| WO2011159392A1 | 2011-12-22 |
| RU2478688C2 | 2013-04-10 | |||
| RU2412758C1 | 2011-02-27 | |||
| GB349471A | 1931-05-26 | |||
| SU880971A1 | 1981-11-15 | |||
| RU2269486C2 | 2006-02-10 | |||
| US4906603A | 1990-03-06 | |||
| EP1586535A2 | 2005-10-19 | |||
| GB2111602A | 1983-07-06 |
САМЦОВ, Валерий Павлович (BY)
| Формула изобретения 1. Способ получения топлива и тепловой энергии на его основе, включающий запуск и осуществление процесса в штатном режиме путем раздельной подачи углеводородного компонента и воды в технологическое устройство, розжиг огневого факела, нагревание воды до образования водя- ного пара, ввод углеводородного компонента зону реакции и перемешивание его с водяным паром, разогрев пароуглеводородной смеси до температуры образования водородосодержащего топлива и последующее его сжигание, отличающийся тем, что воду, перед подачей в зону реакции, переводят в капельно-дисперсное состояние путем распыления, а процесс получения топлива ведут в автокаталитическом режиме в присутствии комплексного ка- тализатора, в качестве которого используют комбинацию плазмы пламени от сжигания водородосодержащего топлива и металл - переносчик кислорода в форме оксида, который размещают в объеме зоны реакции технологического устройства и обеспечивают химическую ионизацию пламени в зоне реакции с образованием радикалов С2, СН, ОН и общей концентрацией заряженных частиц порядка 10 10-101"2 см" 3 с получением положительного объемного заряда в области фронта пламени и отрицательного заряда в области ввода углево- дородного компонента и воды в капельно-дисперсном состоянии с соотно- шением концентрации заряженных частиц в этих областях как 1000: 1 и в условиях амбиполярной диффузии заряженных частиц в зоне реакции под- держивают разность потенциалов в интервале 2 - 5В между фронтом пламе- ни и стенками технологического устройства и генерируют дополнительное количество тепловой энергии, при этом химическую реакцию взаимодей- ствия углеводородного компонента и водяного пара проводят в интервале температур 800 - 1000°С при атмосферном давлении со смещением химиче- ского равновесия существенно в сторону образования продуктов реакции с повышенным суммарным тепловыделением, концентрацию углеводородного компонента поддерживают в интервале 1 ,46 - 1,62%, остаточное количество не прореагировавшего углеводородного компонента в продуктах реакции снижают до 0,25 - 0,40%, причем в качестве оксида металла - переносчика кислорода используют оксиды из ряда А1203, или Т 2, или ТЮ2, или W03, или β-NiO, а в пароуглеводородной смеси задают избыток водяного пара от- носительно его стехиометрического количества в интервале 80: 1 - 95:1. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что разность потенциалов в зоне реакции между фронтом пламени и стенками технологического устрой- ства в условиях амбиполярной диффузии создают путем поддержания лами- нарного режима процесса горения и, в зависимости от вида используемых оксидов металлов - переносчиков кислорода, формируют плазменный факел длиной 4 - 10 см, при этом течение химической реакции обмена соответству- ет уравнению: МхОу + С -> СО + МхОу_ (1). 3. Способ по любому из п. п.1 и 2, отличающийся тем, что уравне- ние химической реакции образования водородосодержащего топлива в об- щем виде соответств ет уравнению: 2СтЯп + (т + + 3.76N2) 4- тН20 = тС02 + тСО + (т + 0.5п)Я2 + ( /2) 20 + (т + 74)3.76N2 + Q, (2) где - т, п - число атомов углерода и водорода в молекуле, Q - тепловой эф- фект реакции, или теплота сгорания. а состав водородосодержащего топлива в общем случае, удовлетворяет соот- ношению: Σ стнп = 2т+2 + Σ стнп = 2т + н2 + со + со2 + н2о + H2S + О2 + N2 = ЮО%, (3) где СтНп = 2т+2 - предельные углеводороды, СтНп = 2т - непредельные углеводороды. 4. Способ по любому из п.п.1 - 3, отличающийся тем, что величи- ну выделяемой тепловой энергии при сжигании водородосодержащего топ- лива определяют из уравнения: 2СтНп + (т + п/4)02 = тС02 + (п/2)Н20 + Q, (4) где Q ~ 802,61 кДж/моль, причем дополнительное количество тепловой энергии генерируют за счет диссипации энергии электрических токов в плазменном факеле ионизиро- ванной плазмы, циркулирующих между фронтом пламени и стенками техно- логического устройства в зоне реакции. 5. Способ по любому из п.п.1 - 4, отличающийся тем, что распы- ление воды и перевод ее в капельно - дисперсное состояние производят лю- бым известным методом, например, впрыском, инжекцией и т.д. |
И ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ НА ЕГО ОСНОВЕ
Изобретение относится к области энергосбережения, в частности к технологиям получения горючего газа и тепловой энергии и может быть ис- пользовано в различных отраслях промышленности, сельском хозяйстве, на транспорте и т.д.
Известен способ получения водорода или других газов и тепловой энергии путем контакта воды и/или водяного пара с отходами сталелитейно- го производства в присутствии восстанавливающего агента [1]. Способ включает распыление воды в расплавленный шлак с температурой более 1250°С. Воду подают по водопроводной трубе с распылительной форсункой, а стадия контактирования включает введение восстанавливающего агента вместе с водой и/или паром в расплавленный шлак. Расплавленный шлак представляет собой один из, или смесь таковых, доменного шлака, шлака от десульфуризации при производстве стали, конвертерного шлака при произ- водстве стали, шлака от феррохромного или ферромарганцевого производ- ства в электродуговой печи под флюсом (SAF). Способ предусматривает по- дачу в реактор расплавленных шлаковых отходов и контакт их с водой и/или паром в присутствии углеродсодержащего материала с образованием потока водорода и других газов и последующее выведение потока газов из реактора.
Недостатком способа является узкая область применения, ограничен- ная сталелитейными производствами и, как следствие, не возможность ши- рокого использования в различных сферах хозяйственной деятельности.
Известен также способ получения водорода с использованием парово- го риформинга с частичным окислением [2]. Водород получают в зоне ри- форминга углеводородсодержащего сырья, воздуха и пара в присутствии свободного кислорода в молярном отношении к углероду в сырье в соотно- шении приблизительно от 0,4: 1 до 0,6: 1 и присутствии пара в молярном от- ношении к углероду в сырье в количестве не менее приблизительно 4: 1. Вы- ходной поток, содержащий водород, угарный газ и углекислый газ, охлажда- ют косвенным теплообменом в потоке, содержащим жидкую воду, с получе- нием содержащего пар потока с температурой не менее приблизительно 300°С, который возвращают в зону риформинга. После охлаждения выходно- го потока возможно его дальнейшее охлаждение до параметров, пригодных для адсорбции при переменном давлении, причем это охлаждение достаточно для конденсации воды. Часть потока очищенного водорода выводят в каче- стве водородного продукта. Газ сорбционной продувки сжигают.
Предложен способ комбинированного производства электроэнергии и получения обогащенного водородом газа паровым риформингом углеводо- родной фракции [3]. Способ включает паровой риформинг углеводородного сырья в реакторе с получением синтез-газа. Подвод тепла для реакции паро- вого риформинга осуществляют посредством сжигания водорода, разбавлен- ного частью отходящих газов от сгорания углеводородного сырья. Сжигание осуществляют внутри реактора-теплообменника, воздух, необходимый для сжигания подают под давлением в интервале от 0,4 до 4 МПа. Отходящий газ, образующийся при сжигании углеводородного сырья, представляет со- бой часть в виде потока, возвращаемого на вход реактора-теплообменника для разбавления водорода и ограничения содержания кислорода в реакторе- теплообменнике до значения менее 10 мол.%. Другую часть отходящего газа сгорания подают в камеру дожигания, а поток, образующийся при сжигании водорода в камере дожигания, направляют в турбину, которая вырабатывает энергию частично для привода воздушного компрессора, а также привода ге- нератор переменного электрического тока. Способ позволяет также улавли- вать С0 2 путем промывкой дымовых газов и использовать топливо (водо- род), при сгорании которого не образуется углекислый газ.
Недостатком известных способов получения водорода является значи- тельный расход углеводородсодержащего сырья, а также не эффективное ис- пользование тепловой энергии, выделяющейся в процессе риформинга. Известен способ получения водорода из природного газа [4]. Содер- жащиеся в газе углеводороды разлагаются в риформинг-печи посредством водяного пара каталитическим путем на водород, оксид углерода и диоксид углерода. На последующей конверсионной ступени с помощью водяного па- ра осуществляют каталитическую конверсию образовавшегося оксида угле- рода в диоксид углерода и водород. Диоксид углерода удаляют посредством скруббера из подвергнутого конверсии газового потока, и промытый, бога- тый водородом газовый поток разделяют затем в адсорбционной установке на состоящий из водорода поток газового продукта и поток отходящего газа. Поток отходящего газа вместе с водородом, отводимым от газового потока за скруббером, подают в риформинг-печь и сжигают там.
Недостатком способа является не эффективное использование водо- родсодержащего компонента - воды в форме водяного пара, и, как следствие, значительный расход ценного углеродсодержащего сырья - природного газа.
В качестве прототипа выбран способ получения водородосодержаще- го газообразного топлива с замкнутым циклом [5]. Способ включает запуск процесса в режиме принудительного разогрева и осуществление в штатном режиме саморазогрева углеводородного компонента и воды. При этом произ- водят ввод нагнетанием под давлением углеводородного компонента и воды, нагревание, возврат топлива в зону поджига для образования огневого факе- ла. Процесс получения топлива осуществляют многостадийно с раздельным вводом углеводородного компонента и воды в разогреваемый огневым факе- лом технологический цилиндр. Указанное технологическое средство разде- лено на изолированные ступени по числу стадий процесса получения топли- ва. На первой стадии вводят воду, нагревают ее до образования водяного па- ра, на последующих стадиях вводят углеводородный компонент и перемеши- вают его с водяным паром. Затем пароуг лево дородную смесь дополнительно нагревают и разогревают до температуры образования водородосодержащего газообразного топлива, поток которого направляют на возврат в зону поджи- га для обеспечения горения огневого факела. В штатном режиме саморазо- грева процессы образования водородосодержащего газообразного топлива осуществляют с нагревом в три стадии. На первой стадии вводят воду нагне- танием под давлением 0,3-0,5 МПа и нагревают ее до образования водяного пара с температурой 500-550°С. На второй стадии вводят углеводородный компонент нагнетанием его в смеситель под давлением 0,3-0,5 МПа и пере- мешивают инжектированием с водяным паром под давлением 0,06-0,25 МПа. Соотношение воды к углеводородному компоненту составляет от 10,5: 1 до 8:1, а смесь нагревают до температуры в интервале 1000- 1 100°С. На третьей стадии смесь разогревают до температуры 1300-2000°С с получением газооб- разного топлива.
В штатном режиме саморазогрева поджиг осуществляют запальным импульсным устройством с внешним источником - генератором искрообра- зования, работающим с частотой 1 -2 Гц. Поток газообразного топлива раз- деляют на возврат в зону поджига для образования огневого факела и на хра- нение или/и внешнее потребление. Процесс образования и поддержания ог- невого факела осуществляют с турбонаддувом.
Недостатком прототипа является его многостадийность, не эффектив- ное использование тепловой энергии, высокое потребление углеводородного сырья и значительные выбросы в атмосферу продуктов сгорания углеводо- родного компонента.
Задачей изобретения является устранение отмеченных недостатков, снижение количества вредных выбросов и повышение энергоэффективности.
Поставленная задача решена тем, что в способе получение топлива и тепловой энергии на его основе, включающем запуск и осуществление про- цесса в штатном режиме путем раздельной подачи углеводородного компо- нента и воды в технологическое устройство, розжиг огневого факела, нагре- вание воды до образования водяного пара, ввод углеводородного компонента зону реакции и перемешивание его с водяным паром, разогрев пароуглеводо- родной смеси до температуры образования водородосодержащего топлива и последующее его сжигание, согласно изобретению, воду, перед подачей в зону реакции, переводят в капельно-дисперсное состояние путем распыле- ния, а процесс получения топлива ведут в автокаталитическом режиме в при- сутствии комплексного катализатора, в качестве которого используют ком- бинацию плазмы пламени от сжигания водородосодержащего топлива и ме- талл - переносчик кислорода в форме оксида, который размещают в зоне ре- акции технологического устройства и обеспечивают химическую ионизацию пламени в зоне реакции с образованием радикалов С 2 , СН, ОН и общей кон- центрацией заряженных частиц порядка 10 10 -101 см " 3 с получением положи- тельного объемного заряда в области фронта пламени и отрицательного за- ряда в области ввода углеводородного компонента и воды в капельно- дисперсном состоянии с соотношением концентрации зарядов в этих обла- стях как 1000: 1 и в условиях амбиполярной диффузии заряженных частиц в зоне реакции поддерживают разность потенциалов в интервале 2 - 5В между фронтом пламени и стенками технологического устройства и генерируют до- полнительное количество тепловой энергии, при этом химическую реакцию взаимодействия углеводородного компонента и водяного пара проводят в ин- тервале температур 800 - 1000°С при атмосферном давлении со смещением химического равновесия существенно в сторону образования продуктов ре- акции с повышенным суммарным тепловыделением, концентрацию углево- дородного компонента поддерживают в интервале 1 ,46 - 1,62%, остаточное количество не прореагировавшего углеводородного компонента в продуктах реакции снижают до 0,25 - 0,40%, причем в качестве оксида металла - пере- носчика кислорода используют оксиды из ряда А1 2 0 3 , или ТЮ 2 , или ТЮ 2 , или W0 3 , или β-NiO, а в пароуглеводородной смеси задают избыток водяно- го пара относительно его стехиометрического количества в интервале 80: 1 - 95:1.
Разность потенциалов в зоне реакции между фронтом пламени и стен- ками технологического устройства в условиях амбиполярной диффузии со- здают путем поддержания ламинарного режима процесса горения и, в зави- симости от вида используемых оксидов металлов - переносчиков кислорода, формируют плазменный факел длиной 4 - 10 см, при этом течение химиче- ской реакции обмена соответствует уравнению:
М х О у + С -» СО + М х О у _ (1).
Уравнение химической реакции образования водородосодержащего топлива в общем виде соответствует уравнению:
2С т Н п + (т + п / 4 )(0 2 + 3.76N 2 ) -I- тН 2 0 = тС0 2 + тСО + т +
0.5п)Н 2 + ( n / 2 )H 2 0 + (m + / 4 )3.76N 2 + Q, (2) где - m, п - число атомов углерода и водорода в молекуле, Q - тепловой эф- фект реакции, или теплота сгорания. а состав водородосодержащего топлива в общем случае, удовлетворяет соот- ношению:
Σ с т н п = 2т+2 + Σ с т н п = 2т + н 2 + со + со 2 + н 2 о + H 2 S + О 2 + N 2 = ЮО%, (З) где С т Н п = 2т+2 - предельные углеводороды, С т Н п = 2т - непредельные углеводороды.
Величину выделяемой тепловой энергии при сжигании водородосо- держащего топлива определяют из уравнения:
2С т Н п + (т + п / 4 )0 2 = тС0 2 + ( п / 2 )Н 2 0 + Q, (4) где Q ~ 802,61 кДж/моль,
причем дополнительное количество тепловой энергии генерируют за счет диссипации энергии электрических токов в плазменном факеле ионизиро- ванной плазмы, циркулирующих между фронтом пламени и стенками техно- логического устройства в зоне реакции.
Распыление воды и перевод ее в капельно-дисперсное состояние про- изводят любым известным методом, например, впрыском, инжекцией и т.д.
Сущность способа поясняется чертежами на фиг.1 - 4.
На фиг.1 приведена принципиальных схем технологического процес- са.
На фиг. 2 - схема подачи компонентов в зону реакции. На фиг. 3 - фрагмент принципиальной схемы технологического устройства.
На фиг. 4 - диаграмма, иллюстрирующая количество получаемой теп- ловой энергии.
Технологическое устройство 1 содержит цилиндрический корпус 2 с входным каналом 3 подачи воздуха через регулирующую диафрагму 4, си- стему 5 подачи воды связанную с резервуаром 6 для воды и теплообменни- ком 7, систему 8 подачи углеводородного компонента, связанную с баллоном 9 для его хранения, конфорку 10 для розжига огневого факела 1 1, реактор 12 с катализатором в виде оксида металла 13 в объеме 14 зоны реакции 15 реак- тора 12, канал 16 подачи углеводородного компонента в подготовительную часть 17 зоны реакции 15, распылительную форсунку 18 для подачи воды в капельно - дисперсном состоянии в подготовительную часть 17 зоны реак- ции 15, стабилизатор 19 пламени плазмы 20 на выходном канале 21 для отво- да тепловой энергии из корпуса 2 технологического устройства 1 и заземли- тель 22.
Способ реализуют следующим образом.
Запускают технологический процесс, для чего в конфорку 10 техноло- гического устройства 1 подают углеводородный компонент, а по входному каналу 3 через регулирующую диафрагму 4 обеспечивают в режиме подсоса подачу воздуха (или кислорода) и зажигают огневой факела 11. Разогревают до рабочей температуры реактор 12 с катализатором - металлом - переносчи- ком кислорода в форме оксида 13, который размещают в объеме 14 зоны ре- акции 15 реактора 12 технологического устройства 1. Затем через системы подачи 8 и 5, соответственно, подают раздельно углеводородный компонент и воду в подготовительную часть 17 зоны реакции 15 технологического устройства 1. Воду подогревают в теплообменнике 7 и перед подачей в под- готовительную часть 17 реактора 12 переводят в капельно-дисперсное состо- яние путем распыления через форсунку 18 и нагревают до образования водя- ного пара. В зоне реакции 15, в ее подготовительной части 17, углеводород- ный компонент и водяной пар перемешивают с получением пароуглеводо- родной смеси. В присутствии комплексного катализатора, как комбинации плазмы 20 пламени от сжигания на стадии запуска процесса - углеводород- ного компонента, а в штатном режиме от сжигания получаемого водородосо- держащего топлива, и металла - переносчик кислорода в форме оксида 13 в автокаталитическом режиме обеспечивают химическую ионизацию пламени в зоне реакции 15 с образованием радикалов С 2 , СН, ОН и общей концентра-
10 12 3
циеи заряженных частиц порядка 10 -10" см " . Регулируя подачу воды через систему подачи 5 и форсунку 18 и углеводородного компонента через систе- му подачи 8 и канал 16, а также подачу воздуха в технологической устрой- ство 1 посредством регулирующей диафрагмы 4 в зоне реакции 15 реактора 12 создают положительный объемный заряда 23 в области фронта 24 пламе- ни и отрицательный заряд 25 в области ввода углеводородного компонента и воды в подготовительной части 17. При достижении соотношением концен- трации зарядов в этих областях как 1000: 1 и в условиях амбиполярной диф- фузии заряженных частиц в зоне реакции 15 между фронтом 24 пламени и корпусом 2 технологического устройства 1, вследствие разделения объемно- го заряда, появляется электрическая разность потенциалов в интервале 2 - 5В. Разность потенциалов в зоне реакции 15 обеспечивают поддержанием ламинарного режима процесса горения углеводородного топлива. В зависи- мости от вида используемых оксидов 13 металлов - переносчиков кислорода, в качестве составной части комбинированного катализатора, формируют плазменный факел 26 длиной 4 - 10 см, при этом течение химической реак- ции обмена соответствует уравнению: М х О у + С -> СО + М х О у _ (1).
Химическую реакцию взаимодействия углеводородного компонента и водяного пара в зоне реакции 15 проводят в интервале температур 800 - 1000°С при атмосферном давлении со смещением химического равновесия существенно в сторону образования продуктов реакции с повышенным сум- марным тепловыделением. Концентрацию углеводородного компонента че- рез систему подачи 8 поддерживают в интервале 1 ,46 - 1,62%. Остаточное количество не прореагировавшего углеводородного компонента в продуктах реакции снижают до 0,25 - 0,40% путем регулирования диафрагмой 4 объема поступающего воздуха (или технического кислорода) в технологическое устройство 1. В качестве оксида 13 металла - переносчика кислорода исполь- зуют оксиды из ряда А1 2 0 3 , или Т 2 , или ТЮ 2 , или W0 3 , или β-NiO, а в па- роуглеводородной смеси задают избыток водяного пара относительно его стехиометрического количества в интервале 80: 1 - 95:1.
Уравнение химической реакции образования водородосодержащего топлива в общем виде соответствует уравнению:
2С т Н п + (т + п / 4 )(0 2 + 3.76N 2 ) + тН 2 0 = тС0 2 + тСО + т +
0.5п)Я 2 + { п / 2 )Н 2 0 + (т + 4 )3.76N 2 + Q, (2) где - m, п - число атомов углерода и водорода в молекуле, Q - тепловой эффект реакции, или теплота сгорания. Состав получаемого водородосодержащего топлива в общем слу- чае, удовлетворяет соотношению:
Σ СщНи = 2т+2 + C m H n = 2m + H 2 + CO + C0 2 + Н 2 0 + H 2 S + 0 2 + N 2 =
= 100%, (3) где С гп Н п = 2т+2 - предельные углеводороды,
С т Н п = 2т - непредельные углеводороды.
Величину выделяемой тепловой энергии от сжигания во ородосодер- жащего топлива определяют из уравнения: 2С т Н п + (т + = тС0 2 +
( п /2)Н 2 0 + Q (4), где Q ~ 802,61 кДж/моль, при этом дополнительное коли- чество тепловой энергии генерируют за счет диссипации энергии электриче- ских токов в плазменном факеле 26 ионизированной плазмы 20, которые протекают между фронтом пламени и стенками корпуса 2 технологического устройства в зоне реакции. Процесс стекания электрических токов и дисси- пацию энергии обеспечивают через заземления 22 корпуса 2 технологическо- го устройства 1 и реактора 15. На фиг. 4 приведена диаграмма расчет выхода потока 27 тепловой энергии для случая использованием в качестве углеводородного компонента газа метана СН 4 . Суммарный тепловой эффект определяется реакцией: СН + 2Н 2 0—> 4Н 2 + С0 2 (6). Необходимая теплота в зону реакции 15 реактора 12 в режиме запуска процесса подводится от сжигаемого углеводородного ком- понента природного газа-метана СН , а в штатном режиме от сжигания полу- чаемого углеводородного топлива. За первичной конверсией природного газа по уравнению (2) проводится паровоздушная конверсия остаточного количе- ства углеводородов, а среди реакций окисления превалирует реакция:
2Н 2 + 0 2 ^ 2Н 2 0 (7).
Реакция по уравнению (2) протекает до полного исчерпывания кисло- рода и преобладает среди других реакций окисления, так как в парогазовой смеси, поступающей в реактор, количество водорода значительно превышает количество других горючих газов.
При увеличении концентрации реагирующих веществ также происхо- дит увеличение концентрации образующихся веществ. Для рассматриваемой реакции (2) повышение содержания водяных паров в исходной смеси приво- дит к смещению равновесия вправо, т. е. к увеличению содержания СО и во- дорода и уменьшению содержания метана. Для того чтобы остаточное со- держание метана в конвертированном газе не увеличивалось, повышают тем- пературу в зоне реакции до 1000°С.
При проведении реакции (2) необходимо, чтобы в парогазовой смеси оставалось как можно меньше метана, иными словами, чтобы степень пре- вращения метана была наибольшей, что и является критерием оптимальности получения водородсодержащего топлива. Из физико-химических данных следует, что реакция (2) - это реакция II класса, гетерогенно-каталитическая. Ее проводят в условиях, при которых равновесие практически полностью смещено в сторону образования продуктов реакции и устанавливается доста- точно быстро. Такие условия, согласно изобретению, достигаются за счет ис- пользования катализаторов - оксидов металлов переносчиков кислорода в сочетании с плазмой пламени, при этом процесс ведут при атмосферном давлении, температуре не ниже 800°С и избытке (по сравнению со стехио- метрическим количеством) водяного пара в пароуглеводородной смеси в ин- тервале 80:1 - 95:1.
Суммарный процесс получения водородосодержащего газообразного топлива и тепловой энергии при его горении в технологическом средстве 9 описывается уравнениями (8):
СЯ 4 + 20 2 = С0 2 + 2Н 2 0
СН 4 + 0.5O 2 = СО + 2Н 2
СН 4 + Н 2 0 = СО + ЗН 2
2Н 2 + 0 2 = 2Н 2 0
(8)
2СО + 0 2 = 2С0 2
СО + Н 2 0 = Н 2 +С0 2 (генераторный газ)
Н 2 0 + С -> Н 2 + СО (водяной газ)
Теплота сгорания определяются исходя из составляющих топливо от- дельных продуктов сгорания согласно следующему уравнению:
= 358СЯ 4 + 126,5СО + 107,5 Н 2 ^ (9),
м где СН 4 , СО, Н 2 - взяты в %.
Кислород для горения поступает из воздуха как его составная часть. Для расчетов принимается, что объемный состав сухого воздуха следующий: кислород— 21,0%, азот— 79,0%.
Метан взаимодействует с водяным паром в присутствии комбиниро- ванного катализатора: плазма - оксид металла переносчика кислорода (А1 2 Оз, или Т 2 , или ТЮ 2 , или WO 3 , или β-NiO) при нагревании до 800 - 1000°С по уравнению (10):
СН 4 + Н 2 Опар + 204 кДж (при постоянном давлении) (10). Необходимое для протекания химической реакции тепло подводят или извне, или, применяют "внутреннее сгорание", т. е. подмешивают воздух или кислород (см. фиг. 3) таким образом, чтобы часть метана сгорала до ди- оксида углерода по уравнению (1 1):
СН 4 + 20 2 = С0 2 + 2Н 2 0пар + 802 кД (при постоянном давлении), (11).
При этом соотношение компонентов выбирают с таким расчётом, чтобы реакция в целом была высоко экзотермической согласно уравнению (12):
12СН 4 + 5Н 2 0пар + 50 2 = 29Н 2 + 9СО + ЗС0 2 + 85,3 кДж, (12)
Из монооксида углерода посредством "конверсии СО" получают до- полнительный водород, участвующий в реакции горения, описываемой урав- нениями (8).
В таблице приведены примеры получения топлива и тепловой энергии в соответствии с разработанным способом.
Состав комплексного
катализатора, М х О у : плазма
Разность Тепловой
Исходная смесь Температура в
Плазма, потенциа- Избыток эффект, углеводородного
Оксида зоне реакции,
концентра- лов, ВОДЯНОГО
компонента и
металла- ция носите- пара кДж воды °С
переносчика лей заряда, В м 3 кислорода
см "3
Оксид сплава
10 го 2,0 800-900 80:1 10776,85 Ni83Mg6AlFe
СН 4 : Н 2 0
А1 98А1 2 0 3 10 й 3,0 900-1000 90:1 10882,45
W 98 W0 3 10 1г 5,0 950-1000 95:1 11679,75
Оксид сплава
0836,15
(* >CyEWC 4 Hio : H 2 0 Ni83Mg6AlFe ю 10 4.0 850-900 50:1 1
^пропан/бутан
(50:50+10%) AI 98А1 2 0 3 10" 4,5 900-1000 60:1 11476 ,34
W 98 W0 3 ю 14 5,0 950-1000 70:1 14115,02 Разработанный способ получения топлива и тепловой энергии, осно- ван на совмещении эндотермической (метан или его гмологи с водяным па- ром) и экзотермической (метан или его гомологи с техническим кислородом или с кислородом воздуха) реакциях с дополнительным тепловыделением за счет процесса диссипации энергии электрических токов циркулирующих между фронтом пламени и стенками технологического устройства в плаз- менном факеле ионизированной плазмы.
Как показали испытания, новый процесс получения тепловой энергии не требует тщательной очистки углеводородного компонента, которая стоит дорого. Возможно, также применять не только природный газ, но и другие горючие газы-гомологи метана или жидкое топливо, вплоть до мазута. Суще- ственно, что по сравнению с прототипом, упрощается конструкция техноло- гического устройства, а в продуктах сгорания водородсодержащего топлива остается не более 0,4% не прореагировавшего углеводородного компонента. Как видно из таблицы при сжигании полученного углеводородного топлива получают дополнительный тепловой эффект в интервале 11476,34 -
10776,85^.
Источники информации:
1. RU JNO 20081 17144 А, 04.07.2006.
2. RU JYO 2378188 С2, 10.07.2008.
3. FR JYO 0604175, 09.05.2006.
4. WO 2005/012166, 10.02.2005.
5. RU JYO 2478688 C2, 10.04.2013 (прототип).
Next Patent: TRANSPORTABLE BUILDING AND FOUNDATION BEAMS THEREFOR