专利名称：用来把在内燃机或燃气轮机中可用的燃料等离子体催化转换成一种合成气体的方法和等 ...的制作方法
技术领域：
本发明涉及用来在空气或氧气和在某些情况下水存在的情况下，使用超高频(SHF)等离子体，把例如液烃，或在内燃机或燃气轮机中可以使用的其它燃料，转换成主要包含氢和CO的一种合成气体的设备。
本发明能用在石油化学工业、化学工业、机动设备(装有内燃机、燃料电池或燃气轮机的运输装置)中，以及用在用于能用作上述设备的一种燃料的合成气体的大规模生产的固定系统(借助于发电机、燃料电池或燃气轮机发电)中。在运输装置上等离子体转换器与适于使用合成气体混合物的内燃机的组合使用，允许减小当采用石油加工燃料时由所述发动机排放的污染物，而同时提高发动机的效率(在10与15％之间)并且显著提高发动机的性能而没有其构造等的基本变化。
背景技术：
1.-已知一种用于烃的转换的设备，这种设备包括一个反应器，其中发生一种微波放电，启动转换过程；和一个催化块，在试剂供给管线中放置在反应器之后，加速过程的反应-美国专利USNo.5015 349，C109 15/00，出版于89年12月21日。
在这种方案中，放电的作用限于向系统提供等离子体成分的一种特征能量形式的一定附加能量，这激励在化学反应器或直接在传统催化剂中的化学过程。
2.-已知对于通过微波脉冲放电的以前加热试剂(包括烃)，用来处理化学等离子体的方法和设备。该设备包含用于试剂的前燃烧室，试剂部分到达在其进口处；试剂混合室；脉冲微波发生器，具有某些辐射时间特性；及放电室，其本身代表具有一定波长的短路波导管，在其内脉冲微波放电作用在试剂上-专利WO 9828223，CO1B3/34，出版于98年2月7日。
已知的设备具有用于等离子过程的不足能量效率。该设备是一种化学等离子体反应器，在其构造中，具有给定时间参数(2-4微秒的脉冲长度和在10量级上的放电通道效率)以相当高的温度形成放电火花。放电功率对于前加热功率的定量很高。放电室是一个带有一个短路系统的波导管，其中大参数的电场调节较困难。
发明内容
本发明的技术参数在于通过使用本发明的设备用来在空气或氧气和在某些情况下水存在的情况下用来把诸如发动机燃料之类的液烃转换成一种合成气体(蒸气-空气或空气转换)的过程的加速度、和该过程的一个增大能量效率，其中等离子体形成-通过脉冲周期性的、半连续的、伪电晕(光柱(streamer))微波放电-起用作用于发动机燃料的等离子体催化转换过程的催化剂的作用。
本发明的技术结果出现，因为在发动机燃料(EF)的等离子体催化转换过程中，对于是EF成分的部分的蒸气-烃-空气，转换反应发生。预热空气，在燃烧室中点燃EF的部分，及把剩余部分与燃烧产物和蒸气、或者只与燃烧产物混合，把这些试剂送到等离子体催化反应器，其中它们接收脉冲微波放电，以一定时间和能量参数启动伪电晕光柱脉冲放电微波，从而等离子体的形成起一种催化剂的作用，加速EF转换过程。使用伪电晕光柱脉冲放电微波的等离子体催化转换过程在大气压力下发生。安装在等离子体催化反应器中的是亚分裂强度级的脉冲微波电场，使光柱型伪电晕微波放电在电晕元件的末端处开始。在所述末端处和在光柱头部处，微波电场的强度高于10Kv/cm，形成在小于1微秒内传播远到反应器壁的微波光柱，同时在空间中分支并且填充等离子体催化反应器部分。微波辐射脉冲序列在具有如下参数的超高频辐射(SHF)的一厘米或分米带(X、S带)中0.1-1微秒的脉冲持续时间；100-1000的放电通道效率；确定脉冲功率级，从而它与在等离子体催化反应器中和在微波光柱的头部处的微波电场的强度，高于100kv/cm，相对应，并且试剂之和的消耗Q和微波功率的平均值W，在包围用于等离子体能量组成比(specificplasma energy contribution)，W/Q，等效于0.05-0.2kW小时/nm3，的值的带的情况下选择，并且用于等离子体能量组成的值在用于过程的工作温度下不大于试剂能量成分的5-10％。对于EF的蒸气-空气等离子体催化转换，在等离子体催化反应器的进口处的试剂温度在范围800-1500k内。
在燃烧室中点燃的EF和未点燃燃料的比值在从0.5至2的范围内。
在等离子体催化反应器的进口处H2O(空气和H2O)、EF的摩尔比率(分子/克)分别位于范围0.06-2.5和1-6内。对于在EF的空气中的等离子体催化转换，在等离子体催化反应器进口处的试剂温度在范围600-1100k内。点燃与未点燃EF的比值在0.4与2之间。在等离子体催化反应器的进口处的摩尔比率空气/EF是16-20。EF到合成气体的等离子体催化转换器包括一个空气加热器、一个燃烧室、及连接到脉冲(或半连续的)微波辐射源上的一个等离子体发生器。
等离子体发生器设计为一种包括一个圆柱形微波发生器的等离子体催化化学反应器，该圆柱形微波发生器具有以持续时间0.1-1微秒的脉冲和100-10的放电通道效率工作在大气压力下具有在厘米或分米波长带(带X、S)中的微波的脉冲周期性(或半连续的)伪电晕光柱放电的波型H11。
燃烧室沿气体流动管线放置在空气加热器与等离子体催化化学反应器-谐振器之间，并且由用于点燃EF和剩余物的独立引入的两个分离喷嘴供料，在燃烧室的各种区域中与蒸气形成一种混合物。
用来把微波辐射从发生器引入到微波谐振器的系统是穿过谐振器的侧壁的一个矩形波导管。用于从发生器到微波谐振器的微波辐射的进口系统是沿谐振器的轴线的一个矩形波导管。定位在波导管与圆柱形谐振器之间的是在谐振器中的H11波型激励系统，带有谐振器到波导管的连通元件。
用来引入试剂的喷嘴又是微波谐振器的端反射器之一，并且用于过程产物的出口系统又是第二端反射器。试剂进口喷嘴或用于过程产物的出口系统又是微波谐振器的端反射器之一，并且在圆柱形谐振器的H11波型激励节点是第二端反射器。
把波导管的纵向轴线放置在具有H11波型的圆柱形波导管中离端反射器之一几个半波长的距离处。考虑到在H11波型的谐振器中的激励计算谐振器直径，并且谐振器长度在具有H11波型的圆柱形波导管中是整数个半波长。谐振器与波导管经连通元件的连通系数，在它对于等离子体催化反应器-谐振器的给定直径保证微波电场的亚分裂强度的条件下确定。启动等离子体催化放电的尖锐金属杆组安装在微波谐振器中电场最大强度的区域中。在每根杆的末端处和在微波光柱的头部处得到大于100kv/cm的微波电场强度的条件下，选择在圆柱形谐振器的半径中每根杆的末端的位置。燃烧室具有沿气体流动管线放置和用一个回收热敏开关独立连接到进口喷嘴上的两个同心超声波喷嘴的形式。
通过附图解释本发明，其中图1表示EF到合成气体的等离子体催化转换器的结构设计，图2描述用于在蒸气-空气转换状况下操作的等离子体催化转换器的执行方案，图3表示用于在空气转换状况下操作的等离子体催化转换器的执行方案，图4描述在微波谐振器中尖锐金属杆的位置，及图5表示等离子体伪电晕光柱脉冲放电微波的特性结构。
等离子体转换器(见图1)包括燃烧室(1)，燃烧室(1)经用于进入反应器的试剂进口的喷嘴(2)与等离子体催化反应器连接，等离子体催化反应器以具有超高频的一个圆柱形谐振器(3)制成，圆柱形谐振器(3)在试剂进口侧借助于喷嘴(2)而在相对侧借助于用于过程产物的出口系统(4)限制，出口系统(4)处于带有孔口的一个端盖的形式(见图1)，或者处于沿气体的运动变窄的一个喷嘴的形式，该等离子体转换器带有超高频功率输入系统(5)和用于带有连通元件(6)的圆柱形谐振器(3)的激励系统。
放电通过引入在一个波导管中、带有由具有高熔点的金属制成的尖锐杆(7)的电晕元件系统开始，在尖锐杆(7)附近形成光柱伪电晕微波放电，形成等离子体催化反应器的活性区(8)。
燃烧室装有沿试剂流动依次放置的端喷嘴(9)和两个横向喷嘴(10)和(11)。燃烧室(1)以沿气体流动管线依次安装的两个同心超声波喷嘴系统的形式制成，并且与用于试剂进口的喷嘴(10)和(11)分离地连接。
带有连通孔口(6)的超高频进口节点(5)连接到超高频发生器(12)上(见图2和3)，并且燃烧室(1)的端喷嘴(9)连接到加热器(14)的出口喷嘴(13)上。
具体实施例方式
本发明的本质在于电气放电区域与化学催化过程区域的相容性，导致起一种催化剂的等离子体的形成，同时能够形成具有上述特定时间和电动力学特性的一种特殊类型的微波放电。
用来把EF转换成合成气体的等离子体催化过程在大气压力下在微波的伪电晕光柱脉冲周期性(或半连续的)放电中发生。
用来得到放电的必需条件是激励放电的短超高频脉冲持续时间(0.1-1微秒)、放电通道的高效率(100-1000)、在微波谐振器中的亚分裂调节电场、在电晕元件的末端处和在分支微波光柱之间的空间中传播的头部处高于100kv/cm的一个电场。参数的这种组合能够实现上述的放电过程，如由借助于用来实现液体燃料到合成气体的转换过程的等离子体催化性能的这样一种构造进行的试验表明的那样。
在大气压力下的脉冲周期性伪电晕光柱微波放电的特征在于一个低试剂温度、在光柱头部处的一个高电场、及结果是等离子体电子的一个高平均能量、一个高不平衡重量、在等离子体中的活性粒子，负离子、clasterel原子团，的高浓度及结果是在等离子体中化学活性粒子产生的高能量效率；电能的高效使用。在这样一种放电中和在选择的状况(脉冲长度、排出重量的效率、谐振器经连通孔口与波导管的连通系数、在谐振器中亚分裂电场的数值、在电晕元件末端处和在光柱头部处电场的足够大值、能量组成比、在反应器进口处的温度)下，过程的等离子体催化机理在非常低的温度下发生。
EF到合成气体的转换过程发生在等离子体催化反应器(3)中(图1)，等离子体催化反应器(3)包括带有连通元件的微波谐振器，并且其中在加热器(14)(图2、3)中预热的试剂在等离子体催化反应器的活性区域(8)中通过脉冲周期性伪电晕光柱微波放电经受处理。
选择谐振器经连通孔口(6)与波导管的连通系数，以提供在谐振器(对于谐振器的给定直径D)中的一个亚分裂场和辐射脉冲的功率。
伪电晕光柱微波放电由电晕元件(图1)-尖锐金属杆启动。杆末端增大在其周围的微波电场的数值，并因而产生伪电晕放电阶段。杆与在波导管中的场力线对准(图4)。
在如下条件下选择每根杆(7)的末端的位置(图4)a)在杆末端处得到一个足够高的电场(高得足以允许分支微波光柱传播得快得足以在脉冲时间内到达谐振器壁)；和b)沿电晕元件组沿等离子体催化反应器的轴线创建用来启动放电的各向同性条件。
伪电晕放电阶段的光柱把微波场转换成一个等离子体通道系统，并且以光柱的形式传播(图5)，分支和填充反应器的横截面，并且形成脉冲微波放电(8)(图1)。伪电晕放电阶段的功能在于产生在大气压力下具有高平均能量电子的等离子体。微波光柱阶段的功能在于创建贯穿用于试剂的等离子体催化处理的空间延伸的等离子体形成。
图5表示在其下发生流体EF到合成气体的等离子体催化转换过程的光柱微波放电的外部特性。以这种方式，得到在微波光柱传播头部处具有足够高微波场强度(高于100kv/cm)的一种分支放电结构。所述结构与微波光柱头部的高传播速度一起，保证在微波辐射的脉冲时间内液烃燃料的等离子体身体转换过程中初始试剂的均匀转换。
按如下得到例如在运输设备中把合成气体用作用于内燃机的一种燃料的EF到合成气体的等离子体转换模式、和用来实现它的设备把预热空气从加热器(14)送到燃烧室(1)。把EF的点燃部分送到喷嘴(10)而把EF的其余部分送到喷嘴(11)(图3)，以进行蒸气-空气转换过程(图3)。把剩余EF与蒸气混合。
在燃烧室(1)的构造中，把喷嘴(10)和(11)连接到两个同心超声波喷嘴系统上。在设备中使用这些喷嘴在10-3-10-5秒的量级中把试剂混合物带到分子级。在两个喷嘴系统之间的空间中，燃料的一部分由在空气中的氧气氧化，并且在这种氧化过程中释放的能量进一步加热试剂。加热和混合的试剂进入等离子体催化反应器(3)的进口喷嘴(2)。
发生器的微波能量(穿过进口系统(5)和连通元件(6)的12)在超高频下引入在谐振器中，该谐振器又是等离子体催化反应器的部分，其中沿谐振器的轴线激励和传播H11波型。在反应器中用于试剂进口的喷嘴(2)包括向燃烧室变窄的一根管，具有这样选择的直径d，从而它是在谐振器中的激励波(H11波型)的外极限，就是说，微波辐射在其处反射。过程的产物穿过出口系统(4)离开反应器，出口系统(4)处于带有孔口的端盖或沿气体的运动变窄的一个喷嘴的形式。除过程产物的出口之外，盖或喷嘴的功能在于把微波辐射反射回谐振器。在两种情况下，反应器都是用于微波辐射的一个谐振器。选择谐振器的长度(在图1中的L)，从而它是在波导管中的半波长的整数倍n。在纵向(在图1中的L2)，杆在没有放电的谐振器中布置在驻波的最大处。
微波辐射源在脉冲周期性(或半连续的)状况下操作。由建立在特定条件下的两个放电阶段(伪电晕和光柱)需要的时间，确定辐射脉冲持续时间t1。从如下值的最优组合选择辐射脉冲重复周期t2a)在超高频辐射脉冲停止之后在无源放电阶段中由等离子体产生的活性粒子的寿命；b)当试剂穿过放电区域时试剂的线速度；及c)供给到放电的功率Jpoasma＝W/l其中Jpoasma是等离子体功率组成，W＝Wpulse*t1/t2＝微波辐射的平均功率，Wpulse＝脉冲功率；l＝试剂的体积消耗。
微波辐射脉冲功率Wpulse确定供给的等离子体能量Jpoasma。供给的等离子体能量与供给的加热能量的比值较小-JpoasmaJheat在5-10％的量级上。另外，脉冲功率取决于在没有等离子体的圆波导管中的电场的数值，它必须具有一个预定值并且同时高得足以在电晕元件处启动伪电晕放电阶段。
EF到合成气体的等离子体催化转换能在用于EF到合成气体的转换的蒸气-空气转换或空气过程中操作。
对于燃料(x)和氧气(y)的给定量EF到合成气体的蒸气-空气转换状况(图2)
把空气送到加热器(14)，把发动机燃料以0.5到2的比率送到燃烧室的横向喷嘴(10)和(11)。把与EF的剩余部分混合的蒸气送到喷嘴(11)的进口。EF和水能送到燃烧室作为水蒸气或作为液体。在加热器出口处的温度是500-600K，在反应器进口处在混合蒸气-空气混合物和燃料之后，温度是800-1500K。在反应结束处的温度是500-800K。蒸气/空气和蒸气/燃料的摩尔比率分别在0.06-2.5和1-6之间变化。
试剂到合成气体的转化规模《a》取决于到系统的能量组成Jsum，以及取决于与燃料量有关的空气的摩尔部分“g”。过程的主要定量性质表示在如下表中
EF到合成气体的空气转换(图2)
把空气送到加热器，而把EF按0.5到2的比率送到燃烧室的进口(10)和(11)。把EF能送到燃烧室作为一种水蒸气或一种液体。在反应器进口处空气/发动机燃料的摩尔比率是16-20。在加热器出口处实现EF转换过程需要的空气温度是700-1,200K，而在把空气与燃料混合之后在反应器进口处的温度是600-1,100K。为了保证过程的工作温度，能量组成必须在500-1,000KJ/kg之间(没有热量回收)。试剂转化规模达到100％。在反应器出口处合成气体的温度在1,300-1,900K之间。
权利要求
1.用于发动机燃料(MF)到合成气体的转换的方法，其中使用微波脉冲放电，组成发动机燃料的成分的烃的蒸气-空气转换反应发生；其中预热空气，在燃烧室中燃烧发动机燃料的一部分，并且把其余部分与燃料产物和水蒸气混合，或者只与燃烧产物混合；其特征在于，把试剂送到等离子体催化反应器，其中以给定的时间和能量参数开始光柱伪电晕微波周期性脉冲放电，其中等离子体形成起加速发动机燃料转换过程的一种催化剂的作用。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过在大气压力下的脉冲周期性伪电晕光柱微波放电(或半连续放电)实现等离子体催化转换过程。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在等离子体催化反应器中，获得脉冲微波电场的亚分裂强度，使光柱伪电晕微波放电在电晕元件的末端处开始，并且因为如上，在这些末端处和在微波光柱的头部处，由微波光柱形成建立微波电场强度大于100kv/cm的微波，微波光柱在小于1微秒内传播到反应器壁，同时在空间中分支并且填充等离子体催化化学反应器横截面。
4.根据权利要求1-3所述的方法，其特征在于，微波辐射脉冲序列在具有如下参数的超高频的一厘米或分米带(X、S带)中0.1-1微秒的脉冲持续时间；100-1000的放电通道效率；由在等离子体催化反应器处和在微波光柱的头部处的微波电场的强度高于100kv/cm的条件确定脉冲功率值，并且在这样的条件下建立试剂之和的消耗Q和微波功率的平均值W它们与0.05-0.2kvt小时/nm3的等离子体能量组成比Q/W的值的范围相对应，使等离子体能量组成在用于过程的工作温度下不超过试剂能量成分的5-10％。
5.根据权利要求1-4所述的方法，其特征在于，为了实现蒸气-空气-EF等离子体催化转换，在等离子体催化反应器进口处试剂的温度在800-1500k内。
6.根据权利要求1-5所述的方法，其特征在于，在燃烧室中点燃的EF和未点燃EF的比值在从0.5至2的范围内。
7.根据权利要求1-6所述的方法，其特征在于，在等离子体催化反应器的进口处摩尔比率H2O/空气、H2O/EF分别在0.06-2.5和1-6内。
8.根据权利要求1-4所述的方法，其特征在于，为了实现空气EF等离子体催化转换过程，在等离子体催化反应器进口处的试剂温度在600-1100k内。
9.根据权利要求1-4、8所述的方法，其特征在于，点燃EF与未点燃EF的比值在0.5到2的范围内。
10.根据权利要求1-4、8、9所述的方法，其特征在于，在等离子体催化反应器的进口处空气与EF的摩尔比率在16-20内。
11.EF到合成气体的等离子体催化转换器，包括一个空气加热器、一个燃烧室、及连接到微波辐射源上的一个等离子体发生器，其特征在于，等离子体发生器具有包含用于H11的一个圆柱形微波谐振器的等离子体催化化学反应器的形式，脉冲周期性伪电晕光柱放电在大气压力下在厘米或分米波长(X、S带)中，脉冲持续时间为0.1-1微秒，及放电通道效率为100-10，并且燃烧室沿气体流动管线安装在空气加热器与等离子体催化反应器-谐振器之间，并且等离子体发生器在燃烧室的不同区域处装有两个分离喷嘴，用于在具有蒸气的混合物中EF的点燃部分和未点燃部分的独立进口。
12.根据权利要求11所述的等离子体催化转换器，其特征在于，用来把微波辐射从发生器引入到微波谐振器的系统是穿过谐振器的侧壁的一个矩形波导管的形式。
13.根据权利要求11所述的等离子体催化转换器，其特征在于，用来把微波辐射从发生器引入到微波谐振器的系统是沿谐振器的轴线的一个矩形波导管的形式。
14.根据权利要求11-13所述的等离子体催化转换器，其特征在于，借助于谐振器到波导管的连通元件在矩形波导管与圆柱形谐振器之间放置谐振器中用于H11波型的激励系统。
15.根据权利要求11、12所述的等离子体催化转换器，其特征在于，试剂进口喷嘴又是微波谐振器的端反射器之一，并且用于过程产物的出口系统是第二端反射器。
16.根据权利要求11、13所述的等离子体催化转换器，其特征在于，试剂进口喷嘴或用于过程产物的出口系统也是微波谐振器的端反射器之一，并且第二端反射器是在圆柱形中的H11波型的激励系统。
17.根据权利要求11、12所述的等离子体催化转换器，其特征在于，矩形波导管的纵向轴线在一个距离L1处，该距离是在圆柱形谐振器中辐射的几个半波长，并且借助于激励H11波型的条件选择，而谐振器长度L是在具有H11波型的圆柱形波导管中的辐射半波长的整数倍。
18.根据权利要求11、14所述的等离子体催化转换器，其特征在于，确定谐振器经连通元件到波导管的连通系数，条件是对于等离子体催化反应器-谐振器的给定直径保证微波电场强度的亚分裂级。
19.根据权利要求11、18所述的等离子体催化转换器，其特征在于，形成启动放电的电晕元件的尖锐金属杆组安装在微波谐振器中最大电场强度的区域L2中。
20.根据权利要求11、19所述的等离子体催化转换器，其特征在于，选择在圆柱形谐振器的半径中每根杆的末端的位置(14)，条件是在每根杆的末端处和在微波光柱的头部处得到大于100kv/cm的微波电场强度。
21.根据权利要求11所述的等离子体催化转换器，其特征在于，燃烧室以沿气体流动管线依次安装和独立连接到试剂进口喷嘴上的两个同心超声波喷嘴系统的形式制成。
22.根据权利要求11所述的等离子体催化转换器，其特征在于，加热器是恢复热敏开关的形式。
全文摘要
本发明涉及用来通过采用脉冲周期性伪电晕光柱微波放电(或半连续的微波放电)在空气，和在某些情况下水，存在的情况下把诸如发动机燃料之类的液烃，离子体催化转换成一种合成气体的方法和设备。用于EF到合成气体的等离子体催化转换的方法能包括蒸气－空气－燃料和空气－燃料到合成气体的转换过程。该设备包括依次连接的加热器(14)、燃烧室(1)、微波等离子体催化反应器－谐振器(3)(图1)及超高频发生器(12)。反应器使用超高频的脉冲周期性伪电晕光柱放电，这保证用于发动机燃料转换的等离子体催化过程在低温下；通过试剂的预加热得到需要的大部分热力能量，使在反应器的合成气体出口处回收部分热量。
文档编号F02M27/04GK1516994SQ01823350
公开日2004年7月28日 申请日期2001年4月27日 优先权日2001年4月27日
发明者里卡多·布拉奇维佐索, 里卡多 布拉奇维佐索, -瓦塞里维奇 波塔普金, 鲍里斯－瓦塞里维奇·波塔普金, -康斯坦丁诺维 日沃托夫, 维克托－康斯坦丁诺维·日沃托夫, 弗拉迪米尔－迪米特里耶维奇·鲁萨诺夫, 米尔-迪米特里耶维奇 鲁萨诺夫, 亚历山大－伊万诺维奇·巴巴里斯特基, 大-伊万诺维奇 巴巴里斯特基, -亚力山大诺维奇 德明斯基, 马西姆－亚力山大诺维奇·德明斯基, 尔-费多罗维奇 克罗托夫, 米哈伊尔－费多罗维奇·克罗托夫, 弗拉迪米尔·N·法特伊夫, 米尔 N 法特伊夫 申请人:戴维系统技术公司