Исследование процесса парциального окисления углеводородного топлива в условиях быстрого смешения реагентов с плазменной струей

• Автор: Московский, Антон Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 103 с. : ил.

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Промышленные методы получения синтез-газа и водорода из углеводородов

1.2. Выбор сырья и способа конверсии для производства водорода в мелких масштабах. Проблемы применения катализаторов в устройствах малой производительности

1.3. Плазменные способы конверсии углеводородов

1.4. Плазменные процессы в реакторах смешения

Глава 2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

2.1. Плазмотрон типа «Микроволновая свеча»

2.2. Реактор смешения

2.3. Описание экспериментального стенда

2.4. Описание диагностических стендов

Глава 3. МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ

Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
4.1. Результаты экспериментов
4.1.1. Результаты при использовании аргона в качестве плазмообразующего газа и результаты в отсутствии плазменного энерговклада
4.1.2. Результаты, полученные при использовании воздуха в качестве плазмообразующего газа

4.1.3. Результаты при использовании в качестве плазмообразующего газа
смеси пропана с воздухом в стехиометрии полного сгорания
4.2. Сравнение эффективности режимов работы плазмотрона с
различными плазмообразующими газами на степень конверсии
4.3. Результаты измерения температуры в области разряда
4.4. Измерение длины проникновения плазменной струи в смеситель
Глава 5. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПАРЦИАЛЬНОГО ОКИСЛЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДНОГО ТОПЛИВА В УСЛОВИЯХ БЫСТРОГО СМЕШЕНИЯ РЕАГЕНТОВ
С ПЛАЗМЕННОЙ СТРУЁЙ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ: список публикаций по теме диссертации

Процессы конверсии углеводородного топлива в синтез-газ являются актуальными уже достаточно долгое время. Так, к примеру, на самой заре создания газораспределительных сетей основным топливом был, так называемый «угольный» газ (позже прижилось название синтетический газ, синтез-газ), получаемый в основном из угля и тяжёлых углеводородных фракций [1]: После Второй мировой войны рост нефтедобычи, а также открытие месторождений природного газа сделало производство угольного газа нерентабельным и газовая промышленность перешла на природный газ. Таким образом, потребность в синтез-газе, как в удобном топливе, отпала, и он стал использоваться в промышленности как сырьё для химического синтеза. В этом качестве смесь водорода и окиси углерода используется для синтеза аммиака и метанола и других химических производствах.
В настоящее время интерес к процессам производства синтез-газа обусловлен достаточно широким спектром его применения. При этом большую практическую ценность представляют процессы получения его в масштабах намного меньших, нежели отработанные процессы в химической промышленности.
Одним из наиболее перспективных направлений мелкомасштабного использования синтез-газа является использование его как сырья для производства водорода, который, в свою очередь, является топливом для энергоустановок с использованием топливных элементов. Более того, в некоторых типах топливных элементов синтез-газ может служить непосредственно топливом. Подобные энергоустановки [2] доступны уже не только как экспериментальные стенды, а как выпускающиеся пробными партиями изделия [3]. Интерес к водородной энергетике обусловлен, во-первых, тем, что КПД топливных элементов может достигать величин порядка 70-80% [2], что существенно больше, нежели КПД широко применяемых в настоящее время двигателей, например газовых турбин и
Установка состоит из источника питания (1), генератора СВЧ-излучения (2), ферритового циркулятора (3) с согласованной нагрузкой (4), волноводнокоаксиального перехода (5) с настроечным волноводным поршнем (6), плазмотрона (7), реактора смешения (8), нагревателя-испарителя топливовоздушной смеси (9), теплоизолированного реакционного объёма (10), теплообменника (11) и влагосборника (12).
В качестве источника излучения был использован промышленный генератор КИЭ-5, имеющий частоту генерации 2,45 ГГц. Для проведения экспериментальных исследований источник был модифицирован для того, чтобы уменьшить значение минимальной мощности, генерируемой магнетроном. После модификации возможно было изменять величину генерируемой мощности в диапазоне У = 0,4^5 кВт. При проведении экспериментов, мощность СВЧ-излучения изменялась в диапазоне 0,4+3 кВт. Падающее СВЧ-излучение измерялось в момент, когда разряд не горел, путём калориметрирования согласованной нагрузки (4, см рисунок 8) в которую направлялась с помощью ферритового циркулятора (3) отражённая мощность. Таким же образом измерялась не поглощённая разрядом СВЧ-мощность в тот момент, когда разряд горел. Плазменный энерговклад определялся посредством вычитания полученных величин СВЧ-мощности, поглощённой в нагрузке в отсутствии разряда, и во время эксперимента.
Суммарный расход окислителя (воздуха) можно было изменять, характерное значение его в экспериментах составляло 3750 см3(н)/с, расход топлива определялся условиями проведения эксперимента и изменялся в зависимости от исследуемого режима работы.
В качестве плазмообразующего газа в экспериментах использовались аргон, воздух и смесь топлива с воздухом в стехиометрии полного сгорания. Конструктивные особенности плазмотрона (фторопластовый герметизатор, охлаждаемая водой стенка) не позволяли использовать в качестве плазмообразующего газа смесь керосина с воздухом, поскольку при этом керосин конденсировался в полости плазмотрона. Для проведения