專利名稱：化石燃料轉(zhuǎn)化成富氫氣體的等離子體轉(zhuǎn)化器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將化石燃料轉(zhuǎn)化成富氫氣體的等離子體轉(zhuǎn)化器。
所述的轉(zhuǎn)化器包括加熱器、混合室、反應(yīng)器，所有這些設(shè)備串聯(lián)在一起，以及包括用于反應(yīng)器的微波(MCW)能源，以致轉(zhuǎn)化器可接受傳統(tǒng)的化石燃料并將它們轉(zhuǎn)化成富氫氣體，以便提高內(nèi)燃機(jī)的效率。
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及由烴類生產(chǎn)富氫氣體。氫氣作為燃料、作為內(nèi)燃機(jī)添加劑是具有吸引力的，因?yàn)樗拇嬖诳娠@著改變?nèi)剂系幕瘜W(xué)性質(zhì)以及顯著降低燃燒產(chǎn)物造成的污染。氫氣加到燃料中的效果是使內(nèi)燃機(jī)的效率提高10-50％。參見Mishchenko等，第VII屆世界氫能大會論文集，第3卷(1988)，Belogub等。國際氫能雜志，第16卷，423(1991)，Varde等，氫能進(jìn)展，第4卷(1984)，F(xiàn)eucht等，國際氫能雜志，第13卷，243(1988)，Chuveliov等，“氫能和電力生產(chǎn)”，T.Nejat Veziroglu，編輯，Nova科學(xué)出版社，紐約，紐約州(1991)，Das，國際氫能雜志，第16卷，765(1991)。相關(guān)的專利為U.S.5887554、5425332、5437250和WP PCT/US98/18027。
在類似的設(shè)備中，轉(zhuǎn)化過程所需的能量可通過預(yù)熱氣體混合物或通過放熱反應(yīng)(例如烴類的完全氧化或部分氧化)或電加熱來提供。此外，在第一種和第二種情況下，等離子體可用作化學(xué)過程的催化劑(預(yù)熱反應(yīng)物的等離子體處理)。參見V.D.Rusanov，K.Etivan，A.I.Babaritskii，I.E.Baranov，S.A.Demkin，V.K.Jivotov，B.V.Potapkin和E.I.Ryazantsev，用甲烷分解成氫和碳的例子說明等離子體催化作用的效果，Dokl.Akad，Nauk，1997，第354卷，第1期，213-215頁；和A.I.Bararitskii，M.A.Deminskii，S.A.Demkin，K.Etivan，V.K.Jivotov，B.V.Potapkin，S.V.Potekhin，V.D.Rusaov和E.I.Ryazantsev，在甲烷分解中等離子體催化作用的效果，Khim.Vys.Energ.，1999，第33卷，第1期，59-66頁。
化石燃料的最好代用品是氣態(tài)氫(H2)，這是大家熟悉的。目前，現(xiàn)有技術(shù)已遇到使用氫氣的許多技術(shù)障礙和經(jīng)濟(jì)障礙。氫氣是十分易燃的物質(zhì)，需要復(fù)雜而昂貴的貯存系統(tǒng)。此外，全世界氫氣分配網(wǎng)絡(luò)的建立意味著大量的費(fèi)用和時(shí)間，它們甚至超出了發(fā)達(dá)國家的能力。
以一種在經(jīng)濟(jì)上可行的方式將化石燃料和醇類轉(zhuǎn)化成所需數(shù)量的合成富氫氣體的小型化學(xué)裝置的可用性是在燃料電池和內(nèi)燃機(jī)(ICE)中作為燃料大規(guī)模使用氫氣的關(guān)鍵。
有4個(gè)必須滿足的關(guān)鍵要素·第一是“轉(zhuǎn)化器可起動的速度”。目前，最有效的轉(zhuǎn)化器需5-10分鐘起動?！さ诙恰八查g響應(yīng)”當(dāng)駕駛員踏上加速器踏板時(shí)汽車響應(yīng)的速度?！さ谌菫闈M足轉(zhuǎn)化過程的要求所需的“熱和電能消耗”必需是低的，并在或使用轉(zhuǎn)化器的ICE燃料電池產(chǎn)生的能源能補(bǔ)償?shù)膮?shù)范圍內(nèi)?！さ谒氖窃谵D(zhuǎn)化器可改進(jìn)的情況下得到“商業(yè)可行價(jià)格”的轉(zhuǎn)化器。
汽油發(fā)動機(jī)有數(shù)毫秒的響應(yīng)；緩慢反應(yīng)的轉(zhuǎn)化器得到遭駕駛員拒絕的慢速汽車。
燃料轉(zhuǎn)化器和氫氣貯存1992年，Arthur D.Little開始了一項(xiàng)結(jié)合DOE研究除了甲醇作為燃料電池車輛供氫方法的車載改進(jìn)以外供選擇方案的計(jì)劃。該計(jì)劃的第1階段包括多燃料轉(zhuǎn)化器分析、車載氫氣貯存技術(shù)和氫氣永久性基地的要求。第2階段涉及研制和試驗(yàn)10千瓦轉(zhuǎn)化器和1公斤規(guī)模的氫貯存裝置。向燃料電池直接提供氫氣的替代方法包括液化氫、壓縮氫、吸附在炭上和氫化物貯存。
自70年代以來，已在美國和其他國家的幾種車輛上進(jìn)行了液化氫試驗(yàn)。當(dāng)和燃料電池使用時(shí)，液化氫的休積密度和重量密度與內(nèi)燃機(jī)使用的柴油燃料相同或更好。它的缺點(diǎn)是液化能耗高、有處理問題以及不可避免的氣體蒸發(fā)釋放。
壓縮氫是可設(shè)想的最簡單的車載技術(shù)，并可從復(fù)合材料的最近進(jìn)展和天然氣車輛進(jìn)展的成本改進(jìn)中得益。用先進(jìn)材料制作的高壓儲罐可提供合理的重量性能，而不僅是臨界體積性能。要解決的技術(shù)問題包括儲罐的滲透性，更高壓力儲罐的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和用于加燃料的氫壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)。
幾家公司正在開發(fā)有不同過程的多燃料處理器例如·水蒸汽轉(zhuǎn)化(SR)該過程基本上包括通過三個(gè)主要階段將甲烷和水(水蒸汽)催化轉(zhuǎn)化成氫和二氧化碳。幾家公司即Haldor-Topsoe(美國-丹麥)、Howe-Baker Engineers(美國)、IFI/ONSI(美國)、Ballard PowerSystems(加拿大)和Chiyoda(日本)已著手設(shè)計(jì)和建設(shè)這一系統(tǒng)?！げ糠盅趸?PO)一種由烴類燃料(汽油等)和氧(或空氣)產(chǎn)生氫和二氧化碳的放熱過程。PO過程比SR過程有許多重要的優(yōu)點(diǎn)。一些公司例如Arthur.D.Little(EPYX)、Chrysler Corp.和Hydrogen BurnerTechnologies(全為美國)都已宣布了開發(fā)PO轉(zhuǎn)化器的計(jì)劃。
EPYX PO轉(zhuǎn)化器包括以下步驟1-通過供熱使燃料(汽油)汽化，2-經(jīng)汽化的燃料與少量空氣在部分氧化反應(yīng)器中化合，生成氫和一氧化碳，3-水蒸汽和一氧化碳在催化劑上反應(yīng)，使大部分一氧化碳轉(zhuǎn)化成二氧化碳和另外的氫，4-在優(yōu)先的氧化步驟中，注入的空氣與剩余的一氧化碳在催化劑上反應(yīng)，生成二氧化碳和水蒸汽，得到富氫氣體。·自熱轉(zhuǎn)化(AR)在這一放熱過程中，烴類燃料與水和氧的混合物反應(yīng)。烴類氧化反應(yīng)釋放的能量促進(jìn)水蒸汽轉(zhuǎn)化過程。一些公司例如Roll-Royce/Johnson-Matthew(英國)和International FuelCell/ONSI(美國)正著手開發(fā)AR過程?！岱纸?TD)(或熱解，裂化)，烴類燃料的熱分解生成氫和純碳。由甲烷產(chǎn)生每摩爾氫的能耗稍小于SR過程。由SR、PO和TD過程產(chǎn)生氫的技術(shù)-經(jīng)濟(jì)評估表明，TD(57)產(chǎn)生氫的費(fèi)用(美元/1000米3)低于SR(67)和PO(109)過程。
等離子體輔助的烴類轉(zhuǎn)化有另一原理，其中冷的非熱等離子體用作活性物種源，以便加快化學(xué)反應(yīng)。在這種情況下，該過程的能量需要可通過熱能(低溫)來滿足，以致等離子體起催化劑的作用。
等離子體可通過很高的溫度、強(qiáng)電場或強(qiáng)磁場的作用來產(chǎn)生。在放電中，自由電子從施加的電場獲得能量，而這一能量通過碰撞而喪失。輝光放電的等離子體的特征是高的電子溫度和低的氣體溫度，約109至1012厘米3的電子濃度以及缺乏熱平衡，它使氣體溫度接近室溫的等離子體變得可能，以便得到足以在其中激發(fā)電子從而引起分子鍵斷裂的等離子體。
在等離子體中已觀測到各種反應(yīng)發(fā)生。它們包括電子和分子之間、離子和分子之間、離子和離子之間以及電子和離子之間的反應(yīng)。在過去20年已得到各種類型的放電。頻射和微波發(fā)生器的可利用性近年來將注意力集中在無電極放電的應(yīng)用上。
在冷的非熱等離子體中，只有帶電荷的粒子(電子、離子)從施加的電場中獲得能量，而中性粒子仍處于近乎室溫下。冷的非熱等離子體可通過通常在減壓下操作的電輝光放電產(chǎn)生。輝光放電的等離子體特別適用于促進(jìn)包含熱敏材料的化學(xué)反應(yīng)。已發(fā)表了很少有關(guān)單體、生成聚合物之間的結(jié)構(gòu)/性能相關(guān)性以及等離子體聚合表面改性薄膜的選擇/放棄的性質(zhì)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)工作。制備薄膜所用的能量為30-150瓦，聚合時(shí)間為60-3000秒。
維持等離子體狀態(tài)所需的電能可通過內(nèi)電極的電阻耦合、外電極的電容耦合或外線圈的感應(yīng)耦合來傳送給氣體，或在微波放電的情況下通過慢波結(jié)構(gòu)傳送給氣體。由于在等離子體中有許多不同的反應(yīng)性物種，所以不可能完全說明在等離子體中化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理。
眾所周知，化石燃料和目前用于獲得有用能源(電力、機(jī)械運(yùn)動等)的方法效率非常低。用于日常運(yùn)輸?shù)淖钣行У膬?nèi)燃機(jī)的峰值效率為32％。這就意味著可從燃料得到的能量中有68％未利用來得到機(jī)械能(運(yùn)動)，因此被浪費(fèi)了。為此有許多原因，主要是熱力學(xué)原理施加的限制，它占43％(對于使用汽油的四沖程發(fā)動機(jī))。但是，我們使用的最好的發(fā)動機(jī)仍遠(yuǎn)未達(dá)到它們的最大效率。除了對大多數(shù)有價(jià)值的天然資源的利用率差外，化石燃料燃燒(氧化)產(chǎn)生的污染物數(shù)量已變成影響我們整個(gè)生態(tài)環(huán)境的日益嚴(yán)重的問題。
MPCR提出了一個(gè)利用化石燃料的更好解決辦法，因?yàn)樗沁@樣一個(gè)體系，該體系能通過需要很少能量和不生成不希望的副產(chǎn)物的化學(xué)過程將化石燃料轉(zhuǎn)化成另外的燃料，一種合成燃料(SF)。經(jīng)改進(jìn)的燃料的特點(diǎn)是更加環(huán)境友好以及適合于更多類型的能源轉(zhuǎn)化過程，此外該過程可能是更有效的。
MPCR將有廣泛的商業(yè)意義。更低的污染物排放量將推動環(huán)保局例如美國的環(huán)保局和加利福尼亞州的大氣資源局接受零排放標(biāo)準(zhǔn)(加利福尼亞州已要求)，使得類似DAVID提出的方法10年內(nèi)必須強(qiáng)制執(zhí)行。反過來，它又促進(jìn)這樣的系統(tǒng)在這樣高車輛密度的國家例如美國和加拿大中的迅速應(yīng)用和廣泛應(yīng)用。
類似的環(huán)境努力已在歐洲進(jìn)行，歐洲聯(lián)盟執(zhí)行委員會，歐洲委員會正在起草汽車工業(yè)的強(qiáng)制性排放標(biāo)準(zhǔn)，它比汽車工業(yè)樂于接受的標(biāo)準(zhǔn)更加難達(dá)到得多。
MPCR的成功意味著我們?nèi)匀豢衫没剂?，但要以更有效的方式利用，該方式也是更加環(huán)境友好的。這就延長了我們的地球資源的期限和大大減少了烴類燃燒產(chǎn)生的環(huán)境問題。此外，這一技術(shù)可直接用在全世界范圍由于化石衍生燃料如汽油、甲烷、乙醇、丙烷、丁烷、柴油等的分配網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)存在。迄今為止例如本申請人還未對微波等離子體化石燃料轉(zhuǎn)化體系提出專利權(quán)要求。DAVID專利與已知的專利在特殊類型放電(頻率、電壓等)、工藝條件(反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)物流量等)和設(shè)備的特定結(jié)構(gòu)(電極的形狀、反應(yīng)器等)中不同。
MPCR與迄今提出專利權(quán)要求的其他技術(shù)之間的主要差別是在MPCR中特殊的冷等離子體的形成，電子的溫度高于氣體溫度。這一等離子體是通過在特殊設(shè)計(jì)的電極中特殊的微波放電的組合來達(dá)到的。用這一新方法(它是本發(fā)明的目的)，有可能顯著降低現(xiàn)有轉(zhuǎn)化過程所需的能量輸入量。
通過非平衡的冷等離子體法產(chǎn)生的合成燃料(SF)的兩個(gè)組分H2和CO是很好的內(nèi)燃機(jī)燃料。在向ICE供應(yīng)SF燃料的情況下，CO2和NOX的排放量比供應(yīng)汽油的ICE少90％；在燃料電池的情況下，需要CO分離薄膜(或特殊的催化型轉(zhuǎn)化器)。
在液體燃料中的硫(和硫的典型化合物)含量被部分汽化并參與MPCR過程。在供應(yīng)SF燃料的ICE情況下，排放物為較少的高氧化態(tài)氧化物而較多的低氧化態(tài)的硫化物(較低的烯烴硫和硫化氫的排放，它們可很容易用現(xiàn)有催化轉(zhuǎn)化器廉價(jià)除去)。
MPCR體系成功的關(guān)鍵在于合成燃料(SF)可在線由化石衍生燃料以低的能源費(fèi)用制得。因?yàn)镾F可更有效地使用，所以體系的總效率提高。等離子體催化反應(yīng)器/轉(zhuǎn)化器(MPCR)的能源效率為80-90％，取決于測量效率的方法。SF是更加環(huán)境友好的，不管它是在ICE中氧化或燃料電池使用，并提供大大降低排放物的外加的(和很重要的)好處。
在ICE使用MPCR的情況下，發(fā)動機(jī)的即時(shí)起動是要解決的主要問題之一。
這一點(diǎn)可通過使用氣態(tài)燃料(SF)操作的ICE來解決。
SF操作的ICE現(xiàn)有樣機(jī)的主要特點(diǎn)是用有改進(jìn)控制器的噴射體系補(bǔ)充汽油進(jìn)料燃料體系，前者基于“定時(shí)進(jìn)氣口噴射體系”的原理，適用于氫火花點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)。
SF供應(yīng)體系基于電子控制組件的使用，該組件將發(fā)動機(jī)傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)變成決定最佳空氣/燃料比的沖程參數(shù)。使用SF的ICE安裝噴射器的最簡單技術(shù)使它們可在不更換汽缸蓋的條件下安裝。
經(jīng)改造的ICE為一種采用標(biāo)準(zhǔn)ICE使用SF來運(yùn)轉(zhuǎn)同時(shí)維持正常的汽油進(jìn)料的經(jīng)濟(jì)(低費(fèi)用)途徑。
上述解決辦法意味著，發(fā)動機(jī)的起動使用加有5％MPCR生產(chǎn)的并貯存在10升罐中的合成燃料的汽油，當(dāng)MPCR達(dá)到所需的SF產(chǎn)量時(shí)，旁路自動地通向SF(很短的時(shí)間以后)。氫氣的加入減少了ICE起動操作過程的排放量。
在燃料電池使用MPCR的情況下，一直到MPCR開始為燃料電池操作生產(chǎn)必要的氫氣以前，初期的運(yùn)行操作可用電池組中的電能。在這種情況下，電池組將為MPCR提供電能(電能和通過電能得到的熱能)。
DAVID進(jìn)行的可能等離子體輔助的轉(zhuǎn)化的分析和評估熱等離子體變通方案1.1 5％汽油的水蒸汽轉(zhuǎn)化成合成氣的車載裝置該裝置由電弧等離子管與化學(xué)反應(yīng)器、換熱器、內(nèi)燃機(jī)和等離子管的發(fā)電機(jī)組成。當(dāng)燃料通過換熱器時(shí)，它被汽化并加熱到1000℃。加熱到更高的溫度可使燃料分解，并在燃料供應(yīng)通道中相對冷的壁上形成樹脂狀沉積物。同時(shí)，工作溫度高于1400℃的換熱器的研制是一個(gè)極其復(fù)雜的問題，它可以顯著提高體系的費(fèi)用。將換熱器中加熱的燃料蒸汽送入電弧等離子體管。也將預(yù)熱的水蒸汽送入電弧等離子體管。冷水用于冷卻等離子體管壁。在這一過程中，水被加熱和汽化；水蒸汽被加熱到1300℃，并送入等離子體管。在等離子體管中，水和燃料的蒸汽獲得加熱到2400℃所需的能量，并進(jìn)行水蒸汽轉(zhuǎn)化化學(xué)反應(yīng)，它們很好地混合以后進(jìn)入化學(xué)反應(yīng)器。在反應(yīng)器中，這些蒸汽轉(zhuǎn)化成合成氣，它在1400℃的溫度下排出。由于發(fā)生的吸熱反應(yīng)的結(jié)果，溫度下降。通過水冷卻化學(xué)反應(yīng)器壁來除去過量的熱。熱的合成氣通過換熱器，將熱量釋放給燃料和水蒸汽，冷卻到400℃以后進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)。內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動為等離子體管提供電能的發(fā)電機(jī)。
下面所列為在熱力學(xué)計(jì)算的基礎(chǔ)上估計(jì)的近似裝置參數(shù)。裝置按50千瓦內(nèi)燃機(jī)計(jì)算。
1.有化學(xué)反應(yīng)器的電弧等離子體管功率2.5千瓦水蒸汽流速 0.2升/秒汽油流速0.03升/秒尺寸直徑0.1米長度0.3米重量5公斤2.換熱器熱氣體流速(1400℃) 0.6升/秒冷氣體流速0.23升/秒通過的熱通量 0.65千瓦尺寸直徑 0.25米長度 1.0米重量 15公斤3.發(fā)電機(jī)功率 2.5千瓦尺寸直徑 0.2米長度 0.25米重量 15公斤4.內(nèi)燃機(jī)功率 50千瓦汽油流速 2.2升/秒合成氣流速 0.6升/秒合成氣生產(chǎn)要求汽油流速 0.12克/秒水流速 0.15克/秒1.2 5％汽油用空氣中氧部分氧化的車載裝置象在上述情況中那樣，該裝置由電弧等離子體管與化學(xué)反應(yīng)器、換熱器、內(nèi)燃機(jī)和發(fā)電機(jī)組成。部分氧化反應(yīng)為放熱反應(yīng)，以致可使等離子體管的功率下降一半。而汽油的總流速僅增加百分之幾。因?yàn)椴糠盅趸每諝庵械难踹M(jìn)行，所以合成氣被氮?dú)庀♂尨蠹s50％。此外，在這一過程中不涉及到水，因此用標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)動機(jī)冷卻體系使等離子體管和化學(xué)反應(yīng)器壁冷卻。等離子體管的功率大大降低發(fā)動機(jī)的功率，所以不需要高負(fù)荷的冷卻體系。
近似的裝置參數(shù)1.有化學(xué)反應(yīng)器的電弧等離子體管功率1.5千瓦水蒸汽流速 0.7升/秒汽油流速0.043升/秒尺寸直徑0.1米長度0.3米重量5公斤2.換熱器熱氣體流速(1400℃) 1.1升/秒冷氣體流速 0.75升/秒通過的熱通量 1.7千瓦尺寸直徑0.3米長度1.0米重量20公斤3.發(fā)電機(jī)功率1.5千瓦尺寸直徑 0.15米長度 0.25米重量 12公斤4.內(nèi)燃機(jī)功率 50千瓦汽油流速 2.2克/秒合成氣流速 0.6升/秒合成氣生產(chǎn)要求汽油流速 0.18克/秒水流速 0.7克/秒2.1汽油水蒸汽轉(zhuǎn)化生成合成氣的車載裝置該裝置用于汽油生產(chǎn)合成氣，隨后使用電化學(xué)發(fā)電機(jī)(ECG)生產(chǎn)電力。該裝置由加熱汽油和水蒸汽的等離子體管、進(jìn)行水蒸汽轉(zhuǎn)化的化學(xué)反應(yīng)器和熱的合成氣將其熱量傳遞給燃料和水蒸汽的換熱器組成。象在1.1中的情況那樣，水蒸汽和汽油蒸汽在等離子體管中被加熱和充分混合，并送入等離子體管。在反應(yīng)器中生成合成氣，由于吸熱化學(xué)反應(yīng)，它的溫度下降。借助水冷卻，合成氣的溫度下降到1400℃，在這一溫度下，將它送入換熱器。化學(xué)反應(yīng)器中合成氣的熱能足以使反應(yīng)所需的所有水汽化。在換熱器中，水和汽油蒸汽被合成氣的熱能加熱到1000℃，隨后進(jìn)入等離子體管。
1.電弧等離子體管功率 45千瓦水蒸汽流速3.9升/秒汽油流速 0.54升/秒尺寸直徑 0.1米長度 0.3米重量 5公斤2.化學(xué)反應(yīng)器尺寸直徑0.15米長度0.2米重量8公斤3.換熱器熱氣體流速(1400℃) 12升/秒冷氣體流速 4.4升/秒通過的熱通量 13千瓦尺寸直徑 0.3米長度 1.0米重量20公斤4.消耗量汽油2.4升/秒水 3.1升/秒2.2汽油被空氣中氧部分氧化的車載裝置象在上述情況中那樣，該裝置用于生產(chǎn)合成氣，隨后用于ECG?；镜难b置模塊由電弧等離子體管、化學(xué)反應(yīng)器和換熱器組成。象在1.2中的情況那樣，因?yàn)槠偷牟糠盅趸癁榉艧岱磻?yīng)，所以等離子體管的功率可下降幾乎40％。但是，同時(shí)汽油流速提高30％。此外，制得的合成氣被氮?dú)庀♂屢槐丁Ｔ谠撨^程中沒有水，要求等離子體管壁和化學(xué)反應(yīng)器分開體系。冷卻體系應(yīng)能除去40千瓦熱能。
該裝置的近似參數(shù)1.電弧等離子體管功率 28千瓦空氣流速 14升/秒汽油蒸汽流速 0.86升/秒尺寸直徑0.1米長度0.2米重量3公斤2.化學(xué)反應(yīng)器尺寸直徑 0.15米長度 0.2米重量 8公斤3.換熱器熱氣體流速(1400℃) 22升/秒冷氣體流速 14.9升/秒通過的熱通量 34千瓦尺寸直徑0.3米長度1.0米重量20公斤4.消耗量汽油3.6克/秒空氣14克/秒3.1有汽油水蒸汽轉(zhuǎn)化成合成氣的加油站固定裝置該裝置的設(shè)計(jì)與情況2.1相同，但以10000米3/小時(shí)的合成氣計(jì)算。應(yīng)當(dāng)指出，水蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)的快速運(yùn)行所需的化學(xué)反應(yīng)器中的過量熱能(W≈1.5兆瓦)應(yīng)當(dāng)通過水冷卻除去，并可用于加油站的技術(shù)目的(例如汽車洗滌)。
近似的裝置參數(shù)1.電弧等離子體管功率 13千瓦水蒸汽流速965升/秒汽油蒸汽流速 135升/秒尺寸直徑 0.3米長度 1.5米重量 50公斤2.等離子體管功率供應(yīng)2.1變壓器尺寸 7.0×5.0×6.0米重量 50000公斤2.2控制臺尺寸 2.0×2.0×1.0米重量 150公斤3.化學(xué)反應(yīng)器尺寸直徑 0.5米長度 1米重量 100公斤4.換熱器熱氣體流速(1400℃) 3000升/秒冷氣體流速 1100升/秒通過的熱通量 3.3兆瓦尺寸直徑 1.5米長度 5.0米重量 2500公斤4.消耗量汽油 0.6公斤/秒水 0.8公斤/秒3.2汽油用氧部分轉(zhuǎn)化的加油站固定裝置該裝置的設(shè)計(jì)與情況2.2中描述的原型在更大的生產(chǎn)率和氧氣用作氧化劑方面不同。在10000米3/小時(shí)合成氣生產(chǎn)率下，該裝置應(yīng)當(dāng)消耗0.74米3氧。如果用空氣進(jìn)行氧化，大約3米3氧必需加熱到2400℃，因此需要9兆瓦外加工率。即使這一功率中一半被回收，功率的損失明顯超過由空氣得到氧的消耗目前由空氣得到氧可得到的技術(shù)消耗為1.5兆焦/米3。所以，取出0.74米3/秒氧所需的功率僅等于1.1兆瓦。使用純氧的另一明顯優(yōu)點(diǎn)是合成氣中沒有氮?dú)狻?br> 近似的裝置參數(shù)1.電弧等離子體管功率 0.5兆瓦水蒸汽流速740升/秒汽油蒸汽流速 214升/秒尺寸
直徑 0.2米長度 0.4米重量 20公斤2.等離子體管功率供應(yīng)2.1變壓器尺寸 2.0×2.0×1.5米重量 5000公斤2.2控制臺尺寸 2.0×1.0×1.0米重量 100公斤3.化學(xué)反應(yīng)器尺寸直徑0.5米長度1米重量100公斤4.換熱器熱氣體流速(1400℃) 2800升/秒冷氣體流速 9540升/秒通過的熱通量4.0兆瓦尺寸直徑 1.5米長度 5.0米重量 2500公斤4.消耗量汽油 0.92公斤/秒水 0.74公斤/秒上述體系的考慮表明，它的實(shí)施有一些問題。首先，在等離子體管中和在化學(xué)反應(yīng)器中有很高溫度的氣體混合物，它需要使用特殊的耐熱材料并基本限制類似體系的資源。其次，全部燃料水蒸汽轉(zhuǎn)化的裝置需要相當(dāng)大的電能消耗。該裝置產(chǎn)生的全部合成氣中大約一半必需燒掉以彌補(bǔ)這些消耗。有興趣的是考慮基于非平衡的等離子體-化學(xué)過程例如等離子體催化作用的類似體系。應(yīng)當(dāng)指出，下述的所有裝置設(shè)計(jì)都基于天然氣和醇類的預(yù)備實(shí)驗(yàn)，以致為了使用汽油需要另外的研究。
等離子體催化作用變通方案1. 5％燃料、水蒸汽預(yù)熱和隨后用MCW放電處理的車載裝置內(nèi)燃機(jī)廢氣的溫度約為800℃。熱力學(xué)計(jì)算表明，這一溫度對于相當(dāng)部分的汽油進(jìn)行水蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)是足夠高的。但是，動力學(xué)限制使轉(zhuǎn)化不能以合理的時(shí)間量進(jìn)行。預(yù)先加熱到800℃的甲烷的MCW脈沖定期放電處理使甲烷的轉(zhuǎn)化率提高直到3倍，即使只有10％MCW的平均放電能用于預(yù)熱。甲烷轉(zhuǎn)化率達(dá)到熱力學(xué)平衡值。
該裝置由其熱量用來加熱汽油蒸汽和水蒸汽的內(nèi)燃機(jī)組成。蒸汽進(jìn)入化學(xué)反應(yīng)器，在那里它們用MCW定時(shí)放電處理。
在放電的影響下，相當(dāng)大部分的汽油-水蒸汽混合物轉(zhuǎn)化成合成氣，它與未反應(yīng)的烴類蒸汽一起進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)。應(yīng)當(dāng)指出，這一流程方案不需要汽油-水蒸汽混合物的完全轉(zhuǎn)化。在燃料混合物中僅10％氫氣的存在相當(dāng)大地改進(jìn)發(fā)動機(jī)的操作，有毒排放物減少和發(fā)動機(jī)效率提高。
近似的裝置參數(shù)1.內(nèi)燃機(jī)功率50千瓦汽油流速2.2克/秒合成氣流速 0.6升/秒合成氣生產(chǎn)要求汽油流速0.12克/秒水流速 0.15克/秒2.化學(xué)反應(yīng)器反應(yīng)段溫度 800°K汽油蒸汽流速0.03升/秒水蒸汽流速 0.2升/秒尺寸直徑0.05米長度0.1米重量0.5公斤3.MCW發(fā)生器產(chǎn)生頻率9千兆赫平均輻射功率25瓦脈沖功率25千瓦尺寸有波導(dǎo)管通道的磁控管0.15×0.15×0.4米電源設(shè)備 0.5×0.13×0.6米重量有波導(dǎo)管通道的磁控管 6公斤電源設(shè)備 10公斤2.5％汽油的部分氧化和為水蒸汽轉(zhuǎn)化加入水的車載裝置如果在以前的流程方案中汽油的轉(zhuǎn)化率不足夠高，那么為了用空氣部分氧化汽油，可將化學(xué)反應(yīng)的溫度提高到1000°K。為了經(jīng)濟(jì)地利用熱量，將換熱器安裝在化學(xué)反應(yīng)器和發(fā)動機(jī)之間。換熱器能從反應(yīng)器排出的合成氣中回收熱量。
近似的裝置參數(shù)，假設(shè)完全的熱回收。
1.內(nèi)燃機(jī)功率 50千瓦汽油流速 2.2克/秒合成氣流速0.6升/秒合成氣生產(chǎn)的要求汽油流速 0.15克/秒水流速0.075克/秒空氣流速 0.37升/秒2.換熱器熱氣體流速(1400℃)0.9升/秒冷氣體流速0.5升/秒通過的熱通量 0.35千瓦尺寸直徑 0.3米長度 1.0米重量 20公斤3.化學(xué)反應(yīng)器反應(yīng)段溫度 1000°K汽油蒸汽流速 0.035升/秒水蒸汽流速 0.1升/秒空氣流速 0.37升/秒尺寸直徑 0.05米長度 0.1米重量 0.5公斤4.MCW發(fā)生器發(fā)生頻率 9千兆赫平均輻射功率 25瓦脈沖功率 25瓦尺寸有波導(dǎo)管通道的磁控管 0.15×0.15×0.4米電源設(shè)備 0.5×0.13×0.6米重量有波導(dǎo)管通道的磁控管 6公斤電源設(shè)備 10公斤3.汽油用空氣部分氧化和為水蒸汽轉(zhuǎn)化加入水的車載裝置該裝置用于車載汽車生產(chǎn)用于ECG的合成氣。它由化學(xué)反應(yīng)器組成，靠部分氧化產(chǎn)生的能量在反應(yīng)器中進(jìn)行汽油的水蒸汽轉(zhuǎn)化。為了加速反應(yīng)，使用微波發(fā)生器。微波輻射線送入反應(yīng)器，在那里在所述的輻射線的影響下產(chǎn)生化學(xué)活性的粒子。參與鏈反應(yīng)過程的活性粒子大大加速汽油的轉(zhuǎn)化。換熱器用來從生產(chǎn)的合成氣中回收熱量。
下面示出裝置的參數(shù)，生產(chǎn)率為40米3/小時(shí)的合成氣。因?yàn)榭諝庥糜诓糠盅趸?，合成氣被氮?dú)庀♂屓种弧?br> 1.化學(xué)反應(yīng)器反應(yīng)段溫度 1000°K汽油蒸汽流速 0.7升/秒水蒸汽流速 1.9升/秒空氣流速 7.4升/秒尺寸直徑 0.15米長度 0.5米重量 5公斤2.換熱器熱氣體流速(1000℃) 17升/秒冷氣體流速 10升/秒通過的熱通量 16千瓦尺寸直徑 0.3米長度 1.0米重量 20公斤3.MCW發(fā)生器發(fā)生頻率 2.46千兆赫平均輻射功率 600瓦脈沖功率 600千瓦尺寸有波導(dǎo)管通道的磁控管 0.35×0.15×0.5米電源設(shè)備 0.5×0.22×0.6米重量有波導(dǎo)管的磁控管10公斤電源設(shè)備25公斤4.帶有水添加劑和微波處理反應(yīng)物的汽油部分氧化生產(chǎn)合成氣的固定裝置該裝置與以前的裝置僅在生產(chǎn)率和空氣代替氧氣上有差別。這樣選擇水的用量，以致在化學(xué)計(jì)量的條件下，化學(xué)反應(yīng)器中的溫度為1000°K。示出生產(chǎn)率為10000米3/小時(shí)合成氣的裝置設(shè)備、近似的參數(shù)和反應(yīng)物流速。
1.化學(xué)反應(yīng)器反應(yīng)段溫度1000°K汽油蒸汽流速 0.18米3/秒水蒸汽流速0.44米3/秒空氣流速 0.42米3/秒尺寸直徑 0.5米長度 2米重量 100公斤2.換熱器熱氣體流速(1000℃) 2.8米3/秒冷氣體流速 1米3/秒通過的熱通量 2.6兆瓦尺寸直徑 1.5米長度 5.0米重量 2500公斤3.MCW發(fā)生器發(fā)生頻率 915兆赫平均輻射功率 200瓦大型設(shè)備a)功率和高壓變壓器；b)整流器和功率調(diào)制器；c)有磁控管的發(fā)生器模塊；d)MCW通道；e)控制臺。
電力設(shè)備的安裝需要150米2空地。其他設(shè)備放置在70米2的封閉空間。
脈沖功率600千瓦尺寸有波導(dǎo)管通道的磁控管0.35×0.15×0.5米電源設(shè)備0.5×0.22×0.6米重量有波導(dǎo)管通道的磁控管10公斤電源設(shè)備25公斤5.帶有水添加劑和微波在低溫下處理反應(yīng)物的汽油部分氧化生產(chǎn)合成氣的固定裝置。出口氣體用薄膜分離的全完轉(zhuǎn)化和部分轉(zhuǎn)化的情況。
由于與4的技術(shù)方案類似，該裝置的參數(shù)和尺寸與所述4中計(jì)算的類似。在計(jì)算中，提出水蒸汽-氧氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)有很高的選擇性(只生成CO和H2作為產(chǎn)物)。這就提供了低的工藝溫度。進(jìn)行了兩個(gè)類似的計(jì)算，第一個(gè)在500℃下，其中在這些條件下該溫度提供了實(shí)際上完全的轉(zhuǎn)化；在第二個(gè)計(jì)算中使用更低的溫度(400℃)，在這一溫度下轉(zhuǎn)化率僅為74％。但是，為了提供純的合成氣流，提出使用分離設(shè)備。在附錄5的相應(yīng)表中列出等離子體管功率、薄膜設(shè)備功率和質(zhì)量流速的估計(jì)值。
主要結(jié)果和結(jié)論1.DAVID進(jìn)行的研究表明，等離子體輔助的烴類轉(zhuǎn)化過程十分具有吸引力，可能成為氫和富氫氣體生產(chǎn)新技術(shù)的適合基礎(chǔ)。甚至在熱等離子體應(yīng)用的情況下，可設(shè)計(jì)出緊湊的、易于控制的和易于起動的轉(zhuǎn)化器。此外，非熱的催化作用應(yīng)用可提供能耗顯著下降和低的工藝溫度。
2.進(jìn)行的比較分析表明，對于熱等離子體的情況，可選擇以下的變通方案作為最有前途的變通方案5％汽油的部分氧化車載裝置，以便提高傳統(tǒng)的柴油或汽油發(fā)動機(jī)的效率?；诘入x子體輔助的汽油部分氧化的在線生產(chǎn)氫氣的緊湊型固定裝置。熱等離子體途徑的主要缺點(diǎn)是相當(dāng)高的能耗和相當(dāng)高的操作溫度。
3.上述分析表明，等離子體催化作用途徑作為上述各種問題的解決辦法是十分有前途的。此外，在等離子體催化作用下的部分氧化由于水的加入可得到外加的氫產(chǎn)量。
4.最有前途的等離子體催化作用的變通方案是車載的部分汽油的水蒸汽轉(zhuǎn)化。發(fā)動機(jī)排放的熱量可用于滿足過程的能量要求。
在小汽車或其他車輛上的汽油部分氧化。
5.應(yīng)當(dāng)指出，上述的裝置參數(shù)都是以理論模擬和使用甲烷和甲醇轉(zhuǎn)化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)的，以致為了證實(shí)所提到的數(shù)據(jù)需要進(jìn)一步的理論模擬和實(shí)驗(yàn)。
DAVID進(jìn)行的有關(guān)產(chǎn)生微波的等離子體催化化石燃料轉(zhuǎn)化的研究使用微波放電產(chǎn)生的等離子體進(jìn)行化石燃料轉(zhuǎn)化的研究包括三個(gè)基本步驟1.模擬放電，以便決定主要放電參數(shù)，它們對在等離子體反應(yīng)器中的化學(xué)反應(yīng)是必不可少的。
2.研究在特定的放電條件下燃料轉(zhuǎn)化的不同化學(xué)反應(yīng)機(jī)理所起的作用。
3.優(yōu)化反應(yīng)器的產(chǎn)率第一步密切涉及可得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，并應(yīng)該得到與實(shí)驗(yàn)證據(jù)一致的放電演變的詳盡物理模型結(jié)構(gòu)。第二步應(yīng)該通過開發(fā)物理-化學(xué)放電模型決定各種烴類轉(zhuǎn)化機(jī)理對預(yù)定的放電條件的貢獻(xiàn)。這一模擬的結(jié)果可用來通過改變放電參數(shù)提高反應(yīng)器的比產(chǎn)率。
MW放電演變的物理模型應(yīng)該提供主要的等離子體參數(shù)，例如電子和離子濃度、其平均能量、氣體溫度隨時(shí)間和它們的空間分布變化。適合將放電演變細(xì)分成3個(gè)不同的階段1.初期的非平衡階段，在這一階段中整個(gè)有效反應(yīng)器體積中的電子溫度和氣體溫度之間有大的偏差；2.準(zhǔn)平衡放電階段，在這一階段中有準(zhǔn)平衡等離子體的細(xì)絲；3.余輝放電階段，在這一階段中出現(xiàn)等離子體再結(jié)合，在反應(yīng)器壁有擴(kuò)散傳播和表面電荷再結(jié)合。
因?yàn)槲⒉ǚ烹娨矠閺?qiáng)烈不均勻的，所以可將它分成3個(gè)不同的空間區(qū)域1.有高數(shù)值還原電場的光束頭，它是造成光束沿電場線傳播的原因；2.有相對低場的光束通道，首先它確保通道等離子體的準(zhǔn)靜止特性，一直到在光束通道中某些不穩(wěn)定性破壞這一準(zhǔn)靜態(tài)為止；3.由于從通道的輻射線發(fā)射在光束通道附近有低電子密度的“外層”。
根據(jù)可得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和燈絲放電的一般理論可作出這些鑒定。比較了不同的臨時(shí)空間間隔的理論模型和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的存在。由于短的時(shí)間和空間間隔，幾乎沒用實(shí)驗(yàn)研究光束頭，而借助平面波陣面?zhèn)鞑ダ碚撚晒馐俣群桶霃降玫焦馐^參數(shù)。這一理論對于我們的情況是有效的，因?yàn)楣馐嚸娴暮穸缺裙馐霃绞亲銐蛐〉摹淄?、水和氫等離子體開發(fā)了平面波陣面模型，在光束通道中在波陣面后產(chǎn)生初始電子濃度。此外，該模型給出在通道中準(zhǔn)靜止場的數(shù)值。這些數(shù)值可與得到的電場強(qiáng)度和電子濃度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比較。因?yàn)橛善矫娌嚸胬碚摻o出的通道內(nèi)的電子濃度相當(dāng)小(ηe約3×1014個(gè)/厘米3)，所以很難由光譜研究測量這一數(shù)量。但是，上述ηe的數(shù)值與氫線擴(kuò)展分析得到的ηe＜105個(gè)/厘米3的估計(jì)值是一致的。應(yīng)當(dāng)指出，由于其更準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)和眾所周知的動力學(xué)參數(shù)和漂移參數(shù)，氫等離子體更加適合實(shí)驗(yàn)測量，不僅對它的基態(tài)，而且也對所需的激發(fā)態(tài)。這就是為什么氫等離子體在第一步對于放電模擬用作方便的樣品環(huán)境。
由平面波陣面理論和準(zhǔn)靜止假設(shè)得出的通道內(nèi)電場強(qiáng)度(H2-100Td，CH4-90Td)與氫(≈30KV)和甲烷(≈20KV)在正常條件下的實(shí)驗(yàn)測量值十分一致。在氫等離子體情況中的偏差可能是由于本體氣體中的雜質(zhì)，例如1％的水。相應(yīng)于這些場強(qiáng)的電子溫度約為2eV。測定這一數(shù)量的另一方法是用線強(qiáng)度分析激發(fā)氫態(tài)的總數(shù)。為了進(jìn)行這些研究，發(fā)展了氫能級總數(shù)的動力學(xué)模型，考慮到碰撞激發(fā)和去激發(fā)、自發(fā)輻射和離化過程，包括平面波陣面波結(jié)果和電子能量分布函數(shù)(EEDF)的計(jì)算。該模型表明，就電子溫度來說，激發(fā)的氫態(tài)的總數(shù)強(qiáng)烈處于非平衡中對于所需能級，Tex約為0.3-0.4eV，而To約為2eV。這些結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀測的約為0.3eV的Tex十分一致，與以前對氫的動力學(xué)計(jì)算結(jié)果吻合。
由于在光束通道中離化熱的不穩(wěn)定性在等離子體中氣體的加熱速率可決定失去準(zhǔn)平衡的狀態(tài)?？紤]到節(jié)能給出的某些自由度通過解電子能量的動力學(xué)方程和尋找氣體加熱中涉及的每一基本過程的貢獻(xiàn)來決定氣體加熱速率。例如，可預(yù)計(jì)至少在低溫的情況下在位移和旋轉(zhuǎn)自由度不減少的條件下振動能量被貯存，模擬得出在前100納秒溫度內(nèi)升高約100°K。如果壓力下降十分迅速，這一數(shù)值足以促使在通道中的離化加熱不穩(wěn)定性。對于氫來說，特征的流體時(shí)間約為100納秒，而甲烷稍大。因此，在光束通道中的離化不穩(wěn)定性看來對在氫中約100納秒內(nèi)通道熱化負(fù)責(zé)，正如實(shí)驗(yàn)表明在氫中200納秒以后和在甲烷中400納秒以后氣體溫度和電子濃度迅速升高。正如可預(yù)期的，準(zhǔn)平衡狀態(tài)中的電子濃度由表層厚度約等于光束半徑的條件決定。這一假設(shè)得到約1016個(gè)/厘米3的電子濃度，它與約5×1016個(gè)/厘米3的實(shí)驗(yàn)值較好的一致。實(shí)驗(yàn)氣體溫度(對于甲烷約5000K)稍低于這一濃度下的平衡溫度(約6000K)，從而提供等離子體的準(zhǔn)平衡狀態(tài)。
接近通道的“外層”區(qū)域由于其電子濃度小，難以進(jìn)行測量。而且，在這一區(qū)域中的電子濃度取決于氣體中的雜質(zhì)濃度(它可參與光離化過程和離解離化過程)。這就對通道附近的放電模擬產(chǎn)生重大的限制。
為了確定在MW放電中燃料轉(zhuǎn)化的動力學(xué)機(jī)理，研究了在放電條件中幾個(gè)可能的機(jī)理。首先，為了確定水對汽油轉(zhuǎn)化和煙灰生成的影響，進(jìn)行了加水的汽油熱分解?？紤]辛烷作為汽油的能力，因?yàn)樗瞧椭写嬖诘淖罡叩臒N。已提出動力學(xué)圖示，它由說明辛烷氧化和煙灰生成的876個(gè)反應(yīng)組成。模型包含85個(gè)化學(xué)組分，包括一直到C8H18的所有烴類，異構(gòu)體和中間基團(tuán)。
用有量熱彈反應(yīng)器模型的WorkBenck Code在P和T不變下進(jìn)行計(jì)算。
在T＝1500K和P＝1大氣壓下，描述辛烷-水混合物分解的動力學(xué)曲線示于

圖1和圖2；在T＝2100K和P＝1大氣壓下示于圖3和圖4，加入的水為89％(圖1、圖3)和50％(圖2、圖4)。
圖1，在T＝1500K和P＝1大氣壓下，C8H18-H2O(11∶89％)混合物的分解過程中，主要濃度的動力學(xué)曲線。
從圖1中清楚看出，在水存在下辛烷的轉(zhuǎn)化過程可分成1.辛烷迅速分解，生成乙烯和甲烷；2.乙炔生成的慢過程，其中水起催化劑作用，隨后生成CO和H2。
如果沒有足夠的水用于辛烷的完全轉(zhuǎn)化，產(chǎn)物為甲烷(圖2)或乙炔(圖4)。
圖2，在T＝1500K和P＝1大氣壓下，C8H18-H2O(50∶50％)混合物的分解過程中，主要濃度的動力學(xué)曲線。
圖3，在T＝2200K和P＝1大氣壓下，C8H18-H2O(11∶89％)混合物的分解過程中，主要濃度的動力學(xué)曲線。
圖4，在T＝2200K和P＝1大氣壓下，C8H18-H2O(50∶50％)混合物的分解過程中，主要濃度的動力學(xué)曲線。
在T＝2000K和P＝1大氣壓下，辛烷-水混合物的分解過程中煙灰的生成示于圖5和圖6。這一模型考慮了A.V.Krestinin[1]提出的簡化煙灰生成模型C2H2→C4H12→C6H2→C8H2→煙灰核雖然它限于C8H2進(jìn)一步氣化，從圖中可清楚看出，如果沒有足夠的水用于辛烷完全轉(zhuǎn)化成CO-H2，那么就生成煙灰。
圖5，在T＝2200K和P＝1大氣壓下，在C8H18-H2O(11∶89％)混合物的分解過程中煙灰的生成。
圖6，在T＝2200K和P＝1大氣壓下，在C8H18-H2O(50∶50％)混合物的分解過程中煙灰的生成。
圖7表示過程時(shí)間與其進(jìn)行的溫度的依賴關(guān)系。
圖7，過程時(shí)間與溫度的依賴關(guān)系。
正如可從圖7看出的，過程時(shí)間與只在1500K的溫度下甲烷分解的相同(參見以前的報(bào)告)。限制階段為甲烷的離解，而在更高的溫度下，限制階段為乙炔的分解。
因此，燃料轉(zhuǎn)化的熱機(jī)理得到的動力學(xué)結(jié)果決定最佳放電參數(shù)，因此實(shí)驗(yàn)條件為燃料轉(zhuǎn)化表示。
現(xiàn)有燃料轉(zhuǎn)化專利的評述在制得富氫氣體(h.g.)的不同組合中使用的基本化學(xué)過程之一為烴類的水蒸汽轉(zhuǎn)化，例如。這一反應(yīng)為吸熱的，但如果氧氣加到進(jìn)料混合物中，那么轉(zhuǎn)化過程變成放熱的。這一過程可用來制得h.g.，其將在內(nèi)燃機(jī)中或在車載燃料電池中燃燒。
許多作者提出在轉(zhuǎn)化過程中使用催化劑。已對各種各樣物質(zhì)[1，2]作為催化劑以及適合的轉(zhuǎn)化器設(shè)計(jì)[2，3]提出專利權(quán)利要求。我們提出，催化轉(zhuǎn)化器的重要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊和不需要使用另外的設(shè)備。保溫和熱循環(huán)[3]將提供高的效率。
在水蒸汽轉(zhuǎn)化過程的基礎(chǔ)上制得h.g.的另一方法是[4]中描述的氣態(tài)烴類熱解的變通方案。將烴類注入得到的高溫混合物以后，將烴類和燃燒的富氧氣體的專利混合物結(jié)合，得到外加數(shù)量的氫。烴類、水蒸汽和氧的數(shù)量之間的關(guān)系有專利權(quán)。在DAVID的看法中，這一過程的主要優(yōu)點(diǎn)是沒有催化劑。
許多作者提出等離子體法用于烴類燃料轉(zhuǎn)化。對電弧等離子體管作為適合的轉(zhuǎn)化器設(shè)計(jì)[5]已提出專利權(quán)要求，在所述的轉(zhuǎn)化器中有燃料的汽化和熱解。
在[6]中提出一種電弧等離子體管的有意義的設(shè)計(jì)。在這一等離子體管中燃料的轉(zhuǎn)化有幾個(gè)化學(xué)過程烴類熱解生成氫和固體碳。對等離子體管的設(shè)計(jì)和固體碳的連續(xù)機(jī)械洗滌提出專利權(quán)要求。
得到h.g的等離子體轉(zhuǎn)化的應(yīng)用在[7]中提出，當(dāng)需要最大功率時(shí)，將h.g.注入汽車發(fā)動機(jī)。提出電弧或微波等離子體管作為轉(zhuǎn)化器應(yīng)用。的作者提出將渦輪加到烴類燃料轉(zhuǎn)化器等離子體管中，為了得到可用于等離子體管需要的另外能量，它利用氣體的動能和熱能。
另一類專利為提出等離子體作為烴類水蒸汽轉(zhuǎn)化吸熱過程的激勵(lì)物和能源。
其中的一個(gè)[9]，在反應(yīng)體積中漂移電弧灼燒，促進(jìn)烴類轉(zhuǎn)化過程。它們通過小球床層另外生成廢氣。
在另一專利[10]中，反應(yīng)混合物最初和通過反應(yīng)器后被加熱，在那里出現(xiàn)高壓脈沖定時(shí)放電，從而促進(jìn)水蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)。還有一可用于產(chǎn)生h.g.的轉(zhuǎn)化器設(shè)計(jì)，在那里h.g.在車載SPE燃料電池中燃燒。
專利文獻(xiàn)的評述表明，研究人員的重大興趣在于由烴類產(chǎn)生h.g.的問題。正如評述表明，最大一類專利是作者提出用催化劑進(jìn)行烴類轉(zhuǎn)化過程的專利，其中催化劑為一種適合的化學(xué)物質(zhì)。大多數(shù)專利公開了等離子體烴類轉(zhuǎn)化過程。但是，在大多數(shù)情況下，作者使用等離子體作為反應(yīng)物的有效加熱物。在DAVID的看法中，只有兩篇專利使用等離子體作為烴類轉(zhuǎn)化過程的熱能源和激勵(lì)物。在[9]第一篇專利中，富氧氣體和烴類的混合物用漂移電弧等離子體活化，并在特殊的金屬材料或陶瓷材料上移動，在那里混合物最終轉(zhuǎn)化成合成氣。但該專利不能作為我們的設(shè)備的原型。在[9]第二篇專利中使用的思想十分類似我們的設(shè)備設(shè)計(jì)。在這兩種情況下，反應(yīng)物的混合物被加熱，然后用冷等離子體處理。在這樣的體系中沒有完全的轉(zhuǎn)化；一部分烴類轉(zhuǎn)化成二氧化碳，為了制得氫，需要有所選擇滲透性的薄膜。這一體系需要外加的氣體壓縮和使用更多的能量。
文獻(xiàn)
所提出的體系和以前的體系可在車輛上產(chǎn)生合成氣或在固定的設(shè)備中產(chǎn)生合成氣。兩種設(shè)備都為現(xiàn)有技術(shù)。作為一個(gè)例子參見US 5887554，其中公開了燃料轉(zhuǎn)化成合成氣的體系。
固定體系需要高壓容器或深冷容器。
轉(zhuǎn)化器體系的另一重要例子為世界專利PCT/US98/18027。其中公開了一種在水和氧(空氣)存在(可能)下通過放電(粒子放電)使輕質(zhì)烴類(例如CH4、C2H6、C3H8、C4H10或天然氣)轉(zhuǎn)化的過程。在該專利設(shè)備的描述中，轉(zhuǎn)化過程的能源之一為烴類的部分氧化。
氫氣的車載生產(chǎn)被詳細(xì)描述。這類設(shè)備例如在US 5143025中公開。其中公開了用電解將H2O分解成H2和O2，并將H2加到發(fā)動機(jī)燃料中。在US 5159900中開發(fā)了使用水和Co(固體碳)相互作用產(chǎn)生富氫氣體的體系。在這一設(shè)備中，碳電極被電弧處理提供的水部分氧化成為H2+CO混合物的主要來源。在US 5207185(Greiner等)中，設(shè)備的基礎(chǔ)為一燃燒器，它用一部分烴類燃料來轉(zhuǎn)化另一部分，以便生產(chǎn)氫氣。氫氣與用于發(fā)動機(jī)的燃料混合。
另一體系涉及熱轉(zhuǎn)化器的應(yīng)用，將一部分汽油轉(zhuǎn)化成富氫氣體。(參見Breshears E1等，EPA第一屆低污染電力體系開發(fā)討論文集，268(1973))。其他類似的體系在催化劑存在下使用部分氧化。(參見Houseman等，第3屆世界氫能大會論文集，949(1980))。
U.S 5435332和5437250(Rabinovich等)公開了有電弧等離子體管作為一設(shè)備的內(nèi)燃機(jī)體系。
現(xiàn)提出專利權(quán)要求的等離子體輔助的燃料轉(zhuǎn)化設(shè)備使用在各種模型的高頻或超高頻電弧等離子體管中穩(wěn)定的等離子體放電和電弧放電(軌道槍、下滑)的脈沖變型；參見US 5425332、5437250和5887554。這些放電的很高溫度特性和生成的熱力學(xué)重量平衡不能從等離子體燃料轉(zhuǎn)化方法的優(yōu)點(diǎn)中得到全部好處。
發(fā)明描述本發(fā)明的目的是一種烴類生成富氫氣體的等離子體轉(zhuǎn)化器。該轉(zhuǎn)化器包含加熱器、混合室、反應(yīng)器和與反應(yīng)器相連的微波源。脈沖定時(shí)假電暈微波放電用來在反應(yīng)器中加快轉(zhuǎn)化過程。假電暈放電通過在最大電場區(qū)域中插入微波共振器中的一組金屬棱產(chǎn)生。因此，在特選的狀態(tài)(脈沖持續(xù)時(shí)間、脈沖周期/脈沖持續(xù)時(shí)間比、比能量輸入、反應(yīng)器入口溫度)下，提供了轉(zhuǎn)化過程的等離子體-催化特性。等離子體-催化轉(zhuǎn)化過程用在較低的溫度限下高的生產(chǎn)率和低電能來表征。提出的反應(yīng)器能進(jìn)行燃料(石油醚、煤油、柴油等)與水蒸汽、水蒸汽-氧(水蒸汽-空氣)以及用空氣的部分氧化生成富氫氣體的轉(zhuǎn)化過程。進(jìn)行這一具體過程所需的大多數(shù)能量由加熱器作為熱能提供給體系，靠在反應(yīng)器出口處熱量的回收以及(對于水蒸汽-氧轉(zhuǎn)化或部分氧化)靠燃料在混合室中的部分燃燒提供。在水蒸汽轉(zhuǎn)化情況下加熱器可包括電弧等離子體管。超聲波噴嘴可用在混合室中，混合室在10-3-10-5秒時(shí)間內(nèi)提供初始反應(yīng)物的有效混合。
現(xiàn)代技術(shù)能制造用于大規(guī)模生產(chǎn)的固定體系和安裝在車輛中的小型設(shè)計(jì)的設(shè)備。由燃料生產(chǎn)富氫氣體的車載體系的應(yīng)用避免使用車載氫氣儲罐。提出的兩種車載設(shè)備的組合使用(使用富氫氣體和汽油混合物的內(nèi)燃機(jī)的應(yīng)用)顯著減少污染物的排放量和提高了發(fā)動機(jī)的效率。在發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)中在沒有任何根本改變的條件下提高了發(fā)動機(jī)性能特征。所提出的設(shè)備的另一應(yīng)用是與燃料電池結(jié)合，生產(chǎn)供車輛電動機(jī)的電力。
DAVID制造的設(shè)備的描述，在所述設(shè)備中已進(jìn)行了本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)。
圖8所示的實(shí)驗(yàn)配置包括工藝方塊(圖1中虛線表示)；反應(yīng)物進(jìn)料體系(燃料、水、空氣)；水進(jìn)料體系；調(diào)制器、MCW發(fā)生器、波導(dǎo)管。
水和燃料在超過各自沸點(diǎn)的溫度下在汽化器1和汽化器2中汽化。在加熱器2的入口處(電弧等離子體管)提供水，而在混合室入口處提供燃料。燃料蒸汽的溫度必需足夠高，以防止在混合室中在進(jìn)料過程中水蒸汽冷凝。
空氣被加熱到超過水的沸點(diǎn)的溫度，而水蒸汽在加熱器2的入口處提供?？諝獾臏囟缺匦枳銐蚋撸员惴乐乖诩訜崞?的入口處混合物中的水蒸汽冷凝。
在加熱器2中，水蒸汽和空氣的混合物加熱到固定的平均質(zhì)量溫度，它取決于所選的區(qū)域(參見表2、3、4和5)，而它們在混合室入口處送入。
工藝方塊的操作區(qū)域(首先是工藝溫度)由加熱器2的功率變化和/或改變初始反應(yīng)物的消耗量來決定。
在混合室處，所有的反應(yīng)物被迅速提供，然后將它們送至等離子體-催化反應(yīng)器。
在反應(yīng)器中，經(jīng)加熱的反應(yīng)物混合物用脈沖定時(shí)微波假電暈放電處理。
工藝產(chǎn)物在換熱器中冷卻。冷凝相(未反應(yīng)的水和燃料，以及在某些情況下還有碳)在旋風(fēng)式換熱器中分離。將制得的合成氣送色譜分析。在點(diǎn)16處，測定氣相產(chǎn)物的消耗。未反應(yīng)的水和燃料的消耗必需在點(diǎn)17處測定。
放電觸發(fā)器和MCW輸入設(shè)備在建筑上為工藝方塊的一部分。
放電觸發(fā)器為一放置在MCW場中反應(yīng)器的尖銳鎢針尖，以便引發(fā)假電暈微波放電。
MCW輸入設(shè)備在反應(yīng)器中產(chǎn)生一電場分布，在尖銳的鎢針尖區(qū)域有最大的強(qiáng)度。
工藝方塊主要參數(shù)的測量點(diǎn)(點(diǎn)4-15)示于圖1。對于反應(yīng)流程圖的基本區(qū)域，工藝方塊參數(shù)(反應(yīng)物消耗量、溫度范圍)的正常數(shù)值列入表1、2、3和4。
1.2 MCW裝置的簡介MCW裝置調(diào)制器產(chǎn)生一組主要用于有MCW輸入設(shè)備的MCW發(fā)生器操作的定時(shí)電壓脈沖。
MCW輻射線的主要參數(shù)為輻射線脈沖持續(xù)時(shí)間-0.1-1mks；脈沖重復(fù)頻率—高達(dá)1千赫；脈沖功率—高達(dá)50千瓦；平均功率—高達(dá)50瓦；輻射線波長-3厘米。
1.3進(jìn)料反應(yīng)物進(jìn)料反應(yīng)物在正常條件下在工藝方塊輸入處(圖1的點(diǎn)1、2和3)送入。在輸入處冷卻水有如下參數(shù)壓力-3大氣壓；溫度-15-25℃。
2.工藝方塊部件分離的工程要求2.1一般要求提出在單一的建筑中配置各工藝方塊部件。最大的應(yīng)用由清潔部件、替換部件、工藝方塊的現(xiàn)代化等的建筑的可能集合-分配構(gòu)成。
圖9表示以下工藝方塊部件的配置圖加熱器2(電弧等離子體管)、混合室、反應(yīng)器、放電觸發(fā)器、MCW輸入設(shè)備和一組用于工藝方塊溫度范圍控制的熱電偶TCi(指數(shù)對應(yīng)于圖中測量點(diǎn))。管直徑為20毫米。
2.2電弧等離子體管—加熱器2等離子體管的功率為300瓦，不考慮等離子體管的效率系數(shù)、損失等。
工作氣體—水蒸汽、水蒸汽和空氣的混合氣。
壓力—超過常壓(靠汽化器1和2中水和燃料的壓力，氣體漂落)。大氣壓通過從換熱器中除去氣體在氣體導(dǎo)管出口處固定。
在等離子體管進(jìn)口處氣體消耗量范圍1(沒有空氣)—水蒸汽40.55-355厘米3/秒范圍2(有空氣)—水蒸汽18.7-40.55厘米3/秒+14-55厘米3/秒(來自空氣)。
在等離子體管出口處氣體的溫度(平均)—高達(dá)3000K。
熱電偶TC4和TC5結(jié)合在等離子體管中。
熱電偶TC9為活動的，在混合器出口處，測量等離子體管出口處的徑向溫度分布。有可能從管段中取出熱電偶。
2.3混合室用電弧等離子體管的操作范圍來設(shè)定混合物(水蒸汽+空氣)的一種組分的參數(shù)。
混合物的第二組分(燃料蒸汽)的參數(shù)消耗量范圍(沒有空氣)O.025-0.22克/秒范圍(有空氣)O.025克/秒混合時(shí)間為10-4秒。
混合后的氣體溫度為500-1560K。
將熱電偶TC6結(jié)合在混合室中。在管中心的熱電偶TC10控制混合以后氣體的溫度。它可能從管段中取出。
2.4有放電觸發(fā)器和MCW輸入設(shè)備的反應(yīng)器在圖2所示的變通方案中，反應(yīng)器底端用帶孔的金屬板MC(用于放電的空間判斷)和真空密封的玻璃窗GW封閉。金屬板MC用于在MCW放電段DZ方向反射MW輻射線。MC和輸入設(shè)備MCW輻射線的軸之間的距離約為5至10厘米。在這一變通方案中，旋風(fēng)式換熱器可與反應(yīng)器的側(cè)壁面接，正如圖2所示。在這種情況下，工藝方塊的排列呈水平的。在放電段的方向上從混合室區(qū)域的MCW輻射線的反射通過減小在混合室出口從20毫米到15毫米處的管截面來得到。
MCW輻射線輸入設(shè)備為截面24×11毫米的矩形波導(dǎo)管。波導(dǎo)管的寬壁沿管取向，長度150毫米。離波導(dǎo)管的接合處70毫米，管子放在由MCW輻射線透明的材料制的封閉室。輸入設(shè)備和放電段的軸間距離為約5至10厘米。
注意為了簡便起見，在圖2中MCW輸入設(shè)備放在出口面中。在這一實(shí)際的體系中，輸入不傾斜90°，取向與出口面垂直。
放電引發(fā)器為一直徑約2毫米的尖銳鎢棒。引發(fā)器在管半徑方向是活動的，可從管段中取出。
熱電偶TC11控制管中的徑向溫度分布。溫度范圍為300-1560K。熱電偶在管徑上是活動的，可從管段中取出。
使放電段DZ至反應(yīng)器入口-混合室出口的距離最小，并由工藝方塊部件的建筑性質(zhì)來決定。
3.工藝方塊的參數(shù)為了決定反應(yīng)物的消耗速率。計(jì)算了實(shí)驗(yàn)研究的特性范圍的正常工藝參數(shù)。這些數(shù)據(jù)用于裝置的方案設(shè)計(jì)。
在裝置中發(fā)生的兩個(gè)主要類型的過程為沒有空氣的水蒸汽轉(zhuǎn)化(1)和用水蒸汽的燃料轉(zhuǎn)化以及由空氣中氧的燃料部分氧化。
3.1沒有空氣的燃料水蒸汽轉(zhuǎn)化過程的工藝方塊參數(shù)在這一情況下，該過程對應(yīng)于以下反應(yīng)；ΔH＝12000千焦/卡＝1.85eV/摩爾(1)初始反應(yīng)物的能量輸入J為在實(shí)驗(yàn)中變化的主要參數(shù)J＝W4/Q，其中W4為熱能，而Q為初始反應(yīng)物的消耗量。能量輸入決定過程的溫度范圍以及轉(zhuǎn)化的平衡值。實(shí)驗(yàn)研究兩個(gè)主要范圍在不變的初始反應(yīng)物消耗Q下改變功率W4(表1)，以及在不變加熱功率W4下改變初始反應(yīng)物消耗量Q(表2)。
3.2空氣作為初始反應(yīng)物之一的燃料水蒸汽轉(zhuǎn)化過程的工藝方塊參數(shù)如果空氣在輸入的反應(yīng)物中存在，那么一部分燃料被氧氣氧化。因此，吸收的能量部分由外供能量補(bǔ)償。體系入口處空氣比例的增加使加熱器2中的加熱功率W4降低。正如在初始范圍中那樣(沒有加氧氣)，兩個(gè)區(qū)域需考慮區(qū)域“e”(100％燃料轉(zhuǎn)化，參見表1.3)和區(qū)域“n”(65％燃料轉(zhuǎn)化，參見表4)。在這兩個(gè)區(qū)域內(nèi)氧氣的加入使區(qū)域內(nèi)加熱器2的功率W4降低，保持溫度和燃料轉(zhuǎn)化率不變(表3.4)。
表1.2的表解Q-反應(yīng)物消耗量，對于液相以克/秒表示，而對于氣相以標(biāo)米3/克表示。
T-溫度功率W4-在加熱器2中被加熱的氣體吸收的功率，不考慮加熱器效率、損失等。
α-在點(diǎn)12處轉(zhuǎn)化平衡程度的估計(jì)值。在這一點(diǎn)，與氫和CO一起，有其數(shù)量對應(yīng)于(1)的未反應(yīng)的水和燃料的蒸汽。作為轉(zhuǎn)化程度的估計(jì)值，給出水和CO濃度的和。
—在點(diǎn)9處表示在給定的段中平均質(zhì)量溫度；實(shí)際上，用移動的熱電偶測量徑向溫度分布。
—在不考慮水分子離解的能量費(fèi)用下給出溫度數(shù)值；真正的溫度約為3000K。
J-在特定區(qū)域初始反應(yīng)物的能量輸入(焓)，它用反應(yīng)物的加熱和汽化最后得出(為了信息)。
對于表2給出的初始反應(yīng)物(燃料和水)的消耗，燃料和水汽化器的功率分別為W3＝5瓦和W2＝80瓦。
規(guī)定的和在表1中所列的區(qū)域的主要特性為平均MCW放電功率(WMCWev＝50瓦)與加熱功率W4(加熱功率可為50-300瓦)的可變比。
表2列出在不變加熱功率W＝300瓦下各區(qū)域的計(jì)算數(shù)據(jù)。WMCWev/W4比恒定，近似等于15％。
當(dāng)輸入反應(yīng)物的消耗量(水和燃料)變化時(shí)，其汽化器的功率(W2和W3)也變化，正如表2所示。
表3和4的表解—轉(zhuǎn)化程度α對應(yīng)于燃料的轉(zhuǎn)化程度。
表1
表2
表3
表4
發(fā)明詳述本發(fā)明的基礎(chǔ)是在常壓下使用超高頻假電暈定時(shí)脈沖定時(shí)放電，它與現(xiàn)有設(shè)備的不同在于低的反應(yīng)物溫度高重非平衡標(biāo)度在等離子體中高能效產(chǎn)生化學(xué)活性粒子高效利用電能本發(fā)明的設(shè)備打算實(shí)施化石燃料的等離子體-催化轉(zhuǎn)化生成富氫的合成氣(氫和一氧化碳的混合物)。
燃料轉(zhuǎn)化涉及的主要過程是水蒸汽轉(zhuǎn)化(參見下面j)水蒸汽-氧轉(zhuǎn)化(k)部分氧化(l)進(jìn)入等離子體-催化反應(yīng)器段以前，將反應(yīng)物預(yù)熱到為反應(yīng)器提供足夠高的轉(zhuǎn)化平衡程度的溫度。通常，這一溫度太低，以致不能在可接受的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行這一過程(動力學(xué)障礙)。預(yù)熱反應(yīng)物的等離子體處理借助化學(xué)活性粒子參與的鏈反應(yīng)過程消除了動力學(xué)限制并達(dá)到反應(yīng)物轉(zhuǎn)化程度的平衡值。
本發(fā)明設(shè)備的主要部分是等離子體-催化反應(yīng)器(圖10)，其中用假電暈定時(shí)脈沖微波放電處理經(jīng)預(yù)熱的反應(yīng)物。
反應(yīng)器為圓形截面的金屬管(圖10中1)，此外它還用于輸送氣體和作為微波輻射線傳播的波導(dǎo)管。微波輻射線通過標(biāo)準(zhǔn)的矩形波導(dǎo)管(2)(H01型波)通過界面小孔(3)進(jìn)入反應(yīng)器。
界面小孔用對微波輻射線是透明的封閉室(8)封閉，以便防止氣體的動力參數(shù)干擾以及使波導(dǎo)管與反應(yīng)器絕緣。矩形波導(dǎo)管的較長的壁沿管軸放置，在圓形波導(dǎo)管中激發(fā)H11波型。在矩形和圓形波導(dǎo)管中的電場E分布在圖2和3中描述。
在圓形波導(dǎo)管除主波型H11外不激發(fā)其他(更高的)波型的條件下選擇反應(yīng)器直徑。下一波型為EO1。滿足這一條件導(dǎo)致對直徑D的以下限制
IO＜IcrH11(D)＝1.705D(a)IO＜IcrE01(D)＝1.308D(b)式中IO在自由空間中微波輻射線的波長Icr相應(yīng)波型在圓形波導(dǎo)管中的臨界波長從上述關(guān)系式得到反應(yīng)器直徑的條件0.59IO＜D＜0.76I。(c)經(jīng)加熱的反應(yīng)物通過反應(yīng)物入口部件(4)從混合方塊(圖10中11)進(jìn)入反應(yīng)器。
混合室為有3個(gè)反應(yīng)物入口體系的設(shè)備。第一入口體系(10)安裝在體系軸上。經(jīng)加熱的水蒸汽(過程j)或經(jīng)加熱的水蒸汽-空氣混合物(K)或經(jīng)加熱的空氣(l)在不同的過程變通方案和轉(zhuǎn)化中通過它送入混合室。第二和第三反應(yīng)物入口(9和10)為中心超聲波噴嘴體系。在該設(shè)備中這些體系的使用導(dǎo)致反應(yīng)物在分子水平上的混合時(shí)間為10-3-10-4秒。在水蒸汽-氧轉(zhuǎn)化(K)和部分氧化(1)變通方案中，燃料的氧化出現(xiàn)在第二和第三反應(yīng)物入口體系之間。在這一氧化過程中生成的能量使反應(yīng)物進(jìn)一步加熱。
反應(yīng)物入口體系(4)為沿達(dá)到混合室方向縮小的管子的一部分。它必須足夠地狹小，以致反應(yīng)物入口部件超出波H11的限制。即微波輻射線反射出這一部件到界面小孔(3)。這一條件產(chǎn)生反應(yīng)物元件的特征橫向尺寸與直徑d之間的以下關(guān)系Io＞IcrH11(d)＝1.705d(d)工藝產(chǎn)物通過活塞孔(5)排出反應(yīng)器。這一活塞用來將微波輻射線反射到界面小孔(3)。
工藝產(chǎn)物從反應(yīng)器排出的另一供選擇的機(jī)構(gòu)可為類似反應(yīng)物入口(4)的管段，但它在相反方向是狹窄的。在這兩種情況下，反應(yīng)器的長度(圖10中L)必需為波導(dǎo)管中微波輻射線的半波長Iwg/2的整數(shù)倍
L＝nIwg/2＝nIO/(1-(Io/IcrH11(D))2)1/2/2(e)電暈部件—一個(gè)放入波導(dǎo)管中的非熔融材料制成的尖銳的金屬棒(6)引發(fā)放電。棒的這一點(diǎn)使它周圍的微波電場E提高，從而產(chǎn)生假電暈效應(yīng)放電。該棒在波導(dǎo)管中沿場E的電力線排列(圖12)。棒點(diǎn)的位置(圖12中H)大致相當(dāng)于波導(dǎo)管半徑的一半。在縱向意義上(圖10中L2)，棒放在放電沒有最高值的共振器中靜止波場的點(diǎn)L2＝IWH(n/2+1/4)＝(n/2+1/4)IO/(1-(IO/IcrH11(D))2)1/2/2(f)假電暈放電階段的光束在微波場中轉(zhuǎn)移到等離子體光束體系中，并作為微波光束移動，填滿管截面并產(chǎn)生微波脈沖放電段(圖10中7)。假電暈放電階段的目的是在常壓下產(chǎn)生有高平均電能的等離子體。
微波光束階段的目的是產(chǎn)生在反應(yīng)物等離子體-催化處理空間中擴(kuò)展的等離子體。
矩形波導(dǎo)管(圖10中2)和反應(yīng)器(11)的配合通過選擇長度1和L1(圖10)之間的比來達(dá)到。實(shí)際上，所有的微波輻射線在放電區(qū)(7)被吸收，以致波導(dǎo)管至輻射線輸入小孔(3)右邊的部分在放電存在下的移動波區(qū)域操作。在這種情況下，大約波導(dǎo)管中半波長整數(shù)倍的距離L1為L1＝nIwg/2＝Io/(1-(Io/IcrH11(D))2)1/2/2(g)微波輻射線源在定時(shí)脈沖區(qū)域中操作。輻射線脈沖持續(xù)時(shí)間t1規(guī)定為在給定的條件下發(fā)生的兩放電階段(假電暈效應(yīng)和微波光束階段)所需的時(shí)間。
脈沖重復(fù)周期t2由以下數(shù)量的最佳關(guān)系得到在超高頻輻射線脈沖停止以后在被動放電階段中等離子體產(chǎn)生的活性粒子的壽命；反應(yīng)物通過放電區(qū)域的直線速度；放電供能J等離子體＝W/Q (h)式中，W＝W脈沖·t1/t2W為微波輻射線的平均功率，W脈沖為脈沖功率，而Q為反應(yīng)物消耗量。
微波輻射線脈沖功率W脈沖(h)(i)決定等離子體的能量輸入，J等離子體。此外，脈沖功率取決于在沒有等離子體的情況下圓形波導(dǎo)管中電場強(qiáng)度，它必需低于破壞放電，而同時(shí)又是足夠高，以便在電暈部件中引發(fā)假電暈放電階段。
提供的熱能(為預(yù)熱反應(yīng)物提供的能量)J必需足夠使反應(yīng)物加熱到所需的溫度以及補(bǔ)償體系吸熱過程產(chǎn)生的能量消耗，它產(chǎn)生在給定溫度下的反應(yīng)物轉(zhuǎn)化平衡。
可用以下方法進(jìn)行反應(yīng)物的預(yù)熱·與電源獨(dú)立的加熱器(例如電弧等離子體管)；·在燃燒室中部分燃料的燃燒；·在涉及氧(空氣)的轉(zhuǎn)化過程中部分燃料被氧氧化；·在設(shè)備出口處的熱回收上述方法的組合也是可能的。
等離子體供能與供熱的比J等離子體/J熱為約1-10％。
下面給出轉(zhuǎn)化過程的特征溫度及其相應(yīng)的反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率。
有35％轉(zhuǎn)化率的燃料水蒸汽轉(zhuǎn)化過程(j)有以下的特征溫度水蒸汽加熱溫度1450K，混合后水蒸汽-燃料蒸汽混合物的溫度890K，過程以后產(chǎn)物的溫度620K。
有65％轉(zhuǎn)化率的燃料水蒸汽轉(zhuǎn)化過程(j)有以下的特征溫度水蒸汽加熱溫度2180K，混合后水蒸汽-燃料蒸汽混合物的溫度1150K，過程以后產(chǎn)物的溫度665K。
有99％轉(zhuǎn)化率的燃料水蒸汽轉(zhuǎn)化過程(j)有以下特征溫度水蒸汽加熱3750K(不考慮水分子離解過程)，混合后水蒸汽-燃料蒸汽混合物的溫度1560K，過程以后產(chǎn)物的溫度800K。
有65％轉(zhuǎn)化率的燃料水蒸汽-氧轉(zhuǎn)化過程(K)(水-空氣摩爾比2.5)有以下特征溫度蒸汽-空氣混合物加熱溫度1390K，混合反應(yīng)物的溫度890K，過程以后產(chǎn)物的溫度650K。
有100％轉(zhuǎn)化率的燃料部分氧化過程(1)(燃料-空氣摩爾比1∶3.46)有以下特征溫度蒸汽-空氣混合物的加熱溫度1110K，混合以后反應(yīng)物的溫度896K，過程以后產(chǎn)物的溫度1611K。
3.本過程的實(shí)施和特征所提出的設(shè)備可進(jìn)行用水蒸汽、水蒸汽-氧和燃料蒸汽的化石燃料轉(zhuǎn)化過程生成富氫氣體，以及促進(jìn)的燃料部分氧化過程。
3.1用以下反應(yīng)描述燃料的水蒸汽轉(zhuǎn)化過程(j)以及圖13中圖示在該設(shè)備中的實(shí)施。
將水蒸汽送入加熱器，然后進(jìn)入混合室的第一入口，而將燃料送入混合室的第二和第三入口。視所選的范圍而定，在第二和第三混合室入口處的燃料比可為0-1，而總的水蒸汽/燃料摩爾比可在6至14之間變化。
正如圖14所示，使用反應(yīng)器出口的熱量的回收換熱器可用作加熱器，電弧等離子體管串聯(lián)。在加熱器出口處，燃料水蒸汽轉(zhuǎn)化過程所需的水蒸汽的溫度為1400-3000K，而反應(yīng)器入口處的反應(yīng)物溫度為900-1500K。
等離子體催化水蒸汽轉(zhuǎn)化過程的總能量平衡包括反應(yīng)物汽化(J蒸汽)、反應(yīng)物加熱和化學(xué)過程消耗的能量。在反應(yīng)器出口處的產(chǎn)物組成(反應(yīng)物轉(zhuǎn)化程度“a”)和產(chǎn)物(富氫氣體)消耗的能量“A”首先取決于提供的能量J總＝J等離子體+J熱+J蒸汽。下表表示這一關(guān)系(提供能J總表示為液體反應(yīng)物的能量和重量比)
3.2在水蒸汽-氧(水蒸汽-空氣)轉(zhuǎn)化過程中，對于給定數(shù)量的燃料(x)和氧氣(y)正如圖15所示，將水蒸汽送入加熱器與空氣混合，而將燃料送入入口2和3，其比例為0.5-2。加熱器出口處的溫度為500-600K，在反應(yīng)器入口處為800-1500K。水蒸汽/空氣和水蒸汽/燃料摩爾比分別為0.3-2和3-7。
反應(yīng)物生成富氫合成氣體的轉(zhuǎn)化率取決于提供給體系的能量J總(看3.1)以及取決于空氣與燃料的摩爾比“g”。下表列出主要的數(shù)量特性g，％J總，千焦/公斤a，％25 7300 10025 3400 6542 4500 10042 1500 6964 1500 10064 850953.3在燃料部分氧化過程中，(l)正如圖16所示，將空氣送入加熱器，而將燃料送入混合室的第二和第三入口，其比例為0.5-2，在反應(yīng)器入口處空氣/燃料摩爾比“g”為8-12。
在加熱器出口處進(jìn)料燃料部分氧化所需的溫度為500-600K，而在反應(yīng)器入口處的溫度為900-1100K。
為了確定過程的工作溫度，必須提供1000-1500千焦/公斤的能量J總(見3.1)，使用這一能量，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率達(dá)100％。
圖10-16中的符號圖10設(shè)備的結(jié)構(gòu)1-圓形波導(dǎo)管，化學(xué)反應(yīng)器；2-矩形波導(dǎo)管；3-界面小孔；4-反應(yīng)器反應(yīng)物入口部件；5-反應(yīng)器產(chǎn)物出口，波導(dǎo)管活塞；6-引發(fā)器棒；7-等離子體催化放電段；8-第一混合室入口；9-第二混合室入口的截面；10-第三混合室入口的截面；11-反應(yīng)物混合室。
圖11圓形和矩形波導(dǎo)管電場分布的配合1-矩形波導(dǎo)管；2-圓形波導(dǎo)管；E-微波電場矢量。
圖12電暈引發(fā)器棒到波導(dǎo)管的入口1-圓形波導(dǎo)管；2-剛性金屬的尖銳棒；3-在棒和放電波導(dǎo)管處的電力線。下面為微波電場波輻的分布。
圖13 燃料水蒸汽轉(zhuǎn)化過程流程圖1，2，3-反應(yīng)物到混合室的第一、第二和第三入口。
圖14在燃料水蒸汽轉(zhuǎn)化過程中水蒸汽預(yù)熱流程15燃料水蒸汽-空氣轉(zhuǎn)化過程的流程圖1，2，3-反應(yīng)物到混合室的第一、第二和第三入口。
圖16燃料部分氧化過程的流程圖1，2，3-反應(yīng)物到混合室的第一、第二和第三入口。
圖17設(shè)備圖1-圓形波導(dǎo)管、等離子體化學(xué)反應(yīng)器，2-微波輻射線進(jìn)入反應(yīng)器的矩形波導(dǎo)管，3-界面小孔，4-反應(yīng)物到反應(yīng)器的入口部件，5-反應(yīng)器產(chǎn)物、波導(dǎo)管接頭的出口，6-引發(fā)器棒，7-等離子體催化放電段，8-第一混合室入口，9-第三混合室入口的截面，11-反應(yīng)物混合室。
按照條約第19條的修改1.化石燃料生成富氫氣體的等離子體轉(zhuǎn)化器，所述的轉(zhuǎn)化器包括加熱器、混合室、反應(yīng)器，它們串聯(lián)連接，以及包括用于反應(yīng)器的MCW能源，它產(chǎn)生脈沖持續(xù)時(shí)間為0.1-1微秒的脈沖，在微波的厘米或分米范圍內(nèi)(X，S波段)脈沖周期與脈沖持續(xù)時(shí)間比為100-1000，在常壓下在反應(yīng)器中使用假電暈脈沖定時(shí)MCW放電，它由一組插入MCW共振器的金屬針尖引發(fā)，其中共振器的長度大約為MCW輻射線波長的數(shù)倍，金屬針尖在共振器中在最大電場區(qū)域排列，混合室裝有連接到加熱器的入口以及在混合室的不同區(qū)域供應(yīng)反應(yīng)物的第二和第三入口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中為了進(jìn)行燃料的水蒸汽轉(zhuǎn)化過程，將水蒸汽送入加熱器，將燃料送入第二和第三混合室入口，Q1/Q2比為0-1。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的設(shè)備，其中加熱器構(gòu)成回收生成的富氫氣體的熱量以及具有與換熱器串聯(lián)的電弧等離子體管的換熱器。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的設(shè)備，其中所選的水蒸汽與燃料的摩爾比為6-14。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的設(shè)備，其中加熱器出口處水蒸汽的溫度約為1400-3000K，而反應(yīng)器中反應(yīng)物的溫度為900-1500K。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中為了進(jìn)行燃料的水蒸汽-空氣轉(zhuǎn)化過程，將與空氣混合的水蒸汽送入混合室，而燃料送入第二和第三混合室入口，Q2/Q3比為0.5-2。
7.根據(jù)權(quán)利要求2的設(shè)備，其中加熱器出口反應(yīng)物的溫度約為500-600K，而在反應(yīng)器入口處為800-1500K。
8.根據(jù)權(quán)利要求2的設(shè)備，其中在反應(yīng)器入口處水蒸汽/空氣和水蒸汽/燃料摩爾比分別為0.3-2和3-7。
9.根據(jù)權(quán)利要求2的設(shè)備，其中為了進(jìn)行燃料的部分氧化，將空氣在混合室的第一入口處送入，而燃料在混合室的第二和第三入口送入，Q2/Q3比為0.5-2。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的設(shè)備，其中在加熱器出口處反應(yīng)物的溫度為500-600K，而在反應(yīng)器入口處為800-1500K。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的設(shè)備，其中在反應(yīng)器入口處空氣/燃料摩爾比為8-12。
12.根據(jù)權(quán)利要求6和9的設(shè)備，其中加熱器構(gòu)成有熱回收的換熱器，它利用反應(yīng)器中生成的富氫氣體的熱量。
13.根據(jù)權(quán)利要求2的設(shè)備，其中根據(jù)關(guān)系式W/Q＝0.2-0.4千瓦·小時(shí)/米3選擇反應(yīng)物總流速Q(mào)和MCW平均比功率。
14.根據(jù)權(quán)利要求6和9的設(shè)備，其中根據(jù)關(guān)系式W/Q＝0.05-0.15千瓦·小時(shí)/米3選擇反應(yīng)物的總流速Q(mào)和W的平均值。
權(quán)利要求
1.化石燃料生產(chǎn)富氫氣體的等離子體轉(zhuǎn)化器，所述的轉(zhuǎn)化器包括加熱器、混合室、反應(yīng)器，它們串聯(lián)連接，以及包括用于反應(yīng)器的微波能源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中反應(yīng)器在常壓下使用假電暈效應(yīng)定時(shí)脈沖微波。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的設(shè)備，其中用一組插入微波共振器中的金屬尖引發(fā)假電暈效應(yīng)微波放電。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的設(shè)備，其中共振器的長度大致為微波輻射線的波長的數(shù)倍，而金屬尖在共振器中分布在最大電場區(qū)域內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求5的設(shè)備，其中微波能源產(chǎn)生這樣一組脈沖，脈沖持續(xù)時(shí)間為0.1-1微秒，在微波輻射線的厘米或分米范圍內(nèi)(X、S波段)脈沖周期與脈沖持續(xù)時(shí)間比為100-1000。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中混合室裝有連接到加熱器的入口以及在混合室不同區(qū)域內(nèi)用于反應(yīng)物進(jìn)料的第二和第三入口。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中為了進(jìn)行燃料的水蒸汽轉(zhuǎn)化過程，將水蒸汽送入加熱器，而將燃料送入第二和第三混合室入口，Q1/Q2比為0-1。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的設(shè)備，其中加熱器構(gòu)成具有回收生成的富氫氣體熱量以及具有與換熱器串聯(lián)電弧等離子管的的換熱器。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的設(shè)備，其中所選的水蒸汽與燃料摩爾比為6-14。
10.根據(jù)權(quán)利要求7的設(shè)備，其中加熱器出口處水蒸汽的溫度約為1400-3000K，而在反應(yīng)器中反應(yīng)物的溫度為900-1500K。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中為了進(jìn)行燃料的水蒸汽-空氣轉(zhuǎn)化過程，將與空氣混合的水蒸汽送入混合室，而燃料送入混合室的第二和第三入口，Q2/Q3比為0.5-2。
12.根據(jù)權(quán)利要求7的設(shè)備，其中在加熱器出口處反應(yīng)物的溫度為約500-600K，而在反應(yīng)器入口處為800-1500K。
13.根據(jù)權(quán)利要求7的設(shè)備，其中選擇的反應(yīng)器入口處水蒸汽/空氣和水蒸汽/燃料摩爾比分別為0.3-2和3-7。
14.根據(jù)權(quán)利要求7的設(shè)備，其中為了進(jìn)行燃料的部分氧化，將空氣在混合室的第一入口送入，而燃料在混合室的第二和第三入口送入，Q2/Q3比為0.5-2。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的設(shè)備，其中在加熱器出口處反應(yīng)物的溫度為500-600K，而在反應(yīng)器入口處為800-1500K。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的設(shè)備，其中反應(yīng)器入口處空氣/燃料摩爾比為8-12。
17.根據(jù)權(quán)利要求11和14的設(shè)備，其中加熱器構(gòu)成有熱回收的換熱器，它利用反應(yīng)器中生產(chǎn)的富氫氣體的熱量。
18.根據(jù)權(quán)利要求7的設(shè)備，其中根據(jù)關(guān)系式W/Q＝0.2-0.4千瓦·小時(shí)/米3選擇反應(yīng)物總流速Q(mào)和MCW平均比功率。
19.根據(jù)權(quán)利要求11和14的設(shè)備，其中根據(jù)關(guān)系式W/Q＝0.05-0.15千瓦·小時(shí)/米3選擇反應(yīng)物的總流速Q(mào)和W的平均值。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種由化石燃料生產(chǎn)富氫氣體的設(shè)備。所述設(shè)備包括加熱器、混合室和串聯(lián)的MCW等離子體反應(yīng)器,以及MCW能源。在反應(yīng)器中進(jìn)行常壓下假電暈定時(shí)脈沖放電并引發(fā)低溫等離子體催化的燃料轉(zhuǎn)化過程。所述設(shè)備能進(jìn)行化石燃料的水蒸汽轉(zhuǎn)化、水蒸汽－空氣轉(zhuǎn)化和部分氧化,以便以高比生產(chǎn)率(體積比)和低電能消耗制得富氫氣體。反應(yīng)物的預(yù)熱提供了熱力學(xué)所需的主要數(shù)量能量。在等離子體反應(yīng)器出口處回收一部分熱量。所述設(shè)備可足夠緊湊地安裝在運(yùn)輸車輛的內(nèi)燃機(jī)中。該設(shè)備也可用于生產(chǎn)富氫氣體的固定體系(發(fā)電站等)。與本發(fā)明有關(guān)的其他方面是微波等離子體設(shè)備(等離子體反應(yīng)器)和馬達(dá)車輛的建設(shè)。本發(fā)明涉及通過微波產(chǎn)生的等離子體以及加入氧(或空氣)和可能加入水使化石燃料生成富氫氣體(合成氣)的轉(zhuǎn)化過程。
文檔編號H05H1/24GK1372528SQ00812346
公開日2002年10月2日 申請日期2000年2月9日 優(yōu)先權(quán)日1999年7月29日
發(fā)明者R·布拉啻維佐索 申請人:戴維系統(tǒng)技術(shù)公司