Эффективность использования неравновесной СВЧ-плазмы в водородной энергетике

В последнее время интенсивное развитие получила водородная энергетика. Эффективность использования энергии внешнего источника для получения водорода в различных технологических процессах определяет, насколько перспективно это развитие. Для этих целей особый интерес представляет использование неравновесной плазмы, то есть плазмы, в которой энергия электрического поля, передаваемая сначала электронам слабоионизованной плазмы, затем передается нейтральным частицам, стимулирующим определенные атомно-молекулярные превращения, что ведет к резкому возрастанию скорости некоторых химических реакций.

Долгое время неравновесные плазмохимические процессы исследовались в тлеющих разрядах при пониженном давлении. На их основании были получены значительные результаты при обработке низкотемпературной плазмой разных поверхностей. Сейчас же неравновесные химические процессы анализируются как в несамостоятельных разрядах, поддерживаемых ультрафиолетовым излучением, так и пучком релятивистских электронов или в высокочастотных и сверхвысокочастотных разрядах.

Факторы эффективности химических реакций

Алгоритмы, по которым в неравновесных условиях проходят химические реакции, представлены большим разнообразием. При разной степени ионизации, электронной температуре, давлении и удельной энергонапряженности разряда один и тот же процесс может существенно различаться по своей эффективности. Проведенные исследования открыли важную роль колебательного возбуждения молекул электронным ударом большинства электроотрицательных молекул, так как вода, углекислота, азот, что достаточно сильно увеличивает скорость колебательного возбуждения таких молекул. Основной энерговклад сосредотачивается именно в колебательных степенях свободы, что позволяет получить высокую  энергетическую эффективность и селективность данных процессов.

Если рассматривать наиболее благоприятные условия, в колебательных степенях свободы концентрируется до 80% всей вложенной в разряд энергии. Никакие другие каналы плазмохимических реакций не могут дать такую эффективность.

Преимущества неравновесной СВЧ-плазмы при получении водорода

Важно отметить, что в плазмохимических реакциях можно использовать и квазиравновесную плазму, получаемую с помощью мощных дуговых плазмотронов. Использование квазиравновесной плазмы позволяет успешно решать такие важные научные и практические задачи, как получение ацетилена из метана, конверсия угля, синтез тугоплавких соединений и многие другие. Стоит обратить внимание на то, что присущая квазиравновесной плазме равномерность вклада энергии во все степени свободы не позволяет на этом основании получить высокую энергетическую эффективность при проведении селективных химических реакции.

Преимущества неравновесной СВЧ-плазмы при получении водорода для водородной энергетики заключаются в следующем. Неравновесным плазмохимическим системам свойственно определять большую удельную производительность, низкую металлоемкость и малые весогабаритные характеристики реакторов. Исследований таких реакторов было проведено немного: еще недавно они были связаны с разложением углеводородов в тлеющем разряде и имели довольно низкую эффективность. Но в последнее время эксперименты по прямому разложению воды в СВЧ-разрядах показали достаточно высокую эффективность.

Получение водорода в СВЧ плазме

Прямое разложение водяного пара и получение водорода в плазме может осуществляться по разным алгоритмам. Но наиболее высокий  КПД разложения вероятен в системах, в которых температура электронов недостаточна для интенсивного возбуждения электронным состоянием и бОльшая часть вкладываемой в разряд энергии уходит на возбуждение колебательных степеней свободы, а также на диссоциативное прилипание электронов к молекулам воды.

Расчеты показывают, что разложение в основном определяется колебательным возбуждением или диссоциативным прилипанием, возникающем при более высоких температурах. При этом получение водорода при разложении паров воды в плазме может осуществляться с КПД 50 – 70%. Но достижение такой высокой эффективности возможно только при удовлетворении достаточно жестких требований к разряду.

Основное ограничение при разложении воды через колебательно-возбужденное состояние реагентов или диссоциативное прилипание заключается в необходимости обеспечения достаточной высокой степени ионизации. Это затрудняет проведение экспериментов с высокоэффективным разложением. В тлеющем разряде максимальный КПД составляет 12%.

Чтобы достичь необходимую степень ионизации при умеренном и повышенном давлении, теоретически, можно применить несамостоятельные объемные разряды, которые будут поддерживаться сильноточными релятивистскими электронными пучками, или плазменный радиолиз осколками ядерного деления. На данный момент максимальная энергоэффективность плазмохимического разложения воды достигает 40% в неравновесном СВЧ-разряде.

Зависимость эффективности процесса от степени ионизации

В равновесной плазме при однотемпературном расчете КПД ниже, чем при двухтемпературном. Также КПД имеет прямую зависимость от степени ионизации. Расчеты показывают, что максимальная эффективность около 80% может быть получена в СВЧ-разряде.

Эксперименты по разложению углекислого газа показали, что наиболее высокая эффективность примерно в 80% достигается в неравновесном СВЧ-разряде при умеренном давлении. Если же использовать для этого процесса несамостоятельный разряд, поддерживаемый сильноточным пучком релятивистских электронов, реакция может протекать и при повышенном давлении, но значение КПД не превысит 14%.

Опытные изыскания, проведенные к настоящему времени, показали, что для повышения эффективности процесса получения водорода более перспективны плазмохимические процессы, протекающие селективно через колебательно-возбужденное состояние молекул, а наилучшие результаты могут быть достигнуты при использовании неравновесной СВЧ-плазмы.

Разрушение газообразных остатков при переработке нефти и попутных газов

Эту же технологию можно применять для разрушения газообразных остатков при переработке нефти и попутных газов. Технология позволяет разложить сероводород, примеси попутного газа и остатки нефтепереработки на серу и водород.

Обычно применяемая технология переработки позволяет получить после очистки сероводорода от примесей только серу. Новая технология позволяет получать еще и водород, применяемый, например, в качестве топлива. Это позволит значительно снизить стоимость тонны серы и вырабатывать большое количество энергоносителя.

Использование СВЧ-разрядов для стимулирования различных химических процессов может быть весьма полезным с разных точек зрения. При применении равновесного разряда его энергия может быть использована для эффективного нагрева плазмы, ускоряя химическую реакцию посредством высокой температуры реагентов, а при неравновесном разряде может использоваться более селективно. В любом случае, существенная часть дорогостоящей энергии электромагнитного поля переходит в низкопотенциальное тепло.

СВЧ разряд как катализатор химических процессов

Одним из способов снизить эти потери электроэнергии является применение электрического разряда малой мощности на предварительно нагретые обычным способом  реагенты. При этом температура реагентов позволяет провести химических процесс, но кинетические ограничения сильно тормозят скорость реакции. СВЧ-разряд в данном случае выступает в качестве катализатора эндоэнергетического химического процесса, тогда как энергии для его проведения поступает из теплового резервуара.

Исследование процесса термического разложения метана на водород и углерод показало, что под воздействием плазмы микроволнового импульсно-периодического псевдокоронного разряда атмосферного давления на предварительно нагретый метан реакция происходит быстрее.

При этом электрическая мощность разряда составляла не более 15% от тепловой мощности предварительного нагрева метана. Ускорение обусловлено тем, что в разряде происходит генерация химически активных частиц. Температура электронов в разрядке, по крайней мере на начальном этапе, достаточна для обеспечения необходимой скорости наработки таких частиц.

Наши контакты

Раб. тел/факс: (812) 493-20-71
Электронная почта: info@vritm.ru
Открыть контакты и реквизиты компании