Способ очистки, деструкции и конверсии газа

Изобретение предназначено для очистки газов от твердых, жидких, паро и газообразных неорганических и органических веществ, деструкции, конверсии и относится к газовой, химической отраслям промышленности. В способе очистки, деструкции и конверсии газов осуществляют воздействие высоковольтным импульсно-периодическим кольцевым разрядом на газ, приводящее к образованию низкотемпературной плазмы и УФ-излучения, инициирующих плазмохимические реакции, создание ударной волны, нагревание газа, создание конвекционных потоков и очистку газа от микрочастиц. Обработку газа осуществляют плазменной струей, создаваемой микроволновым излучением, при этом газ последовательно быстро проходит в «горячую» область плазмы, где реализуются плазмохимические реакции, и подается в «холодную» область, обеспечивая закалку продуктов плазмохимических реакций. Изобретение позволяет повысить эффективность воздействия специфических для СВЧ-плазмотрона и высоковольтного импульсно-периодического кольцевого разряда каналов разрушений различного типа загрязнения в газах. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к газовой и химической отраслям промышленности и предназначено для очистки газов от твердых, жидких, паро- и газообразных неорганических и органических веществ, деструкции и конверсии газов.

Существует много методов очистки газов: фильтрационные, абсорбционные, сорбционные, каталитические, термические и др. (Родионов А.И., Клушин В.Н., Торочешников Н.С.Техника защиты окружающей среды. М.: Химия, 1989 г., 512 стр.).

Последнее время большое внимание уделяется разработке электрофизических, электроразрядных методов очистки, деструкции, конверсии газов. Известен способ очистки устройством, содержащим кольцевую многоэлектродную разрядную систему, сообщенную с импульсно-периодическим генератором высоковольтных импульсов. Устройство работает по методу плазмохимического, газодинамического воздействия на газы, основанному на использовании кольцевого, многоэлектродного, высоковольтного импульсно-периодического разряда (Разложение и трансформация фреоновой компоненты газовой смеси высокого давления лазерной искрой и скользящим поверхностным разрядом. (З.Г.Ахвледиани, Э.М.Бархударов, Г.В.Гелашвили и др. // Физика плазмы. 1996, - Т22. - №5 - С.470-477).

Особенностью работы устройства является следующее:

- разрядник работает во всех газовых средах в широком интервале давлений (от 10^-3 Торр до превышающих атмосферное);

- плазма локализована в виде малоразмерных образований с высокой концентрацией электронов (N_e≥10¹⁶ см³) с температурой газа и электронов T_g=(3-5)10³K и Т_е=3-5 эВ соответственно;

- генерация интенсивного надтеплового УФ-излучения (γ≤185 нм);

- образование фотоплазмы вблизи центра кольца (N_e≈10¹¹-10¹² см³);

- генерация сходящихся кумулирующих ударных волн (УВ) при давлениях близких, к атмосферному.

Известны методы плазмохимического воздействия на газы с помощью микроволнового плазмотрона (RU 83682 U1, 27.03.2009; RU 80450 U1, 03.10.2008; RU 8044903 U1, 03.10.2008).

Обработка газа осуществляется плазменной струей (факелом), возбуждаемой выходящим из коаксиала микроволновым излучением. Высокие газовая температура (T_g=(4-5)10^-3 K), концентрация электронов (N_e≈3·10¹⁴-10¹⁶ см^-3) и электронная температура (Т_е=4-5 эВ), а также неравновесность плазмы (Т_е>>T_g) обеспечивают высокую эффективность плазмохимического воздействия на вредные примеси в газах и трансформацию газов.

Известен способ, использующий многоэлектродный разрядник с прокачкой негорючего газа (воздух, азот, аргон и др.) через межэлектродное пространство, с помощью которого реализуется высоковольтный импульсно-периодический разряд в жидкости (воде и ее растворах) с целью воздействия на ее микробиологическую, органическую и химические составляющие (US 6558638 В2, опубл. 07.02.2002).

Помещенное в жидкость устройство конструктивно представляет собой следующее: на внешней поверхности диэлектрической цилиндрической трубки, охватывая ее, располагаются "n" цилиндрических кольцевых электродов (нержавейка, медь, титан и др.) с одинаковым зазором между ними. Торцевая часть электродов является рабочей, внешняя цилиндрическая поверхность электродов покрыта изолятором. В стенках диэлектрической трубки в межэлектродном пространстве имеются несколько небольших ≤1 мм отверстий, через которые из полости трубки в жидкость поступают пузыри газа. Высоковольтное напряжение подается к двум крайним электродам: к одному непосредственно, а ко второму с помощью обратного токопровода, проходящего через полость трубки. Формирующийся в газовых пузырях разряд является источником мощного ультрафиолетового излучения и активных частиц (О₃, Н₂О₂. ОН, О и др.).

Генерируемые в процессе разряда сильные акустические волны, а также ударные волны (УВ), порождаемые в результате схлопывания пузырей, являются дополнительным фактором воздействия на микробную, органическую и химическую составляющую жидкости.

Недостатками известного способа являются:

1) линейная геометрия разрядного устройства исключает возможность фокусировки УФ-излучения и акустических волн, генерируемых разрядом;

2) сложности и неудобства, связанные с размещением в воде разрядника и коммуникационных систем для подачи высоковольтного напряжения и газа к разряднику; при эксплуатации разрядника в потоке разрядная система создает дополнительное сопротивление потоку жидкости;

3) при вертикальном расположении разрядного устройства в потоке жидкости из-за гидростатического давления происходит неравномерное поступление газа через отверстия, расположенные вдоль разрядного устройства, что может влиять на стабильность и однородность разрядных каналов;

4) достаточная сложность конструкции в целом.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности воздействия специфических для СВЧ-плазмотрона и высоковольтного импульсно-периодического кольцевого разряда каналов разрушений различного типа загрязнения в газах, их деструкции и конверсии.

Сущность изобретения заключается в комбинированном использовании двух методов плазмохимического воздействия на газы:

1) многоэлектродный импульсный периодический высоковольтный разряд;

2) микроволновый коаксиальный плазмотрон (микроволновый факел).

Сочетание этих двух методов приводит к синергетическому эффекту, что обеспечивает высокую эффективность воздействия на газы.

Технический результат достигается тем, что в предложенном способе очистки, деструкции, конверсии газов осуществляется плазмохимическое и газодинамическое воздействие на газ, при этом воздействуют высоковольтным импульсно-периодическим кольцевым разрядом, приводящим к образованию низкотемпературной плазмы и УФ-излучения, инициирующих плазмохимические реакции, создание ударной волны, нагрев газа, создание конвекционных потоков и очистку газа от микрочастиц, кроме того, обработку газа осуществляют плазменной струей, создаваемой микроволновым излучением, при этом газ последовательно быстро проходит в «горячую» область плазмы, где реализуются плазмохимические реакции, и подается в «холодную» область, обеспечивая "закалку" продуктов плазмохимических реакций.

Способ очистки, деструкции, конверсии газов, в котором осуществляют комбинированное плазмохимическое и газодинамическое воздействие на газ с помощью высоковольтного кольцевого разряда и микроволновой плазменной струи одновременно в одной области пространства.

Способ очистки, деструкции, конверсии газов, в котором осуществляют плазмохимическое и газодинамическое воздействие на газ с помощью высоковольтного кольцевого разряда и микроволновой плазменной струи последовательно.

На фиг.1 представлено устройство, реализующее предложенный способ.

На фиг.2 - кольцевая разрядная система.

На фиг.3 - плазмотрон.

Низкотемпературная плазма является неравновесной, и плазмохимические реакции и процессы существенно отличаются от реакций традиционной химии.

Неравновесность плазмохимических процессов определяет конечный продукт воздействия. Плазмохимические реакции могут протекать либо в результате сильного нагрева с последующей быстрой закалкой продуктов реакции, либо неравновесным возбуждением колебательных и электронных степеней свободы молекул.

Сущность способа заключается в комбинированном использовании двух различных реализаций плазмохимического и газодинамического воздействия на газы. Способ предполагает использование кольцевого высоковольтного многоэлектродного импульсно-периодического разряда в сочетании с микроволновым коаксиальным плазмотроном, которые отличаются друг от друга пространственными, временными характеристиками плазмы, удельным энерговкладом, степенью и характером неравновесности плазмы. Поэтому воздействие каждого из указанных способов на газ и газовые смеси различно. Одновременное использование этих двух способов существенно повышает эффективность воздействия на газы и газовые смеси.

Предлагаемый способ, в частности, может быть реализован по схеме, представленной на фиг.1. Цилиндрический трубопровод 1 выполнен из двух секций 3 и 8, представляющих собой реакторы. Трубопровод снабжен системой прокачки газа, имеющей канал 4 поступления газа и каналы отбора газа 5 и 11 для анализа и канал 10 для скрубера. В первой секции 3 размещена, по меньшей мере, одна кольцевая многоэлектродная разрядная система 2, сообщенная с импульсно-периодическим генератором 13 высоковольтных импульсов, а во второй секции 8 установлен микроволновой плазмотрон 7, имеющий электрическую систему поджига и сообщенный с магнетроном 12.

Первая секция трубопровода 1 может быть выполнена в виде отдельных участков, изготовленных из диэлектрика, на внутренней поверхности каждого из которых по окружности симметрично относительно оси трубы установлены электроды кольцевой разрядной системы 2 (Фиг.2).

Вторая секция 3 может быть выполнена из диэлектрика или металла.

У стенок диэлектрической цилиндрической трубы 1 или непосредственно на ней на одинаковом расстоянии друг от друга с одинаковым зазором между ними располагаются электроды 15, один из электродов заземлен, а к другому, симметрично расположенному, подается высоковольтный импульс. Остальные электроды заземляются через емкости 16 (Фиг.2), величина которых значительно меньше емкости накопительного конденсатора высоковольтного генератора. После быстрого процесса замыкания разрядных промежутков 14 формируется основной разрядный ток, который протекает в двух противоположных направлениях.

Параметры высоковольтного генератора следующие: число каналов 5, напряжение U≤20 кВ, частота следования импульсов f≤100 Гц, емкость накопительного конденсатора одного канала С=10^-8 Ф, разрядный ток I≤300 A при длительности τ=3-5 мкс, средняя мощность генератора N=1 кВт.

Кольцевой импульсно-периодический разряд функционирует во всех газовых смесях в широком интервале давления от 10^-3 Торр до превышающих атмосферное.

Особый интерес представляет область высоких давлений. В этом случае неравновесная плазма разряда локализована в виде малоразмерных образований с высокой концентрацией электронов N_e≥10¹⁶ cм^-3 и температурой газа и электронов соответственно Т_г=(3-5)10³ К и Т_э=(3-5)10⁴ К. Благодаря этому плазменные образования являются источником мощного УФ-излучения, которое обеспечивает протекание процессов фотоионизации и фотодиссоциации во вне разрядной области, инициируя целый ряд плазмохимических процессов. Сравнительно низкая температура газа во вне разрядной области (T≤10³ К) может обеспечить протекание плазмохимических процессов, связанных с пребыванием молекул в колебательно-возбужденном состоянии. Кольцевая геометрия разрядной системы обеспечивает фокусировку УФ-излучения и образования во вне разрядной области плазмы с концентрацией электронов 10¹²-10¹³ см^-3. Малая длительность импульса тока (2-5 мкс) и большой энерговклад за один импульс (2-20 Дж) обеспечивают генерацию сходящихся тороидальных кумулирующих ударных волн, что приводит к нагреву газа и созданию конвекционных потоков, обеспечивая эффективное перемешивание потоков газа. Кроме того ударная волна способствует очищению газа от содержащихся в нем микрочастиц.

Конструкция плазмотрона, представленная на Фиг.3.

Суть модификации состоит в использовании многоэлектродного кольцевого разрядника для инициирования микроволнового разряда. С этой целью непосредственно около сопла 17 (Фиг.3) внутреннего электрода 15 располагается кольцевая разрядная система 2.

Магнетрон и система его питания широко используются в бытовой технике, (микроволновая печь) частота f=2.45 гГц, средняя мощность N=1 кВт. Однополупериодный выпрямитель переменного напряжения (50 Гц) обеспечивает подачу высоковольтного напряжения на анод магнетрона и генерацию микроволнового излучения в виде последовательности импульсов длительностью τ=8 мс, пауза между импульсами равна 12 мс.

Обработка газа осуществляется плазменной струей (факел), создаваемой микроволновым излучением. Энергия СВЧ-волны чрезвычайно эффективно трансформируется в энергию плазмы. Важную роль в реализации плазмохимических процессов играет пространственная структура факела. У самого сопла плазмотрона образуется ярко светящаяся область (1-1,5 см), окруженная менее яркой областью, размеры которой на порядок выше. Параметры плазмы в первой области N_e≈10¹⁶ см^-3, Т_е≈5 эВ, во второй области N_e≈(1-3)10¹⁴ см^-3, Т_е≈1-1,5 эВ, температура газа в первой и второй областях T₁≈5 кК и Т₂≈2,5 кК соответственно.

Отрыв температуры электронов от температуры газа определяет степень неравновесности, а следовательно, эффективность плазмохимических процессов. Факел работает в стационарном или в квазистационарном режимах. В последнем случае длительность СВЧ-излучения 8 мс с последующей паузой 12 мс. Таким образом, струя газа последовательно быстро проходит в горячую область плазмы и попадает в область холодного газа, окружающего факел, что обеспечивает закалку продуктов реакции.

Спецификой микроволнового факела является следующее.

- Быстрый нагрев газа с последующим быстрым охлаждением (закалка).

- Формирование термонеравновесной плазмы (неравновесное возбуждение колебательных и электронных степеней свободы молекул).

- Основной объем реакционной зоны практически изолирован от стенок камеры, будучи отделенным от них холодной газовой струей.

- Применение плазмотрона позволяет реализовать реакции, неосуществимые или малоэффективные в равновесных условиях.

- Создает большой объем неравновесной плазмой с относительно высокой концентрацией электронов.

Приведенные выше характеристики двух разных способов воздействия на газы указывают на то, что одновременное использование этих методов значительно расширяет каналы воздействия на газы, может обеспечить синергетический эффект. А это повышение эффективности воздействия и возможность получения результатов, которые невозможно получить, используя оба способа в отдельности. Одновременное воздействие этих способов может быть совмещено или разделено в пространстве.

Описанная схема работает следующим образом.

Пять разрядников или часть из них подключаются к импульсно-периодическому генератору высоковольтных импульсов, устанавливаются необходимое напряжение и частота следования импульсов, включается генератор. В межэлектродных промежутках разрядников формируется плазма.

После этого в секцию 3 через канал 4 поступает газ, подлежащий обработке, через канал 6, газ следует во второй реактор, через трубчатый электрод 18 (Фиг.3).

Включается магнетрон, микроволновое излучение в районе сопла формирует микроволновой плазменный факел, далее газ через канал 10 поступает в скруббер, а через канал 11 отбирается для анализа. В случае если формирование плазменного факела затруднено, одновременно с магнетроном на короткое время включается кольцевая разрядная система 2 (Фиг.3). В качестве источника питания разрядника можно использовать отдельный генератор или один из каналов пятиканального генератора. Для длительного одновременного воздействия микроволнового и кольцевого разряда на газ возможно включение разрядной системы 2 (Фиг.3) на продолжительное время. Устройство содержит магнетрон 12, коаксиальный тройник 19, канал 6 подачи газа, внешний электрод 20, центральный внутренний трубчатый электрод 18, микроволновой факел 9, заостренное сопло 17, кольцевую многоэлектродную разрядную систему 2.

Комбинированное использование двух различных плазмохимических методов воздействия на обрабатываемый газ может обеспечить синергетический эффект и тем самым повысить эффективность плазмохимического воздействия на газы.

Параметры источников питания кольцевого разрядника и плазмотрона могут меняться в зависимости от реализации конкретной задачи.

Устройство может быть использовано для очистки газов от различного типа загрязнений, обезвреживания газов методом деструкции, конверсии, трансформации газов, а также при решении целого ряда отраслевых технологических задач.

1. Способ очистки, деструкции и конверсии газов, характеризующийся тем, что осуществляют плазмохимическое и газодинамическое воздействие на газ, при этом воздействуют высоковольтным импульсно-периодическим кольцевым разрядом, приводящим к образованию низкотемпературной плазмы и УФ излучения, инициирующих плазмохимические реакции, создание ударной волны, нагревание газа, создание конвекционных потоков, и очистку газа от микрочастиц, кроме того, обработку газа осуществляют плазменной струей, создаваемой микроволновым излучением, при этом газ последовательно быстро проходит в «горячую» область плазмы, где реализуются плазмохимические реакции, и попадает в «холодную» область, обеспечивая закалку продуктов плазмохимических реакций.

2. Способ очистки, деструкции и конверсии газов по п.1, характеризующийся тем, что осуществляют плазмохимическое и газодинамическое воздействие на газ с помощью высоковольтного кольцевого разряда и микроволновой плазменной струи одновременно в одной области пространства.

3. Способ очистки, деструкции и конверсии газов по п.1, характеризующийся тем, что осуществляют плазмохимическое и газодинамическое воздействие на газ с помощью высоковольтного кольцевого разряда и микроволновой плазменной струи последовательно.