化石燃料转化成富氢气体的等离子体转化器 【发明领域】
本发明涉及将化石燃料转化成富氢气体的等离子体转化器。
所述的转化器包括加热器、混合室、反应器，所有这些设备串联在一起，以及包括用于反应器的微波(MCW)能源，以致转化器可接受传统的化石燃料并将它们转化成富氢气体，以便提高内燃机的效率。
【发明背景】
本发明涉及由烃类生产富氢气体。氢气作为燃料、作为内燃机添加剂是具有吸引力的，因为它的存在可显著改变燃料的化学性质以及显著降低燃烧产物造成的污染。氢气加到燃料中的效果是使内燃机地效率提高10-50％。参见Mishchenko等，第VII届世界氢能大会论文集，第3卷(1988)，Belogub等。国际氢能杂志，第16卷，423(1991)，Varde等，氢能进展，第4卷(1984)，Feucht等，国际氢能杂志，第13卷，243(1988)，Chuveliov等，“氢能和电力生产”，T.Nejat Veziroglu，编辑，Nova科学出版社，纽约，纽约州(1991)，Das，国际氢能杂志，第16卷，765(1991)。相关的专利为U.S.5887554、5425332、5437250和WP PCT/US98/18027。
在类似的设备中，转化过程所需的能量可通过预热气体混合物或通过放热反应(例如烃类的完全氧化或部分氧化)或电加热来提供。此外，在第一种和第二种情况下，等离子体可用作化学过程的催化剂(预热反应物的等离子体处理)。参见V.D.Rusanov，K.Etivan，A.I.Babaritskii，I.E.Baranov，S.A.Demkin，V.K.Jivotov，B.V.Potapkin和E.I.Ryazantsev，用甲烷分解成氢和碳的例子说明等离子体催化作用的效果，Dokl.Akad，Nauk，1997，第354卷，第1期，213-215页；和A.I.Bararitskii，M.A.Deminskii，S.A.Demkin，K.Etivan，V.K.Jivotov，B.V.Potapkin，S.V.Potekhin，V.D.Rusaov和E.I.Ryazantsev，在甲烷分解中等离子体催化作用的效果，Khim.Vys.Energ.，1999，第33卷，第1期，59-66页。
化石燃料的最好代用品是气态氢(H2)，这是大家熟悉的。目前，现有技术已遇到使用氢气的许多技术障碍和经济障碍。氢气是十分易燃的物质，需要复杂而昂贵的贮存系统。此外，全世界氢气分配网络的建立意味着大量的费用和时间，它们甚至超出了发达国家的能力。
以一种在经济上可行的方式将化石燃料和醇类转化成所需数量的合成富氢气体的小型化学装置的可用性是在燃料电池和内燃机(ICE)中作为燃料大规模使用氢气的关键。
有4个必须满足的关键要素：·第一是“转化器可起动的速度”。目前，最有效的转化器需5-10分钟 起动。·第二是“瞬间响应”：当驾驶员踏上加速器踏板时汽车响应的速度。·第三是为满足转化过程的要求所需的“热和电能消耗”必需是低的， 并在或使用转化器的ICE燃料电池产生的能源能补偿的参数范围内。·第四是在转化器可改进的情况下得到“商业可行价格”的转化器。
汽油发动机有数毫秒的响应；缓慢反应的转化器得到遭驾驶员拒绝的慢速汽车。
燃料转化器和氢气贮存
1992年，Arthur D.Little开始了一项结合DOE研究除了甲醇作为燃料电池车辆供氢方法的车载改进以外供选择方案的计划。该计划的第1阶段包括多燃料转化器分析、车载氢气贮存技术和氢气永久性基地的要求。第2阶段涉及研制和试验10千瓦转化器和1公斤规模的氢贮存装置。向燃料电池直接提供氢气的替代方法包括：液化氢、压缩氢、吸附在炭上和氢化物贮存。
自70年代以来，已在美国和其他国家的几种车辆上进行了液化氢试验。当和燃料电池使用时，液化氢的休积密度和重量密度与内燃机使用的柴油燃料相同或更好。它的缺点是液化能耗高、有处理问题以及不可避免的气体蒸发释放。
压缩氢是可设想的最简单的车载技术，并可从复合材料的最近进展和天然气车辆进展的成本改进中得益。用先进材料制作的高压储罐可提供合理的重量性能，而不仅是临界体积性能。要解决的技术问题包括储罐的渗透性，更高压力储罐的设计标准和用于加燃料的氢压缩机的设计。
几家公司正在开发有不同过程的多燃料处理器：例如：·水蒸汽转化(SR)：该过程基本上包括通过三个主要阶段将甲烷和水(水 蒸汽)催化转化成氢和二氧化碳。几家公司即Haldor-Topsoe(美国- 丹麦)、Howe-Baker Engineers(美国)、IFI/ONSI(美国)、Ballard Power Systems(加拿大)和Chiyoda(日本)已着手设计和建设这一系统。·部分氧化(PO)：一种由烃类燃料(汽油等)和氧(或空气)产生氢和 二氧化碳的放热过程。PO过程比SR过程有许多重要的优点。一些公司 例如Arthur.D.Little(EPYX)、Chrysler Corp.和Hydrogen Burner Technologies(全为美国)都已宣布了开发PO转化器的计划。
EPYX PO转化器包括以下步骤：
1-通过供热使燃料(汽油)汽化，2-经汽化的燃料与少量空气在部分氧化反应器中化合，生成氢和一氧化碳，3-水蒸汽和一氧化碳在催化剂上反应，使大部分一氧化碳转化成二氧化碳和另外的氢，4-在优先的氧化步骤中，注入的空气与剩余的一氧化碳在催化剂上反应，生成二氧化碳和水蒸汽，得到富氢气体。·自热转化(AR)：在这一放热过程中，烃类燃料与水和氧的混合物反应。 烃类氧化反应释放的能量促进水蒸汽转化过程。一些公司例如 Roll-Royce/Johnson-Matthew(英国)和International Fuel Cell/ONSI(美国)正着手开发AR过程。·热分解(TD)：(或热解，裂化)，烃类燃料的热分解生成氢和纯碳。由 甲烷产生每摩尔氢的能耗稍小于SR过程。由SR、PO和TD过程产生氢 的技术-经济评估表明，TD(57)产生氢的费用(美元/1000米3)低于 SR(67)和PO(109)过程。
等离子体辅助的烃类转化有另一原理，其中冷的非热等离子体用作活性物种源，以便加快化学反应。在这种情况下，该过程的能量需要可通过热能(低温)来满足，以致等离子体起催化剂的作用。
等离子体可通过很高的温度、强电场或强磁场的作用来产生。在放电中，自由电子从施加的电场获得能量，而这一能量通过碰撞而丧失。辉光放电的等离子体的特征是高的电子温度和低的气体温度，约109至1012厘米3的电子浓度以及缺乏热平衡，它使气体温度接近室温的等离子体变得可能，以便得到足以在其中激发电子从而引起分子键断裂的等离子体。
在等离子体中已观测到各种反应发生。它们包括电子和分子之间、离子和分子之间、离子和离子之间以及电子和离子之间的反应。在过去20年已得到各种类型的放电。频射和微波发生器的可利用性近年来将注意力集中在无电极放电的应用上。
在冷的非热等离子体中，只有带电荷的粒子(电子、离子)从施加的电场中获得能量，而中性粒子仍处于近乎室温下。冷的非热等离子体可通过通常在减压下操作的电辉光放电产生。辉光放电的等离子体特别适用于促进包含热敏材料的化学反应。已发表了很少有关单体、生成聚合物之间的结构/性能相关性以及等离子体聚合表面改性薄膜的选择/放弃的性质的基础实验工作。制备薄膜所用的能量为30-150瓦，聚合时间为60-3000秒。
维持等离子体状态所需的电能可通过内电极的电阻耦合、外电极的电容耦合或外线圈的感应耦合来传送给气体，或在微波放电的情况下通过慢波结构传送给气体。由于在等离子体中有许多不同的反应性物种，所以不可能完全说明在等离子体中化学反应的机理。
众所周知，化石燃料和目前用于获得有用能源(电力、机械运动等)的方法效率非常低。用于日常运输的最有效的内燃机的峰值效率为32％。这就意味着可从燃料得到的能量中有68％未利用来得到机械能(运动)，因此被浪费了。为此有许多原因，主要是热力学原理施加的限制，它占43％(对于使用汽油的四冲程发动机)。但是，我们使用的最好的发动机仍远未达到它们的最大效率。除了对大多数有价值的天然资源的利用率差外，化石燃料燃烧(氧化)产生的污染物数量已变成影响我们整个生态环境的日益严重的问题。
MPCR提出了一个利用化石燃料的更好解决办法，因为它是这样一个体系，该体系能通过需要很少能量和不生成不希望的副产物的化学过程将化石燃料转化成另外的燃料，一种合成燃料(SF)。经改进的燃料的特点是更加环境友好以及适合于更多类型的能源转化过程，此外该过程可能是更有效的。
MPCR将有广泛的商业意义。更低的污染物排放量将推动环保局例如美国的环保局和加利福尼亚州的大气资源局接受零排放标准(加利福尼亚州已要求)，使得类似DAVID提出的方法10年内必须强制执行。反过来，它又促进这样的系统在这样高车辆密度的国家例如美国和加拿大中的迅速应用和广泛应用。
类似的环境努力已在欧洲进行，欧洲联盟执行委员会，欧洲委员会正在起草汽车工业的强制性排放标准，它比汽车工业乐于接受的标准更加难达到得多。
MPCR的成功意味着我们仍然可利用化石燃料，但要以更有效的方式利用，该方式也是更加环境友好的。这就延长了我们的地球资源的期限和大大减少了烃类燃烧产生的环境问题。此外，这一技术可直接用在全世界范围由于化石衍生燃料如汽油、甲烷、乙醇、丙烷、丁烷、柴油等的分配网络已经存在。迄今为止例如本申请人还未对微波等离子体化石燃料转化体系提出专利权要求。DAVID专利与已知的专利在特殊类型放电(频率、电压等)、工艺条件(反应时间、反应物流量等)和设备的特定结构(电极的形状、反应器等)中不同。
MPCR与迄今提出专利权要求的其他技术之间的主要差别是在MPCR中特殊的冷等离子体的形成，电子的温度高于气体温度。这一等离子体是通过在特殊设计的电极中特殊的微波放电的组合来达到的。用这一新方法(它是本发明的目的)，有可能显著降低现有转化过程所需的能量输入量。
通过非平衡的冷等离子体法产生的合成燃料(SF)的两个组分H2和CO是很好的内燃机燃料。在向ICE供应SF燃料的情况下，CO2和NOX的排放量比供应汽油的ICE少90％；在燃料电池的情况下，需要CO分离薄膜(或特殊的催化型转化器)。
在液体燃料中的硫(和硫的典型化合物)含量被部分汽化并参与MPCR过程。在供应SF燃料的ICE情况下，排放物为较少的高氧化态氧化物而较多的低氧化态的硫化物(较低的烯烃硫和硫化氢的排放，它们可很容易用现有催化转化器廉价除去)。
MPCR体系成功的关键在于合成燃料(SF)可在线由化石衍生燃料以低的能源费用制得。因为SF可更有效地使用，所以体系的总效率提高。等离子体催化反应器/转化器(MPCR)的能源效率为80-90％，取决于测量效率的方法。SF是更加环境友好的，不管它是在ICE中氧化或燃料电池使用，并提供大大降低排放物的外加的(和很重要的)好处。
在ICE使用MPCR的情况下，发动机的即时起动是要解决的主要问题之一。
这一点可通过使用气态燃料(SF)操作的ICE来解决。
SF操作的ICE现有样机的主要特点是：
用有改进控制器的喷射体系补充汽油进料燃料体系，前者基于“定时进气口喷射体系”的原理，适用于氢火花点燃式发动机。
SF供应体系基于电子控制组件的使用，该组件将发动机传感器的输出信号转变成决定最佳空气/燃料比的冲程参数。使用SF的ICE安装喷射器的最简单技术使它们可在不更换汽缸盖的条件下安装。
经改造的ICE为一种采用标准ICE使用SF来运转同时维持正常的汽油进料的经济(低费用)途径。
上述解决办法意味着，发动机的起动使用加有5％MPCR生产的并贮存在10升罐中的合成燃料的汽油，当MPCR达到所需的SF产量时，旁路自动地通向SF(很短的时间以后)。氢气的加入减少了ICE起动操作过程的排放量。
在燃料电池使用MPCR的情况下，一直到MPCR开始为燃料电池操作生产必要的氢气以前，初期的运行操作可用电池组中的电能。在这种情况下，电池组将为MPCR提供电能(电能和通过电能得到的热能)。
DAVID进行的可能等离子体辅助的转化的分析和评估
热等离子体变通方案
1.1 5％汽油的水蒸汽转化成合成气的车载装置
该装置由电弧等离子管与化学反应器、换热器、内燃机和等离子管的发电机组成。当燃料通过换热器时，它被汽化并加热到1000℃。加热到更高的温度可使燃料分解，并在燃料供应通道中相对冷的壁上形成树脂状沉积物。同时，工作温度高于1400℃的换热器的研制是一个极其复杂的问题，它可以显著提高体系的费用。将换热器中加热的燃料蒸汽送入电弧等离子体管。也将预热的水蒸汽送入电弧等离子体管。冷水用于冷却等离子体管壁。在这一过程中，水被加热和汽化；水蒸汽被加热到1300℃，并送入等离子体管。在等离子体管中，水和燃料的蒸汽获得加热到2400℃所需的能量，并进行水蒸汽转化化学反应，它们很好地混合以后进入化学反应器。在反应器中，这些蒸汽转化成合成气，它在1400℃的温度下排出。由于发生的吸热反应的结果，温度下降。通过水冷却化学反应器壁来除去过量的热。热的合成气通过换热器，将热量释放给燃料和水蒸汽，冷却到400℃以后进入内燃机。内燃机驱动为等离子体管提供电能的发电机。
下面所列为在热力学计算的基础上估计的近似装置参数。装置按50千瓦内燃机计算。
1.有化学反应器的电弧等离子体管：
功率 2.5千瓦
水蒸汽流速 0.2升/秒
汽油流速 0.03升/秒
尺寸：
直径 0.1米
长度 0.3米
重量 5公斤
2.换热器
热气体流速(1400℃) 0.6升/秒
冷气体流速 0.23升/秒
通过的热通量 0.65千瓦
尺寸：
直径 0.25米
长度 1.0米
重量 15公斤
3.发电机
功率 2.5千瓦
尺寸：
直径 0.2米
长度 0.25米
重量 15公斤
4.内燃机
功率 50千瓦
汽油流速 2.2升/秒
合成气流速 0.6升/秒
合成气生产要求：
汽油流速 0.12克/秒
水流速 0.15克/秒
1.2 5％汽油用空气中氧部分氧化的车载装置
象在上述情况中那样，该装置由电弧等离子体管与化学反应器、换热器、内燃机和发电机组成。部分氧化反应为放热反应，以致可使等离子体管的功率下降一半。而汽油的总流速仅增加百分之几。因为部分氧化用空气中的氧进行，所以合成气被氮气稀释大约50％。此外，在这一过程中不涉及到水，因此用标准的发动机冷却体系使等离子体管和化学反应器壁冷却。等离子体管的功率大大降低发动机的功率，所以不需要高负荷的冷却体系。
近似的装置参数：
1.有化学反应器的电弧等离子体管
功率 1.5千瓦
水蒸汽流速 0.7升/秒
汽油流速 0.043升/秒
尺寸：
直径 0.1米
长度 0.3米
重量 5公斤
2.换热器
热气体流速(1400℃) 1.1升/秒
冷气体流速 0.75升/秒
通过的热通量 1.7千瓦
尺寸：
直径 0.3米
长度 1.0米
重量 20公斤
3.发电机
功率 1.5千瓦
尺寸：
直径 0.15米
长度 0.25米
重量 12公斤
4.内燃机
功率 50千瓦
汽油流速 2.2克/秒
合成气流速 0.6升/秒
合成气生产要求：
汽油流速 0.18克/秒
水流速 0.7克/秒
2.1汽油水蒸汽转化生成合成气的车载装置
该装置用于汽油生产合成气，随后使用电化学发电机(ECG)生产电力。该装置由加热汽油和水蒸汽的等离子体管、进行水蒸汽转化的化学反应器和热的合成气将其热量传递给燃料和水蒸汽的换热器组成。象在1.1中的情况那样，水蒸汽和汽油蒸汽在等离子体管中被加热和充分混合，并送入等离子体管。在反应器中生成合成气，由于吸热化学反应，它的温度下降。借助水冷却，合成气的温度下降到1400℃，在这一温度下，将它送入换热器。化学反应器中合成气的热能足以使反应所需的所有水汽化。在换热器中，水和汽油蒸汽被合成气的热能加热到1000℃，随后进入等离子体管。
1.电弧等离子体管：
功率 45千瓦
水蒸汽流速 3.9升/秒
汽油流速 0.54升/秒
尺寸：
直径 0.1米
长度 0.3米
重量 5公斤
2.化学反应器
尺寸：
直径 0.15米
长度 0.2米
重量 8公斤
3.换热器
热气体流速(1400℃) 12升/秒
冷气体流速 4.4升/秒
通过的热通量 13千瓦
尺寸：
直径 0.3米
长度 1.0米
重量 20公斤
4.消耗量
汽油 2.4升/秒
水 3.1升/秒
2.2汽油被空气中氧部分氧化的车载装置
象在上述情况中那样，该装置用于生产合成气，随后用于ECG。基本的装置模块由电弧等离子体管、化学反应器和换热器组成。象在1.2中的情况那样，因为汽油的部分氧化为放热反应，所以等离子体管的功率可下降几乎40％。但是，同时汽油流速提高30％。此外，制得的合成气被氮气稀释一倍。在该过程中没有水，要求等离子体管壁和化学反应器分开体系。冷却体系应能除去40千瓦热能。
该装置的近似参数：
1.电弧等离子体管
功率 28千瓦
空气流速 14升/秒
汽油蒸汽流速 0.86升/秒
尺寸：
直径 0.1米
长度 0.2米
重量 3公斤
2.化学反应器
尺寸：
直径 0.15米
长度 0.2米
重量 8公斤
3.换热器
热气体流速(1400℃) 22升/秒
冷气体流速 14.9升/秒
通过的热通量 34千瓦
尺寸：
直径 0.3米
长度 1.0米
重量 20公斤
4.消耗量
汽油 3.6克/秒
空气 14克/秒
3.1有汽油水蒸汽转化成合成气的加油站固定装置
该装置的设计与情况2.1相同，但以10000米3/小时的合成气计算。应当指出，水蒸汽转化反应的快速运行所需的化学反应器中的过量热能(W≈1.5兆瓦)应当通过水冷却除去，并可用于加油站的技术目的(例如汽车洗涤)。
近似的装置参数：
1.电弧等离子体管：
功率 13千瓦
水蒸汽流速 965升/秒
汽油蒸汽流速 135升/秒
尺寸：
直径 0.3米
长度 1.5米
重量 50公斤
2.等离子体管功率供应
2.1变压器
尺寸： 7.0×5.0×6.0米
重量 50000公斤
2.2控制台
尺寸： 2.0×2.0×1.0米
重量 150公斤
3.化学反应器
尺寸：
直径 0.5米
长度 1米
重量 100公斤
4.换热器
热气体流速(1400℃) 3000升/秒
冷气体流速 1100升/秒
通过的热通量 3.3兆瓦
尺寸：
直径 1.5米
长度 5.0米
重量 2500公斤
4.消耗量
汽油 0.6公斤/秒
水 0.8公斤/秒
3.2汽油用氧部分转化的加油站固定装置
该装置的设计与情况2.2中描述的原型在更大的生产率和氧气用作氧化剂方面不同。在10000米3/小时合成气生产率下，该装置应当消耗0.74米3氧。如果用空气进行氧化，大约3米3氧必需加热到2400℃，因此需要9兆瓦外加工率。即使这一功率中一半被回收，功率的损失明显超过由空气得到氧的消耗：目前由空气得到氧可得到的技术消耗为1.5兆焦/米3。所以，取出0.74米3/秒氧所需的功率仅等于1.1兆瓦。使用纯氧的另一明显优点是合成气中没有氮气。
近似的装置参数：
1.电弧等离子体管：
功率 0.5兆瓦
水蒸汽流速 740升/秒
汽油蒸汽流速 214升/秒
尺寸：
直径 0.2米
长度 0.4米
重量 20公斤
2.等离子体管功率供应
2.1变压器
尺寸： 2.0×2.0×1.5米
重量 5000公斤
2.2控制台
尺寸： 2.0×1.0×1.0米
重量 100公斤
3.化学反应器
尺寸：
直径 0.5米
长度 1米
重量 100公斤
4.换热器
热气体流速(1400℃) 2800升/秒
冷气体流速 9540升/秒
通过的热通量 4.0兆瓦
尺寸：
直径 1.5米
长度 5.0米
重量 2500公斤
4.消耗量
汽油 0.92公斤/秒
水 0.74公斤/秒
上述体系的考虑表明，它的实施有一些问题。首先，在等离子体管中和在化学反应器中有很高温度的气体混合物，它需要使用特殊的耐热材料并基本限制类似体系的资源。其次，全部燃料水蒸汽转化的装置需要相当大的电能消耗。该装置产生的全部合成气中大约一半必需烧掉以弥补这些消耗。有兴趣的是考虑基于非平衡的等离子体-化学过程例如等离子体催化作用的类似体系。应当指出，下述的所有装置设计都基于天然气和醇类的预备实验，以致为了使用汽油需要另外的研究。
等离子体催化作用变通方案
1. 5％燃料、水蒸汽预热和随后用MCW放电处理的车载装置
内燃机废气的温度约为800℃。热力学计算表明，这一温度对于相当部分的汽油进行水蒸汽转化反应是足够高的。但是，动力学限制使转化不能以合理的时间量进行。预先加热到800℃的甲烷的MCW脉冲定期放电处理使甲烷的转化率提高直到3倍，即使只有10％MCW的平均放电能用于预热。甲烷转化率达到热力学平衡值。
该装置由其热量用来加热汽油蒸汽和水蒸汽的内燃机组成。蒸汽进入化学反应器，在那里它们用MCW定时放电处理。
在放电的影响下，相当大部分的汽油-水蒸汽混合物转化成合成气，它与未反应的烃类蒸汽一起进入内燃机。应当指出，这一流程方案不需要汽油-水蒸汽混合物的完全转化。在燃料混合物中仅10％氢气的存在相当大地改进发动机的操作，有毒排放物减少和发动机效率提高。
近似的装置参数：
1.内燃机：
功率 50千瓦
汽油流速 2.2克/秒
合成气流速 0.6升/秒
合成气生产要求：
汽油流速 0.12克/秒
水流速 0.15克/秒
2.化学反应器
反应段温度 800°K
汽油蒸汽流速 0.03升/秒
水蒸汽流速 0.2升/秒
尺寸：
直径 0.05米
长度 0.1米
重量 0.5公斤
3.MCW发生器
产生频率 9千兆赫
平均辐射功率 25瓦
脉冲功率 25千瓦
尺寸：
有波导管通道的磁控管 0.15×0.15×0.4米
电源设备 0.5×0.13×0.6米
重量：
有波导管通道的磁控管 6公斤
电源设备 10公斤
2.5％汽油的部分氧化和为水蒸汽转化加入水的车载装置
如果在以前的流程方案中汽油的转化率不足够高，那么为了用空气部分氧化汽油，可将化学反应的温度提高到1000°K。为了经济地利用热量，将换热器安装在化学反应器和发动机之间。换热器能从反应器排出的合成气中回收热量。
近似的装置参数，假设完全的热回收。
1.内燃机：
功率 50千瓦
汽油流速 2.2克/秒
合成气流速 0.6升/秒
合成气生产的要求：
汽油流速 0.15克/秒
水流速 0.075克/秒
空气流速 0.37升/秒
2.换热器
热气体流速(1400℃) 0.9升/秒
冷气体流速 0.5升/秒
通过的热通量 0.35千瓦
尺寸：
直径 0.3米
长度 1.0米
重量 20公斤
3.化学反应器
反应段温度 1000°K
汽油蒸汽流速 0.035升/秒
水蒸汽流速 0.1升/秒
空气流速 0.37升/秒
尺寸：
直径 0.05米
长度 0.1米
重量 0.5公斤
4.MCW发生器
发生频率 9千兆赫
平均辐射功率 25瓦
脉冲功率 25瓦
尺寸：
有波导管通道的磁控管 0.15×0.15×0.4米
电源设备 0.5×0.13×0.6米
重量：
有波导管通道的磁控管 6公斤
电源设备 10公斤
3.汽油用空气部分氧化和为水蒸汽转化加入水的车载装置
该装置用于车载汽车生产用于ECG的合成气。它由化学反应器组成，靠部分氧化产生的能量在反应器中进行汽油的水蒸汽转化。为了加速反应，使用微波发生器。微波辐射线送入反应器，在那里在所述的辐射线的影响下产生化学活性的粒子。参与链反应过程的活性粒子大大加速汽油的转化。换热器用来从生产的合成气中回收热量。
下面示出装置的参数，生产率为40米3/小时的合成气。因为空气用于部分氧化，合成气被氮气稀释三分之一。
1.化学反应器
反应段温度 1000°K
汽油蒸汽流速 0.7升/秒
水蒸汽流速 1.9升/秒
空气流速 7.4升/秒
尺寸：
直径 0.15米
长度 0.5米
重量 5公斤
2.换热器
热气体流速(1000℃) 17升/秒
冷气体流速 10升/秒
通过的热通量 16千瓦
尺寸：
直径 0.3米
长度 1.0米
重量 20公斤
3.MCW发生器
发生频率 2.46千兆赫
平均辐射功率 600瓦
脉冲功率 600千瓦
尺寸：
有波导管通道的磁控管 0.35×0.15×0.5米
电源设备 0.5×0.22×0.6米
重量：
有波导管的磁控管 10公斤
电源设备 25公斤
4.带有水添加剂和微波处理反应物的汽油部分氧化生产合成气的固定装置
该装置与以前的装置仅在生产率和空气代替氧气上有差别。这样选择水的用量，以致在化学计量的条件下，化学反应器中的温度为1000°K。示出生产率为10000米3/小时合成气的装置设备、近似的参数和反应物流速。
1.化学反应器
反应段温度 1000°K
汽油蒸汽流速 0.18米3/秒
水蒸汽流速 0.44米3/秒
空气流速 0.42米3/秒
尺寸：
直径 0.5米
长度 2米
重量 100公斤
2.换热器
热气体流速(1000℃) 2.8米3/秒
冷气体流速 1米3/秒
通过的热通量 2.6兆瓦
尺寸：
直径 1.5米
长度 5.0米
重量 2500公斤
3.MCW发生器
发生频率 915兆赫
平均辐射功率 200瓦
大型设备：
a)功率和高压变压器；
b)整流器和功率调制器；
c)有磁控管的发生器模块；
d)MCW通道；
e)控制台。
电力设备的安装需要150米2空地。其他设备放置在70米2的封闭空间。
脉冲功率 600千瓦
尺寸：
有波导管通道的磁控管 0.35×0.15×0.5米
电源设备 0.5×0.22×0.6米
重量：
有波导管通道的磁控管 10公斤
电源设备 25公斤
5.带有水添加剂和微波在低温下处理反应物的汽油部分氧化生产合成气的固定装置。出口气体用薄膜分离的全完转化和部分转化的情况。
由于与4的技术方案类似，该装置的参数和尺寸与所述4中计算的类似。在计算中，提出水蒸汽-氧气转化反应有很高的选择性(只生成CO和H2作为产物)。这就提供了低的工艺温度。进行了两个类似的计算，第一个在500℃下，其中在这些条件下该温度提供了实际上完全的转化；在第二个计算中使用更低的温度(400℃)，在这一温度下转化率仅为74％。但是，为了提供纯的合成气流，提出使用分离设备。在附录5的相应表中列出等离子体管功率、薄膜设备功率和质量流速的估计值。
主要结果和结论
1.DAVID进行的研究表明，等离子体辅助的烃类转化过程十分具有吸引力，可能成为氢和富氢气体生产新技术的适合基础。甚至在热等离子体应用的情况下，可设计出紧凑的、易于控制的和易于起动的转化器。此外，非热的催化作用应用可提供能耗显著下降和低的工艺温度。
2.进行的比较分析表明，对于热等离子体的情况，可选择以下的变通方案作为最有前途的变通方案：5％汽油的部分氧化车载装置，以便提高传统的柴油或汽油发动机的效率。基于等离子体辅助的汽油部分氧化的在线生产氢气的紧凑型固定装置。热等离子体途径的主要缺点是相当高的能耗和相当高的操作温度。
3.上述分析表明，等离子体催化作用途径作为上述各种问题的解决办法是十分有前途的。此外，在等离子体催化作用下的部分氧化由于水的加入可得到外加的氢产量。
4.最有前途的等离子体催化作用的变通方案是：
车载的部分汽油的水蒸汽转化。发动机排放的热量可用于满足过程的能量要求。
在小汽车或其他车辆上的汽油部分氧化。
5.应当指出，上述的装置参数都是以理论模拟和使用甲烷和甲醇转化的实验结果为基础的，以致为了证实所提到的数据需要进一步的理论模拟和实验。
DAVID进行的有关产生微波的等离子体催化化石燃料转化的研究
使用微波放电产生的等离子体进行化石燃料转化的研究包括三个基本步骤：
1.模拟放电，以便决定主要放电参数，它们对在等离子体反应器中的化学反应是必不可少的。
2.研究在特定的放电条件下燃料转化的不同化学反应机理所起的作用。
3.优化反应器的产率
第一步密切涉及可得到的实验结果的分析，并应该得到与实验证据一致的放电演变的详尽物理模型结构。第二步应该通过开发物理-化学放电模型决定各种烃类转化机理对预定的放电条件的贡献。这一模拟的结果可用来通过改变放电参数提高反应器的比产率。
MW放电演变的物理模型应该提供主要的等离子体参数，例如电子和离子浓度、其平均能量、气体温度随时间和它们的空间分布变化。适合将放电演变细分成3个不同的阶段：
1.初期的非平衡阶段，在这一阶段中整个有效反应器体积中的电子温度和气体温度之间有大的偏差；
2.准平衡放电阶段，在这一阶段中有准平衡等离子体的细丝；
3.余辉放电阶段，在这一阶段中出现等离子体再结合，在反应器壁有扩散传播和表面电荷再结合。
因为微波放电也为强烈不均匀的，所以可将它分成3个不同的空间区域：
1.有高数值还原电场的光束头，它是造成光束沿电场线传播的原因；
2.有相对低场的光束通道，首先它确保通道等离子体的准静止特性，一直到在光束通道中某些不稳定性破坏这一准静态为止；
3.由于从通道的辐射线发射在光束通道附近有低电子密度的“外层”。
根据可得到的实验结果和灯丝放电的一般理论可作出这些鉴定。比较了不同的临时空间间隔的理论模型和实验数据的存在。由于短的时间和空间间隔，几乎没用实验研究光束头，而借助平面波阵面传播理论由光束速度和半径得到光束头参数。这一理论对于我们的情况是有效的，因为光束波阵面的厚度比光束半径是足够小的。对甲烷、水和氢等离子体开发了平面波阵面模型，在光束通道中在波阵面后产生初始电子浓度。此外，该模型给出在通道中准静止场的数值。这些数值可与得到的电场强度和电子浓度的实验数据相比较。因为由平面波阵面理论给出的通道内的电子浓度相当小(ηe约3×1014个/厘米3)，所以很难由光谱研究测量这一数量。但是，上述ηe的数值与氢线扩展分析得到的ηe＜105个/厘米3的估计值是一致的。应当指出，由于其更准确的结构和众所周知的动力学参数和漂移参数，氢等离子体更加适合实验测量，不仅对它的基态，而且也对所需的激发态。这就是为什么氢等离子体在第一步对于放电模拟用作方便的样品环境。
由平面波阵面理论和准静止假设得出的通道内电场强度(H2-100Td，CH4-90Td)与氢(≈30KV)和甲烷(≈20KV)在正常条件下的实验测量值十分一致。在氢等离子体情况中的偏差可能是由于本体气体中的杂质，例如1％的水。相应于这些场强的电子温度约为2eV。测定这一数量的另一方法是用线强度分析激发氢态的总数。为了进行这些研究，发展了氢能级总数的动力学模型，考虑到碰撞激发和去激发、自发辐射和离化过程，包括平面波阵面波结果和电子能量分布函数(EEDF)的计算。该模型表明，就电子温度来说，激发的氢态的总数强烈处于非平衡中：对于所需能级，Tex约为0.3-0.4eV，而To约为2eV。这些结果与实验观测的约为0.3eV的Tex十分一致，与以前对氢的动力学计算结果吻合。
由于在光束通道中离化热的不稳定性在等离子体中气体的加热速率可决定失去准平衡的状态。考虑到节能给出的某些自由度通过解电子能量的动力学方程和寻找气体加热中涉及的每一基本过程的贡献来决定气体加热速率。例如，可预计至少在低温的情况下在位移和旋转自由度不减少的条件下振动能量被贮存，模拟得出在前100纳秒温度内升高约100°K。如果压力下降十分迅速，这一数值足以促使在通道中的离化加热不稳定性。对于氢来说，特征的流体时间约为100纳秒，而甲烷稍大。因此，在光束通道中的离化不稳定性看来对在氢中约100纳秒内通道热化负责，正如实验表明在氢中200纳秒以后和在甲烷中400纳秒以后气体温度和电子浓度迅速升高。正如可预期的，准平衡状态中的电子浓度由表层厚度约等于光束半径的条件决定。这一假设得到约1016个/厘米3的电子浓度，它与约5×1016个/厘米3的实验值较好的一致。实验气体温度(对于甲烷约5000K)稍低于这一浓度下的平衡温度(约6000K)，从而提供等离子体的准平衡状态。
接近通道的“外层”区域由于其电子浓度小，难以进行测量。而且，在这一区域中的电子浓度取决于气体中的杂质浓度(它可参与光离化过程和离解离化过程)。这就对通道附近的放电模拟产生重大的限制。
为了确定在MW放电中燃料转化的动力学机理，研究了在放电条件中几个可能的机理。首先，为了确定水对汽油转化和烟灰生成的影响，进行了加水的汽油热分解。考虑辛烷作为汽油的能力，因为它是汽油中存在的最高的烃。已提出动力学图示，它由说明辛烷氧化和烟灰生成的876个反应组成。模型包含85个化学组分，包括一直到C8H18的所有烃类，异构体和中间基团。
用有量热弹反应器模型的WorkBenck Code在P和T不变下进行计算。
在T＝1500K和P＝1大气压下，描述辛烷-水混合物分解的动力学曲线示于图1和图2；在T＝2100K和P＝1大气压下示于图3和图4，加入的水为89％(图1、图3)和50％(图2、图4)。
图1，在T＝1500K和P＝1大气压下，C8H18-H2O(11∶89％)混合物的分解过程中，主要浓度的动力学曲线。
从图1中清楚看出，在水存在下辛烷的转化过程可分成：1.辛烷迅速分解，生成乙烯和甲烷；2.乙炔生成的慢过程，其中水起催化剂作用，随后生成CO和H2。
如果没有足够的水用于辛烷的完全转化，产物为甲烷(图2)或乙炔(图4)。
图2，在T＝1500K和P＝1大气压下，C8H18-H2O(50∶50％)混合物的分解过程中，主要浓度的动力学曲线。
图3，在T＝2200K和P＝1大气压下，C8H18-H2O(11∶89％)混合物的分解过程中，主要浓度的动力学曲线。
图4，在T＝2200K和P＝1大气压下，C8H18-H2O(50∶50％)混合物的分解过程中，主要浓度的动力学曲线。
在T＝2000K和P＝1大气压下，辛烷-水混合物的分解过程中烟灰的生成示于图5和图6。这一模型考虑了A.V.Krestinin[1]提出的简化烟灰生成模型：
C2H2→C4H12→C6H2→C8H2→烟灰核
虽然它限于C8H2进一步气化，从图中可清楚看出，如果没有足够的水用于辛烷完全转化成CO-H2，那么就生成烟灰。
图5，在T＝2200K和P＝1大气压下，在C8H18-H2O(11∶89％)混合物的分解过程中烟灰的生成。
图6，在T＝2200K和P＝1大气压下，在C8H18-H2O(50∶50％)混合物的分解过程中烟灰的生成。
图7表示过程时间与其进行的温度的依赖关系。
图7，过程时间与温度的依赖关系。
正如可从图7看出的，过程时间与只在1500K的温度下甲烷分解的相同(参见以前的报告)。限制阶段为甲烷的离解，而在更高的温度下，限制阶段为乙炔的分解。
因此，燃料转化的热机理得到的动力学结果决定最佳放电参数，因此实验条件为燃料转化表示。
现有燃料转化专利的评述
在制得富氢气体(h.g.)的不同组合中使用的基本化学过程之一为烃类的水蒸汽转化，例如。这一反应为吸热的，但如果氧气加到进料混合物中，那么转化过程变成放热的。这一过程可用来制得h.g.，其将在内燃机中或在车载燃料电池中燃烧。
许多作者提出在转化过程中使用催化剂。已对各种各样物质[1，2]作为催化剂以及适合的转化器设计[2，3]提出专利权利要求。我们提出，催化转化器的重要特点是结构紧凑和不需要使用另外的设备。保温和热循环[3]将提供高的效率。
在水蒸汽转化过程的基础上制得h.g.的另一方法是[4]中描述的气态烃类热解的变通方案。将烃类注入得到的高温混合物以后，将烃类和燃烧的富氧气体的专利混合物结合，得到外加数量的氢。烃类、水蒸汽和氧的数量之间的关系有专利权。在DAVID的看法中，这一过程的主要优点是没有催化剂。
许多作者提出等离子体法用于烃类燃料转化。对电弧等离子体管作为适合的转化器设计[5]已提出专利权要求，在所述的转化器中有燃料的汽化和热解。
在[6]中提出一种电弧等离子体管的有意义的设计。在这一等离子体管中燃料的转化有几个化学过程：烃类热解生成氢和固体碳。对等离子体管的设计和固体碳的连续机械洗涤提出专利权要求。
得到h.g的等离子体转化的应用在[7]中提出，当需要最大功率时，将h.g.注入汽车发动机。提出电弧或微波等离子体管作为转化器应用。
[8]的作者提出将涡轮加到烃类燃料转化器等离子体管中，为了得到可用于等离子体管需要的另外能量，它利用气体的动能和热能。
另一类专利为提出等离子体作为烃类水蒸汽转化吸热过程的激励物和能源。
其中的一个[9]，在反应体积中漂移电弧灼烧，促进烃类转化过程。它们通过小球床层另外生成废气。
在另一专利[10]中，反应混合物最初和通过反应器后被加热，在那里出现高压脉冲定时放电，从而促进水蒸汽转化反应。还有一可用于产生h.g.的转化器设计，在那里h.g.在车载SPE燃料电池中燃烧。
专利文献的评述表明，研究人员的重大兴趣在于由烃类产生h.g.的问题。正如评述表明，最大一类专利是作者提出用催化剂进行烃类转化过程的专利，其中催化剂为一种适合的化学物质。大多数专利公开了等离子体烃类转化过程。但是，在大多数情况下，作者使用等离子体作为反应物的有效加热物。在DAVID的看法中，只有两篇专利使用等离子体作为烃类转化过程的热能源和激励物。在[9]第一篇专利中，富氧气体和烃类的混合物用漂移电弧等离子体活化，并在特殊的金属材料或陶瓷材料上移动，在那里混合物最终转化成合成气。但该专利不能作为我们的设备的原型。在[9]第二篇专利中使用的思想十分类似我们的设备设计。在这两种情况下，反应物的混合物被加热，然后用冷等离子体处理。在这样的体系中没有完全的转化；一部分烃类转化成二氧化碳，为了制得氢，需要有所选择渗透性的薄膜。这一体系需要外加的气体压缩和使用更多的能量。
文献编号 专利号作者国家 1 2 3 4 5 6 7 8 9 PCT/JP97/02445 PCT/US96/1590 4 PCT/US97/1490 6 USSR 632294 USSR 700935 USSR 203816 USP 5.887.554 Tomura ISENBERG，Arnold，O CLAWSON，Lawrence，G Allen，M.Robin E.M.Rudyak N.S.Pechuro Cohn Cohn CHERNICHOWSKI，M.日本美国美国美国俄国俄国美国美国法国10 USP 5.852.297 PCT/US98/1802 7 PCT/FR97/0239 6 Albin ETIEVANT，Claude法国
所提出的体系和以前的体系可在车辆上产生合成气或在固定的设备中产生合成气。两种设备都为现有技术。作为一个例子参见US 5887554，其中公开了燃料转化成合成气的体系。
固定体系需要高压容器或深冷容器。
转化器体系的另一重要例子为世界专利PCT/US98/18027。其中公开了一种在水和氧(空气)存在(可能)下通过放电(粒子放电)使轻质烃类(例如CH4、C2H6、C3H8、C4H10或天然气)转化的过程。在该专利设备的描述中，转化过程的能源之一为烃类的部分氧化。
氢气的车载生产被详细描述。这类设备例如在US 5143025中公开。其中公开了用电解将H2O分解成H2和O2，并将H2加到发动机燃料中。在US 5159900中开发了使用水和Co(固体碳)相互作用产生富氢气体的体系。在这一设备中，碳电极被电弧处理提供的水部分氧化成为H2+CO混合物的主要来源。在US 5207185(Greiner等)中，设备的基础为一燃烧器，它用一部分烃类燃料来转化另一部分，以便生产氢气。氢气与用于发动机的燃料混合。
另一体系涉及热转化器的应用，将一部分汽油转化成富氢气体。(参见Breshears E1等，EPA第一届低污染电力体系开发讨论文集，268(1973))。其他类似的体系在催化剂存在下使用部分氧化。(参见Houseman等，第3届世界氢能大会论文集，949(1980))。
U.S 5435332和5437250(Rabinovich等)公开了有电弧等离子体管作为一设备的内燃机体系。
现提出专利权要求的等离子体辅助的燃料转化设备使用在各种模型的高频或超高频电弧等离子体管中稳定的等离子体放电和电弧放电(轨道枪、下滑)的脉冲变型；参见US 5425332、5437250和5887554。这些放电的很高温度特性和生成的热力学重量平衡不能从等离子体燃料转化方法的优点中得到全部好处。
发明描述
本发明的目的是一种烃类生成富氢气体的等离子体转化器。该转化器包含加热器、混合室、反应器和与反应器相连的微波源。脉冲定时假电晕微波放电用来在反应器中加快转化过程。假电晕放电通过在最大电场区域中插入微波共振器中的一组金属棱产生。因此，在特选的状态(脉冲持续时间、脉冲周期/脉冲持续时间比、比能量输入、反应器入口温度)下，提供了转化过程的等离子体-催化特性。等离子体-催化转化过程用在较低的温度限下高的生产率和低电能来表征。提出的反应器能进行燃料(石油醚、煤油、柴油等)与水蒸汽、水蒸汽-氧(水蒸汽-空气)以及用空气的部分氧化生成富氢气体的转化过程。进行这一具体过程所需的大多数能量由加热器作为热能提供给体系，靠在反应器出口处热量的回收以及(对于水蒸汽-氧转化或部分氧化)靠燃料在混合室中的部分燃烧提供。在水蒸汽转化情况下加热器可包括电弧等离子体管。超声波喷嘴可用在混合室中，混合室在10-3-10-5秒时间内提供初始反应物的有效混合。
现代技术能制造用于大规模生产的固定体系和安装在车辆中的小型设计的设备。由燃料生产富氢气体的车载体系的应用避免使用车载氢气储罐。提出的两种车载设备的组合使用(使用富氢气体和汽油混合物的内燃机的应用)显著减少污染物的排放量和提高了发动机的效率。在发动机设计中在没有任何根本改变的条件下提高了发动机性能特征。所提出的设备的另一应用是与燃料电池结合，生产供车辆电动机的电力。
DAVID制造的设备的描述，在所述设备中已进行了本发明的实验。
图8所示的实验配置包括：工艺方块(图1中虚线表示)；反应物进料体系(燃料、水、空气)；水进料体系；调制器、MCW发生器、波导管。
水和燃料在超过各自沸点的温度下在汽化器1和汽化器2中汽化。在加热器2的入口处(电弧等离子体管)提供水，而在混合室入口处提供燃料。燃料蒸汽的温度必需足够高，以防止在混合室中在进料过程中水蒸汽冷凝。
空气被加热到超过水的沸点的温度，而水蒸汽在加热器2的入口处提供。空气的温度必需足够高，以便防止在加热器2的入口处混合物中的水蒸汽冷凝。
在加热器2中，水蒸汽和空气的混合物加热到固定的平均质量温度，它取决于所选的区域(参见表2、3、4和5)，而它们在混合室入口处送入。
工艺方块的操作区域(首先是工艺温度)由加热器2的功率变化和/或改变初始反应物的消耗量来决定。
在混合室处，所有的反应物被迅速提供，然后将它们送至等离子体-催化反应器。
在反应器中，经加热的反应物混合物用脉冲定时微波假电晕放电处理。
工艺产物在换热器中冷却。冷凝相(未反应的水和燃料，以及在某些情况下还有碳)在旋风式换热器中分离。将制得的合成气送色谱分析。在点16处，测定气相产物的消耗。未反应的水和燃料的消耗必需在点17处测定。
放电触发器和MCW输入设备在建筑上为工艺方块的一部分。
放电触发器为一放置在MCW场中反应器的尖锐钨针尖，以便引发假电晕微波放电。
MCW输入设备在反应器中产生一电场分布，在尖锐的钨针尖区域有最大的强度。
工艺方块主要参数的测量点(点4-15)示于图1。对于反应流程图的基本区域，工艺方块参数(反应物消耗量、温度范围)的正常数值列入表1、2、3和4。
1.2 MCW装置的简介
MCW装置调制器产生一组主要用于有MCW输入设备的MCW发生器操作的定时电压脉冲。
MCW辐射线的主要参数为：辐射线脉冲持续时间-0.1-1mks；脉冲重复频率—高达1千赫；脉冲功率—高达50千瓦；平均功率—高达50瓦；辐射线波长-3厘米。
1.3进料反应物
进料反应物在正常条件下在工艺方块输入处(图1的点1、2和3)送入。在输入处冷却水有如下参数：压力-3大气压；温度-15-25℃。
2.工艺方块部件分离的工程要求
2.1一般要求
提出在单一的建筑中配置各工艺方块部件。最大的应用由清洁部件、替换部件、工艺方块的现代化等的建筑的可能集合-分配构成。
图9表示以下工艺方块部件的配置图：加热器2(电弧等离子体管)、混合室、反应器、放电触发器、MCW输入设备和一组用于工艺方块温度范围控制的热电偶TCi(指数对应于图中测量点)。管直径为20毫米。
2.2电弧等离子体管—加热器2
等离子体管的功率为300瓦，不考虑等离子体管的效率系数、损失等。
工作气体—水蒸汽、水蒸汽和空气的混合气。
压力—超过常压(靠汽化器1和2中水和燃料的压力，气体漂落)。大气压通过从换热器中除去气体在气体导管出口处固定。
在等离子体管进口处气体消耗量：
范围1(没有空气)—水蒸汽40.55-355厘米3/秒
范围2(有空气)—水蒸汽18.7-40.55厘米3/秒+14-55厘米3/秒(来自空气)。
在等离子体管出口处气体的温度(平均)—高达3000K。
热电偶TC4和TC5结合在等离子体管中。
热电偶TC9为活动的，在混合器出口处，测量等离子体管出口处的径向温度分布。有可能从管段中取出热电偶。
2.3混合室
用电弧等离子体管的操作范围来设定混合物(水蒸汽+空气)的一种组分的参数。
混合物的第二组分(燃料蒸汽)的参数：
消耗量：
范围(没有空气)：O.025-0.22克/秒
范围(有空气)：O.025克/秒
混合时间为10-4秒。
混合后的气体温度为500-1560K。
将热电偶TC6结合在混合室中。在管中心的热电偶TC10控制混合以后气体的温度。它可能从管段中取出。
2.4有放电触发器和MCW输入设备的反应器
在图2所示的变通方案中，反应器底端用带孔的金属板MC(用于放电的空间判断)和真空密封的玻璃窗GW封闭。金属板MC用于在MCW放电段DZ方向反射MW辐射线。MC和输入设备MCW辐射线的轴之间的距离约为5至10厘米。在这一变通方案中，旋风式换热器可与反应器的侧壁面接，正如图2所示。在这种情况下，工艺方块的排列呈水平的。在放电段的方向上从混合室区域的MCW辐射线的反射通过减小在混合室出口从20毫米到15毫米处的管截面来得到。
MCW辐射线输入设备为截面24×11毫米的矩形波导管。波导管的宽壁沿管取向，长度150毫米。离波导管的接合处70毫米，管子放在由MCW辐射线透明的材料制的封闭室。输入设备和放电段的轴间距离为约5至10厘米。
注意：为了简便起见，在图2中MCW输入设备放在出口面中。在这一实际的体系中，输入不倾斜90°，取向与出口面垂直。
放电引发器为一直径约2毫米的尖锐钨棒。引发器在管半径方向是活动的，可从管段中取出。
热电偶TC11控制管中的径向温度分布。温度范围为300-1560K。热电偶在管径上是活动的，可从管段中取出。
使放电段DZ至反应器入口-混合室出口的距离最小，并由工艺方块部件的建筑性质来决定。
3.工艺方块的参数
为了决定反应物的消耗速率。计算了实验研究的特性范围的正常工艺参数。这些数据用于装置的方案设计。
在装置中发生的两个主要类型的过程为没有空气的水蒸汽转化(1)和用水蒸汽的燃料转化以及由空气中氧的燃料部分氧化。
3.1没有空气的燃料水蒸汽转化过程的工艺方块参数
在这一情况下，该过程对应于以下反应：；ΔH＝12000千焦/卡＝1.85eV/摩尔(1)
初始反应物的能量输入J为在实验中变化的主要参数：J＝W4/Q，其中W4为热能，而Q为初始反应物的消耗量。能量输入决定过程的温度范围以及转化的平衡值。实验研究两个主要范围：在不变的初始反应物消耗Q下改变功率W4(表1)，以及在不变加热功率W4下改变初始反应物消耗量Q(表2)。
3.2空气作为初始反应物之一的燃料水蒸汽转化过程的工艺方块参数
如果空气在输入的反应物中存在，那么一部分燃料被氧气氧化。因此，吸收的能量部分由外供能量补偿。体系入口处空气比例的增加使加热器2中的加热功率W4降低。正如在初始范围中那样(没有加氧气)，两个区域需考虑：区域“e”(100％燃料转化，参见表1.3)和区域“n”(65％燃料转化，参见表4)。在这两个区域内氧气的加入使区域内加热器2的功率W4降低，保持温度和燃料转化率不变(表3.4)。
表1.2的表解
Q-反应物消耗量，对于液相以克/秒表示，而对于气相以标米3/克表示。
T-温度
功率W4-在加热器2中被加热的气体吸收的功率，不考虑加热器效率、损失等。
α-在点12处转化平衡程度的估计值。在这一点，与氢和CO一起，有其数量对应于(1)的未反应的水和燃料的蒸汽。作为转化程度的估计值，给出水和CO浓度的和。
—在点9处表示在给定的段中平均质量温度；实际上，用移动的热电偶测量径向温度分布。
—在不考虑水分子离解的能量费用下给出温度数值；真正的温度约为3000K。
J-在特定区域初始反应物的能量输入(焓)，它用反应物的加热和汽化最后得出(为了信息)。
对于表2给出的初始反应物(燃料和水)的消耗，燃料和水汽化器的功率分别为W3＝5瓦和W2＝80瓦。
规定的和在表1中所列的区域的主要特性为平均MCW放电功率(WMCWev＝50瓦)与加热功率W4(加热功率可为50-300瓦)的可变比。
表2列出在不变加热功率W＝300瓦下各区域的计算数据。WMCWev/W4比恒定，近似等于15％。
当输入反应物的消耗量(水和燃料)变化时，其汽化器的功率(W2和W3)也变化，正如表2所示。
表3和4的表解
—转化程度α对应于燃料的转化程度。
表1图中的点1 2 3 5 6 90)10 11 12参数W4W Q空气Q水Q燃料Q水Q燃料T，K T，K T，K T，K J千焦/公斤α％区域A 48 0 0.032克/秒0.025克/秒0.0146标米3/小时0.021标米3/小时1060 701 701 580 4000 18 B 80 0 0.032克/秒0.025克/秒0.0146标米3/小时0.021标米3/小时1461 890 890 620 5000 35 C 112 0 0.032克/秒0.025克/秒0.0146标米3/小时0.021标米3/小时1829 1039 1039 649 6000 50 D 176 0 0.032克/秒0.025克/秒0.0146标米3/小时0.021标米3/小时2500 1269 1269 696 8000 73 E 304 0 0.032克/秒0.025克/秒0.0146标米3/小时0.021标米3/小时3760)11560 1560 800 12000 99
表2图中的点1 2 3 90)10 11 12参数W4W Q空气Q水Q燃料W2W W3 W T，K T，K T，K T，K J千焦/公斤α％区域 E 300 0 0.032克/秒0.025克/秒80 5 37601)1560 1560 800 12000 99 F 300 0 0.045克/秒0.035克/秒113 7 1367 1367 1367 709 9166 77 G 300 0 0.056克/秒0.044克/秒140 9 1264 1264 1264 684 8003 67 H 300 0 0.112克/秒0.088克/秒280 18 916 916 916 615 5173 34 I 300 0 0.168克/秒0.132克/秒420 27 759 759 759 580 4286 20 J 300 0 0.281克/秒0.219克/秒720 44 605 605 605 530 3569 8
表3图中的点1 2 3 5 6 90)10 11 12参数W4W Q空气Q水Q燃料Q水Q燃料T，K T，K T，K T，K J千焦/公斤α％2)区域 E 304 0 0.032克/秒0.025克/秒0.146标米3/小时0.021标米3/小时37601) 1560 1560 800 12000 99 K 265 0.014标升/秒0.028克/秒0.025克/秒0.128标米3/小时0.021标米3/小时30981)1458 1458 811 7300 100 L 212 0.028标升/秒0.023克/秒0.025克/秒0.105标米3/小时0.021标米3/小时2403 1298 1298 825 4500 100 M 91 0.055标升/秒0.014克/秒0.025克/秒0.064标米3/小时0.021标米3/小时1179 838 838 838 1500 100
表4图中的点1 2 3 5 6 90)10 11 12参数W4W Q空气Q水Q燃料Q水Q燃料T，K T，K T，K T，K J千焦/公斤α％2)区域 N 144 0 0.032克/秒0.025克/秒0.146标米3/小时0.021标米3/小时2176 1160 1160 664 7000 63 0 86 0.014标升/秒0.028克/秒0.025克/秒0.128标米3/小时0.021标米3/小时1390 888 888 651 3900 65 P 32 0.028标升/秒0.023克/秒0.025克/秒0.105标米3/小时0.021标米3/小时697 541 541 642 1500 64
发明详述
本发明的基础是在常压下使用超高频假电晕定时脉冲定时放电，它与现有设备的不同在于：低的反应物温度高重非平衡标度在等离子体中高能效产生化学活性粒子高效利用电能
本发明的设备打算实施化石燃料的等离子体-催化转化生成富氢的合成气(氢和一氧化碳的混合物)。
燃料转化涉及的主要过程是：水蒸汽转化(参见下面j)水蒸汽-氧转化(k)部分氧化(l)
进入等离子体-催化反应器段以前，将反应物预热到为反应器提供足够高的转化平衡程度的温度。通常，这一温度太低，以致不能在可接受的时间内进行这一过程(动力学障碍)。预热反应物的等离子体处理借助化学活性粒子参与的链反应过程消除了动力学限制并达到反应物转化程度的平衡值。
本发明设备的主要部分是等离子体-催化反应器(图10)，其中用假电晕定时脉冲微波放电处理经预热的反应物。
反应器为圆形截面的金属管(图10中1)，此外它还用于输送气体和作为微波辐射线传播的波导管。微波辐射线通过标准的矩形波导管(2)(H01型波)通过界面小孔(3)进入反应器。
界面小孔用对微波辐射线是透明的封闭室(8)封闭，以便防止气体的动力参数干扰以及使波导管与反应器绝缘。矩形波导管的较长的壁沿管轴放置，在圆形波导管中激发H11波型。在矩形和圆形波导管中的电场E分布在图2和3中描述。
在圆形波导管除主波型H11外不激发其他(更高的)波型的条件下选择反应器直径。下一波型为EO1。满足这一条件导致对直径D的以下限制：
IO＜IcrH11(D)＝1.705D (a)
IO＜IcrE01(D)＝1.308D (b)式中：IO：在自由空间中微波辐射线的波长
Icr：相应波型在圆形波导管中的临界波长
从上述关系式得到反应器直径的条件：
0.59IO＜D＜0.76I。 (c)
经加热的反应物通过反应物入口部件(4)从混合方块(图10中11)进入反应器。
混合室为有3个反应物入口体系的设备。第一入口体系(10)安装在体系轴上。经加热的水蒸汽(过程j)或经加热的水蒸汽-空气混合物(K)或经加热的空气(l)在不同的过程变通方案和转化中通过它送入混合室。第二和第三反应物入口(9和10)为中心超声波喷嘴体系。在该设备中这些体系的使用导致反应物在分子水平上的混合时间为10-3-10-4秒。在水蒸汽-氧转化(K)和部分氧化(1)变通方案中，燃料的氧化出现在第二和第三反应物入口体系之间。在这一氧化过程中生成的能量使反应物进一步加热。
反应物入口体系(4)为沿达到混合室方向缩小的管子的一部分。它必须足够地狭小，以致反应物入口部件超出波H11的限制。即微波辐射线反射出这一部件到界面小孔(3)。这一条件产生反应物元件的特征横向尺寸与直径d之间的以下关系：
Io＞IcrH11(d)＝1.705d (d)
工艺产物通过活塞孔(5)排出反应器。这一活塞用来将微波辐射线反射到界面小孔(3)。
工艺产物从反应器排出的另一供选择的机构可为类似反应物入口(4)的管段，但它在相反方向是狭窄的。在这两种情况下，反应器的长度(图10中L)必需为波导管中微波辐射线的半波长Iwg/2的整数倍：
L＝nIwg/2＝nIO/(1-(Io/IcrH11(D))2)1/2/2 (e)
电晕部件—一个放入波导管中的非熔融材料制成的尖锐的金属棒(6)引发放电。棒的这一点使它周围的微波电场E提高，从而产生假电晕效应放电。该棒在波导管中沿场E的电力线排列(图12)。棒点的位置(图12中H)大致相当于波导管半径的一半。在纵向意义上(图10中L2)，棒放在放电没有最高值的共振器中静止波场的点：
L2＝IWH(n/2+1/4)＝(n/2+1/4)IO/(1-(IO/IcrH11(D))2)1/2/2(f)
假电晕放电阶段的光束在微波场中转移到等离子体光束体系中，并作为微波光束移动，填满管截面并产生微波脉冲放电段(图10中7)。假电晕放电阶段的目的是在常压下产生有高平均电能的等离子体。
微波光束阶段的目的是产生在反应物等离子体-催化处理空间中扩展的等离子体。
矩形波导管(图10中2)和反应器(11)的配合通过选择长度1和L1(图10)之间的比来达到。实际上，所有的微波辐射线在放电区(7)被吸收，以致波导管至辐射线输入小孔(3)右边的部分在放电存在下的移动波区域操作。在这种情况下，大约波导管中半波长整数倍的距离L1为：
L1＝nIwg/2＝Io/(1-(Io/IcrH11(D))2)1/2/2 (g)
微波辐射线源在定时脉冲区域中操作。辐射线脉冲持续时间t1规定为在给定的条件下发生的两放电阶段(假电晕效应和微波光束阶段)所需的时间。
脉冲重复周期t2由以下数量的最佳关系得到：在超高频辐射线脉冲停止以后在被动放电阶段中等离子体产生的活性粒子的寿命；反应物通过放电区域的直线速度；放电供能：
J等离子体＝W/Q (h)式中，W＝W脉冲·t1/t2W为微波辐射线的平均功率，W脉冲为脉冲功率，而Q为反应物消耗量。
微波辐射线脉冲功率W脉冲(h)(i)决定等离子体的能量输入，J等离 子体。此外，脉冲功率取决于在没有等离子体的情况下圆形波导管中电场强度，它必需低于破坏放电，而同时又是足够高，以便在电晕部件中引发假电晕放电阶段。
提供的热能(为预热反应物提供的能量)J必需足够使反应物加热到所需的温度以及补偿体系吸热过程产生的能量消耗，它产生在给定温度下的反应物转化平衡。
可用以下方法进行反应物的预热：·与电源独立的加热器(例如电弧等离子体管)；·在燃烧室中部分燃料的燃烧；·在涉及氧(空气)的转化过程中部分燃料被氧氧化；·在设备出口处的热回收
上述方法的组合也是可能的。
等离子体供能与供热的比J等离子体/J热为约1-10％。
下面给出转化过程的特征温度及其相应的反应物转化率。
有35％转化率的燃料水蒸汽转化过程(j)有以下的特征温度：水蒸汽加热温度1450K，混合后水蒸汽-燃料蒸汽混合物的温度890K，过程以后产物的温度620K。
有65％转化率的燃料水蒸汽转化过程(j)有以下的特征温度：水蒸汽加热温度2180K，混合后水蒸汽-燃料蒸汽混合物的温度1150K，过程以后产物的温度665K。
有99％转化率的燃料水蒸汽转化过程(j)有以下特征温度：水蒸汽加热3750K(不考虑水分子离解过程)，混合后水蒸汽-燃料蒸汽混合物的温度1560K，过程以后产物的温度800K。
有65％转化率的燃料水蒸汽-氧转化过程(K)(水-空气摩尔比2.5)有以下特征温度：蒸汽-空气混合物加热温度1390K，混合反应物的温度890K，过程以后产物的温度650K。
有100％转化率的燃料部分氧化过程(1)(燃料-空气摩尔比1∶3.46)有以下特征温度：蒸汽-空气混合物的加热温度1110K，混合以后反应物的温度896K，过程以后产物的温度1611K。
3.本过程的实施和特征
所提出的设备可进行用水蒸汽、水蒸汽-氧和燃料蒸汽的化石燃料转化过程生成富氢气体，以及促进的燃料部分氧化过程。
3.1
用以下反应描述燃料的水蒸汽转化过程：
(j)
以及图13中图示在该设备中的实施。
将水蒸汽送入加热器，然后进入混合室的第一入口，而将燃料送入混合室的第二和第三入口。视所选的范围而定，在第二和第三混合室入口处的燃料比可为0-1，而总的水蒸汽/燃料摩尔比可在6至14之间变化。
正如图14所示，使用反应器出口的热量的回收换热器可用作加热器，电弧等离子体管串联。在加热器出口处，燃料水蒸汽转化过程所需的水蒸汽的温度为1400-3000K，而反应器入口处的反应物温度为900-1500K。
等离子体催化水蒸汽转化过程的总能量平衡包括反应物汽化(J蒸汽)、反应物加热和化学过程消耗的能量。在反应器出口处的产物组成(反应物转化程度“a”)和产物(富氢气体)消耗的能量“A”首先取决于提供的能量J总＝J等离子体+J热+J蒸汽。下表表示这一关系(提供能J总表示为液体反应物的能量和重量比) J总，KJ(kg) a，％ A，ev/摩尔 12000 96 0.14 9170 77.5 0.19 8000 67 0.19 5170 49 0.28 4290 20 0.31
3.2
在水蒸汽-氧(水蒸汽-空气)转化过程中，对于给定数量的燃料(x)和氧气(y)
正如图15所示，将水蒸汽送入加热器与空气混合，而将燃料送入入口2和3，其比例为0.5-2。加热器出口处的温度为500-600K，在反应器入口处为800-1500K。水蒸汽/空气和水蒸汽/燃料摩尔比分别为0.3-2和3-7。
反应物生成富氢合成气体的转化率取决于提供给体系的能量J总(看3.1)以及取决于空气与燃料的摩尔比“g”。下表列出主要的数量特性：
g，％ J总，千焦/公斤 a，％
25 7300 100
25 3400 65
42 4500 100
42 1500 69
64 1500 100
64 850 95
3.3
在燃料部分氧化过程中，
(l)
正如图16所示，将空气送入加热器，而将燃料送入混合室的第二和第三入口，其比例为0.5-2，在反应器入口处空气/燃料摩尔比“g”为8-12。
在加热器出口处进料燃料部分氧化所需的温度为500-600K，而在反应器入口处的温度为900-1100K。
为了确定过程的工作温度，必须提供1000-1500千焦/公斤的能量J总(见3.1)，使用这一能量，反应物的转化率达100％。
图10-16中的符号
图10设备的结构1-圆形波导管，化学反应器；2-矩形波导管；3-界面小孔；4-反应器反应物入口部件；5-反应器产物出口，波导管活塞；6-引发器棒；7-等离子体催化放电段；8-第一混合室入口；9-第二混合室入口的截面；10-第三混合室入口的截面；11-反应物混合室。
图11圆形和矩形波导管电场分布的配合1-矩形波导管；2-圆形波导管；E-微波电场矢量。
图12电晕引发器棒到波导管的入口1-圆形波导管；2-刚性金属的尖锐棒；3-在棒和放电波导管处的电力线。下面为微波电场波辐的分布。
图13 燃料水蒸汽转化过程流程图1，2，3-反应物到混合室的第一、第二和第三入口。
图14在燃料水蒸汽转化过程中水蒸汽预热流程图
图15燃料水蒸汽-空气转化过程的流程图1，2，3-反应物到混合室的第一、第二和第三入口。
图16燃料部分氧化过程的流程图1，2，3-反应物到混合室的第一、第二和第三入口。
图17设备图1-圆形波导管、等离子体化学反应器，2-微波辐射线进入反应器的矩形波导管，3-界面小孔，4-反应物到反应器的入口部件，5-反应器产物、波导管接头的出口，6-引发器棒，7-等离子体催化放电段，8-第一混合室入口，9-第三混合室入口的截面，11-反应物混合室。
按照条约第19条的修改
1.化石燃料生成富氢气体的等离子体转化器，所述的转化器包括加热器、混合室、反应器，它们串联连接，以及包括用于反应器的MCW能源，它产生脉冲持续时间为0.1-1微秒的脉冲，在微波的厘米或分米范围内(X，S波段)脉冲周期与脉冲持续时间比为100-1000，在常压下在反应器中使用假电晕脉冲定时MCW放电，它由一组插入MCW共振器的金属针尖引发，其中共振器的长度大约为MCW辐射线波长的数倍，金属针尖在共振器中在最大电场区域排列，混合室装有连接到加热器的入口以及在混合室的不同区域供应反应物的第二和第三入口。
2.根据权利要求1的设备，其中为了进行燃料的水蒸汽转化过程，将水蒸汽送入加热器，将燃料送入第二和第三混合室入口，Q1/Q2比为0-1。
3.根据权利要求2的设备，其中加热器构成回收生成的富氢气体的热量以及具有与换热器串联的电弧等离子体管的换热器。
4.根据权利要求2的设备，其中所选的水蒸汽与燃料的摩尔比为6-14。
5.根据权利要求2的设备，其中加热器出口处水蒸汽的温度约为1400-3000K，而反应器中反应物的温度为900-1500K。
6.根据权利要求1的设备，其中为了进行燃料的水蒸汽-空气转化过程，将与空气混合的水蒸汽送入混合室，而燃料送入第二和第三混合室入口，Q2/Q3比为0.5-2。
7.根据权利要求2的设备，其中加热器出口反应物的温度约为500-600K，而在反应器入口处为800-1500K。
8.根据权利要求2的设备，其中在反应器入口处水蒸汽/空气和水蒸汽/燃料摩尔比分别为0.3-2和3-7。
9.根据权利要求2的设备，其中为了进行燃料的部分氧化，将空气在混合室的第一入口处送入，而燃料在混合室的第二和第三入口送入，Q2/Q3比为0.5-2。
10.根据权利要求9的设备，其中在加热器出口处反应物的温度为500-600K，而在反应器入口处为800-1500K。
11.根据权利要求9的设备，其中在反应器入口处空气/燃料摩尔比为8-12。
12.根据权利要求6和9的设备，其中加热器构成有热回收的换热器，它利用反应器中生成的富氢气体的热量。
13.根据权利要求2的设备，其中根据关系式W/Q＝0.2-0.4千瓦·小时/米3选择反应物总流速Q和MCW平均比功率。
14.根据权利要求6和9的设备，其中根据关系式W/Q＝0.05-0.15千瓦·小时/米3选择反应物的总流速Q和W的平均值。