ХИМИЯ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ, 2007, том 41, № 5, с. 413-417
-- ПЛАЗМОХИМИЯ
УДК 533.92
ПРОЦЕСС ПАРЦИАЛЬНОГО ОКИСЛЕНИЯ КЕРОСИНА В ФАКЕЛЬНОМ СВЧ-РАЗРЯДЕ
© 2007 г. М. Б. Бибиков, С. А. Дёмкин, В. К. Животов, Г. М. Коновалов, А. С. Московский,
Б. В. Потапкин, Р. В. Смирнов, М. И. Стрелкова
РНЦ "Курчатовский институт", Институт водородной энергетики и плазменных технологий
123182, Москва, пл. Курчатова, 1
E-mail: jivotov@hepti.kiae.ru Поступила в редакцию 13.04.2006 г.
Исследовано воздействие плазмы факельного СВЧ-разряда атмосферного давления на процесс парциального окисления керосина (С11Н22) кислородом воздуха. Изучены характеристики процесса. Показано, что выход конечного продукта процесса (синтез-газа) при вводе энергии посредством плазмы больше, нежели выход продукта при тепловом энерговкладе от сжигания части топлива. Путем сопоставления результатов эксперимента и численного моделирования процесса сделан вывод о механизме явления.
Получение синтез-газа (смесь Н2 и СО) из углеводородных топлив в масштабах производительности, существенно меньших по сравнению с имеющимися в химической промышленности, представляет большой практический интерес в связи с многочисленными возможными применениями синтез-газа. Синтез-газ и получаемый из него водород можно использовать как топливо в автономных и мобильных энергоустановках на основе твердооксидных и твердополимерных топливных элементов. В транспортных приложениях получение водорода на борту из жидких топлив (с использованием уже имеющейся инфраструктуры их распределения) имеет определенные преимущества в плане безопасности перед хранением водорода на борту в сжатом или жидком виде. Синтез-газ может быть использован в качестве малой добавки к топливовоздушной смеси двигателя внутреннего сгорания и других устройств для сжигания углеводородов, что позволяет управлять процессом горения и оптимизировать его с целью повышения эффективности двигателя или снижения выброса вредных компонентов в выхлопных газах. Другой подход к снижению вредных выбросов (N0^) двигателей внутреннего сгорания заключается в использовании каталитических адсорберов, а синтез-газ при этом выступает в качестве эффективного восстановителя N0^.
Использование традиционных каталитических методов получения синтез-газа, таких как паровая и углекислотная конверсия, наталкивается на значительные трудности, обусловленные инерционностью катализаторов, чувствительностью к загрязнению сажей и соединениями серы, плохой переносимостью вибрации и частой смены режимов работы. Поэтому проводятся исследования аль-
тернативных способов получения синтез-газа из моторных топлив [1]. Для транспортных приложений целесообразно использовать процесс парциального (неполного) окисления углеводородного топлива кислородом воздуха (в реакционной зоне присутствует азот):
2CmH„ + m( O2 + 3.73N2) 2 mCO + nH2 + 3.73m N2.
(1)
Согласно термодинамическим расчетам, топливо при этом практически полностью переходит в синтез-газ. Однако из-за кинетических ограничений с достаточной скоростью нарабатывается лишь около половины максимально возможного количества синтез-газа. Таким образом, для увеличения выхода полезного продукта процесс необходимо ускорить.
Плазма разряда является эффективным нагревателем, позволяющим вводить энергию в достаточно сильно разогретые реагенты (что имеет место в случае парциального окисления - экзотермического процесса). Кроме того, плазма - это генератор активных частиц (радикалов, возбужденных молекул, ионов), которые могут участвовать в цепных процессах, что существенно повышает эффективность процесса [2]. Таким образом, помимо определения общих характеристик плаз-мохимического процесса парциального окисления достаточно актуальным представляется выяснение механизма положительного воздействия плазмы на процесс с целью дальнейшего повышения его эффективности.
Данная работа посвящена исследованию плазменной стимуляции процесса парциального окисления керосина воздухом в факельном СВЧ-разря-
де атмосферного давления. Выбор топлива обусловлен тем фактом, что по сравнению с бензином керосин существенно менее взрывоопасен. Выбор в качестве разрядной системы коаксиального СВЧ-плазмотрона атмосферного давления с разрядом в виде факела [3] обусловлен его хорошими технологическими качествами, такими как простая и недорогая конструкция, большой ресурс работы.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
В качестве источника СВЧ-излучения использован промышленный генератор КИЭ-5 (/ = 2.45 ГГц, Жмакс = 5 кВт). Методом калориметрирования определялась величина СВЧ-мощности, поглощаемой разрядом. КПД плазмотрона достигал 85-90%.
Плазмотрон имел следующую конструкцию [3]. Стальная труба с внутренним диаметром 38 мм и внутренний электрод диаметром 8 мм, оснащенный наконечником из вольфрама в месте его обрыва, образуют коаксиальную конфигурацию. Разряд горит на вольфрамовом наконечнике в виде факела, продолжающего внутренний проводник коаксиальной линии. Наконечник центрального электрода охлаждался водой.
После плазмотрона находилась теплоизолированная камера объемом 0.9 л. Смесь паров керосина с воздухом, нагретая до 300°С, подавалась через отверстия во внешнем электроде (стенке плазмотрона). Факел разряда вызывал воспламенение реагентов, которые затем поступали в теплоизолированную камеру. После прогрева стенок камеры процесс парциального окисления продолжался и при выключении разряда. На выходе из камеры продукты охлаждались в теплообменнике. Производился отбор проб для хроматографического анализа. Расход реагентов: воздух 2-10 л/с; керосин 0.45-2.2 г/с.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
В эксперименте задавали следующие параметры: мощность разряда Ж, расход воздуха Q и соотношение расходов топлива и воздуха, которое характеризовалось параметром = [С]/[0], т.е. отношением количества атомов углерода в топливе к количеству атомов кислорода в воздухе. Параметр 5 удобен тем, что 5 = 1, если соотношение реагентов точно соответствует уравнению процесса парциального окисления (1). Расход воздуха на графиках и в тексте указан в л/с при температуре 25°С и давлении 101325 Па.
Измеряемой в эксперименте характеристикой процесса являлся состав продуктов процесса в газовой фазе (сухой газ), определяемый хроматогра-фическим методом. Определялось объемное про-
центное содержание Н2, СО, N2, С02, СН4, С2Н2, С2Нф, С2Н6, С3Н6, С3Н8. Содержание более тяжелых углеводородов во всех экспериментах было ниже предела регистрации хроматографа (<0.03 об. %). Кислород в продуктах отсутствовал.
На рис. 1а, 16 приведены зависимости содержания синтез-газа и суммарного содержания метана, ацетилена и этилена в продуктах реакции от Ж, Q и 5. Соотношение объемного содержания Н2 и СО в синтез-газе в исследованном диапазоне соответствовало следующей эмпирической зависимости: [Н2]/[С0] = 0.485 + 0.28 + 0.2 Ж^, где Ж в кВт, Q в л/с. Так, для режима с максимальным содержанием синтез-газа (кривая 4 на рис. 1а) содержание [Н2] « [СО] « 21%.
Суммарное содержание метана, ацетилена и этилена во всех режимах не превышало 4 об. % и уменьшалось при уменьшении 5, т.е. при переходе к смесям, более бедным топливом (избыток окислителя). При этом содержание метана и ацетилена были приблизительно одинаковыми, содержание этилена на порядок меньше. Пробы состава содержали также 2-4% СО2, остальное (до 100%) - азот.
Синтез-газ является целевым продуктом, поэтому естественно характеризовать эффективность процесса величиной степени конверсии исходного топлива в синтез-газ, которая определялась как отношение фактического полученного количества синтез-газа к его максимально возможному значению (полному количеству [Н2]т и [С] в топливе):
а =
[ Н2 ] + [ СО] [ Н2 ] т + [ С ] •
Поскольку расход продуктов на выходе непосредственно не измерялся, то [Н2]т и [С] вычисляли исходя из результатов хроматографического анализа продуктов реакции и равенства количества азота на входе и выходе (азот не участвует в реакциях). По уравнениям материального баланса, формуле топлива СтНп (по данным хроматографического анализа керосина для него принималась формула СПН22) проводился расчет количества атомов [О] на входе, количества воды и углерода в виде сажи в продуктах, а также [Н2]т и [С]. Корректность данной вычислительной процедуры была подтверждена совпадением расчетного и задаваемого в эксперименте значений параметра соотношения реагентов 5.
На рис. 1в показана зависимость степени конверсии керосина в синтез-газ от 5, Ж и Q. Как видно из рис. 1в, при уменьшении параметра 5 (при фиксированных Ж и Q) степень конверсии сначала возрастает. Это объясняется тем, что значения 5 < 1 соответ-
ствуют избытку окислителя. Экспериментальным фактом является отсутствие кислорода в продуктах во всех исследованных режимах. Это означает, что при избытке кислорода кроме процесса парциального окисления (1) одновременно протекает процесс полного сгорания части топлива:
С„ Н + (т + 0.5 п)(02 + 3.73^ т С02 + 0.5п Н20 + 3.73 (т + 0.5п)
(2)
Процесс полного сгорания (2), в отличие от процесса парциального окисления (1), успевает пройти полностью за время нахождения смеси в плаз-мохимическом реакторе и характеризуется существенно большим тепловым эффектом. Продукты процесса (2) подогревают промежуточные реагенты процесса (1), ускоряя его и увеличивая выход синтез-газа, что и объясняет увеличение степени конверсии при уменьшении Б. С другой стороны, при Б < 1 часть топлива полностью сгорает, и не может, следовательно, перейти в синтез-газ. Поэтому степень конверсии имеет для каждого значения Б некоторое предельное максимальное значение. Это значение может быть получено из уравнений (1) и (2) и определения параметра Б:
4 т + п
2т
м 2 т + п (2 т + п) Б'
где т и п - коэффициенты в формуле топлива СтН„. Для СПН22 а„ = 1 при Б = 1, что соответствует режиму чистого парциального окисления (1), и а„ = 0 при Б = 1/3, что соответствует режиму полного сгорания топлива (2). Зависимость а„ от Б показана на рис. 1в кривой 5. Начальный рост степени конверсии при уменьшении Б за счет энерговыделения полного сгорания части топлива и одновременный
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.