Электротехнология получения синтез-газа с использованием объёмных высоковольтных импульсных разрядов: коронного и барьерного
В заводских условиях проведена апробация созданного высоковольтного комплекса (установки), состоящего из двух
 генераторов импульсов с частотой следования до 50000 имп/с и нагрузки в виде реакторов с импульсными разрядами –
 коронным и барьерным. В качестве коммутаторов энергии испол...
Saved in:
| Published in: | Електротехніка і електромеханіка |
|---|---|
| Date: | 2014 |
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
2014
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/148706 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Электротехнология получения синтез-газа с использованием объёмных высоковольтных импульсных разрядов: коронного и барьерного / Н.И. Бойко, Л.С. Евдошенко, В.М. Иванов, С.Ф. Коняга // Електротехніка і електромеханіка. — 2014. — № 4. — С. 44–49. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860133037940932608 |
|---|---|
| author | Бойко, Н.И. Евдошенко, Л.С. Иванов, В.М. Коняга, С.Ф. |
| author_facet | Бойко, Н.И. Евдошенко, Л.С. Иванов, В.М. Коняга, С.Ф. |
| citation_txt | Электротехнология получения синтез-газа с использованием объёмных высоковольтных импульсных разрядов: коронного и барьерного / Н.И. Бойко, Л.С. Евдошенко, В.М. Иванов, С.Ф. Коняга // Електротехніка і електромеханіка. — 2014. — № 4. — С. 44–49. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Електротехніка і електромеханіка |
| description | В заводских условиях проведена апробация созданного высоковольтного комплекса (установки), состоящего из двух
генераторов импульсов с частотой следования до 50000 имп/с и нагрузки в виде реакторов с импульсными разрядами –
коронным и барьерным. В качестве коммутаторов энергии использованы транзисторные (IGBT) ключи. Получен рациональный режим конверсии (парового риформинга) метана в составе коксового газа в синтез-газ при помощи созданной установки. Для уменьшения удельных энергозатрат на получение синтез-газа при конверсии использовано
однонаправленное действие импульсных разрядов, температуры парогазовой смеси и никелевого катализатора. Описан возможный механизм такой конверсии.
В заводських умовах проведено апробацію створеного високовольтного комплексу (установки), який складається з двох
генераторів імпульсів з частотою проходження імпульсів до 50000 імп/с і навантаження у вигляді реакторів з імпульсними розрядами – коронним і бар’єрним. У якості комутаторів енергії використано транзисторні (IGBT) ключі. Отримано раціональний режим конверсії (парового риформінгу) метану у складі коксового газу в синтез-газ за допомогою
створеної установки. Для зменшення питомих енерговитрат на одержання синтез-газу при конверсії використано
односпрямовану дію імпульсних розрядів, температури парогазової суміші і нікелевого каталізатора. Описано можливий механізм такої конверсії.
Factory testing of a created high-voltage complex (plant) has
been conducted. The complex consists of two pulse generators
with the repetition rate of up to 50,000 pulses per second and
load reactors with pulsed discharges – corona and barrier ones.
Transistor (IGBT) keys are used as energy switches. The efficient mode of coke gas methane conversion (steam reforming)
to syngas has been obtained with application of the complex
created. A unidirectional action of the pulsed discharges, the gas
mixture temperature, and a nickel catalyst has reduced the specific energy consumption for synthesis gas regeneration during
the conversion. A feasible mechanism of this conversion is
described.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:45:56Z |
| format | Article |
| fulltext |
44 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2014. №4
© Н.И. Бойко, Л.С. Евдошенко, В.М. Иванов, С.Ф. Коняга
УДК 621.3.002.5
Н.И. Бойко, Л.С. Евдошенко, В.М. Иванов, С.Ф. Коняга
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕЗ-ГАЗА
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОБЪЁМНЫХ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ
РАЗРЯДОВ: КОРОННОГО И БАРЬЕРНОГО
В заводських умовах проведено апробацію створеного високовольтного комплексу (установки), який складається з двох
генераторів імпульсів з частотою проходження імпульсів до 50000 імп/с і навантаження у вигляді реакторів з імпуль-
сними розрядами – коронним і бар’єрним. У якості комутаторів енергії використано транзисторні (IGBT) ключі. От-
римано раціональний режим конверсії (парового риформінгу) метану у складі коксового газу в синтез-газ за допомогою
створеної установки. Для зменшення питомих енерговитрат на одержання синтез-газу при конверсії використано
односпрямовану дію імпульсних розрядів, температури парогазової суміші і нікелевого каталізатора. Описано можли-
вий механізм такої конверсії.
В заводских условиях проведена апробация созданного высоковольтного комплекса (установки), состоящего из двух
генераторов импульсов с частотой следования до 50000 имп/с и нагрузки в виде реакторов с импульсными разрядами –
коронным и барьерным. В качестве коммутаторов энергии использованы транзисторные (IGBT) ключи. Получен ра-
циональный режим конверсии (парового риформинга) метана в составе коксового газа в синтез-газ при помощи соз-
данной установки. Для уменьшения удельных энергозатрат на получение синтез-газа при конверсии использовано
однонаправленное действие импульсных разрядов, температуры парогазовой смеси и никелевого катализатора. Опи-
сан возможный механизм такой конверсии.
ВВЕДЕНИЕ
Электротехнологии перспективны для современ-
ной промышленности, энергетического комплекса,
рационального получения экологически чистых ис-
точников энергии [1-3]. В [1] показана перспектив-
ность применения барьерного разряда при использо-
вании никелевого катализатора в виде мелкого песка
для получения ценного энергетического сырья – син-
тез-газа (Н2 + СО в различных процентных соотноше-
ниях) путем парового риформинга (паровой конвер-
сии) метана в лабораторных условиях. Однако до сих
пор исследования проводились в лабораторных усло-
виях и при малых расходах исходного газа (произво-
дительностях) [1]. В этих исследованиях использова-
лись высоковольтные источники переменного напря-
жения. Источники высоких импульсных напряжений
(ИВИН) с частотами следования импульсов до 50000
имп./с, насколько авторам известно, не использова-
лись. Но именно ИВИН позволяют получать наи-
большие рабочие напряжения и напряженности в вы-
соковольтных разрядах и, следовательно, существен-
но увеличить среднюю энергию электронов в разря-
дах до 7÷10 эВ, а, возможно, и более. Это открывает
новые перспективы уменьшения удельных энергоза-
трат при получении синтез-газа на основе электрораз-
рядных электрофизических технологий.
Цель работы – создание установки с генератора-
ми объёмных высоковольтных импульсных разрядов
(коронного и барьерного), обеспечивающих конвер-
сию (риформинг) метана (в составе коксового газа) в
синтез-газ в заводских условиях, и отработка рацио-
нального режима её работы.
СХЕМА И ОТЛИЧИТЕЛЬНЫЕ ЧЕРТЫ
ОПЫТНОГО ОБРАЗЦА УСТАНОВКИ
Пилотный вариант установки, названной высо-
ковольтным комплексом, описан в [2]. Схема опытно-
го образца установки для осуществления в заводских
условиях электротехнологии получения синтез-газа с
использованием коронного и барьерного разрядов
приведена на рис. 1. Отличительной чертой установки
является наличие двух синхронно работающих гене-
раторов импульсов. Высоковольтные импульсы от
генераторов имеют различную амплитуду, форму и
частоту следования. Нагрузкой одного генератора
является реактор с импульсным коронным разрядом в
газовой смеси коксового газа с водяным паром, а на-
грузкой второго – реактор с импульсным барьерным
разрядом. Емкость Cп между высоковольтными элек-
тродами реакторов Cп <1 пФ. Реактор с барьером за-
полнен промышленным никелевым катализатором.
Такое построение установки (электротехнического
комплекса) позволяет осуществить двухступенчатую
обработку исходной газовой смеси. На рис. 1 индексы
"б" и "к" означают, что величина относится к барьер-
ному и коронному блоку установки соответственно;
ИП – источник питания, СУ – система управления, VТ
– IGBT-ключ, ИТ – импульсный трансформатор, ко-
эффициент трансформации ктк=130 в трансформаторе
для реактора с коронным разрядом, ктб=50 в транс-
форматоре для реактора с барьером, С0 – основная
накопительная ёмкость в виде электролитических
конденсаторов, С0=4×470 мкФ, С1 – сильноточная
ёмкость, С1=4 мкФ, L – развязывающая индуктив-
ность, в ветвь которой включен предохранитель, на
рис. 1 не показанный, L≈1 мГн, VDS – обратный диод
транзисторного IGBT-ключа, Rз – защитное сопротив-
ление, Rзк=41 кОм, Rзб=1,7 кОм, Р – реактор, кат –
катализатор в реакторе, содержащем диэлектрический
барьер из кварцевого стекла, Cп – паразитная ёмкость
между высоковольтными вводами реакторов, l – дли-
на закраины на цилиндре из кварцевого стекла, l=20
мм, стрелками показано направление движения паро-
газовой смеси.
В обоих генераторах транзисторные ключи рабо-
тают в режиме размыкающих коммутаторов (см. рис.
1, 2). В этом режиме энергия, предварительно накоп-
ленная в конденсаторах низковольтной цепи каждого
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2014. №4 45
С1к
ИТк
VTк VTб
ИТб
СобС1б
Rзк
Rзб
Lк
Lб
Рк Рб
СУк СУб
ИПк C0б ИПбC0к
ИТб C1
VDSб
ИТк
VDSк
C1
Lк Lб
VТк VТ
Rзк Rзб
Cп
Рк Рб
l кат
Φ
159
Φ
204
2096
Рис. 1
из двух импульсных трансформаторов, передается в
нагрузку – реактор с импульсным объёмным разрядом
(коронным или барьерным) через промежуточный
индуктивный накопитель, которым является индук-
тивность намагничивания каждого импульсного
трансформатора. Такой способ передачи энергии в
нагрузку позволяет избежать принципиальных огра-
ничений по амплитуде импульсов напряжения на на-
грузке, имеющих место, когда транзисторный ключ
работает в режиме замыкающего коммутатора [4].
На рис. 2 приведена схема замещения генерато-
ра: VT – транзисторный IGBT коммутатор, VD –
встроенные в транзисторы обратные диоды IGBT-
ключа, Сн – низковольтная исходно заряженная ём-
кость; С'р, Ср – приведенная и реальная ёмкость высо-
ковольтного реактора соответственно, Ср=к2
тСр; Сэк –
ёмкость "эмиттер-коллектор" IGBT-ключа,
Сэк<<С'р<<Сн; L – индуктивность намагничивания
ИТ; Lsн, Lsв – индуктивности рассеяния первичной и
приведенная вторичной обмоток ИТ соответственно;
С1, С2 – емкости высоковольтного и низковольтного
плеч емкостного делителя напряжения ЕДН (в непри-
веденном к первичной обмотке ИТ виде, т.е. реальные
ёмкости С1 ≈ 2,8 пФ, а С2 = 14,7 нФ, коэффициент
деления Кд≈5250) с согласующим сопротивлением Rс;
RP – приведенное активное сопротивление RP корон-
ного разряда в реакторе, RP=RP/кт
2; ik, i'p, i – коллек-
торный ток, приведенный ток через нагрузку-реактор,
ток намагничивания соответственно (показаны стрел-
ками); V – вольтметр.
Емкостный делитель, при помощи которого про-
водились измерения импульсных напряжений на реак-
торах, описан в [5]. Каждый из двух генераторов со-
стоит из источника питания, низковольтного генерато-
ра стартовых импульсов с IGBT-ключом, импульсного
повышающего трансформатора ИТ с нелинейной вы-
соковольтной нагрузкой в виде реактора с коронным
или барьерным разрядом и системы управления СУ.
Принципиально важным при работе генераторов
с транзисторными ключами в качестве размыкающих
коммутаторов является отсутствие тока в нагрузке –
реакторах (на рис. 2 приведенный к первичной обмот-
ке трансформатора ток i'p в реакторе) в моменты раз-
мыкания ключей. Наличие такого тока приводит к
появлению коротких, но больших по амплитуде пере-
напряжений на транзисторных ключах. Эти перена-
пряжения могут превысить допустимые напряжения
между коллектором и эмиттером в транзисторах клю-
ча и привести к выходу из строя транзистора в ключе.
Режим работы каждого генератора, при котором в
момент размыкания транзисторного ключа ток в реак-
торе отсутствует, обеспечивается соблюдением усло-
вий U0= U'р, Uэк
= 0 в этот момент. При этом коллек-
торный ток ik и ток намагничивания i протекают и
равны друг другу. В отсутствие приведенного тока
через реактор коллекторный ток и ток намагничива-
ния – это один и тот же ток. Отличительной чертой
режима коммутации энергии в ёмкость реактора из
индуктивности намагничивания путем размыкания
транзисторного ключа является возможность её (энер-
гии) полной передачи независимо от величин этих
ёмкости и индуктивности.
.
откуда,
21
22''2
pp
pppp
CLiU
UCUCiL
(1)
Такая возможность отсутствует, когда транзи-
сторный ключ работает в режиме замыкающего ком-
мутатора, передающего энергию из основного низко-
вольтного накопителя Cн в ёмкость реактора Ср, ми-
нуя L. В последнем случае энергия будет полностью
передана в реактор только при Ср= Cн.
46 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2014. №4
V
Cн
U0
VT
Lsн
Cэк
VD
Lsв '
L
К системе
управления
К осциллографу
С2
ЕДН
Rс
ik
Ср С1
Rр
i'
p
i
U'
р
U
эк
Рис. 2
Из (1) следует, что напряжение на реакторе Uр
пропорционально току намагничивания. Напряжение
на реакторе ограничивается напряжением, которое
может выдержать без выхода из строя транзисторный
ключ при его размыкании.
Между исходным и результирующим составом
смеси, в который входит синтез-газ, могут иметь ме-
сто различные промежуточные вещества, возникаю-
щие в результате протекания процессов в плазме им-
пульсных коронного и барьерного разрядов. Эти про-
цессы протекают в присутствии катализатора при
воздействии активных микрочастиц, в том числе
электронов, сильных электрических и магнитных по-
лей, высоких напряжений и сильных импульсных то-
ков, широкополосного излучения.
Фото импульсного коронного разряда при
отрицательной полярности коронирующего
(высоковольтного) электрода приведено на рис. 3,а,
а при положительной – на рис. 3,б.
а б
Рис. 3
РЕЗУЛЬТАТЫ АПРОБАЦИИ УСТАНОВКИ
И ТЕХНОЛОГИИ В ЗАВОДСКИХ УСЛОВИЯХ
На рис. 4 приведена блок-схема конверсии
(парового риформинга) коксового газа (как прямого, так
и обратного), по которой в заводских условиях осущест-
влена апробация созданной установки и предлагаемой
технологии конверсии коксового газа с использованием
импульсных разрядов: коронного и барьерного. Апроба-
ция проведена на Ясиновском коксохимическом заводе
(ЯКХЗ) (г. Макеевка, Украина). На рис. 4: 1 – вход
коксового газа из стояка или подающего патрубка в
установку для парового риформинга (конверсии),
2 – патрубок для отвода части коксового газа из стояка
или подающего патрубка в экспериментальную
установку для риформинга, 3 – задвижка, 4 – патрубок с
отводом для ввода водяного пара, 5 – вход водяного
пара в установку, 6 – инжектор парогазовой смеси, 7 –
патрубок для нагрева парогазовой смеси, 8 – нагреватель
парогазовой смеси, 9 – патрубок-отвод для отбора проб
газа до реакторов, 10, 15 – высоковольтные изоляторы,
11 – реактор с коронным разрядом, 12, 13 – генераторы
высоковольтных импульсов, 14 – барьерный реактор,
заполненный катализатором, 16 – патрубок для отвода
газа после реакторов, 17 – заслонка (шибер), 18 – выход
газа после риформинга в реакторах (здесь производится
отбор проб для определения компонентного состава газа
после реакторов).
В реакторах происходит паровой риформинг по
известной реакции [1]: СН4 + Н2О + Wмол = СО + 3×Н2,
где Wмол – вводимая удельная энергия, приходящаяся
на одну молекулу. В парогазовой смеси для парового
риформинга отношение количества водяного пара к
количеству метана в составе коксового газа находи-
лось в диапазоне 2<Н2О / СН4<4.
Осциллограммы импульсов напряжения на
реакторе с коронными разрядами (период повторения
импульсов – примерно 400 мкс) и на реакторе с
барьером (период повторения импульсов – примерно
60 мкс) представлены на рис. 5. На рис. 5,а указаны
амплитудно-временные характеристики импульсов с
емкостного делителя напряжения [4], подключенного
к реактору с коронными разрядами, а на рис. 5,б –
амплитудно-временные характеристики импульсов с
подобного делителя напряжения, подключенного к
реактору с барьером.
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2014. №4 47
10
2
3 1
4
5
6 7
8
8
9
11
12 13
14
15
16
17
18
Рис. 4
Регистрирующее устройство – двухканальный
цифровой осциллограф RIGOL DS1102E с полосой
пропускания 100 МГц.
а
б
Рис. 5
Основные действующие факторы при рациональ-
ном двухступенчатом паровом риформинге метана в
синтез-газ с использованием импульсных коронного и
барьерного разрядов в присутствии катализатора: тем-
пература 600-700 С; факторы от объёмных разрядов
(коронного и барьерного): микрочастицы, начиная с
электронов, плазма, широкополосное излучение; ката-
лизатор, действие которого усилено импульсными то-
ками и разрядами; плазмохимические реакции, интен-
сифицированные перечисленными выше факторами и
наличием в рабочей зоне реакций водяных паров.
Установка работает следующим образом (см.
рис. 4). Подлежащий конверсии коксовый газ 1 через
патрубок 2 подается на вход установки. Проток кок-
сового газа регулируется задвижкой 3. Регулируемый
поток водяного пара 5 на вход установки подается
через патрубок 4 с отводом. Перед инжектором 6 об-
разуется парогазовая смесь из коксового газа и водя-
ного пара, которая при помощи инжектора подается в
патрубок 7, где при помощи внешнего нагревателя 8
нагревается до требуемой температуры. Перед входом
нагретой парогазовой смеси в реактор 11 с коронным
разрядом через патрубок 9 производится отбор пробы
этой (исходной) смеси для определения её состава. Из
патрубка 7 парогазовая смесь подаётся в реактор 11 с
коронным разрядом, где осуществляется первая ста-
дия конверсии парогазовой смеси. Импульсы высоко-
го напряжения, обеспечивающие получение импульс-
ного коронного разряда в реакторе 11, от генератора
12 по проводнику через изолятор 10 подаются в реак-
тор 11. Низковольтный вывод генератора 12 накорот-
ко соединен с внешней трубой – корпусом реактора
11. Из реактора 11 частично активированная и преоб-
разованная парогазовая смесь подаётся в барьерный
реактор 14 с промышленным катализатором "кат".
Барьер из кварцевого стекла обеспечивает барьерный
разряд в реакторе 14 и протекание сильного импульс-
ного тока через катализатор. Импульсы высокого на-
пряжения на реактор 14 подаются от генератора 13 по
проводнику через изолятор 15. Низковольтный вывод
генератора 13 накоротко соединен с внешней трубой
– корпусом реактора 14. Корпуса реакторов 11 и 14
накоротко соединены между собой и заземлены. В
реакторе 14 осуществляется вторая стадия конверсии
и получение синтез-газа. Из реактора 14 результи-
рующая газовая смесь поступает в патрубок 16, в
котором расположена заслонка (шибер) 17 для
регулировки потока газовой смеси. На выходе 18 из
патрубка 16 производится отбор проб для
определения компонентного состава газа после
реакторов.
ВОЗМОЖНЫЙ МЕХАНИЗМ КОНВЕРСИИ МЕТАНА
В СИНТЕЗ-ГАЗ В УСЛОВИЯХ НЕДОСТАТОЧНОЙ
ТЕМПЕРАТУРЫ ДЛЯ ЭФФЕКТИВНОЙ РАБОТЫ
КАТАЛИЗАТОРА БЕЗ РАЗРЯДОВ
В реакторе с коронным разрядом, расположен-
ном первым по ходу движения коксового газа, обра-
зуются электроны с энергией порядка 10 эВ и более,
набранной в электрическом поле импульсного корон-
ного разряда. Эти электроны приводят к возбужде-
нию, частичной диссоциации и ионизации молекул
метана в составе коксового газа и запускают различ-
ные плазмохимические реакции.
При увеличении температуры а, следовательно, и
энергии тяжелых микрочастиц (молекул, атомов, ионов,
радикалов) плазмохимические реакции будут протекать
интенсивнее. В барьерном реакторе, заполненном про-
мышленным никелевым катализатором, протекает им-
пульсный ток, вызванный генератором высоковольтных
импульсов. Этот ток в барьере (из кварцевого стекла)
является током смещения, а в никелевой катализатор-
ной засыпке – током проводимости. Ток в барьерном
реакторе активирует никелевый катализатор даже при
48 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2014. №4
пониженных температурах. Это приводит к дальней-
шему риформингу метана в синтез-газ. Однако, при
пониженных температурах 100-300 С влияния катали-
затора на процесс риформинга не достаточно. Кроме
того, при температурах менее 550 С из коксового газа
(особенно прямого) на никелевом катализаторе выпада-
ет осадок из смолистых веществ и засоряет катализатор,
приводя к ухудшению результатов риформинга.
НЕОБХОДИМОЕ УСЛОВИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ
ПАРОВОГО РИФОРМИНГА МЕТАНА ПРИ
ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РАЗРЯДОВ
Для эффективного парового риформинга метана
в присутствии высоковольтных разрядов удельная
энергия Wмол, вводимая в реакторы, должна быть не
менее Wмол. min ≈ 1 эВ/молекула [1]. Отсюда следует,
что требуемая минимальная плотность энергии со-
ставляет
Wуд.min≈Wмол.min×NА, м3=(1 эВ/молекула)×2,687×1025 мо-
лекул/м3=(1,6×10-19 Дж/молекула)×2,687×1025 моле-
кул/м3 ≈ 4,3×106 Дж/м3 ≈ 1,2 кВт×ч/м3,
где Wуд. min – требуемая минимальная плотность энер-
гии в реакторе, NА, м3 – число Лошмидта, число моле-
кул, находящихся в 1 м3 идеального газа при нор-
мальных условиях.
Компонентный состав отобранного газа до и по-
сле реакторов как результат экспериментов по ис-
пользованию импульсных коронного и барьерного
разрядов при паровом риформинге прямого коксового
газа в синтез-газ в заводских условиях приведен в
табл. 1.
Таблица 1
Состав газа, % объемные
Место отбора
СО2 О2 СmНn СО Н2 СН4 N2
До реакторов 1,0 0,7 2,3 6,3 60,4 26,0 3,3
После реакторов 4,5 0,6 0,0 2,6 83,3 7,8 1,2
Отбор газа производился при следующих усло-
виях: сырье – прямой коксовый газ, давление пара
перед инжектором – 0,35 атм, температура смеси по-
сле реакторов – 290 С, расход парогазовой смеси –
1,35 нм3/час. Из табл. 1 следует, что при таких усло-
виях ≈ 67 % метана в составе коксового газа преобра-
зовано в синтез-газ (прежде всего – в водород), кото-
рого 85,9 % в смеси после реакторов.
Приведём оценочный расчет плотности энергии
Wуд в реакторах в эксперименте, проведенном в заво-
дских условиях. В реакторе с импульсным коронным
разрядом
Wуд.кор = (Wэ.уд.кор + Wт.уд.кор) = Рэ×t/V+Wт) ≈
≈ Рэ×t/V+(3/2)×к×Т×NА, м3 ≈
≈ 250 Вт×1 ч/1,35 м3+1,5×1,38×10-23 (Дж/К) ×
× (290+273) К × 2,687×1025 молекул/м3 ≈
≈ 0,271 кВт×ч/м3.
В реакторе с барьерным разрядом, если не учи-
тывать потери энергии, к введенной в реакторе с ко-
ронным разрядом плотности энергии Wуд.кор≈0,271
кВт×ч/м3 добавляется плотность энергии Wэ.уд.бар от
генератора импульсов, нагруженного барьерным ре-
актором. В экспериментах имело место приблизи-
тельное равенство плотностей энергий от этих двух
генераторов: Wэ.уд.бар≈Wэ.уд.кор=0,185 кВт×ч/м3. Поэто-
му суммарную плотность энергии, введенную в паро-
газовую смесь в реакторе с барьером разрядом (и им-
пульсным током), если не учитывать энергетические
потери, можно оценить, как Wуд.бар=Wуд.кор +
+ Wэ.уд.бар=0,271+0,185 = 0,456 (кВт×ч/м3). Эта плот-
ность энергии существенно меньше требуемой по [1]
минимальной плотности Wуд. min ≈ 1,2 кВт×ч/м3. Тем
не менее получен явный эффект парового риформинга
метана в составе коксового газа в эксперименте при
расходе парогазовой смеси 1,35 м3/ч (см. табл. 1).
Создание технологии парового риформинга (пря-
мого) сырого коксового газа в синтез-газ на основе
высоковольтных объёмных разрядов и импульсных
токов выглядит перспективным, если не допускать
выпадения смолистых соединений из сырого коксово-
го газа в реакторах. Для этого до подачи в реакторы
установки сырого коксового газа с t ≥ 600 °C их сле-
дует прогреть до t ≥ 500 °C "чисто", т.е. без нежела-
тельных веществ в носителе тепла в случае использо-
вания такого носителя.
ВЫВОДЫ
1. Впервые создана и в заводских условиях успеш-
но опробована установка для парового риформинга
метана в составе коксового газа в синтез-газ при по-
мощи высоковольтных импульсных объёмных разря-
дов: коронного и барьерного с засыпкой никелевым
катализатором.
2. В рассмотренной установке впервые применена
двухступенчатая обработка высоковольтными объём-
ными разрядами парогазовой смеси с целью энерго-
экономичного парового риформинга метана в составе
прямого (сырого) коксового газа в синтез-газ.
3. В полученном рациональном режиме парового
риформинга 67 % метана в составе коксового газа
преобразовано в синтез-газ, которого 85,9 % в газовой
смеси после реакторов, при плотности энергии, вве-
денной в реакторы, существенно меньшей 1кВт×ч/м3,
и температуре смеси 290 С.
4. Даны рекомендации по созданию новой про-
мышленной электрофизической технологии парового
риформинга метана в составе коксового газа.
Авторы выражают глубокую благодарность всем
заводчанам, помогавшим и обеспечившим проведение
работ. Особая благодарность Георгию Васильевичу
Долгареву, без которого проведенные работы были
бы невозможны.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Nozaki T., Muto N., Kado S., Okazaki K. Dissociation of vibra-
tionally excited methane on Ni catalyst. Part 1. Application to meth-
ane steam reforming. Catalysis Today, 2004, Vol.89, pp. 57-65.
2. Бойко Н.И., Евдошенко Л.С., Зароченцев А.И., Иванов
В.М., Коняга С.Ф. Высоковольтный комплекс с двумя вы-
сокочастотными генераторами импульсов, регулирующими
режимы коронного и барьерного разрядов при обработке
газообразных углеводородов // Технічна електродинаміка. –
2012. – №2. – С. 105-106.
3. Высоковольтные электротехнологии / Под ред. И.П.
Верещагина. – М.: изд-во МЭИ, 2000. – 204 с.
4. Бойко Н.И., Борцов А.В., Евдошенко Л.С., Иванов В.М.
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2014. №4 49
Генераторы высоковольтных импульсов с частотой следо-
вания до 50000 импульсов в секунду // Приборы и техника
эксперимента. – 2011. – №4. – С. 92-101.
5. Бойко Н.И., Евдошенко Л.С., Иванов В.М., Христенко
О.А. Компактный ёмкостный делитель напряжения на 70 кВ
с экранированным промежуточным электродом // Електро-
техніка і електромеханіка. – 2012. – №6. – С. 41-46.
REFERENCES: 1. Nozaki T., Muto N., Kado S., Okazaki K. Dissocia-
tion of vibrationally excited methane on Ni catalyst. Part 1. Application
to methane steam reforming. Catalysis Today, 2004, Vol.89, pp. 57-65.
2. Boyko M.I., Yevdoshenko L.S., Zarochentsev A.I., Ivanov V.M.,
Koniaga S.F. The high-voltage complex with two high-frequency pulse
generators for regulating the modes of corona discharges and barrier
ones during a treatment of gas hydrocarbons. Tekhnichna elektrody-
namika – Technical electrodynamics, 2012, no.2, pp. 105-106. 3. Vysok-
ovol'tnye elektrotekhnologii [High-voltage electro technologies]. Edited
by I.P. Vereshchagin. Moscow, Publishing House of MEI, 2000. 204 p.
4. Boyko M.I., Bortsov А.V., Yevdoshenko L.S., Ivanov V.M. Genera-
tors of high-voltage pulses with a repetition rate of up to 50,000 pulses
per second. Pribory i tekhnika eksperimenta – Instruments and experi-
mental techniques, 2011, no.4, pp. 92-101. 5. Boyko M.I., Yevdoshenko
L.S., Ivanov V.M., Khrystenko O.A. The compact capacitive divider of
voltage up to 70 kV with shielded intermediate electrode. Elektro-
tekhnika i elektromekhanika – Electrical engineering & electromechan-
ics, 2012, no.6. pp. 41-46.
Поступила (received) 09.02.2014
Бойко Николай Иванович1, д.т.н., проф.,
Евдошенко Леонид Свиридович1, к.т.н.,
Иванов Владимир Михайлович2,
Коняга Станислав Федорович1,
1 Национальный технический университет
"Харьковский политехнический институт",
61002, Харьков, ул. Фрунзе, 21,
тел/phone +38 057 7076245, тел/phone, факс/fax 7076183,
e-mail: qnaboy@mail.ru
2 Научно-исследовательский и проектно-конструкторский
институт "Молния", Национальный технический
университет "Харьковский политехнический институт",
61013, Харьков, ул. Шевченко, 47,
тел/phone, факс/fax +38 057 7076183,
e-mail: eft@kpi.kharkov.ua
M.I. Boyko1, L.S. Yevdoshenko1, V.M. Ivanov2, S.F. Koniaga1
1 National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"
21, Frunze Str., Kharkiv, 61002, Ukraine
2 Scientific-&-Research Planning-&-Design Institute "Molniya"
National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"
47, Shevchenko Str., Kharkiv, 61013, Ukraine
Synthesis gas regeneration electrotechnology using volume
high-voltage pulsed discharges: corona and barrier ones.
Factory testing of a created high-voltage complex (plant) has
been conducted. The complex consists of two pulse generators
with the repetition rate of up to 50,000 pulses per second and
load reactors with pulsed discharges – corona and barrier ones.
Transistor (IGBT) keys are used as energy switches. The effi-
cient mode of coke gas methane conversion (steam reforming)
to syngas has been obtained with application of the complex
created. A unidirectional action of the pulsed discharges, the gas
mixture temperature, and a nickel catalyst has reduced the spe-
cific energy consumption for synthesis gas regeneration during
the conversion. A feasible mechanism of this conversion is
described.
Key words – high-voltage complex, pulse generator, corona
discharge, barrier discharge, reactor, electrotechnology.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-148706 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 2074-272X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:45:56Z |
| publishDate | 2014 |
| publisher | Інститут технічних проблем магнетизму НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Бойко, Н.И. Евдошенко, Л.С. Иванов, В.М. Коняга, С.Ф. 2019-02-18T18:04:00Z 2019-02-18T18:04:00Z 2014 Электротехнология получения синтез-газа с использованием объёмных высоковольтных импульсных разрядов: коронного и барьерного / Н.И. Бойко, Л.С. Евдошенко, В.М. Иванов, С.Ф. Коняга // Електротехніка і електромеханіка. — 2014. — № 4. — С. 44–49. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 2074-272X DOI: https://doi.org/10.20998/2074-272X.2014.4.08 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/148706 621.3.002.5 В заводских условиях проведена апробация созданного высоковольтного комплекса (установки), состоящего из двух
 генераторов импульсов с частотой следования до 50000 имп/с и нагрузки в виде реакторов с импульсными разрядами –
 коронным и барьерным. В качестве коммутаторов энергии использованы транзисторные (IGBT) ключи. Получен рациональный режим конверсии (парового риформинга) метана в составе коксового газа в синтез-газ при помощи созданной установки. Для уменьшения удельных энергозатрат на получение синтез-газа при конверсии использовано
 однонаправленное действие импульсных разрядов, температуры парогазовой смеси и никелевого катализатора. Описан возможный механизм такой конверсии. В заводських умовах проведено апробацію створеного високовольтного комплексу (установки), який складається з двох
 генераторів імпульсів з частотою проходження імпульсів до 50000 імп/с і навантаження у вигляді реакторів з імпульсними розрядами – коронним і бар’єрним. У якості комутаторів енергії використано транзисторні (IGBT) ключі. Отримано раціональний режим конверсії (парового риформінгу) метану у складі коксового газу в синтез-газ за допомогою
 створеної установки. Для зменшення питомих енерговитрат на одержання синтез-газу при конверсії використано
 односпрямовану дію імпульсних розрядів, температури парогазової суміші і нікелевого каталізатора. Описано можливий механізм такої конверсії. Factory testing of a created high-voltage complex (plant) has
 been conducted. The complex consists of two pulse generators
 with the repetition rate of up to 50,000 pulses per second and
 load reactors with pulsed discharges – corona and barrier ones.
 Transistor (IGBT) keys are used as energy switches. The efficient mode of coke gas methane conversion (steam reforming)
 to syngas has been obtained with application of the complex
 created. A unidirectional action of the pulsed discharges, the gas
 mixture temperature, and a nickel catalyst has reduced the specific energy consumption for synthesis gas regeneration during
 the conversion. A feasible mechanism of this conversion is
 described. ru Інститут технічних проблем магнетизму НАН України Електротехніка і електромеханіка Техніка сильних електричних та магнітних полів Электротехнология получения синтез-газа с использованием объёмных высоковольтных импульсных разрядов: коронного и барьерного Synthesis gas regeneration electrotechnology using volume high-voltage pulsed discharges: corona and barrier ones Article published earlier |
| spellingShingle | Электротехнология получения синтез-газа с использованием объёмных высоковольтных импульсных разрядов: коронного и барьерного Бойко, Н.И. Евдошенко, Л.С. Иванов, В.М. Коняга, С.Ф. Техніка сильних електричних та магнітних полів |
| title | Электротехнология получения синтез-газа с использованием объёмных высоковольтных импульсных разрядов: коронного и барьерного |
| title_alt | Synthesis gas regeneration electrotechnology using volume high-voltage pulsed discharges: corona and barrier ones |
| title_full | Электротехнология получения синтез-газа с использованием объёмных высоковольтных импульсных разрядов: коронного и барьерного |
| title_fullStr | Электротехнология получения синтез-газа с использованием объёмных высоковольтных импульсных разрядов: коронного и барьерного |
| title_full_unstemmed | Электротехнология получения синтез-газа с использованием объёмных высоковольтных импульсных разрядов: коронного и барьерного |
| title_short | Электротехнология получения синтез-газа с использованием объёмных высоковольтных импульсных разрядов: коронного и барьерного |
| title_sort | электротехнология получения синтез-газа с использованием объёмных высоковольтных импульсных разрядов: коронного и барьерного |
| topic | Техніка сильних електричних та магнітних полів |
| topic_facet | Техніка сильних електричних та магнітних полів |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/148706 |
| work_keys_str_mv | AT boikoni élektrotehnologiâpolučeniâsintezgazasispolʹzovaniemobʺemnyhvysokovolʹtnyhimpulʹsnyhrazrâdovkoronnogoibarʹernogo AT evdošenkols élektrotehnologiâpolučeniâsintezgazasispolʹzovaniemobʺemnyhvysokovolʹtnyhimpulʹsnyhrazrâdovkoronnogoibarʹernogo AT ivanovvm élektrotehnologiâpolučeniâsintezgazasispolʹzovaniemobʺemnyhvysokovolʹtnyhimpulʹsnyhrazrâdovkoronnogoibarʹernogo AT konâgasf élektrotehnologiâpolučeniâsintezgazasispolʹzovaniemobʺemnyhvysokovolʹtnyhimpulʹsnyhrazrâdovkoronnogoibarʹernogo AT boikoni synthesisgasregenerationelectrotechnologyusingvolumehighvoltagepulseddischargescoronaandbarrierones AT evdošenkols synthesisgasregenerationelectrotechnologyusingvolumehighvoltagepulseddischargescoronaandbarrierones AT ivanovvm synthesisgasregenerationelectrotechnologyusingvolumehighvoltagepulseddischargescoronaandbarrierones AT konâgasf synthesisgasregenerationelectrotechnologyusingvolumehighvoltagepulseddischargescoronaandbarrierones |