WO2001009031A1 - Convertidor de plasma de combustibles fosiles en un gas rico en hidrogeno - Google Patents

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WO2001009031A1
WO2001009031A1 PCT/ES2000/000040 ES0000040W WO0109031A1 WO 2001009031 A1 WO2001009031 A1 WO 2001009031A1 ES 0000040 W ES0000040 W ES 0000040W WO 0109031 A1 WO0109031 A1 WO 0109031A1
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WO
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fuel
reactor
hydrogen
heater
plasma
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PCT/ES2000/000040
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Inventor
Fateev Vladimir
Boris Potapkin
Victor K. Jivotov
Ricardo Blach Vizoso
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David Systems Technology, S.L.
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/342—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents with the aid of electrical means, electromagnetic or mechanical vibrations, or particle radiations
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/46—Generating plasma using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/46—Generating plasma using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy
    • H05H1/461—Microwave discharges
    • H05H1/4622—Microwave discharges using waveguides

Definitions

  • the object of the present invention is a plasma converter of fossil fuels in a gas rich in hydrogen.
  • This converter comprises a heater, a mixing chamber, a reactor all connected in series and a microwave energy source (MCN) for the reactor, this converter being able to produce a high content gas from traditional fossil fuels in hydrogen in order to increase the performance of an internal combustion engine.
  • MN microwave energy source
  • This invention relates to the production of a hydrogen rich gas from hydrocarbons.
  • Hydrogen is attractive for use as a fuel, as an additive for internal combustion engine fuels because its presence can significantly change the chemical properties of the fuel and can significantly reduce the contamination of combustion products [the effect of use The addition of hydrogen to the fuel is to increase the performance of an internal combustion engine by 10-50%. See Mishchenko, et al., Proc. Vil World Hydrogen Energy Conference, Vol 3
  • the energy for the conversion process can be provided either by preheating the gas mixture or by exothermic reactions (for example, the total or partial oxidation of hydrocarbons) or by heating with electrical energy.
  • plasma can be used as a catalyst for chemical processes (plasma treatment of preheated reactants). See VD Rusanov, K. Etivan, AI Babaritskii, IE Baranov, SA Demkin, VK Jivotov, BV Potapkin and EI Ryazantsev, The Effect of Plasma Catalys ⁇ s by the Example of Methane Dissociation into Hydrogen and Coal (The effect of plasma catalysis by the example of dissociation of methane into hydrogen and carbon), Dokl.
  • Hydrogen is a highly flammable substance that requires complex and expensive storage systems.
  • implementation of a Global distribution network of hydrogen implies economic costs and a timescale that are unapproachable even by developed countries.
  • the second is "the instant response”: how quickly a car responds when the driver steps on the accelerator.
  • a gasoline engine responds in thousandths of a second, but a reformer who reacts slowly would be considered a slow car and the driver would reject it.
  • Phase 1 of this program includes an analysis of the various fuel reformers, on-board hydrogen storage technologies and hydrogen infrastructure needs.
  • Phase 2 will involve the development and testing of a 10 kW reformer and a 1 kg capacity hydrogen storage unit.
  • Alternatives to the direct supply of hydrogen to the fuel cell include: liquefied hydrogen, compressed hydrogen, carbon absorption and storage in the form of hydrides.
  • Liquefied hydrogen has been tested in several vehicles since the 1970s in the United States and other countries.
  • the volume and density density of liquefied hydrogen when used with a fuel cell is the same or better than diesel fuel used with an internal combustion engine.
  • the disadvantages are the high liquefaction energy, handling problems and the inevitable release of evaporated gas.
  • Compressed hydrogen is the simplest on-board technology to conceptualize and would benefit from recent advances in composite materials and improvements in the costs of progress in natural gas vehicles.
  • High-pressure tanks constructed with advanced materials would provide a reasonable weight behavior, although only marginally volumetric behavior.
  • the technical aspects to be solved include cylinder permeability, tank design standards for higher pressures and hydrogen compressor design for refueling.
  • Steam reforming This process basically represents a catalytic conversion of methane and water (steam) into hydrogen and carbon dioxide through three main stages.
  • SR Steam reforming
  • Partial oxidation It is an exothermic process by which hydrogen and carbon dioxide are produced from hydrocarbon fuels (gasoline and others) and oxygen (or air). PO processes have a number of important advantages over SR processes. Companies such as Arthur D. Little (EPYX), Chrysler Corp. and Hydrogen Burner Technologies (all from the USA) have announced plans to develop PO converters.
  • the stages of the EPYX PO converter are: 1 .- vaporization of the fuel (gasoline) by the application of heat, 2.- the vaporized fuel is combined with a small amount of air in a partial oxidation reactor, producing hydrogen and carbon monoxide , 3.- the vapor on carbon monoxide reacts with a catalyst to convert most of the carbon monoxide into carbon dioxide and additional hydrogen, 4.- in the referred oxidation stage, the injected air reacts with the remaining carbon monoxide on the catalyst forming carbon dioxide and water vapor, producing hydrogen rich gases.
  • Autothermal reforming In this exothermic process, the hydrocarbon fuel reacts with a mixture of water and oxygen. The energy released by the oxidation reaction of the hydrocarbon activates the steam reforming process. Companies such as Roll-Royce / Johnson-Matthew (UK) and International Fuel Cell / ONSI (USA) are working on the development of the AR process.
  • Plasma-assisted hydrocarbon conversion There is another concept of plasma-assisted hydrocarbon conversion.
  • a cold non-thermal plasma is used as a source of active species, in order to accelerate chemical reactions.
  • the energy needs of the process can be met, in this case, through thermal energy (low temperature) and thus the plasma acts as a catalyst.
  • Plasma can be produced by the action of very high temperatures, and intense electric fields, or intense magnetic fields. In these discharges, free electrons acquire energy from an imposed electric field and lose this energy due to collisions.
  • the plasma of an incandescent discharge is characterized by high electron temperatures and low gas temperatures and has electron concentrations of approximately 109 to 1012 cm 3 and has an absence of thermal equilibrium that makes possible a plasma in which the gas temperature It may be close to the environment in order to obtain a plasma in which the electrons are sufficiently excited to cause the breakage of the molecular bonds.
  • Cold non-thermal plasma In a cold non-thermal plasma, only charged particles (electrons, ions) acquire energy from the applied electric field and the neutral particles remain at approximately the same temperature.
  • Cold non-thermal plasma can be created by an incandescent electric shock normally operated under reduced pressure.
  • Incandescent discharge plasmas are also suitable for promoting chemical reactions involving thermally sensitive materials. Relatively few basic experimental papers have been published. on the structure / rejected correlation of polymerization membranes with modified surface. The power used to prepare the membranes varies from 30 to 150 W, with the polymerization time being 60 to 3,000 s).
  • the electrical energy necessary to maintain the plasma state can be transmitted to a gas by resistive coupling with internal electrodes, by capacitive coupling with external electrodes, or by inductive coupling with an external bovine or, in the case of microwave discharge, by means of a slow wave structure. Because of the many reactive species in different plasmas, it has not been possible to fully explain the mechanisms of chemical reactions in a plasma. It is well known that fossil fuels and the methods currently used to obtain useful energy (electricity, mechanical movement, etc.) are very inefficient. The most efficient internal combustion engines used for daily transport achieve maximum yields of 32%. This implies that 68% of the available fuel energy is not used to obtain mechanical energy (movement), but is lost.
  • thermodynamics which is set (for a four-stroke engine that uses gasoline) at 43%.
  • the best engines used are still far from maximum performance.
  • the amount of pollution generated by the combustion (oxidation) of fossil fuels has become a growing problem that affects the entire biosphere.
  • the MPCR proposes a better solution to the use of fuels Fossils being a system that can reform / convert fossil fuels into a synthetic fuel (SF), by a chemical process that requires little energy and does not produce undesirable by-products.
  • the improved fuel is characterized in that it is safer from an environmental point of view, as well as suitable for more types of energy conversion processes that, in addition, can be more effective.
  • the MPCR will have great commercial implications.
  • the reduction of pollutant emissions would encourage environmental protection agencies, such as the US EPA and the California Air Resources Board, to adopt zero emission standards, already required by California, using a process similar to proposed by DAVID, within this decade. Which, in turn, would drive the rapid and widespread use of such a system in nations with a high density of vehicles such as the United States and Canada.
  • the DAVID patent differs from those known in the application of a special type of discharge (frequency, voltage, etc.), the process conditions (reaction time, flow rates of the reactants, etc.) and the special construction of the system (shape of the electrodes, reactor, etc.).
  • the main difference between the MPCR and other patented technologies to date is the formation in the MPCR of a specific cold plasma, with an electron temperature greater than the gas temperature.
  • This plasma is achieved by a combination of a special microwave discharge in electrodes of a special design.
  • the two components of the synthesis fuel (SF), H 2 and CO, produced by cold plasma processes in a non-equilibrium state, are good fuels for an internal combustion engine.
  • the emissions of C0 2 and NOx are 90% lower than those driven by gasoline, in the case of a fuel cell, a CO separation membrane (or a converter of special catalytic type).
  • the sulfur content (and its typical compounds) in liquid fossil fuels partially evaporates and takes part in the MPCR process.
  • the emissions will be lower in higher oxides but higher in sulfur compounds at a lower oxidation stage (lower emissions of sulfur alkali and hydrogen sulfide that are easier and more economical to eliminate with existing catalytic converters).
  • synthesis fuel SF
  • MPCR Catalytic Plasma Reactor / Reformer
  • the immediate start of the engine is one of the main aspects to solve.
  • the fuel system fueled with gasoline looks complemented by an injection system with a modified controller, based on the principle of "Injection System with Programmed Admission", suitable for engines driven by the ignition of a hydrogen spark.
  • the SF power system is based on the use of an electronic control assembly that transforms the output signals of the sensors of the engine cycle parameters that determine the optimal air-to-fuel ratio.
  • a very simple technique to mount the injectors on the ICE for the SF allows their installation without changing the cylinder head.
  • the modified ICE is an economical (low cost) way to adapt a conventional ICE to work with SF, while maintaining the normal fuel supply.
  • the initial operation until the MPCR begins to produce the hydrogen necessary for the operation of the fuel cell can be the electrical energy accumulated in batteries.
  • the batteries would provide power to the MPCR. (electrical and thermal energy through electrical energy.
  • the installation consists of an arc plasmatron integrated with a chemical reactor, a heat exchanger, internal combustion engine and electricity generator for the plasmatron.
  • the fuel is vaporized and heated to 1000 ° C during the passage through the heat exchanger. Heating to a higher temperature can cause fuel to decompose and resinous precipitation on the relatively cold walls of the fuel supply channels.
  • the development of the heat exchanger with a working temperature exceeding 1400 ° C is an extremely complex problem and can produce an essential increase in the cost of the system.
  • the fuel vapors, heated in the heat exchanger are directed inside the arc plasmatron. Preheated steam is also supplied inside the arc plasmatron. Cold water is used for cooling the plasmatron walls. During this process, the water is heated and vaporized.
  • the water vapor is heated to 1300 ° C and is directed into the plasmatron.
  • water and fuel vapors gain the energy necessary for heating at 2400 ° C, perform the chemical vapor conversion reaction and, after mixing well, enter the chemical reactor
  • the vapors are converted into synthetic gas, which leaves at a temperature of 1400 ° C.
  • the temperature reduction is a result of the endothermic reaction that takes place.
  • Excess heat is removed by water that cools the walls of the chemical reactor.
  • the hot synthetic gas which passes through the heat exchanger, provides heat to the fuel and water vapors and, after cooling to 400 ° C, enters the internal combustion engine.
  • the plasmatron energy supply is obtained by the internal combustion engine.
  • the approximate installation parameters estimated based on thermodynamic calculations, are indicated below.
  • the installation is calculated for an internal combustion engine with a power of 50 kW.
  • Arc plasma with chemical reactor Power 2.5 kW
  • Plasmatron power essentially reduces engine power, so that an important load is not needed to cool the system.
  • Hot gas flow (1400 ° C) 1, 1 l / sec.
  • the installation aims to produce synthetic gas from gasoline with the subsequent use of an electrochemical generator (ECG) for electricity generation.
  • ECG electrochemical generator
  • the installation consists of an arc plasmatron in which the water and gasoline vapors are heated, a chemical reactor, in which the steam conversion reaction takes place, and a heat exchanger, in which the hot synthetic gas It passes its thermal energy to the fuel and water vapors.
  • water vapors and gasoline vapors, heated and well mixed in the plasmatron are directed into the chemical reactor.
  • Synthetic gas is formed in the reactor.
  • the temperature of the synthetic gas is reduced due to the endothermic chemical reaction. With the help of water cooling, the temperature of the synthetic gas is reduced to 1400 ° C and at that temperature the synthetic gas is directed into the heat exchanger.
  • the thermal energy of the synthetic gas in the chemical reactor is sufficient to produce the evaporation of all the water required for the reaction.
  • the water and gasoline vapors are heated to 1000 ° C because of the thermal energy of the synthetic gas and then enter the arc plasmatron. one .
  • Arc Plasmatron Power 45 kW
  • Hot gas flow (1400 ° C) 12 l / sec.
  • the installation intends to produce synthetic gas with the subsequent use of an ECG.
  • the basic blocks of the installation are arc plasmatron, chemical reactor and heat exchanger.
  • the plasmatron power can be reduced by almost 40%.
  • the flow of gasoline increases at the same time to 30%.
  • the synthetic gas obtained is diluted in half with nitrogen.
  • the absence of water in the process requires the application of a different system for the plasmatron walls and the chemical reactor.
  • the cooling system must be able to cover 40 kW of thermal power.
  • Plasmatron power supply 2.1 Transformer Dimensions: 2.0 x 2.0 x 1.5 m
  • the exhaust gases of internal combustion engines have a temperature of approximately 800 ° C. Thermodynamic calculations show that this temperature is sufficient to perform the vapor conversion reaction for a considerable part of the gasoline. But the kinetic restrictions do not allow the conversion in a reasonable time.
  • the periodic pulse MCW discharge treatment in methane previously heated to 800 ° C increases the degree of methane conversion three times, although the average MCW energy discharge consists of only 10% of the preliminary heating. The degree of methane conversion achieves the thermodynamic equilibrium value.
  • the installation consists of an internal combustion engine whose heat is used to heat gasoline vapors and water vapors.
  • the fumes they enter the chemical reactor, where they are treated by the periodic discharge of MCW pulses.
  • MCW pulses Under the influence of the discharge, a considerable part of the gasoline-vapor mixture is converted into synthetic gas which, together with the unreacted hydrocarbon vapors, enters the internal combustion engine.
  • this scheme does not require the total conversion of the gasoline-steam mixture. Only 10% of the hydrogen present in the fuel mixture significantly increases engine performance, reducing toxic emissions and improving engine efficiency.
  • the facility aims to produce synthetic gas on board cars for use in ECG. It consists of a chemical reactor in which the conversion of gasoline with steam is carried out at the expense of the energy of partial oxidation.
  • a microwave generator is used for the acceleration of the reaction. Microwave radiation is directed inside the reactor, where chemically active particles are generated under the influence of microwave radiation. Active particles, which participate in chain processes, essentially accelerate the conversion of gasoline.
  • the heat exchanger is used to recover heat from the generated synthetic gas.
  • Hot gas flow (1000 ° C) 17 l / sec.
  • the scheme of the installation differs from the previous one only by the productivity and change of air by oxygen.
  • the amount of water is selected so that, under stoichiometric conditions, the temperature of the chemical reactor is 1000 ° K.
  • the content of the installation, its approximate parameters and the flow of reactants are shown for a productivity of 10,000 m 3 of synthetic gas per hour.
  • Average radiation power 200W large equipment content a) high voltage and power transformers; b) rectifier and power regulators; c) generator blocks with magnetrons; d) MCW channels; e) control console.
  • the power equipment requires for its placement 150 m 2 of open area. Other equipment is placed in a covered compartment with an area of 70 m 2 . Pulse power 600 kW
  • the main disadvantages of the thermal plasma technique are a fairly high energy consumption and a high operating temperature.
  • Discharge model to determine the primary discharge parameters, which are essential for chemical reactions in the plasma reactor.
  • the first stage is closely linked to the analysis of the available experimental results and provides the exhaustive construction of a physical model of the evolution of the discharge, which is in accordance with the experimental facts.
  • the second stage will determine the contributions of the different hydrocarbon conversion mechanisms to the predefined discharge conditions through the development of a physical-chemical discharge model. The results of this model generation can be used to improve the specific performance of a reactor by changing the discharge parameters.
  • the physical model of microwave discharge evolution will provide the primary plasma parameters, such as electron and ion concentrations, their average energies, the temperature of the gas as a function of time and their spatial distributions. It is useful to subdivide the evolution of the download into three different stages:
  • stage of quasi-equilibrium discharge in which there are filaments with a plasma almost in equilibrium
  • this model provides the value of the quasi-stationary field in the channel. These values can be compared with the experimental data for the intensity of the electric field and electron concentrations. Since the concentration of electrons in the channel provided by the frontal plane theory is relatively small ( ⁇ e of approximately 3 * 10 14 1 / cm 3 ), it is quite difficult to measure this amount from spectroscopic studies. However, the value quoted before ⁇ e agrees with the estimation of ⁇ e ⁇ 10 15 1 / cm 3 of the hydrogen line dispersion analysis. It should be mentioned that hydrogen plasma is more suitable for experimental measurements due to the more precise structure and well-known affordable kinetics and deviation parameters, not only for the fundamental state, but also for required excited states. This is the reason for the use of a hydrogen plasma in the first stage as a convenient sample environment for the discharge model.
  • the deviation in the case of hydrogen plasma may be due to impurities in the bulk gas, such as 1% water.
  • the temperatures of the electrons, which correspond to these field intensities are approximately 2eV.
  • An alternative way to determine this quantity is the population analysis of excited states of hydrogen, based on line intensities.
  • the rate of heating of gas in the plasma can determine the onset of the quasi-liquid state due to the heat instability of the ionization in the streamer channel.
  • the gas heating rate was determined by solving the kinetic equation for the energy of electrons and finding the contribution of each elementary process in the heating of the gas, taking into account the conservation of energy in some degrees of freedom.
  • the vibration energy can be expected to be stored without relaxation in translational and rotational degrees at least at low temperatures.
  • the simulation gives a temperature increase of approximately 100 K in the course of the first 100 ns. This value is sufficient to initiate heat instability of the ionization in the channel if pressure relaxation occurs fairly quickly.
  • the characteristic hydrodynamic time is approximately 100 ns for hydrogen and somewhat longer for methane.
  • the instability of the ionization in the streamer channel seems to be responsible for the thermalization of the channel by approximately 100 ns in hydrogen, since the experiment shows a sharp increase in gas temperature and electron concentration after approximately 200 ns in hydrogen and 400 ns in methane.
  • the concentration of electrons in the quasi-equilibrium state is determined from the assumption that the thickness of the skin layer is approximately the radius of the streamer. This assumption produces a concentration of electrons of approximately 10 16 1 / cm 3 , which reasonably matches the experimental value of approximately 5 * 10 16 1 / cm 3 .
  • the temperature of the experiment gas (approximately 5000 K in methane) is slightly lower than the equilibrium temperature for this concentration (approximately 6000 K) and thus provides the quasi-equilibrium state of the plasma.
  • the "cover" region near the channel is quite difficult to measure due to the small concentrations of electrons in it.
  • the concentration of electrons in this region depends on the concentrations of impurities in the gas (which can take part in the process of photoionization and ionization by association). This fact creates serious restrictions on the discharge model near the hot runner.
  • Figure 7 shows the dependence of the process time on the temperature at which the process is carried out.
  • the process time is the same as in the case of methane decomposition (see previous report), only at temperatures below 1500 K.
  • the limiting stage is the dissociation of methane CH4 ⁇ CH3 + H and at temperatures above 1500 K the limiting stage is the decomposition of acetylene.
  • This reaction is endothermic, but if oxygen is added to the incoming mixture, the reforming process is exothermic.
  • This process can be used to receive hg, which will burn in an internal combustion engine or on-board fuel cell.
  • reaction mixture was initially heated and after passing through the reactor, where a periodic discharge of high voltage pulses starts and stimulates the steam reforming reaction, there is also a reformer design that can be used for hg generation , where the h.g. burns in a fuel cell
  • the object of the invention is a plasma converter to convert hydrocarbons into hydrogen-rich gas.
  • the converter includes a heater, a mixer, reactor and microwave source connected to the reactor.
  • a periodic pseudo-corona impulse discharge of Microwave is used to accelerate the conversion process inside the reactor.
  • a pseudo-corona discharge is generated by a set of metal edges introduced into the microwave resonator in the region of maximum electric field.
  • Pulse duration, period-pulse pulse duration ratio, specific energy input, temperature at the reactor inlet a plasma-catalytic character is generated to the conversion process.
  • a plasma-catalytic conversion process is distinguished by its high specific productivity and its low electrical energy requirement at the lower temperature limit.
  • the proposed reactor makes it possible to carry out the process of converting fuel (petroleum, kerosene, diesel fuel, etc.) with steam, with steam-oxygen (steam-air) and also partial oxidation with air in hydrogen-rich gas.
  • fuel petroleum, kerosene, diesel fuel, etc.
  • steam-oxygen steam-air
  • Most of the energy, thermodynamically required to carry out a given process, is supplied to the system as thermal energy from the heater at the expense of heat recovery at the reactor outlet, and also (in case of vapor-oxygen conversion or partial oxidation) at the expense of partial combustion of fuel in the mixer.
  • the heater may include (in case of steam conversion) an arc plasmatron.
  • Supersonic injectors can be used in the mixer, which provide an effective mixture of the initial reactants in less than 10 "3 -1 0 " 5 sec
  • Modern technology allows the proposed device to be built for both a high-production stationary system and the compact design for installation in vehicles.
  • the use of hydrogen-rich gas production equipment from hydrocarbons on board vehicles makes it possible to avoid the use of hydrogen deposits at board.
  • the combined use of the proposed devices (use of adapted internal combustion engines for mixing hydrogen-rich gas and gasoline) on board allows the significant decrease of pollution and increase engine performance.
  • the engine performance characteristics are improved without radical changes in its design.
  • the application of the proposed equipment is its use with the fuel cell to generate electricity that is supplied to the electric motor of the vehicle.
  • the experimental setup shown in Figure 8, consists of: technological block (represented by the dashed line in Figure 1); reagent feed system (fuel, water, air); water supply system modulator, MCW generator, waveguide
  • Water and fuel evaporate in Evaporator 1 and Evaporator 2 and at temperatures greater than their corresponding boiling temperatures, they are fed: water - at the entrance of the heater 2 (arc plasmatron), the fuel - at the entrance of the mixer.
  • the temperature of the water vapor should be sufficient to avoid the condensation of steam during the feeding in the heater 2.
  • the temperature of the steam fuel should be sufficient to avoid the condensation of steam during the feeding in the mixer.
  • the air is heated to a temperature greater than the boiling temperature of the water and is fed with steam at the inlet of the heater 2.
  • the air temperature should be sufficient to prevent condensation of water vapor in the mixture at the inlet of heater 2.
  • the water vapor and the air mixture are heated to an average temperature of the fixed mass depending on the regime chosen (see Tables 2, 3, 4 and 5) and fed into the mixer inlet.
  • the operating regimes of the technology block are determined by the change in power of the heater 2 and / or the changes in the consumption of initial reactants.
  • the heated mixture of reactants is treated by a pseudo-corona microwave discharge of periodic impulse.
  • the products of the process are cooled in the heat exchanger, the condensed phase is separated (water and unreacted fuel, and in some cases coal) in the cyclone heat exchanger.
  • the synthetic gas obtained is sent to the chromatographic analysis. At point “16", the consumption of gas phase products is determined. Necessarily, the consumption of unreacted water and fuel in the liquid phase is determined in item "17".
  • the discharge trigger and the MCW input device constructively enter the technology block.
  • the discharge trigger is a pivot of pointed tungsten, introduced into the reactor in the MCW field, to initiate the microwave discharge of pseudo-corona effect.
  • the measuring points (points "4-1 5") of the main parameters of the technology block are shown in Figure 1.
  • the nominal values of the parameters of the technological block (consumption of reactants, temperature regimes) for the basic regimes of the reaction scheme are shown in Tables 1, 2, 3 and 4.
  • the MCW installation modulator produces a series of periodic voltage pulses, essential for the operation of the MCW generator with the MCW input device.
  • the main parameters of MCW radiation duration of the radiation pulse - 0.1, 1 mks; pulse repetition frequency up to 1 kHz; impulse power - up to 50 kW; medium power - up to 50 W; radiation wavelength - 3 cm
  • the input reactants are fed into the input of the technology block under normal conditions (points 1, 2, and 3 in Figure 1).
  • the cooling water has nearby parameters at the inlet, pressure - 3 atm. temperature - 15 ° - 25 ° C
  • FIG. 9 A diagram of the arrangement of nearby elements of the technological block is shown in Figure 9: heater 2 (arc plasmatron), mixer, reactor, discharge trigger, MCW input device and TC thermocouple group, (the index corresponds to the measurement point in the diagram) for the control of the temperature regime of the block.
  • heater 2 arc plasmatron
  • mixer mixer
  • reactor reactor
  • discharge trigger MCW input device
  • TC thermocouple group the index corresponds to the measurement point in the diagram
  • the diameter of the pipe is 20 mm.
  • the power of the plasmatron is 300 W - without considering the coefficient of plasmatron performance, losses, etc.
  • Work gas water vapor, water vapor mixture with air.
  • thermocouples TC 4 and TC 5 are incorporated in the plasmatron.
  • the TC 9 thermocouple is active and measures the radial temperature distribution at the plasmatron outlet - at the mixer inlet. The possibility of removing the thermocouple from the cross section of the pipe is provided.
  • the parameters of a mixed component are set by the working regime of the arc plasmatron.
  • the mixing time is 10 "4 s.
  • the temperature of the gas after mixing is 500-1560 K.
  • the TC 6 thermocouple is incorporated in the mixer.
  • the TC 10 thermocouple controls the temperature of the gas after mixing in the center of the pipe. The possibility of removing the thermocouple from the cross section of the pipe is provided.
  • the head end reactor is closed by the metal wall MC with holes for the spectral diagnosis of the discharge and a GW sight glass of vacuum glass.
  • the MC wall serves to reflect the MW radiation in the direction of the MCZ DZ discharge zone.
  • the distance between MC and the axes of the MCW radiation entering the device is of the order of 5-10 cm.
  • the "cyclonic" heat exchanger may be connected to - 5?
  • the arrangement of the technology block in this case is horizontal.
  • the reflection of the MCW radiation in the direction of the discharge zone of the mixing zone is obtained by reducing the cross-section of the pipe at the mixer outlet from 20 mm to 15 mm.
  • the MCW radiation input device is a rectangular waveguide that has a cross section of 24 x 11 mm.
  • the wide waveguide wall is oriented along the pipe.
  • the wide wall is 150 mm long.
  • the sealant made of material transparent to the radiation of MW has been arranged.
  • the wheelbase of the input device and the discharge area of MW is of the order of 5 to 10 cm.
  • the initiator of the discharge is a pointed tungsten bar that has a diameter of the order of 2 mm.
  • the initiator is active in the radius of the pipe and there is the possibility of removing the tungsten bar from the cross section of the pipe.
  • the TC ⁇ thermocouple controls the radial temperature distribution of the pipe.
  • the temperature range is 300 to 1 560 K.
  • the thermocouple is active in the radius of the pipe and there is the possibility of removing the thermocouple from the cross section of the pipe.
  • the distance from the discharge zone DZ to the inlet to the reactor-outlet of the mixer is minimal and is defined by particularities of construction of the block elements.
  • the nominal parameters of the process were calculated for the characteristic regimes of the experimental investigations, in order to determine the pattern of consumption of reactants. This data is used for the design of the installation project.
  • the energy input defines the process temperature regime and the value of the degree of equilibrium of the conversion. In the experimental investigations two main regimes are given: varying the power W 4 to a constant consumption of initial reactants Q (Table 1) and varying the consumption of the initial reactants Q at constant heating power W 4 (Table 2).
  • the W MCW ev / W 4 ratio is constant and equal to approximately 15%.
  • the degree of conversion ⁇ corresponds to the degree of conversion of the fuel.
  • the device of our invention serves to carry out the piasmacatalytic processes for the conversion of fossil fuels into synthetic gas rich in hydrogen (mixture of hydrogen with carbon monoxide)
  • the main processes of fuel conversion are:
  • the reagents, before entering the plasmacatalytic reactor area, are preheated to the temperature at which the scale and equilibrium of conversion is sufficient for the reactor. This temperature, as a rule, is too low for the process to be carried out in an acceptable time (kinetic braking).
  • the treatment of reagents previously heated by plasma allows, through chain processes with the participation of the particles chemically active, eliminate kinetic limitations and reach the equilibrium value of the reagent conversion scales.
  • the main part of the device object of the invention is the plasmacatalytic reactor ( Figure 10), in which the previously heated reagents are treated by the periodic microwave pulse discharge of pseudo corona effect.
  • the reactor is a metal tube (1 in Figure 10) of round section which serves both to transport the gas and as a waveguide for the propagation of microwave radiation.
  • Microwave radiation enters the reactor through a standard rectangular waveguide (2) (wave type H01) through the communication hole (3).
  • the communication hole is closed by the hermeticizer (8), transparent for microwave radiation to avoid disturbance of the gas dynamics parameters and to isolate the waveguide conduit from the reactor volume.
  • the wide wall of the rectangular waveguide is along the axis of the tube in which the wave type H1 1 is excited in the round waveguide. The distribution of the electric field E in the rectangular and round waveguides is described in drawings 2 and 3.
  • the diameter of the reactor is chosen under the condition that other (higher) types of waves are not excited in the round waveguide, except the wave of the main type H 1 1.
  • the next type of wave is type E01. Compliance with the condition indicated above leads to the need to maintain the following relationships for diameter D:
  • Lo is the wavelength of microwave radiation in free space
  • Icr the critical wavelengths in the round waveguide for the corresponding wave types
  • the condition for the diameter of the reactor is taken from the indicated ratios:
  • the heated reagents enter the reactor from the mixing block (1 1 in Figure 10) through the reagent inlet element (4).
  • the mixer represents an apparatus with three reagent input systems.
  • the first reagent input system (10) is installed on the system axis. Through it, the heated water vapor (process j), or the heated steam-air mixture (k), or the heated air (I) is sent to the mixer in different variants of the process and conversion.
  • the second and third reagent inlets (9 and 10) represent concentric systems of supersonic nozzles. The use of such nozzles in the construction of the device takes time to mix the reagents at the molecular level of 10-3-10-4 seconds.
  • oxidation of the fuel by the oxygen of the air takes place. The energy produced in the oxidation process heats reagents even more.
  • the input element of the reactants to the reactor (4) represents a part of the tube that narrows towards the mixer.
  • the narrowing scale must be sufficient for the reagent input element to be outside the limit for the H1 1 wave, in other words, for microwave radiation to be reflected from this element to the communication hole (3). This condition leads to the following correlation for the transverse characteristic dimension of the reagent input element - diameter d:
  • Process products leave the reactor through the plug holes (5).
  • the plug is intended to reflect microwave radiation towards the communication hole (3).
  • Another variant for organizing the output system of the products of the reactor process may be a piece of tube analogous to the reagent inlet element (4), but narrowing in the opposite direction.
  • the reactor (L in Figure 10) must equal an integer n of the half-wavelengths lwg / 2 of the microwave radiation in the waveguide:
  • the discharge is initiated by crown element - a sharp bar (6) of little fusible metal, introduced into the waveguide.
  • the tip of the bar increases the value of the microwave electric field E around it and with that the stage of the pseudo corona effect of the discharge is achieved.
  • the bar is oriented along the force lines of field E within the waveguide (figure 12).
  • the position of the tip and the bar (H in Figure 12) is approximately half the radius of the waveguide.
  • the bar In the longitudinal direction (L2 in figure 10) the bar is located in place where the field of the fixed wave in the resonator without download is maximum:
  • the pseudo corona discharge stage estreamers are transformed into the microwave field in the plasma streamer system and propagated in the form of a microwave estreamer filling the tube cross-section and creating the microwave impulse discharge zone (7 in figure 10).
  • the destination of the stage of the discharge of the pseudo corona effect is the generation of plasma at atmospheric pressure with high average electron energy.
  • the fate of the microwave estreamer stage is the creation of a plasma formation developed in space for the catalytic plasma treatment of the reagents.
  • the source of the microwave radiation operates in the impulse-periodicity regime.
  • the duration of the radiation pulse t1 is defined by the time required to perform both stages of the discharge (stage of the pseudo corona effect and stage of the microwave estreamer) under specific conditions.
  • the period of the repetition of the radiation pulses t2 is given based on the optimal coordination of the following quantities: time of existence of the active particles generated by plasma in the passive phase of the discharge after the cessation of the radiation pulse of the radiation super high frequency; linear speed of reagents passing through the discharge zone; energy contribution to the discharge:
  • W " is the average power of the microwave radiation
  • W PULSE - is the impulse power
  • Q - is the consumption of reagents.
  • the pulse power of microwave radiation W PULSE , (h), (i) defines the plasma energy input J PLASMA -
  • the pulse power depends on the magnitude of the electric field in the round waveguide without plasma, which has to have a lower value of the disruptive discharge and, at the same time, be sufficient for the initiation of the stage of the pseudo corona effect of the discharge on the crown element.
  • the thermal energy contribution (energy contribution from the previous heating of the reagents) J heat must be sufficient for the heating of reagents up to the given temperature and for the compensation of the energy consumptions for the realization of the endogenous processes in the system that lead to realization of the
  • Preheating reagents can be done in the following ways:
  • heater with independent power source eg arc plasmatron
  • incineration of a part of the fuel in the combustion chamber e.g arc plasmatron
  • the ratio of plasma energy contribution to the heat energy contribution J p ⁇ asrna / J heat is of the order 1-10%.
  • the following temperatures are characteristic of the fuel vapor conversion process (j) with the 35% transformation scale: heating temperature of water vapors 1450 K, mixing temperature of water vapors ITUTORIA vapors RULE 26 fuels after mixing 890 K-, temperature of process products after completion 620 K.
  • the following temperatures are characteristic for the process of converting fuel vapor (j) with the 65% transformation scale: heating temperature of water vapors 2180 K, mixing temperature of water vapors fuel vapors after mixing 1 150 K, temperature of process products after completion 665 K
  • temperatures are characteristic for the process of the conversion of fuel vapor (j) with the 99% transformation scale: heating temperature of water vapors 3750 K (not counting the processes of dissociation of water molecules ), temperature of the mixture of water vapors-fuel vapors after mixing 1560 K, temperature of process products after completion 800 K.
  • temperatures are characteristic for the process of converting fuel vapor-oxygen (k) with the 65% transformation scale (mole-water ratio; air equivalent to 2.5): temperature of the heating of the mixture steam-air 1390 K, temperature of reagents after mixing 890 K, temperature of process products after completion 650 K.
  • the following temperatures are characteristic: heating temperature of the steam-air mixture 1110 K, TITUTORY RULE 26) reagent temperature after mixing 896 K, temperature of process products after completion 1611 K.
  • the device proposed can perform the conversion processes of fossil fuel with steam, steam-oxygen and fuel vapor in H 2 -gas enriched, and the partial oxidation process stimulated fuel
  • Water vapor is sent to the heater, from there it goes to the first inlet of the mixing chamber and the fuel goes to the second and third inlets of the mixing chamber. According to the required regime, the ratio of the amount of fuel to the second and third inputs of the mixing chamber can be changed in the 0- fingerboard
  • SUBSTITUTE SHEET RULE 26 As a heater, as indicated in Figure 14, a recovery heat exchanger can be used that uses the heat from the reactor outlet and the arc plasmatron connected in series.
  • the temperature of the water vapors, necessary for the process of the conversion of fuel vapor, at the outlet of the heater is in the ranges of 1400-3000 K ° , and the temperature of reagents at the entrance to the reactor is at 900-1500 K °.
  • the general energy balance for the plasmacatalytic process of steam conversion consists of the energy consumption for evaporation of reagents (J steam ), reagent heating and the chemical process.
  • the dependence given is presented in the following table (energy input J SUM is presented in the form of a ratio of the power to the quantity by weight of the liquid reagents).
  • the water vapor mixed with the air is sent to the heater and the fuel is sent to inputs 2 and 3 in the proportion 0.5-2.
  • the temperature at the outlet of the heater is equivalent to 500-600 K and at the entrance to the reactor 800-1500 K °.
  • the mole ratio of water / air vapor and water / fuel vapor varies in the range of 0.3-2 and 3-7 respectively.
  • the air is sent to the heater, and to the second and third inlets of the mixing chamber the fuel in the proportion of 0.5-2 and the molar ratio of air / fuel at the entrance to the reactor equals 8-12.
  • the temperature, necessary for the process of partial oxidation of the fuel, at the outlet of the heater is in the ranges of 500-600 K ° and the temperature at the entrance to the reactor is between 900-1100 K °
  • the magnitude of the J SUM energy contribution is necessary (see p. 3.1.) 1000-1500 kJ / kg. With which the scale of the transformation of the reagents reaches 100%.
  • FIGURE 10- DEVICE CONSTRUCTION
  • FIGURE 11 COORDINATION OF THE DISTRIBUTIONS OF THE ELECTRICAL FIELD IN RECTANGULAR AND ROUND GUIASONDAS.
  • FIGURE 12 BARRA GUIDE ENTRY SYSTEM
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26 3 - lines of force of the electric field in waveguides of the bar and the discharge. Below is the distribution of the amplitude of the microwave electric field.
  • FIGURE 13 SCHEME OF THE CONVERSION PROCESS OF
  • FIGURE 15- FUEL VAPOR-AIR CONVERSION PROCESS SCHEME

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Abstract

El objeto de la invención es un dispositivo para la producción de gas rico en hidrógeno a partir de combustibles fósiles. El dispositivo comprende un calentador, un mezclador y un reactor de plasma MCW combinados en serie así como una fuente de energía MCW. En el reactor tiene lugar una descarga de impulso periódica pseudo-corona a presión atmosférica, que proporciona un proceso plasma-catalitico de conversión del combustible a baja temperatura. El dispositivo permite llevar a cabo las reacciones de conversión con vapor, conversión con vapor-aire y oxidación parcial de combustibles fósiles para la obtención de un gas rico en hidrógeno con alta productividad especifica (relación volumétrica) y con un consumo mínimo de energiá eléctrica. El calentamiento previo de los reaccionantes proporciona una gran parte de la energía requerida por la termodinámica. Parte de la energía térmica se recupera a la salida del reactor de plasma. El dispositivo puede ser suficiente compacto para la su uso en motores de combustión interna de vehículos de transporte. El dispositivo puede usarse también en sistemas estacionarios para la producción de gas rico en hidrogeno (centrales generadoras de energía eléctrica, etc.), ett. Otros campos relacionados con la invención son la construcción de equipos de plasma por microondas (reactores de plasma) y la construcción de motores de vehículos. La presente invención se refiere al proceso de conversión de combustibles fósiles a gas rico en hidrogeno (gas sintético) mediante el uso de plasma generado por microondas con la adición de oxigeno (o aire) y con la posibilidad de adición de agua.

Description

CONVERTIDOR DE PLASMA DE COMBUSTIBLES FÓSILES EN UN
GAS RICO EN HIDROGENO
OBJETO DE LA INVENCIÓN El objeto de la presente invención consiste en un convertidor de plasma de combustibles fósiles en una gas rico en hidrógeno.
Este convertidor comprende un calentador, una cámara de mezcla, un reactor unidos todos ellos en serie y una fuente de energía de microondas (MCN) para el reactor, siendo este convertidor capaz de producir a partir de los combustibles fósiles tradicionales un gas de alto contenido en hidrógeno con el fin de aumentar el rendimiento de un motor de combustión interna.
Antecedentes
Esta invención se refiere a la producción de un gas rico en hidrógeno a partir de hidrocarburos. El hidrógeno es atractivo para su uso como combustible, como aditivo para combustibles de motores de combustión interna debido a que su presencia puede cambiar de forma significativa las propiedades químicas del combustible y puede reducir significativamente la contaminación de los productos de combustión [el efecto del uso de la adición de hidrógeno al combustible es aumentar el rendimiento de un motor de combustión interna entre el 10-50% .Véase Mishchenko, et al., Proc. Vil World Hydrogen Energy Conference, Vol 3
(1988), Belogub, et al., Int. J. Hydrogen Energy, Vol 16, 423 (1991 ), Varde, et al., Hydrogen Energy Progress V., Vol 4 (1984), Feucht, et al. , Int, J. Hydrogen Energy, Vol 13, 243 (1988), Chuveliov, et al. , In. : Hydrogen Energy and Power Generation, T. Nejat Veziroglu, Ed., Nova Science Publisher, New York, N. Y. (1991 ), Das Int. J. Hydrogen Energy, Vol 16, 765 (1991 ). Patentes relacionadas son las patentes de los Estados Unidos números 5887554, 5425332, 5437250 y la patente mundial n° PCT/US98/18027.
En dispositivos análogos, la energía para el proceso de conversión se puede aportar bien precalentando la mezcla de gas o por reacciones exotérmicas (por ejemplo, la oxidación total o parcial de hidrocarburos) o por calentamiento con energía eléctrica. Además, en un primer y segundo caso, se puede usar plasma como catalizador de los procesos químicos (tratamiento con plasma de reaccionantes precalentados). Véase V. D. Rusanov, K. Etivan, A. I. Babaritskii, I. E. Baranov, S. A. Demkin, V. K. Jivotov, B. V. Potapkin y E. I. Ryazantsev, The Effect of Plasma Catalysís by the Example of Methane Dissociation into Hydrogen and Carbón (El efecto de la catálisis por plasma por el ejemplo de la disociación de metano en hidrógeno y carbono), Dokl. Akad. Nauk, 1997, vol 354, n° 1 páginas 213 a 215 y también A. I. Bararitskii, M. A. Deminskü, S. A. Demkin, K. Etivan, V. K. Jivotov, B. V. Potapkin, S. V. Potekhin, V. D. Rusaov y E. I. Ryazantsev, The Effect of Plasma Catalysis in Methane Decomposition "El efecto de la catálisis por plasma en la descomposición de metano), Khim. Vys. Energ., 1999, vol. 33, n° 1 , páginas 59 a 66.
Es reconocido por todo el mundo que el sustituto más adecuado para los combustibles fósiles es el hidrógeno gaseoso (H2), las tecnologías que existen hoy en día se han encontrado con una serie de obstáculos técnicos y económicos para la utilización del hidrogeno. El hidrógeno es una sustancia altamente inflamable que requiere sistemas de almacenamiento complejos y costosos. Además, la implantación de una red de distribución a nivel mundial de hidrógeno implica costes económicos y una escala de tiempos que son inabordables incluso por los países desarrollados.
La disponibilidad de una miniplanta química, que reforme de forma económicamente viable combustibles fósiles y alcoholes, a medida que se necesita con el fin de obtener un gas sintético rico en hidrógeno, es la clave para el uso a mayor escala del hidrógeno como combustible, tamto en pilas de combustible como en motores de combustión interna (ICE).
Existen cuatro "variables clave" que deberán cumplirse:
• La primera es "la rapidez con la que se puede arrancar el convertidor". Hoy en día, el reformador más eficaz necesita de 5 a 10 minutos para arrancar.
• La segunda es "la respuesta instantánea": la rapidez con la que responde un coche cuando el conductor pisa el acelerador.
• La tercera es que "el consumo de energía térmica y eléctrica" necesario para cumplir los requisitos del proceso de conversión deberán ser muy bajos y deben estar dentro de parámetros que permitan ser compensados por la energía generada por el ICE o la pila de combustible que use el convertidor.
• La cuarta, en el caso de que los convertidores se puedan mejorar, es conseguir un "precio comercialmente viable" para el reformador.
Un motor de gasolina responde en milésimas de segundo, pero un reformador que reaccione lentamente sería considerado un coche lento y el conductor lo rechazaría. Reformadores de combustibles y almacenamiento del hidrógeno
En 1992, Arthur D. Little inició un programa en cooperación con un estudio DOE para desarrollar opciones además del reformado a bordo de un automóvil de metanol como medio de alimentar por hidrógeno a vehículos con pilas de combustible. La fase 1 de este programa incluye un análisis de ios reformadores de varios combustibles, tecnologías de almacenamiento de hidrógeno a bordo y necesidades de infraestructura para el hidrógeno. La fase 2 implicará el desarrollo y prueba de un reformador de 10 kW y una unidad de almacenamiento de hidrógeno de 1 kg de capacidad.
Las alternativas a la alimentación directa de hidrógeno a la pila de combustible incluyen: hidrógeno licuado, hidrógeno comprimido, absorción sobre carbón y almacenamiento en forma de hidruros.
El hidrógeno licuado se ha probado en varios vehículos desde los años setenta en los Estados Unidos y otros países. La densidad volumétrica y rnásica del hidrógeno licuado cuando se usa con una pila de combustible es la misma o mejor que el combustible diesel usado con un motor de combustión interna. Los inconvenientes son la elevada energía de licuación, problemas de manipulación y la inevitable liberación de gas evaporado.
El hidrógeno comprimido es la tecnología a bordo más sencilla para conceptualizar y se beneficiaría de los recientes avances en materiales compuestos y mejoras en los costes del progreso en vehículos a gas natural. Los depósitos de alta presión construidos con materiales avanzados proporcionarían un comportamiento en cuanto al peso razonable, aunque un comportamiento volumétrico tan solo marginal. Los aspectos técnicos a resolver incluyen permeabilidad del cilindro, normas de diseño de depósitos para presiones más elevadas y diseño de compresores de hidrógeno para su repostaje.
Varias compañías están desarrollando procesadores de varios combustibles, con diferentes procesos tales como:
• Reformado con vapor (SR): Este proceso representa básicamente una conversión catalítica de metano y agua (vapor) en hidrógeno y dióxido de carbono a través de tres etapas principales. Varias compañías, a saber, Haldor-Topsoe (USA-Dinamarca), Howe- Baker Engineers (USA), IFI/ONSI (USA), Ballard Power Systems (Canadá) y Chiyoda (Japón) han trabajado en el diseño y construcción de este sistema.
• Oxidación parcial (PO): Es Un proceso exotérmico mediante el cual el hidrógeno y el dióxido de carbono se producen a partir de combustibles hidrocarburos (gasolina y otros) y oxígeno (o aire). Los procesos PO tienen una serie de ventajas importantes sobre los procesos SR. Compañías como Arthur D. Little (EPYX), Chrysler Corp. and Hydrogen Burner Technologies (todas de USA) han anunciado planes para desarrollar convertidores por PO.
Las etapas del convertidor EPYX PO son: 1 .- vaporización del combustible (gasolina) por la aplicación de calor, 2.- el combustible vaporizado se combina con una pequeña cantidad de aire en un reactor de oxidación parcial, produciendo hidrógeno y monóxido de carbono, 3.- el vapor sobre monóxido de carbono reacciona con un catalizador para convertir la mayor parte del monóxido de carbono en dióxido de carbono e hidrógeno adicional, 4.- en la etapa de oxidación referida, el aire inyectado reacciona con el monóxido de carbono restante sobre el catalizador formando dióxido de carbono y vapor de agua, produciendo gases ricos en hidrógeno.
• Reformado autotérmico (AR : En este proceso exotérmico, el combustible hidrocarburo reacciona con una mezcla de agua y oxígeno. La energía liberada por la reacción de oxidación del hidrocarburo activa el proceso de reformado con vapor. Compañías como Roll-Royce/Johnson-Matthew (UK) e International Fuel Cell/ONSI (USA) están trabajando en el desarrollo del proceso AR.
• Descomposición térmica (TD): (o pirólisis, o craqueo) del combustible hidrocarburo produce hidrógeno y carbono limpio. Las necesidades energéticas por mol de hidrógeno producido a partir de metano son algo menores que las del proceso SR. La evaluación técnico-económica de la producción de hidrógeno por los procesos de SR, PO y TD indica que el coste (en dólares USA/1000 m3) de hidrógeno producido por los procesos TD (57) es menor que para
SR (67) y PO (109).
Existe otro concepto de conversión de hidrocarburos asistido por plasma. En este enfoque, se usa un plasma no térmico frío como fuente de especies activas, con el fin de acelerar las reacciones químicas. Las necesidades energéticas del procedimiento pueden cumplirse, en este caso, a través de energía térmica (baja temperatura) y de este modo el plasma actúa como catalizador. El plasma puede producirse por la acción de temperaturas muy elevadas, y intensos campos eléctricos, o intensos campos magnéticos. En esas descargas, los electrones libres adquieren energía a partir de un campo eléctrico impuesto y pierden esta energía causa de las colisiones. Él plasma de una descarga incandescente esta caracterizado por elevadas temperaturas de los electrones y bajas temperaturas del gas y tiene concentraciones de electrones de aproximadamente 109 a 1012 cm3 y tiene una ausencia de equilibrio térmico que hace posible un plasma en el cual la temperatura del gas puede ser próxima a la ambiente con el fin de obtener un plasma en el que los electrones están suficientemente excitados para provocar la rotura de los enlaces moleculares.
Se ha observado que en los plasmas tiene lugar un amplio espectro de reacciones. Estas incluyen reacciones entre electrones y moléculas, iones y moléculas, iones y iones, y electrones e iones. En los últimos veinte años han estado disponibles diferentes tipos de descargas. La disponibilidad de los generadores de radio frecuencia y de microondas ha centrado la atención en los últimos años en el uso de descargas sin electrodos.
En un plasma no térmico frío, sólo las partículas cargadas (electrones, iones) adquieren energía del campo eléctrico aplicado y las partículas neutras permanecer aproximadamente a la misma temperatura. El plasma no térmico frío se puede crear por una descarga eléctrica incandescente normalmente accionada a presión reducida. (Los plasmas de descarga incandescente también son adecuados para promover reacciones químicas que impliquen materiales térmicamente sensibles. Se han publicado relativamente pocos trabajos experimentales básicos sobre la correlación estructura/ rechazó, de las membranas de polimerización con superficie modificada. La potencia usada para preparar las membranas varía de 30 a 150 W, siendo el tiempo de polimerización de 60 a 3.000 s).
La energía eléctrica necesaria para mantener el estado de plasma se puede transmitir a un gas por acoplamiento resistivo con electrodos internos, por acoplamiento capacitivo con electrodos externos, o por acoplamiento inductivo con una bovina externa o, en el caso de descarga por microondas, por medio de una estructura de onda lenta. A causa de las muchas especies reactiva en diferentes plasmas, no ha sido posible explicar de forma completa los mecanismos de las reacciones químicas en un plasma. Es bien conocido que los combustibles fósiles y los métodos que se emplean actualmente para obtener energía útil (electricidad, movimiento mecánico, etc..) son muy ineficaces. Los motores de combustión interna más eficaces usados para el transporte diario consiguen rendimientos máximos del 32%. Esto implica que el 68% de la energía disponible del combustible no se utiliza para obtener energía mecánica (movimiento), sino que se pierde. Hay muchas razones para esto, principalmente el límite impuesto por los principios de la termodinámica, que se establece (para un motor de cuatro tiempos que usa gasolina) en el 43%. Sin embargo, los mejores motores que se usan aún están lejos de su máximo rendimiento. Además de esta utilización deficiente de uno de nuestros recursos naturales más valiosos, la cantidad de contaminación generada por la combustión (oxidación) de combustibles fósiles se ha convertido en un problema creciente que afecta a la toda la biosfera.
El MPCR propone una mejor solución a la utilización de combustibles fósiles al ser un sistema que puede reformar/convertir combustibles fósiles en un combustible sintético (SF), por un proceso químico que requiere poca energía y que no produce subproductos indeseables. El combustible mejorado se caracteriza porque es más seguro desde el punto de vista medioambiental, así como adecuado para más tipos de procesos de conversión de energía que, además, pueden ser más eficaces.
El MPCR tendrá grandes implicaciones comerciales. La reducción de las emisiones de contaminantes incitaría a las agencias de protección ambiental, tales como la EPA de Estados Unidos y la Air Resources Board de California, a adoptar las normas de emisión cero, ya requeridas por California, haciendo uso de un proceso similar al propuesto por DAVID, dentro de esta década. Lo cual, a su vez, impulsaría el uso rápido y ampliamente extendido de tal sistema en naciones con una alta densidad de vehículos tales como los Estados Unidos y Canadá.
En Europa también se están realizando esfuerzos ambientales similares, donde el brazo ejecutivo de la Unión Europea, la Comisión Europea, está preparando normas de emisión obligatorias para la industria de los automóviles que son mucho más estrictas de lo que la industria esta dispuesta a aceptar.
El éxito del MPCR implica que aún se pueden emplear combustibles fósiles, pero de una forma más eficaz y más inocua desde el punto de vista medioambiental. Esto prolongará la duración de las reservas del planeta y reducirá en gran medida los problemas ambientales que se producen por la combustión de hidrocarburos. Además, esta tecnología es directamente aplicable a una escala mundial, ya que ya existen las redes de distribución de combustibles derivados de origen fósil, tales como gasolina, metano, etanol, propano, butano, diesel, etc.
Hasta la fecha, no se ha patentado un sistema de conversión de combustibles fósiles con plasma de microondas tal como el de la patente de los solicitantes. La patente de DAVID se diferencia de las conocidas en la aplicación de un tipo especial de descarga (frecuencia, tensión, etc.), las condiciones de proceso (tiempo de reacción, caudales de los reaccionantes, etc.) y la construcción especial del sistema (forma de los electrodos, reactor, etc.).
La principal diferencia entre el MPCR y otras tecnologías patentadas hasta la fecha es la formación en el MPCR de un plasma frío específico, con una temperatura de los electrones mayor que la temperatura del gas. Este plasma se consigue mediante una combinación de una descarga de microondas especial en electrodos de un diseño especial. Con este nuevo proceso, que es el objeto de nuestra invención, es posible una drástica reducción de la energía aportada necesaria por los actuales de conversión de combustibles.
Los dos componentes del combustible de síntesis (SF), H2 y CO, producidos por procesos de plasma frío en estado de no equilibrio, son buenos combustibles para un motor de combustión interna. En el caso de un ICE accionado por SF, las emisiones de C02 y NOx son un 90% menores a los accionados por gasolina , en el caso de una pila de combustible, será necesaria una membrana de separación del CO (o un convertidor de tipo catalítico especial). El contenido en azufre (y sus compuestos típicos) en combustibles fósiles líquidos se evapora parcialmente y toma parte en el proceso del MPCR. En el caso de un ICE accionado por SF, las emisiones serán menores en óxidos superiores pero mayores en compuestos del azufre en una etapa de oxidación menor (menores emisiones de alcalenos de azufre y sulfuro de hidrógeno que son más fáciles y más económicos de eliminar con los convertidores catalíticos existentes).
La clave del éxito del sistema MPCR radica en el hecho de que el combustible de síntesis (SF) se puede obtener "on-line" a partir de un combustible de origen fósil y a un coste energético bajo. Debido a que se puede usar SF de forma más eficaz, el rendimiento total del sistema mejora. El rendimiento energético del Reactor/Reformador de Plasma Catalítico (MPCR) varía del 80% al 90%, dependiendo del método usado para medir el rendimiento. El SF es más respetuoso con el medio ambiente, siempre que se oxide en un ICE o con una pila de combustible, proporcionando la ventaja añadida (y muy importante) de reducir drásticamente las emisiones.
En el caso de que se utilice el MPCR por un ICE, el arranque inmediato del motor es uno de los aspectos principales a resolver.
Este punto se puede resolver por la utilización de un ICE adaptado para funcionar con combustible gaseoso (SF).
Las características principales de los prototipos existentes de ICE para el funcionamiento con SF son:
El sistema de combustible alimentado con gasolina se ve complementado con un sistema de inyección con un controlador modificado, basado en el principio del "Sistema de Inyección con Admisión Programada", apropiado para motores accionados por el encendido de una chispa en hidrógeno.
EL sistema de alimentación de SF se basa en el uso de un conjunto de control electrónico que transforma las señales de salida de los sensores de los parámetros del ciclo del motor que determinan la relación óptima aire a combustible. Una técnica muy sencilla para montar los inyectores en el ICE para el SF permite la instalación de los mismos sin cambiar la culata del cilindro.
El ICE modificado es una forma económica (bajo coste) para adaptar un ICE convencional para que funcione con SF, manteniendo a la vez la alimentación normal de gasolina.
La solución anterior implicaría que el encendido del motor sería con gasolina con la adición de alrededor del 5% de combustible de síntesis producido por el MPCR y almacenado en un depósito de 10 litros y desviado automáticamente a SF (después de un período muy corto de tiempo) cuando el MPCR alcanzara la producción necesaria de SF. La adición de hidrógeno reducirá las emisiones durante la operación de encendido del ICE.
En el caso en el que el MPCR se utiliza como pila de combustible, la operación inicial de funcionamiento hasta que el MPCR comienza a producir el hidrógeno necesario para el funcionamiento de la pila de combustible puede ser la energía eléctrica acumulada en baterías. En este caso, las baterías proporcionarían energía eléctrica al MPCR (energía eléctrica y térmica a través de energía eléctrica.
Análisis y Estimaciones de la Posible Conversión Asistida por Plasma llevadas a cabo por DAVID
Variantes de Plasma Térmico
1 .1 Instalación a bordo con conversión con vapor de gasolina al 5% en gas sintético.
La instalación consta de un plasmatrón de arco integrado con un reactor químico, un intercambiador de calor, motor de combustión interna y generador de electricidad para el plasmatrón. El combustible se vaporiza y se calienta a 1000°C durante el paso a través del intercambiador de calor. El calentamiento a una temperatura superior puede provocar la descomposición del combustible y precipitaciones resinosas en las paredes relativamente frías de los canales de suministro de combustible. Al mismo tiempo, el desarrollo del intercambiador de calor con una temperatura de trabajo superior a 1400°C es un problema extremadamente complejo y puede producir un aumento esencial del coste del sistema. Los vapores de combustible, calentados en el intercambiador de calor, se dirigen al interior del plasmatrón de arco. También se suministra vapor calentado previamente el interior del plasmatrón de arco. Se usa agua fría para la refrigeración de las paredes del plasmatrón. Durante este proceso, el agua se calienta y vaporiza. El vapor de agua se calienta a 1300°C y se dirige al interior del plasmatrón. En el plasmatrón, los vapores de agua y combustible ganan la energía necesaria para el calentamiento a 2400°C, realizan la reacción química de conversión de vapor y, después de mezclarse bien, entran en el reactor químico. En el reactor, los vapores se convierten en gas sintético, que sale a una temperatura de 1400°C. La reducción de la temperatura es un resultado de la reacción endotérmica que tiene lugar. El exceso de calor se elimina por medio del agua que refrigera las paredes del reactor químico. El gas sintético caliente, que pasa a través del intercambiador de calor, proporciona calor a los vapores de combustible y agua y, después de enfriarse a 400°C, entra en el motor de combustión interna. El suministro de energía del plasmatrón se obtiene por el motor de combustión interna.
A continuación se indican los parámetros de instalación aproximados, estimados basándose en cálculos termodinámicos. La instalación se calcula para un motor de combustión interna con una potencia de 50 kW.
1 . Plasmatrón de arco con reactor químico: Potencia 2,5 kW
Caudal de vapor de agua 0,2 l/seg.
Caudal de gasolina 0,03 l/seg.
Dimensiones: diámetro 0,1 m longitud 0,3 m
Peso 5 kg.
2. Intercambiador de calor Caudal de gas caliente (1400°C) 0,6 l/seg. Caudal de gas frío 0,23 l/seg. Flujo térmico pasado 0,65 kW
Dimensiones: diámetro 0,25 m longitud 1 ,0 m
Peso 15 kg. 3. Generador
Potencia 2,5 kW Dimensiones:
Diámetro 0,2 m longitud 0,25 m
Peso 15 kg.
4. Motor de combustión interna Potencia 50 kW Caudal de gasolina 2,2 l/seg. Caudal de gas sintético 0,6 l/seg.
Para la producción de gas sintético, es necesario: Caudal de gasolina 0,12 g/seg.
Caudal de agua 0,15 g/seg.
1.2 Instalación a bordo con la oxidación parcial de gasolina al 5% por el oxígeno del aire
Como en la instalación del caso anterior, consta de un plasmatrón de arco con reactor químico, intercambiador de calor, motor de combustión interna y generador de electricidad. La reacción de oxidación parcial es exotérmica, de forma que la potencia del plasmatrón puede reducirse dos veces. El caudal total de gasolina aumentará sólo un pequeño porcentaje. Como la oxidación parcial se realiza por el oxígeno del aire, el gas sintético se diluirá por el nitrógeno aproximadamente en un 50%.
Además de esto, el agua no interviene en este proceso, ya que la refrigeración de las paredes del plasmatrón y el reactor químico se realiza mediante sistemas convencionales de refrigeración de motores. La potencia del plasmatrón reduce esencialmente la potencia del motor, de forma que no se necesitara una carga importante para refrigerar el sistema.
Parámetros de la instalación aproximados:
1. Plasmatrón de arco con reactor químico:
Potencia 1 ,5 kW
Caudal de vapor de agua 0,7 l/seg.
Caudal de gasolina 0,043 l/seg.
Dimensiones: diámetro 0,1 m longitud 0,3 m
Peso 5 kg.
2. Intercambiador de calor
Caudal de gas caliente (1400°C) 1 ,1 l/seg.
Caudal de gas frío 0,75 l/seg.
Flujo térmico pasado 1 ,7 kW
Dimensiones:
Diámetro 0,3 m longitud 1 ,0 m
Peso 20 kg.
3. Generador
Potencia 1 ,5 kW
Dimensiones:
Diámetro 0,15 m longitud 0,25 m
Peso 12 kg.
4. Motor de combustión interna
Potencia 50 kW
Caudal de gasolina 2,2 g/seg.
Caudal de gas sintético 0,6 l/seg. Para la producción de gas sintético, es necesario: Caudal de gasolina 0,18 g/seg.
Caudal de agua 0,7 g/seg.
2.1 Instalación a bordo con conversión con vapor de gasolina en gas sintético
La instalación pretende producir gas sintético a partir de gasolina con el uso posterior de un generador electroquímico (ECG) para la generación de electricidad. La instalación consta de un plasmatrón de arco en el que se calientan los vapores de agua y gasolina, un reactor químico, en el que tiene lugar la reacción de conversión de vapor, y un ¡ntercambiador de calor, en el que el gas sintético caliente pasa su energía térmica a los vapores de combustible y de agua. Como en el caso 1.1 , los vapores de agua y los vapores de gasolina, calentados y bien mezclados en el plasmatrón, se dirigen al interior del reactor químico. En el reactor se forma el gas sintético. La temperatura del gas sintético se reduce debido a la reacción química endotérmica. Con la ayuda de refrigeración con agua, la temperatura del gas sintético se reduce a 1400°C y a esa temperatura el gas sintético se dirige al interior del intercambiador de calor. La energía térmica del gas sintético en el reactor químico es suficiente como para producir la evaporación de toda el agua, requerida para la reacción. En el ¡ntercambiador de calor, los vapores de agua y gasolina se calientan a 1000°C a causa de la energía térmica del gas sintético y después entran en el plasmatrón de arco. 1 . Plasmatrón de arco: Potencia 45 kW
Caudal de vapor de agua 3,9 l/seg.
Caudal de gasolina 0,54 l/seg
Dimensiones:
Diámetro 0,1 m longitud 0,3 m
Peso 5 kg.
2. Reacto r Químico
Dimensiones: diámetro 0,15 m longitud 0,2 m
Peso 8 g.
3. Intercambiador de calor
Caudal de gas caliente (1400°C) 12 l/seg.
Caudal de gas frío 4,4 l/seg.
Flujo Térmico pasado 13 kW
Dimensiones: diámetro 0,3 m longitud 1 ,0 m
Peso 20 kg.
4. Consumo
Gasolina 2,4 l/seg.
Agua 3,1 l/seg.
2.2 Instalación a bordo con oxidación parcial de gasolina por el 19
oxígeno del aire
Como en el caso previo, la instalación pretende producir gas sintético con el uso posterior de un ECG. Los bloques básicos de la instalación son plasmatrón de arco, reactor químico e intercambiador de calor.
Como en el caso 1.2, debido a la exotermia de la reacción de oxidación parcial con oxígeno de la gasolina, la potencia del plasmatrón puede reducirse casi a un 40%. Sin embargo, el caudal de gasolina se aumenta al mismo tiempo a un 30%. Además, el gas sintético obtenido se diluye a la mitad con nitrógeno. La ausencia de agua en el proceso requiere la aplicación de un sistema distinto para las paredes del plasmatrón y el reactor químico. El sistema de refrigeración debe poder cubrir 40 kW de potencia térmica.
Parámetros aproximados de la instalación: 1. Plasmatrón de arco:
Potencia 28 kW
Caudal de vapor de aire 14 l/seg.
Caudal de vapores de gasolina 0,86 l/seg
Dimensiones:
Diámetro 0,1 m longitud 0,2 m
Peso 3 kg.
2. Reactor Químico
Dimensiones: diámetro 0,15 m longitud 0,2 m
Peso 8 kg. 3. Intercambiador de calor Caudal de gas caliente (1400°C) 22 l/seg.
Caudal de gas frío 14,9 l/seg.
Flujo térmico pasado 34 kW
Dimensiones:
Diámetro 0,3 m longitud 1 ,0 m
Peso 20 kg.
4. Consumo
Gasolina 3,6 g/seg.
Aire 14 g/seg.
3.1 Instalación estacionaria para una estación de servicio con conversión con vapor de gasolina en gas sintético.
El diseño de la instalación es completamente igual al del caso 2.1 pero calculado para 10000 m3 de gas sintético por hora. Debe mencionarse que el exceso de potencia térmica en el reactor químico (W « 1 ,5 MW) necesaria para el proceso rápido de la reacción de conversión con vapor, debe reducirse con la ayuda del sistema de refrigeración de agua y puede usarse para fines técnicos de la estación (por ejemplo, para el lavado de coches).
Parámetros aproximados de la instalación: 1 . Plasmatrón de arco:
Potencia 13 MW
Caudal de vapor de agua 965 l/seg.
Caudal de vapores de gasolina 135 l/seg.
Dimensiones: diámetro 0,3 m longitud 1 ,5 m
Peso 50 kg.
2. Suministro de energía del plasmatrón
2.1 Transformador
Dimensiones: 7,0 x 5,0 x 6,0 m
Peso 50000 kg.
2.2 Consola de control
Dimensiones: 2,0 x 2,0 x 1 ,0 m
Peso 150 kq.
3. Reactor Químico Dimensiones: diámetro 0,5 m longitud 1 m
Peso 100 kg.
4. Iritercambiador de calor Caudal de gas caliente (1400°C) 3000 l/seg.
Caudal de gas frío 1100 l/seg.
Flujo térmico pasado 3,3 mW
Dimensiones: diámetro 1 ,5 m longitud 5,0 m
Peso 2500 kg.
4. Consumo
Gasolina 0,6 kg./seg.
Agua 0,8 kg./seg. 3.2 Instalación estacionaria para una estación de servicio con conversión parcial de gasolina por oxígeno
El diseño de la instalación es diferente del prototipo descrito en el caso
2.2, debido a una mayor productividad y el uso de oxígeno como oxidante. A una productividad de 10000 m3 de gas sintético por hora, la instalación debe consumir 0,74 m3 de oxígeno. Si la oxidación se realiza por el aire, será necesario calentar a 2400°C aproximadamente 3 m3 de nitrógeno, lo que requiere 9 MW de potencia adicional. Incluso si se recupera la mitad de esa potencia, la pérdida de potencia excede esencialmente los gastos de la ganancia del aire por el oxígeno. En la tecnología disponible actualmente, los gastos para la ganancia de oxígeno del aire son de 1 ,5 MJ/m3. Por lo tanto, la potencia para una extracción de 0,74 nrVseg de oxígeno es igual solamente a 1 ,1 MW. Otra ventaja evidente del uso de oxígeno puro es la ausencia de nitrógeno en el gas sintético.
Parámetros de la instalación aproximados: 1. Plasmatrón de arco:
Potencia 0,5 MW
Caudal de vapor de agua 740 l/seg.
Caudal de vapores de gasolina 214 l/seg.
Dimensiones: diámetro 0,2 m longitud 0,4 m
Peso 20 kg.
2. Suministro de energía del plasmatrón 2.1 Transformador Dimensiones: 2,0 x 2,0 x 1 ,5 m
Peso 5000 kg.
2.2 Consola de control
Dimensiones: 2,0 x 1 ,0 x 1 ,0 m Peso 100 kg.
3. Reactor Químico Dimensiones: diámetro 0,5 m longitud 1 m Peso 100 kg.
4. Intercambiador de calor Caudal de gas caliente (1400°C) 2800 l/seg. Caudal de gas frío 9540 l/seg. Flujo térmico pasado 4,0 MW
Dimensiones: diámetro 1 ,5 m longitud 5,0 m
Peso 2500 kg.
4. Consumo
Gasolina 0,92 kg./seg.
Agua 0,74 kg./seg.
La consideración del sistema mencionado anteriormente demuestra que su realización se conjuga con una serie de problemas. En primer lugar, hay una temperatura muy elevada de la mezcla de gas en el plasmatrón y el reactor químico, lo que requiere el uso de materiales resistentes al calor especiales y restringe esencialmente los recursos de sistemas similares. En segundo lugar, las instalaciones con conversión con vapor del combustible total requieren gastos considerables de energía eléctrica. Aproximadamente la mitad del gas sintético total generado por la instalación debe quemarse para cubrir estos gastos. Sería interesante considerar sistemas basados en procesos plasmaquímicos no en equilibrio similares, por ejemplo, a la catálisis con plasma. Debe mencionarse que todos los diseños de la instalación mencionados anteriormente se basan en experimentos preliminares con gases y alcoholes naturales, de forma que para la gasolina se requieren investigaciones adicionales.
Variantes de Catálisis en Plasma
1. Instalación a bordo con combustible al 5% y precalentamiento de los vapores de agua y posterior tratamiento de descarga de MCW
Los gases de escape de los motores de combustión interna tienen una temperatura de aproximadamente 800°C. Los cálculos termodinámicos demuestran que esta temperatura es suficiente para realizar la reacción de conversión de vapor para una parte considerable de la gasolina. Pero las restricciones cinéticas no permiten realizar la conversión en un tiempo razonable. El tratamiento de descarga MCW periódica de impulsos en el metano calentado previamente a 800°C aumenta el grado de conversión de metano tres veces, a pesar de que la descarga de energía media de MCW consta solo de un 10% del calentamiento preliminar. El grado de conversión de metano consigue el valor de equilibrio termodinámico.
La instalación consta de un motor de combustión interna cuyo calor se usa para calentar vapores de gasolina y vapores de agua. Los vapores entran en el reactor químico, donde se tratan por la descarga periódica de impulsos de MCW. Bajo la influencia de la descarga, una parte considerable de la mezcla de gasolina-vapor se convierte en gas sintético que, junto con los vapores de hidrocarburo que no han reaccionado, entra en el motor de combustión interna. Debe mencionarse que este esquema no requiere la conversión total de la mezcla de gasolina-vapor. Sólo el 10% del hidrógeno presente en la mezcla de combustible aumenta considerablemente el funcionamiento del motor, reduciendo las emisiones tóxicas y mejorando la eficacia del motor.
Parámetros de la instalación aproximados:
1. Motor de combustión interna: Potencia 50 kW Caudal de gasolina 2,2 g/seg. Caudal de gas sintético 0,6 l/seg.
Para la producción del gas sintético es necesario: Caudal de gasolina 0,12 g/seg.
Caudal de agua 0,15 g/seg.
2. Reactor químico Temperatura de la zona de reacción 800°K
Caudal de vapores de gasolina 0,03 l/seg.
Caudal de vapores de agua 0,2 l/seg.
Dimensiones: diámetro 0,05 m longitud 0, 1 m
Peso 0,5 kg.
3. Generador de MCW Frecuencia de generación 9 GHz Potencia de radiación media 25 W Potencia de impulso 25 kW
Dimensiones:
Magnetrón con canal guíaondas 0,15x0,15x0,4m Suministro de energía 0,5x0, 13x0,6 m Peso:
Magnetrón con canal guíaondas 6 kg. Suministro de energía 10 kg.
2. Instalación a bordo con la oxidación parcial de gasolina al 5% y adiciones de agua para la conversión de vapor
Si el grado de conversión de gasolina en el esquema previo es insuficiente, es posible elevar la temperatura en la reacción química hasta 1000°K con la intención de oxidar parcialmente la gasolina por el aire. Para economizar la energía térmica se instala un intercambiador de calor entre el reactor químico y el motor. El intercambiador de calor permite la recuperación de calor del gas sintético, que sale del reactor.
Parámetros de instalación aproximados, calculados asumiendo una recuperación completa del calor.
1 . Motor de combustión interna Potencia 50 kW Caudal de gasolina 2,2 g/seg. Caudal de gas sintético 0,6 l/seg. Para la producción del gas sintético, es necesario:
Caudal de gasolina 0,1 5 g/seg.
Caudal de agua 0,075 g/seg.
Caudal de aire 0,37 l/seg.
2. Intercambiador de calor Caudal de gas caliente (1400°C) 0,9 l/seg. Caudal de gas frío 0,5 l/seg. Flujo térmico pasado 0,35 kW Dimensiones diámetro 0,3 m longitud 1 ,0 m Peso 20 kg,
3. Reactor químico Temperatura de la zona de reacc ;¡ióónn 1000°K Caudal de vapores de gasolina 0,035 l/seg.
Caudal de vapores de agua 0,1 l/seg.
Caudal de aire 0,37 l/seg.
Dimensiones: diámetro 0,05 m longitud 0,1 m
Peso 0,5 kg.
4. Generador de MCW Frecuencia de generación 9 GHz Potencia de radiación media 25 W Potencia de impulso 25 kW
Dimensiones:
Magnetrón con canal guíaondas 0, 1 5x0, 15x0,4m Suministro de energía 0,5x0,13x0,6 m
Peso: Magnetrón con canal guíaondas 6 kg.
Suministro de energía 10 kg.
3. Instalación a bordo con la oxidación parcial de gasolina por la adición de aire y agua para la conversión de vapor La instalación pretende producir gas sintético a bordo de automóviles para su uso en ECG. Consta de un reactor químico en el que la conversión de gasolina con vapor se realiza a expensas de la energía de la oxidación parcial. Para la aceleración de la reacción, se usa un generador de microondas. La radiación de microondas se dirige interior del reactor, donde se generan partículas químicamente activas bajo la influencia de la radiación de microondas. Las partículas activas, que participan en los procesos de cadena, aceleran esencialmente la conversión de gasolina. El intercambiador de calor se usa para recuperar el calor del gas sintético generado.
Se muestran los parámetros para una instalación con una productividad de 40 m3 de gas sintético por hora. Como para la oxidación parcial se usa aire, el gas sintético estará diluido a un tercio con nitrógeno.
1 . Reactor químico
Temperatura de la zona de reacción 1000°K
Caudal de vapores de gasolina 0,7 l/seg.
Caudal de vapores de agua 1 ,9 l/seg. Caudal de aire 7,4 l/seg.
Dimensiones: diámetro 0,15 m longitud 0,5 m
Peso 5 kg. 2. Intercambiador de calor
Caudal de gas caliente (1000°C) 17 l/seg.
Caudal de gas frío 10 l/seg.
Flujo térmico pasado 16 kW
Dimensiones: diámetro 0,3 m longitud 1 ,0 m
Peso 20 kg.
3. Generador de MCW Frecuencia de generación 2,46 GHz
Potencia de radiación media 600 W
Potencia de impulso 600 kW
Dimensiones:
Magnetrón con canal guíaondas 0,35x0, 1 5x0, 5m Suministro de energía 0,5x0,22x0,6 m
Peso:
Magnetrón con canal guíaondas 10 kg.
Suministro de energía 25 kg.
4. Instalación estacionaria para la producción de gas sintético mediante la oxidación parcial de gasolina con la adición de agua y el tratamiento con microondas de los reaccionantes
El esquema de la instalación difiere del anterior sólo por la productividad y cambio de aire por oxígeno. La cantidad de agua se selecciona para que, bajo condiciones estequiométricas, la temperatura del reactor químico sea de 1000°K. Se muestra el contenido de la instalación, sus parámetros aproximados y los caudales de reaccionantes para una productividad de 10000 m3 de gas sintético por hora.
1 . Reactor químico Temperatura de la zona de reacción 1000°K Caudal de vapores de gasolina 0,18 rrrVseg
Caudal de vapores de agua 0,44 πrVseg
Caudal de aire 0,42 π Vseg
Dimensiones: diámetro 0,5 m longitud 2 m
Peso 100 kg.
2. Intercambiador de calor Caudal de gas caliente (1000°C) 2,8 m3/seg
Caudal de gas frío 1 m3/seg
Flujo térmico pasado 2,6 MW
Dimensiones: diámetro 1 ,5 m longitud 5,0 m
Peso 2500 kg.
3. Generador de MCW
Frecuencia de generación 915 MHz
Poder de radiación media 200W contenido del equipo de grandes dimensiones: a) transformadores de potencia y alta tensión; b) rectificador y reguladores de potencia; c) bloques de generador con magnetrones; d) canales de MCW; e) consola de control.
El equipo de potencia requiere para su colocación 150 m2 de área abierta. Otro equipo se pone en un compartimento cubierto con un área de 70 m2. Potencia de impulso 600 kW
Dimensiones:
Magnetrón con canal guíaondas 0,35x0,1 5x0, 5m 5 Suministro de energía 0,5x0,22x0,6 m
Peso:
Magnetrón con canal guíaondas 10 kg.
Suministro de energía 25 kg. 0
5. Instalación estacionaria para la producción de gas sintético mediante la oxidación parcial de gasolina con la adición de agua y tratamiento con microondas de los reaccionantes a baja5 temperatura. Casos de conversión total y conversión parcial con separación de gases de salida un bloque de membrana.
Debido a la analogía con la realización de la parte 4 del esquema tecnológico, los parámetros y dimensiones de la instalación seráno parecidos a los calculados en la parte 4. Durante el cálculo, se propuso que la reacción de conversión de vapor-oxígeno tenía una selectividad muy alta (solo pueden formarse CO y H2 como productos). Proporciona una baja temperatura del proceso. Se realizaron dos cálculos similares. El primero a la temperatura de 500°C. Esta temperatura proporciona la5 conversión prácticamente total en estas condiciones. Durante el segundo cálculo, se usó una temperatura más baja que en el caso previo (400°C). A esta temperatura, el grado de conversión sólo es de un 74%. Sin embargo, para proporcionar un flujo de gas sintético puro, se propone usar el bloque de separación. La estimación de la potencia del plasmatrón, la potencia del bloque de membrana y los caudales de masa están en las tablas apropiadas del apéndice 5.
Principales Resultados y Conclusiones
1 . Las investigaciones llevadas a cabo por DAVID ha demostrado que los procedimientos de conversión de hidrocarburos asistida por plasma son muy atractivos y puede ser una buena base de nuevas tecnologías para la producción de gas rico en hidrógeno y de hidrógeno. Incluso en el caso de la aplicación de plasma térmico, se pueden diseñar reformadores compactos, fáciles de controlar, y fáciles de arrancar. Además, la aplicación de la catálisis no térmica puede proporcionar una reducción significativa del consumo de energía y menores temperaturas de proceso.
2. El análisis comparativo realizado ha demostrado que en el caso del plasma térmico, se pueden seleccionar las siguientes variantes como las más prometedoras:
Instalación a bordo para la oxidación parcial de 5% de gasolina proporcionando un rendimiento del motor convencional diesel o gasolina
Instalación compacta estacionaria para la producción de hidrógeno en línea basada en la oxidación parcial de gasolina asistida por plasma.
Las principales desventajas de la técnica del plasma térmico son un consumo energético bastante elevado y una elevada temperatura de operación.
3. El análisis anteriormente presentado ha demostrado que la técnica de catálisis en plasma es muy prometedora para solucionar los problemas anteriormente citados. Además, la oxidación parcial bajo el efecto de catálisis en plasma puede proporcional un rendimiento adicional de hidrógeno debido a la adición de agua.
4. Las variantes más prometedoras en el caso de catálisis en plasma son: Reformar con vapor a bordo parte de la gasolina. El calor de salida del motor se puede usar para cubrir las necesidades energéticas del proceso. Oxidación parcial de gasolina a bordo del corche o vehículo.
5. Cabe mencionar que los parámetros de instalación presentados antes están basados en la simulación teórica y en resultados experimentales en la conversión de metano en etanol y se realizarán experimentos adicionales y simulaciones teóricas para demostrar y confirmar los datos presentados.
INVESTIGACIONES LLEVADAS A CABO POR DAVID PARA LA CONVERSIÓN DE COMBUSTIBLES FÓSILES ASISTIDAS POR PLASMA CATÁLISIS PRODUCIDO POR MICROONDAS
La investigación del reformado de combustibles fósiles por plasma producido por descarga de microondas consta de tres etapas fundamentales:
1 . Modelo de descarga para determinar los parámetros primarios de descarga, que son esenciales para las reacciones químicas en el reactor de plasma.
2. Investigación del papel de los diferentes mecanismos químicos de conversión de combustible en condiciones particulares que descarga.
3. Optimización de rendimiento del reactor. La primera etapa está íntimamente ligada con el análisis de los resultados experimentales disponibles y proporciona la construcción exhaustiva de un modelo físico de la evolución de la descarga, que esté en concordancia con los hechos experimentales. La segunda etapa determinará las contribuciones de los diferentes mecanismos de conversión de hidrocarburos a las condiciones de descarga predefinidas mediante el desarrollo de un modelo de descarga físico-químico. Los resultados de esta generación de modelos se pueden usar para mejorar el rendimiento específico de un reactor cambiando los parámetros de descarga.
El modelo físico de la evolución de descarga de microondas proporcionará los parámetros primarios del plasma, tales como concentraciones de electrones y de iones, sus energías medias, la temperatura del gas en función del tiempo y sus distribuciones espaciales. Resulta útil subdividir la evolución de la descarga en tres etapas diferentes:
1 . etapa inicial de no equilibrio, aunque existe una fuerte desviación entre las temperaturas del gas y de los electrones en todo el volumen activo del reactor;
2. etapa de descarga de cuasiequilibrio, en la que existen filamentos con un plasma casi en equilibrio;
3. etapa de descarga posterior a la incandescencia, en la cual se producen la recombinación del plasma junto con la recombinación de cargas superficiales y que se dispersan por difusión en las paredes del reactor.
Dado que la descarga de microondas también es fuertemente no uniforme, ésta se puede dividir además en dominios espaciales diferentes:
1. cabezal del streamer con un alto valor del campo eléctrico reducido, que es responsable de la propagación de streamer a lo largo de las líneas de campo;
2. canal de streamer con un campo relativo bajo, que en primer lugar asegura las características cuasiestacionarias del plasma en el canal, hasta que cierta inestabilidad en el canal del streamer destruya este estado cuasiestacionario; 3. la "cubierta" próxima al canal del streamer con baja concentración de electrones debido a la emisión por radiación desde el canal.
Estas cualificaciones se realizan conforme a la información experimental disponible y categorías comunes de las descargas con filamentos pulsantes. Se compara la existencia de modelos teóricos y datos experimentales para los diferentes intervalos tiempo-espacio. El cabezal del streamer se estudia de forma detenida debido al corto espacio de tiempo e intervalo espacial, aunque los parámetros del cabezal del streamer se pueden obtener a partir de la velocidad observada en el streamer y al radio del streamer por medio de la teoría de propagación en el plano frontal. Esta teoría es válida en nuestro caso, puesto que el espesor del frontal del streamer es lo suficientemente más pequeño que el radio del streamer. El modelo del plano frontal se desarrolló para plasma de metano, agua y hidrógeno y produjo las concentraciones iniciales de electrones en el canal del streamer después del frontal.
Además, este modelo proporciona el valor del campo cuasiestacionario en el canal. Estos valores se pueden comparar con los datos experimentales para la intensidad del campo eléctrico y concentraciones de los electrones. Dado que la concentración de electrones en el canal proporcionada por la teoría del plano frontal es relativamente pequeña (ηe de aproximadamente 3*1014 1 /cm3), es bastante difícil medir esta cantidad a partir de estudios espectroscópicos. No obstante, el valor citado antes de ηe concuerda con la estimación de ηe < 1015 1 /cm3 del análisis de dispersión de líneas de hidrógeno. Cabe citar que el plasma de hidrógeno es más adecuado para las medidas experimentales debido a la estructura más precisa y a la cinética asequible bien conocida y parámetros de desviación, no solo para el estado fundamental, sino también para estados excitados requeridos. Esta es la razón del uso de un plasma de hidrógeno en la primera etapa como ambiente de muestra conveniente para el modelo de descarga.
Las intensidades de campo eléctrico en el canal (H2 - 100 Td, CH4 - 90 Td) derivadas de la teoría del plano frontal y la suposición cuasiestacionaria son bastante concordantes con las medidas experimentales tanto en hidrógeno (=30 kV) como en metano (=20 kV) para condiciones normales. La desviación en el caso de plasma de hidrógeno puede ser debida a impurezas en el gas a granel, tal como agua al 1 %. Las temperaturas de los electrones, que corresponden a estas intensidades del campo son de aproximadamente 2eV. Un modo alternativo para determinar esta cantidad es el análisis de la población de estados excitados de hidrógeno, basada en las intensidades de líneas. Para llevar a cabo estos estudios se desarrolló un modelo cinético de la población de niveles de hidrógeno, teniendo en cuenta la excitación del impacto y la pérdida de la excitación, la radiación espontánea y los procesos de ionización, incluyendo los resultados de la onda del plano frontal y el cálculo de la función de distribución de energía de los electrones (EEDF). El modelo ha mostrado que la población de niveles excitados de hidrógeno está fuertemente en no equilibrio con respecto a la temperatura de los electrones: Tex fue aproximadamente 0,3 a 0,4 eV para los niveles deseados, mientras que T0 fue aproximadamente 2 eV. Estos resultados concuerdan bien con la observación experimental de que Tex es aproximadamente 0,3 eV y coinciden con los cálculos cinéticos previos en hidrógeno.
La velocidad de calentamiento de gas en el plasma puede determinar el comienzo del estado de cuasiequílibrio debido a la inestabilidad al calor de la ionización en el canal del streamer. La velocidad de calentamiento del gas se determinó solucionando la ecuación cinética para la energía de los electrones y hallando la contribución de cada proceso elemental en el calentamiento del gas, teniendo en cuenta la conservación de la energía en algunos grados de libertad. Por ejemplo, cabe esperar que la energía de vibración se almacene sin relajación en los grados translacionales y rotacionales al menos a bajas temperaturas. La simulación da un aumento de temperatura de aproximadamente 100 K en el curso de los 100 primeros ns. Este valor es suficiente para iniciar la inestabilidad al calor de la ionización en el canal si se produce bastante rápida una relajación de la presión. El tiempo hidrodinámico característico es de aproximadamente 100 ns para el hidrógeno y algo mayor para el metano. Así, la inestabilidad de la ionización en el canal del streamer parece ser la responsable de la termalización del canal en aproximadamente 100 ns en hidrógeno, dado que el experimento muestra un fuerte aumento de la temperatura del gas y de la concentración de electrones después de aproximadamente 200 ns en hidrógeno y 400 ns en metano. Como es de esperar, la concentración de electrones en el estado de cuasiequilibrío se determina a partir del supuesto de que el espesor de la capa de piel es aproximadamente el radio del streamer. Esta suposición produce una concentración de electrones de aproximadamente 1016 1 /cm3, que concuerda razonablemente con el valor experimental de aproximadamente 5*1016 1 /cm3. La temperatura del gas del experimento (aproximadamente 5000 K en metano) es ligeramente inferior a la temperatura de equilibrio para esta concentración (aproximadamente 6000 K) y así proporciona el estado de cuasiequilibrio del plasma.
La región de "cubierta" próxima al canal es bastante difícil de medir debido a las pequeñas concentraciones de electrones en la misma. Además, la concentración de electrones en esta región depende de las concentraciones de impurezas en el gas (que puede tomar parte en el proceso de fotoionización e ionización por asociación). Este hecho crea serias restricciones en el modelo de descarga cerca del canal caliente.
Para determinar el mecanismo cinético del reformado de combustible en la descarga de MW se investigaron varios mecanismos posibles en condiciones de descarga. El primero de todos, la disociación térmica de gasolina con adiciones de agua se llevó a cabo para determinar la influencia del agua en la conversión de gasolina y la formación de hollín. En la capacidad de la gasolina se consideró el octano, puesto que el octano es el hidrocarburo mayor en la composición de la gasolina. Se elaboró el esquema cinético, compuesto por 876 reacciones, que describen la oxidación del octano y la formación de hollín. El modelo contiene 85 componentes químicos, incluyendo todos los hidrocarburos hasta el C8H1S con isómeros y radicales intermedios.
Los cálculos se llevaron a cabo con el código WorkBench, usando el modelo de Reactor de Bomba Calorimétrica (CBR) a P=const y T=const. Las curvas cinéticas, que describen la disociación de la mezcla octano- agua a T=1500K y P= 1 atm se muestran en la Figura 1 y la Figura 2 y a T=2100 K y P=1 atm en la Figura 3 y Figura 4, y las adiciones de agua - agua al 89% (Fig 1 , Fig 3) y agua al 50% (Fig 2, Fig 4).
Figura 1. Curvas cinéticas de las concentraciones principales durante la disociación de la mezcla C8H18-H20 (11 :89%) a T = 1500 K, P = 1 atm
A partir de la Figura 1 es evidente que el proceso de conversión de octano en presencia de agua C8H18 + 8H20 = 8CO + 17H2
1. disociación rápida de octano con etileno y formación de metano:
2. proceso lento de formación de acetileno, en el que el agua toma parte como catalizador, seguido por la formación de CO y H2.
Si el agua no es suficiente para la conversión completa del octano, entonces serán productos metano (Fig. 2) o acetileno (Fig. 4).
Figura 2. Curvas cinéticas de las concentraciones principales durante la disociación de la mezcla C8H18-H20 (50:50%) a T = 1500 K, P = 1 atm
Figura 3. Curvas cinéticas de las concentraciones principales durante la disociación de la mezcla C8H18-H20 (1 1 :89%) a T = 2200 K, P = 1 atm
Figura 4. Curvas cinéticas de las concentraciones principales durante la disociación de la mezcla C8H 18-H20 (50:50%) a T = 2200 K, P = 1 atm
La formación de "hollín" durante la disociación de la mezcla octano-agua a T= 2000 K y P = 1 atm se muestra en la Figura 5 y Figura 6. En este modelo se considera un modelo simplificado de la formación de hollín, sugerido por A. V. Krestinin [1]:
C2H2 → C4H12 → C6H2 → C8H2 → ... núcleo de hollín
aunque está limitado a C8H2 con posterior gasificación. De las figuras es evidente que si el agua no es suficiente para la conversión completa de octano en CO-H2, entonces se producirá hollín.
Figura 5. Formación de hollín durante la disociación de la mezcla C8H18-H2O (1 1 :89%) a T= 2200K, P = 1 atm.
Figura 6. Formación de hollín durante la disociación de la mezcla C8H18-H20 (50:50%) a T= 2200K, P = 1 atm.
En la Figura 7 se muestra la dependencia del tiempo de proceso frente a la temperatura a la que se lleva a cabo el proceso.
Figura 7. dependencia del tiempo de proceso frente a la temperatura.
Como se puede apreciar de la Figura 7, el tiempo de proceso es el mismo que en el caso de la descomposición de metano (véase el informe previo), solo a temperaturas inferiores a 1500 K. La etapa limitante es la disociación de metano CH4 → CH3 + H y a temperaturas superiores a 1500 K la etapa limitante es la descomposición de acetileno.
Así, los resultados cinéticos obtenidos para los mecanismos térmicos de la conversión de combustible determinan parámetros óptimos de descarga y por tanto condiciones experimentales deseadas para el reformado de combustible.
REVISIÓN DE LAS PATENTES EXISTENTES PARA LA CONVERSIÓN DE COMBUSTIBLES
Uno de los procesos químicos básicos usados en diferentes agregados para recibir gas rico en hidrógeno (h.g.) es el reformado de hidrocarburos con vapor, por ejemplo: CH4+H20 = CO + H2. Esta reacción es endotérmica, pero si se añade oxígeno en la mezcla que entra, el proceso de reformado es exotérmico. Este proceso puede usarse para recibir h.g., que se quemará en un motor de combustión interna o en la pila de combustible a bordo.
El uso de catalizadores para un proceso de reformado se propone por una gran parte de autores. Se ha patentado una amplia serie de sustancias usadas como catalizadores [1 ,2], así como diseños apropiados de reformadores [2,3]. Podemos subrayar que las características importantes del reformador catalítico son una forma compacta y que no requieren el uso de un equipo adicional. El aislamiento térmico y el reciclado de calor [3] proporcionará una alta eficacia.
Otra forma de obtener h.g. basándose en el proceso de reformado con vapor es una variante de la pirólisis de hidrocarburos en fase gaseosa descrita en [4]. Una mezcla patentada de hidrocarburos y gas enriquecido en oxígeno quemado se agrega después de inyectar los hidrocarburos en la mezcla a alta temperatura obtenida para recibir una cantidad de hidrógeno adicional. La relación entre cantidades de hidrocarburos, vapor y oxígeno se patentó. En la opinión de DAVID la ventaja principal de este procedimiento es la ausencia de catalizadores.
Muchos autores proponen el uso de métodos de plasma para el reformado de combustibles hidrocarburos. El plasmatrón de arco se patentó como un diseño apropiado de reformador [5], en el que hay vaporización del combustible y su pirólisis.
Hay un diseño interesante de plasmatrón de arco introducido en [6]. Hay diferentes procesos químicos para el reformado de combustibles en este plasmatrón: pirólisis de hidrocarburos que conduce a hidrógeno y carbono sólido. Se patentó el diseño del plasmatrón con una depuración mecánica continua de carbono sólido.
La ¡dea de usar el reformado de plasma para recibir h.g., que se inyectará en el motor de un coche cuando sea necesario obtener una potencia máxima se patenta en [7]. Proponen el uso del piasmatrón de arco o plasmatrón de microondas como reformador.
Los autores del documento [8] proponen añadir una turbina que usa energía cinética y calor de gases al plasmatrón para el reformado de combustibles hidrocarburos, para recibir una energía adicional que puede usarse para las necesidades del plasmatrón.
Otro grupo de patentes son aquellas en las que se usa el plasma como estimulador y fuente de energía de un proceso endotérmico de reformado de hidrocarburos con vapor. En uno de ellos [9] el arco deslizante arde en un volumen de reacción para estimular el proceso de reformado de hidrocarburos. Los gases de escape se reforman adicionalmente pasándolos a través de un lecho granulado.
En otro [10] la mezcla de reacción se calentó inicialmente y después de pasar a través del reactor, donde se inicia una descarga periódica de impulsos de alto voltaje y estimula la reacción del reformado con vapor, también hay un diseño de reformador que puede usarse para la generación de h.g. , donde el h.g. se quema en una pila de combustible
SPE a bordo.
La revisión de la bibliografía de patentes demuestra un interés significativo de los investigadores por el problema de obtención de h.g. a partir de hidrocarburos. Como se muestra en la revisión, el mayor grupo de patentes consta de las patentes cuyos autores proponen realizar el proceso de reformado de hidrocarburos con catalizadores, donde los catalizadores son sustancias qu ímicas apropiadas. La mayoría de las patentes muestran métodos de reformado de combustibles hidrocarburos con plasma. Sin embargo, en la mayoría de los casos los autores de las patentes usan el plasma como un calentador de reaccionantes eficaz. Sólo en dos patentes, desde el punto de vista de DAVID el plasma se usa como una fuente de energía térmica y como estimulador del proceso de reformado de hidrocarburos. En el primero de ellos [9] una mezcla de gas enriquecido en oxígeno e hidrocarburos se activa mediante el plasma de arco deslizante y se mueve en un material metálico o cerámico especial, donde esta mezcla finalmente se reforma en gas de síntesis. Pero esta patente no puede servir como prototipo de nuestro dispositivo. La idea del segundo de ellos [9] es muy parecida al diseño de nuestro dispositivo. En ambos casos, la mezcla de reaccionantes se calentó y después se trató por el plasma frío. Hay una importante diferencia entre los dispositivos: en este caso, la fuente de plasma frío es una descarga silenciosa. No hay conversión completa en tal sistema, parte de los hidrocarburos se transforma en dióxido de carbono y necesita usar membranas con una conductividad seleccionada para obtener hidrógeno. En este sistema se necesita comprimir gas adicional y usar más energía.
Bibliografía
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Los sistemas presentados y anteriores pueden generar gas sintético a bordo de un vehículo o producirlo en un dispositivo estacionario. Ambas construcciones pertenecen a la técnica anterior. Por ejemplo, véase la patente de los Estados Unidos n° 5887554, en la que se inventan algunos sistemas para el reformado de combustible en gas sintético.
Én el caso de un sistema estacionario, es necesaria la presencia de recipientes de alta presión o recipientes criogénicos.
Otro ejemplo importante de un sistema convertidor es la patente mundial n° PCT/US98/18027. Se inventan tres procesos de conversión de hidrocarburos ligeros (tales como CH4, C2H6, C3H8, C4H10 o gas natural) en presencia (posible) de agua y oxígeno (o aire), por una descarga eléctrica (en descarga de partículas). Al describir el dispositivo de esta patente, una de las fuentes de energía para el proceso de conversión es la oxidación parcial de hidrocarburos.
La producción a bordo de hidrógeno se desarrolla con detalle. Este grupo de dispositivo se presenta por ejemplo, en la patente de Estados Unidos N° 5143025. en ella, se inventa en el uso de electrólisis para separar agua en hidrógeno y oxígeno y añadir el hidrógeno a un combustible. El sistema de producción de gas rico en hidrógeno mediante la integración de agua con C0 (carbono sólido) se desarrolla en la patente de Estados Unidos N° 51 59900. En este dispositivo, la oxidación parcial de electrodos de carbono por el agua proporcionada por medio de tratamiento con arco es la fuente fundamental de la mezcla H2 + CO. En la patente de Estados Unidos n° 5207185 de Greiner et al., la base del dispositivo es un quemador, que utiliza una porción del combustible hidrocarburo para reformar otra porción produciendo hidrógeno. El hidrógeno se mezcla con el combustible para usar en el motor. Otro sistema es usar el convertidor térmico para reformar parte de la gasolina combustible en gas rico en hidrógeno. Véase Breshears El, et al. , Proc. of EPA 1 st Symposium on Low Polution Power Systems Development, 268 (1973). Otros sistemas análogos usan la oxidación parcial en presencia de catalizadores. Véase Houseman, et al., Proc. 3rd
World Hydrogen Energy Conf. 949 (1980).
Las patentes de Estados Unidos números 5435332 y 5437250, ambas de Rabinovich et al., describen sistemas de motores de combustión interna con plasmatrón. Los plasmatrones de arco son el medio en ambas patentes.
En los dispositivos actualmente patentados para la realización de los procesos de conversión de combustibles asistidos por plasma se utilizaba la descarga estabilizada de plasma en el plasmatrón de arco, de alta frecuencia o superalta frecuencia de diferentes modelos y las variantes de impulso de la descarga de arco (railgun, gliding); véase las patentes de los Estados Unidos números 5.425.332; 5.437.250 y 5.887.554. La muy alta temperatura, propia de las descargas de este tipo y, como consecuencia, el equilibrio de peso termodinámico, no permiten aprovechar con plena efectividad las ventajas del método de plasma para la realización del proceso de la conversión del combustible.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
El objeto de la invención es un convertidor de plasma para convertir hidrocarburos en gas rico en hidrógeno. El convertidor incluye un calentador, un mezclador, reactor y fuente de microondas conectada al reactor. Una descarga de impulso periódica pseudo-corona de microondas se usa para la aceleración del proceso de conversión dentro del reactor. Se genera una descarga pseudo-corona mediante un conjunto de bordes metálicos introducidos dentro del resonador de microondas en la región de máximo campo eléctrico. Como resultado, con un determinado régimen seleccionado (duración de impulso, relación de duración de impulso periodo-pulso, entrada de energía específica, temperatura a la entrada del reactor) se genera un carácter plasma- catalítico al proceso de conversión. Un proceso de conversión plasma- catalitico se distingue por su alta productividad específica y por su bajo requerimiento de energía eléctrica en el límite inferior de temperatura. El reactor propuesto permite llevar a cabo el proceso de conversión de combustible (petróleo, queroseno, combustible diesel, etc.) con vapor, con vapor-oxígeno (vapor-aire) y también oxidación parcialcon aire en gas rico en hidrógeno. La mayor parte de la energía, termodinámicamente requerida para llevar a cabo un proceso determinado, se suministra al sistema como energía térmica desde el calentador a expensas de la recuperación de calor a la salida del reactor, y también (en caso de conversión vapor-oxígeno u oxidación pacial) a expensas de la combustión parcial de combustible en el mezclador. El calentador puede incluir (en caso de conversión de vapor) un plasmatrón de arco. En el mezclador se pueden usar inyectores supersónicos, que proporcionan una mezcla eficaz de los reaccionantes iniciales en un tiempo inferior a 10"3-1 0"5 seg
La tecnología moderna permite construir el dispositivo propuesto tanto para un sistema estacionario de gran producción como el diseño compacto para la instalación en vehículos. La utilización del equipo de producción de gas rico en hidrógeno a partir de hidrocarburos a bordo de vehículos, permite evitar la utilización de depósitos de hidrógeno a bordo. La utilización combinada de los dispositivos propuestos (uso de motores adaptados de combustión interna para mezcla de gas rico en hidrógeno y gasolina) a bordo permite la disminución significativa de contaminación e incrementar el rendimiento del motor. Las características de funcionamiento del motor se mejoran sin cambios radicales en su diseño. En segundo lugar, la aplicación del equipo propuesto es su utilización con la célula de combustible para generar electricidad que se suministra al motor eléctrico del vehículo.
DESCRIPCIÓN DEL APARATO CONSTRUIDO POR DAVID EN EL CUAL SE HAN REALIZADO LOS EXPERIMENTOS DE NUESTRA INVENCIÓN
El montaje experimental, mostrado en la Figura 8, consta de: bloque tecnológico (representado por la línea de trazos en la Figura 1 ); sistema de alimentación de reaccionantes (combustible, agua, aire) ; sistema de alimentación de agua modulador, generador de MCW, guiaondas
El agua y el combustible se evaporan en el Evaporador 1 y en el Evaporador 2 y a temperaturas mayores que sus temperaturas de ebullición correspondientes, son alimentados: agua - en la entrada del calentador 2 (plasmatrón de arco), el combustible - en la entrada del mezclador. La temperatura del vapor de agua deberá ser suficiente para evitar la condensación de vapor durante la alimentación en el calentador 2. La temperatura del combustible vapor deberá ser suficiente para evitar la condensación de vapor durante la alimentación en el mezclador.
El aire se calienta hasta una temperatura mayor que la temperatura de ebullición del agua y se alimenta con vapor de agua en la entrada del calentador 2. La temperatura del aire deberá ser suficiente para evitar la condensación de vapor de agua en la mezcla en la entrada del calentador 2.
En el calentador 2, el vapor de agua y la mezcla de aire se calientan hasta una temperatura media de la masa fija dependiendo del régimen elegido (véanse las Tablas 2, 3, 4 y 5) y se alimenta en la entrada del mezclador.
Los regímenes de operación del bloque tecnológico (en principio, la temperatura de proceso) se determinan por el cambio de potencia del calentador 2 y/o los cambios en los consumos de reaccionantes iniciales.
En el mezclador, todos los reaccionantes se suministran rápidamente, y después de que se suministran en el reactor plasma-catalítico.
En el reactor, la mezcla calentada de reaccionantes se trata por una descarga de efecto pseudo-corona de microondas de impulso periódico.
Los productos del proceso se enfrían en el intercambiador de calor, la fase condensada se separa (agua y combustible sin reaccionar , y en ciertos casos carbón) en el intercambiador de calor ciclónico. El gas sintético obtenido se envía al análisis cromatográfico. En el punto "16", se determina el consumo de productos en fase gas. Necesariamente, el consumo de agua y combustible sin reaccionar en la fase líquida se determina en el punto "17".
El disparador de descarga y el dispositivo de entrada de MCW entran constructivamente en el bloque tecnológico.
El disparador de descarga es un pivote de wolframio puntiagudo, introducido en el reactor en el campo de MCW, para iniciar la descarga de microondas de efecto pseudo-corona.
El dispositivo de entrada de MCW crea la distribución de campo eléctrico 2
en el reactor con una intensidad máxima en la región de la pieza de wolframio puntiaguda.
Los puntos de medida (puntos "4-1 5") de los parámetros principales del bloque tecnológico se muestran en la Figura 1 . Los valores nominales de ios parámetros del bloque tecnológico (consumos de reaccionantes, regímenes de temperatura) para los regímenes básicos del esquema de reacción se muestran en las tablas 1 , 2, 3 y 4.
1.2. Breve descripción de la instalación de MCW
El modulador de la instalación de MCW produce una serie de impulsos de tensión periódica, esenciales para el funcionamiento del generador de MCW con el dispositivo de entrada de MCW.
Los parámetros principales de la radiación de MCW: duración del impulso de la radiación - 0, 1 - 1 mks; frecuencia de repetición de los impulsos hasta 1 kHz; potencia en el impulso - hasta 50 kW; potencia media - hasta 50 W; longitud de onda de la radiación - 3 cm
1 .3. Reaccionantes de entrada
Los reaccionantes de entrada se alimentan en la entrada del bloque tecnológico en condiciones normales (puntos 1 , 2, y 3 en la Figura 1 ). El agua de refrigeración tiene parámetros próximos en la entrada, presión - 3 atm. temperatura - 15° - 25°C
2. NECESIDADES DE DISEÑO PARA SEPARAR LOS ELEMENTOS DEL BLOQUE TECNOLÓGICO
2.1 Necesidades generales
Se propone la disposición de los elementos del bloque dispuestos en una construcción. Se aprovecharán al máximo las posibilidades de agrupar - distribuir toda la construcción para la limpieza de los elementos, sustitución de elementos, modernización del bloque y operaciones similares.
En la Figura 9 se muestra un esquema de la disposición de elementos próximos del bloque tecnológico: calentador 2 (plasmatrón de arco), mezclador, reactor, disparador de la descarga, dispositivo de entrada de MCW y grupo de termopares TC, (el índice corresponde al punto de medida en el esquema) para el control del régimen de temperatura del bloque. El diámetro de la tubería es 20 mm.
2.2 Plasmatrón de arco - calentador 2
La potencia del plasmatrón es de 300 W - sin considerar el coeficiente de rendimiento del plasmatrón, pérdidas, etc. Gas de trabajo -vapor de agua, mezcla de vapor de agua con aire.
Presión - superior a la atmosférica (desplazamiento del gas a expensas de la presión de agua y combustible en el evaporador 1 y 2). En la salida del conducto de gas se fija presión atmosférica al eliminar gas del cambiador de calor. Consumo de gas en la entrada del plasmatrón:
Régimen 1 (sin aire) - vapor de agua 40,55 - 355 cnrrVs
Régimen 2 (con aire) - vapor de agua 18,7-40,55 cm3/s más 14-55 cm3/s de aire.
Temperatura del gas (media) en la salida del plasmatrón - hasta 3000 K. Los termopares TC4 y TC5 están incorporados en el plasmatrón. El termopar TC9 está activo y mide la distribución de temperaturas radial en la salida del plasmatrón - en la entrada del mezclador. Se proporciona la posibilidad de retirar el termopar de la sección transversal de la tubería.
2.3 Mezclador
Los parámetros de un componente mezclado (vapor de agua más aire) se fijan por el régimen de trabajo del plasmatrón de arco.
Parámetros del segundo componente mezclado (vapor del combustible)
Consumo:
Régimen (sin aire): 0,025 - 0,22 g/s
Régimen (con aire): 0,025 g/s
El tiempo de mezcla es de 10"4 s. La temperatura del gas después de mezclar es 500 - 1560 K.
El termopar TC6 está incorporado en el mezclador. El termopar TC10 controla la temperatura del gas después de mezclar en el centro de la tubería. Se proporciona la posibilidad de retirar el termopar de la sección transversal de la tubería.
2.4 Reactor con disparador de descarga y dispositivo de entrada de MCW
En la variante, mostrada en la Figura 2, el reactor del extremo de cabeza está cerrado por la pared metálica MC con orificios para el diagnóstico espectral de la descarga y una mirilla GW de vidrio a vacío. La pared MC sirve para reflejar la radiación de MW en la dirección de la zona de descarga DZ de MCW. La distancia entre MC y los ejes de la radiación de MCW que entra en el dispositivo es del orden de 5-10 cm. En esta variante, el intercambiador de calor "ciclónico" puede estar conectado a - 5?
la pared del reactor como en la Figura 2. La disposición del bloque tecnológico en este caso es horizontal. La reflexión de la radiación de MCW en la dirección de la zona de descarga de la zona de mezcla se obtiene reduciendo la sección transversal de la tubería en la salida del mezclador desde 20 mm a 15 mm.
El dispositivo de entrada de la radiación de MCW es un guiaondas rectangular que tiene una sección transversal de 24 x 11 mm. La pared ancha del guiaondas está orientada a lo largo de la tubería. La pared ancha tiene 150 mm de longitud. A una distancia de 70 mm del lugar de unión del guiaondas y la tubería se ha dispuesto el hermetizador realizado en material transparente a la radiación de MW. La distancia entre ejes del dispositivo de entrada y la zona de descarga de MW es del orden de 5 a 10 cm.
Nota: Es conveniente en la Figura 2 disponer el dispositivo de entrada de MCW en el plano de salida. En el sistema real, la entrada no está inclinada 90° y orientada con la perpendicular al plano de salida.
El iniciador de la descarga es una barra puntiaguda de wolframio que tiene un diámetro del orden de 2 mm. El iniciador es activo en el radio de la tubería y existe la posibilidad de retirar la barra de wolframio de la sección transversal de la tubería.
El termopar TC^ controla la distribución de temperatura radial de la tubería. El intervalo de temperaturas es 300 a 1 560 K. El termopar es activo en el radio de la tubería y existe la posibilidad de retirar el termopar de la sección transversal de la tubería. La distancia de la zona de descarga DZ a la entrada al reactor-salida del mezclador es mínima y se define por particularidades de construcción de los elementos del bloque.
3. Parámetros del bloque tecnológico
Los parámetros nominales del proceso se calcularon para los regímenes característicos de las investigaciones experimentales, con el fin de determinar la pauta de consumos de reaccionantes. Estos datos se usan para el diseño del proyecto de la instalación.
Dos tipos principales de procesos, llevados a cabo en la instalación, son el proceso de conversión con vapor sin aire (1 ) y los procesos de conversión de combustible con vapor y con oxidación parcial del combustible por el oxígeno del aire.
3.1. Parámetros del bloque tecnológico para la conversión de combustible con vapor sin aire en la entrada del proceso
El proceso, en este caso, corresponde a la reacción C6ι918H12.117 + 6,918 H20 = 6,918CO + 12,98H2; ΔH = 12000 KJ/cal = 1 ,85 eV/mol (1 )
La entrada de energía J a los reaccionantes iniciales es el parámetro que más varía en el experimento: J = W4/Q, donde W4 es la potencia térmica y Q es el consumo de reaccionantes inicial. La entrada de energía define el régimen de temperatura del proceso y el valor del grado de equilibrio de la conversión. En las investigaciones experimentales se dan dos regímenes principales: variando la potencia W4 a un consumo constante de reaccionantes iniciales Q (Tabla 1 ) y variando el consumo de los reaccionantes iniciales Q a potencia constante de calentamiento W4 (Tabla 2).
3.2. Parámetros del bloque tecnológico para el caso de proceso de conversión del combustible con vapor con aire como reaccionantes iniciales
Sí el aire está presente en los reaccionantes de entrada, parte de combustible se oxida por el oxígeno, como resultado de lo cual la energía absorbida compensa la parte del aporte energético externo. El aumento de la parte de aire en la entrada del sistema conduce a disminuir la potencia de calentamiento W4 en el calentador 2. Como en los regímenes iniciales (sin adición de oxígeno), se eligen dos regímenes: régimen "e" (conversión del 100% del combustible, véanse las tablas 1 , 3) y régimen "n" (conversión del 65% del combustible, véase la tabla 4). La adición de oxígeno en estos regímenes conduce a una disminución de la potencia W4 del calentador 2 en la conservación del régimen de temperatura y grado de conversión de combustible (tablas 3, 4).
Explicaciones a las tablas 1 ,2.
Q - consumo de reaccionante, unidad (g/s), para la fase líquida (nrrrVg) para la fase gas. T - temperatura
Potencia W4 - potencia, absorbida por el gas calentado en el calentador 2 sin tener en cuenta la eficacia del calentador, pérdidas y variables similares. α - estimación del grado de equilibrio en la conversión en el punto 12. En el punto 12 con hidrógeno y CO existe vapor de agua y combustible sin reaccionar en cantidades que corresponden a (1 ). Como estimación del grado de conversión se muestra la suma de las concentraciones de agua y CO.
0) - para el punto 9 muestra la temperatura másica media en la sección dada; en la práctica se mide la distribución radial de temperatura por un termopar móvil.
1) - el valor de la temperatura se da sin tener en consideración los costes de energía en la disociación de las moléculas de agua, la temperatura real es aproximadamente 3000 K.
J - aporte energético (entalpia) en los reaccionantes iniciales en el régimen específico, que concluye con el calentamiento y evaporación de los reaccionantes (a título informativo)
Para los consumos de reaccionantes iniciales (combustible y agua) dados en la tabla 2, las potencias de los evaporadores de combustible y agua son iguales a W3 = 5 W y W2 = 80 W.
La particularidad principal de los regímenes definidos, mostrada en la Tabla 1 es el valor variable de la relación de potencia media de la descarga de MCW (WMCW ev = 50 W) a la potencia de calentamiento W4 (potencia de calentamiento cambia en un intervalo de 50 a 300 W).
En la tabla 2 se muestran los datos calculados de regímenes definidos con potencia constante W = 300 W de calentamiento. La relación WMCW ev / W4 es constante e igual a aproximadamente 15%.
Ai variar los consumos de reaccionantes de entrada (agua y combustible) sus potencias de evaporación (W2 y W3), que se muestran en la tabla 2, varían. Explicaciones a las tablas 3 y 4
2 - el grado de conversión α corresponde al grado de conversión del combustible.
Tabla 1
O
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Tabla 2
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Tabla 3
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Tabla 4
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DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
El fundamento de nuestra invención consiste en la utilización de la descarga de superalta frecuencia de impulso periódico de efecto pseudo- corona a presión atmosférica que se diferencia principalmente de los dispositivos actualmente existentes por:
Baja temperatura de reactivos Alta escala de desequilibrio de peso Alta efectividad energética de generación de las partículas químicamente activas en el plasma Alta efectividad de la utilización de la energía eléctrica
El dispositivo de nuestra invención sirve para la realización de los procesos piasmacatalíticos de conversión de combustibles fósiles en gas sintético rico en hidrógeno (mezcla de hidrógeno con el monóxido carbónico)
Los principales procesos de la conversión del combustible son:
Conversión con vapor (ver abajo j) Conversión con vapor-oxígeno (k) Oxidación parcial (I)
Los reactivos, antes de entrar en el área del reactor plasmacatalítico, se someten a un calentamiento previo hasta la temperatura en la cual la escala e equilibrio de conversión sea suficiente para el reactor. Esta temperatura, como regla, es demasiado baja para la realización del proceso en un tiempo aceptable (frenado cinético). El tratamiento de los reactivos previamente calentados por plasma permite, por medio de los procesos en cadena con la participación de las partículas químicamente activas, eliminar las limitaciones cinéticas y alcanzar el valor de equilibrio de las escalas de conversión de los reactivos.
La parte principal del dispositivo objeto de la invención es el reactor plasmacatalítico (figura 10), en el cual los reactivos previamente calentados se tratan por la descarga de impulso periódico de microondas de efecto pseudo corona.
El reactor es un tubo metálico (1 en la figura 10) de sección redonda el cual sirve a la vez para transportar el gas y como guíaondas para la propagación de la radiación de microondas. La radiación de microondas entra al reactor por un guíaondas rectangular estándar (2) (tipo de onda H01 ) a través del orificio de comunicación (3).
El orificio de comunicación está cerrado por el hermetizador (8), transparente para la radiación de microondas para evitar la perturbación de los parámetros de la dinámica de gas y para aislar el conducto de guíaondas del volumen del reactor. La amplia pared del guíaondas rectangular está a Loa largo del eje del tubo en el cual se excita el tipo de onda H1 1 en el guíaondas redondo. La distribución del campo eléctrico E en los guíaondas rectangular y redondo se describen en los dibujos 2 y 3.
El diámetro del reactor se elige bajo la condición de que no se exciten en el guíaondas redondo otros tipos (superiores) de ondas, excepto la onda del tipo principal H 1 1 . El siguiente tipo de onda es el tipo E01 . El cumplimiento de la condición indicada anteriormente lleva a la necesidad de mantener las siguientes relaciones para el diámetro D:
l0<lcr H1 1 (D) = 1 ,705 D (a) l0<lcr E01 (D) = 1 ,308 D (b) donde:
lo: es la longitud de onda de la radiación microondas en el espacio libre
Icr: las longitudes críticas de las ondas en el guíaondas redondo para los tipos correspondientes de las ondas
De las relaciones indicadas se saca la condición para el diámetro del reactor:
0,59 lo < D < 0,76 l0 (c)
Los reactivos calentados entran al reactor desde el bloque de mezcla (1 1 en la figura 10) a través del elemento de la entrada de reactivos (4).
El mezclador representa un aparato con tres sistemas de entrada de reactivos. El primer sistema de entrada de reactivos (10) está instalado en el eje del sistema. A través de éste se envía al mezclador, en distintas variantes del proceso e conversión, el vapor de agua calentado (proceso j), o la mezcla vapor-aire calentada (k), o el aire calentado (I). La segunda y la tercera entradas de los reactivos (9 y 10) representan unos sistemas concéntricos de toberas supersónicas. La utilización de tales toberas en la construcción del dispositivo lleva a en el tiempo a la mezcla de los reactivos en el nivel molecular de 10-3 - 10-4 segundos. En las variantes de la conversión vapor-oxígeno (k) y oxidación parcial (1 ) en el espacio entre el segundo y tercer sistemas de entrada de reactivos tiene lugar la oxidación del combustible por el oxígeno del aire. La energía producida en el proceso de oxidación calienta aún más a los reactivos.
El elemento de entrada de los reactivos al reactor (4) representa una parte del tubo que va estrechándose hacia el mezclador. La escala del estrechamiento ha de ser suficiente para que el elemento de entrada de reactivos esté fuera del límite para la onda H1 1 , en otras palabras, para que la radiación microondas se refleje de este elemento hacia el orificio de comunicación (3). Esta condición lleva a la siguiente correlación para la dimensión característica transversal del elemento de entrada de reactivos - diámetro d:
lo > lcr H11 (d) = 1 .705 d (d)
Los productos del proceso salen del reactor a través de los orificios del tapón (5). El tapón está destinado a reflejar la radiación microondas hacia el orificio de comunicación (3).
Otra variante para organizar el sistema de salida de los productos del proceso del reactor puede ser un trozo de tubo análogo al elemento de entrada de reactivos (4), pero estrechándose en la dirección contraria. En ambos casos, el reactor (L en la figura 10) debe equivaler a un número entero n de las longitudes de semiondas lwg/2 de la radiación microondas en el guiaondas:
L = n IWG 2 = n l0 / (1 -(l0 / lcr H1 1 (D))2)1 2 12 (e)
La descarga se inicia por elemento de corona - una barra afilada (6) de metal poco fusible, introducida en el guiaondas. La punta de la barra aumenta el valor del campo eléctrico de microondas E a su alrededor y con eso se logra crear la etapa del efecto pseudo corona de la descarga.
La barra está orientada a lo largo de las líneas de fuerza del campo E dentro del guiaondas (figura 12). La posición de la punta e la barra (H en la figura 12) equivale aproximadamente a la mitad del radio del guiaondas. En la dirección longitudinal (L2 en la figura 10) la barra se ubica en lugar donde el campo de la onda fija en el resonador sin descarga es máxima:
L2 = IWH (n/2 + 1/4) = (n/2 + 1/4) l0 / (1 -(l0/lcr H11 (D))2)1/2 12
(f)
Los estreamer de la etapa pseudo corona de la descarga se transforman en el campo microondas en el sistema de los streamer de plasma y se propagan en forma de estreamer microondas llenando la sección transversal el tubo y creando la zona de la descarga de impulso microondas (7 en la figura 10). El destino de la etapa de la descarga del efecto pseudo corona es la generación del plasma a presión atmosférica con alta energía media de electrones.
El destino de la etapa de los estreamer microondas es la creación de una formación de plasma desarrollado en el espacio para el tratamiento plasma catalítico de los reactivos.
La coordinación del guiaondas rectangular (2 en la figura 10) con el reactor (1 ) se consigue por la elección de la relación de las dimensiones longitudinales L y L1 (figura 10). En la zona de descarga (7) se absorbe prácticamente toda la radiación microondas y por esto la parte del guíaondas que se encuentra a la derecha del orificio de entrada de radiación (3) funciona en presencia de la descarga en el régimen de la onda móvil. En este caso, la distancia L1 del orden del número entero de las longitudes de semiondas en el guíaondas será:
L1 = n lwG /2 = l0 / (1 -(lo /lcr H11 (D))2)1/2 /2
(g)
La fuente de la radiación microondas funciona en el régimen de impulso- periodicidad. La duración del impulso de radiación t1 se define por el tiempo necesario para la realización de ambas etapas de la descarga (etapa del efecto pseudo corona y etapa de los estreamer microondas) en condiciones concretas.
El periodo de la repetición de los impulsos de radiación t2 se da partiendo de la coordinación óptima de las siguientes magnitudes: tiempo de existencia de las partículas activas generadas por plasma en la fase pasiva de la descarga después del cese del impulso de la radiación de la frecuencia superalta; velocidad lineal del paso de reactivos por la zona de descarga; aportación energética a la descarga:
Jplasma = W / Q (h) donde
W = WPULSE * t, / 12
W" es la potencia media de la radiación microondas, WPULSE - es la potencia de impulso, Q - -es el consumo de reactivos.
La potencia de impulsos de la radiación microondas WPULSE, (h), (i) define la aportación energética de plasma JPLASMA- Además, la potencia de impulsos depende la magnitud del campo eléctrico en el guiaondas redondo sin plasma, la cual ha de tener un valor menor de la descarga disruptiva y, a la vez, ser suficiente para la iniciación de la etapa del efecto pseudo corona de la descarga en el elemento de corona.
La aportación energética térmica (aportación energética del calentamiento previo de los reactivos) Jheat debe ser suficiente para el calentamiento de reactivos hasta la temperatura dada y para la compensación de los consumos energéticos para la realización de los procesos endoérgicos en el sistema que llevan a la realización de la
HOJA SUSTITUTORIA (REGLA 26) 70 -
escala de equilibrio de la transformación de reactivos a la temperatura dada.
El calentamiento previo de reactivos puede realizarse de las siguientes formas:
calentador con fuente de energía independiente (p.ej. plasmatron de arco); incineración de una parte del combustible en la cámara de combustión;
• oxidación de una parte de combustible por oxigeno en los procesos de converesión con la participación de oxigeno (aire); recuperación del calor en la salida del dispositivo
También son posibles los modos combinados de los calentamientos
Indicados anteriormente
La Relación de aportación energética de plasma a la aportación energética de calor Jpιasrna/Jheat es del orden 1-10%.
Las temperaturas características de la realización de los procesos de conversión y las escalas correspondientes a ellos de transformación de reactivos se dan a continuación.
Para el proceso de la conversión de vapor del combustible (j) con la escala de transformación de 35% son características las siguientes temperaturas: temperatura de calentamiento de los vapores de agua 1450 K, temperatura de la mezcla de los vapores de agua vapores de ITUTORIA REGLA 26 combustibles después de mezclar 890 K-, temperatura de los productos del proceso después de su realización 620 K.
Para el proceso de la conversión de vapor del combustible (j) con la escala de transformación de 65% son características las siguientes temperaturas: temperatura de calentamiento de los vapores del agua 2180 K, temperatura de la mezcla de los vapores de agua vapores de combustible después de la mezcla 1 150 K, temperatura de los productos del proceso después de su realización 665 K
Para el proceso de la conversión de vapor del combustible (j) con la escala de transformación de 99% son características las siguientes temperaturas: temperatura del calentamiento de los vapores de agua 3750 K (sin contar los procesos de la disociación de las moléculas de agua), temperatura de la mezcla de los vapores de agua-vapores de combustible después de la mezcla 1560 K, temperatura de los productos del proceso después de su realización 800 K.
Para el proceso de la conversión de vapor-oxígeno de combustible (k) con la escala de transformación de 65% (relación de moles-agua; aire equivalente a 2,5) son características las siguientes temperaturas: : temperatura del calentamiento de la mezcla vapor-aire 1390 K, temperatura de reactivos después de la mezcla 890 K, temperatura de los productos del proceso después de su realización 650 K.
Para el proceso de oxidación parcial del combustible (1 ) con la escala de transformación de 100% (relación de moles-combustible: aire equivalente a 1 :3,46) son características las siguientes temperaturas: temperatura del calentamiento de la mezcla vapor-aire 1110 K, TITUTORIA REGLA 26) temperatura de reactivos después de la mezcla 896 K, temperatura de los productos del proceso después de su realización 1611 K.
3. REALIZACIÓN Y CARACTERÍSTICAS DE LOS PROCESOS.
El dispositivo propuesto puede realizar los procesos de la conversión de combustibles fósiles con vapor, vapor-oxígeno y vapor del combustible en H2-gas enriquecido, así como el proceso de la oxidación parcial estimulada del combustible
3.1.
La variante de la conversión de vapor del combustible se describe por la reacción
CmHn + H20 = mCO + (n/2 + m) H2 (j)
y su realización en el dispositivo está representada esquemáticamente en la figura 13.
El vapor de agua se envía al calentador, desde ahí va a la primera entrada de la cámara de mezcla y el combustible va a la segunda y tercera entradas de la cámara de mezcla. Conforme al régimen exigido, la relación de la cantidad del combustible a la segunda y tercera entradas de la cámara de mezcla puede cambiarse en el diapasón de 0-
1 , y la relación general de moles de vapor/combustible en el diapasón de 6-14.
HOJA SUSTITUTORIA REGLA 26 En calidad de calentador, como se indica en la figura 14, puede utilizarse un termopermutador recuperativo que utiliza el calor de la salida del reactor y el plasmatron de arco conectado en serie. La temperatura de los vapores de agua, necesaria para la realización del proceso de la conversión de vapor del combustible, en la salida del calentador esta en los rangos de 1400-3000 K°, y la temperatura de reactivos en la entrada al reactor está en 900-1500 K°.
El balance general de energía para el proceso plasmacatalítico de la conversión de vapor se compone de los consumos energéticos para la evaporación de reactivos (Jvapor), calentamiento de reactivos y el proceso químico. La composición de los productos en la salida de reactor (escala de transformación de los reactivos "a") y el consumo energético "A" del producto (gas sintético rico en hidrógeno) depende, en primer lugar, de la aportación energética JSUM = Jplasma + Jheat + Jvapor La dependencia dada está presentada en la tabla siguiente (aportación energética JSUM está presentada en forma de relación de la potencia a la cantidad en peso de los reactivos líquidos).
Figure imgf000075_0001
HOJA SUSTITUTORIA REGLA 26 3.2.
Para la realización del proceso de la conversión con vapor-oxígeno (vapor-aire) para las cantidades dadas de combustible (x) y oxígeno (y)
x CmHn + y 02 + 3.73 y N2 + (mx-2y) H20 = mx CO + 0.5 (nx + 2m - 4y) H2 + 3.73 y N2 (k) como está indicado en la figura 15, se envía al calentador el vapor de agua mezclado con el aire y el combustible se envía a las entradas 2 y 3 en la proporción 0.5-2. La temperatura en la salida del calentador equivale a 500-600 K y en la entrada al reactor 800-1500 K°. La relación de moles del vapor de agua/aire y vapor de agua/combustible varia en el diapasón de 0.3-2 y 3-7 respectivamente.
La escala de transformación de reactivos en gas sintético rico en hidrógeno depende de la aportación energética JSUM al sistema (ver p. 3.1 .), así como de la parte molar de aire "g" con relación a la cantidad de combustible. Las características principales cuantitativas están presentada en la siguiente tabla:
g,% JSUM, kJ/kg a,%
25 7300 100
25 3400 65
42 4500 100
42 1500 69
HOJA SUSTITUTORIA (REGLA 26) 64 1500 100 64 850 95
3.3.
Para la realización del proceso de la oxidación parcial del combustible
CmHn + m/2 (02+79/21 N2) = m CO + n/2 H2 + m/2 79/21 N2, (1 )
como se indica en la figura 16, se envía al calentador el aire, y a la segunda y la tercera entradas de la cámara de mezcla el combustible en la proporción de 0,5-2 y la relación molar de aire/combustible en la entrada al reactor equivale a 8-12.
La temperatura, necesaria para la realización del proceso de oxidación parcial del combustible, en la salida del calentador está en los rangos de 500-600 K° y la temperatura en la entrada al reactor está entre 900-1100 K°
Para asegurar la temperatura de trabajo del proceso es necesaria la magnitud de la aportación energética JSUM (ver el p. 3.1.) 1000-1500 kJ/kg. Con Loa cual la escala de la transformación de los reactivos llega a un 100%.
HOJA SUSTITUTORIA (REGLA 26) REFERENCIAS DE LAS FIGURAS 10 A 16
FIGURA 10- CONSTRUCCIÓN DEL DISPOSITIVO
1 - guíaondas redondo, reactor químico;
2 - guíaondas rectangular;
3 - orificio de comunicación;
4 - elemento de entrada de reactivos al reactor;
5 - salida de productos del reactor, tapón en guíaondas; 6 - barra iniciadora;
7 - zona de descarga plasmacatalítica;
8 - primera entrada del mezclador;
9 - sección de la segunda entrada del mezclador,
10 - sección de la tercera entrada del mezclador 11 - cámara de mezcla de reactivos.
FIGURA 11 -COORDINACIÓN DE LAS DISTRIBUCIONES DEL CAMPO ELÉCTRICO EN GUIASONDAS RECTANGULAR Y REDONDO.
1 - guíaondas rectangular
2 - guiaondas redondo
E - vector del campo eléctrico microondas.
FIGURA 12 - SISTEMA DE ENTRADA AL GUIAONDAS DE LA BARRA
INICIADORA DEL ELEMENTO CORONA
1 - guíaondas redondo
2 - barra afilada de metal poco flexible
HOJA SUSTITUTORIA (REGLA 26 3 - líneas de fuerza del campo eléctrico en guíaondas de la barra y de la descarga. Abajo está la distribución de la amplitud del campo eléctrico microondas.
FIGURA 13 -ESQUEMA DEL PROCESO DE LA CONVERSIÓN DE
VAPOR DEL COMBUSTIBLE
1 , 2, 3 - primera, segunda y tercera entradas de reactivos al mezclador.
FIGURA 14- ESQUEMA DEL CALENTAMIENTO PREVIO DE LOS
VAPORES DE AGUA EN EL PROCESO DE LA CONVERSIÓN DE VAPOR DEL COMBUSTIBLE
FIGURA 15- ESQUEMA DEL PROCESO DE LA CONVERSIÓN VAPOR-AIRE DEL COMBUSTIBLE
1 , 2, 3 - primera, segunda y tercera entradas de reactivos ai mezclador.
FIGURA 16- ESQUEMA DE PROCESO DE LA OXIDACIÓN PARCIAL DEL COMBUSTIBLE
1, 2, 3 - primera, segunda y tercera entradas de reactivos al mezclador.
Figura 17- DIBUJO DEL DISPOSITIVO 1 -Guíaondas circular, reactor plasmaquimico, 2-Guíaondas rectangular para la entrada de radiación de microondas al reactor, 3-Orificio de comunicación, 4-Elemento de entrada de los reactivos al reactor, 5- Liberación de los productos del reactor, conector de guia de onda, 6- Barra para la iniciación, 7-Zona de descarga piasmacatalitica, 8-Primera
HOJA SUSTITUTORIA REGLA 26 entrada a la cámara de mezcla, 9-Sección transversal de la tercera entrada a la cámara de mezcla, 11- Cámara de mezcla de reagentes
HOJA SUSTITUTORIA REGLA 26

Claims

REIVINDICACIONES
1. Convertidor de plasma de combustibles fósiles en un gas rico en hidrógeno, que comprende un calentador, una cámara de mezcla, un reactor, unidos en serie, y una fuente de energía de MCW para el reactor.
2. Dispositivo según la reivindicación 1 , en el que en el reactor se usa una descarga de MCW de efecto pseudo-corona de impulso periódico a presión atmosférica.
3. Dispositivo según la reivindicación 2, en el que la descarga de MCW de efecto pseudo-corona se inicia por un conjunto de agujas metálicas, insertadas en el resonador de MCW.
4. Dispositivo según la reivindicación 3, en el que la dimensión longitudinal del resonador es aproximadamente varias longitudes de onda de la radiación MCW, y las agujas metálicas están distribuidas en el resonador en regiones con campo eléctrico máximo.
5. Dispositivo según la reivindicación 5, en el que la fuente de energía de microondas genera el conjunto de impulsos con una duración del impulso de 0,1 a 1 microsegundos y una relación del período del impulso a duración del impulso de 100 a 1000 en el rango centimétrico o decimétrico de la radiación de microondas (bandas X, S).
6. Dispositivo según la reivindicación 1 , en el que la cámara de
HOJA SUSTITUTORIA RE mezcla dispone de una entrada, conectada al calentador y también una segunda y tercera entrada para la alimentación de reaccionantes en las diferentes zonas de la cámara de mezcla.
Dispositivo según la reivindicación 1 , en el que para llevar a cabo el proceso de conversión con vapor de combustibles se suministra vapor de agua en el calentador y, en la segunda y tercera entrada de la cámara de mezcla se suministra combustible en relaciones Q./Q2 en la proporción de 0 a 1.
8. Dispositivo según la reivindicación 7, en el que el calentador está fabricado como un intercambiador de calor con recuperación térmica contenida por del gas rico en hidrógeno producido y un plasmatrón de arco, conectado al intercambiador de calor en serie.
9. Dispositivo según la reivindicación 7, en el que las relaciones molares de vapor de agua a -combustible se seleccionan en el rango de 6 a 14.
10. Dispositivo según la reivindicación 7, en el que la temperatura del vapor de agua en la salida del calentador es aproximadamente 1400-3000 K, y la temperatura de los reaccionantes en la entrada del reactor es 900-1500 K.
11. Dispositivo según la reivindicación 1 , en el que para llevar a cabo el proceso de la conversión de combustible con vapor-aire, se suminstra vapor de agua mezclado con aire a la cámara de mezcla, y en la segunda y tercera entrada de la cámara de
HOJA SUSTITUTORIA REGLA 26 mezcla, se suministra el combustible en relaciones Q2/Q3 en el rango de 0,5 a 2.
12. Dispositivo según la reivindicación 7, en el que la temperatura de los reaccionantes en la salida del calentador es aproximadamente
500-600 K y en la entrada del reactor es 800-1500 K.
13. Dispositivo según la reivindicación 7, en el que la relación molar vapor/aire y vapor/combustibles en la entrada del reactor se selecciona en los rangos de 0,3-2 y 3-7, respectivamente.
14. Dispositivo según la reivindicación 7, en el que para llevar a cabo la oxidación parcial de combustibles, se suministra aire en la primera entrada de la cámara de mezcla y en la segunda y tercera entrada de la cámara de mezcla se suministran el combustibles en relaciones Q^Qa en el rango de 0,5 a 2.
15. Dispositivo según la reivindicación 14, en el que la temperatura de los reaccionantes en la salida del calentador es 500-600 K, y en la entrada del reactor es 800-1500 K.
16. Dispositivo según la reivindicación 14, en el que, la relación molar aire/combustibles en la entrada del reactor es 8-12.
17. Dispositivo según la reivindicación 1 1 y 14, en el que el calentador está fabricado como un intercambiador de calor recuperativo, que usa el calor del gas rico en hidrógeno producido por el reactor.
18. Dispositivo según la reivindicación 7, en el que el caudal total de
HOJA SUSTITUTORIA (REGLA 26) los reaccionantes Q y el valor medio de la potencia específica de MCW se seleccionan a partir de la correlación W/Q = 0,2 - 0,4 kW*hora/m3.
19. Dispositivo según la reivindicación 11 y 14, en el que el caudal total de los reaccionantes Q y el valor medio de W se seleccionan a partir de la correlación W/Q = 0,05 - 0,15 kW*hora/m3.
HOJA SUSTITUTORIA REGLA 26 REIVINDICACIONES
[recibidas el 13 de Julio de 2000 (13.07.00) reivindicaciones 1 a 19 reemplazadas por las nuevas reivindicaciones 1 a 14 (3 páginas)]
1. Convertidor de plasma de combustibles fósiles en un gas rico en hidrógeno, que comprende un calentador, una cámara de mezcla, un reactor, unidos en serie, y una fuente de energía de MCW para el reactor, la cual genera el conjunto de impulsos con una duración de impulso de 0,1 a 1 microsegundos y una relación del período del impulso a duración del impulso de 100 a 1000 en el rango centimétrico o decimétrico de la radiación de microondas (bandas X, S), usándose en el reactor una descarga de MCW de efecto de pseudo-corona de impulso periódico a presión atmosférica, la cual se inicia por un conjunto de agujas metálicas insertadas en el resonador de MCW, y donde la dimensión longitudinal del resonador es aproximadamente varias longitudes de onda de la radiación MCW, y las agujas metálicas están distribuidas en el resonador en las regiones con un campo eléctrico máximo, y porque la cámara de mezcla dispone de una entrada conectada al calentador, y también una segunda y tercera entrada para la alimentación de reaccionantes en las diferentes zonas de la cámara de mezcla.
2. Dispositivo según la reivindicación 1 , en el que para llevar a cabo el proceso de conversión con vapor de combustibles se suministra vapor de agua en el calentador y, en la segunda y tercera entrada de la cámara de mezcla se suministra combustible en relaciones Q-ι/Q2 en la proporción de 0 a 1.
3. Dispositivo según la reivindicación 2, en el que el calentador está fabricado como un intercambiador de calor con recuperación térmica contenida por del gas rico en hidrógeno producido y un plasmatrón de arco, conectado al intercambiador de calor en serie.
4. Dispositivo según la reivindicación 2, en el que las relaciones molares de vapor de agua a combustible se seleccionan en el rango de 6 a 14.
5. Dispositivo según la reivindicación 2, en el que la temperatura del vapor de agua en la salida del calentador es aproximadamente 1400- 3000 K, y la temperatura de los reaccionantes en la entrada del reactor es 900-1500 K.
6. Dispositivo según la reivindicación 1 , en el que para llevar a cabo el proceso de la conversión de combustible con vapor-aire, se suminstra vapor de agua mezclado con aire a la cámara de mezcla, y en la segunda y tercera entrada de la cámara de mezcla, se suministra el combustible en relaciones Q2/Q3 en el rango de 0,5 a 2.
7. Dispositivo según la reivindicación 2, en el que la temperatura de los reaccionantes en la salida del calentador es aproximadamente 500- 600 K y en la entrada del reactor es 800-1500 K.
8. Dispositivo según la reivindicación 2, en el que la relación molar vapor/aire y vapor/combustibles en la entrada del reactor se selecciona en los rangos de 0,3-2 y 3-7, respectivamente.
9. Dispositivo según la reivindicación 2, en el que para llevar a cabo la oxidación parcial de combustibles, se suministra aire en la primera entrada de la cámara de mezcla y en la segunda y tercera entrada de la cámara de mezcla se suministran el combustibles en relaciones Q2/Q3 en el rango de 0,5 a 2.
10. Dispositivo según la reivindicación 9, en el que la temperatura de los reaccionantes en la salida del calentador es 500-600 K, y en la entrada del reactor es 800-1500 K.
11. Dispositivo según la reivindicación 9, en el que, la relación molar aire/combustibles en la entrada del reactor es 8-12.
12. Dispositivo según la reivindicación 6 y 9, en el que el calentador está fabricado como un intercambiador de calor recuperativo, que usa el calor del gas rico en hidrógeno producido por el reactor.
13. Dispositivo según la reivindicación 2, en el que el caudal total de ios reaccionantes Q y el valor medio de la potencia específica de MCW se seleccionan a partir de la correlación W/Q = 0,2 - 0,4 kW*hora/m3.
14. Dispositivo según la reivindicación 6 y 9, en el que el caudal total de los reaccionantes Q y el valor medio de W se seleccionan a partir de la correlación W/Q = 0,05 - 0,15 kW*hora/m3.
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