Плазмохимический способ получения синтез-газа и установка для его осуществления



Плазмохимический способ получения синтез-газа и установка для его осуществления
Плазмохимический способ получения синтез-газа и установка для его осуществления
H05H1/00 - Плазменная техника (термоядерные реакторы G21B; ионно-лучевые трубки H01J 27/00; магнитогидродинамические генераторы H02K 44/08; получение рентгеновского излучения с формированием плазмы H05G 2/00); получение или ускорение электрически заряженных частиц или нейтронов (получение нейтронов от радиоактивных источников G21, например G21B,G21C, G21G); получение или ускорение пучков нейтральных молекул или атомов (атомные часы G04F 5/14; устройства со стимулированным излучением H01S; регулирование частоты путем сравнения с эталонной частотой, определяемой энергетическими уровнями молекул, атомов или субатомных частиц H03L 7/26)

Владельцы патента RU 2699124:

Государственный научный центр Российской Федерации - федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский центр имени М.В. Келдыша" (RU)

Изобретение относится к области плазмохимии, а именно к плазмохимическому способу получения синтез-газа и установке для его осуществления. Способ включает электродуговой трехфазный плазмотрон, в который подают основной и дополнительный исходные компоненты и осуществляют их плазмохимическое взаимодействие. Причем основной исходный компонент подают в дуговые камеры, а дополнительный исходный компонент - в смесительную камеру электродугового трехфазного плазмотрона непосредственно в место соединения трех электродуговых разрядов. Полученный синтез-газ охлаждают, при этом высвобождающимся при охлаждении синтез-газа теплом подогревают основной исходный компонент. Технический результат заключается в снижении энергозатрат при получении синтез-газа с высокой производительностью 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 пр.

 

Группа изобретений относится к области плазмохимии и служит для получения синтез-газа, состоящего преимущественно из монооксида углерода (СО) и водорода (Н2), методом окислительной конверсии природного газа или метана с водой и/или диоксидом углерода или смесью этих компонентов, а также методом парциального окисления метана кислородом в потоке плазмы.

Синтез-газ является одним из основных компонентов органического синтеза и служит для производства многих химических и нефтехимических продуктов, таких как метанол и другие оксигенаты, продукты процесса Фишера-Тропша, а также используется для восстановления железной руды.

Существует множество различных схем получения синтез-газа (Современные методы получения синтез-газа и процесс Фишера-Тропша / Миргаязов И.И., Абдуллин А.И. / Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т. 17. №9. С. 258-261). Среди них - газификация угля и углеродсодержащих продуктов, конверсия метана, а также парциальное окисление углеводородов. Конверсия метана водой является эндотермическим процессом:

также, как и конверсия диоксидом углерода:

Парциальное окисление кислородом идет по экзотермической реакции:

Так как реакции (а) и (б) эндотермические, то для их осуществления необходим подвод энергии. Для реакции (в) использование плазмотрона обусловлено повышением выхода полезного продукта при повышении адиабатической температуры.

Известен способ микроволновой конверсии метан-водяной смеси в синтез-газ, раскрытый в патенте RU 2513622 С2, опубл. 20.04.2014. Преимущество известного решения заключается в повышении эффективности за счет использования водного аэрозоля, подаваемого непосредственно в реакционную зону и отсутствия необходимости предварительного парообразования. К недостаткам изобретения следует отнести то, что использование микроволнового излучения значительно усложняет всю технологию, а также снижает КПД процесса при необходимости работы на больших мегаваттных мощностях.

Наиболее близким аналогом предлагаемой группы изобретений является плазмохимический способ получения синтез-газа и установка для его осуществления, раскрытые в статье авторов: Ф.Г. Рутберг, А.Н. Братцев, В.А. Кузнецов [и др.] «Получение синтез-газа конверсией метана в плазме водяного пара и диоксида углерода». Письма в ЖТФ, 2014, том. 40, вып. 17. При осуществлении известного способа в электродуговой трехфазный генератор плазмы подают водяной пар или смесь водяного пара с углекислым газом (дополнительный исходный компонент), в камеру смешения, установленную после генератора плазмы, подают метан (основной компонент) и осуществляют плазмохимическое взаимодействие исходных компонентов в струе низкотемпературной плазмы. Установка состоит из трехфазного электродугового генератора и проточного реактора с камерой смешения. Недостатком изобретения является необходимость предварительной подготовки перегретого пара, что в случае большой производительности процесса при больших мощностях требует организации инфраструктуры для подготовки перегретого пара. При этом снижается КПД процесса получения синтез-газа за счет затрат энергии на производство перегретого пара, а также потерь энергии при подаче водяного пара к генератору плазмы. Кроме того производство перегретого пара требует наличия дополнительного горючего, такого как жидкие углеводороды (бензин, мазут и др.) или природного газа (метана), поскольку подогрев и перегрев посредством стандартных электрических парогенераторов имеет низкий КПД.

В отличие от наиболее близкого аналога в предлагаемом способе получения синтез-газа все продукты синтеза подаются непосредственно в плазмотрон, где за счет значительно более высоких температур непосредственно в электродуговых разрядах (в месте их соединения) происходит полная и быстрая конверсия продуктов в синтез-газ. Помимо этого в состав оборудования для получения синтез-газа входит теплообменник-рекуператор, который позволяет понизить удельные энергозатраты на производство электроэнергии, за счет рекуперации энтальпии продукта, совместно с его закалкой, в тепло подаваемого природного газа (метана).

Задачей предлагаемой группы изобретений является создание плазмохимического способа получения синтез-газа с использованием электродугового трехфазного плазмотрона большой мощности и установки для осуществления этого способа.

Технический результат предлагаемой группы изобретений заключается в снижении энергозатрат ~ на 5% при получении синтез-газа с высокой производительностью.

Для решения задачи и обеспечения технического результата предлагается плазмохимический способ получения синтез-газа, при котором в электродуговой трехфазный плазмотрон подают основной и дополнительный исходные компоненты и осуществляют их плазмохимическое взаимодействие. Основной исходный компонент подают в дуговые камеры, а дополнительный исходный компонент - в смесительную камеру электродугового трехфазного плазмотрона непосредственно в место соединения трех электродуговых разрядов. Полученный синтез-газ охлаждают. При этом высвобождающимся при охлаждении синтез-газа теплом подогревают основной исходный компонент.

Предложена также установка для получения синтез-газа, включающая электродуговой трехфазный плазмотрон, содержащий три дуговые камеры с электродами, соединенные со смесительной камерой, и средства подачи исходных компонентов. Дополнительно содержит теплообменник-рекуператор, внутренний контур которого связан со смесительной камерой плазмотрона, а внешний контур - с дуговыми камерами плазмотрона. При этом в смесительной камере установлена форсунка для подачи дополнительного исходного компонента внутрь смесительной камеры непосредственно в место соединения трех электродуговых разрядов.

В качестве основного исходного компонента может быть использован метан или природный газ, в качестве дополнительного исходного компонента используют воду или углекислый газ или их смеси или кислород.

Установка для получения синтез-газа схематично представлена на фигуре.

Установка состоит из трехфазного электродугового плазмотрона 1, содержащего три дуговые камеры 2 с электродами (не показаны), соединенные со смесительной камерой 3, и теплообменника-рекуператора 4. Смесительная камера плазмотрона 1 и внутренний контур теплообменника-рекуператора 4 соединены посредством трубопроводов. Плазмотрон 1 может работать от стандартной трехфазной промышленной сети с напряжением 10 кВ. В смесительной камере 3, например, в задней стенке или крышке камеры, установлена форсунка 5 для подачи дополнительного исходного компонента внутрь смесительной камеры 3 в место соединения трех электродуговых разрядов. Причем дуговые камеры 2 снабжены средствами подачи основного исходного компонента. При этом подача основного компонента может быть осуществлена тангенциально, что обеспечивает закрутку и газовихревую стабилизацию электродуговых разрядов. Дуговые камеры связанны с внешним контуром теплообменника-рекуператора 4 посредством трубопроводов. Проходя внешний контур теплообменника-рекуператора, основной исходный компонент подогревается за счет тепла, высвобождающегося при охлаждении синтез-газа, т.е. основной исходный компонент одновременно является хладагентом для получаемого синтез-газа, что позволяет сократить энергозатраты и материалоемкость процесса.

Предлагаемая установка работает следующим образом. Основной компонент - природный газ или метан поступает из коллектора (на фигуре не показан) с заданным расходом, подается в дуговые камеры 2 с электродами плазмотрона 1. Далее на плазмотрон 1 подается напряжение и зажигаются электродуговые разряды. После установления постоянного режима в смесительную камеру 3 плазмотрона через форсунку 5 подается дополнительный исходный компонент, например, вода. Расход основного компонента задается давлением в коллекторе. Дополнительный исходный компонент подается через струйную форсунку 5, установленную в смесительной камере 3 плазмотрона таким образом, что струя попадает непосредственно в место соединения трех электродуговых разрядов, где мгновенно испаряется, перемешивается с основным исходным компонентом и вступает с ним в химическую реакцию с образованием синтез-газа. Расход дополнительного исходного компонента задается давлением в коллекторе (на фигуре не показан) перед форсункой 5. Такой способ подачи компонентов обеспечивает строгое соблюдение соотношения компонентов, а также упрощает систему запуска. Рабочий процесс организован таким образом, что в смесительной камере плазмотрона температура газовой смеси достигает 1600 К, что обеспечивает достаточно полную конверсию (до 98%) исходных компонентов в конечный продукт в виде синтез-газа.

Предлагаемая группа изобретений обеспечивает упрощение процесса получения синтез-газа и повышения его надежности за счет исключения части элементов, таких как парогенератор, пароперегреватель и соответствующие трубопроводы, а также максимально полную конверсию исходных компонентов в конечный продукт с максимальным КПД и минимальными энергозатратами.

1. Плазмохимический способ получения синтез-газа, при котором в электродуговой трехфазный плазмотрон подают основной и дополнительный исходные компоненты и осуществляют их плазмохимическое взаимодействие, отличающийся тем, что основной исходный компонент подают в дуговые камеры, а дополнительный исходный компонент - в смесительную камеру электродугового трехфазного плазмотрона непосредственно в место соединения трех электродуговых разрядов, полученный синтез-газ охлаждают, при этом высвобождающимся при охлаждении синтез-газа теплом подогревают основной исходный компонент.

2. Плазмохимический способ получения синтез-газа по п.1, отличающийся тем, что в качестве основного исходного компонента используют метан или природный газ, в качестве дополнительного исходного компонента используют воду или углекислый газ или их смеси или кислород.

3. Установка для получения синтез-газа, включающая электродуговой трехфазный плазмотрон, содержащий три дуговые камеры с электродами, соединенные со смесительной камерой, и средства подачи исходных компонентов, отличающаяся тем, что дополнительно содержит теплообменник-рекуператор, внутренний контур которого связан со смесительной камерой плазмотрона, а внешний контур - с дуговыми камерами плазмотрона, при этом в смесительной камере установлена форсунка для подачи дополнительного исходного компонента внутрь смесительной камеры непосредственно в место соединения трех электродуговых разрядов.

4. Установка по п.3, отличающаяся тем, что в качестве основного исходного компонента используют метан или природный газ, в качестве дополнительного исходного компонента используют воду или углекислый газ или их смеси или кислород.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в схемах силового электропитания мощных электродуговых нагревателей газа (плазмотронов), предназначенных для работы на постоянном токе.

Группа изобретений относится к медицинской технике, а именно к средствам обработки кожи с использованием нетермической плазмы. Устройство для обработки кожи с использованием нетермической плазмы содержит корпус, имеющий взаимодействующий с кожей электрод для наложения на кожу в процессе обработки, генератор нетермической плазмы на взаимодействующем с кожей электроде, а также изолирующий элемент для изоляции области, окружающей взаимодействующий с кожей электрод в период времени, отличный от времени обработки, так что нетермическая плазма, сгенерированная на взаимодействующем с кожей электроде в упомянутой области, стерилизует взаимодействующий с кожей электрод.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к холодноплазменным устройствам для обработки кожи. Устройство содержит корпус, имеющий торцевую поверхность, генератор холодной плазмы, выполненный с возможностью генерирования холодной плазмы, которая создает активные частицы для обработки кожи, причем генератор холодной плазмы по существу равномерно отдален от кожи во время использования, и манипулятор, выполненный с возможностью проведения манипуляций с кожей для увеличения воздействия активных частиц на бактерии на коже во время использования устройства, причем манипулятор проходит между генератором холодной плазмы и кожей во время использования и содержит подвижный элемент, выполненный с возможностью контакта с кожей во время использования холодноплазменного устройства.

Изобретение относится источнику интенсивных широкоапертурных (до сотен см) потоков плазмы с высокой степенью ионизации с эффективным током сотни ампер. Устройство может быть использовано в сильноточных источниках ионов, в микроэлектронике, ядерной физике и в ряде других плазменных технологий.

Изобретение относится к системе для плазменного напыления покрытий (варианты) и установке для плазменного напыления покрытий (варианты). Система содержит катод магнетрона с длинной кромкой и короткой кромкой.

Изобретение относится к средству формирования мегаамперных импульсов тока с целью создания мощных источников мягкого рентгеновского излучения (МРИ). Устройство содержит соосно расположенные в вакууме центральный электрод, первое и второе электродные кольца, прямой и обратный токопроводы, а также расположенные между центральным электродом и первым и вторым электродными кольцами, соответственно, цилиндрические лайнерные сборки размыкателя и нагрузки.

Изобретение относится к плазмохимии и плазменной технике, в частности к СВЧ плазменным реакторам, и может быть использовано при обработке поверхностей образцов, осаждения на них покрытий, выращивания пленок и кристаллов, а также найти применение в других областях техники.

Группа изобретений относится к производству порошковых частиц путем атомизации сырьевого материала в форме удлиненного элемента. Сырьевой материал вводят в плазменную горелку.

Изобретение относится к головке для плазменно-дуговой горелки с воздушным охлаждением, формованному завихрителю для упомянутой горелки, узлу плазменно-дуговой горелки, колпачку для контактного пуска плазменно-дуговой горелки и способу сборки головки для плазменно-дуговой горелки.

Изобретение относится к устройству торцевого типа предназначено для кумуляции плазменных сгустков, обладающих большим временем свечения в свободной атмосфере. В заявленном устройстве мощный импульс тока (длительностью ≈ 100 мс и силой тока до 15 кА), генерируемый индукционным накопителем электрической энергии, подается по кольцевому и аксиальному токоподводу на проводящую диафрагму.

Изобретение относится к химическому машиностроению, к технике высоких давлений и может быть использовано для выращивания кристаллов алмазов. Устройство для выращивания кристаллов алмаза содержит установленные в заглублении земли на столе 6 соосно в ряд контейнеры 1, 2 с размещенным в каждом контейнере соответствующим многопуансонным аппаратом 3 высокого давления, а между каждым из крайних контейнеров 1 и 2 и соответствующей стеной 8 заглубления установлена по меньшей мере одна разгрузочная плита 7.

Изобретение относится к производству объемных изделий (структур) из алмаза: губок, пористых структур сложной формы, и может быть использовано в твердотельной электронике для производства теплоотводов, эмиссионных электродов и высоковольтных изоляторов, в теплотехнике при конструировании эффективных теплообменников, в биологии и медицине при изготовлении фильтров и мембран.

Изобретение относится к системе твердооксидного топливного элемента, а также к способу эксплуатации такой системы и может быть применено в энергетике. Система твердооксидного топливного элемента содержит установку реформинга, батарею твердооксидного топливного элемента, топку для получения тепла для установки реформинга.

Изобретение относится к химической промышленности и может быть использовано при изготовлении углепластиков с улучшенными прочностными свойствами. Сначала проводят плазмохимическую обработку наполнителя из углеродных волокон.

Изобретения относятся к нанотехнологии и могут быть использованы при изготовлении легковесных и хорошо проводящих материалов. Углеродные нанотрубки диспергируют в растворителе при температуре 80-140 °С.

Настоящее изобретение относится к области основого органического синтеза, в частности к способу получения метанола. Способ заключается в подаче синтез-газа с циркуляционным газом на компримирование и контактирование в реакторе с медно-цинковым катализатором при температуре 220-290°С, с последующим охлаждением выходящего из реактора метанолсодержащего газа и отделением метанола-сырца в сепараторе.

Изобретение относится к способу получения карбида кальция в руднотермической печи, включающему приготовление шихты из извести и углеродсодержащего материала, загрузку шихты в печь, плавление шихты, загрузку полученного расплава карбида кальция во вращающийся охлаждающий барабан в смеси с добавками материала, применяемого в производстве карбида кальция, для охлаждения, кристаллизации и дробления, с последующей сепарацией кускового карбида кальция по размерам на фракции.

Изобретение относится к способам модификации тонких пленок с помощью электромагнитного (лазерного) излучения с целью получения заданных электрофизических свойств модифицированных областей и контроля степени функционализации этих областей.

Изобретение относится к углеродсодержащим покрытым частицам для применения в качестве катализатора или адсорбционного материала и способу их получения, а также функциональному материалу, при получении которого использованы такие частицы.

Изобретение относится к мембранным технологиям получения особо чистого водорода из газовых смесей, содержащих водород. Диффузионный отделитель водорода, содержащий мембраны из палладия или его сплавов, плотно соединенные с рамками, которые в свою очередь плотно соединены между собой; газопроницаемый разделитель, установленный в полости между двумя мембранами, и патрубок отвода водорода из этой полости, при этом рамки предварительно сварены между собой и с патрубком отвода водорода, образуя корпус отделителя водорода, в который помещен газопроницаемый разделитель, после чего производится соединение мембран с рамками поочередно с каждой стороны или одновременно, при этом материал рамок и патрубка должен соответствовать условиям: σпм<σтпм при σпм≥0, σпм<σустпм при σпм<0, где Изобретение обеспечивает повышение надежности и срока службы диффузионного отделителя водорода.

Изобретение относится к строительству и может использоваться при ремонте трубопроводов. Устройство для отверждения введенного в трубопровод полимерного рукава (1) содержит световую цепь (2) с источниками УФ-излучения, кабельный барабан (4) с электроприводом для протягивания световой цепи через указанный рукав, воздуходувку (5) с электроприводом для создания в рукаве избыточного давления и блок (6) управления.

Изобретение относится к области плазмохимии, а именно к плазмохимическому способу получения синтез-газа и установке для его осуществления. Способ включает электродуговой трехфазный плазмотрон, в который подают основной и дополнительный исходные компоненты и осуществляют их плазмохимическое взаимодействие. Причем основной исходный компонент подают в дуговые камеры, а дополнительный исходный компонент - в смесительную камеру электродугового трехфазного плазмотрона непосредственно в место соединения трех электродуговых разрядов. Полученный синтез-газ охлаждают, при этом высвобождающимся при охлаждении синтез-газа теплом подогревают основной исходный компонент. Технический результат заключается в снижении энергозатрат при получении синтез-газа с высокой производительностью 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 пр.

Наверх