Плазмокаталитический реактор с барьерным разрядом, заполненный промышленным катализатором
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
В направлении энергетически выгодного преобразования отходов в чистые газообразные (например, синтез-газ) и жидкие энергоносители ведутся интенсивные научные исследования. В основном их проводят на лабораторных установках с миниреакторами с использованием различных электрических разрядов. В работах японских ученых (T. Nozaki и др.) представлены весьма обнадеживающие результаты по диссоциации метана в паровом риформинге при синергическом (усиливающем) действии барьерного разряда на лабораторной установке.
Нами проведены экспериментальные исследования электрических характеристик промышленного катализатора типа ГИАП, разработан и изготовлен макетный образец промышленного реактора с барьерным разрядом и засыпкой промышленным катализатором.
Исследования показали, что никелевый катализатор типа ГИАП на носителе из окиси алюминия (α-Al2O3 или γ-Al2O3) — несовершенный диэлектрик с относительной диэлектрической проницаемостью порядка 10. Размеры отдельного элемента никелевого катализатора (кольца с внешним диаметром 15–17 мм, центральным отверстием диаметром 4 мм и высотой 15–17 мм) гораздо больше, чем отдельного элемента модельного катализатора (шарика диаметром 1,2 мм). Межэлектродный зазор в модельном реакторе не превышает 10 мм. Рабочий объем заполнен катализатором на 20 %. Остальную часть (80 %) рабочего объема занимает газ, обрабатываемый в процессе парового риформинга. В наших экспериментах кольца промышленного катализатора с размерами большими, чем модельные шарики, искажали сильное электрическое поле в рабочем объеме реактора значительнее, и процесс барьерного разряда существенно отличался от процесса в модельном реакторе. «Обволакивание» кольца катализатора свечением разряда не наблюдалось. Свечение имело место на острых кромках поверхности колец катализатора, прилегающих к диэлектрическому барьеру и внутренней поверхности внешней трубы образца реактора. Барьер выполнен из кварцевого стекла.
Эскиз макетного образца промышленного реактора, разработанного на основании проведенных экспериментов, представлен на рисунке.
Макетный образец реактора с барьерным разрядом в рабочем объеме с засыпкой промышленным катализатором типа ГИАП:
1 — внешний низковольтный трубчатый электрод; 2 — внутренний осевой стержневой высоковольтный электрод; 3 — трубчатый стеклянный барьер; 4 — элемент промышленного никелевого катализатора типа ГИАП; 5 — генератор импульсов
Предварительные экспериментальные исследования проведены при использовании высоковольтных импульсов отрицательной полярности с частотой следования более 20 000 имп./с для получения барьерного разряда в реакторе с засыпкой промышленным катализатором. Поскольку при температурах, имевших место в экспериментах (не более 150 °С), кольца катализатора являются диэлектриком, представлялось перспективным использовать безбарьерный разряд в том же экспериментальном реакторе с засыпкой рабочего объема промышленным катализатором. Подобные исследования были проведены. Они показали, что в таком безбарьерном реакторе высоковольтный разряд имеет место, однако допустимая мощность, вводимая в него, существенно меньше, чем для барьерного разряда. Попытки увеличить вводимую мощность сверх допустимой приводят к шнурованию разряда, искре и короткому замыканию в реакторе, т. е. к аварийному режиму.
Созданный реактор предназначен для работы в следующем технологическом режиме парового риформинга метансодержащих газов. Подлежащий паровому риформингу газ, предварительно смешанный с парами воды в пропорции Н2О : СН4 ≈ 2, поступает при температуре 400–600 °С в барьерный реактор с засыпкой промышленным катализатором типа ГИАП или его улучшенными модификациями. От генератора высоковольтных импульсов на реактор с засыпкой подаются импульсы напряжения, вызывающие протекание через рабочий объем реактора импульсов тока с частотой следования 20 000 имп./с и более. Длительность каждого импульса лежит в микросекундном диапазоне.
Кольцевая форма с центральным отверстием и размеры элемента промышленного катализатора обеспечивают требуемое достаточно низкое аэродинамическое сопротивление при прохождении обрабатываемого газа через рабочий объем барьерного реактора с засыпкой. Импульсы высокого напряжения и тока во всем рабочем объеме барьерного реактора с засыпкой промышленным никелевым катализатором приводят к активации катализатора при более низких температурах, чем в случае без использования барьерного разряда. Кроме того, воздействие высоковольтных импульсов, создающее сильное импульсное электрическое поле в рабочем объеме реактора, способно обеспечить прямую диссоциацию молекул газообразных углеводородов как электронным ударом, так и путем последовательных возбуждений и взаимодействий с активными микрочастицами и излучением барьерного разряда.
Таким образом, в рассмотренном реакторе на метансодержащий газ, подлежащий паровому риформингу в газ, обогащенный синтез-газом, однонаправленно действуют три основных фактора:
— температура 400–600 °С;
— импульсный барьерный разряд отрицательной полярности с частотой следования импульсов 20 000 имп./с и более;
— промышленный никелевый катализатор типа ГИАП или его улучшенный аналог, активированный импульсным барьерным разрядом при указанной температуре.
По сравнению с известными промышленными технологиями парового риформинга метана в синтез-газ такое комплексное воздействие обеспечивает существенный энергетический выигрыш, понижение рабочих температур, увеличение выхода синтез-газа, повышение ресурса, долговечности реактора, возможность применения более доступных материалов (благодаря уменьшению рабочих температур). Разработанный реактор рассчитан на производительность 50 м3/ч.
Barrier Discharge Plasma Catalytic Reactor Filled with Industrial Catalyst
Boyko N. I., Evdoshenko L. S., Zarochentsev A. I., Ivanov V. M., Research and Design Institute «Molniya», National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute», Kharkiv, Ukraine
Barrier discharge plasma catalytic reactor filled with industrial catalyst is developed and produced. Three factors: barrier discharge, temperature (400–600 °C) and nickel-containing catalyst — make synergistic effect in steam reforming of methane into synthesis gas and decrease energy expenditures.