RU2788267C1 - Способ получения тепловой энергии, извлечения водорода и устройство для его реализации. - Google Patents
Способ получения тепловой энергии, извлечения водорода и устройство для его реализации. Download PDFInfo
- Publication number
- RU2788267C1 RU2788267C1 RU2022124236A RU2022124236A RU2788267C1 RU 2788267 C1 RU2788267 C1 RU 2788267C1 RU 2022124236 A RU2022124236 A RU 2022124236A RU 2022124236 A RU2022124236 A RU 2022124236A RU 2788267 C1 RU2788267 C1 RU 2788267C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- hydrogen
- plasma
- cathode
- range
- inert gas
- Prior art date
Links
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 title claims abstract description 73
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 73
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 65
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 41
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims abstract description 37
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 34
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 claims abstract description 20
- 239000003779 heat-resistant material Substances 0.000 claims abstract description 5
- 210000002381 Plasma Anatomy 0.000 claims description 25
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 17
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 13
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 claims description 13
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 claims description 9
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 claims description 9
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 claims description 6
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 6
- 238000000605 extraction Methods 0.000 claims description 5
- 238000004846 x-ray emission Methods 0.000 claims description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 5
- 238000011049 filling Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000047 product Substances 0.000 description 19
- 238000000034 method Methods 0.000 description 12
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 125000004429 atoms Chemical group 0.000 description 10
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 10
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 8
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 6
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 6
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N oxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 125000004432 carbon atoms Chemical group C* 0.000 description 5
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 5
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 4
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000003628 erosive Effects 0.000 description 4
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 4
- 238000000629 steam reforming Methods 0.000 description 4
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 3
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000002407 reforming Methods 0.000 description 3
- 210000004940 Nucleus Anatomy 0.000 description 2
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 2
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 239000002082 metal nanoparticle Substances 0.000 description 2
- 239000002923 metal particle Substances 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 2
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 2
- 229910052904 quartz Inorganic materials 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- NNMHYFLPFNGQFZ-UHFFFAOYSA-M Sodium polyacrylate Chemical compound [Na+].[O-]C(=O)C=C NNMHYFLPFNGQFZ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 235000010599 Verbascum thapsus Nutrition 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- REDXJYDRNCIFBQ-UHFFFAOYSA-N aluminium(3+) Chemical class [Al+3] REDXJYDRNCIFBQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000903 blocking Effects 0.000 description 1
- 230000003197 catalytic Effects 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 1
- 239000000571 coke Substances 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 1
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 1
- RWSOTUBLDIXVET-UHFFFAOYSA-N dihydrogen sulfide Chemical compound S RWSOTUBLDIXVET-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 1
- 238000003912 environmental pollution Methods 0.000 description 1
- -1 for example Substances 0.000 description 1
- 239000005431 greenhouse gas Substances 0.000 description 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 1
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 1
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium(0) Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atoms Chemical group [H]* 0.000 description 1
- 229910000037 hydrogen sulfide Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory Effects 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 1
- 229910052754 neon Inorganic materials 0.000 description 1
- GKAOGPIIYCISHV-UHFFFAOYSA-N neon(0) Chemical compound [Ne] GKAOGPIIYCISHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000607 poisoning Effects 0.000 description 1
- 231100000572 poisoning Toxicity 0.000 description 1
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 description 1
- 239000012265 solid product Substances 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение относится к электроэнергетике и водородной энергетике и может быть использовано в источниках тепловой энергии и попутно для получения водорода. Предложены способ и устройство для получения тепловой энергии и получения водорода. Устройство для реализации способа содержит теплообменник 8, генератор электрической энергии 4, 5а и 5б, осесимметричный плазменный реактор, включающий диэлектрическую трубу 1 из жаропрочного материала с установленными последовательно на одной оси электродным анодом 3, электродами-обострителями 6 и электродным катодом 7. На входном конце трубы со стороны анода установлены узел подачи инертного газа 15 и формирователь его вихревого потока в направлении на катод, а также узел подачи реагента 9 в виде приосевой струи в объем трубы в попутном направлении. На внешней оболочке трубы ближе к катоду установлен детектор рентгеновского излучения 12. Выходной патрубок 10 на выходном конце трубы соединен с водяным затвором 13. При этом внутренний объем водяного затвора 13 в его верхней узел части соединен трубопроводом 14 с накопителем водорода 17 и узлом подачи инертного газа 15 для обеспечения заполнения накопителя водорода и замены инертного газа на газовую фракцию продуктов плазмохимических реакций. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.
Description
Изобретение относится к электроэнергетике, водородной энергетике и может быть использовано в источниках тепловой энергии и попутно для получения водорода. Для Российской Федерации с огромной территорией, суровым климатом и вечной мерзлотой обладание эффективным источником тепловой энергии может сыграть ключевую роль для опережающего развития, особенно северных регионов.
Традиционным способом получения тепловой энергии является сжигание углеводородного топлива с выделением в атмосферу продуктов горения. Известны способы сжигания углеводородного топлива, в которых в целях повышения эффективности генерации тепловой энергии топливно-воздушную смесь обрабатывают импульсным [1] или высокочастотным [2] электромагнитным полем. Недостатками этих способов являются относительно низкая генерация тепловой энергии, невозможность одновременного получения водорода и загрязнение окружающей среды.
Наиболее распространенным и дешевым промышленным способом получения водорода является паровой риформинг метана [3], который начал широко внедряться в промышленных масштабах начиная с 1960-х гг., когда в качестве исходного сырья вместо угля стали использовать природный газ. Способ потребляет много энергии, однако по сравнению с электролизом воды на единицу потребляемой энергии в нем образуется намного больше водорода. Паровой риформинг осуществляется на никелевых катализаторах при температурах 800–1000 0С и давлениях выше 2 МПа. В процессах конверсии возникают проблемы, связанные с отравлением катализаторов сероводородом, коксообразованием и большим выбросом в атмосферу парниковых газов. Кроме того, данный способ не может быть применен для одновременного получения тепла и водорода.
В качестве альтернативы паровому риформингу метана существует способ получения водорода пиролизом метана [4] без образования СО2 по эндотермической реакции в присутствии катализаторов:
СН4 = С + 2Н2 - Q ,
где Q = 74 кДж/моль. Например, в присутствии катализатора (сплав 27% Ni – 73% Bi) конверсия метана достигала 95% при 1065°С с получением чистого водорода без образования СО2 [4]. Недостатком данного способа является то, что в процессе работы катализатор покрывается атомами углерода и требуется очистка катализатора или его замена. Кроме того, данный способ также не может быть применен для одновременного получения тепла и водорода.
В работе [5] описан технологический процесс получения водорода из природного газа в плазме СВЧ-разряда. Риформинг газа происходит в закрытом плазмохимическом реакторе проточного типа без вредных выбросов в окружающую среду в отсутствии кислорода. Источником плазмы в реакторе служит СВЧ-плазмотрон волноводного типа. Показано, что в плазме СВЧ-разряда при атмосферном давлении может быть достигнута высокая степень конверсии газа на водород и углерод с энергетическими затратами 3,3 кВтч на 1 м3 водорода. Технологический процесс позволяет кроме водорода получать из природного газа метано-водородную смесь с содержанием водорода в газе 15–50 %, которую можно использовать в качестве нового газомоторного топлива – метано-водородного топлива. Однако данный способ также не может быть применен для одновременного получения тепла и водорода.
Известны также способы и устройства для получения тепловой энергии и извлечения водорода [6 - 8], основанные на использовании плазмохимических реакций, протекающих в плазменном реакторе при взаимодействии протонов с эрозионными металлическими частицами, получаемыми в результате ионизации пара воды и электрической эрозии катода при подаче высоковольтного импульсного напряжения. В этих реакциях выделяется значительная тепловая энергия, более чем на 2 порядка превышающая тепловую энергию при химических экзотермических реакциях [9]. В связи с этим это направление открывает новые перспективы для создания дешевых и безопасных источников энергии. На экспериментальной установке, выполненной по [8], достигнута удельная тепловая мощность (при диаметре реактора 50 мм и длине 250 мм) 40 Вт/см3. Одновременно извлекался водород до 0,2 Г/с.
Последнее техническое решение является наиболее близким по технической сущности и получаемому результату и поэтому выбрано в качестве прототипа как для способа, так и для устройства.
Способ получения тепловой энергии и извлечения водорода [8] включает формирование высоковольтного электрического разряда и создание плазменного потока путем подачи комбинированного напряжения с непрерывной токовой и высоковольтной импульсной составляющими между установленными последовательно на одной оси анодным электродом, электродами-обострителями и катодным электродом, подачу инертного газа и образование его вихревого потока в направлении на катод, ввод реагента в виде приосевой струи в объем осесимметричного плазменного реактора в попутном направлении, отвод тепла через теплообменник, извлечение водорода из продуктов плазмохимических реакций с помощью водяного затвора и накопителя водорода, настройку плазменного реактора на режим работы, сопровождающийся выходом мягкого рентгеновского излучения с энергией до 10 кэВ, путем изменения параметров высоковольтной импульсной составляющей – амплитуды в диапазоне от 1 до 10 кВ, частоты в диапазоне от 1 до 100 кГц и скважности в диапазоне от 2 до 100, так чтобы рентгеновское излучение, измеряемое вблизи от катода, было в диапазоне от 1 до 10 кэВ.
Недостатками способа являются относительно низкая генерация тепловой энергии, большой расход инертного газа, недостаточный выход водорода и сложность его извлечения из газовой фракции продуктов плазмохимических реакций. Кроме этого, наличие кислорода в продуктах плазмохимических реакций понижает безопасность процесса.
Устройство для реализации этого способа [8] содержит теплообменник, генератор электрической энергии, выполненный с возможностью формирования комбинированного напряжения с непрерывной токовой составляющей и высоковольтной импульсной составляющей с регулируемыми параметрами амплитуды, частоты и скважности и подключенный к аноду и катоду, осесимметричный плазменный реактор, включающий диэлектрическую трубу из жаропрочного материала с установленными последовательно на одной оси электродным анодом, электродами-обострителями и электродным катодом, детектор рентгеновского излучения, установленный на внешней оболочке трубы ближе к катоду, установленные на входном конце трубы со стороны анода узел подачи инертного газа и формирователь его вихревого потока в направлении на катод, а также узел подачи реагента в виде приосевой струи в объем трубы в попутном направлении, выходной патрубок на выходном конце трубы, соединенный с водяным затвором, и накопитель водорода.
Недостатками устройства являются относительно низкая генерация тепловой энергии, большой расход инертного газа, недостаточный выход водорода и сложность его извлечения из газовой фракции продуктов плазмохимических реакций. Кроме того, наличие кислорода в продуктах плазмохимических реакций понижает безопасность процесса.
Технический результат предлагаемого способа состоит в повышении эффективности генерации тепловой энергии и безопасности процесса, увеличении выхода водорода и упрощении его извлечения.
Технический результат достигается тем, что в способе, включающем формирование высоковольтного электрического разряда и создание плазменного потока путем подачи комбинированного напряжения с непрерывной токовой и высоковольтной импульсной составляющими между установленными последовательно на одной оси анодным электродом, электродами-обострителями и катодным электродом, подачу инертного газа и образование его вихревого потока в направлении на катод, ввод реагента в виде приосевой струи в объем осесимметричного плазменного реактора в попутном направлении, отвод тепла через теплообменник, извлечение водорода из продуктов плазмохимических реакций с помощью водяного затвора и накопителя водорода, настройку плазменного реактора на режим работы, сопровождающийся выходом мягкого рентгеновского излучения с энергией до 10 кэВ, путем изменения параметров высоковольтной импульсной составляющей – амплитуды в диапазоне от 1 до 10 кВ, частоты в диапазоне от 1 до 100 кГц и скважности в диапазоне от 2 до 100, так чтобы рентгеновское излучение, измеряемое вблизи от катода, было в диапазоне от 1 до 10 кэВ, согласно изобретению, в плазменный реактор вводят в качестве реагента углеводородные газ или жидкость, а после выхода плазменного генератора на установившийся режим работы, сопровождающийся выходом мягкого рентгеновского излучения с энергией до 10 кэВ, отключают подачу инертного газа и вместо него подают газовую фракцию продуктов плазмохимических реакций, отделившуюся после водяного затвора, и проводят повторную настройку реактора путем изменения параметров высоковольтной импульсной составляющей – амплитуды в диапазоне от 1 до 10 кВ, частоты в диапазоне от 1 до 100 кГц и скважности в диапазоне от 2 до 100, так чтобы рентгеновское излучение, измеряемое вблизи от катода, было в диапазоне от 1 до 10 кэВ.
После настройки плазменного реактора на режим, сопровождающийся выходом мягкого рентгеновского излучения с энергией до 10 кэВ, плазма переходит в энергетическое состояние, характеризующееся сильным энергетическим возбуждением атомов. Причем возбуждены не только внешние электронные оболочки атомов, что присуще обычному состоянию плазмы, но и внутренние энергетические уровни, а также ядра атомов. Величина энергосодержания в плазме при этом составляет 100 – 10000 эВ/атом, а в обычной плазме 1 – 10 эВ/атом. Никакие химические связи не могут быть устойчивыми и разрушаются под действием такого мощного потока энергии, который генерируется в плазме. Поэтому риформинг углеводородных газов или жидкостей, подаваемых в качестве реагента в плазменный реактор, происходит сразу на 100 % до атомарного состояния без необходимости каких-либо катализаторов, что значительно повышает выход водорода. Важную роль в генерации тепловой энергии играют ионизированный водород - протоны высоких энергий (более 100 эВ) и атомы углерода, образовавшиеся в результате риформинга углеводородных газов или жидкостей, введенных в плазменный реактор в качестве реагента. Поскольку плазмохимические реакции в атомарном состоянии идут более интенсивно, чем в конденсированных средах (эрозионные металлические наночастицы), то количество выделяемой тепловой энергии в предлагаемом способе будет гораздо выше, чем в способе, принятом за прототип. При этом важным фактором является то, что в предлагаемом способе в газовой фракции продуктов плазмохимических реакций присутствуют только водород и инертный газ (кислород отсутствует), что значительно повышает безопасность процесса по сравнению с прототипом.
Подача газовой фракции продуктов плазмохимических реакций в вихреобразователь вместо инертного газа позволяет, во-первых, значительно уменьшить затраты на инертный газ, а во-вторых повысить концентрацию протонов в реакторе и тем самым увеличить количество плазмохимических реакций, а соответственно, и выделяемую тепловую энергию. Кроме того, повторная настройка реактора путем контроля рентгеновского излучения, измеряемого вблизи от катода, и изменения параметров высоковольтной импульсной составляющей - амплитуды, частоты и скважности, так чтобы рентгеновское излучение было максимальным в диапазоне от 1 до 10 кэВ при заданном потоке реагента и газовой фракции продуктов плазмохимических реакций, интенсифицирует плазмохимические реакции и еще больше повышает выделяемую тепловую энергию. Поскольку инертный газ применяется кратковременно только при розжиге плазмы, то его концентрация в газовой фракции продуктов плазмохимических реакций незначительна и со временем стремится к нулю. В этом случае не требуется очистка водорода от инертного газа с помощью газового сепаратора и способ извлечения водорода упрощается по сравнению с прототипом.
Устройство для реализации способа, содержащее теплообменник, генератор электрической энергии, выполненный с возможностью формирования комбинированного напряжения с непрерывной токовой составляющей и высоковольтной импульсной составляющей с регулируемыми параметрами амплитуды, частоты и скважности и подключенный к аноду и катоду, осесимметричный плазменный реактор, включающий диэлектрическую трубу из жаропрочного материала с установленными последовательно на одной оси электродным анодом, электродами-обострителями и электродным катодом, детектор рентгеновского излучения, установленный на внешней оболочке трубы ближе к катоду, установленные на входном конце трубы со стороны анода узел подачи инертного газа и формирователь его вихревого потока в направлении на катод, а также узел подачи реагента в виде приосевой струи в объем трубы в попутном направлении, выходной патрубок на выходном конце трубы, соединенный с водяным затвором, и накопитель водорода, согласно изобретению, внутренний объем водяного затвора в его верхней части соединен трубопроводом с накопителем водорода и узлом подачи инертного газа для обеспечения заполнения накопителя водорода и замены инертного газа на газовую фракцию продуктов плазмохимических реакций.
Соединение трубопроводами внутреннего объема водяного затвора в его верхней части с накопителем водорода и узлом подачи инертного газа обеспечивает условия для накопления водорода и замены инертного газа на газовую фракцию продуктов плазмохимических реакций, что позволяет, во-первых, снизить расход инертного газа, а во-вторых, повысить концентрацию протонов в реакторе за счет водорода в газовой фракции, а соответственно, и выделяемую тепловую энергию.
На Фиг. 1 представлена схема устройства для реализации предполагаемого способа получения тепловой энергии и водорода.
На схеме введены следующие обзначения:1 – диэлектрическая труба; 2 – формирователь вихревого потока; 3 – анодный электрод; 4 – задающий импульсный генератор высоковольтного поджига; 5а – высоковольтный источник постоянного тока; 5б – высоковольтный источник импульсного напряжения с регулированием напряжения, частоты и скважности; 6 – электроды-обострители; 7 – катодный электрод; 8 – теплообменник; 9 – узел подачи реагента; 10 – выходной патрубок; 11 – выходной трубопровод; 12 – детектор рентгеновского излучения; 13 – водяной затвор; 14 – трубопровод подачи газовой фракции продуктов плазмохимических реакций; 15 – узел подачи инертного газа; 16 – бойлер; 17 – накопитель волорола; С1, L1 – фильтр низких частот для защиты от высокочастотных импульсных помех; С2, L2 – режекторный фильтр для блокирования высокочастотных помех; L3 – катушка высоковольтного поджига; L4 – возбуждающая катушка.
В устройстве для получения тепловой энергии и водорода в диэлектрической трубе 1, выполненной из жаропрочного материала, например из кварца, керамики или композитных материалов, последовательно установлены на одной оси электродный анод 3, пассивные электроды-обострители 6, электродный катод 7, к которым подключен задающий импульсный генератор высоковольтного поджига 4, высоковольтный источник постоянного тока 5а; высоковольтный источник импульсного напряжения 5б с регулированием напряжения, частоты и скважности. Электроды 3, 6 и 7 выполнены из тугоплавкого электропроводного материала (никеля, титана, молибдена и др.). Задающий импульсный генератор высоковольтного поджига 4, предназначенный для запуска процесса образования плазмы, имеет возможность выдавать высоковольтные импульсы от 30 кВ до 60 кВ длительностью до 20 мкс с частотой от 20 кГц до 2500 кГц. Высоковольтный источник постоянного тока 5а на выходе имеет напряжение до 6 кВ и предназначен для поддержания рабочего напряжения и тока, необходимого для стабильного горения плазмы в реакторе. Высоковольтный источник импульсного напряжения 5б выдает высоковольтные импульсы до 10 кВ с регулированием амплитуды, частоты и скважности и предназначен для настройки плазменного реактора на режим интенсивного протекания плазмохимических реакций. На внешней оболочке трубы 1 ближе к катоду 7 установлен детектор рентгеновского излучения 12 с диапазоном измеряемых величин до 10 кэВ. Инертный газ (аргон, гелий, неон и др.) поступает в формирователь 2 вихревого потока, который создает вихрь инертного газа вдоль оси между электродами по направлению к катоду 7. Вихревой поток обжимает плазму и не дает ей контактировать со стенками трубы, помогает разделить тяжелые ионы и легкие электроны и водород, концентрируя последние вдоль оси вихря и обеспечивая оптимальный режим их взаимодействия с металлическими частицами реагента. Для съема тепловой энергии установлен теплообменник 8 в зоне с наиболее нагретой частью плазменного реактора на внешней оболочке трубы 1 вблизи от выходного патрубка 10. Теплообменник 8 соединен с бойлером 16. На входе трубы плазменного реактора установлен узел подачи реагента 9, предназначенный для подачи углеводородных газа или жидкости в виде приосевой струи в объем трубы 1 в попутном направлении с вихревым потоком. Узел подачи реагента 9 выполнен в виде форсунки высокого давления, с помощью которой реагент впрыскивается в плазменный реактор. К выходному патрубку 10 подсоединен через трубопровод 11 водяной затвор 13, в котором происходит разделение твердых и газообразных продуктов реакции. При этом твердые частицы оседают, а газообразные подаются через трубопровод 14 в узел подачи инертного газа 15 и накопитель водорода 17.
Рассмотрим работу устройства на частном примере, где труба 1 выполнена из кварца и имеет следующие размеры: длина 250 мм, внутренний диаметр 50 мм. Катод 7 выполнен из углерода, расстояние между электродами 3 и 7 составляет около 50 мм. В узел подачи реагентов 9 подается углеводородный газ (например, метан), где с помощью форсунки высокого давления впрыскивается в виде приосевой струи внутрь трубы 1 вдоль оси между электродами 3 и 7 по направлению к катоду 7. Одновременно подается инертный газ в формирователь вихревого потока 2, который создает вихрь инертного газа вдоль оси между электродами 3 и 7 по направлению к катоду 7, увлекая и перемешивая реагент с инертным газом. Подается напряжение от высоковольтного источника постоянного тока 5а на электроды 3 и 7 и постепенно увеличивается до рабочего (1 – 2 кВ). При этом внутри диэлектрической трубы создаётся электрическое поле между анодным 3 и катодным 7 электродами. Включается высоковольтный источник импульсного напряжения 5б и доводятся параметры импульса до рабочих значений: амплитуда в диапазоне 1 – 10 кВ, частота в диапазоне 1 – 100 КГц, и скважность в диапазоне 2 – 100. Включается задающий импульсный генератор катушки высоковольтного поджига 4, обеспечивая подачу поджигающего высоковольтного импульса 30 – 60 кВ через катушку L3 на анодный электрод 3. При этом внутри диэлектрической трубы 1 происходит электрический пробой между электродами 3 и 7, который стимулирует образование плазменного канала между указанными электродами. Установленные внутри диэлектрической трубы 1 электроды-обострители 6 облегчают процесс электрического пробоя. После образования плазменного канала задающий импульсный генератор катушки высоковольтного поджига 4 отключается и переходит в пассивный режим.
После образования плазменного канала внутри трубы 1 система прогревается и выходит на режим устойчивой работы, который характеризуется стабильностью горения плазмы, стабильностью параметров тока между электродами 3 и 7. При этом температура в плазменном канале достигает 3000 – 4000°С. При такой высокой локальной температуре и сильной ионизации под воздействием электрического поля молекулы метана частично распадаются на атомы водорода и углерода, что приводит к инициации плазмохимических реакций, когда протон Н+ в потоке соединяется с атомом углерода с выделением тепловой энергии и мягкого рентгеновского излучения. После этого проводят настройку на режим интенсивного протекания плазмохимических реакций путем изменения параметров высоковольтной импульсной составляющей - амплитуды в диапазоне от 1 до 10 кВ, частоты в диапазоне от 1 до 100 кГц и скважности в диапазоне от 2 до 100, так чтобы рентгеновское излучение, измеряемое вблизи от катода, было максимальным в диапазоне от 1 до 10 кэВ. Настройка плазменного реактора на режим интенсивного протекания плазмохимических реакций позволяет перевести плазму в такое энергетическое состояние, которое характеризуется сильным энергетическим возбуждением атомов. Причем возбуждены не только внешние электронные оболочки атомов, что присуще обычному состоянию плазмы, но и внутренние энергетические уровни, а также ядра атомов. При этом величина энергосодержания составляет 100 – 10000 эВ/атом, а в обычной плазме 1 – 10 эВ/атом. Никакие химические связи не могут быть устойчивыми и разрушаются под действием такого мощного потока энергии, который генерируется в плазме. Поэтому углеводородный газ или жидкость, а в нашем случае метан сразу распадается на 100 % до атомарного состояния без необходимости каких-либо катализаторов, что значительно повышает выход водорода. При этом интенсифицируются плазмохимические реакции между протонами и атомами углерода. А поскольку эти реакции в атомарном состоянии идут более интенсивно, чем в конденсированных средах (эрозионные металлические наночастицы), то количество выделяемой тепловой энергии в предлагаемом способе будет гораздо выше, чем в известном способе, принятом за прототип.
После этого отключают подачу инертного газа в вихреобразователь 2 и вместо него на узел подачи 15 подают по трубопроводу 14 газовую фракцию продуктов плазмохимических реакций, отделившуюся после водяного затвора и состоящую из водорода и инертного газа. Это позволяет, во-первых, значительно уменьшить затраты на инертный газ, а во-вторых повысить концентрацию протонов в реакторе и тем самым увеличить количество плазмохимических реакций, а соответственно, и выделяемую тепловую энергию. Важным фактором является то, что в газовой фракции продуктов плазмохимических реакций отсутствует кислород, что значительно повышает безопасность процесса.
Затем проводят повторную настройку реактора путем изменения параметров высоковольтной импульсной составляющей – амплитуды в диапазоне от 1 до 10 кВ, частоты в диапазоне от 1 до 100 кГц и скважности в диапазоне от 2 до 100, так чтобы рентгеновское излучение, измеряемое вблизи от катода, было в диапазоне от 1 до 10 кэВ при заданном потоке реагента и газовой фракции продуктов плазмохимической реакции. Это позволяет интенсифицировать плазмохимические реакции и еще больше повысить выделяемую тепловую энергию. При этом плазма разогревается до температур 5000 – 6000°С.
Тепловая энергия, выделяемая в реакторе, снимается в теплообменнике 8 посредством теплоносителя и идет на нагревание бойлера 16. Образовавшиеся продукты реакций захватываются вихревым потоком и выводятся под действием избыточного давления внутри диэлектрической трубы 1 через выходной патрубок 10 в водяной затвор 13, где твердые продукты оседают на дно, а газовые – подаются на узел подачи инертного газа 15 и в накопитель водорода 17. Поскольку инертный газ применяется кратковременно, только при розжиге плазмы, то его концентрация в газовой фракции продуктов плазмохимической реакции вначале существенна, но в длительном процессе по мере наработки и накопления водорода становится незначительной и со временем стремится к нулю. Поэтому на начальном этапе впускной кран накопителя водорода 17 закрыт и идет накопление водорода в верхней части водяного затвора 13, а когда концентрация водорода становится высокой, то открывается впускной кран накопителя 17 и водород начинает накапливаться в нем. В этом случае не требуется очистка водорода от инертного газа с помощью газового сепаратора и способ извлечения водорода упрощается по сравнению с прототипом.
Проведенные исследования на экспериментальной установке позволяют сопоставить результаты применения известного способа и соответствующего ему устройства и предложенного способа и устройства.
Как указано выше, в известном устройстве, реализующем известный способ, достигнута удельная тепловая мощность (при диаметре трубы реактора 50 мм и длине 250 мм) 20 Вт/см3. Одновременно с получением тепловой энергии извлекался водород до 0,2 Г/с.
На предложенной авторами экспериментальной установке достигнута удельная тепловая мощность (при диаметре трубы реактора 50 мм и длине 350 мм) 200 Вт/см3, что в 10 раз выше по сравнению с прототипом. Одновременно с получением тепловой энергии извлекался водород до 0,36 Г/с – в 1,8 раза выше чем в прототипе. Кроме того, снижен расход инертного газа в 20 раз, повышена безопасность процесса благодаря отсутствию кислорода в реакторе и упрощено извлечение водорода из газовой фракции продуктов плазмохимических реакций.
Таким образом, предложенный способ и устройство получения тепловой и электрической энергии и водорода более эффективны по сравнению с прототипом.
Использованные источники информации:
1. Патент RU №2265158, 27.11.2005.
2. Патент RU №2687544, 14.05.2019.
3. LeValley T.L., Richard A.R., Fan M. The progress in water gas shift and steam reforming hydrogen production technologies – A review // International Journal of Hydrogen Energy. – 2014. – V. 39. – P. 16983 –17000.
4. Upham D.Ch. Catalytic molten metals for the direct conversion of methane to hydrogen and separable carbon // Science. – 2017. – V. 358 – Issue 6365. – P. 917–921.
5. Жерлицын А.Г. и др. Получение водорода из природного газа в плазме СВЧ-разряда при атмосферном давлении// Газовая промышленность. – 2018, №11.
6. Патент RU №2554512, 27.06.2015.
7. Патент RU №2738744, 16.12.2020.
8. Положительное решение по заявке RU №2021138466.
9. Y. Iwamura et al., “Anomalous Heat Effects Induced by Metal Nano-composites and Hydrogen Gas”, J. Condensed Matter Nucl. Sci. 29, 119-128, 2019.
Claims (2)
1. Способ получения тепловой энергии и извлечения водорода, включающий формирование высоковольтного электрического разряда и создание плазменного потока путем подачи комбинированного напряжения с непрерывной токовой и высоковольтной импульсной составляющими между установленными последовательно на одной оси анодным электродом, электродами-обострителями и катодным электродом, подачу инертного газа и образование его вихревого потока в направлении на катод, ввод реагента в виде приосевой струи в объем осесимметричного плазменного реактора в попутном направлении, отвод тепла через теплообменник, извлечение водорода из продуктов плазмохимических реакций с помощью водяного затвора и накопителя водорода, настройку плазменного реактора на режим работы, сопровождающийся выходом мягкого рентгеновского излучения с энергией до 10 кэВ, путем изменения параметров высоковольтной импульсной составляющей – амплитуды в диапазоне от 1 до 10 кВ, частоты в диапазоне от 1 до 100 кГц и скважности в диапазоне от 2 до 100, так чтобы рентгеновское излучение, измеряемое вблизи от катода, было в диапазоне от 1 до 10 кэВ, отличающийся тем, что в плазменный реактор вводят в качестве реагента углеводородные газ или жидкость, а после выхода плазменного генератора на установившийся режим работы, сопровождающийся выходом мягкого рентгеновского излучения с энергией до 10 кэВ, отключают подачу инертного газа и вместо него подают газовую фракцию продуктов плазмохимических реакций, отделившуюся после водяного затвора, и проводят повторную настройку реактора путем изменения параметров высоковольтной импульсной составляющей – амплитуды в диапазоне от 1 до 10 кВ, частоты в диапазоне от 1 до 100 кГц и скважности в диапазоне от 2 до 100, так чтобы рентгеновское излучение, измеряемое вблизи от катода, было в диапазоне от 1 до 10 кэВ.
2. Устройство для реализации способа по п.1, содержащее теплообменник, генератор электрической энергии, выполненный с возможностью формирования комбинированного напряжения с непрерывной токовой составляющей и высоковольтной импульсной составляющей с регулируемыми параметрами амплитуды, частоты и скважности и подключенный к аноду и катоду, осесимметричный плазменный реактор, включающий диэлектрическую трубу из жаропрочного материала с установленными последовательно на одной оси электродным анодом, электродами-обострителями и электродным катодом, детектор рентгеновского излучения, установленный на внешней оболочке трубы ближе к катоду, установленные на входном конце трубы со стороны анода узел подачи инертного газа и формирователь его вихревого потока в направлении на катод, а также узел подачи реагента в виде приосевой струи в объем трубы в попутном направлении, выходной патрубок на выходном конце трубы, соединенный с водяным затвором, и накопитель водорода, отличающееся тем, что внутренний объем водяного затвора в его верхней части соединен трубопроводом с накопителем водорода и узлом подачи инертного газа для обеспечения заполнения накопителя водорода и замены инертного газа на газовую фракцию продуктов плазмохимических реакций.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2788267C1 true RU2788267C1 (ru) | 2023-01-17 |
Family
ID=
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1994004461A1 (en) * | 1992-08-14 | 1994-03-03 | Materials And Electrochemical Research Corporation | Methods and apparati for producing fullerenes |
RU2258028C1 (ru) * | 2004-01-28 | 2005-08-10 | Государственное унитарное дочернее предприятие Волгодонский центр Всероссийского научно-исследовательского и проектно-конструкторского института атомного энергетического машиностроения (ВЦ ВНИИАМ) | Способ получения водорода и устройство для его осуществления |
RU2554512C1 (ru) * | 2014-03-27 | 2015-06-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Нью Инфлоу" | Способ получения тепловой и электрической энергии и устройство для его реализации |
RU2738744C1 (ru) * | 2019-12-31 | 2020-12-16 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва" | Способ получения тепловой и электрической энергии и устройство для его реализации |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1994004461A1 (en) * | 1992-08-14 | 1994-03-03 | Materials And Electrochemical Research Corporation | Methods and apparati for producing fullerenes |
RU2258028C1 (ru) * | 2004-01-28 | 2005-08-10 | Государственное унитарное дочернее предприятие Волгодонский центр Всероссийского научно-исследовательского и проектно-конструкторского института атомного энергетического машиностроения (ВЦ ВНИИАМ) | Способ получения водорода и устройство для его осуществления |
RU2554512C1 (ru) * | 2014-03-27 | 2015-06-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Нью Инфлоу" | Способ получения тепловой и электрической энергии и устройство для его реализации |
RU2738744C1 (ru) * | 2019-12-31 | 2020-12-16 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва" | Способ получения тепловой и электрической энергии и устройство для его реализации |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN109200970B (zh) | 低温等离子双电场辅助气相反应合成化合物的装置和应用 | |
Ong et al. | Application of microwave plasma technology to convert carbon dioxide (CO2) into high value products: A review | |
RU2425795C2 (ru) | Установка для получения водорода и углеродных наноматериалов и структур из углеводородного газа, включая попутный нефтяной газ | |
Sun et al. | Large capacity hydrogen production by microwave discharge plasma in liquid fuels ethanol | |
US11148116B2 (en) | Methods and apparatus for synthesizing compounds by a low temperature plasma dual-electric field aided gas phase reaction | |
Bulychev et al. | Plasma discharge in liquid phase media under ultrasonic cavitation as a technique for synthesizing gaseous hydrogen | |
Yin et al. | CO 2 conversion by plasma: how to get efficient CO 2 conversion and high energy efficiency | |
Jasiński et al. | Production of hydrogen via conversion of hydrocarbons using a microwave plasma | |
Liu et al. | Plasma-assisted ammonia synthesis in a packed-bed dielectric barrier discharge reactor: effect of argon addition | |
Jasiński et al. | Hydrogen production via methane reforming using various microwave plasma sources | |
Li et al. | Hydrogen production from partial oxidation of methane using an AC rotating gliding arc reactor | |
Hu et al. | Conversion of methane to C2 hydrocarbons and hydrogen using a gliding arc reactor | |
Bugaev et al. | Plasma-chemical conversion of lower alkanes with stimulated condensation of incomplete oxidation products | |
Rathore et al. | Microplasma ball reactor for JP-8 liquid hydrocarbon conversion to lighter fuels | |
RU2393988C1 (ru) | Устройство для плазмохимической конверсии углеводородного газа | |
RU2788267C1 (ru) | Способ получения тепловой энергии, извлечения водорода и устройство для его реализации. | |
Zhou et al. | Hydrogen production by reforming methane in a corona inducing dielectric barrier discharge and catalyst hybrid reactor | |
RU2522636C1 (ru) | Свч плазменный конвертор | |
Czernichowski | Gliding discharge reactor for H2S valorization or destruction | |
WO2019037725A1 (zh) | 低温等离子双电场辅助气相反应合成化合物的方法和装置 | |
RU2417250C1 (ru) | Способ переработки природного газа в жидкие углеводороды | |
Mishra et al. | Conversion of methane to hydrogen via pulsed corona discharge | |
RU2780263C1 (ru) | Способ получения тепловой и электрической энергии, водорода и устройство для его реализации | |
Kuznetsov et al. | Conversion of Methane in Plasma of Pulsed Nanosecond Discharges | |
Al-Mayman et al. | Syngas production in methane decomposition in the plasma of atmospheric pressure high-voltage discharge |