S. Umanski, B. Potapkin. Chemical Workbench—.

Ь о integrated environment for materials science. Computational Materials Science, 28 (2003), pp. 169−178.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1. А. И. Бабарицкий, И. Е. Баранов, М. Б. Бибиков, С. А. Дёмкин, МА. Деминский, В. К. Животов, Г. М. Коновалов, Г. В. Лысов, A.C. Московский, Б. В. Потапкин, В. Д. Русанов, Р. В. Смирнов, М. И. Стрелкова, Н. Г. Чебаньков, Ф. Н. Чебаньков. «Плазмокаталитическая переработка углеводородного сырья и моторных топлив. Разработка бортового автомобильь о ного плазменного конвертора жидкого топлива в синтез-газ». Препринт ИАЭ-6302/13 РНЦ «Курчатовский институт», Москва, 2003, 41 стр.

2. В. Д. Русанов, А. И. Бабарицкий, И. Е. Баранов, М. Б. Бибиков, М. А. Деминский, С. А. Дёмкин, В. К. Животов, Г. М. Коновалов, Г. В. Лысов, A.C. Московский, Б. В. Потапкин, Р. В. Смирнов, Ф. Н. Чебаньков. «Неравновесное воздействие плазмы микроволнового разряда атмосферного давления на процесс конверсии метана и керосина в синтез-газ», ДАН, 2004, т. 395, № 5, стр. 637−640.

3. А. И. Бабарицкий, И. Е. Баранов, М. Б. Бибиков, С. А. Демкин, В.К. о.

Животов, Г. М. Коновалов, Г. В. Лысов, A.C. Московский, В. Д. Русанов, Р. В. Смирнов, Ф. Н. Чебаньков. Процессы парциального окисления углеводородов, стимулированные плазмой СВЧ-разряда атмосферного давления. ХВЭ, 2004, т. 38, № 6, стр. 456−460.

4. М. Б. Бибиков, E.H. Герасимов, Г. М. Коновалов, A.C. Московский, Р. В. Смирнов. Исследование процесса конверсии керосина в синтез-газ в стационарном СВЧ-разряде атмосферного давления. XLIV научная конференция МФТИ. «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук». Труды конференции. Часть IV. МоскваДолгопрудный. 23−30 ноября 2001 г., стр. 17.

5. М. Б. Бибиков, Г. М. Коновалов, А. С. Московский, Р. В. Смирнов, О. В. Сытнов. Влияние микроволнового разряда на процесс парциального окисления керосина. XLVI научная конференция МФТИ. «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук». Труды конференции. Часть IV. Москва-Долгопрудный. 28−29 ноября 2003 г., стр. 102−103.

Заключение

.