WO2001009031A1 - Plasma transformer for the transformation of fossil fuels into hydrogen-rich gas - Google Patents

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WO2001009031A1
WO2001009031A1 PCT/ES2000/000040 ES0000040W WO0109031A1 WO 2001009031 A1 WO2001009031 A1 WO 2001009031A1 ES 0000040 W ES0000040 W ES 0000040W WO 0109031 A1 WO0109031 A1 WO 0109031A1
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WO
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fuel
reactor
hydrogen
heater
plasma
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PCT/ES2000/000040
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Spanish (es)
French (fr)
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Fateev Vladimir
Boris Potapkin
Victor K. Jivotov
Ricardo Blach Vizoso
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David Systems Technology, S.L.
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/342Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents with the aid of electrical means, electromagnetic or mechanical vibrations, or particle radiations
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05HPLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24Generating plasma
    • H05H1/46Generating plasma using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy
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    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05HPLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
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    • H05H1/24Generating plasma
    • H05H1/46Generating plasma using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy
    • H05H1/461Microwave discharges
    • H05H1/4622Microwave discharges using waveguides

Definitions

  • the object of the present invention is a plasma converter of fossil fuels in a gas rich in hydrogen.
  • This converter comprises a heater, a mixing chamber, a reactor all connected in series and a microwave energy source (MCN) for the reactor, this converter being able to produce a high content gas from traditional fossil fuels in hydrogen in order to increase the performance of an internal combustion engine.
  • MN microwave energy source
  • This invention relates to the production of a hydrogen rich gas from hydrocarbons.
  • Hydrogen is attractive for use as a fuel, as an additive for internal combustion engine fuels because its presence can significantly change the chemical properties of the fuel and can significantly reduce the contamination of combustion products [the effect of use The addition of hydrogen to the fuel is to increase the performance of an internal combustion engine by 10-50%. See Mishchenko, et al., Proc. Vil World Hydrogen Energy Conference, Vol 3
  • the energy for the conversion process can be provided either by preheating the gas mixture or by exothermic reactions (for example, the total or partial oxidation of hydrocarbons) or by heating with electrical energy.
  • plasma can be used as a catalyst for chemical processes (plasma treatment of preheated reactants). See VD Rusanov, K. Etivan, AI Babaritskii, IE Baranov, SA Demkin, VK Jivotov, BV Potapkin and EI Ryazantsev, The Effect of Plasma Catalys ⁇ s by the Example of Methane Dissociation into Hydrogen and Coal (The effect of plasma catalysis by the example of dissociation of methane into hydrogen and carbon), Dokl.
  • Hydrogen is a highly flammable substance that requires complex and expensive storage systems.
  • implementation of a Global distribution network of hydrogen implies economic costs and a timescale that are unapproachable even by developed countries.
  • the second is "the instant response”: how quickly a car responds when the driver steps on the accelerator.
  • a gasoline engine responds in thousandths of a second, but a reformer who reacts slowly would be considered a slow car and the driver would reject it.
  • Phase 1 of this program includes an analysis of the various fuel reformers, on-board hydrogen storage technologies and hydrogen infrastructure needs.
  • Phase 2 will involve the development and testing of a 10 kW reformer and a 1 kg capacity hydrogen storage unit.
  • Alternatives to the direct supply of hydrogen to the fuel cell include: liquefied hydrogen, compressed hydrogen, carbon absorption and storage in the form of hydrides.
  • Liquefied hydrogen has been tested in several vehicles since the 1970s in the United States and other countries.
  • the volume and density density of liquefied hydrogen when used with a fuel cell is the same or better than diesel fuel used with an internal combustion engine.
  • the disadvantages are the high liquefaction energy, handling problems and the inevitable release of evaporated gas.
  • Compressed hydrogen is the simplest on-board technology to conceptualize and would benefit from recent advances in composite materials and improvements in the costs of progress in natural gas vehicles.
  • High-pressure tanks constructed with advanced materials would provide a reasonable weight behavior, although only marginally volumetric behavior.
  • the technical aspects to be solved include cylinder permeability, tank design standards for higher pressures and hydrogen compressor design for refueling.
  • Steam reforming This process basically represents a catalytic conversion of methane and water (steam) into hydrogen and carbon dioxide through three main stages.
  • SR Steam reforming
  • Partial oxidation It is an exothermic process by which hydrogen and carbon dioxide are produced from hydrocarbon fuels (gasoline and others) and oxygen (or air). PO processes have a number of important advantages over SR processes. Companies such as Arthur D. Little (EPYX), Chrysler Corp. and Hydrogen Burner Technologies (all from the USA) have announced plans to develop PO converters.
  • the stages of the EPYX PO converter are: 1 .- vaporization of the fuel (gasoline) by the application of heat, 2.- the vaporized fuel is combined with a small amount of air in a partial oxidation reactor, producing hydrogen and carbon monoxide , 3.- the vapor on carbon monoxide reacts with a catalyst to convert most of the carbon monoxide into carbon dioxide and additional hydrogen, 4.- in the referred oxidation stage, the injected air reacts with the remaining carbon monoxide on the catalyst forming carbon dioxide and water vapor, producing hydrogen rich gases.
  • Autothermal reforming In this exothermic process, the hydrocarbon fuel reacts with a mixture of water and oxygen. The energy released by the oxidation reaction of the hydrocarbon activates the steam reforming process. Companies such as Roll-Royce / Johnson-Matthew (UK) and International Fuel Cell / ONSI (USA) are working on the development of the AR process.
  • Plasma-assisted hydrocarbon conversion There is another concept of plasma-assisted hydrocarbon conversion.
  • a cold non-thermal plasma is used as a source of active species, in order to accelerate chemical reactions.
  • the energy needs of the process can be met, in this case, through thermal energy (low temperature) and thus the plasma acts as a catalyst.
  • Plasma can be produced by the action of very high temperatures, and intense electric fields, or intense magnetic fields. In these discharges, free electrons acquire energy from an imposed electric field and lose this energy due to collisions.
  • the plasma of an incandescent discharge is characterized by high electron temperatures and low gas temperatures and has electron concentrations of approximately 109 to 1012 cm 3 and has an absence of thermal equilibrium that makes possible a plasma in which the gas temperature It may be close to the environment in order to obtain a plasma in which the electrons are sufficiently excited to cause the breakage of the molecular bonds.
  • Cold non-thermal plasma In a cold non-thermal plasma, only charged particles (electrons, ions) acquire energy from the applied electric field and the neutral particles remain at approximately the same temperature.
  • Cold non-thermal plasma can be created by an incandescent electric shock normally operated under reduced pressure.
  • Incandescent discharge plasmas are also suitable for promoting chemical reactions involving thermally sensitive materials. Relatively few basic experimental papers have been published. on the structure / rejected correlation of polymerization membranes with modified surface. The power used to prepare the membranes varies from 30 to 150 W, with the polymerization time being 60 to 3,000 s).
  • the electrical energy necessary to maintain the plasma state can be transmitted to a gas by resistive coupling with internal electrodes, by capacitive coupling with external electrodes, or by inductive coupling with an external bovine or, in the case of microwave discharge, by means of a slow wave structure. Because of the many reactive species in different plasmas, it has not been possible to fully explain the mechanisms of chemical reactions in a plasma. It is well known that fossil fuels and the methods currently used to obtain useful energy (electricity, mechanical movement, etc.) are very inefficient. The most efficient internal combustion engines used for daily transport achieve maximum yields of 32%. This implies that 68% of the available fuel energy is not used to obtain mechanical energy (movement), but is lost.
  • thermodynamics which is set (for a four-stroke engine that uses gasoline) at 43%.
  • the best engines used are still far from maximum performance.
  • the amount of pollution generated by the combustion (oxidation) of fossil fuels has become a growing problem that affects the entire biosphere.
  • the MPCR proposes a better solution to the use of fuels Fossils being a system that can reform / convert fossil fuels into a synthetic fuel (SF), by a chemical process that requires little energy and does not produce undesirable by-products.
  • the improved fuel is characterized in that it is safer from an environmental point of view, as well as suitable for more types of energy conversion processes that, in addition, can be more effective.
  • the MPCR will have great commercial implications.
  • the reduction of pollutant emissions would encourage environmental protection agencies, such as the US EPA and the California Air Resources Board, to adopt zero emission standards, already required by California, using a process similar to proposed by DAVID, within this decade. Which, in turn, would drive the rapid and widespread use of such a system in nations with a high density of vehicles such as the United States and Canada.
  • the DAVID patent differs from those known in the application of a special type of discharge (frequency, voltage, etc.), the process conditions (reaction time, flow rates of the reactants, etc.) and the special construction of the system (shape of the electrodes, reactor, etc.).
  • the main difference between the MPCR and other patented technologies to date is the formation in the MPCR of a specific cold plasma, with an electron temperature greater than the gas temperature.
  • This plasma is achieved by a combination of a special microwave discharge in electrodes of a special design.
  • the two components of the synthesis fuel (SF), H 2 and CO, produced by cold plasma processes in a non-equilibrium state, are good fuels for an internal combustion engine.
  • the emissions of C0 2 and NOx are 90% lower than those driven by gasoline, in the case of a fuel cell, a CO separation membrane (or a converter of special catalytic type).
  • the sulfur content (and its typical compounds) in liquid fossil fuels partially evaporates and takes part in the MPCR process.
  • the emissions will be lower in higher oxides but higher in sulfur compounds at a lower oxidation stage (lower emissions of sulfur alkali and hydrogen sulfide that are easier and more economical to eliminate with existing catalytic converters).
  • synthesis fuel SF
  • MPCR Catalytic Plasma Reactor / Reformer
  • the immediate start of the engine is one of the main aspects to solve.
  • the fuel system fueled with gasoline looks complemented by an injection system with a modified controller, based on the principle of "Injection System with Programmed Admission", suitable for engines driven by the ignition of a hydrogen spark.
  • the SF power system is based on the use of an electronic control assembly that transforms the output signals of the sensors of the engine cycle parameters that determine the optimal air-to-fuel ratio.
  • a very simple technique to mount the injectors on the ICE for the SF allows their installation without changing the cylinder head.
  • the modified ICE is an economical (low cost) way to adapt a conventional ICE to work with SF, while maintaining the normal fuel supply.
  • the initial operation until the MPCR begins to produce the hydrogen necessary for the operation of the fuel cell can be the electrical energy accumulated in batteries.
  • the batteries would provide power to the MPCR. (electrical and thermal energy through electrical energy.
  • the installation consists of an arc plasmatron integrated with a chemical reactor, a heat exchanger, internal combustion engine and electricity generator for the plasmatron.
  • the fuel is vaporized and heated to 1000 ° C during the passage through the heat exchanger. Heating to a higher temperature can cause fuel to decompose and resinous precipitation on the relatively cold walls of the fuel supply channels.
  • the development of the heat exchanger with a working temperature exceeding 1400 ° C is an extremely complex problem and can produce an essential increase in the cost of the system.
  • the fuel vapors, heated in the heat exchanger are directed inside the arc plasmatron. Preheated steam is also supplied inside the arc plasmatron. Cold water is used for cooling the plasmatron walls. During this process, the water is heated and vaporized.
  • the water vapor is heated to 1300 ° C and is directed into the plasmatron.
  • water and fuel vapors gain the energy necessary for heating at 2400 ° C, perform the chemical vapor conversion reaction and, after mixing well, enter the chemical reactor
  • the vapors are converted into synthetic gas, which leaves at a temperature of 1400 ° C.
  • the temperature reduction is a result of the endothermic reaction that takes place.
  • Excess heat is removed by water that cools the walls of the chemical reactor.
  • the hot synthetic gas which passes through the heat exchanger, provides heat to the fuel and water vapors and, after cooling to 400 ° C, enters the internal combustion engine.
  • the plasmatron energy supply is obtained by the internal combustion engine.
  • the approximate installation parameters estimated based on thermodynamic calculations, are indicated below.
  • the installation is calculated for an internal combustion engine with a power of 50 kW.
  • Arc plasma with chemical reactor Power 2.5 kW
  • Plasmatron power essentially reduces engine power, so that an important load is not needed to cool the system.
  • Hot gas flow (1400 ° C) 1, 1 l / sec.
  • the installation aims to produce synthetic gas from gasoline with the subsequent use of an electrochemical generator (ECG) for electricity generation.
  • ECG electrochemical generator
  • the installation consists of an arc plasmatron in which the water and gasoline vapors are heated, a chemical reactor, in which the steam conversion reaction takes place, and a heat exchanger, in which the hot synthetic gas It passes its thermal energy to the fuel and water vapors.
  • water vapors and gasoline vapors, heated and well mixed in the plasmatron are directed into the chemical reactor.
  • Synthetic gas is formed in the reactor.
  • the temperature of the synthetic gas is reduced due to the endothermic chemical reaction. With the help of water cooling, the temperature of the synthetic gas is reduced to 1400 ° C and at that temperature the synthetic gas is directed into the heat exchanger.
  • the thermal energy of the synthetic gas in the chemical reactor is sufficient to produce the evaporation of all the water required for the reaction.
  • the water and gasoline vapors are heated to 1000 ° C because of the thermal energy of the synthetic gas and then enter the arc plasmatron. one .
  • Arc Plasmatron Power 45 kW
  • Hot gas flow (1400 ° C) 12 l / sec.
  • the installation intends to produce synthetic gas with the subsequent use of an ECG.
  • the basic blocks of the installation are arc plasmatron, chemical reactor and heat exchanger.
  • the plasmatron power can be reduced by almost 40%.
  • the flow of gasoline increases at the same time to 30%.
  • the synthetic gas obtained is diluted in half with nitrogen.
  • the absence of water in the process requires the application of a different system for the plasmatron walls and the chemical reactor.
  • the cooling system must be able to cover 40 kW of thermal power.
  • Plasmatron power supply 2.1 Transformer Dimensions: 2.0 x 2.0 x 1.5 m
  • the exhaust gases of internal combustion engines have a temperature of approximately 800 ° C. Thermodynamic calculations show that this temperature is sufficient to perform the vapor conversion reaction for a considerable part of the gasoline. But the kinetic restrictions do not allow the conversion in a reasonable time.
  • the periodic pulse MCW discharge treatment in methane previously heated to 800 ° C increases the degree of methane conversion three times, although the average MCW energy discharge consists of only 10% of the preliminary heating. The degree of methane conversion achieves the thermodynamic equilibrium value.
  • the installation consists of an internal combustion engine whose heat is used to heat gasoline vapors and water vapors.
  • the fumes they enter the chemical reactor, where they are treated by the periodic discharge of MCW pulses.
  • MCW pulses Under the influence of the discharge, a considerable part of the gasoline-vapor mixture is converted into synthetic gas which, together with the unreacted hydrocarbon vapors, enters the internal combustion engine.
  • this scheme does not require the total conversion of the gasoline-steam mixture. Only 10% of the hydrogen present in the fuel mixture significantly increases engine performance, reducing toxic emissions and improving engine efficiency.
  • the facility aims to produce synthetic gas on board cars for use in ECG. It consists of a chemical reactor in which the conversion of gasoline with steam is carried out at the expense of the energy of partial oxidation.
  • a microwave generator is used for the acceleration of the reaction. Microwave radiation is directed inside the reactor, where chemically active particles are generated under the influence of microwave radiation. Active particles, which participate in chain processes, essentially accelerate the conversion of gasoline.
  • the heat exchanger is used to recover heat from the generated synthetic gas.
  • Hot gas flow (1000 ° C) 17 l / sec.
  • the scheme of the installation differs from the previous one only by the productivity and change of air by oxygen.
  • the amount of water is selected so that, under stoichiometric conditions, the temperature of the chemical reactor is 1000 ° K.
  • the content of the installation, its approximate parameters and the flow of reactants are shown for a productivity of 10,000 m 3 of synthetic gas per hour.
  • Average radiation power 200W large equipment content a) high voltage and power transformers; b) rectifier and power regulators; c) generator blocks with magnetrons; d) MCW channels; e) control console.
  • the power equipment requires for its placement 150 m 2 of open area. Other equipment is placed in a covered compartment with an area of 70 m 2 . Pulse power 600 kW
  • the main disadvantages of the thermal plasma technique are a fairly high energy consumption and a high operating temperature.
  • Discharge model to determine the primary discharge parameters, which are essential for chemical reactions in the plasma reactor.
  • the first stage is closely linked to the analysis of the available experimental results and provides the exhaustive construction of a physical model of the evolution of the discharge, which is in accordance with the experimental facts.
  • the second stage will determine the contributions of the different hydrocarbon conversion mechanisms to the predefined discharge conditions through the development of a physical-chemical discharge model. The results of this model generation can be used to improve the specific performance of a reactor by changing the discharge parameters.
  • the physical model of microwave discharge evolution will provide the primary plasma parameters, such as electron and ion concentrations, their average energies, the temperature of the gas as a function of time and their spatial distributions. It is useful to subdivide the evolution of the download into three different stages:
  • stage of quasi-equilibrium discharge in which there are filaments with a plasma almost in equilibrium
  • this model provides the value of the quasi-stationary field in the channel. These values can be compared with the experimental data for the intensity of the electric field and electron concentrations. Since the concentration of electrons in the channel provided by the frontal plane theory is relatively small ( ⁇ e of approximately 3 * 10 14 1 / cm 3 ), it is quite difficult to measure this amount from spectroscopic studies. However, the value quoted before ⁇ e agrees with the estimation of ⁇ e ⁇ 10 15 1 / cm 3 of the hydrogen line dispersion analysis. It should be mentioned that hydrogen plasma is more suitable for experimental measurements due to the more precise structure and well-known affordable kinetics and deviation parameters, not only for the fundamental state, but also for required excited states. This is the reason for the use of a hydrogen plasma in the first stage as a convenient sample environment for the discharge model.
  • the deviation in the case of hydrogen plasma may be due to impurities in the bulk gas, such as 1% water.
  • the temperatures of the electrons, which correspond to these field intensities are approximately 2eV.
  • An alternative way to determine this quantity is the population analysis of excited states of hydrogen, based on line intensities.
  • the rate of heating of gas in the plasma can determine the onset of the quasi-liquid state due to the heat instability of the ionization in the streamer channel.
  • the gas heating rate was determined by solving the kinetic equation for the energy of electrons and finding the contribution of each elementary process in the heating of the gas, taking into account the conservation of energy in some degrees of freedom.
  • the vibration energy can be expected to be stored without relaxation in translational and rotational degrees at least at low temperatures.
  • the simulation gives a temperature increase of approximately 100 K in the course of the first 100 ns. This value is sufficient to initiate heat instability of the ionization in the channel if pressure relaxation occurs fairly quickly.
  • the characteristic hydrodynamic time is approximately 100 ns for hydrogen and somewhat longer for methane.
  • the instability of the ionization in the streamer channel seems to be responsible for the thermalization of the channel by approximately 100 ns in hydrogen, since the experiment shows a sharp increase in gas temperature and electron concentration after approximately 200 ns in hydrogen and 400 ns in methane.
  • the concentration of electrons in the quasi-equilibrium state is determined from the assumption that the thickness of the skin layer is approximately the radius of the streamer. This assumption produces a concentration of electrons of approximately 10 16 1 / cm 3 , which reasonably matches the experimental value of approximately 5 * 10 16 1 / cm 3 .
  • the temperature of the experiment gas (approximately 5000 K in methane) is slightly lower than the equilibrium temperature for this concentration (approximately 6000 K) and thus provides the quasi-equilibrium state of the plasma.
  • the "cover" region near the channel is quite difficult to measure due to the small concentrations of electrons in it.
  • the concentration of electrons in this region depends on the concentrations of impurities in the gas (which can take part in the process of photoionization and ionization by association). This fact creates serious restrictions on the discharge model near the hot runner.
  • Figure 7 shows the dependence of the process time on the temperature at which the process is carried out.
  • the process time is the same as in the case of methane decomposition (see previous report), only at temperatures below 1500 K.
  • the limiting stage is the dissociation of methane CH4 ⁇ CH3 + H and at temperatures above 1500 K the limiting stage is the decomposition of acetylene.
  • This reaction is endothermic, but if oxygen is added to the incoming mixture, the reforming process is exothermic.
  • This process can be used to receive hg, which will burn in an internal combustion engine or on-board fuel cell.
  • reaction mixture was initially heated and after passing through the reactor, where a periodic discharge of high voltage pulses starts and stimulates the steam reforming reaction, there is also a reformer design that can be used for hg generation , where the h.g. burns in a fuel cell
  • the object of the invention is a plasma converter to convert hydrocarbons into hydrogen-rich gas.
  • the converter includes a heater, a mixer, reactor and microwave source connected to the reactor.
  • a periodic pseudo-corona impulse discharge of Microwave is used to accelerate the conversion process inside the reactor.
  • a pseudo-corona discharge is generated by a set of metal edges introduced into the microwave resonator in the region of maximum electric field.
  • Pulse duration, period-pulse pulse duration ratio, specific energy input, temperature at the reactor inlet a plasma-catalytic character is generated to the conversion process.
  • a plasma-catalytic conversion process is distinguished by its high specific productivity and its low electrical energy requirement at the lower temperature limit.
  • the proposed reactor makes it possible to carry out the process of converting fuel (petroleum, kerosene, diesel fuel, etc.) with steam, with steam-oxygen (steam-air) and also partial oxidation with air in hydrogen-rich gas.
  • fuel petroleum, kerosene, diesel fuel, etc.
  • steam-oxygen steam-air
  • Most of the energy, thermodynamically required to carry out a given process, is supplied to the system as thermal energy from the heater at the expense of heat recovery at the reactor outlet, and also (in case of vapor-oxygen conversion or partial oxidation) at the expense of partial combustion of fuel in the mixer.
  • the heater may include (in case of steam conversion) an arc plasmatron.
  • Supersonic injectors can be used in the mixer, which provide an effective mixture of the initial reactants in less than 10 "3 -1 0 " 5 sec
  • Modern technology allows the proposed device to be built for both a high-production stationary system and the compact design for installation in vehicles.
  • the use of hydrogen-rich gas production equipment from hydrocarbons on board vehicles makes it possible to avoid the use of hydrogen deposits at board.
  • the combined use of the proposed devices (use of adapted internal combustion engines for mixing hydrogen-rich gas and gasoline) on board allows the significant decrease of pollution and increase engine performance.
  • the engine performance characteristics are improved without radical changes in its design.
  • the application of the proposed equipment is its use with the fuel cell to generate electricity that is supplied to the electric motor of the vehicle.
  • the experimental setup shown in Figure 8, consists of: technological block (represented by the dashed line in Figure 1); reagent feed system (fuel, water, air); water supply system modulator, MCW generator, waveguide
  • Water and fuel evaporate in Evaporator 1 and Evaporator 2 and at temperatures greater than their corresponding boiling temperatures, they are fed: water - at the entrance of the heater 2 (arc plasmatron), the fuel - at the entrance of the mixer.
  • the temperature of the water vapor should be sufficient to avoid the condensation of steam during the feeding in the heater 2.
  • the temperature of the steam fuel should be sufficient to avoid the condensation of steam during the feeding in the mixer.
  • the air is heated to a temperature greater than the boiling temperature of the water and is fed with steam at the inlet of the heater 2.
  • the air temperature should be sufficient to prevent condensation of water vapor in the mixture at the inlet of heater 2.
  • the water vapor and the air mixture are heated to an average temperature of the fixed mass depending on the regime chosen (see Tables 2, 3, 4 and 5) and fed into the mixer inlet.
  • the operating regimes of the technology block are determined by the change in power of the heater 2 and / or the changes in the consumption of initial reactants.
  • the heated mixture of reactants is treated by a pseudo-corona microwave discharge of periodic impulse.
  • the products of the process are cooled in the heat exchanger, the condensed phase is separated (water and unreacted fuel, and in some cases coal) in the cyclone heat exchanger.
  • the synthetic gas obtained is sent to the chromatographic analysis. At point “16", the consumption of gas phase products is determined. Necessarily, the consumption of unreacted water and fuel in the liquid phase is determined in item "17".
  • the discharge trigger and the MCW input device constructively enter the technology block.
  • the discharge trigger is a pivot of pointed tungsten, introduced into the reactor in the MCW field, to initiate the microwave discharge of pseudo-corona effect.
  • the measuring points (points "4-1 5") of the main parameters of the technology block are shown in Figure 1.
  • the nominal values of the parameters of the technological block (consumption of reactants, temperature regimes) for the basic regimes of the reaction scheme are shown in Tables 1, 2, 3 and 4.
  • the MCW installation modulator produces a series of periodic voltage pulses, essential for the operation of the MCW generator with the MCW input device.
  • the main parameters of MCW radiation duration of the radiation pulse - 0.1, 1 mks; pulse repetition frequency up to 1 kHz; impulse power - up to 50 kW; medium power - up to 50 W; radiation wavelength - 3 cm
  • the input reactants are fed into the input of the technology block under normal conditions (points 1, 2, and 3 in Figure 1).
  • the cooling water has nearby parameters at the inlet, pressure - 3 atm. temperature - 15 ° - 25 ° C
  • FIG. 9 A diagram of the arrangement of nearby elements of the technological block is shown in Figure 9: heater 2 (arc plasmatron), mixer, reactor, discharge trigger, MCW input device and TC thermocouple group, (the index corresponds to the measurement point in the diagram) for the control of the temperature regime of the block.
  • heater 2 arc plasmatron
  • mixer mixer
  • reactor reactor
  • discharge trigger MCW input device
  • TC thermocouple group the index corresponds to the measurement point in the diagram
  • the diameter of the pipe is 20 mm.
  • the power of the plasmatron is 300 W - without considering the coefficient of plasmatron performance, losses, etc.
  • Work gas water vapor, water vapor mixture with air.
  • thermocouples TC 4 and TC 5 are incorporated in the plasmatron.
  • the TC 9 thermocouple is active and measures the radial temperature distribution at the plasmatron outlet - at the mixer inlet. The possibility of removing the thermocouple from the cross section of the pipe is provided.
  • the parameters of a mixed component are set by the working regime of the arc plasmatron.
  • the mixing time is 10 "4 s.
  • the temperature of the gas after mixing is 500-1560 K.
  • the TC 6 thermocouple is incorporated in the mixer.
  • the TC 10 thermocouple controls the temperature of the gas after mixing in the center of the pipe. The possibility of removing the thermocouple from the cross section of the pipe is provided.
  • the head end reactor is closed by the metal wall MC with holes for the spectral diagnosis of the discharge and a GW sight glass of vacuum glass.
  • the MC wall serves to reflect the MW radiation in the direction of the MCZ DZ discharge zone.
  • the distance between MC and the axes of the MCW radiation entering the device is of the order of 5-10 cm.
  • the "cyclonic" heat exchanger may be connected to - 5?
  • the arrangement of the technology block in this case is horizontal.
  • the reflection of the MCW radiation in the direction of the discharge zone of the mixing zone is obtained by reducing the cross-section of the pipe at the mixer outlet from 20 mm to 15 mm.
  • the MCW radiation input device is a rectangular waveguide that has a cross section of 24 x 11 mm.
  • the wide waveguide wall is oriented along the pipe.
  • the wide wall is 150 mm long.
  • the sealant made of material transparent to the radiation of MW has been arranged.
  • the wheelbase of the input device and the discharge area of MW is of the order of 5 to 10 cm.
  • the initiator of the discharge is a pointed tungsten bar that has a diameter of the order of 2 mm.
  • the initiator is active in the radius of the pipe and there is the possibility of removing the tungsten bar from the cross section of the pipe.
  • the TC ⁇ thermocouple controls the radial temperature distribution of the pipe.
  • the temperature range is 300 to 1 560 K.
  • the thermocouple is active in the radius of the pipe and there is the possibility of removing the thermocouple from the cross section of the pipe.
  • the distance from the discharge zone DZ to the inlet to the reactor-outlet of the mixer is minimal and is defined by particularities of construction of the block elements.
  • the nominal parameters of the process were calculated for the characteristic regimes of the experimental investigations, in order to determine the pattern of consumption of reactants. This data is used for the design of the installation project.
  • the energy input defines the process temperature regime and the value of the degree of equilibrium of the conversion. In the experimental investigations two main regimes are given: varying the power W 4 to a constant consumption of initial reactants Q (Table 1) and varying the consumption of the initial reactants Q at constant heating power W 4 (Table 2).
  • the W MCW ev / W 4 ratio is constant and equal to approximately 15%.
  • the degree of conversion ⁇ corresponds to the degree of conversion of the fuel.
  • the device of our invention serves to carry out the piasmacatalytic processes for the conversion of fossil fuels into synthetic gas rich in hydrogen (mixture of hydrogen with carbon monoxide)
  • the main processes of fuel conversion are:
  • the reagents, before entering the plasmacatalytic reactor area, are preheated to the temperature at which the scale and equilibrium of conversion is sufficient for the reactor. This temperature, as a rule, is too low for the process to be carried out in an acceptable time (kinetic braking).
  • the treatment of reagents previously heated by plasma allows, through chain processes with the participation of the particles chemically active, eliminate kinetic limitations and reach the equilibrium value of the reagent conversion scales.
  • the main part of the device object of the invention is the plasmacatalytic reactor ( Figure 10), in which the previously heated reagents are treated by the periodic microwave pulse discharge of pseudo corona effect.
  • the reactor is a metal tube (1 in Figure 10) of round section which serves both to transport the gas and as a waveguide for the propagation of microwave radiation.
  • Microwave radiation enters the reactor through a standard rectangular waveguide (2) (wave type H01) through the communication hole (3).
  • the communication hole is closed by the hermeticizer (8), transparent for microwave radiation to avoid disturbance of the gas dynamics parameters and to isolate the waveguide conduit from the reactor volume.
  • the wide wall of the rectangular waveguide is along the axis of the tube in which the wave type H1 1 is excited in the round waveguide. The distribution of the electric field E in the rectangular and round waveguides is described in drawings 2 and 3.
  • the diameter of the reactor is chosen under the condition that other (higher) types of waves are not excited in the round waveguide, except the wave of the main type H 1 1.
  • the next type of wave is type E01. Compliance with the condition indicated above leads to the need to maintain the following relationships for diameter D:
  • Lo is the wavelength of microwave radiation in free space
  • Icr the critical wavelengths in the round waveguide for the corresponding wave types
  • the condition for the diameter of the reactor is taken from the indicated ratios:
  • the heated reagents enter the reactor from the mixing block (1 1 in Figure 10) through the reagent inlet element (4).
  • the mixer represents an apparatus with three reagent input systems.
  • the first reagent input system (10) is installed on the system axis. Through it, the heated water vapor (process j), or the heated steam-air mixture (k), or the heated air (I) is sent to the mixer in different variants of the process and conversion.
  • the second and third reagent inlets (9 and 10) represent concentric systems of supersonic nozzles. The use of such nozzles in the construction of the device takes time to mix the reagents at the molecular level of 10-3-10-4 seconds.
  • oxidation of the fuel by the oxygen of the air takes place. The energy produced in the oxidation process heats reagents even more.
  • the input element of the reactants to the reactor (4) represents a part of the tube that narrows towards the mixer.
  • the narrowing scale must be sufficient for the reagent input element to be outside the limit for the H1 1 wave, in other words, for microwave radiation to be reflected from this element to the communication hole (3). This condition leads to the following correlation for the transverse characteristic dimension of the reagent input element - diameter d:
  • Process products leave the reactor through the plug holes (5).
  • the plug is intended to reflect microwave radiation towards the communication hole (3).
  • Another variant for organizing the output system of the products of the reactor process may be a piece of tube analogous to the reagent inlet element (4), but narrowing in the opposite direction.
  • the reactor (L in Figure 10) must equal an integer n of the half-wavelengths lwg / 2 of the microwave radiation in the waveguide:
  • the discharge is initiated by crown element - a sharp bar (6) of little fusible metal, introduced into the waveguide.
  • the tip of the bar increases the value of the microwave electric field E around it and with that the stage of the pseudo corona effect of the discharge is achieved.
  • the bar is oriented along the force lines of field E within the waveguide (figure 12).
  • the position of the tip and the bar (H in Figure 12) is approximately half the radius of the waveguide.
  • the bar In the longitudinal direction (L2 in figure 10) the bar is located in place where the field of the fixed wave in the resonator without download is maximum:
  • the pseudo corona discharge stage estreamers are transformed into the microwave field in the plasma streamer system and propagated in the form of a microwave estreamer filling the tube cross-section and creating the microwave impulse discharge zone (7 in figure 10).
  • the destination of the stage of the discharge of the pseudo corona effect is the generation of plasma at atmospheric pressure with high average electron energy.
  • the fate of the microwave estreamer stage is the creation of a plasma formation developed in space for the catalytic plasma treatment of the reagents.
  • the source of the microwave radiation operates in the impulse-periodicity regime.
  • the duration of the radiation pulse t1 is defined by the time required to perform both stages of the discharge (stage of the pseudo corona effect and stage of the microwave estreamer) under specific conditions.
  • the period of the repetition of the radiation pulses t2 is given based on the optimal coordination of the following quantities: time of existence of the active particles generated by plasma in the passive phase of the discharge after the cessation of the radiation pulse of the radiation super high frequency; linear speed of reagents passing through the discharge zone; energy contribution to the discharge:
  • W " is the average power of the microwave radiation
  • W PULSE - is the impulse power
  • Q - is the consumption of reagents.
  • the pulse power of microwave radiation W PULSE , (h), (i) defines the plasma energy input J PLASMA -
  • the pulse power depends on the magnitude of the electric field in the round waveguide without plasma, which has to have a lower value of the disruptive discharge and, at the same time, be sufficient for the initiation of the stage of the pseudo corona effect of the discharge on the crown element.
  • the thermal energy contribution (energy contribution from the previous heating of the reagents) J heat must be sufficient for the heating of reagents up to the given temperature and for the compensation of the energy consumptions for the realization of the endogenous processes in the system that lead to realization of the
  • Preheating reagents can be done in the following ways:
  • heater with independent power source eg arc plasmatron
  • incineration of a part of the fuel in the combustion chamber e.g arc plasmatron
  • the ratio of plasma energy contribution to the heat energy contribution J p ⁇ asrna / J heat is of the order 1-10%.
  • the following temperatures are characteristic of the fuel vapor conversion process (j) with the 35% transformation scale: heating temperature of water vapors 1450 K, mixing temperature of water vapors ITUTORIA vapors RULE 26 fuels after mixing 890 K-, temperature of process products after completion 620 K.
  • the following temperatures are characteristic for the process of converting fuel vapor (j) with the 65% transformation scale: heating temperature of water vapors 2180 K, mixing temperature of water vapors fuel vapors after mixing 1 150 K, temperature of process products after completion 665 K
  • temperatures are characteristic for the process of the conversion of fuel vapor (j) with the 99% transformation scale: heating temperature of water vapors 3750 K (not counting the processes of dissociation of water molecules ), temperature of the mixture of water vapors-fuel vapors after mixing 1560 K, temperature of process products after completion 800 K.
  • temperatures are characteristic for the process of converting fuel vapor-oxygen (k) with the 65% transformation scale (mole-water ratio; air equivalent to 2.5): temperature of the heating of the mixture steam-air 1390 K, temperature of reagents after mixing 890 K, temperature of process products after completion 650 K.
  • the following temperatures are characteristic: heating temperature of the steam-air mixture 1110 K, TITUTORY RULE 26) reagent temperature after mixing 896 K, temperature of process products after completion 1611 K.
  • the device proposed can perform the conversion processes of fossil fuel with steam, steam-oxygen and fuel vapor in H 2 -gas enriched, and the partial oxidation process stimulated fuel
  • Water vapor is sent to the heater, from there it goes to the first inlet of the mixing chamber and the fuel goes to the second and third inlets of the mixing chamber. According to the required regime, the ratio of the amount of fuel to the second and third inputs of the mixing chamber can be changed in the 0- fingerboard
  • SUBSTITUTE SHEET RULE 26 As a heater, as indicated in Figure 14, a recovery heat exchanger can be used that uses the heat from the reactor outlet and the arc plasmatron connected in series.
  • the temperature of the water vapors, necessary for the process of the conversion of fuel vapor, at the outlet of the heater is in the ranges of 1400-3000 K ° , and the temperature of reagents at the entrance to the reactor is at 900-1500 K °.
  • the general energy balance for the plasmacatalytic process of steam conversion consists of the energy consumption for evaporation of reagents (J steam ), reagent heating and the chemical process.
  • the dependence given is presented in the following table (energy input J SUM is presented in the form of a ratio of the power to the quantity by weight of the liquid reagents).
  • the water vapor mixed with the air is sent to the heater and the fuel is sent to inputs 2 and 3 in the proportion 0.5-2.
  • the temperature at the outlet of the heater is equivalent to 500-600 K and at the entrance to the reactor 800-1500 K °.
  • the mole ratio of water / air vapor and water / fuel vapor varies in the range of 0.3-2 and 3-7 respectively.
  • the air is sent to the heater, and to the second and third inlets of the mixing chamber the fuel in the proportion of 0.5-2 and the molar ratio of air / fuel at the entrance to the reactor equals 8-12.
  • the temperature, necessary for the process of partial oxidation of the fuel, at the outlet of the heater is in the ranges of 500-600 K ° and the temperature at the entrance to the reactor is between 900-1100 K °
  • the magnitude of the J SUM energy contribution is necessary (see p. 3.1.) 1000-1500 kJ / kg. With which the scale of the transformation of the reagents reaches 100%.
  • FIGURE 10- DEVICE CONSTRUCTION
  • FIGURE 11 COORDINATION OF THE DISTRIBUTIONS OF THE ELECTRICAL FIELD IN RECTANGULAR AND ROUND GUIASONDAS.
  • FIGURE 12 BARRA GUIDE ENTRY SYSTEM
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26 3 - lines of force of the electric field in waveguides of the bar and the discharge. Below is the distribution of the amplitude of the microwave electric field.
  • FIGURE 13 SCHEME OF THE CONVERSION PROCESS OF
  • FIGURE 15- FUEL VAPOR-AIR CONVERSION PROCESS SCHEME

Abstract

The invention relates to a device for the production of hydrogen-rich gas from fossil fuels. The device comprises a heater, a mixer and a MCW plasma reactor which are combined in series, as well as an MCW energy source. A pseudo-corona periodical impulse discharge at atmospheric pressure is produced in the reactor and initiates a low temperature plasma-catalytic fuel transformation process. The device enables to carry out the transformation reactions with steam, with steam-air and partial oxidation of fossil fuels for the production of a hydrogen-rich gas with high specific productivity (volumetric ratio) and with a minimum consumption of electric energy. Prior heating of the reagents provides a large part of the energy which is required by thermodynamics. Part of the thermal energy is recovered at the outlet of the plasma reactor. The device can be sufficiently compact in order to be used in internal combustion engines of transport vehicles. The device can be used also in stationary systems for the production of hydrogen-rich gas (power generating plants, etc.). Other fields related with the invention are the construction of microwave plasma equipments (plasma reactors) and the construction of vehicle engines. The present invention relates to the process for converting fossil fuels into hydrogen-rich gas (synthesis gas) through the use of plasma which is generated by microwaves with the addition of oxygen (or air) and with the possibility of water addition.

Description

CONVERTIDOR DE PLASMA DE COMBUSTIBLES FÓSILES EN UN FOSSIL FUEL PLASMA CONVERTER IN A
GAS RICO EN HIDROGENOGAS RICO IN HYDROGEN
OBJETO DE LA INVENCIÓN El objeto de la presente invención consiste en un convertidor de plasma de combustibles fósiles en una gas rico en hidrógeno.OBJECT OF THE INVENTION The object of the present invention is a plasma converter of fossil fuels in a gas rich in hydrogen.
Este convertidor comprende un calentador, una cámara de mezcla, un reactor unidos todos ellos en serie y una fuente de energía de microondas (MCN) para el reactor, siendo este convertidor capaz de producir a partir de los combustibles fósiles tradicionales un gas de alto contenido en hidrógeno con el fin de aumentar el rendimiento de un motor de combustión interna.This converter comprises a heater, a mixing chamber, a reactor all connected in series and a microwave energy source (MCN) for the reactor, this converter being able to produce a high content gas from traditional fossil fuels in hydrogen in order to increase the performance of an internal combustion engine.
AntecedentesBackground
Esta invención se refiere a la producción de un gas rico en hidrógeno a partir de hidrocarburos. El hidrógeno es atractivo para su uso como combustible, como aditivo para combustibles de motores de combustión interna debido a que su presencia puede cambiar de forma significativa las propiedades químicas del combustible y puede reducir significativamente la contaminación de los productos de combustión [el efecto del uso de la adición de hidrógeno al combustible es aumentar el rendimiento de un motor de combustión interna entre el 10-50% .Véase Mishchenko, et al., Proc. Vil World Hydrogen Energy Conference, Vol 3This invention relates to the production of a hydrogen rich gas from hydrocarbons. Hydrogen is attractive for use as a fuel, as an additive for internal combustion engine fuels because its presence can significantly change the chemical properties of the fuel and can significantly reduce the contamination of combustion products [the effect of use The addition of hydrogen to the fuel is to increase the performance of an internal combustion engine by 10-50%. See Mishchenko, et al., Proc. Vil World Hydrogen Energy Conference, Vol 3
(1988), Belogub, et al., Int. J. Hydrogen Energy, Vol 16, 423 (1991 ), Varde, et al., Hydrogen Energy Progress V., Vol 4 (1984), Feucht, et al. , Int, J. Hydrogen Energy, Vol 13, 243 (1988), Chuveliov, et al. , In. : Hydrogen Energy and Power Generation, T. Nejat Veziroglu, Ed., Nova Science Publisher, New York, N. Y. (1991 ), Das Int. J. Hydrogen Energy, Vol 16, 765 (1991 ). Patentes relacionadas son las patentes de los Estados Unidos números 5887554, 5425332, 5437250 y la patente mundial n° PCT/US98/18027.(1988), Belogub, et al., Int. J. Hydrogen Energy, Vol 16, 423 (1991), Varde, et al., Hydrogen Energy Progress V., Vol 4 (1984), Feucht, et al. , Int, J. Hydrogen Energy, Vol 13, 243 (1988), Chuveliov, et al. , In. : Hydrogen Energy and Power Generation, T. Nejat Veziroglu, Ed., Nova Science Publisher, New York, NY (1991), Das Int. J. Hydrogen Energy, Vol 16, 765 (1991). Related patents are U.S. Patents Nos. 5887554, 5425332, 5437250 and World Patent No. PCT / US98 / 18027.
En dispositivos análogos, la energía para el proceso de conversión se puede aportar bien precalentando la mezcla de gas o por reacciones exotérmicas (por ejemplo, la oxidación total o parcial de hidrocarburos) o por calentamiento con energía eléctrica. Además, en un primer y segundo caso, se puede usar plasma como catalizador de los procesos químicos (tratamiento con plasma de reaccionantes precalentados). Véase V. D. Rusanov, K. Etivan, A. I. Babaritskii, I. E. Baranov, S. A. Demkin, V. K. Jivotov, B. V. Potapkin y E. I. Ryazantsev, The Effect of Plasma Catalysís by the Example of Methane Dissociation into Hydrogen and Carbón (El efecto de la catálisis por plasma por el ejemplo de la disociación de metano en hidrógeno y carbono), Dokl. Akad. Nauk, 1997, vol 354, n° 1 páginas 213 a 215 y también A. I. Bararitskii, M. A. Deminskü, S. A. Demkin, K. Etivan, V. K. Jivotov, B. V. Potapkin, S. V. Potekhin, V. D. Rusaov y E. I. Ryazantsev, The Effect of Plasma Catalysis in Methane Decomposition "El efecto de la catálisis por plasma en la descomposición de metano), Khim. Vys. Energ., 1999, vol. 33, n° 1 , páginas 59 a 66.In similar devices, the energy for the conversion process can be provided either by preheating the gas mixture or by exothermic reactions (for example, the total or partial oxidation of hydrocarbons) or by heating with electrical energy. In addition, in a first and second case, plasma can be used as a catalyst for chemical processes (plasma treatment of preheated reactants). See VD Rusanov, K. Etivan, AI Babaritskii, IE Baranov, SA Demkin, VK Jivotov, BV Potapkin and EI Ryazantsev, The Effect of Plasma Catalysís by the Example of Methane Dissociation into Hydrogen and Coal (The effect of plasma catalysis by the example of dissociation of methane into hydrogen and carbon), Dokl. Akad Nauk, 1997, vol 354, No. 1 pages 213 to 215 and also AI Bararitskii, MA Deminskü, SA Demkin, K. Etivan, VK Jivotov, BV Potapkin, SV Potekhin, VD Rusaov and EI Ryazantsev, The Effect of Plasma Catalysis in Methane Decomposition "The effect of plasma catalysis on the decomposition of methane), Khim. Vys. Energ., 1999, vol. 33, no. 1, pages 59 to 66.
Es reconocido por todo el mundo que el sustituto más adecuado para los combustibles fósiles es el hidrógeno gaseoso (H2), las tecnologías que existen hoy en día se han encontrado con una serie de obstáculos técnicos y económicos para la utilización del hidrogeno. El hidrógeno es una sustancia altamente inflamable que requiere sistemas de almacenamiento complejos y costosos. Además, la implantación de una red de distribución a nivel mundial de hidrógeno implica costes económicos y una escala de tiempos que son inabordables incluso por los países desarrollados.It is recognized by everyone that the most suitable substitute for fossil fuels is hydrogen gas (H 2 ), the technologies that exist today have encountered a series of technical and economic obstacles to the use of hydrogen. Hydrogen is a highly flammable substance that requires complex and expensive storage systems. In addition, the implementation of a Global distribution network of hydrogen implies economic costs and a timescale that are unapproachable even by developed countries.
La disponibilidad de una miniplanta química, que reforme de forma económicamente viable combustibles fósiles y alcoholes, a medida que se necesita con el fin de obtener un gas sintético rico en hidrógeno, es la clave para el uso a mayor escala del hidrógeno como combustible, tamto en pilas de combustible como en motores de combustión interna (ICE).The availability of a chemical mini-plant, which economically refurbishes fossil fuels and alcohols, as needed in order to obtain a synthetic gas rich in hydrogen, is the key to the larger-scale use of hydrogen as fuel, tamto in fuel cells as in internal combustion engines (ICE).
Existen cuatro "variables clave" que deberán cumplirse:There are four "key variables" that must be met:
• La primera es "la rapidez con la que se puede arrancar el convertidor". Hoy en día, el reformador más eficaz necesita de 5 a 10 minutos para arrancar.• The first is "how quickly the converter can be started". Today, the most effective reformer needs 5 to 10 minutes to start.
• La segunda es "la respuesta instantánea": la rapidez con la que responde un coche cuando el conductor pisa el acelerador.• The second is "the instant response": how quickly a car responds when the driver steps on the accelerator.
• La tercera es que "el consumo de energía térmica y eléctrica" necesario para cumplir los requisitos del proceso de conversión deberán ser muy bajos y deben estar dentro de parámetros que permitan ser compensados por la energía generada por el ICE o la pila de combustible que use el convertidor.• The third is that "the consumption of thermal and electrical energy" necessary to meet the requirements of the conversion process must be very low and must be within parameters that allow to be compensated for the energy generated by the ICE or the fuel cell that Use the converter.
• La cuarta, en el caso de que los convertidores se puedan mejorar, es conseguir un "precio comercialmente viable" para el reformador.• The fourth, in the case that converters can be improved, is to achieve a "commercially viable price" for the reformer.
Un motor de gasolina responde en milésimas de segundo, pero un reformador que reaccione lentamente sería considerado un coche lento y el conductor lo rechazaría. Reformadores de combustibles y almacenamiento del hidrógenoA gasoline engine responds in thousandths of a second, but a reformer who reacts slowly would be considered a slow car and the driver would reject it. Fuel reformers and hydrogen storage
En 1992, Arthur D. Little inició un programa en cooperación con un estudio DOE para desarrollar opciones además del reformado a bordo de un automóvil de metanol como medio de alimentar por hidrógeno a vehículos con pilas de combustible. La fase 1 de este programa incluye un análisis de ios reformadores de varios combustibles, tecnologías de almacenamiento de hidrógeno a bordo y necesidades de infraestructura para el hidrógeno. La fase 2 implicará el desarrollo y prueba de un reformador de 10 kW y una unidad de almacenamiento de hidrógeno de 1 kg de capacidad.In 1992, Arthur D. Little initiated a program in cooperation with a DOE study to develop options in addition to the refurbishment aboard a methanol car as a means of hydrogen fueling vehicles with fuel cells. Phase 1 of this program includes an analysis of the various fuel reformers, on-board hydrogen storage technologies and hydrogen infrastructure needs. Phase 2 will involve the development and testing of a 10 kW reformer and a 1 kg capacity hydrogen storage unit.
Las alternativas a la alimentación directa de hidrógeno a la pila de combustible incluyen: hidrógeno licuado, hidrógeno comprimido, absorción sobre carbón y almacenamiento en forma de hidruros.Alternatives to the direct supply of hydrogen to the fuel cell include: liquefied hydrogen, compressed hydrogen, carbon absorption and storage in the form of hydrides.
El hidrógeno licuado se ha probado en varios vehículos desde los años setenta en los Estados Unidos y otros países. La densidad volumétrica y rnásica del hidrógeno licuado cuando se usa con una pila de combustible es la misma o mejor que el combustible diesel usado con un motor de combustión interna. Los inconvenientes son la elevada energía de licuación, problemas de manipulación y la inevitable liberación de gas evaporado.Liquefied hydrogen has been tested in several vehicles since the 1970s in the United States and other countries. The volume and density density of liquefied hydrogen when used with a fuel cell is the same or better than diesel fuel used with an internal combustion engine. The disadvantages are the high liquefaction energy, handling problems and the inevitable release of evaporated gas.
El hidrógeno comprimido es la tecnología a bordo más sencilla para conceptualizar y se beneficiaría de los recientes avances en materiales compuestos y mejoras en los costes del progreso en vehículos a gas natural. Los depósitos de alta presión construidos con materiales avanzados proporcionarían un comportamiento en cuanto al peso razonable, aunque un comportamiento volumétrico tan solo marginal. Los aspectos técnicos a resolver incluyen permeabilidad del cilindro, normas de diseño de depósitos para presiones más elevadas y diseño de compresores de hidrógeno para su repostaje.Compressed hydrogen is the simplest on-board technology to conceptualize and would benefit from recent advances in composite materials and improvements in the costs of progress in natural gas vehicles. High-pressure tanks constructed with advanced materials would provide a reasonable weight behavior, although only marginally volumetric behavior. The technical aspects to be solved include cylinder permeability, tank design standards for higher pressures and hydrogen compressor design for refueling.
Varias compañías están desarrollando procesadores de varios combustibles, con diferentes procesos tales como:Several companies are developing processors of various fuels, with different processes such as:
• Reformado con vapor (SR): Este proceso representa básicamente una conversión catalítica de metano y agua (vapor) en hidrógeno y dióxido de carbono a través de tres etapas principales. Varias compañías, a saber, Haldor-Topsoe (USA-Dinamarca), Howe- Baker Engineers (USA), IFI/ONSI (USA), Ballard Power Systems (Canadá) y Chiyoda (Japón) han trabajado en el diseño y construcción de este sistema.• Steam reforming (SR): This process basically represents a catalytic conversion of methane and water (steam) into hydrogen and carbon dioxide through three main stages. Several companies, namely Haldor-Topsoe (USA-Denmark), Howe-Baker Engineers (USA), IFI / ONSI (USA), Ballard Power Systems (Canada) and Chiyoda (Japan) have worked on the design and construction of this system.
• Oxidación parcial (PO): Es Un proceso exotérmico mediante el cual el hidrógeno y el dióxido de carbono se producen a partir de combustibles hidrocarburos (gasolina y otros) y oxígeno (o aire). Los procesos PO tienen una serie de ventajas importantes sobre los procesos SR. Compañías como Arthur D. Little (EPYX), Chrysler Corp. and Hydrogen Burner Technologies (todas de USA) han anunciado planes para desarrollar convertidores por PO.• Partial oxidation (PO): It is an exothermic process by which hydrogen and carbon dioxide are produced from hydrocarbon fuels (gasoline and others) and oxygen (or air). PO processes have a number of important advantages over SR processes. Companies such as Arthur D. Little (EPYX), Chrysler Corp. and Hydrogen Burner Technologies (all from the USA) have announced plans to develop PO converters.
Las etapas del convertidor EPYX PO son: 1 .- vaporización del combustible (gasolina) por la aplicación de calor, 2.- el combustible vaporizado se combina con una pequeña cantidad de aire en un reactor de oxidación parcial, produciendo hidrógeno y monóxido de carbono, 3.- el vapor sobre monóxido de carbono reacciona con un catalizador para convertir la mayor parte del monóxido de carbono en dióxido de carbono e hidrógeno adicional, 4.- en la etapa de oxidación referida, el aire inyectado reacciona con el monóxido de carbono restante sobre el catalizador formando dióxido de carbono y vapor de agua, produciendo gases ricos en hidrógeno.The stages of the EPYX PO converter are: 1 .- vaporization of the fuel (gasoline) by the application of heat, 2.- the vaporized fuel is combined with a small amount of air in a partial oxidation reactor, producing hydrogen and carbon monoxide , 3.- the vapor on carbon monoxide reacts with a catalyst to convert most of the carbon monoxide into carbon dioxide and additional hydrogen, 4.- in the referred oxidation stage, the injected air reacts with the remaining carbon monoxide on the catalyst forming carbon dioxide and water vapor, producing hydrogen rich gases.
• Reformado autotérmico (AR : En este proceso exotérmico, el combustible hidrocarburo reacciona con una mezcla de agua y oxígeno. La energía liberada por la reacción de oxidación del hidrocarburo activa el proceso de reformado con vapor. Compañías como Roll-Royce/Johnson-Matthew (UK) e International Fuel Cell/ONSI (USA) están trabajando en el desarrollo del proceso AR.• Autothermal reforming (AR: In this exothermic process, the hydrocarbon fuel reacts with a mixture of water and oxygen. The energy released by the oxidation reaction of the hydrocarbon activates the steam reforming process. Companies such as Roll-Royce / Johnson-Matthew (UK) and International Fuel Cell / ONSI (USA) are working on the development of the AR process.
• Descomposición térmica (TD): (o pirólisis, o craqueo) del combustible hidrocarburo produce hidrógeno y carbono limpio. Las necesidades energéticas por mol de hidrógeno producido a partir de metano son algo menores que las del proceso SR. La evaluación técnico-económica de la producción de hidrógeno por los procesos de SR, PO y TD indica que el coste (en dólares USA/1000 m3) de hidrógeno producido por los procesos TD (57) es menor que para• Thermal decomposition (TD): (or pyrolysis, or cracking) of the hydrocarbon fuel produces hydrogen and clean carbon. The energy requirements per mole of hydrogen produced from methane are somewhat lower than those of the SR process. The technical-economic evaluation of hydrogen production by SR, PO and TD processes indicates that the cost (in US dollars / 1000 m 3 ) of hydrogen produced by TD processes (57) is lower than for
SR (67) y PO (109).SR (67) and PO (109).
Existe otro concepto de conversión de hidrocarburos asistido por plasma. En este enfoque, se usa un plasma no térmico frío como fuente de especies activas, con el fin de acelerar las reacciones químicas. Las necesidades energéticas del procedimiento pueden cumplirse, en este caso, a través de energía térmica (baja temperatura) y de este modo el plasma actúa como catalizador. El plasma puede producirse por la acción de temperaturas muy elevadas, y intensos campos eléctricos, o intensos campos magnéticos. En esas descargas, los electrones libres adquieren energía a partir de un campo eléctrico impuesto y pierden esta energía causa de las colisiones. Él plasma de una descarga incandescente esta caracterizado por elevadas temperaturas de los electrones y bajas temperaturas del gas y tiene concentraciones de electrones de aproximadamente 109 a 1012 cm3 y tiene una ausencia de equilibrio térmico que hace posible un plasma en el cual la temperatura del gas puede ser próxima a la ambiente con el fin de obtener un plasma en el que los electrones están suficientemente excitados para provocar la rotura de los enlaces moleculares.There is another concept of plasma-assisted hydrocarbon conversion. In this approach, a cold non-thermal plasma is used as a source of active species, in order to accelerate chemical reactions. The energy needs of the process can be met, in this case, through thermal energy (low temperature) and thus the plasma acts as a catalyst. Plasma can be produced by the action of very high temperatures, and intense electric fields, or intense magnetic fields. In these discharges, free electrons acquire energy from an imposed electric field and lose this energy due to collisions. The plasma of an incandescent discharge is characterized by high electron temperatures and low gas temperatures and has electron concentrations of approximately 109 to 1012 cm 3 and has an absence of thermal equilibrium that makes possible a plasma in which the gas temperature It may be close to the environment in order to obtain a plasma in which the electrons are sufficiently excited to cause the breakage of the molecular bonds.
Se ha observado que en los plasmas tiene lugar un amplio espectro de reacciones. Estas incluyen reacciones entre electrones y moléculas, iones y moléculas, iones y iones, y electrones e iones. En los últimos veinte años han estado disponibles diferentes tipos de descargas. La disponibilidad de los generadores de radio frecuencia y de microondas ha centrado la atención en los últimos años en el uso de descargas sin electrodos.It has been observed that a wide spectrum of reactions takes place in plasmas. These include reactions between electrons and molecules, ions and molecules, ions and ions, and electrons and ions. Different types of downloads have been available in the last twenty years. The availability of radio frequency and microwave generators has focused attention in recent years on the use of electrodeless discharges.
En un plasma no térmico frío, sólo las partículas cargadas (electrones, iones) adquieren energía del campo eléctrico aplicado y las partículas neutras permanecer aproximadamente a la misma temperatura. El plasma no térmico frío se puede crear por una descarga eléctrica incandescente normalmente accionada a presión reducida. (Los plasmas de descarga incandescente también son adecuados para promover reacciones químicas que impliquen materiales térmicamente sensibles. Se han publicado relativamente pocos trabajos experimentales básicos sobre la correlación estructura/ rechazó, de las membranas de polimerización con superficie modificada. La potencia usada para preparar las membranas varía de 30 a 150 W, siendo el tiempo de polimerización de 60 a 3.000 s).In a cold non-thermal plasma, only charged particles (electrons, ions) acquire energy from the applied electric field and the neutral particles remain at approximately the same temperature. Cold non-thermal plasma can be created by an incandescent electric shock normally operated under reduced pressure. (Incandescent discharge plasmas are also suitable for promoting chemical reactions involving thermally sensitive materials. Relatively few basic experimental papers have been published. on the structure / rejected correlation of polymerization membranes with modified surface. The power used to prepare the membranes varies from 30 to 150 W, with the polymerization time being 60 to 3,000 s).
La energía eléctrica necesaria para mantener el estado de plasma se puede transmitir a un gas por acoplamiento resistivo con electrodos internos, por acoplamiento capacitivo con electrodos externos, o por acoplamiento inductivo con una bovina externa o, en el caso de descarga por microondas, por medio de una estructura de onda lenta. A causa de las muchas especies reactiva en diferentes plasmas, no ha sido posible explicar de forma completa los mecanismos de las reacciones químicas en un plasma. Es bien conocido que los combustibles fósiles y los métodos que se emplean actualmente para obtener energía útil (electricidad, movimiento mecánico, etc..) son muy ineficaces. Los motores de combustión interna más eficaces usados para el transporte diario consiguen rendimientos máximos del 32%. Esto implica que el 68% de la energía disponible del combustible no se utiliza para obtener energía mecánica (movimiento), sino que se pierde. Hay muchas razones para esto, principalmente el límite impuesto por los principios de la termodinámica, que se establece (para un motor de cuatro tiempos que usa gasolina) en el 43%. Sin embargo, los mejores motores que se usan aún están lejos de su máximo rendimiento. Además de esta utilización deficiente de uno de nuestros recursos naturales más valiosos, la cantidad de contaminación generada por la combustión (oxidación) de combustibles fósiles se ha convertido en un problema creciente que afecta a la toda la biosfera.The electrical energy necessary to maintain the plasma state can be transmitted to a gas by resistive coupling with internal electrodes, by capacitive coupling with external electrodes, or by inductive coupling with an external bovine or, in the case of microwave discharge, by means of a slow wave structure. Because of the many reactive species in different plasmas, it has not been possible to fully explain the mechanisms of chemical reactions in a plasma. It is well known that fossil fuels and the methods currently used to obtain useful energy (electricity, mechanical movement, etc.) are very inefficient. The most efficient internal combustion engines used for daily transport achieve maximum yields of 32%. This implies that 68% of the available fuel energy is not used to obtain mechanical energy (movement), but is lost. There are many reasons for this, mainly the limit imposed by the principles of thermodynamics, which is set (for a four-stroke engine that uses gasoline) at 43%. However, the best engines used are still far from maximum performance. In addition to this deficient use of one of our most valuable natural resources, the amount of pollution generated by the combustion (oxidation) of fossil fuels has become a growing problem that affects the entire biosphere.
El MPCR propone una mejor solución a la utilización de combustibles fósiles al ser un sistema que puede reformar/convertir combustibles fósiles en un combustible sintético (SF), por un proceso químico que requiere poca energía y que no produce subproductos indeseables. El combustible mejorado se caracteriza porque es más seguro desde el punto de vista medioambiental, así como adecuado para más tipos de procesos de conversión de energía que, además, pueden ser más eficaces.The MPCR proposes a better solution to the use of fuels Fossils being a system that can reform / convert fossil fuels into a synthetic fuel (SF), by a chemical process that requires little energy and does not produce undesirable by-products. The improved fuel is characterized in that it is safer from an environmental point of view, as well as suitable for more types of energy conversion processes that, in addition, can be more effective.
El MPCR tendrá grandes implicaciones comerciales. La reducción de las emisiones de contaminantes incitaría a las agencias de protección ambiental, tales como la EPA de Estados Unidos y la Air Resources Board de California, a adoptar las normas de emisión cero, ya requeridas por California, haciendo uso de un proceso similar al propuesto por DAVID, dentro de esta década. Lo cual, a su vez, impulsaría el uso rápido y ampliamente extendido de tal sistema en naciones con una alta densidad de vehículos tales como los Estados Unidos y Canadá.The MPCR will have great commercial implications. The reduction of pollutant emissions would encourage environmental protection agencies, such as the US EPA and the California Air Resources Board, to adopt zero emission standards, already required by California, using a process similar to proposed by DAVID, within this decade. Which, in turn, would drive the rapid and widespread use of such a system in nations with a high density of vehicles such as the United States and Canada.
En Europa también se están realizando esfuerzos ambientales similares, donde el brazo ejecutivo de la Unión Europea, la Comisión Europea, está preparando normas de emisión obligatorias para la industria de los automóviles que son mucho más estrictas de lo que la industria esta dispuesta a aceptar.Similar environmental efforts are also being made in Europe, where the executive arm of the European Union, the European Commission, is preparing mandatory emission standards for the automobile industry that are much stricter than the industry is willing to accept.
El éxito del MPCR implica que aún se pueden emplear combustibles fósiles, pero de una forma más eficaz y más inocua desde el punto de vista medioambiental. Esto prolongará la duración de las reservas del planeta y reducirá en gran medida los problemas ambientales que se producen por la combustión de hidrocarburos. Además, esta tecnología es directamente aplicable a una escala mundial, ya que ya existen las redes de distribución de combustibles derivados de origen fósil, tales como gasolina, metano, etanol, propano, butano, diesel, etc.The success of the MPCR implies that fossil fuels can still be used, but in a more efficient and environmentally safe way. This will prolong the duration of the planet's reserves and greatly reduce the environmental problems caused by the combustion of hydrocarbons. In addition, this technology It is directly applicable on a global scale, since there are already fossil fuel derived distribution networks, such as gasoline, methane, ethanol, propane, butane, diesel, etc.
Hasta la fecha, no se ha patentado un sistema de conversión de combustibles fósiles con plasma de microondas tal como el de la patente de los solicitantes. La patente de DAVID se diferencia de las conocidas en la aplicación de un tipo especial de descarga (frecuencia, tensión, etc.), las condiciones de proceso (tiempo de reacción, caudales de los reaccionantes, etc.) y la construcción especial del sistema (forma de los electrodos, reactor, etc.).To date, a system for converting fossil fuels with microwave plasma such as the applicant's patent has not been patented. The DAVID patent differs from those known in the application of a special type of discharge (frequency, voltage, etc.), the process conditions (reaction time, flow rates of the reactants, etc.) and the special construction of the system (shape of the electrodes, reactor, etc.).
La principal diferencia entre el MPCR y otras tecnologías patentadas hasta la fecha es la formación en el MPCR de un plasma frío específico, con una temperatura de los electrones mayor que la temperatura del gas. Este plasma se consigue mediante una combinación de una descarga de microondas especial en electrodos de un diseño especial. Con este nuevo proceso, que es el objeto de nuestra invención, es posible una drástica reducción de la energía aportada necesaria por los actuales de conversión de combustibles.The main difference between the MPCR and other patented technologies to date is the formation in the MPCR of a specific cold plasma, with an electron temperature greater than the gas temperature. This plasma is achieved by a combination of a special microwave discharge in electrodes of a special design. With this new process, which is the object of our invention, a drastic reduction of the energy provided by the current fuel conversion is possible.
Los dos componentes del combustible de síntesis (SF), H2 y CO, producidos por procesos de plasma frío en estado de no equilibrio, son buenos combustibles para un motor de combustión interna. En el caso de un ICE accionado por SF, las emisiones de C02 y NOx son un 90% menores a los accionados por gasolina , en el caso de una pila de combustible, será necesaria una membrana de separación del CO (o un convertidor de tipo catalítico especial). El contenido en azufre (y sus compuestos típicos) en combustibles fósiles líquidos se evapora parcialmente y toma parte en el proceso del MPCR. En el caso de un ICE accionado por SF, las emisiones serán menores en óxidos superiores pero mayores en compuestos del azufre en una etapa de oxidación menor (menores emisiones de alcalenos de azufre y sulfuro de hidrógeno que son más fáciles y más económicos de eliminar con los convertidores catalíticos existentes).The two components of the synthesis fuel (SF), H 2 and CO, produced by cold plasma processes in a non-equilibrium state, are good fuels for an internal combustion engine. In the case of an ICE powered by SF, the emissions of C0 2 and NOx are 90% lower than those driven by gasoline, in the case of a fuel cell, a CO separation membrane (or a converter of special catalytic type). The sulfur content (and its typical compounds) in liquid fossil fuels partially evaporates and takes part in the MPCR process. In the case of an ICE powered by SF, the emissions will be lower in higher oxides but higher in sulfur compounds at a lower oxidation stage (lower emissions of sulfur alkali and hydrogen sulfide that are easier and more economical to eliminate with existing catalytic converters).
La clave del éxito del sistema MPCR radica en el hecho de que el combustible de síntesis (SF) se puede obtener "on-line" a partir de un combustible de origen fósil y a un coste energético bajo. Debido a que se puede usar SF de forma más eficaz, el rendimiento total del sistema mejora. El rendimiento energético del Reactor/Reformador de Plasma Catalítico (MPCR) varía del 80% al 90%, dependiendo del método usado para medir el rendimiento. El SF es más respetuoso con el medio ambiente, siempre que se oxide en un ICE o con una pila de combustible, proporcionando la ventaja añadida (y muy importante) de reducir drásticamente las emisiones.The key to the success of the MPCR system lies in the fact that synthesis fuel (SF) can be obtained online from a fossil fuel and at a low energy cost. Because SF can be used more efficiently, the overall system performance improves. The energy efficiency of the Catalytic Plasma Reactor / Reformer (MPCR) ranges from 80% to 90%, depending on the method used to measure the performance. The SF is more environmentally friendly, provided it rusts in an ICE or with a fuel cell, providing the added (and very important) advantage of drastically reducing emissions.
En el caso de que se utilice el MPCR por un ICE, el arranque inmediato del motor es uno de los aspectos principales a resolver.In the case that the MPCR is used by an ICE, the immediate start of the engine is one of the main aspects to solve.
Este punto se puede resolver por la utilización de un ICE adaptado para funcionar con combustible gaseoso (SF).This point can be resolved by the use of an ICE adapted to run on gaseous fuel (SF).
Las características principales de los prototipos existentes de ICE para el funcionamiento con SF son:The main features of the existing ICE prototypes for operation with SF are:
El sistema de combustible alimentado con gasolina se ve complementado con un sistema de inyección con un controlador modificado, basado en el principio del "Sistema de Inyección con Admisión Programada", apropiado para motores accionados por el encendido de una chispa en hidrógeno.The fuel system fueled with gasoline looks complemented by an injection system with a modified controller, based on the principle of "Injection System with Programmed Admission", suitable for engines driven by the ignition of a hydrogen spark.
EL sistema de alimentación de SF se basa en el uso de un conjunto de control electrónico que transforma las señales de salida de los sensores de los parámetros del ciclo del motor que determinan la relación óptima aire a combustible. Una técnica muy sencilla para montar los inyectores en el ICE para el SF permite la instalación de los mismos sin cambiar la culata del cilindro.The SF power system is based on the use of an electronic control assembly that transforms the output signals of the sensors of the engine cycle parameters that determine the optimal air-to-fuel ratio. A very simple technique to mount the injectors on the ICE for the SF allows their installation without changing the cylinder head.
El ICE modificado es una forma económica (bajo coste) para adaptar un ICE convencional para que funcione con SF, manteniendo a la vez la alimentación normal de gasolina.The modified ICE is an economical (low cost) way to adapt a conventional ICE to work with SF, while maintaining the normal fuel supply.
La solución anterior implicaría que el encendido del motor sería con gasolina con la adición de alrededor del 5% de combustible de síntesis producido por el MPCR y almacenado en un depósito de 10 litros y desviado automáticamente a SF (después de un período muy corto de tiempo) cuando el MPCR alcanzara la producción necesaria de SF. La adición de hidrógeno reducirá las emisiones durante la operación de encendido del ICE.The previous solution would imply that the engine would be started with gasoline with the addition of about 5% of synthesis fuel produced by the MPCR and stored in a 10-liter tank and automatically diverted to SF (after a very short period of time ) when the MPCR reaches the necessary production of SF. The addition of hydrogen will reduce emissions during the ICE ignition operation.
En el caso en el que el MPCR se utiliza como pila de combustible, la operación inicial de funcionamiento hasta que el MPCR comienza a producir el hidrógeno necesario para el funcionamiento de la pila de combustible puede ser la energía eléctrica acumulada en baterías. En este caso, las baterías proporcionarían energía eléctrica al MPCR (energía eléctrica y térmica a través de energía eléctrica.In the case where the MPCR is used as a fuel cell, the initial operation until the MPCR begins to produce the hydrogen necessary for the operation of the fuel cell can be the electrical energy accumulated in batteries. In this case, the batteries would provide power to the MPCR. (electrical and thermal energy through electrical energy.
Análisis y Estimaciones de la Posible Conversión Asistida por Plasma llevadas a cabo por DAVIDAnalysis and Estimates of the Possible Plasma Assisted Conversion carried out by DAVID
Variantes de Plasma TérmicoVariants of Thermal Plasma
1 .1 Instalación a bordo con conversión con vapor de gasolina al 5% en gas sintético.1 .1 On-board installation with conversion with 5% gasoline vapor into synthetic gas.
La instalación consta de un plasmatrón de arco integrado con un reactor químico, un intercambiador de calor, motor de combustión interna y generador de electricidad para el plasmatrón. El combustible se vaporiza y se calienta a 1000°C durante el paso a través del intercambiador de calor. El calentamiento a una temperatura superior puede provocar la descomposición del combustible y precipitaciones resinosas en las paredes relativamente frías de los canales de suministro de combustible. Al mismo tiempo, el desarrollo del intercambiador de calor con una temperatura de trabajo superior a 1400°C es un problema extremadamente complejo y puede producir un aumento esencial del coste del sistema. Los vapores de combustible, calentados en el intercambiador de calor, se dirigen al interior del plasmatrón de arco. También se suministra vapor calentado previamente el interior del plasmatrón de arco. Se usa agua fría para la refrigeración de las paredes del plasmatrón. Durante este proceso, el agua se calienta y vaporiza. El vapor de agua se calienta a 1300°C y se dirige al interior del plasmatrón. En el plasmatrón, los vapores de agua y combustible ganan la energía necesaria para el calentamiento a 2400°C, realizan la reacción química de conversión de vapor y, después de mezclarse bien, entran en el reactor químico. En el reactor, los vapores se convierten en gas sintético, que sale a una temperatura de 1400°C. La reducción de la temperatura es un resultado de la reacción endotérmica que tiene lugar. El exceso de calor se elimina por medio del agua que refrigera las paredes del reactor químico. El gas sintético caliente, que pasa a través del intercambiador de calor, proporciona calor a los vapores de combustible y agua y, después de enfriarse a 400°C, entra en el motor de combustión interna. El suministro de energía del plasmatrón se obtiene por el motor de combustión interna.The installation consists of an arc plasmatron integrated with a chemical reactor, a heat exchanger, internal combustion engine and electricity generator for the plasmatron. The fuel is vaporized and heated to 1000 ° C during the passage through the heat exchanger. Heating to a higher temperature can cause fuel to decompose and resinous precipitation on the relatively cold walls of the fuel supply channels. At the same time, the development of the heat exchanger with a working temperature exceeding 1400 ° C is an extremely complex problem and can produce an essential increase in the cost of the system. The fuel vapors, heated in the heat exchanger, are directed inside the arc plasmatron. Preheated steam is also supplied inside the arc plasmatron. Cold water is used for cooling the plasmatron walls. During this process, the water is heated and vaporized. The water vapor is heated to 1300 ° C and is directed into the plasmatron. In the plasmatron, water and fuel vapors gain the energy necessary for heating at 2400 ° C, perform the chemical vapor conversion reaction and, after mixing well, enter the chemical reactor In the reactor, the vapors are converted into synthetic gas, which leaves at a temperature of 1400 ° C. The temperature reduction is a result of the endothermic reaction that takes place. Excess heat is removed by water that cools the walls of the chemical reactor. The hot synthetic gas, which passes through the heat exchanger, provides heat to the fuel and water vapors and, after cooling to 400 ° C, enters the internal combustion engine. The plasmatron energy supply is obtained by the internal combustion engine.
A continuación se indican los parámetros de instalación aproximados, estimados basándose en cálculos termodinámicos. La instalación se calcula para un motor de combustión interna con una potencia de 50 kW.The approximate installation parameters, estimated based on thermodynamic calculations, are indicated below. The installation is calculated for an internal combustion engine with a power of 50 kW.
1 . Plasmatrón de arco con reactor químico: Potencia 2,5 kWone . Arc plasma with chemical reactor: Power 2.5 kW
Caudal de vapor de agua 0,2 l/seg.Water vapor flow 0.2 l / sec.
Caudal de gasolina 0,03 l/seg.Fuel flow 0.03 l / sec.
Dimensiones: diámetro 0,1 m longitud 0,3 mDimensions: diameter 0.1 m length 0.3 m
Peso 5 kg.Weight 5 kg
2. Intercambiador de calor Caudal de gas caliente (1400°C) 0,6 l/seg. Caudal de gas frío 0,23 l/seg. Flujo térmico pasado 0,65 kW2. Heat exchanger Hot gas flow (1400 ° C) 0.6 l / sec. Cold gas flow 0.23 l / sec. Thermal flow past 0.65 kW
Dimensiones: diámetro 0,25 m longitud 1 ,0 mDimensions: diameter 0.25 m length 1.0 m
Peso 15 kg. 3. GeneradorWeight 15 kg 3. Generator
Potencia 2,5 kW Dimensiones:Power 2,5 kW Dimensions:
Diámetro 0,2 m longitud 0,25 mDiameter 0.2 m length 0.25 m
Peso 15 kg.Weight 15 kg
4. Motor de combustión interna Potencia 50 kW Caudal de gasolina 2,2 l/seg. Caudal de gas sintético 0,6 l/seg.4. Internal combustion engine Power 50 kW Fuel flow 2.2 l / sec. Synthetic gas flow 0.6 l / sec.
Para la producción de gas sintético, es necesario: Caudal de gasolina 0,12 g/seg.For the production of synthetic gas, it is necessary: Gas flow 0.12 g / sec.
Caudal de agua 0,15 g/seg.Water flow 0.15 g / sec.
1.2 Instalación a bordo con la oxidación parcial de gasolina al 5% por el oxígeno del aire1.2 On-board installation with partial oxidation of 5% gasoline by air oxygen
Como en la instalación del caso anterior, consta de un plasmatrón de arco con reactor químico, intercambiador de calor, motor de combustión interna y generador de electricidad. La reacción de oxidación parcial es exotérmica, de forma que la potencia del plasmatrón puede reducirse dos veces. El caudal total de gasolina aumentará sólo un pequeño porcentaje. Como la oxidación parcial se realiza por el oxígeno del aire, el gas sintético se diluirá por el nitrógeno aproximadamente en un 50%.As in the installation of the previous case, it consists of an arc plasmatron with chemical reactor, heat exchanger, internal combustion engine and electricity generator. The partial oxidation reaction is exothermic, so that the plasmatron power can be reduced twice. The total fuel flow will increase only a small percentage. As partial oxidation is carried out by the oxygen in the air, the synthetic gas will be diluted by approximately 50% nitrogen.
Además de esto, el agua no interviene en este proceso, ya que la refrigeración de las paredes del plasmatrón y el reactor químico se realiza mediante sistemas convencionales de refrigeración de motores. La potencia del plasmatrón reduce esencialmente la potencia del motor, de forma que no se necesitara una carga importante para refrigerar el sistema.In addition to this, water does not intervene in this process, since the cooling of the plasmatron walls and the chemical reactor is carried out by conventional engine cooling systems. Plasmatron power essentially reduces engine power, so that an important load is not needed to cool the system.
Parámetros de la instalación aproximados:Approximate installation parameters:
1. Plasmatrón de arco con reactor químico:1. Arc plasma with chemical reactor:
Potencia 1 ,5 kWPower 1, 5 kW
Caudal de vapor de agua 0,7 l/seg.Water vapor flow 0.7 l / sec.
Caudal de gasolina 0,043 l/seg.Fuel flow 0.043 l / sec.
Dimensiones: diámetro 0,1 m longitud 0,3 mDimensions: diameter 0.1 m length 0.3 m
Peso 5 kg.Weight 5 kg
2. Intercambiador de calor2. Heat exchanger
Caudal de gas caliente (1400°C) 1 ,1 l/seg.Hot gas flow (1400 ° C) 1, 1 l / sec.
Caudal de gas frío 0,75 l/seg.Cold gas flow 0.75 l / sec.
Flujo térmico pasado 1 ,7 kWThermal flow past 1, 7 kW
Dimensiones:Dimensions:
Diámetro 0,3 m longitud 1 ,0 mDiameter 0.3 m length 1.0 m
Peso 20 kg.Weight 20 kg
3. Generador3. Generator
Potencia 1 ,5 kWPower 1, 5 kW
Dimensiones:Dimensions:
Diámetro 0,15 m longitud 0,25 mDiameter 0.15 m length 0.25 m
Peso 12 kg.Weight 12 kg
4. Motor de combustión interna4. Internal combustion engine
Potencia 50 kW50 kW power
Caudal de gasolina 2,2 g/seg.Gasoline flow 2.2 g / sec.
Caudal de gas sintético 0,6 l/seg. Para la producción de gas sintético, es necesario: Caudal de gasolina 0,18 g/seg.Synthetic gas flow 0.6 l / sec. For the production of synthetic gas, it is necessary: Gas flow 0.18 g / sec.
Caudal de agua 0,7 g/seg.Water flow 0.7 g / sec.
2.1 Instalación a bordo con conversión con vapor de gasolina en gas sintético2.1 On-board installation with conversion with gasoline vapor into synthetic gas
La instalación pretende producir gas sintético a partir de gasolina con el uso posterior de un generador electroquímico (ECG) para la generación de electricidad. La instalación consta de un plasmatrón de arco en el que se calientan los vapores de agua y gasolina, un reactor químico, en el que tiene lugar la reacción de conversión de vapor, y un ¡ntercambiador de calor, en el que el gas sintético caliente pasa su energía térmica a los vapores de combustible y de agua. Como en el caso 1.1 , los vapores de agua y los vapores de gasolina, calentados y bien mezclados en el plasmatrón, se dirigen al interior del reactor químico. En el reactor se forma el gas sintético. La temperatura del gas sintético se reduce debido a la reacción química endotérmica. Con la ayuda de refrigeración con agua, la temperatura del gas sintético se reduce a 1400°C y a esa temperatura el gas sintético se dirige al interior del intercambiador de calor. La energía térmica del gas sintético en el reactor químico es suficiente como para producir la evaporación de toda el agua, requerida para la reacción. En el ¡ntercambiador de calor, los vapores de agua y gasolina se calientan a 1000°C a causa de la energía térmica del gas sintético y después entran en el plasmatrón de arco. 1 . Plasmatrón de arco: Potencia 45 kWThe installation aims to produce synthetic gas from gasoline with the subsequent use of an electrochemical generator (ECG) for electricity generation. The installation consists of an arc plasmatron in which the water and gasoline vapors are heated, a chemical reactor, in which the steam conversion reaction takes place, and a heat exchanger, in which the hot synthetic gas It passes its thermal energy to the fuel and water vapors. As in case 1.1, water vapors and gasoline vapors, heated and well mixed in the plasmatron, are directed into the chemical reactor. Synthetic gas is formed in the reactor. The temperature of the synthetic gas is reduced due to the endothermic chemical reaction. With the help of water cooling, the temperature of the synthetic gas is reduced to 1400 ° C and at that temperature the synthetic gas is directed into the heat exchanger. The thermal energy of the synthetic gas in the chemical reactor is sufficient to produce the evaporation of all the water required for the reaction. In the heat exchanger, the water and gasoline vapors are heated to 1000 ° C because of the thermal energy of the synthetic gas and then enter the arc plasmatron. one . Arc Plasmatron: Power 45 kW
Caudal de vapor de agua 3,9 l/seg.Water vapor flow 3.9 l / sec.
Caudal de gasolina 0,54 l/segFuel flow 0.54 l / sec
Dimensiones:Dimensions:
Diámetro 0,1 m longitud 0,3 mDiameter 0.1 m length 0.3 m
Peso 5 kg.Weight 5 kg
2. Reacto r Químico2. Chemical Reacto
Dimensiones: diámetro 0,15 m longitud 0,2 mDimensions: diameter 0.15 m length 0.2 m
Peso 8 g.Weight 8 g
3. Intercambiador de calor3. Heat exchanger
Caudal de gas caliente (1400°C) 12 l/seg.Hot gas flow (1400 ° C) 12 l / sec.
Caudal de gas frío 4,4 l/seg.Cold gas flow 4.4 l / sec.
Flujo Térmico pasado 13 kWThermal flow past 13 kW
Dimensiones: diámetro 0,3 m longitud 1 ,0 mDimensions: diameter 0.3 m length 1.0 m
Peso 20 kg.Weight 20 kg
4. Consumo4. Consumption
Gasolina 2,4 l/seg.Petrol 2.4 l / sec.
Agua 3,1 l/seg.Water 3.1 l / sec.
2.2 Instalación a bordo con oxidación parcial de gasolina por el 192.2 On-board installation with partial oxidation of gasoline by the 19
oxígeno del aireair oxygen
Como en el caso previo, la instalación pretende producir gas sintético con el uso posterior de un ECG. Los bloques básicos de la instalación son plasmatrón de arco, reactor químico e intercambiador de calor.As in the previous case, the installation intends to produce synthetic gas with the subsequent use of an ECG. The basic blocks of the installation are arc plasmatron, chemical reactor and heat exchanger.
Como en el caso 1.2, debido a la exotermia de la reacción de oxidación parcial con oxígeno de la gasolina, la potencia del plasmatrón puede reducirse casi a un 40%. Sin embargo, el caudal de gasolina se aumenta al mismo tiempo a un 30%. Además, el gas sintético obtenido se diluye a la mitad con nitrógeno. La ausencia de agua en el proceso requiere la aplicación de un sistema distinto para las paredes del plasmatrón y el reactor químico. El sistema de refrigeración debe poder cubrir 40 kW de potencia térmica.As in case 1.2, due to the exotherm of the partial oxidation reaction with gasoline oxygen, the plasmatron power can be reduced by almost 40%. However, the flow of gasoline increases at the same time to 30%. In addition, the synthetic gas obtained is diluted in half with nitrogen. The absence of water in the process requires the application of a different system for the plasmatron walls and the chemical reactor. The cooling system must be able to cover 40 kW of thermal power.
Parámetros aproximados de la instalación: 1. Plasmatrón de arco:Approximate installation parameters: 1. Arc Plasmatron:
Potencia 28 kWPower 28 kW
Caudal de vapor de aire 14 l/seg.Air vapor flow 14 l / sec.
Caudal de vapores de gasolina 0,86 l/segGasoline vapors flow 0.86 l / sec
Dimensiones:Dimensions:
Diámetro 0,1 m longitud 0,2 mDiameter 0.1 m length 0.2 m
Peso 3 kg.Weight 3 kg
2. Reactor Químico2. Chemical Reactor
Dimensiones: diámetro 0,15 m longitud 0,2 mDimensions: diameter 0.15 m length 0.2 m
Peso 8 kg. 3. Intercambiador de calor Caudal de gas caliente (1400°C) 22 l/seg.Weight 8 kg 3. Heat exchanger Hot gas flow (1400 ° C) 22 l / sec.
Caudal de gas frío 14,9 l/seg.Cold gas flow 14.9 l / sec.
Flujo térmico pasado 34 kWThermal flow past 34 kW
Dimensiones:Dimensions:
Diámetro 0,3 m longitud 1 ,0 mDiameter 0.3 m length 1.0 m
Peso 20 kg.Weight 20 kg
4. Consumo4. Consumption
Gasolina 3,6 g/seg.Petrol 3.6 g / sec.
Aire 14 g/seg.Air 14 g / sec
3.1 Instalación estacionaria para una estación de servicio con conversión con vapor de gasolina en gas sintético.3.1 Stationary installation for a service station with conversion with gasoline vapor into synthetic gas.
El diseño de la instalación es completamente igual al del caso 2.1 pero calculado para 10000 m3 de gas sintético por hora. Debe mencionarse que el exceso de potencia térmica en el reactor químico (W « 1 ,5 MW) necesaria para el proceso rápido de la reacción de conversión con vapor, debe reducirse con la ayuda del sistema de refrigeración de agua y puede usarse para fines técnicos de la estación (por ejemplo, para el lavado de coches).The design of the installation is completely the same as in case 2.1 but calculated for 10,000 m 3 of synthetic gas per hour. It should be mentioned that the excess thermal power in the chemical reactor (W «1.5 MW) necessary for the rapid process of the steam conversion reaction, must be reduced with the help of the water cooling system and can be used for technical purposes from the station (for example, for car washing).
Parámetros aproximados de la instalación: 1 . Plasmatrón de arco:Approximate installation parameters: 1. Arc Plasmatron:
Potencia 13 MW13 MW power
Caudal de vapor de agua 965 l/seg.Water vapor flow 965 l / sec.
Caudal de vapores de gasolina 135 l/seg.Flow of gasoline vapors 135 l / sec.
Dimensiones: diámetro 0,3 m longitud 1 ,5 mDimensions: diameter 0.3 m length 1.5 m
Peso 50 kg.Weight 50 kg
2. Suministro de energía del plasmatrón2. Plasmatron power supply
2.1 Transformador2.1 Transformer
Dimensiones: 7,0 x 5,0 x 6,0 mDimensions: 7.0 x 5.0 x 6.0 m
Peso 50000 kg.Weight 50,000 kg
2.2 Consola de control2.2 Control Console
Dimensiones: 2,0 x 2,0 x 1 ,0 mDimensions: 2.0 x 2.0 x 1.0 m
Peso 150 kq.Weight 150 kq.
3. Reactor Químico Dimensiones: diámetro 0,5 m longitud 1 m3. Chemical Reactor Dimensions: diameter 0.5 m length 1 m
Peso 100 kg.Weight 100 kg
4. Iritercambiador de calor Caudal de gas caliente (1400°C) 3000 l/seg.4. Heat exchanger Hot gas flow (1400 ° C) 3000 l / sec.
Caudal de gas frío 1100 l/seg.Cold gas flow 1100 l / sec.
Flujo térmico pasado 3,3 mWThermal flow past 3.3 mW
Dimensiones: diámetro 1 ,5 m longitud 5,0 mDimensions: diameter 1.5m length 5.0m
Peso 2500 kg.Weight 2500 kg
4. Consumo4. Consumption
Gasolina 0,6 kg./seg.Petrol 0.6 kg./sec.
Agua 0,8 kg./seg. 3.2 Instalación estacionaria para una estación de servicio con conversión parcial de gasolina por oxígenoWater 0.8 kg./sec. 3.2 Stationary installation for a service station with partial conversion of gasoline by oxygen
El diseño de la instalación es diferente del prototipo descrito en el casoThe design of the installation is different from the prototype described in the case
2.2, debido a una mayor productividad y el uso de oxígeno como oxidante. A una productividad de 10000 m3 de gas sintético por hora, la instalación debe consumir 0,74 m3 de oxígeno. Si la oxidación se realiza por el aire, será necesario calentar a 2400°C aproximadamente 3 m3 de nitrógeno, lo que requiere 9 MW de potencia adicional. Incluso si se recupera la mitad de esa potencia, la pérdida de potencia excede esencialmente los gastos de la ganancia del aire por el oxígeno. En la tecnología disponible actualmente, los gastos para la ganancia de oxígeno del aire son de 1 ,5 MJ/m3. Por lo tanto, la potencia para una extracción de 0,74 nrVseg de oxígeno es igual solamente a 1 ,1 MW. Otra ventaja evidente del uso de oxígeno puro es la ausencia de nitrógeno en el gas sintético.2.2, due to higher productivity and the use of oxygen as an oxidant. At a productivity of 10,000 m 3 of synthetic gas per hour, the installation must consume 0.74 m 3 of oxygen. If oxidation is carried out by air, it will be necessary to heat approximately 3 m 3 of nitrogen at 2400 ° C, which requires 9 MW of additional power. Even if half of that power is recovered, the loss of power essentially exceeds the expense of the gain of air by oxygen. In the currently available technology, the expenses for the gain of oxygen from the air are 1.5 MJ / m 3 . Therefore, the power for an extraction of 0.74 nrVseg of oxygen is equal to only 1.1 MW. Another obvious advantage of using pure oxygen is the absence of nitrogen in the synthetic gas.
Parámetros de la instalación aproximados: 1. Plasmatrón de arco:Approximate installation parameters: 1. Arc Plasmatron:
Potencia 0,5 MW0.5 MW power
Caudal de vapor de agua 740 l/seg.Water vapor flow 740 l / sec.
Caudal de vapores de gasolina 214 l/seg.Gasoline vapor flow 214 l / sec.
Dimensiones: diámetro 0,2 m longitud 0,4 mDimensions: diameter 0.2 m length 0.4 m
Peso 20 kg.Weight 20 kg
2. Suministro de energía del plasmatrón 2.1 Transformador Dimensiones: 2,0 x 2,0 x 1 ,5 m2. Plasmatron power supply 2.1 Transformer Dimensions: 2.0 x 2.0 x 1.5 m
Peso 5000 kg.Weight 5000 kg
2.2 Consola de control2.2 Control Console
Dimensiones: 2,0 x 1 ,0 x 1 ,0 m Peso 100 kg.Dimensions: 2,0 x 1, 0 x 1, 0 m Weight 100 kg.
3. Reactor Químico Dimensiones: diámetro 0,5 m longitud 1 m Peso 100 kg.3. Chemical Reactor Dimensions: diameter 0.5 m length 1 m Weight 100 kg.
4. Intercambiador de calor Caudal de gas caliente (1400°C) 2800 l/seg. Caudal de gas frío 9540 l/seg. Flujo térmico pasado 4,0 MW4. Heat exchanger Hot gas flow (1400 ° C) 2800 l / sec. Cold gas flow 9540 l / sec. Thermal flow past 4.0 MW
Dimensiones: diámetro 1 ,5 m longitud 5,0 mDimensions: diameter 1.5m length 5.0m
Peso 2500 kg.Weight 2500 kg
4. Consumo4. Consumption
Gasolina 0,92 kg./seg.Gasoline 0.92 kg./sec.
Agua 0,74 kg./seg.Water 0.74 kg./sec.
La consideración del sistema mencionado anteriormente demuestra que su realización se conjuga con una serie de problemas. En primer lugar, hay una temperatura muy elevada de la mezcla de gas en el plasmatrón y el reactor químico, lo que requiere el uso de materiales resistentes al calor especiales y restringe esencialmente los recursos de sistemas similares. En segundo lugar, las instalaciones con conversión con vapor del combustible total requieren gastos considerables de energía eléctrica. Aproximadamente la mitad del gas sintético total generado por la instalación debe quemarse para cubrir estos gastos. Sería interesante considerar sistemas basados en procesos plasmaquímicos no en equilibrio similares, por ejemplo, a la catálisis con plasma. Debe mencionarse que todos los diseños de la instalación mencionados anteriormente se basan en experimentos preliminares con gases y alcoholes naturales, de forma que para la gasolina se requieren investigaciones adicionales.The consideration of the system mentioned above demonstrates that its realization is combined with a series of problems. First, there is a very high temperature of the gas mixture in the plasmatron and the chemical reactor, which requires the use of special heat resistant materials and essentially restricts the resources of similar systems. Second, installations with total fuel vapor conversion require considerable energy costs electric Approximately half of the total synthetic gas generated by the facility must be burned to cover these expenses. It would be interesting to consider systems based on non-equilibrium plasmachemical processes similar, for example, to plasma catalysis. It should be mentioned that all the installation designs mentioned above are based on preliminary experiments with natural gases and alcohols, so that additional research is required for gasoline.
Variantes de Catálisis en PlasmaPlasma Catalysis Variants
1. Instalación a bordo con combustible al 5% y precalentamiento de los vapores de agua y posterior tratamiento de descarga de MCW1. On-board installation with 5% fuel and preheating of water vapors and subsequent MCW discharge treatment
Los gases de escape de los motores de combustión interna tienen una temperatura de aproximadamente 800°C. Los cálculos termodinámicos demuestran que esta temperatura es suficiente para realizar la reacción de conversión de vapor para una parte considerable de la gasolina. Pero las restricciones cinéticas no permiten realizar la conversión en un tiempo razonable. El tratamiento de descarga MCW periódica de impulsos en el metano calentado previamente a 800°C aumenta el grado de conversión de metano tres veces, a pesar de que la descarga de energía media de MCW consta solo de un 10% del calentamiento preliminar. El grado de conversión de metano consigue el valor de equilibrio termodinámico.The exhaust gases of internal combustion engines have a temperature of approximately 800 ° C. Thermodynamic calculations show that this temperature is sufficient to perform the vapor conversion reaction for a considerable part of the gasoline. But the kinetic restrictions do not allow the conversion in a reasonable time. The periodic pulse MCW discharge treatment in methane previously heated to 800 ° C increases the degree of methane conversion three times, although the average MCW energy discharge consists of only 10% of the preliminary heating. The degree of methane conversion achieves the thermodynamic equilibrium value.
La instalación consta de un motor de combustión interna cuyo calor se usa para calentar vapores de gasolina y vapores de agua. Los vapores entran en el reactor químico, donde se tratan por la descarga periódica de impulsos de MCW. Bajo la influencia de la descarga, una parte considerable de la mezcla de gasolina-vapor se convierte en gas sintético que, junto con los vapores de hidrocarburo que no han reaccionado, entra en el motor de combustión interna. Debe mencionarse que este esquema no requiere la conversión total de la mezcla de gasolina-vapor. Sólo el 10% del hidrógeno presente en la mezcla de combustible aumenta considerablemente el funcionamiento del motor, reduciendo las emisiones tóxicas y mejorando la eficacia del motor.The installation consists of an internal combustion engine whose heat is used to heat gasoline vapors and water vapors. The fumes they enter the chemical reactor, where they are treated by the periodic discharge of MCW pulses. Under the influence of the discharge, a considerable part of the gasoline-vapor mixture is converted into synthetic gas which, together with the unreacted hydrocarbon vapors, enters the internal combustion engine. It should be mentioned that this scheme does not require the total conversion of the gasoline-steam mixture. Only 10% of the hydrogen present in the fuel mixture significantly increases engine performance, reducing toxic emissions and improving engine efficiency.
Parámetros de la instalación aproximados:Approximate installation parameters:
1. Motor de combustión interna: Potencia 50 kW Caudal de gasolina 2,2 g/seg. Caudal de gas sintético 0,6 l/seg.1. Internal combustion engine: Power 50 kW Gas flow 2.2 g / sec. Synthetic gas flow 0.6 l / sec.
Para la producción del gas sintético es necesario: Caudal de gasolina 0,12 g/seg.For the production of synthetic gas it is necessary: Gas flow 0.12 g / sec.
Caudal de agua 0,15 g/seg.Water flow 0.15 g / sec.
2. Reactor químico Temperatura de la zona de reacción 800°K2. Chemical reactor Reaction zone temperature 800 ° K
Caudal de vapores de gasolina 0,03 l/seg.Flow of gasoline vapors 0.03 l / sec.
Caudal de vapores de agua 0,2 l/seg.Water vapor flow 0.2 l / sec.
Dimensiones: diámetro 0,05 m longitud 0, 1 mDimensions: diameter 0,05 m length 0, 1 m
Peso 0,5 kg.Weight 0.5 kg
3. Generador de MCW Frecuencia de generación 9 GHz Potencia de radiación media 25 W Potencia de impulso 25 kW3. MCW generator Generation frequency 9 GHz Average radiation power 25 W Pulse power 25 kW
Dimensiones:Dimensions:
Magnetrón con canal guíaondas 0,15x0,15x0,4m Suministro de energía 0,5x0, 13x0,6 m Peso:Magnetron with 0.15x0.15x0.4m waveguide channel Power supply 0.5x0, 13x0.6m Weight:
Magnetrón con canal guíaondas 6 kg. Suministro de energía 10 kg.Magnetron with 6 kg waveguide channel. Power supply 10 kg.
2. Instalación a bordo con la oxidación parcial de gasolina al 5% y adiciones de agua para la conversión de vapor2. On-board installation with partial oxidation of 5% gasoline and water additions for steam conversion
Si el grado de conversión de gasolina en el esquema previo es insuficiente, es posible elevar la temperatura en la reacción química hasta 1000°K con la intención de oxidar parcialmente la gasolina por el aire. Para economizar la energía térmica se instala un intercambiador de calor entre el reactor químico y el motor. El intercambiador de calor permite la recuperación de calor del gas sintético, que sale del reactor.If the degree of gasoline conversion in the previous scheme is insufficient, it is possible to raise the temperature in the chemical reaction to 1000 ° K with the intention of partially oxidizing the gasoline in the air. To save thermal energy a heat exchanger is installed between the chemical reactor and the engine. The heat exchanger allows heat recovery of the synthetic gas, which leaves the reactor.
Parámetros de instalación aproximados, calculados asumiendo una recuperación completa del calor.Approximate installation parameters, calculated assuming a complete heat recovery.
1 . Motor de combustión interna Potencia 50 kW Caudal de gasolina 2,2 g/seg. Caudal de gas sintético 0,6 l/seg. Para la producción del gas sintético, es necesario:one . Internal combustion engine Power 50 kW Gas flow 2.2 g / sec. Synthetic gas flow 0.6 l / sec. For the production of synthetic gas, it is necessary:
Caudal de gasolina 0,1 5 g/seg.Fuel flow 0.1 5 g / sec.
Caudal de agua 0,075 g/seg.Water flow 0.075 g / sec.
Caudal de aire 0,37 l/seg.Air flow 0.37 l / sec.
2. Intercambiador de calor Caudal de gas caliente (1400°C) 0,9 l/seg. Caudal de gas frío 0,5 l/seg. Flujo térmico pasado 0,35 kW Dimensiones diámetro 0,3 m longitud 1 ,0 m Peso 20 kg,2. Heat exchanger Hot gas flow (1400 ° C) 0.9 l / sec. Cold gas flow 0.5 l / sec. Thermal flow past 0.35 kW Dimensions diameter 0.3 m length 1.0 m Weight 20 kg,
3. Reactor químico Temperatura de la zona de reacc ;¡ióónn 1000°K Caudal de vapores de gasolina 0,035 l/seg.3. Chemical reactor Reaction zone temperature, 1000 ° K Fuel vapor flow rate 0.035 l / sec.
Caudal de vapores de agua 0,1 l/seg.Water vapor flow 0.1 l / sec.
Caudal de aire 0,37 l/seg.Air flow 0.37 l / sec.
Dimensiones: diámetro 0,05 m longitud 0,1 mDimensions: diameter 0.05 m length 0.1 m
Peso 0,5 kg.Weight 0.5 kg
4. Generador de MCW Frecuencia de generación 9 GHz Potencia de radiación media 25 W Potencia de impulso 25 kW4. MCW generator Generation frequency 9 GHz Average radiation power 25 W Pulse power 25 kW
Dimensiones:Dimensions:
Magnetrón con canal guíaondas 0, 1 5x0, 15x0,4m Suministro de energía 0,5x0,13x0,6 mMagnetron with channel guide 0, 1 5x0, 15x0.4m Power supply 0.5x0.13x0.6 m
Peso: Magnetrón con canal guíaondas 6 kg.Weight: Magnetron with 6 kg waveguide channel.
Suministro de energía 10 kg.Power supply 10 kg.
3. Instalación a bordo con la oxidación parcial de gasolina por la adición de aire y agua para la conversión de vapor La instalación pretende producir gas sintético a bordo de automóviles para su uso en ECG. Consta de un reactor químico en el que la conversión de gasolina con vapor se realiza a expensas de la energía de la oxidación parcial. Para la aceleración de la reacción, se usa un generador de microondas. La radiación de microondas se dirige interior del reactor, donde se generan partículas químicamente activas bajo la influencia de la radiación de microondas. Las partículas activas, que participan en los procesos de cadena, aceleran esencialmente la conversión de gasolina. El intercambiador de calor se usa para recuperar el calor del gas sintético generado.3. On-board installation with partial oxidation of gasoline by the addition of air and water for steam conversion The facility aims to produce synthetic gas on board cars for use in ECG. It consists of a chemical reactor in which the conversion of gasoline with steam is carried out at the expense of the energy of partial oxidation. For the acceleration of the reaction, a microwave generator is used. Microwave radiation is directed inside the reactor, where chemically active particles are generated under the influence of microwave radiation. Active particles, which participate in chain processes, essentially accelerate the conversion of gasoline. The heat exchanger is used to recover heat from the generated synthetic gas.
Se muestran los parámetros para una instalación con una productividad de 40 m3 de gas sintético por hora. Como para la oxidación parcial se usa aire, el gas sintético estará diluido a un tercio con nitrógeno.The parameters for an installation with a productivity of 40 m 3 of synthetic gas per hour are shown. Since air is used for partial oxidation, the synthetic gas will be diluted to one third with nitrogen.
1 . Reactor químicoone . Chemical reactor
Temperatura de la zona de reacción 1000°KReaction zone temperature 1000 ° K
Caudal de vapores de gasolina 0,7 l/seg.Gasoline vapor flow 0.7 l / sec.
Caudal de vapores de agua 1 ,9 l/seg. Caudal de aire 7,4 l/seg.Water vapor flow 1, 9 l / sec. Air flow 7.4 l / sec.
Dimensiones: diámetro 0,15 m longitud 0,5 mDimensions: diameter 0.15 m length 0.5 m
Peso 5 kg. 2. Intercambiador de calorWeight 5 kg 2. Heat exchanger
Caudal de gas caliente (1000°C) 17 l/seg.Hot gas flow (1000 ° C) 17 l / sec.
Caudal de gas frío 10 l/seg.Cold gas flow 10 l / sec.
Flujo térmico pasado 16 kWThermal flow past 16 kW
Dimensiones: diámetro 0,3 m longitud 1 ,0 mDimensions: diameter 0.3 m length 1.0 m
Peso 20 kg.Weight 20 kg
3. Generador de MCW Frecuencia de generación 2,46 GHz3. MCW generator Generation frequency 2.46 GHz
Potencia de radiación media 600 W600 W average radiation power
Potencia de impulso 600 kWPulse power 600 kW
Dimensiones:Dimensions:
Magnetrón con canal guíaondas 0,35x0, 1 5x0, 5m Suministro de energía 0,5x0,22x0,6 mMagnetron with waveguide channel 0.35x0, 1 5x0.5m Power supply 0.5x0.22x0.6m
Peso:Weight:
Magnetrón con canal guíaondas 10 kg.Magnetron with 10 kg waveguide channel.
Suministro de energía 25 kg.Power supply 25 kg.
4. Instalación estacionaria para la producción de gas sintético mediante la oxidación parcial de gasolina con la adición de agua y el tratamiento con microondas de los reaccionantes4. Stationary installation for the production of synthetic gas through the partial oxidation of gasoline with the addition of water and the microwave treatment of the reactants
El esquema de la instalación difiere del anterior sólo por la productividad y cambio de aire por oxígeno. La cantidad de agua se selecciona para que, bajo condiciones estequiométricas, la temperatura del reactor químico sea de 1000°K. Se muestra el contenido de la instalación, sus parámetros aproximados y los caudales de reaccionantes para una productividad de 10000 m3 de gas sintético por hora.The scheme of the installation differs from the previous one only by the productivity and change of air by oxygen. The amount of water is selected so that, under stoichiometric conditions, the temperature of the chemical reactor is 1000 ° K. The content of the installation, its approximate parameters and the flow of reactants are shown for a productivity of 10,000 m 3 of synthetic gas per hour.
1 . Reactor químico Temperatura de la zona de reacción 1000°K Caudal de vapores de gasolina 0,18 rrrVsegone . Chemical reactor Reaction zone temperature 1000 ° K Petrol vapors flow 0.18 rrrVseg
Caudal de vapores de agua 0,44 πrVsegWater vapor flow rate 0.44 πrVseg
Caudal de aire 0,42 π VsegAir flow 0.42 π Vseg
Dimensiones: diámetro 0,5 m longitud 2 mDimensions: diameter 0.5 m length 2 m
Peso 100 kg.Weight 100 kg
2. Intercambiador de calor Caudal de gas caliente (1000°C) 2,8 m3/seg2. Heat exchanger Hot gas flow (1000 ° C) 2.8 m 3 / sec
Caudal de gas frío 1 m3/segCold gas flow rate 1 m 3 / sec
Flujo térmico pasado 2,6 MWThermal flow past 2.6 MW
Dimensiones: diámetro 1 ,5 m longitud 5,0 mDimensions: diameter 1.5m length 5.0m
Peso 2500 kg.Weight 2500 kg
3. Generador de MCW3. MCW generator
Frecuencia de generación 915 MHz915 MHz generation frequency
Poder de radiación media 200W contenido del equipo de grandes dimensiones: a) transformadores de potencia y alta tensión; b) rectificador y reguladores de potencia; c) bloques de generador con magnetrones; d) canales de MCW; e) consola de control.Average radiation power 200W large equipment content: a) high voltage and power transformers; b) rectifier and power regulators; c) generator blocks with magnetrons; d) MCW channels; e) control console.
El equipo de potencia requiere para su colocación 150 m2 de área abierta. Otro equipo se pone en un compartimento cubierto con un área de 70 m2. Potencia de impulso 600 kWThe power equipment requires for its placement 150 m 2 of open area. Other equipment is placed in a covered compartment with an area of 70 m 2 . Pulse power 600 kW
Dimensiones:Dimensions:
Magnetrón con canal guíaondas 0,35x0,1 5x0, 5m 5 Suministro de energía 0,5x0,22x0,6 mMagnetron with waveguide channel 0.35x0.1 5x0.5m 5 Power supply 0.5x0.22x0.6 m
Peso:Weight:
Magnetrón con canal guíaondas 10 kg.Magnetron with 10 kg waveguide channel.
Suministro de energía 25 kg. 0Power supply 25 kg. 0
5. Instalación estacionaria para la producción de gas sintético mediante la oxidación parcial de gasolina con la adición de agua y tratamiento con microondas de los reaccionantes a baja5 temperatura. Casos de conversión total y conversión parcial con separación de gases de salida un bloque de membrana.5. Stationary installation for the production of synthetic gas through the partial oxidation of gasoline with the addition of water and microwave treatment of the reactants at low temperature. Cases of total conversion and partial conversion with separation of gases from a membrane block.
Debido a la analogía con la realización de la parte 4 del esquema tecnológico, los parámetros y dimensiones de la instalación seráno parecidos a los calculados en la parte 4. Durante el cálculo, se propuso que la reacción de conversión de vapor-oxígeno tenía una selectividad muy alta (solo pueden formarse CO y H2 como productos). Proporciona una baja temperatura del proceso. Se realizaron dos cálculos similares. El primero a la temperatura de 500°C. Esta temperatura proporciona la5 conversión prácticamente total en estas condiciones. Durante el segundo cálculo, se usó una temperatura más baja que en el caso previo (400°C). A esta temperatura, el grado de conversión sólo es de un 74%. Sin embargo, para proporcionar un flujo de gas sintético puro, se propone usar el bloque de separación. La estimación de la potencia del plasmatrón, la potencia del bloque de membrana y los caudales de masa están en las tablas apropiadas del apéndice 5. Due to the analogy with the realization of part 4 of the technological scheme, the installation parameters and dimensions will not be similar to those calculated in part 4. During the calculation, it was proposed that the vapor-oxygen conversion reaction had a selectivity very high (only CO and H 2 can be formed as products). It provides a low process temperature. Two similar calculations were performed. The first at the temperature of 500 ° C. This temperature provides the almost total conversion under these conditions. During the second calculation, a lower temperature was used than in the previous case (400 ° C). At this temperature, the degree of conversion is only 74%. However, to provide a flow of pure synthetic gas, it is proposed to use the separation block. The estimation of the power of plasmatron, membrane block power and mass flow rates are in the appropriate tables in Appendix 5.
Principales Resultados y ConclusionesMain Results and Conclusions
1 . Las investigaciones llevadas a cabo por DAVID ha demostrado que los procedimientos de conversión de hidrocarburos asistida por plasma son muy atractivos y puede ser una buena base de nuevas tecnologías para la producción de gas rico en hidrógeno y de hidrógeno. Incluso en el caso de la aplicación de plasma térmico, se pueden diseñar reformadores compactos, fáciles de controlar, y fáciles de arrancar. Además, la aplicación de la catálisis no térmica puede proporcionar una reducción significativa del consumo de energía y menores temperaturas de proceso.one . Research conducted by DAVID has shown that plasma assisted hydrocarbon conversion procedures are very attractive and can be a good basis for new technologies for the production of hydrogen-rich gas and hydrogen. Even in the case of thermal plasma application, compact reformers can be designed, easy to control, and easy to start. In addition, the application of non-thermal catalysis can provide a significant reduction in energy consumption and lower process temperatures.
2. El análisis comparativo realizado ha demostrado que en el caso del plasma térmico, se pueden seleccionar las siguientes variantes como las más prometedoras:2. The comparative analysis performed has shown that in the case of thermal plasma, the following variants can be selected as the most promising:
Instalación a bordo para la oxidación parcial de 5% de gasolina proporcionando un rendimiento del motor convencional diesel o gasolinaOn-board installation for partial oxidation of 5% gasoline providing conventional diesel or gasoline engine performance
Instalación compacta estacionaria para la producción de hidrógeno en línea basada en la oxidación parcial de gasolina asistida por plasma.Compact stationary installation for in-line hydrogen production based on partial oxidation of plasma-assisted gasoline.
Las principales desventajas de la técnica del plasma térmico son un consumo energético bastante elevado y una elevada temperatura de operación.The main disadvantages of the thermal plasma technique are a fairly high energy consumption and a high operating temperature.
3. El análisis anteriormente presentado ha demostrado que la técnica de catálisis en plasma es muy prometedora para solucionar los problemas anteriormente citados. Además, la oxidación parcial bajo el efecto de catálisis en plasma puede proporcional un rendimiento adicional de hidrógeno debido a la adición de agua.3. The analysis presented above has shown that the technique of plasma catalysis is very promising to solve the problems mentioned above. In addition, partial oxidation under the effect of plasma catalysis can provide a yield additional hydrogen due to the addition of water.
4. Las variantes más prometedoras en el caso de catálisis en plasma son: Reformar con vapor a bordo parte de la gasolina. El calor de salida del motor se puede usar para cubrir las necesidades energéticas del proceso. Oxidación parcial de gasolina a bordo del corche o vehículo.4. The most promising variants in the case of plasma catalysis are: Reform part of the gasoline with steam on board. Motor heat output can be used to meet the energy needs of the process. Partial oxidation of gasoline aboard the bracket or vehicle.
5. Cabe mencionar que los parámetros de instalación presentados antes están basados en la simulación teórica y en resultados experimentales en la conversión de metano en etanol y se realizarán experimentos adicionales y simulaciones teóricas para demostrar y confirmar los datos presentados.5. It should be mentioned that the installation parameters presented above are based on theoretical simulation and experimental results in the conversion of methane into ethanol and additional experiments and theoretical simulations will be carried out to demonstrate and confirm the data presented.
INVESTIGACIONES LLEVADAS A CABO POR DAVID PARA LA CONVERSIÓN DE COMBUSTIBLES FÓSILES ASISTIDAS POR PLASMA CATÁLISIS PRODUCIDO POR MICROONDASINVESTIGATIONS CARRIED OUT BY DAVID FOR THE CONVERSION OF FOSSIL FUELS ASSISTED BY PLASMA CATALYSIS PRODUCED BY MICROWAVES
La investigación del reformado de combustibles fósiles por plasma producido por descarga de microondas consta de tres etapas fundamentales:The research of plasma fossil fuel reforming produced by microwave discharge consists of three fundamental stages:
1 . Modelo de descarga para determinar los parámetros primarios de descarga, que son esenciales para las reacciones químicas en el reactor de plasma.one . Discharge model to determine the primary discharge parameters, which are essential for chemical reactions in the plasma reactor.
2. Investigación del papel de los diferentes mecanismos químicos de conversión de combustible en condiciones particulares que descarga.2. Investigation of the role of the different chemical mechanisms of fuel conversion under particular conditions that it discharges
3. Optimización de rendimiento del reactor. La primera etapa está íntimamente ligada con el análisis de los resultados experimentales disponibles y proporciona la construcción exhaustiva de un modelo físico de la evolución de la descarga, que esté en concordancia con los hechos experimentales. La segunda etapa determinará las contribuciones de los diferentes mecanismos de conversión de hidrocarburos a las condiciones de descarga predefinidas mediante el desarrollo de un modelo de descarga físico-químico. Los resultados de esta generación de modelos se pueden usar para mejorar el rendimiento específico de un reactor cambiando los parámetros de descarga.3. Optimization of reactor performance. The first stage is closely linked to the analysis of the available experimental results and provides the exhaustive construction of a physical model of the evolution of the discharge, which is in accordance with the experimental facts. The second stage will determine the contributions of the different hydrocarbon conversion mechanisms to the predefined discharge conditions through the development of a physical-chemical discharge model. The results of this model generation can be used to improve the specific performance of a reactor by changing the discharge parameters.
El modelo físico de la evolución de descarga de microondas proporcionará los parámetros primarios del plasma, tales como concentraciones de electrones y de iones, sus energías medias, la temperatura del gas en función del tiempo y sus distribuciones espaciales. Resulta útil subdividir la evolución de la descarga en tres etapas diferentes:The physical model of microwave discharge evolution will provide the primary plasma parameters, such as electron and ion concentrations, their average energies, the temperature of the gas as a function of time and their spatial distributions. It is useful to subdivide the evolution of the download into three different stages:
1 . etapa inicial de no equilibrio, aunque existe una fuerte desviación entre las temperaturas del gas y de los electrones en todo el volumen activo del reactor;one . initial stage of non-equilibrium, although there is a strong deviation between the temperatures of gas and electrons throughout the active volume of the reactor;
2. etapa de descarga de cuasiequilibrio, en la que existen filamentos con un plasma casi en equilibrio;2. stage of quasi-equilibrium discharge, in which there are filaments with a plasma almost in equilibrium;
3. etapa de descarga posterior a la incandescencia, en la cual se producen la recombinación del plasma junto con la recombinación de cargas superficiales y que se dispersan por difusión en las paredes del reactor.3. post-incandescent discharge stage, in which plasma recombination occurs together with surface charge recombination and which are dispersed by diffusion in the reactor walls.
Dado que la descarga de microondas también es fuertemente no uniforme, ésta se puede dividir además en dominios espaciales diferentes:Since the microwave discharge is also strongly not uniform, this can also be divided into different spatial domains:
1. cabezal del streamer con un alto valor del campo eléctrico reducido, que es responsable de la propagación de streamer a lo largo de las líneas de campo;1. streamer head with a high value of the reduced electric field, which is responsible for streamer propagation along the field lines;
2. canal de streamer con un campo relativo bajo, que en primer lugar asegura las características cuasiestacionarias del plasma en el canal, hasta que cierta inestabilidad en el canal del streamer destruya este estado cuasiestacionario; 3. la "cubierta" próxima al canal del streamer con baja concentración de electrones debido a la emisión por radiación desde el canal.2. Streamer channel with a low relative field, which first ensures the quasi-stationary characteristics of plasma in the channel, until some instability in the streamer channel destroys this quasi-state state; 3. the "cover" next to the streamer channel with low electron concentration due to radiation emission from the channel.
Estas cualificaciones se realizan conforme a la información experimental disponible y categorías comunes de las descargas con filamentos pulsantes. Se compara la existencia de modelos teóricos y datos experimentales para los diferentes intervalos tiempo-espacio. El cabezal del streamer se estudia de forma detenida debido al corto espacio de tiempo e intervalo espacial, aunque los parámetros del cabezal del streamer se pueden obtener a partir de la velocidad observada en el streamer y al radio del streamer por medio de la teoría de propagación en el plano frontal. Esta teoría es válida en nuestro caso, puesto que el espesor del frontal del streamer es lo suficientemente más pequeño que el radio del streamer. El modelo del plano frontal se desarrolló para plasma de metano, agua y hidrógeno y produjo las concentraciones iniciales de electrones en el canal del streamer después del frontal.These qualifications are made according to the available experimental information and common categories of the downloads with pulsating filaments. The existence of theoretical models and experimental data for the different time-space intervals is compared. The streamer head is studied carefully due to the short time and spatial interval, although the streamer head parameters can be obtained from the speed observed in the streamer and the streamer radius by means of propagation theory in the frontal plane. This theory is valid in our case, since the thickness of the streamer's front is smaller enough than the streamer's radius. The frontal plane model was developed for methane, water and hydrogen plasma and produced the initial electron concentrations in the streamer channel after the frontal.
Además, este modelo proporciona el valor del campo cuasiestacionario en el canal. Estos valores se pueden comparar con los datos experimentales para la intensidad del campo eléctrico y concentraciones de los electrones. Dado que la concentración de electrones en el canal proporcionada por la teoría del plano frontal es relativamente pequeña (ηe de aproximadamente 3*1014 1 /cm3), es bastante difícil medir esta cantidad a partir de estudios espectroscópicos. No obstante, el valor citado antes de ηe concuerda con la estimación de ηe < 1015 1 /cm3 del análisis de dispersión de líneas de hidrógeno. Cabe citar que el plasma de hidrógeno es más adecuado para las medidas experimentales debido a la estructura más precisa y a la cinética asequible bien conocida y parámetros de desviación, no solo para el estado fundamental, sino también para estados excitados requeridos. Esta es la razón del uso de un plasma de hidrógeno en la primera etapa como ambiente de muestra conveniente para el modelo de descarga.In addition, this model provides the value of the quasi-stationary field in the channel. These values can be compared with the experimental data for the intensity of the electric field and electron concentrations. Since the concentration of electrons in the channel provided by the frontal plane theory is relatively small (η e of approximately 3 * 10 14 1 / cm 3 ), it is quite difficult to measure this amount from spectroscopic studies. However, the value quoted before η e agrees with the estimation of η e <10 15 1 / cm 3 of the hydrogen line dispersion analysis. It should be mentioned that hydrogen plasma is more suitable for experimental measurements due to the more precise structure and well-known affordable kinetics and deviation parameters, not only for the fundamental state, but also for required excited states. This is the reason for the use of a hydrogen plasma in the first stage as a convenient sample environment for the discharge model.
Las intensidades de campo eléctrico en el canal (H2 - 100 Td, CH4 - 90 Td) derivadas de la teoría del plano frontal y la suposición cuasiestacionaria son bastante concordantes con las medidas experimentales tanto en hidrógeno (=30 kV) como en metano (=20 kV) para condiciones normales. La desviación en el caso de plasma de hidrógeno puede ser debida a impurezas en el gas a granel, tal como agua al 1 %. Las temperaturas de los electrones, que corresponden a estas intensidades del campo son de aproximadamente 2eV. Un modo alternativo para determinar esta cantidad es el análisis de la población de estados excitados de hidrógeno, basada en las intensidades de líneas. Para llevar a cabo estos estudios se desarrolló un modelo cinético de la población de niveles de hidrógeno, teniendo en cuenta la excitación del impacto y la pérdida de la excitación, la radiación espontánea y los procesos de ionización, incluyendo los resultados de la onda del plano frontal y el cálculo de la función de distribución de energía de los electrones (EEDF). El modelo ha mostrado que la población de niveles excitados de hidrógeno está fuertemente en no equilibrio con respecto a la temperatura de los electrones: Tex fue aproximadamente 0,3 a 0,4 eV para los niveles deseados, mientras que T0 fue aproximadamente 2 eV. Estos resultados concuerdan bien con la observación experimental de que Tex es aproximadamente 0,3 eV y coinciden con los cálculos cinéticos previos en hidrógeno.The electric field intensities in the channel (H 2 - 100 Td, CH 4 - 90 Td) derived from the frontal plane theory and the quasi-stationary assumption are quite consistent with the experimental measurements in both hydrogen (= 30 kV) and methane (= 20 kV) for normal conditions. The deviation in the case of hydrogen plasma may be due to impurities in the bulk gas, such as 1% water. The temperatures of the electrons, which correspond to these field intensities are approximately 2eV. An alternative way to determine this quantity is the population analysis of excited states of hydrogen, based on line intensities. To carry out these studies a kinetic model of the population of hydrogen levels was developed, taking into account the excitation of the impact and the loss of the excitation, the spontaneous radiation and the ionization processes, including the results of the plane wave frontal and calculation of the electron energy distribution function (EEDF). The model has shown that the population of excited hydrogen levels is strongly at no equilibrium with respect to the temperature of the electrons: T ex was approximately 0.3 to 0.4 eV for the desired levels, while T 0 was approximately 2 eV. These results agree well with the experimental observation that T ex is approximately 0.3 eV and coincide with previous kinetic calculations in hydrogen.
La velocidad de calentamiento de gas en el plasma puede determinar el comienzo del estado de cuasiequílibrio debido a la inestabilidad al calor de la ionización en el canal del streamer. La velocidad de calentamiento del gas se determinó solucionando la ecuación cinética para la energía de los electrones y hallando la contribución de cada proceso elemental en el calentamiento del gas, teniendo en cuenta la conservación de la energía en algunos grados de libertad. Por ejemplo, cabe esperar que la energía de vibración se almacene sin relajación en los grados translacionales y rotacionales al menos a bajas temperaturas. La simulación da un aumento de temperatura de aproximadamente 100 K en el curso de los 100 primeros ns. Este valor es suficiente para iniciar la inestabilidad al calor de la ionización en el canal si se produce bastante rápida una relajación de la presión. El tiempo hidrodinámico característico es de aproximadamente 100 ns para el hidrógeno y algo mayor para el metano. Así, la inestabilidad de la ionización en el canal del streamer parece ser la responsable de la termalización del canal en aproximadamente 100 ns en hidrógeno, dado que el experimento muestra un fuerte aumento de la temperatura del gas y de la concentración de electrones después de aproximadamente 200 ns en hidrógeno y 400 ns en metano. Como es de esperar, la concentración de electrones en el estado de cuasiequilibrío se determina a partir del supuesto de que el espesor de la capa de piel es aproximadamente el radio del streamer. Esta suposición produce una concentración de electrones de aproximadamente 1016 1 /cm3, que concuerda razonablemente con el valor experimental de aproximadamente 5*1016 1 /cm3. La temperatura del gas del experimento (aproximadamente 5000 K en metano) es ligeramente inferior a la temperatura de equilibrio para esta concentración (aproximadamente 6000 K) y así proporciona el estado de cuasiequilibrio del plasma.The rate of heating of gas in the plasma can determine the onset of the quasi-liquid state due to the heat instability of the ionization in the streamer channel. The gas heating rate was determined by solving the kinetic equation for the energy of electrons and finding the contribution of each elementary process in the heating of the gas, taking into account the conservation of energy in some degrees of freedom. For example, the vibration energy can be expected to be stored without relaxation in translational and rotational degrees at least at low temperatures. The simulation gives a temperature increase of approximately 100 K in the course of the first 100 ns. This value is sufficient to initiate heat instability of the ionization in the channel if pressure relaxation occurs fairly quickly. The characteristic hydrodynamic time is approximately 100 ns for hydrogen and somewhat longer for methane. Thus, the instability of the ionization in the streamer channel seems to be responsible for the thermalization of the channel by approximately 100 ns in hydrogen, since the experiment shows a sharp increase in gas temperature and electron concentration after approximately 200 ns in hydrogen and 400 ns in methane. As expected, the concentration of electrons in the quasi-equilibrium state is determined from the assumption that the thickness of the skin layer is approximately the radius of the streamer. This assumption produces a concentration of electrons of approximately 10 16 1 / cm 3 , which reasonably matches the experimental value of approximately 5 * 10 16 1 / cm 3 . The temperature of the experiment gas (approximately 5000 K in methane) is slightly lower than the equilibrium temperature for this concentration (approximately 6000 K) and thus provides the quasi-equilibrium state of the plasma.
La región de "cubierta" próxima al canal es bastante difícil de medir debido a las pequeñas concentraciones de electrones en la misma. Además, la concentración de electrones en esta región depende de las concentraciones de impurezas en el gas (que puede tomar parte en el proceso de fotoionización e ionización por asociación). Este hecho crea serias restricciones en el modelo de descarga cerca del canal caliente.The "cover" region near the channel is quite difficult to measure due to the small concentrations of electrons in it. In addition, the concentration of electrons in this region depends on the concentrations of impurities in the gas (which can take part in the process of photoionization and ionization by association). This fact creates serious restrictions on the discharge model near the hot runner.
Para determinar el mecanismo cinético del reformado de combustible en la descarga de MW se investigaron varios mecanismos posibles en condiciones de descarga. El primero de todos, la disociación térmica de gasolina con adiciones de agua se llevó a cabo para determinar la influencia del agua en la conversión de gasolina y la formación de hollín. En la capacidad de la gasolina se consideró el octano, puesto que el octano es el hidrocarburo mayor en la composición de la gasolina. Se elaboró el esquema cinético, compuesto por 876 reacciones, que describen la oxidación del octano y la formación de hollín. El modelo contiene 85 componentes químicos, incluyendo todos los hidrocarburos hasta el C8H1S con isómeros y radicales intermedios.To determine the kinetic mechanism of the fuel reforming in the MW discharge, several possible mechanisms were investigated under discharge conditions. First of all, the thermal dissociation of gasoline with water additions was carried out to determine the influence of water on gasoline conversion and soot formation. In the capacity of gasoline, octane was considered, since octane is the major hydrocarbon in the composition of gasoline. The kinetic scheme, consisting of 876 reactions, describing octane oxidation and soot formation was developed. The model contains 85 chemical components, including all hydrocarbons up to C 8 H 1S with isomers and intermediate radicals.
Los cálculos se llevaron a cabo con el código WorkBench, usando el modelo de Reactor de Bomba Calorimétrica (CBR) a P=const y T=const. Las curvas cinéticas, que describen la disociación de la mezcla octano- agua a T=1500K y P= 1 atm se muestran en la Figura 1 y la Figura 2 y a T=2100 K y P=1 atm en la Figura 3 y Figura 4, y las adiciones de agua - agua al 89% (Fig 1 , Fig 3) y agua al 50% (Fig 2, Fig 4).The calculations were carried out with the WorkBench code, using the model of the Heat Pump Reactor (CBR) at P = const and T = const. The kinetic curves, which describe the dissociation of the octane-water mixture at T = 1500K and P = 1 atm are shown in Figure 1 and Figure 2 and at T = 2100 K and P = 1 atm in Figure 3 and Figure 4 , and the additions of water - 89% water (Fig 1, Fig 3) and 50% water (Fig 2, Fig 4).
Figura 1. Curvas cinéticas de las concentraciones principales durante la disociación de la mezcla C8H18-H20 (11 :89%) a T = 1500 K, P = 1 atmFigure 1. Kinetic curves of the main concentrations during dissociation of the C8H18-H20 mixture (11: 89%) at T = 1500 K, P = 1 atm
A partir de la Figura 1 es evidente que el proceso de conversión de octano en presencia de agua C8H18 + 8H20 = 8CO + 17H2From Figure 1 it is evident that the process of conversion of octane in the presence of water C8H18 + 8H20 = 8CO + 17H2
1. disociación rápida de octano con etileno y formación de metano:1. Rapid dissociation of octane with ethylene and methane formation:
2. proceso lento de formación de acetileno, en el que el agua toma parte como catalizador, seguido por la formación de CO y H2.2. Slow process of acetylene formation, in which water takes part as a catalyst, followed by the formation of CO and H2.
Si el agua no es suficiente para la conversión completa del octano, entonces serán productos metano (Fig. 2) o acetileno (Fig. 4).If the water is not enough for the complete conversion of octane, then it will be methane products (Fig. 2) or acetylene (Fig. 4).
Figura 2. Curvas cinéticas de las concentraciones principales durante la disociación de la mezcla C8H18-H20 (50:50%) a T = 1500 K, P = 1 atmFigure 2. Kinetic curves of the main concentrations during dissociation of the C8H18-H20 mixture (50: 50%) at T = 1500 K, P = 1 atm
Figura 3. Curvas cinéticas de las concentraciones principales durante la disociación de la mezcla C8H18-H20 (1 1 :89%) a T = 2200 K, P = 1 atmFigure 3. Kinetic curves of the main concentrations during dissociation of the C8H18-H20 mixture (1 1: 89%) at T = 2200 K, P = 1 atm
Figura 4. Curvas cinéticas de las concentraciones principales durante la disociación de la mezcla C8H 18-H20 (50:50%) a T = 2200 K, P = 1 atmFigure 4. Kinetic curves of the main concentrations during dissociation of the C8H 18-H20 mixture (50: 50%) at T = 2200 K, P = 1 atm
La formación de "hollín" durante la disociación de la mezcla octano-agua a T= 2000 K y P = 1 atm se muestra en la Figura 5 y Figura 6. En este modelo se considera un modelo simplificado de la formación de hollín, sugerido por A. V. Krestinin [1]:The formation of "soot" during the dissociation of the octane-water mixture at T = 2000 K and P = 1 atm is shown in Figure 5 and Figure 6. In this model a simplified model of soot formation is considered, suggested by AV Krestinin [1]:
C2H2 → C4H12 → C6H2 → C8H2 → ... núcleo de hollínC2H2 → C4H12 → C6H2 → C8H2 → ... soot core
aunque está limitado a C8H2 con posterior gasificación. De las figuras es evidente que si el agua no es suficiente para la conversión completa de octano en CO-H2, entonces se producirá hollín.although it is limited to C8H2 with subsequent gasification. From the figures it is clear that if the water is not sufficient for the complete conversion of octane into CO-H2, then soot will be produced.
Figura 5. Formación de hollín durante la disociación de la mezcla C8H18-H2O (1 1 :89%) a T= 2200K, P = 1 atm.Figure 5. Soot formation during dissociation of the C8H18-H2O mixture (1 1: 89%) at T = 2200K, P = 1 atm.
Figura 6. Formación de hollín durante la disociación de la mezcla C8H18-H20 (50:50%) a T= 2200K, P = 1 atm.Figure 6. Soot formation during dissociation of the C8H18-H20 mixture (50: 50%) at T = 2200K, P = 1 atm.
En la Figura 7 se muestra la dependencia del tiempo de proceso frente a la temperatura a la que se lleva a cabo el proceso.Figure 7 shows the dependence of the process time on the temperature at which the process is carried out.
Figura 7. dependencia del tiempo de proceso frente a la temperatura.Figure 7. Dependence on process time versus temperature.
Como se puede apreciar de la Figura 7, el tiempo de proceso es el mismo que en el caso de la descomposición de metano (véase el informe previo), solo a temperaturas inferiores a 1500 K. La etapa limitante es la disociación de metano CH4 → CH3 + H y a temperaturas superiores a 1500 K la etapa limitante es la descomposición de acetileno.As can be seen from Figure 7, the process time is the same as in the case of methane decomposition (see previous report), only at temperatures below 1500 K. The limiting stage is the dissociation of methane CH4 → CH3 + H and at temperatures above 1500 K the limiting stage is the decomposition of acetylene.
Así, los resultados cinéticos obtenidos para los mecanismos térmicos de la conversión de combustible determinan parámetros óptimos de descarga y por tanto condiciones experimentales deseadas para el reformado de combustible.Thus, the kinetic results obtained for the thermal mechanisms of the fuel conversion determine optimal discharge parameters and therefore desired experimental conditions for the refurbished fuel
REVISIÓN DE LAS PATENTES EXISTENTES PARA LA CONVERSIÓN DE COMBUSTIBLESREVIEW OF EXISTING PATENTS FOR FUEL CONVERSION
Uno de los procesos químicos básicos usados en diferentes agregados para recibir gas rico en hidrógeno (h.g.) es el reformado de hidrocarburos con vapor, por ejemplo: CH4+H20 = CO + H2. Esta reacción es endotérmica, pero si se añade oxígeno en la mezcla que entra, el proceso de reformado es exotérmico. Este proceso puede usarse para recibir h.g., que se quemará en un motor de combustión interna o en la pila de combustible a bordo.One of the basic chemical processes used in different aggregates to receive hydrogen-rich gas (hg) is steam reforming, for example: CH 4 + H 2 0 = CO + H 2 . This reaction is endothermic, but if oxygen is added to the incoming mixture, the reforming process is exothermic. This process can be used to receive hg, which will burn in an internal combustion engine or on-board fuel cell.
El uso de catalizadores para un proceso de reformado se propone por una gran parte de autores. Se ha patentado una amplia serie de sustancias usadas como catalizadores [1 ,2], así como diseños apropiados de reformadores [2,3]. Podemos subrayar que las características importantes del reformador catalítico son una forma compacta y que no requieren el uso de un equipo adicional. El aislamiento térmico y el reciclado de calor [3] proporcionará una alta eficacia.The use of catalysts for a reforming process is proposed by a large number of authors. A wide range of substances used as catalysts [1,2] have been patented, as well as appropriate reformer designs [2,3]. We can underline that the important characteristics of the catalytic reformer are a compact form and do not require the use of additional equipment. Thermal insulation and heat recycling [3] will provide high efficiency.
Otra forma de obtener h.g. basándose en el proceso de reformado con vapor es una variante de la pirólisis de hidrocarburos en fase gaseosa descrita en [4]. Una mezcla patentada de hidrocarburos y gas enriquecido en oxígeno quemado se agrega después de inyectar los hidrocarburos en la mezcla a alta temperatura obtenida para recibir una cantidad de hidrógeno adicional. La relación entre cantidades de hidrocarburos, vapor y oxígeno se patentó. En la opinión de DAVID la ventaja principal de este procedimiento es la ausencia de catalizadores.Another way to obtain hg based on the steam reforming process is a variant of the gas phase pyrolysis of hydrocarbons described in [4]. A proprietary mixture of hydrocarbons and burned oxygen enriched gas is added after injecting the hydrocarbons into the high temperature mixture obtained to receive an additional amount of hydrogen. The relationship between quantities of hydrocarbons, steam and oxygen was patented. In the opinion of DAVID the Main advantage of this procedure is the absence of catalysts.
Muchos autores proponen el uso de métodos de plasma para el reformado de combustibles hidrocarburos. El plasmatrón de arco se patentó como un diseño apropiado de reformador [5], en el que hay vaporización del combustible y su pirólisis.Many authors propose the use of plasma methods for reforming hydrocarbon fuels. The arc plasmatron was patented as an appropriate reformer design [5], in which there is vaporization of the fuel and its pyrolysis.
Hay un diseño interesante de plasmatrón de arco introducido en [6]. Hay diferentes procesos químicos para el reformado de combustibles en este plasmatrón: pirólisis de hidrocarburos que conduce a hidrógeno y carbono sólido. Se patentó el diseño del plasmatrón con una depuración mecánica continua de carbono sólido.There is an interesting design of arc plasmatron introduced in [6]. There are different chemical processes for reforming fuels in this plasmatron: hydrocarbon pyrolysis that leads to hydrogen and solid carbon. The plasmatron design was patented with a continuous mechanical purification of solid carbon.
La ¡dea de usar el reformado de plasma para recibir h.g., que se inyectará en el motor de un coche cuando sea necesario obtener una potencia máxima se patenta en [7]. Proponen el uso del piasmatrón de arco o plasmatrón de microondas como reformador.The idea of using plasma reforming to receive h.g., which will be injected into the engine of a car when it is necessary to obtain maximum power, is patented in [7]. They propose the use of the arc piasmatron or microwave plasmatron as a reformer.
Los autores del documento [8] proponen añadir una turbina que usa energía cinética y calor de gases al plasmatrón para el reformado de combustibles hidrocarburos, para recibir una energía adicional que puede usarse para las necesidades del plasmatrón.The authors of the document [8] propose adding a turbine that uses kinetic energy and heat of gases to the plasmatron for reforming hydrocarbon fuels, to receive additional energy that can be used for the plasmatron's needs.
Otro grupo de patentes son aquellas en las que se usa el plasma como estimulador y fuente de energía de un proceso endotérmico de reformado de hidrocarburos con vapor. En uno de ellos [9] el arco deslizante arde en un volumen de reacción para estimular el proceso de reformado de hidrocarburos. Los gases de escape se reforman adicionalmente pasándolos a través de un lecho granulado.Another group of patents are those in which plasma is used as a stimulator and energy source of an endothermic process of steam hydrocarbon reforming. In one of them [9] the sliding arc burns in a reaction volume to stimulate the hydrocarbon reforming process. Exhaust gases are further reformed by passing them through a granulated bed.
En otro [10] la mezcla de reacción se calentó inicialmente y después de pasar a través del reactor, donde se inicia una descarga periódica de impulsos de alto voltaje y estimula la reacción del reformado con vapor, también hay un diseño de reformador que puede usarse para la generación de h.g. , donde el h.g. se quema en una pila de combustibleIn another [10] the reaction mixture was initially heated and after passing through the reactor, where a periodic discharge of high voltage pulses starts and stimulates the steam reforming reaction, there is also a reformer design that can be used for hg generation , where the h.g. burns in a fuel cell
SPE a bordo.SPE on board.
La revisión de la bibliografía de patentes demuestra un interés significativo de los investigadores por el problema de obtención de h.g. a partir de hidrocarburos. Como se muestra en la revisión, el mayor grupo de patentes consta de las patentes cuyos autores proponen realizar el proceso de reformado de hidrocarburos con catalizadores, donde los catalizadores son sustancias qu ímicas apropiadas. La mayoría de las patentes muestran métodos de reformado de combustibles hidrocarburos con plasma. Sin embargo, en la mayoría de los casos los autores de las patentes usan el plasma como un calentador de reaccionantes eficaz. Sólo en dos patentes, desde el punto de vista de DAVID el plasma se usa como una fuente de energía térmica y como estimulador del proceso de reformado de hidrocarburos. En el primero de ellos [9] una mezcla de gas enriquecido en oxígeno e hidrocarburos se activa mediante el plasma de arco deslizante y se mueve en un material metálico o cerámico especial, donde esta mezcla finalmente se reforma en gas de síntesis. Pero esta patente no puede servir como prototipo de nuestro dispositivo. La idea del segundo de ellos [9] es muy parecida al diseño de nuestro dispositivo. En ambos casos, la mezcla de reaccionantes se calentó y después se trató por el plasma frío. Hay una importante diferencia entre los dispositivos: en este caso, la fuente de plasma frío es una descarga silenciosa. No hay conversión completa en tal sistema, parte de los hidrocarburos se transforma en dióxido de carbono y necesita usar membranas con una conductividad seleccionada para obtener hidrógeno. En este sistema se necesita comprimir gas adicional y usar más energía.The review of the patent literature demonstrates a significant interest of researchers in the problem of obtaining hg from hydrocarbons. As shown in the review, the largest group of patents consists of the patents whose authors propose to carry out the process of reforming hydrocarbons with catalysts, where the catalysts are appropriate chemical substances. Most patents show methods of reforming hydrocarbon fuels with plasma. However, in most cases the patent authors use plasma as an effective reagent heater. Only in two patents, from DAVID's point of view, plasma is used as a source of thermal energy and as a stimulator of the hydrocarbon reforming process. In the first one [9] a mixture of oxygen-enriched gas and hydrocarbons is activated by means of the sliding arc plasma and moves in a special metallic or ceramic material, where this mixture is finally reformed into synthesis gas. But this patent cannot serve as a prototype of our device. The idea of the second one [9] is very similar to the design of our device. In both cases, the reactant mixture was heated and then treated by cold plasma. There is an important difference between the devices: in this case, the cold plasma source is a silent discharge. There is no complete conversion in such a system, part of the hydrocarbons is transformed into carbon dioxide and you need to use membranes with a selected conductivity to obtain hydrogen. In this system you need to compress additional gas and use more energy.
Bibliografía
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Bibliography
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Los sistemas presentados y anteriores pueden generar gas sintético a bordo de un vehículo o producirlo en un dispositivo estacionario. Ambas construcciones pertenecen a la técnica anterior. Por ejemplo, véase la patente de los Estados Unidos n° 5887554, en la que se inventan algunos sistemas para el reformado de combustible en gas sintético.The presented and previous systems can generate synthetic gas on board a vehicle or produce it in a stationary device. Both constructions belong to the prior art. For example, see the United States Patent No. 5887554, in which some systems for reforming synthetic gas fuel are invented.
Én el caso de un sistema estacionario, es necesaria la presencia de recipientes de alta presión o recipientes criogénicos.In the case of a stationary system, the presence of high pressure vessels or cryogenic vessels is necessary.
Otro ejemplo importante de un sistema convertidor es la patente mundial n° PCT/US98/18027. Se inventan tres procesos de conversión de hidrocarburos ligeros (tales como CH4, C2H6, C3H8, C4H10 o gas natural) en presencia (posible) de agua y oxígeno (o aire), por una descarga eléctrica (en descarga de partículas). Al describir el dispositivo de esta patente, una de las fuentes de energía para el proceso de conversión es la oxidación parcial de hidrocarburos.Another important example of a converter system is World Patent No. PCT / US98 / 18027. Three light hydrocarbon conversion processes (such as CH 4 , C 2 H 6 , C 3 H 8 , C 4 H 10 or natural gas) are invented in the presence (possible) of water and oxygen (or air), by discharge electric (in particle discharge). When describing the device of this patent, one of the energy sources for the conversion process is the partial oxidation of hydrocarbons.
La producción a bordo de hidrógeno se desarrolla con detalle. Este grupo de dispositivo se presenta por ejemplo, en la patente de Estados Unidos N° 5143025. en ella, se inventa en el uso de electrólisis para separar agua en hidrógeno y oxígeno y añadir el hidrógeno a un combustible. El sistema de producción de gas rico en hidrógeno mediante la integración de agua con C0 (carbono sólido) se desarrolla en la patente de Estados Unidos N° 51 59900. En este dispositivo, la oxidación parcial de electrodos de carbono por el agua proporcionada por medio de tratamiento con arco es la fuente fundamental de la mezcla H2 + CO. En la patente de Estados Unidos n° 5207185 de Greiner et al., la base del dispositivo es un quemador, que utiliza una porción del combustible hidrocarburo para reformar otra porción produciendo hidrógeno. El hidrógeno se mezcla con el combustible para usar en el motor. Otro sistema es usar el convertidor térmico para reformar parte de la gasolina combustible en gas rico en hidrógeno. Véase Breshears El, et al. , Proc. of EPA 1 st Symposium on Low Polution Power Systems Development, 268 (1973). Otros sistemas análogos usan la oxidación parcial en presencia de catalizadores. Véase Houseman, et al., Proc. 3rd Production on board hydrogen is developed in detail. This device group is presented, for example, in US Patent No. 5143025. in it, it is invented in the use of electrolysis to separate water into hydrogen and oxygen and add hydrogen to a fuel. The hydrogen rich gas production system by integrating water with C 0 (solid carbon) is developed in US Patent No. 51 59900. In this device, the partial oxidation of carbon electrodes by water provided by Arc treatment medium is the fundamental source of the H 2 + CO mixture. In U.S. Patent No. 5207185 to Greiner et al., The base of the device is a burner, which uses a portion of the hydrocarbon fuel to reform another portion producing hydrogen. Hydrogen is mixed with the fuel to use in the engine. Another system is to use the thermal converter to reform part of the fuel gasoline in hydrogen-rich gas. See Breshears El, et al. , Proc. of EPA 1st Symposium on Low Power Systems Development Polution, 268 (1973). Other analogous systems use partial oxidation in the presence of catalysts. See Houseman, et al., Proc. 3 rd
World Hydrogen Energy Conf. 949 (1980).World Hydrogen Energy Conf. 949 (1980).
Las patentes de Estados Unidos números 5435332 y 5437250, ambas de Rabinovich et al., describen sistemas de motores de combustión interna con plasmatrón. Los plasmatrones de arco son el medio en ambas patentes.U.S. Patent Nos. 5435332 and 5437250, both of Rabinovich et al., Describe plasmatron internal combustion engine systems. Arc plasmatrons are the medium in both patents.
En los dispositivos actualmente patentados para la realización de los procesos de conversión de combustibles asistidos por plasma se utilizaba la descarga estabilizada de plasma en el plasmatrón de arco, de alta frecuencia o superalta frecuencia de diferentes modelos y las variantes de impulso de la descarga de arco (railgun, gliding); véase las patentes de los Estados Unidos números 5.425.332; 5.437.250 y 5.887.554. La muy alta temperatura, propia de las descargas de este tipo y, como consecuencia, el equilibrio de peso termodinámico, no permiten aprovechar con plena efectividad las ventajas del método de plasma para la realización del proceso de la conversión del combustible.In the currently patented devices for the realization of the conversion processes of plasma-assisted fuels, the stabilized plasma discharge in the arc plasma, high frequency or super high frequency of different models and the impulse variants of the arc discharge were used (railgun, gliding); see United States patents numbers 5,425,332; 5,437,250 and 5,887,554. The very high temperature, typical of discharges of this type and, as a consequence, the thermodynamic weight balance, does not allow to take full advantage of the advantages of the plasma method for carrying out the fuel conversion process.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓNDESCRIPTION OF THE INVENTION
El objeto de la invención es un convertidor de plasma para convertir hidrocarburos en gas rico en hidrógeno. El convertidor incluye un calentador, un mezclador, reactor y fuente de microondas conectada al reactor. Una descarga de impulso periódica pseudo-corona de microondas se usa para la aceleración del proceso de conversión dentro del reactor. Se genera una descarga pseudo-corona mediante un conjunto de bordes metálicos introducidos dentro del resonador de microondas en la región de máximo campo eléctrico. Como resultado, con un determinado régimen seleccionado (duración de impulso, relación de duración de impulso periodo-pulso, entrada de energía específica, temperatura a la entrada del reactor) se genera un carácter plasma- catalítico al proceso de conversión. Un proceso de conversión plasma- catalitico se distingue por su alta productividad específica y por su bajo requerimiento de energía eléctrica en el límite inferior de temperatura. El reactor propuesto permite llevar a cabo el proceso de conversión de combustible (petróleo, queroseno, combustible diesel, etc.) con vapor, con vapor-oxígeno (vapor-aire) y también oxidación parcialcon aire en gas rico en hidrógeno. La mayor parte de la energía, termodinámicamente requerida para llevar a cabo un proceso determinado, se suministra al sistema como energía térmica desde el calentador a expensas de la recuperación de calor a la salida del reactor, y también (en caso de conversión vapor-oxígeno u oxidación pacial) a expensas de la combustión parcial de combustible en el mezclador. El calentador puede incluir (en caso de conversión de vapor) un plasmatrón de arco. En el mezclador se pueden usar inyectores supersónicos, que proporcionan una mezcla eficaz de los reaccionantes iniciales en un tiempo inferior a 10"3-1 0"5 segThe object of the invention is a plasma converter to convert hydrocarbons into hydrogen-rich gas. The converter includes a heater, a mixer, reactor and microwave source connected to the reactor. A periodic pseudo-corona impulse discharge of Microwave is used to accelerate the conversion process inside the reactor. A pseudo-corona discharge is generated by a set of metal edges introduced into the microwave resonator in the region of maximum electric field. As a result, with a certain selected regime (pulse duration, period-pulse pulse duration ratio, specific energy input, temperature at the reactor inlet) a plasma-catalytic character is generated to the conversion process. A plasma-catalytic conversion process is distinguished by its high specific productivity and its low electrical energy requirement at the lower temperature limit. The proposed reactor makes it possible to carry out the process of converting fuel (petroleum, kerosene, diesel fuel, etc.) with steam, with steam-oxygen (steam-air) and also partial oxidation with air in hydrogen-rich gas. Most of the energy, thermodynamically required to carry out a given process, is supplied to the system as thermal energy from the heater at the expense of heat recovery at the reactor outlet, and also (in case of vapor-oxygen conversion or partial oxidation) at the expense of partial combustion of fuel in the mixer. The heater may include (in case of steam conversion) an arc plasmatron. Supersonic injectors can be used in the mixer, which provide an effective mixture of the initial reactants in less than 10 "3 -1 0 " 5 sec
La tecnología moderna permite construir el dispositivo propuesto tanto para un sistema estacionario de gran producción como el diseño compacto para la instalación en vehículos. La utilización del equipo de producción de gas rico en hidrógeno a partir de hidrocarburos a bordo de vehículos, permite evitar la utilización de depósitos de hidrógeno a bordo. La utilización combinada de los dispositivos propuestos (uso de motores adaptados de combustión interna para mezcla de gas rico en hidrógeno y gasolina) a bordo permite la disminución significativa de contaminación e incrementar el rendimiento del motor. Las características de funcionamiento del motor se mejoran sin cambios radicales en su diseño. En segundo lugar, la aplicación del equipo propuesto es su utilización con la célula de combustible para generar electricidad que se suministra al motor eléctrico del vehículo. Modern technology allows the proposed device to be built for both a high-production stationary system and the compact design for installation in vehicles. The use of hydrogen-rich gas production equipment from hydrocarbons on board vehicles makes it possible to avoid the use of hydrogen deposits at board. The combined use of the proposed devices (use of adapted internal combustion engines for mixing hydrogen-rich gas and gasoline) on board allows the significant decrease of pollution and increase engine performance. The engine performance characteristics are improved without radical changes in its design. Secondly, the application of the proposed equipment is its use with the fuel cell to generate electricity that is supplied to the electric motor of the vehicle.
DESCRIPCIÓN DEL APARATO CONSTRUIDO POR DAVID EN EL CUAL SE HAN REALIZADO LOS EXPERIMENTOS DE NUESTRA INVENCIÓNDESCRIPTION OF THE DEVICE BUILT BY DAVID IN WHICH THE EXPERIMENTS OF OUR INVENTION HAVE BEEN CARRIED OUT
El montaje experimental, mostrado en la Figura 8, consta de: bloque tecnológico (representado por la línea de trazos en la Figura 1 ); sistema de alimentación de reaccionantes (combustible, agua, aire) ; sistema de alimentación de agua modulador, generador de MCW, guiaondasThe experimental setup, shown in Figure 8, consists of: technological block (represented by the dashed line in Figure 1); reagent feed system (fuel, water, air); water supply system modulator, MCW generator, waveguide
El agua y el combustible se evaporan en el Evaporador 1 y en el Evaporador 2 y a temperaturas mayores que sus temperaturas de ebullición correspondientes, son alimentados: agua - en la entrada del calentador 2 (plasmatrón de arco), el combustible - en la entrada del mezclador. La temperatura del vapor de agua deberá ser suficiente para evitar la condensación de vapor durante la alimentación en el calentador 2. La temperatura del combustible vapor deberá ser suficiente para evitar la condensación de vapor durante la alimentación en el mezclador.Water and fuel evaporate in Evaporator 1 and Evaporator 2 and at temperatures greater than their corresponding boiling temperatures, they are fed: water - at the entrance of the heater 2 (arc plasmatron), the fuel - at the entrance of the mixer. The temperature of the water vapor should be sufficient to avoid the condensation of steam during the feeding in the heater 2. The temperature of the steam fuel should be sufficient to avoid the condensation of steam during the feeding in the mixer.
El aire se calienta hasta una temperatura mayor que la temperatura de ebullición del agua y se alimenta con vapor de agua en la entrada del calentador 2. La temperatura del aire deberá ser suficiente para evitar la condensación de vapor de agua en la mezcla en la entrada del calentador 2.The air is heated to a temperature greater than the boiling temperature of the water and is fed with steam at the inlet of the heater 2. The air temperature should be sufficient to prevent condensation of water vapor in the mixture at the inlet of heater 2.
En el calentador 2, el vapor de agua y la mezcla de aire se calientan hasta una temperatura media de la masa fija dependiendo del régimen elegido (véanse las Tablas 2, 3, 4 y 5) y se alimenta en la entrada del mezclador.In heater 2, the water vapor and the air mixture are heated to an average temperature of the fixed mass depending on the regime chosen (see Tables 2, 3, 4 and 5) and fed into the mixer inlet.
Los regímenes de operación del bloque tecnológico (en principio, la temperatura de proceso) se determinan por el cambio de potencia del calentador 2 y/o los cambios en los consumos de reaccionantes iniciales.The operating regimes of the technology block (in principle, the process temperature) are determined by the change in power of the heater 2 and / or the changes in the consumption of initial reactants.
En el mezclador, todos los reaccionantes se suministran rápidamente, y después de que se suministran en el reactor plasma-catalítico.In the mixer, all reactants are supplied quickly, and after they are supplied in the plasma-catalytic reactor.
En el reactor, la mezcla calentada de reaccionantes se trata por una descarga de efecto pseudo-corona de microondas de impulso periódico.In the reactor, the heated mixture of reactants is treated by a pseudo-corona microwave discharge of periodic impulse.
Los productos del proceso se enfrían en el intercambiador de calor, la fase condensada se separa (agua y combustible sin reaccionar , y en ciertos casos carbón) en el intercambiador de calor ciclónico. El gas sintético obtenido se envía al análisis cromatográfico. En el punto "16", se determina el consumo de productos en fase gas. Necesariamente, el consumo de agua y combustible sin reaccionar en la fase líquida se determina en el punto "17".The products of the process are cooled in the heat exchanger, the condensed phase is separated (water and unreacted fuel, and in some cases coal) in the cyclone heat exchanger. The synthetic gas obtained is sent to the chromatographic analysis. At point "16", the consumption of gas phase products is determined. Necessarily, the consumption of unreacted water and fuel in the liquid phase is determined in item "17".
El disparador de descarga y el dispositivo de entrada de MCW entran constructivamente en el bloque tecnológico.The discharge trigger and the MCW input device constructively enter the technology block.
El disparador de descarga es un pivote de wolframio puntiagudo, introducido en el reactor en el campo de MCW, para iniciar la descarga de microondas de efecto pseudo-corona.The discharge trigger is a pivot of pointed tungsten, introduced into the reactor in the MCW field, to initiate the microwave discharge of pseudo-corona effect.
El dispositivo de entrada de MCW crea la distribución de campo eléctrico 2The MCW input device creates the electric field distribution two
en el reactor con una intensidad máxima en la región de la pieza de wolframio puntiaguda.in the reactor with a maximum intensity in the region of the pointed tungsten piece.
Los puntos de medida (puntos "4-1 5") de los parámetros principales del bloque tecnológico se muestran en la Figura 1 . Los valores nominales de ios parámetros del bloque tecnológico (consumos de reaccionantes, regímenes de temperatura) para los regímenes básicos del esquema de reacción se muestran en las tablas 1 , 2, 3 y 4.The measuring points (points "4-1 5") of the main parameters of the technology block are shown in Figure 1. The nominal values of the parameters of the technological block (consumption of reactants, temperature regimes) for the basic regimes of the reaction scheme are shown in Tables 1, 2, 3 and 4.
1.2. Breve descripción de la instalación de MCW1.2. Brief description of the MCW installation
El modulador de la instalación de MCW produce una serie de impulsos de tensión periódica, esenciales para el funcionamiento del generador de MCW con el dispositivo de entrada de MCW.The MCW installation modulator produces a series of periodic voltage pulses, essential for the operation of the MCW generator with the MCW input device.
Los parámetros principales de la radiación de MCW: duración del impulso de la radiación - 0, 1 - 1 mks; frecuencia de repetición de los impulsos hasta 1 kHz; potencia en el impulso - hasta 50 kW; potencia media - hasta 50 W; longitud de onda de la radiación - 3 cmThe main parameters of MCW radiation: duration of the radiation pulse - 0.1, 1 mks; pulse repetition frequency up to 1 kHz; impulse power - up to 50 kW; medium power - up to 50 W; radiation wavelength - 3 cm
1 .3. Reaccionantes de entrada1 .3. Input reactors
Los reaccionantes de entrada se alimentan en la entrada del bloque tecnológico en condiciones normales (puntos 1 , 2, y 3 en la Figura 1 ). El agua de refrigeración tiene parámetros próximos en la entrada, presión - 3 atm. temperatura - 15° - 25°CThe input reactants are fed into the input of the technology block under normal conditions (points 1, 2, and 3 in Figure 1). The cooling water has nearby parameters at the inlet, pressure - 3 atm. temperature - 15 ° - 25 ° C
2. NECESIDADES DE DISEÑO PARA SEPARAR LOS ELEMENTOS DEL BLOQUE TECNOLÓGICO2. DESIGN NEEDS TO SEPARATE THE ELEMENTS OF THE TECHNOLOGICAL BLOCK
2.1 Necesidades generales2.1 General needs
Se propone la disposición de los elementos del bloque dispuestos en una construcción. Se aprovecharán al máximo las posibilidades de agrupar - distribuir toda la construcción para la limpieza de los elementos, sustitución de elementos, modernización del bloque y operaciones similares.The arrangement of the elements of the block arranged in a construction is proposed. The possibilities of grouping - distributing the entire construction for the cleaning of the elements, replacement of elements, modernization of the block and similar operations will be maximized.
En la Figura 9 se muestra un esquema de la disposición de elementos próximos del bloque tecnológico: calentador 2 (plasmatrón de arco), mezclador, reactor, disparador de la descarga, dispositivo de entrada de MCW y grupo de termopares TC, (el índice corresponde al punto de medida en el esquema) para el control del régimen de temperatura del bloque. El diámetro de la tubería es 20 mm.A diagram of the arrangement of nearby elements of the technological block is shown in Figure 9: heater 2 (arc plasmatron), mixer, reactor, discharge trigger, MCW input device and TC thermocouple group, (the index corresponds to the measurement point in the diagram) for the control of the temperature regime of the block. The diameter of the pipe is 20 mm.
2.2 Plasmatrón de arco - calentador 22.2 Arc Plasmatron - heater 2
La potencia del plasmatrón es de 300 W - sin considerar el coeficiente de rendimiento del plasmatrón, pérdidas, etc. Gas de trabajo -vapor de agua, mezcla de vapor de agua con aire.The power of the plasmatron is 300 W - without considering the coefficient of plasmatron performance, losses, etc. Work gas - water vapor, water vapor mixture with air.
Presión - superior a la atmosférica (desplazamiento del gas a expensas de la presión de agua y combustible en el evaporador 1 y 2). En la salida del conducto de gas se fija presión atmosférica al eliminar gas del cambiador de calor. Consumo de gas en la entrada del plasmatrón:Pressure - higher than atmospheric (displacement of gas at the expense of water and fuel pressure in evaporator 1 and 2). At the outlet of the gas duct, atmospheric pressure is set by removing gas from the heat exchanger. Gas consumption at the inlet of the plasmatron:
Régimen 1 (sin aire) - vapor de agua 40,55 - 355 cnrrVsRegime 1 (without air) - water vapor 40.55 - 355 cnrrVs
Régimen 2 (con aire) - vapor de agua 18,7-40,55 cm3/s más 14-55 cm3/s de aire.Regime 2 (with air) - water vapor 18.7-40.55 cm 3 / s plus 14-55 cm 3 / s of air.
Temperatura del gas (media) en la salida del plasmatrón - hasta 3000 K. Los termopares TC4 y TC5 están incorporados en el plasmatrón. El termopar TC9 está activo y mide la distribución de temperaturas radial en la salida del plasmatrón - en la entrada del mezclador. Se proporciona la posibilidad de retirar el termopar de la sección transversal de la tubería.Gas temperature (average) at the plasmatron outlet - up to 3000 K. The thermocouples TC 4 and TC 5 are incorporated in the plasmatron. The TC 9 thermocouple is active and measures the radial temperature distribution at the plasmatron outlet - at the mixer inlet. The possibility of removing the thermocouple from the cross section of the pipe is provided.
2.3 Mezclador2.3 Mixer
Los parámetros de un componente mezclado (vapor de agua más aire) se fijan por el régimen de trabajo del plasmatrón de arco.The parameters of a mixed component (water vapor plus air) are set by the working regime of the arc plasmatron.
Parámetros del segundo componente mezclado (vapor del combustible)Parameters of the second mixed component (fuel vapor)
Consumo:Consumption:
Régimen (sin aire): 0,025 - 0,22 g/sRegime (without air): 0.025 - 0.22 g / s
Régimen (con aire): 0,025 g/sRegime (with air): 0,025 g / s
El tiempo de mezcla es de 10"4 s. La temperatura del gas después de mezclar es 500 - 1560 K.The mixing time is 10 "4 s. The temperature of the gas after mixing is 500-1560 K.
El termopar TC6 está incorporado en el mezclador. El termopar TC10 controla la temperatura del gas después de mezclar en el centro de la tubería. Se proporciona la posibilidad de retirar el termopar de la sección transversal de la tubería.The TC 6 thermocouple is incorporated in the mixer. The TC 10 thermocouple controls the temperature of the gas after mixing in the center of the pipe. The possibility of removing the thermocouple from the cross section of the pipe is provided.
2.4 Reactor con disparador de descarga y dispositivo de entrada de MCW2.4 Reactor with discharge trigger and MCW input device
En la variante, mostrada en la Figura 2, el reactor del extremo de cabeza está cerrado por la pared metálica MC con orificios para el diagnóstico espectral de la descarga y una mirilla GW de vidrio a vacío. La pared MC sirve para reflejar la radiación de MW en la dirección de la zona de descarga DZ de MCW. La distancia entre MC y los ejes de la radiación de MCW que entra en el dispositivo es del orden de 5-10 cm. En esta variante, el intercambiador de calor "ciclónico" puede estar conectado a - 5?In the variant, shown in Figure 2, the head end reactor is closed by the metal wall MC with holes for the spectral diagnosis of the discharge and a GW sight glass of vacuum glass. The MC wall serves to reflect the MW radiation in the direction of the MCZ DZ discharge zone. The distance between MC and the axes of the MCW radiation entering the device is of the order of 5-10 cm. In this variant, the "cyclonic" heat exchanger may be connected to - 5?
la pared del reactor como en la Figura 2. La disposición del bloque tecnológico en este caso es horizontal. La reflexión de la radiación de MCW en la dirección de la zona de descarga de la zona de mezcla se obtiene reduciendo la sección transversal de la tubería en la salida del mezclador desde 20 mm a 15 mm.the reactor wall as in Figure 2. The arrangement of the technology block in this case is horizontal. The reflection of the MCW radiation in the direction of the discharge zone of the mixing zone is obtained by reducing the cross-section of the pipe at the mixer outlet from 20 mm to 15 mm.
El dispositivo de entrada de la radiación de MCW es un guiaondas rectangular que tiene una sección transversal de 24 x 11 mm. La pared ancha del guiaondas está orientada a lo largo de la tubería. La pared ancha tiene 150 mm de longitud. A una distancia de 70 mm del lugar de unión del guiaondas y la tubería se ha dispuesto el hermetizador realizado en material transparente a la radiación de MW. La distancia entre ejes del dispositivo de entrada y la zona de descarga de MW es del orden de 5 a 10 cm.The MCW radiation input device is a rectangular waveguide that has a cross section of 24 x 11 mm. The wide waveguide wall is oriented along the pipe. The wide wall is 150 mm long. At a distance of 70 mm from the place of union of the waveguide and the pipe, the sealant made of material transparent to the radiation of MW has been arranged. The wheelbase of the input device and the discharge area of MW is of the order of 5 to 10 cm.
Nota: Es conveniente en la Figura 2 disponer el dispositivo de entrada de MCW en el plano de salida. En el sistema real, la entrada no está inclinada 90° y orientada con la perpendicular al plano de salida.Note: It is convenient in Figure 2 to arrange the MCW input device in the output plane. In the real system, the entrance is not inclined 90 ° and oriented perpendicular to the exit plane.
El iniciador de la descarga es una barra puntiaguda de wolframio que tiene un diámetro del orden de 2 mm. El iniciador es activo en el radio de la tubería y existe la posibilidad de retirar la barra de wolframio de la sección transversal de la tubería.The initiator of the discharge is a pointed tungsten bar that has a diameter of the order of 2 mm. The initiator is active in the radius of the pipe and there is the possibility of removing the tungsten bar from the cross section of the pipe.
El termopar TC^ controla la distribución de temperatura radial de la tubería. El intervalo de temperaturas es 300 a 1 560 K. El termopar es activo en el radio de la tubería y existe la posibilidad de retirar el termopar de la sección transversal de la tubería. La distancia de la zona de descarga DZ a la entrada al reactor-salida del mezclador es mínima y se define por particularidades de construcción de los elementos del bloque.The TC ^ thermocouple controls the radial temperature distribution of the pipe. The temperature range is 300 to 1 560 K. The thermocouple is active in the radius of the pipe and there is the possibility of removing the thermocouple from the cross section of the pipe. The distance from the discharge zone DZ to the inlet to the reactor-outlet of the mixer is minimal and is defined by particularities of construction of the block elements.
3. Parámetros del bloque tecnológico3. Parameters of the technology block
Los parámetros nominales del proceso se calcularon para los regímenes característicos de las investigaciones experimentales, con el fin de determinar la pauta de consumos de reaccionantes. Estos datos se usan para el diseño del proyecto de la instalación.The nominal parameters of the process were calculated for the characteristic regimes of the experimental investigations, in order to determine the pattern of consumption of reactants. This data is used for the design of the installation project.
Dos tipos principales de procesos, llevados a cabo en la instalación, son el proceso de conversión con vapor sin aire (1 ) y los procesos de conversión de combustible con vapor y con oxidación parcial del combustible por el oxígeno del aire.Two main types of processes, carried out in the installation, are the process of conversion with steam without air (1) and the processes of conversion of fuel with steam and with partial oxidation of the fuel by the oxygen of the air.
3.1. Parámetros del bloque tecnológico para la conversión de combustible con vapor sin aire en la entrada del proceso3.1. Parameters of the technology block for the conversion of fuel with airless steam at the process input
El proceso, en este caso, corresponde a la reacción C6ι918H12.117 + 6,918 H20 = 6,918CO + 12,98H2; ΔH = 12000 KJ/cal = 1 ,85 eV/mol (1 )The process, in this case, corresponds to reaction C 6ι918 H 12 . 117 + 6,918 H 2 0 = 6,918CO + 12,98H 2 ; ΔH = 12000 KJ / cal = 1.85 eV / mol (1)
La entrada de energía J a los reaccionantes iniciales es el parámetro que más varía en el experimento: J = W4/Q, donde W4 es la potencia térmica y Q es el consumo de reaccionantes inicial. La entrada de energía define el régimen de temperatura del proceso y el valor del grado de equilibrio de la conversión. En las investigaciones experimentales se dan dos regímenes principales: variando la potencia W4 a un consumo constante de reaccionantes iniciales Q (Tabla 1 ) y variando el consumo de los reaccionantes iniciales Q a potencia constante de calentamiento W4 (Tabla 2).The energy input J to the initial reactants is the parameter that most varies in the experiment: J = W 4 / Q, where W 4 is the thermal power and Q is the initial reactant consumption. The energy input defines the process temperature regime and the value of the degree of equilibrium of the conversion. In the experimental investigations two main regimes are given: varying the power W 4 to a constant consumption of initial reactants Q (Table 1) and varying the consumption of the initial reactants Q at constant heating power W 4 (Table 2).
3.2. Parámetros del bloque tecnológico para el caso de proceso de conversión del combustible con vapor con aire como reaccionantes iniciales3.2. Parameters of the technology block in the case of the process of conversion of fuel with air vapor as initial reactants
Sí el aire está presente en los reaccionantes de entrada, parte de combustible se oxida por el oxígeno, como resultado de lo cual la energía absorbida compensa la parte del aporte energético externo. El aumento de la parte de aire en la entrada del sistema conduce a disminuir la potencia de calentamiento W4 en el calentador 2. Como en los regímenes iniciales (sin adición de oxígeno), se eligen dos regímenes: régimen "e" (conversión del 100% del combustible, véanse las tablas 1 , 3) y régimen "n" (conversión del 65% del combustible, véase la tabla 4). La adición de oxígeno en estos regímenes conduce a una disminución de la potencia W4 del calentador 2 en la conservación del régimen de temperatura y grado de conversión de combustible (tablas 3, 4).If air is present in the input reactants, part of the fuel is oxidized by oxygen, as a result of which the absorbed energy compensates for the part of the external energy supply. The increase in the part of the air at the inlet of the system leads to a decrease in the heating power W 4 in the heater 2. As in the initial regimes (without the addition of oxygen), two regimes are chosen: regime "e" (conversion of the 100% of the fuel, see tables 1, 3) and regime "n" (conversion of 65% of the fuel, see table 4). The addition of oxygen in these regimes leads to a decrease in the power W 4 of the heater 2 in the conservation of the temperature regime and degree of fuel conversion (tables 3, 4).
Explicaciones a las tablas 1 ,2.Explanations to tables 1, 2.
Q - consumo de reaccionante, unidad (g/s), para la fase líquida (nrrrVg) para la fase gas. T - temperaturaQ - reactant consumption, unit (g / s), for the liquid phase (nrrrVg) for the gas phase. T - temperature
Potencia W4 - potencia, absorbida por el gas calentado en el calentador 2 sin tener en cuenta la eficacia del calentador, pérdidas y variables similares. α - estimación del grado de equilibrio en la conversión en el punto 12. En el punto 12 con hidrógeno y CO existe vapor de agua y combustible sin reaccionar en cantidades que corresponden a (1 ). Como estimación del grado de conversión se muestra la suma de las concentraciones de agua y CO.Power W 4 - power, absorbed by the gas heated in heater 2 without taking into account the efficiency of the heater, losses and similar variables. α - estimation of the degree of equilibrium in the conversion at point 12. At point 12 with hydrogen and CO there is water vapor and unreacted fuel in amounts corresponding to (1). As an estimate of Conversion degree shows the sum of the concentrations of water and CO.
0) - para el punto 9 muestra la temperatura másica media en la sección dada; en la práctica se mide la distribución radial de temperatura por un termopar móvil. 0) - for point 9 it shows the average mass temperature in the given section; In practice, the radial temperature distribution is measured by a mobile thermocouple.
1) - el valor de la temperatura se da sin tener en consideración los costes de energía en la disociación de las moléculas de agua, la temperatura real es aproximadamente 3000 K. 1) - the temperature value is given without considering energy costs in the dissociation of water molecules, the actual temperature is approximately 3000 K.
J - aporte energético (entalpia) en los reaccionantes iniciales en el régimen específico, que concluye con el calentamiento y evaporación de los reaccionantes (a título informativo)J - energy input (enthalpy) in the initial reactants in the specific regime, which concludes with the heating and evaporation of the reactants (for information purposes)
Para los consumos de reaccionantes iniciales (combustible y agua) dados en la tabla 2, las potencias de los evaporadores de combustible y agua son iguales a W3 = 5 W y W2 = 80 W.For the consumption of initial reactants (fuel and water) given in Table 2, the powers of the fuel and water evaporators are equal to W 3 = 5 W and W 2 = 80 W.
La particularidad principal de los regímenes definidos, mostrada en la Tabla 1 es el valor variable de la relación de potencia media de la descarga de MCW (WMCW ev = 50 W) a la potencia de calentamiento W4 (potencia de calentamiento cambia en un intervalo de 50 a 300 W).The main particularity of the defined regimes, shown in Table 1 is the variable value of the ratio of the average power of the MCW discharge (W MCW ev = 50 W) to the heating power W 4 (heating power changes by 50 to 300 W range).
En la tabla 2 se muestran los datos calculados de regímenes definidos con potencia constante W = 300 W de calentamiento. La relación WMCW ev / W4 es constante e igual a aproximadamente 15%.Table 2 shows the calculated data of defined regimes with constant power W = 300 W of heating. The W MCW ev / W 4 ratio is constant and equal to approximately 15%.
Ai variar los consumos de reaccionantes de entrada (agua y combustible) sus potencias de evaporación (W2 y W3), que se muestran en la tabla 2, varían. Explicaciones a las tablas 3 y 4Ai vary the consumption of input reactants (water and fuel) their evaporation powers (W 2 and W 3 ), which are shown in table 2, vary. Explanations to tables 3 and 4
2 - el grado de conversión α corresponde al grado de conversión del combustible. 2 - the degree of conversion α corresponds to the degree of conversion of the fuel.
Tabla 1Table 1
O
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OR
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Tabla 2
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Table 2
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Tabla 3
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Table 3
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Tabla 4
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Table 4
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DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓNDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
El fundamento de nuestra invención consiste en la utilización de la descarga de superalta frecuencia de impulso periódico de efecto pseudo- corona a presión atmosférica que se diferencia principalmente de los dispositivos actualmente existentes por:The basis of our invention consists in the use of the super high frequency periodic impulse discharge of pseudo-corona effect at atmospheric pressure that differs mainly from the existing devices by:
Baja temperatura de reactivos Alta escala de desequilibrio de peso Alta efectividad energética de generación de las partículas químicamente activas en el plasma Alta efectividad de la utilización de la energía eléctricaLow temperature of reagents High scale of weight imbalance High energy efficiency of generating chemically active particles in plasma High effectiveness of the use of electric energy
El dispositivo de nuestra invención sirve para la realización de los procesos piasmacatalíticos de conversión de combustibles fósiles en gas sintético rico en hidrógeno (mezcla de hidrógeno con el monóxido carbónico)The device of our invention serves to carry out the piasmacatalytic processes for the conversion of fossil fuels into synthetic gas rich in hydrogen (mixture of hydrogen with carbon monoxide)
Los principales procesos de la conversión del combustible son:The main processes of fuel conversion are:
Conversión con vapor (ver abajo j) Conversión con vapor-oxígeno (k) Oxidación parcial (I)Conversion with steam (see below j) Conversion with steam-oxygen (k) Partial oxidation (I)
Los reactivos, antes de entrar en el área del reactor plasmacatalítico, se someten a un calentamiento previo hasta la temperatura en la cual la escala e equilibrio de conversión sea suficiente para el reactor. Esta temperatura, como regla, es demasiado baja para la realización del proceso en un tiempo aceptable (frenado cinético). El tratamiento de los reactivos previamente calentados por plasma permite, por medio de los procesos en cadena con la participación de las partículas químicamente activas, eliminar las limitaciones cinéticas y alcanzar el valor de equilibrio de las escalas de conversión de los reactivos.The reagents, before entering the plasmacatalytic reactor area, are preheated to the temperature at which the scale and equilibrium of conversion is sufficient for the reactor. This temperature, as a rule, is too low for the process to be carried out in an acceptable time (kinetic braking). The treatment of reagents previously heated by plasma allows, through chain processes with the participation of the particles chemically active, eliminate kinetic limitations and reach the equilibrium value of the reagent conversion scales.
La parte principal del dispositivo objeto de la invención es el reactor plasmacatalítico (figura 10), en el cual los reactivos previamente calentados se tratan por la descarga de impulso periódico de microondas de efecto pseudo corona.The main part of the device object of the invention is the plasmacatalytic reactor (Figure 10), in which the previously heated reagents are treated by the periodic microwave pulse discharge of pseudo corona effect.
El reactor es un tubo metálico (1 en la figura 10) de sección redonda el cual sirve a la vez para transportar el gas y como guíaondas para la propagación de la radiación de microondas. La radiación de microondas entra al reactor por un guíaondas rectangular estándar (2) (tipo de onda H01 ) a través del orificio de comunicación (3).The reactor is a metal tube (1 in Figure 10) of round section which serves both to transport the gas and as a waveguide for the propagation of microwave radiation. Microwave radiation enters the reactor through a standard rectangular waveguide (2) (wave type H01) through the communication hole (3).
El orificio de comunicación está cerrado por el hermetizador (8), transparente para la radiación de microondas para evitar la perturbación de los parámetros de la dinámica de gas y para aislar el conducto de guíaondas del volumen del reactor. La amplia pared del guíaondas rectangular está a Loa largo del eje del tubo en el cual se excita el tipo de onda H1 1 en el guíaondas redondo. La distribución del campo eléctrico E en los guíaondas rectangular y redondo se describen en los dibujos 2 y 3.The communication hole is closed by the hermeticizer (8), transparent for microwave radiation to avoid disturbance of the gas dynamics parameters and to isolate the waveguide conduit from the reactor volume. The wide wall of the rectangular waveguide is along the axis of the tube in which the wave type H1 1 is excited in the round waveguide. The distribution of the electric field E in the rectangular and round waveguides is described in drawings 2 and 3.
El diámetro del reactor se elige bajo la condición de que no se exciten en el guíaondas redondo otros tipos (superiores) de ondas, excepto la onda del tipo principal H 1 1 . El siguiente tipo de onda es el tipo E01 . El cumplimiento de la condición indicada anteriormente lleva a la necesidad de mantener las siguientes relaciones para el diámetro D:The diameter of the reactor is chosen under the condition that other (higher) types of waves are not excited in the round waveguide, except the wave of the main type H 1 1. The next type of wave is type E01. Compliance with the condition indicated above leads to the need to maintain the following relationships for diameter D:
l0<lcr H1 1 (D) = 1 ,705 D (a) l0<lcr E01 (D) = 1 ,308 D (b) donde:l 0 <lcr H1 1 (D) = 1, 705 D (a) l 0 <lcr E01 (D) = 1, 308 D (b) where:
lo: es la longitud de onda de la radiación microondas en el espacio libreLo: is the wavelength of microwave radiation in free space
Icr: las longitudes críticas de las ondas en el guíaondas redondo para los tipos correspondientes de las ondasIcr: the critical wavelengths in the round waveguide for the corresponding wave types
De las relaciones indicadas se saca la condición para el diámetro del reactor:The condition for the diameter of the reactor is taken from the indicated ratios:
0,59 lo < D < 0,76 l0 (c)0.59 lo <D <0.76 l 0 (c)
Los reactivos calentados entran al reactor desde el bloque de mezcla (1 1 en la figura 10) a través del elemento de la entrada de reactivos (4).The heated reagents enter the reactor from the mixing block (1 1 in Figure 10) through the reagent inlet element (4).
El mezclador representa un aparato con tres sistemas de entrada de reactivos. El primer sistema de entrada de reactivos (10) está instalado en el eje del sistema. A través de éste se envía al mezclador, en distintas variantes del proceso e conversión, el vapor de agua calentado (proceso j), o la mezcla vapor-aire calentada (k), o el aire calentado (I). La segunda y la tercera entradas de los reactivos (9 y 10) representan unos sistemas concéntricos de toberas supersónicas. La utilización de tales toberas en la construcción del dispositivo lleva a en el tiempo a la mezcla de los reactivos en el nivel molecular de 10-3 - 10-4 segundos. En las variantes de la conversión vapor-oxígeno (k) y oxidación parcial (1 ) en el espacio entre el segundo y tercer sistemas de entrada de reactivos tiene lugar la oxidación del combustible por el oxígeno del aire. La energía producida en el proceso de oxidación calienta aún más a los reactivos.The mixer represents an apparatus with three reagent input systems. The first reagent input system (10) is installed on the system axis. Through it, the heated water vapor (process j), or the heated steam-air mixture (k), or the heated air (I) is sent to the mixer in different variants of the process and conversion. The second and third reagent inlets (9 and 10) represent concentric systems of supersonic nozzles. The use of such nozzles in the construction of the device takes time to mix the reagents at the molecular level of 10-3-10-4 seconds. In the variants of the vapor-oxygen conversion (k) and partial oxidation (1) in the space between the second and third reagent input systems, oxidation of the fuel by the oxygen of the air takes place. The energy produced in the oxidation process heats reagents even more.
El elemento de entrada de los reactivos al reactor (4) representa una parte del tubo que va estrechándose hacia el mezclador. La escala del estrechamiento ha de ser suficiente para que el elemento de entrada de reactivos esté fuera del límite para la onda H1 1 , en otras palabras, para que la radiación microondas se refleje de este elemento hacia el orificio de comunicación (3). Esta condición lleva a la siguiente correlación para la dimensión característica transversal del elemento de entrada de reactivos - diámetro d:The input element of the reactants to the reactor (4) represents a part of the tube that narrows towards the mixer. The narrowing scale must be sufficient for the reagent input element to be outside the limit for the H1 1 wave, in other words, for microwave radiation to be reflected from this element to the communication hole (3). This condition leads to the following correlation for the transverse characteristic dimension of the reagent input element - diameter d:
lo > lcr H11 (d) = 1 .705 d (d)lo> lcr H11 (d) = 1 .705 d (d)
Los productos del proceso salen del reactor a través de los orificios del tapón (5). El tapón está destinado a reflejar la radiación microondas hacia el orificio de comunicación (3).Process products leave the reactor through the plug holes (5). The plug is intended to reflect microwave radiation towards the communication hole (3).
Otra variante para organizar el sistema de salida de los productos del proceso del reactor puede ser un trozo de tubo análogo al elemento de entrada de reactivos (4), pero estrechándose en la dirección contraria. En ambos casos, el reactor (L en la figura 10) debe equivaler a un número entero n de las longitudes de semiondas lwg/2 de la radiación microondas en el guiaondas:Another variant for organizing the output system of the products of the reactor process may be a piece of tube analogous to the reagent inlet element (4), but narrowing in the opposite direction. In both cases, the reactor (L in Figure 10) must equal an integer n of the half-wavelengths lwg / 2 of the microwave radiation in the waveguide:
L = n IWG 2 = n l0 / (1 -(l0 / lcr H1 1 (D))2)1 2 12 (e)L = n IWG 2 = nl 0 / (1 - (l 0 / l cr H1 1 (D)) 2 ) 1 2 12 (e)
La descarga se inicia por elemento de corona - una barra afilada (6) de metal poco fusible, introducida en el guiaondas. La punta de la barra aumenta el valor del campo eléctrico de microondas E a su alrededor y con eso se logra crear la etapa del efecto pseudo corona de la descarga.The discharge is initiated by crown element - a sharp bar (6) of little fusible metal, introduced into the waveguide. The tip of the bar increases the value of the microwave electric field E around it and with that the stage of the pseudo corona effect of the discharge is achieved.
La barra está orientada a lo largo de las líneas de fuerza del campo E dentro del guiaondas (figura 12). La posición de la punta e la barra (H en la figura 12) equivale aproximadamente a la mitad del radio del guiaondas. En la dirección longitudinal (L2 en la figura 10) la barra se ubica en lugar donde el campo de la onda fija en el resonador sin descarga es máxima:The bar is oriented along the force lines of field E within the waveguide (figure 12). The position of the tip and the bar (H in Figure 12) is approximately half the radius of the waveguide. In the longitudinal direction (L2 in figure 10) the bar is located in place where the field of the fixed wave in the resonator without download is maximum:
L2 = IWH (n/2 + 1/4) = (n/2 + 1/4) l0 / (1 -(l0/lcr H11 (D))2)1/2 12L 2 = IWH (n / 2 + 1/4) = (n / 2 + 1/4) l 0 / (1 - (l 0 / lcr H11 (D)) 2 ) 1/2 12
(f)(F)
Los estreamer de la etapa pseudo corona de la descarga se transforman en el campo microondas en el sistema de los streamer de plasma y se propagan en forma de estreamer microondas llenando la sección transversal el tubo y creando la zona de la descarga de impulso microondas (7 en la figura 10). El destino de la etapa de la descarga del efecto pseudo corona es la generación del plasma a presión atmosférica con alta energía media de electrones.The pseudo corona discharge stage estreamers are transformed into the microwave field in the plasma streamer system and propagated in the form of a microwave estreamer filling the tube cross-section and creating the microwave impulse discharge zone (7 in figure 10). The destination of the stage of the discharge of the pseudo corona effect is the generation of plasma at atmospheric pressure with high average electron energy.
El destino de la etapa de los estreamer microondas es la creación de una formación de plasma desarrollado en el espacio para el tratamiento plasma catalítico de los reactivos.The fate of the microwave estreamer stage is the creation of a plasma formation developed in space for the catalytic plasma treatment of the reagents.
La coordinación del guiaondas rectangular (2 en la figura 10) con el reactor (1 ) se consigue por la elección de la relación de las dimensiones longitudinales L y L1 (figura 10). En la zona de descarga (7) se absorbe prácticamente toda la radiación microondas y por esto la parte del guíaondas que se encuentra a la derecha del orificio de entrada de radiación (3) funciona en presencia de la descarga en el régimen de la onda móvil. En este caso, la distancia L1 del orden del número entero de las longitudes de semiondas en el guíaondas será:The coordination of the rectangular waveguide (2 in figure 10) with the reactor (1) is achieved by choosing the ratio of the longitudinal dimensions L and L1 (figure 10). In the discharge zone (7) practically all microwave radiation is absorbed and therefore the part of the waveguide that is to the right of the radiation inlet hole (3) operates in the presence of the discharge in the mobile wave regime . In this case, the distance L1 of the order of the whole number of the half-wavelengths in the waveguide will be:
L1 = n lwG /2 = l0 / (1 -(lo /lcr H11 (D))2)1/2 /2L 1 = n lw G / 2 = l 0 / (1 - (lo / lc r H11 (D)) 2 ) 1/2 / 2
(g)(g)
La fuente de la radiación microondas funciona en el régimen de impulso- periodicidad. La duración del impulso de radiación t1 se define por el tiempo necesario para la realización de ambas etapas de la descarga (etapa del efecto pseudo corona y etapa de los estreamer microondas) en condiciones concretas.The source of the microwave radiation operates in the impulse-periodicity regime. The duration of the radiation pulse t1 is defined by the time required to perform both stages of the discharge (stage of the pseudo corona effect and stage of the microwave estreamer) under specific conditions.
El periodo de la repetición de los impulsos de radiación t2 se da partiendo de la coordinación óptima de las siguientes magnitudes: tiempo de existencia de las partículas activas generadas por plasma en la fase pasiva de la descarga después del cese del impulso de la radiación de la frecuencia superalta; velocidad lineal del paso de reactivos por la zona de descarga; aportación energética a la descarga:The period of the repetition of the radiation pulses t2 is given based on the optimal coordination of the following quantities: time of existence of the active particles generated by plasma in the passive phase of the discharge after the cessation of the radiation pulse of the radiation super high frequency; linear speed of reagents passing through the discharge zone; energy contribution to the discharge:
Jplasma = W / Q (h) dondeJ plasma = W / Q (h) where
W = WPULSE * t, / 12 W = W PRESS * t, / 1 2
W" es la potencia media de la radiación microondas, WPULSE - es la potencia de impulso, Q - -es el consumo de reactivos.W " is the average power of the microwave radiation, W PULSE - is the impulse power, Q - is the consumption of reagents.
La potencia de impulsos de la radiación microondas WPULSE, (h), (i) define la aportación energética de plasma JPLASMA- Además, la potencia de impulsos depende la magnitud del campo eléctrico en el guiaondas redondo sin plasma, la cual ha de tener un valor menor de la descarga disruptiva y, a la vez, ser suficiente para la iniciación de la etapa del efecto pseudo corona de la descarga en el elemento de corona.The pulse power of microwave radiation W PULSE , (h), (i) defines the plasma energy input J PLASMA - In addition, the pulse power depends on the magnitude of the electric field in the round waveguide without plasma, which has to have a lower value of the disruptive discharge and, at the same time, be sufficient for the initiation of the stage of the pseudo corona effect of the discharge on the crown element.
La aportación energética térmica (aportación energética del calentamiento previo de los reactivos) Jheat debe ser suficiente para el calentamiento de reactivos hasta la temperatura dada y para la compensación de los consumos energéticos para la realización de los procesos endoérgicos en el sistema que llevan a la realización de laThe thermal energy contribution (energy contribution from the previous heating of the reagents) J heat must be sufficient for the heating of reagents up to the given temperature and for the compensation of the energy consumptions for the realization of the endogenous processes in the system that lead to realization of the
HOJA SUSTITUTORIA (REGLA 26) 70 -SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) 70 -
escala de equilibrio de la transformación de reactivos a la temperatura dada.equilibrium scale of the transformation of reagents at the given temperature.
El calentamiento previo de reactivos puede realizarse de las siguientes formas:Preheating reagents can be done in the following ways:
calentador con fuente de energía independiente (p.ej. plasmatron de arco); incineración de una parte del combustible en la cámara de combustión;heater with independent power source (eg arc plasmatron); incineration of a part of the fuel in the combustion chamber;
• oxidación de una parte de combustible por oxigeno en los procesos de converesión con la participación de oxigeno (aire); recuperación del calor en la salida del dispositivo• oxidation of a part of fuel by oxygen in convection processes with the participation of oxygen (air); heat recovery at device outlet
También son posibles los modos combinados de los calentamientosCombined heating modes are also possible.
Indicados anteriormenteIndicated above
La Relación de aportación energética de plasma a la aportación energética de calor Jpιasrna/Jheat es del orden 1-10%.The ratio of plasma energy contribution to the heat energy contribution J p ι asrna / J heat is of the order 1-10%.
Las temperaturas características de la realización de los procesos de conversión y las escalas correspondientes a ellos de transformación de reactivos se dan a continuación.The temperatures characteristic of the realization of the conversion processes and the corresponding scales of reagent transformation are given below.
Para el proceso de la conversión de vapor del combustible (j) con la escala de transformación de 35% son características las siguientes temperaturas: temperatura de calentamiento de los vapores de agua 1450 K, temperatura de la mezcla de los vapores de agua vapores de ITUTORIA REGLA 26 combustibles después de mezclar 890 K-, temperatura de los productos del proceso después de su realización 620 K.The following temperatures are characteristic of the fuel vapor conversion process (j) with the 35% transformation scale: heating temperature of water vapors 1450 K, mixing temperature of water vapors ITUTORIA vapors RULE 26 fuels after mixing 890 K-, temperature of process products after completion 620 K.
Para el proceso de la conversión de vapor del combustible (j) con la escala de transformación de 65% son características las siguientes temperaturas: temperatura de calentamiento de los vapores del agua 2180 K, temperatura de la mezcla de los vapores de agua vapores de combustible después de la mezcla 1 150 K, temperatura de los productos del proceso después de su realización 665 KThe following temperatures are characteristic for the process of converting fuel vapor (j) with the 65% transformation scale: heating temperature of water vapors 2180 K, mixing temperature of water vapors fuel vapors after mixing 1 150 K, temperature of process products after completion 665 K
Para el proceso de la conversión de vapor del combustible (j) con la escala de transformación de 99% son características las siguientes temperaturas: temperatura del calentamiento de los vapores de agua 3750 K (sin contar los procesos de la disociación de las moléculas de agua), temperatura de la mezcla de los vapores de agua-vapores de combustible después de la mezcla 1560 K, temperatura de los productos del proceso después de su realización 800 K.The following temperatures are characteristic for the process of the conversion of fuel vapor (j) with the 99% transformation scale: heating temperature of water vapors 3750 K (not counting the processes of dissociation of water molecules ), temperature of the mixture of water vapors-fuel vapors after mixing 1560 K, temperature of process products after completion 800 K.
Para el proceso de la conversión de vapor-oxígeno de combustible (k) con la escala de transformación de 65% (relación de moles-agua; aire equivalente a 2,5) son características las siguientes temperaturas: : temperatura del calentamiento de la mezcla vapor-aire 1390 K, temperatura de reactivos después de la mezcla 890 K, temperatura de los productos del proceso después de su realización 650 K.The following temperatures are characteristic for the process of converting fuel vapor-oxygen (k) with the 65% transformation scale (mole-water ratio; air equivalent to 2.5): temperature of the heating of the mixture steam-air 1390 K, temperature of reagents after mixing 890 K, temperature of process products after completion 650 K.
Para el proceso de oxidación parcial del combustible (1 ) con la escala de transformación de 100% (relación de moles-combustible: aire equivalente a 1 :3,46) son características las siguientes temperaturas: temperatura del calentamiento de la mezcla vapor-aire 1110 K, TITUTORIA REGLA 26) temperatura de reactivos después de la mezcla 896 K, temperatura de los productos del proceso después de su realización 1611 K.For the partial oxidation process of the fuel (1) with the 100% transformation scale (mole-fuel ratio: air equivalent to 1: 3.46) the following temperatures are characteristic: heating temperature of the steam-air mixture 1110 K, TITUTORY RULE 26) reagent temperature after mixing 896 K, temperature of process products after completion 1611 K.
3. REALIZACIÓN Y CARACTERÍSTICAS DE LOS PROCESOS.3. REALIZATION AND CHARACTERISTICS OF THE PROCESSES.
El dispositivo propuesto puede realizar los procesos de la conversión de combustibles fósiles con vapor, vapor-oxígeno y vapor del combustible en H2-gas enriquecido, así como el proceso de la oxidación parcial estimulada del combustibleThe device proposed can perform the conversion processes of fossil fuel with steam, steam-oxygen and fuel vapor in H 2 -gas enriched, and the partial oxidation process stimulated fuel
3.1.3.1.
La variante de la conversión de vapor del combustible se describe por la reacciónThe variant of the steam conversion of the fuel is described by the reaction
CmHn + H20 = mCO + (n/2 + m) H2 (j)C m H n + H 2 0 = mCO + (n / 2 + m) H 2 (j)
y su realización en el dispositivo está representada esquemáticamente en la figura 13.and its embodiment in the device is schematically represented in Figure 13.
El vapor de agua se envía al calentador, desde ahí va a la primera entrada de la cámara de mezcla y el combustible va a la segunda y tercera entradas de la cámara de mezcla. Conforme al régimen exigido, la relación de la cantidad del combustible a la segunda y tercera entradas de la cámara de mezcla puede cambiarse en el diapasón de 0-Water vapor is sent to the heater, from there it goes to the first inlet of the mixing chamber and the fuel goes to the second and third inlets of the mixing chamber. According to the required regime, the ratio of the amount of fuel to the second and third inputs of the mixing chamber can be changed in the 0- fingerboard
1 , y la relación general de moles de vapor/combustible en el diapasón de 6-14.1, and the general ratio of moles of steam / fuel in the fingerboard 6-14.
HOJA SUSTITUTORIA REGLA 26 En calidad de calentador, como se indica en la figura 14, puede utilizarse un termopermutador recuperativo que utiliza el calor de la salida del reactor y el plasmatron de arco conectado en serie. La temperatura de los vapores de agua, necesaria para la realización del proceso de la conversión de vapor del combustible, en la salida del calentador esta en los rangos de 1400-3000 K°, y la temperatura de reactivos en la entrada al reactor está en 900-1500 K°.SUBSTITUTE SHEET RULE 26 As a heater, as indicated in Figure 14, a recovery heat exchanger can be used that uses the heat from the reactor outlet and the arc plasmatron connected in series. The temperature of the water vapors, necessary for the process of the conversion of fuel vapor, at the outlet of the heater is in the ranges of 1400-3000 K ° , and the temperature of reagents at the entrance to the reactor is at 900-1500 K °.
El balance general de energía para el proceso plasmacatalítico de la conversión de vapor se compone de los consumos energéticos para la evaporación de reactivos (Jvapor), calentamiento de reactivos y el proceso químico. La composición de los productos en la salida de reactor (escala de transformación de los reactivos "a") y el consumo energético "A" del producto (gas sintético rico en hidrógeno) depende, en primer lugar, de la aportación energética JSUM = Jplasma + Jheat + Jvapor La dependencia dada está presentada en la tabla siguiente (aportación energética JSUM está presentada en forma de relación de la potencia a la cantidad en peso de los reactivos líquidos).
Figure imgf000075_0001
The general energy balance for the plasmacatalytic process of steam conversion consists of the energy consumption for evaporation of reagents (J steam ), reagent heating and the chemical process. The composition of the products at the reactor outlet (transformation scale of reagents "a") and the energy consumption "A" of the product (synthetic gas rich in hydrogen) depends, first of all, on the energy input J SUM = J plasma + J heat + J vapor The dependence given is presented in the following table (energy input J SUM is presented in the form of a ratio of the power to the quantity by weight of the liquid reagents).
Figure imgf000075_0001
HOJA SUSTITUTORIA REGLA 26 3.2.SUBSTITUTE SHEET RULE 26 3.2.
Para la realización del proceso de la conversión con vapor-oxígeno (vapor-aire) para las cantidades dadas de combustible (x) y oxígeno (y)For carrying out the process of conversion with steam-oxygen (steam-air) for the given amounts of fuel (x) and oxygen (y)
x CmHn + y 02 + 3.73 y N2 + (mx-2y) H20 = mx CO + 0.5 (nx + 2m - 4y) H2 + 3.73 y N2 (k) como está indicado en la figura 15, se envía al calentador el vapor de agua mezclado con el aire y el combustible se envía a las entradas 2 y 3 en la proporción 0.5-2. La temperatura en la salida del calentador equivale a 500-600 K y en la entrada al reactor 800-1500 K°. La relación de moles del vapor de agua/aire y vapor de agua/combustible varia en el diapasón de 0.3-2 y 3-7 respectivamente.x C m H n + y 0 2 + 3.73 and N 2 + (mx-2y) H 2 0 = mx CO + 0.5 (nx + 2m - 4y) H 2 + 3.73 and N 2 (k) as indicated in the Figure 15, the water vapor mixed with the air is sent to the heater and the fuel is sent to inputs 2 and 3 in the proportion 0.5-2. The temperature at the outlet of the heater is equivalent to 500-600 K and at the entrance to the reactor 800-1500 K °. The mole ratio of water / air vapor and water / fuel vapor varies in the range of 0.3-2 and 3-7 respectively.
La escala de transformación de reactivos en gas sintético rico en hidrógeno depende de la aportación energética JSUM al sistema (ver p. 3.1 .), así como de la parte molar de aire "g" con relación a la cantidad de combustible. Las características principales cuantitativas están presentada en la siguiente tabla:The scale of transformation of reagents into hydrogen-rich synthetic gas depends on the J SUM energy contribution to the system (see p. 3.1.), As well as the molar part of air "g" in relation to the amount of fuel. The main quantitative characteristics are presented in the following table:
g,% JSUM, kJ/kg a,%g,% J SUM , kJ / kg a,%
25 7300 10025 7300 100
25 3400 6525 3400 65
42 4500 10042 4500 100
42 1500 6942 1500 69
HOJA SUSTITUTORIA (REGLA 26) 64 1500 100 64 850 95SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) 64 1500 100 64 850 95
3.3.3.3.
Para la realización del proceso de la oxidación parcial del combustibleFor carrying out the process of partial oxidation of the fuel
CmHn + m/2 (02+79/21 N2) = m CO + n/2 H2 + m/2 79/21 N2, (1 )C m H n + m / 2 (0 2 +79/21 N 2 ) = m CO + n / 2 H 2 + m / 2 79/21 N 2 , (1)
como se indica en la figura 16, se envía al calentador el aire, y a la segunda y la tercera entradas de la cámara de mezcla el combustible en la proporción de 0,5-2 y la relación molar de aire/combustible en la entrada al reactor equivale a 8-12.as indicated in figure 16, the air is sent to the heater, and to the second and third inlets of the mixing chamber the fuel in the proportion of 0.5-2 and the molar ratio of air / fuel at the entrance to the reactor equals 8-12.
La temperatura, necesaria para la realización del proceso de oxidación parcial del combustible, en la salida del calentador está en los rangos de 500-600 K° y la temperatura en la entrada al reactor está entre 900-1100 K°The temperature, necessary for the process of partial oxidation of the fuel, at the outlet of the heater is in the ranges of 500-600 K ° and the temperature at the entrance to the reactor is between 900-1100 K °
Para asegurar la temperatura de trabajo del proceso es necesaria la magnitud de la aportación energética JSUM (ver el p. 3.1.) 1000-1500 kJ/kg. Con Loa cual la escala de la transformación de los reactivos llega a un 100%.In order to ensure the working temperature of the process, the magnitude of the J SUM energy contribution is necessary (see p. 3.1.) 1000-1500 kJ / kg. With which the scale of the transformation of the reagents reaches 100%.
HOJA SUSTITUTORIA (REGLA 26) REFERENCIAS DE LAS FIGURAS 10 A 16SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) REFERENCES OF FIGURES 10 TO 16
FIGURA 10- CONSTRUCCIÓN DEL DISPOSITIVOFIGURE 10- DEVICE CONSTRUCTION
1 - guíaondas redondo, reactor químico;1 - round waveguide, chemical reactor;
2 - guíaondas rectangular;2 - rectangular waveguide;
3 - orificio de comunicación;3 - communication hole;
4 - elemento de entrada de reactivos al reactor;4 - reagent input element to the reactor;
5 - salida de productos del reactor, tapón en guíaondas; 6 - barra iniciadora;5 - product outlet from the reactor, plug in waveguide; 6 - starter bar;
7 - zona de descarga plasmacatalítica;7 - plasmacatalytic discharge zone;
8 - primera entrada del mezclador;8 - first mixer input;
9 - sección de la segunda entrada del mezclador,9 - section of the second mixer inlet,
10 - sección de la tercera entrada del mezclador 11 - cámara de mezcla de reactivos.10 - section of the third inlet of the mixer 11 - reagent mixing chamber.
FIGURA 11 -COORDINACIÓN DE LAS DISTRIBUCIONES DEL CAMPO ELÉCTRICO EN GUIASONDAS RECTANGULAR Y REDONDO.FIGURE 11 - COORDINATION OF THE DISTRIBUTIONS OF THE ELECTRICAL FIELD IN RECTANGULAR AND ROUND GUIASONDAS.
1 - guíaondas rectangular1 - rectangular waveguide
2 - guiaondas redondo2 - round waveguide
E - vector del campo eléctrico microondas.E - microwave electric field vector.
FIGURA 12 - SISTEMA DE ENTRADA AL GUIAONDAS DE LA BARRAFIGURE 12 - BARRA GUIDE ENTRY SYSTEM
INICIADORA DEL ELEMENTO CORONACROWN ELEMENT INITIATOR
1 - guíaondas redondo1 - round waveguide
2 - barra afilada de metal poco flexible2 - tapered metal rod slightly flexible
HOJA SUSTITUTORIA (REGLA 26 3 - líneas de fuerza del campo eléctrico en guíaondas de la barra y de la descarga. Abajo está la distribución de la amplitud del campo eléctrico microondas.SUBSTITUTE SHEET (RULE 26 3 - lines of force of the electric field in waveguides of the bar and the discharge. Below is the distribution of the amplitude of the microwave electric field.
FIGURA 13 -ESQUEMA DEL PROCESO DE LA CONVERSIÓN DEFIGURE 13 - SCHEME OF THE CONVERSION PROCESS OF
VAPOR DEL COMBUSTIBLEFUEL STEAM
1 , 2, 3 - primera, segunda y tercera entradas de reactivos al mezclador.1, 2, 3 - first, second and third reagent inputs to the mixer.
FIGURA 14- ESQUEMA DEL CALENTAMIENTO PREVIO DE LOSFIGURE 14- PREVIOUS WARMING SCHEME OF THE
VAPORES DE AGUA EN EL PROCESO DE LA CONVERSIÓN DE VAPOR DEL COMBUSTIBLEWATER VAPORS IN THE FUEL VAPOR CONVERSION PROCESS
FIGURA 15- ESQUEMA DEL PROCESO DE LA CONVERSIÓN VAPOR-AIRE DEL COMBUSTIBLEFIGURE 15- FUEL VAPOR-AIR CONVERSION PROCESS SCHEME
1 , 2, 3 - primera, segunda y tercera entradas de reactivos ai mezclador.1, 2, 3 - first, second and third reagent inputs to the mixer.
FIGURA 16- ESQUEMA DE PROCESO DE LA OXIDACIÓN PARCIAL DEL COMBUSTIBLEFIGURE 16- FUEL OXIDATION PROCESS SCHEME
1, 2, 3 - primera, segunda y tercera entradas de reactivos al mezclador.1, 2, 3 - first, second and third reagent inputs to the mixer.
Figura 17- DIBUJO DEL DISPOSITIVO 1 -Guíaondas circular, reactor plasmaquimico, 2-Guíaondas rectangular para la entrada de radiación de microondas al reactor, 3-Orificio de comunicación, 4-Elemento de entrada de los reactivos al reactor, 5- Liberación de los productos del reactor, conector de guia de onda, 6- Barra para la iniciación, 7-Zona de descarga piasmacatalitica, 8-PrimeraFigure 17- DEVICE OF THE DEVICE 1-Circular circular, plasmachemical reactor, 2-Rectangular waveguide for the entry of microwave radiation into the reactor, 3-Communication hole, 4-Input element of the reactants to the reactor, 5- Release of the reactor products, waveguide connector, 6- Starter bar, 7-Piasmacatalytic discharge zone, 8-First
HOJA SUSTITUTORIA REGLA 26 entrada a la cámara de mezcla, 9-Sección transversal de la tercera entrada a la cámara de mezcla, 11- Cámara de mezcla de reagentesSUBSTITUTE SHEET RULE 26 Mixing chamber entrance, 9-Cross section of the third mixing chamber entrance, 11- Reagent mixing chamber
HOJA SUSTITUTORIA REGLA 26 SUBSTITUTE SHEET RULE 26

Claims

REIVINDICACIONES
1. Convertidor de plasma de combustibles fósiles en un gas rico en hidrógeno, que comprende un calentador, una cámara de mezcla, un reactor, unidos en serie, y una fuente de energía de MCW para el reactor.1. Plasma converter of fossil fuels in a hydrogen-rich gas, comprising a heater, a mixing chamber, a reactor, connected in series, and an MCW energy source for the reactor.
2. Dispositivo según la reivindicación 1 , en el que en el reactor se usa una descarga de MCW de efecto pseudo-corona de impulso periódico a presión atmosférica.2. Device according to claim 1, wherein in the reactor a MCW discharge of periodic impulse pseudo-corona effect at atmospheric pressure is used.
3. Dispositivo según la reivindicación 2, en el que la descarga de MCW de efecto pseudo-corona se inicia por un conjunto de agujas metálicas, insertadas en el resonador de MCW.3. Device according to claim 2, wherein the discharge of MCW of pseudo-corona effect is initiated by a set of metal needles, inserted into the MCW resonator.
4. Dispositivo según la reivindicación 3, en el que la dimensión longitudinal del resonador es aproximadamente varias longitudes de onda de la radiación MCW, y las agujas metálicas están distribuidas en el resonador en regiones con campo eléctrico máximo.Device according to claim 3, wherein the longitudinal dimension of the resonator is approximately several wavelengths of the MCW radiation, and the metal needles are distributed in the resonator in regions with maximum electric field.
5. Dispositivo según la reivindicación 5, en el que la fuente de energía de microondas genera el conjunto de impulsos con una duración del impulso de 0,1 a 1 microsegundos y una relación del período del impulso a duración del impulso de 100 a 1000 en el rango centimétrico o decimétrico de la radiación de microondas (bandas X, S).5. Device according to claim 5, wherein the microwave energy source generates the pulse set with a pulse duration of 0.1 to 1 microseconds and a ratio of the pulse period to the pulse duration of 100 to 1000 in the centimeter or decimetric range of microwave radiation (X, S bands).
6. Dispositivo según la reivindicación 1 , en el que la cámara de6. Device according to claim 1, wherein the chamber of
HOJA SUSTITUTORIA RE mezcla dispone de una entrada, conectada al calentador y también una segunda y tercera entrada para la alimentación de reaccionantes en las diferentes zonas de la cámara de mezcla.RE SUBSTITUTE SHEET The mixture has an input, connected to the heater and also a second and third input for the feeding of reactants in the different zones of the mixing chamber.
Dispositivo según la reivindicación 1 , en el que para llevar a cabo el proceso de conversión con vapor de combustibles se suministra vapor de agua en el calentador y, en la segunda y tercera entrada de la cámara de mezcla se suministra combustible en relaciones Q./Q2 en la proporción de 0 a 1.Device according to claim 1, in which to carry out the conversion process with fuel vapor, water vapor is supplied in the heater and, in the second and third inlet of the mixing chamber, fuel is supplied in Q. / Q 2 in the proportion of 0 to 1.
8. Dispositivo según la reivindicación 7, en el que el calentador está fabricado como un intercambiador de calor con recuperación térmica contenida por del gas rico en hidrógeno producido y un plasmatrón de arco, conectado al intercambiador de calor en serie.A device according to claim 7, wherein the heater is manufactured as a heat exchanger with thermal recovery contained by the hydrogen rich gas produced and an arc plasmatron, connected to the series heat exchanger.
9. Dispositivo según la reivindicación 7, en el que las relaciones molares de vapor de agua a -combustible se seleccionan en el rango de 6 a 14.9. Device according to claim 7, wherein the molar ratios of water vapor to fuel are selected in the range of 6 to 14.
10. Dispositivo según la reivindicación 7, en el que la temperatura del vapor de agua en la salida del calentador es aproximadamente 1400-3000 K, y la temperatura de los reaccionantes en la entrada del reactor es 900-1500 K.10. Device according to claim 7, wherein the temperature of the water vapor at the heater outlet is approximately 1400-3000 K, and the temperature of the reactants at the reactor inlet is 900-1500 K.
11. Dispositivo según la reivindicación 1 , en el que para llevar a cabo el proceso de la conversión de combustible con vapor-aire, se suminstra vapor de agua mezclado con aire a la cámara de mezcla, y en la segunda y tercera entrada de la cámara deDevice according to claim 1, in which to carry out the process of converting fuel with steam-air, water vapor mixed with air is supplied to the mixing chamber, and in the second and third inlet of the camera of
HOJA SUSTITUTORIA REGLA 26 mezcla, se suministra el combustible en relaciones Q2/Q3 en el rango de 0,5 a 2.SUBSTITUTE SHEET RULE 26 mixture, the fuel is supplied in Q 2 / Q 3 ratios in the range of 0.5 to 2.
12. Dispositivo según la reivindicación 7, en el que la temperatura de los reaccionantes en la salida del calentador es aproximadamente12. Device according to claim 7, wherein the temperature of the reactants at the heater outlet is approximately
500-600 K y en la entrada del reactor es 800-1500 K.500-600 K and at the reactor inlet is 800-1500 K.
13. Dispositivo según la reivindicación 7, en el que la relación molar vapor/aire y vapor/combustibles en la entrada del reactor se selecciona en los rangos de 0,3-2 y 3-7, respectivamente.13. Device according to claim 7, wherein the steam / air and steam / fuel molar ratio at the reactor inlet is selected in the ranges of 0.3-2 and 3-7, respectively.
14. Dispositivo según la reivindicación 7, en el que para llevar a cabo la oxidación parcial de combustibles, se suministra aire en la primera entrada de la cámara de mezcla y en la segunda y tercera entrada de la cámara de mezcla se suministran el combustibles en relaciones Q^Qa en el rango de 0,5 a 2.14. Device according to claim 7, wherein to carry out the partial oxidation of fuels, air is supplied at the first inlet of the mixing chamber and at the second and third inlets of the mixing chamber the fuels are supplied in Q ^ Qa ratios in the range of 0.5 to 2.
15. Dispositivo según la reivindicación 14, en el que la temperatura de los reaccionantes en la salida del calentador es 500-600 K, y en la entrada del reactor es 800-1500 K.15. Device according to claim 14, wherein the temperature of the reactants at the heater outlet is 500-600 K, and at the reactor inlet is 800-1500 K.
16. Dispositivo según la reivindicación 14, en el que, la relación molar aire/combustibles en la entrada del reactor es 8-12.16. Device according to claim 14, wherein the air / fuel molar ratio at the reactor inlet is 8-12.
17. Dispositivo según la reivindicación 1 1 y 14, en el que el calentador está fabricado como un intercambiador de calor recuperativo, que usa el calor del gas rico en hidrógeno producido por el reactor.17. Device according to claim 1, 1 and 14, wherein the heater is manufactured as a recuperative heat exchanger, which uses the heat of the hydrogen-rich gas produced by the reactor.
18. Dispositivo según la reivindicación 7, en el que el caudal total de18. Device according to claim 7, wherein the total flow rate of
HOJA SUSTITUTORIA (REGLA 26) los reaccionantes Q y el valor medio de la potencia específica de MCW se seleccionan a partir de la correlación W/Q = 0,2 - 0,4 kW*hora/m3.SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) the reactants Q and the average value of the specific power of MCW are selected from the correlation W / Q = 0.2-0.4 kW * hour / m 3 .
19. Dispositivo según la reivindicación 11 y 14, en el que el caudal total de los reaccionantes Q y el valor medio de W se seleccionan a partir de la correlación W/Q = 0,05 - 0,15 kW*hora/m3.19. Device according to claim 11 and 14, wherein the total flow of the reactants Q and the average value of W are selected from the correlation W / Q = 0.05 - 0.15 kW * hour / m 3 .
HOJA SUSTITUTORIA REGLA 26 REIVINDICACIONESSUBSTITUTE SHEET RULE 26 CLAIMS
[recibidas el 13 de Julio de 2000 (13.07.00) reivindicaciones 1 a 19 reemplazadas por las nuevas reivindicaciones 1 a 14 (3 páginas)][received on July 13, 2000 (13.07.00) claims 1 to 19 replaced by the new claims 1 to 14 (3 pages)]
1. Convertidor de plasma de combustibles fósiles en un gas rico en hidrógeno, que comprende un calentador, una cámara de mezcla, un reactor, unidos en serie, y una fuente de energía de MCW para el reactor, la cual genera el conjunto de impulsos con una duración de impulso de 0,1 a 1 microsegundos y una relación del período del impulso a duración del impulso de 100 a 1000 en el rango centimétrico o decimétrico de la radiación de microondas (bandas X, S), usándose en el reactor una descarga de MCW de efecto de pseudo-corona de impulso periódico a presión atmosférica, la cual se inicia por un conjunto de agujas metálicas insertadas en el resonador de MCW, y donde la dimensión longitudinal del resonador es aproximadamente varias longitudes de onda de la radiación MCW, y las agujas metálicas están distribuidas en el resonador en las regiones con un campo eléctrico máximo, y porque la cámara de mezcla dispone de una entrada conectada al calentador, y también una segunda y tercera entrada para la alimentación de reaccionantes en las diferentes zonas de la cámara de mezcla.1. Fossil fuel plasma converter in a hydrogen-rich gas, comprising a heater, a mixing chamber, a reactor, connected in series, and an MCW energy source for the reactor, which generates the pulse set with a pulse duration of 0.1 to 1 microseconds and a ratio of the pulse period to the pulse duration of 100 to 1000 in the centimeter or decimetric range of microwave radiation (X, S bands), using a reactor in the MCW discharge of pseudo-corona effect of periodic pulse at atmospheric pressure, which is initiated by a set of metal needles inserted into the MCW resonator, and where the longitudinal dimension of the resonator is approximately several wavelengths of MCW radiation , and the metallic needles are distributed in the resonator in the regions with a maximum electric field, and because the mixing chamber has an input connected to the heater, and also a second gives and third input for the feeding of reactants in the different zones of the mixing chamber.
2. Dispositivo según la reivindicación 1 , en el que para llevar a cabo el proceso de conversión con vapor de combustibles se suministra vapor de agua en el calentador y, en la segunda y tercera entrada de la cámara de mezcla se suministra combustible en relaciones Q-ι/Q2 en la proporción de 0 a 1.2. Device according to claim 1, in which to carry out the conversion process with fuel vapor, water vapor is supplied in the heater and, in the second and third inlet of the mixing chamber, fuel is supplied in Q ratios. -ι / Q 2 in the proportion of 0 to 1.
3. Dispositivo según la reivindicación 2, en el que el calentador está fabricado como un intercambiador de calor con recuperación térmica contenida por del gas rico en hidrógeno producido y un plasmatrón de arco, conectado al intercambiador de calor en serie.3. Device according to claim 2, wherein the heater is manufactured as a heat exchanger with thermal recovery contained by the hydrogen rich gas produced and an arc plasmatron, connected to the series heat exchanger.
4. Dispositivo según la reivindicación 2, en el que las relaciones molares de vapor de agua a combustible se seleccionan en el rango de 6 a 14. 4. Device according to claim 2, wherein the molar ratios of water vapor to fuel are selected in the range of 6 to 14.
5. Dispositivo según la reivindicación 2, en el que la temperatura del vapor de agua en la salida del calentador es aproximadamente 1400- 3000 K, y la temperatura de los reaccionantes en la entrada del reactor es 900-1500 K.5. Device according to claim 2, wherein the temperature of the water vapor at the heater outlet is approximately 1400-3000 K, and the temperature of the reactants at the reactor inlet is 900-1500 K.
6. Dispositivo según la reivindicación 1 , en el que para llevar a cabo el proceso de la conversión de combustible con vapor-aire, se suminstra vapor de agua mezclado con aire a la cámara de mezcla, y en la segunda y tercera entrada de la cámara de mezcla, se suministra el combustible en relaciones Q2/Q3 en el rango de 0,5 a 2.6. Device according to claim 1, in which to carry out the process of converting fuel with steam-air, water vapor mixed with air is supplied to the mixing chamber, and in the second and third inlet of the mixing chamber, the fuel is supplied in Q2 / Q3 ratios in the range of 0.5 to 2.
7. Dispositivo según la reivindicación 2, en el que la temperatura de los reaccionantes en la salida del calentador es aproximadamente 500- 600 K y en la entrada del reactor es 800-1500 K.7. Device according to claim 2, wherein the temperature of the reactants at the heater outlet is approximately 500-600 K and at the reactor inlet is 800-1500 K.
8. Dispositivo según la reivindicación 2, en el que la relación molar vapor/aire y vapor/combustibles en la entrada del reactor se selecciona en los rangos de 0,3-2 y 3-7, respectivamente.8. Device according to claim 2, wherein the steam / air and steam / fuel molar ratio at the reactor inlet is selected in the ranges of 0.3-2 and 3-7, respectively.
9. Dispositivo según la reivindicación 2, en el que para llevar a cabo la oxidación parcial de combustibles, se suministra aire en la primera entrada de la cámara de mezcla y en la segunda y tercera entrada de la cámara de mezcla se suministran el combustibles en relaciones Q2/Q3 en el rango de 0,5 a 2.9. Device according to claim 2, wherein in order to carry out the partial oxidation of fuels, air is supplied at the first inlet of the mixing chamber and at the second and third inlets of the mixing chamber the fuels are supplied in Q 2 / Q 3 ratios in the range of 0.5 to 2.
10. Dispositivo según la reivindicación 9, en el que la temperatura de los reaccionantes en la salida del calentador es 500-600 K, y en la entrada del reactor es 800-1500 K.10. Device according to claim 9, wherein the temperature of the reactants at the heater outlet is 500-600 K, and at the reactor inlet is 800-1500 K.
11. Dispositivo según la reivindicación 9, en el que, la relación molar aire/combustibles en la entrada del reactor es 8-12. 11. Device according to claim 9, wherein the air / fuel molar ratio at the reactor inlet is 8-12.
12. Dispositivo según la reivindicación 6 y 9, en el que el calentador está fabricado como un intercambiador de calor recuperativo, que usa el calor del gas rico en hidrógeno producido por el reactor.12. Device according to claim 6 and 9, wherein the heater is manufactured as a recuperative heat exchanger, which uses the heat of the hydrogen-rich gas produced by the reactor.
13. Dispositivo según la reivindicación 2, en el que el caudal total de ios reaccionantes Q y el valor medio de la potencia específica de MCW se seleccionan a partir de la correlación W/Q = 0,2 - 0,4 kW*hora/m3.13. Device according to claim 2, wherein the total flow rate of the reactants Q and the average value of the specific power of MCW are selected from the correlation W / Q = 0.2-0.4 kW * hour / m 3 .
14. Dispositivo según la reivindicación 6 y 9, en el que el caudal total de los reaccionantes Q y el valor medio de W se seleccionan a partir de la correlación W/Q = 0,05 - 0,15 kW*hora/m3. 14. Device according to claim 6 and 9, wherein the total flow of the reactants Q and the average value of W are selected from the correlation W / Q = 0.05 - 0.15 kW * hour / m 3 .
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Cited By (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001089988A1 (en) * 2000-05-24 2001-11-29 Yasushi Sekine Method and apparatus for steam reforming of chain hydrocarbon
WO2002089536A1 (en) * 2001-04-27 2002-11-07 David Systems & Technology, S.L. Method for plasma-catalytic conversion of fuels that can be used in an internal combustion engine or a gas turbine into a synthetic gas and the plasma-catalytic converter used for same
US7384619B2 (en) 2003-06-30 2008-06-10 Bar-Gadda, Llc Method for generating hydrogen from water or steam in a plasma
EP2196258A1 (en) * 2008-12-03 2010-06-16 NGK Insulators, Ltd. Reactor
CN102536460A (en) * 2010-12-20 2012-07-04 西安航科等离子体科技有限公司 Method and system for recycling electric energy of waste heat of plasma
US8574422B2 (en) 2006-04-07 2013-11-05 Qinetiq Limited Hydrogen production
US9767992B1 (en) 2017-02-09 2017-09-19 Lyten, Inc. Microwave chemical processing reactor
US9812295B1 (en) 2016-11-15 2017-11-07 Lyten, Inc. Microwave chemical processing
US9997334B1 (en) 2017-02-09 2018-06-12 Lyten, Inc. Seedless particles with carbon allotropes
US10428197B2 (en) 2017-03-16 2019-10-01 Lyten, Inc. Carbon and elastomer integration
US10502705B2 (en) 2018-01-04 2019-12-10 Lyten, Inc. Resonant gas sensor
US10644368B2 (en) 2018-01-16 2020-05-05 Lyten, Inc. Pressure barrier comprising a transparent microwave window providing a pressure difference on opposite sides of the window
US10756334B2 (en) 2017-12-22 2020-08-25 Lyten, Inc. Structured composite materials
US10920035B2 (en) 2017-03-16 2021-02-16 Lyten, Inc. Tuning deformation hysteresis in tires using graphene
RU2779848C1 (en) * 2021-09-14 2022-09-14 Общество с ограниченной ответственностью "ДЕЙЗИНСК" Installation of primary oil refining with its purification from sulfur and reservoir water

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115354098B (en) * 2022-08-15 2023-07-28 新疆八一钢铁股份有限公司 Smelting method for plasma heating of hydrogen-rich carbon circulating blast furnace gas

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2578237A1 (en) * 1985-03-01 1986-09-05 Skf Steel Eng Ab METHOD AND DEVICE FOR MANUFACTURING A GAS CONTAINING PRINCIPALLY CO + H2 BY THERMALLY REFORMING A GASEOUS HYDROCARBON WITH WATER VAPOR
US4975164A (en) * 1989-12-27 1990-12-04 Exxon Research And Engineering Company Conversion of C2 + hydrocarbons using microwave radiation (OP-3515)
US5015349A (en) * 1988-12-23 1991-05-14 University Of Connecticut Low power density microwave discharge plasma excitation energy induced chemical reactions
WO1992002448A1 (en) * 1990-07-31 1992-02-20 Exxon Research And Engineering Company Conversion of methane and carbon dioxide using microwave radiation
WO1998008771A2 (en) * 1996-08-26 1998-03-05 Arthur D. Little, Inc. Method and apparatus for converting hydrocarbon fuel into hydrogen gas and carbon dioxide
WO1998028223A1 (en) * 1996-12-24 1998-07-02 H2-Tech S.A.R.L. Method and devices for producing hydrogen by plasma reformer
WO1999011572A1 (en) * 1997-09-01 1999-03-11 Laxarco Holding Limited Electrically assisted partial oxidation of light hydrocarbons by oxygen

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2578237A1 (en) * 1985-03-01 1986-09-05 Skf Steel Eng Ab METHOD AND DEVICE FOR MANUFACTURING A GAS CONTAINING PRINCIPALLY CO + H2 BY THERMALLY REFORMING A GASEOUS HYDROCARBON WITH WATER VAPOR
US5015349A (en) * 1988-12-23 1991-05-14 University Of Connecticut Low power density microwave discharge plasma excitation energy induced chemical reactions
US4975164A (en) * 1989-12-27 1990-12-04 Exxon Research And Engineering Company Conversion of C2 + hydrocarbons using microwave radiation (OP-3515)
WO1992002448A1 (en) * 1990-07-31 1992-02-20 Exxon Research And Engineering Company Conversion of methane and carbon dioxide using microwave radiation
WO1998008771A2 (en) * 1996-08-26 1998-03-05 Arthur D. Little, Inc. Method and apparatus for converting hydrocarbon fuel into hydrogen gas and carbon dioxide
WO1998028223A1 (en) * 1996-12-24 1998-07-02 H2-Tech S.A.R.L. Method and devices for producing hydrogen by plasma reformer
WO1999011572A1 (en) * 1997-09-01 1999-03-11 Laxarco Holding Limited Electrically assisted partial oxidation of light hydrocarbons by oxygen

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JIVOTOV V.: "Microwave reactors for plasma chemistry", J. PHYS. IV. FRANCE, vol. 8, 1998, pages 401 - 410 *

Cited By (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001089988A1 (en) * 2000-05-24 2001-11-29 Yasushi Sekine Method and apparatus for steam reforming of chain hydrocarbon
US7285189B2 (en) 2000-05-24 2007-10-23 Yasushi Sekine Method for steam reforming of chain hydrocarbon
WO2002089536A1 (en) * 2001-04-27 2002-11-07 David Systems & Technology, S.L. Method for plasma-catalytic conversion of fuels that can be used in an internal combustion engine or a gas turbine into a synthetic gas and the plasma-catalytic converter used for same
US7384619B2 (en) 2003-06-30 2008-06-10 Bar-Gadda, Llc Method for generating hydrogen from water or steam in a plasma
US8574422B2 (en) 2006-04-07 2013-11-05 Qinetiq Limited Hydrogen production
EP2196258A1 (en) * 2008-12-03 2010-06-16 NGK Insulators, Ltd. Reactor
CN102536460A (en) * 2010-12-20 2012-07-04 西安航科等离子体科技有限公司 Method and system for recycling electric energy of waste heat of plasma
US10332726B2 (en) 2016-11-15 2019-06-25 Lyten, Inc. Microwave chemical processing
US9812295B1 (en) 2016-11-15 2017-11-07 Lyten, Inc. Microwave chemical processing
US10937632B2 (en) 2017-02-09 2021-03-02 Lyten, Inc. Microwave chemical processing reactor
US9767992B1 (en) 2017-02-09 2017-09-19 Lyten, Inc. Microwave chemical processing reactor
US10373808B2 (en) 2017-02-09 2019-08-06 Lyten, Inc. Seedless particles with carbon allotropes
US9997334B1 (en) 2017-02-09 2018-06-12 Lyten, Inc. Seedless particles with carbon allotropes
US11380521B2 (en) 2017-02-09 2022-07-05 Lyten, Inc. Spherical carbon allotropes for lubricants
US10428197B2 (en) 2017-03-16 2019-10-01 Lyten, Inc. Carbon and elastomer integration
US10920035B2 (en) 2017-03-16 2021-02-16 Lyten, Inc. Tuning deformation hysteresis in tires using graphene
US11008436B2 (en) 2017-03-16 2021-05-18 Lyten, Inc. Carbon and elastomer integration
US10756334B2 (en) 2017-12-22 2020-08-25 Lyten, Inc. Structured composite materials
US10502705B2 (en) 2018-01-04 2019-12-10 Lyten, Inc. Resonant gas sensor
US10644368B2 (en) 2018-01-16 2020-05-05 Lyten, Inc. Pressure barrier comprising a transparent microwave window providing a pressure difference on opposite sides of the window
RU2779848C1 (en) * 2021-09-14 2022-09-14 Общество с ограниченной ответственностью "ДЕЙЗИНСК" Installation of primary oil refining with its purification from sulfur and reservoir water

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AU2295100A (en) 2001-02-19

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