Соловей В.В. и др. (доклад)

ПЛАЗМОХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ КОНВЕРСИИ УГЛЕВОДОРОДСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ

Соловей В.В., Шмалько Ю.Ф., Жиров А.С., Клочко Е.В.

Институт проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного НАН Украины (Харьков)

Национальный Научный Центр “Харьковский физико-технический институт”

Интерес к неравновесным плазмохимическим процессам, стимулированным колебательным возбуждением основного электронного состояния реагентов, связан с возможностью достижения в них наиболее высокой энергетической эффективности эндоэргических реакций [1]. Высокий КПД неравновесных процессов является следствием селективности, т.е. локализации энергии, вкладываемой в разряд, лишь на одном выделенном канале реакций. В разрядах умеренного давления при температурах электронов 1-3 эВ бульшая часть мощности разряда расходуется на возбуждение колебательных уровней молекул. Колебательно-возбужденные молекулы достаточно медленно дезактивируются при столкновениях и в тоже время быстро вступают в химические реакции, что позволяет направить бульшую часть энерговклада в нужные химические превращения, оставляя газ в целом холодным (обратные реакции при этом заторможены).

При проведении плазмохимической реакции процесс проходит при невысоких среднемассовых температурах, так как активности компонентов с возбужденными электронными оболочками достаточно для достижения желаемого эффекта. В этом случае суммарные затраты энергии на проведение реакции могут быть в несколько раз меньше, чем в термических или каталитических процессах [2].

Особенности высокочастотной плазмы барьерного разряда состоят в том, что природа термодинамической неравновесности является следствием динамических факторов, обусловленных конечной скоростью передачи энергии от электрического поля молекулам, атомам и ионам газовой среды и связанной с этим, формированием различных состояний плазмы по мере развития процесса. Если процесс развития разряда останавливать на интересующей стадии, а затем запускать процесс заново, то усредненные характеристики плазмы будут принципиально иными, в сравнении с параметрами в стабилизированном состоянии разрядов. Это собственно и является отличительной особенностью предлагаемой технологии.

Эксперименты показали, что генерацию разряда необходимо осуществлять по технологии, обеспечивающей деионизацию реакционного пространства в межразрядный промежуток времени. Необходимый эффект достигается выбором временных и амплитудных параметров импульсов возбуждения разряда, с обязательной переполюсовкой и введением реактивных ограничителей тока. Возможности разработанного способа динамической стабилизации плазмы и проведения разряда без контакта с металлическими электродами открывают новые возможности в реализации систем, обладающих долговечностью, большим диапазоном мощности рабочих температур и давлений, способностью работать в разнообразных, в том числе, агрессивных средах.

Рассмотрим возможность применения описанной технологии для осуществления эндотермических реакций, на реализацию которых необходимы затраты энергии от внешнего источника. К подобным типам реакций относится конверсия различных углеводородсодержащих соединений, в результате которых получают экологически чистый энергоноситель - водород. Технология обеспечивает получение продуктов конверсии с заданным давлением, причем подъем давления осуществляется за счет увеличения объема при переводе жидких компонентов в газообразную фазу. В этом случае отпадает необходимость в газовых компрессорах. Благодаря разработанной методике создания динамически стабилизированных неравновесных свойств плазмы, обеспечивается протекание реакции при давлении порядка 4ё 5 МПа. При плазмохимических методах конверсии затраты энергии на проведение процесса сводятся к покрытию энтальпии реакции c коэффициентом полезного использования энергии около 80 % [3].

Практическую апробацию, разработанная технология, прошла в следующем аппаратурном оформлении. Конструкция блока разрядных электродов, была выбрана исходя из необходимости равномерного распределения электрического потенциала в зоне осуществления плазмохимической реакции. Зазор между разрядными электродами и поверхностью реакционной смеси составлял 5 мм. Электропитание осуществлялось от высоковольтного высокочастотного блока с падающей вольт - амперной характеристикой. В период запуска на электродах емкостного делителя напряжение составляло 30 кВ. При зажигании разряда напряжение на электродах снижалось до уровня 3…7 кВ при силе тока 1.7 мА. Частота тока выбиралась, исходя из резонансных характеристик системы и ее значение, составляло не менее 30 КГц.

В реакторе размещалась смесь из углеводородсодержащих материалов с водой. В качестве реагентов были использованы: декан (толщиной слоя С₁₀Н₂₂ 1.5 мм на поверхности воды слоем 5 мм); водно - спиртовые растворы (метанол, этанол, изопропанол); соап (отходы масложирового производства); суспензия измельченного растительного сырья и древесных опилок в воде.

Производительность экспериментальной установки составляла 200ё 1000 л Н₂/час в зависимости от вида применяемого сырья. Содержание СО в продуктах конверсии не превышало 0.5ё 4.5 %. Результаты проведенных испытаний приведены в таблице:

Особый интерес представляет применение предложенной технологии для переработки древесных и растительных отходов. В случае влажности древесины на уровне 40-60 % обработка ее поверхности начинается с пиролиза с выделением летучих и легкокипящих соединений. Разлагаясь в объеме плазменного разряда, эти соединения дают определенное количество газовой смеси с высоким содержанием водорода.

При давлении 4ё 6 МПа содержащийся в газовой смеси водород гидрирует твердые компоненты древесины с переводом их в жидкое состояние. Эти компоненты включают водный раствор органических соединений (кислот, углеводов, фенолов и т.п.) и маслянистую горючую жидкость. Калорийность маслянистой жидкости составляет 24.10³ кДж /кг, что значительно превосходит калорийность древесины (14.10³ кДж/кг). При дальнейшей обработке продукты реакции в процессе конверсии образуется диоксид углерода и водород.

Вид сырья	Количество переработанного сырья, г.	Производительность, л/мин.	Расход энергии, кВтЧ ч на м³ водорода
С₁₀Н₂₂+Н₂О	150	11.0	1.615
СН₃ОН+Н₂О	280	17.2	0.345
Стоки масложир-комбината, (20 % водо-жировая эмульсия)	200	10.8	1.56
Суспензия растительного сырья в воде, (25 % по сухому остатку)	175	9.8	1.82
Водоугольная успензия (30 % угольной массы)	200	12,0	2,3

Учитывая, относительно высокие значения коэффициента полезного действия процесса конверсии, плазмохимические методы могут применяться для модификации топлив непосредственно на месте потребления, например, изменение водородного показателя топлива перед подачей его в камеру сгорания двигателя. Сгорание бензино-воздушной смеси с примесью водорода происходит лучше, с меньшим процентом несгоревших компонентов, лучшей детонационной стойкостью (в процессе частичной конверсии в первую очередь прореагируют наиболее нестойкие компоненты топлива, уменьшающее октановое число бензина). В результате чего улучшаются энергоэкологические показатели работы двигателя.

При сжигании низкосортных углей на ТЭС, предварительная плазмохимическая обработка пылеугольного потока в разряде, приводит к эффектам пиролиза и конверсии компонентов топливо-воздушной смеси с выделением водорода [4,5]. При этом происходит разрушение поверхности твердой частицы за счет эффектов, аналогичных ионному травлению, что приводит к потере механической прочности и увеличению поверхности контакта с окислителем. Таким образом, плазмохимическая обработка исходных энергоносителей обеспечивает более эффективное сжигание малореакционных, высокозольных топлив, а также бедных и сверхбедных топливовоздушных смесей повышенной влажности.

Результаты проведенных исследований свидетельствуют о том, что предлагаемая технология может быть эффективно использована для решения следующих задач:

1. При утилизации углеводородсодержащих отходов предприятий пищевой, химической и нефтехимической промышленности с целью получения экологически чистых газообразных энергоносителей.

2. При обезвреживания пестицидов и других химических средств, используемых в сельскохозяйственном производстве.

3. Для конверсии твердых (угли, сланцы, торф) органических топлив и получение газообразных и жидких энергоносителей.

4. Для получения водорода из биомассы – канализационных отходов, продуктов жизнедеятельности животных, отходов микробиологических производств и т.п.

Кроме того, предлагаемая технология при соответствующем аппаратурном оформлении обеспечивает решение ряда задач экологического, химико-технологического и материаловедченского профиля, которые до настоящего времени предусматривали использование энергии СВЧ-разряда.

1.Русанов В.Д. и др. Успехи физ.наук // 1981.- Т.134. - № 2. - С.185.

2. Васильев К.Г. и др.// В кн.: Химия плазмы. Вып. 9. - М.: Энергоатомиздат. - 1982. - С.3.

3. Бальцани В., Скандола Ф., Инфелта П.П. и др. Энергетические ресурсы сквозь призму фотохимии и катализа: Э66 Пер. с англ./Под ред. М.Гретцеля. – М.: Мир. - 1986. – 632 с.

4. Дьячков Б.Г., Блинова В.А., Нефедова М.Г. Эффективность топливно-электрических процессов. М.: Энергоатомиздат, 1989. – 136 с.

5. Чеховой Ю.Н., Барбышев Б.Н. К расчету подсветки факела при сжигании низкосортных углей // Энергетика и электрификация. 1984.- Т.4. - С.14-18.