Главная страница
Сведения об авторах

 Использование импульсного коронного разряда для увеличения эффективности конверсии углеводородного сырья

Бойко Н. И., Евдошенко л. С., Зароченцев А. И., Иванов В. М., Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт «Молния» Национального технического университета «Харьковский политехнический институт», Харьков, Украина

Термический пиролиз и термическая конверсия — весьма энергоемкие технологии в силу высокой температуры протекания процессов (1 200—3 500 К). Как показали результаты недавних экспериментальных исследований российских и американских ученых, термическая конверсия углеводородов в неравновесной плазме высоковольтных разрядов позволяет исключить сильный нагрев газов, подлежащих конверсии, уменьшить удельные энергозатраты на получение, например, синтез-газа Н₂ + СО — ценного сырья для производства многих продуктов, в том числе метанола.

Результаты наших экспериментальных исследований показали возможность конверсии СО₂ в присутствии воды в синтез-газ под воздействием импульсного коронного разряда (ИКР) при комнатной температуре. До обработки в реакторе с ИКР концентрация СО в смеси воздуха с СО₂ составляла единицы ppm, а после обработки в присутствии воды возрастала в тысячи и более раз. В отсутствие воды концентрация СО возрастала гораздо менее значительно. Содержание водорода не контролировали.

Поскольку для получения синтез-газа используется термическая плазмохимическая конверсия углеводородов с водяным паром, для увеличения ее эффективности предлагается применять реактор с ИКР, плазма которого неравновесна и энергия электронов достигает 10 эВ и более. Рост эффективности выражается в уменьшении рабочих температур и удельных энергозатрат на конверсию исходной газовой смеси ниже 0,8 кВт·ч/м³.

Характерная плазмохимическая реакция для такой конверсии:

СН₄ + Н₂О → 3Н₂ + СО.

Эскиз предлагаемого ИКР-реактора представлен на рисунке.

Реактор рассчитан на ИКР с рабочим напряжением до 70 кВ, которое подается от генератора. Реактор содержит рабочую высокотемпературную зону (до 900 °С) и две одинаковые вспомогательные низкотемпературные зоны (от 200 до 900 °С). В рабочую высокотемпературную зону поступает предварительно нагретая газовая смесь, подлежащая конверсии с водяным паром. Он попадает в реактор через две вспомогательные зоны путем вдувания в направлении оси цилин­дрической рабочей высокотемпературной зоны. При этом периферийная часть вспомогательных зон охлаждается до 200—250 °С, а водяной пар, перемещаясь в направлении оси рабочей зоны, нагревается до рабочей температуры 400—900 °С. В периферийной части вспомогательных зон расположена электрическая изоляция ИКР-реактора, выполненная из кварцевого стекла и фто­ропласта. Материалами рабочей зоны ИКР-реактора, в том числе и для коронирующих электродов, служат жаропрочные коррозионно-стойкие металлы и сплавы. Теплоизолирующий материал стенок вспомогательных зон — кварцевое стекло в виде трубок. В ИКР-реакторе в потоке протекают все основные плазмохимические реакции конверсии. Расчетная производительность ИКР-реактора длиной 1 м с внешним диаметром 159 мм составляет 50 м3/ч. При удельных энергозатратах на конверсию в ИКР-реакторе 0,1 кВт-ч/м3 требуемая мощность равна 5 кВт. Использование ИКР может сделать рентабельными процессы конверсии в синтез-газ, в том числе попутных газов, которые в настоящее время часто бесполезно сжигают как отходы.