Способ конверсии углеводородов и устройство для его осуществления

1 Настоящее изобретение имеет отношение к созданию спосoба конверсии легких углеводородов (HCs) за счет использования плазмы и, в частности, за счет скользящих электрических разрядов в присутствии кислорода O2 и, возможно, водяного пара Н 2 О, добавленного к этим легким углеводородам HCs. Получение сингаза из легких насыщенных углеводородов HCs является достаточно хорошо известной и очень важной стадией, особенно при химической валоризации природных газов(NGs). Химическая валоризация огромных ресурсов NG представляется намного более интересной, чем их полное окончательное сжигание в ходе прямого восстановления энергии в печах,бойлерах или турбинах. Существуют также ситуации, когда происходит выброс в атмосферу земли природных газов NGs с высоким содержанием НС безо всякого восстановления энергии; примером этого являются факелы нефтяных полей, в которых сгорает содержащий углеводороды газ, известный как "попутный газ",а также различные выделения биогаза (смеси в основном метана и углекислого газа в практически равном соотношении) в результате анаэробной ферментации органических отходов. Любой выброс бесполезно сжигаемых и в особенности не сгоревших НС существенно способствует загрязнению атмосферы. Наиболее широко известный процесс получения сингаза, а именно каталитический процесс парового реформинга, протекает с большими трудностями. В принципе для его проведения требуется только высокая температура(по термодинамическим причинам) и высокое давление (по кинетическим причинам). Однако на практике совместный контроль составов,давлений и температур является весьма тонкой операцией, которая даже невозможна без обращения к использованию катализаторов. По этой причине для осуществления парового реформинга природного газа NG обычно выбирают каталитическое устройство: присутствие твердого материала в высоко дисперсной и активной форме (с удельной поверхностью, по меньшей мере, сто м 2 на грамм) позволяет без особых трудностей достичь высоких температур. Классическая технология парового реформинга требует наличия печей, которые содержат несколько сотен хрупких металлических труб (наполненных катализатором), общая длина которых может достигать нескольких десятков метров,имеющих внешний нагрев за счет природного газа NG. Указанные печи, которые имеют весьма низкую теплопроизводительность, выделяют в атмосферу большие количества углекислого газа, получаемого при сгорании. Эта технология связана также с весьма высокими потерями давления. Температура, которую могут выдерживать трубы, также препятствует восстановлению содержащегося в реальном сингазе СО 2 (препятствующие продукты получают в результате 2 протекания побочной реакции при слишком низкой температуре). Другие трудности связаны с загрязнением катализатора серой и/или азотом, со старением катализатора и с необходимостью иметь избыток пара, а также с образованием сажи (которая блокирует всю систему труб на макроскопическом уровне и в особенности микроскопические поры катализатора). Указанные трудности наблюдаются в основном при паровом реформинге легких углеводородовHCs, более тяжелых, чем метан; такие углеводороды являются более хрупкими и, следовательно, более коксующимися. Обзор публикаций за последние тридцать лет показал, что имеется очень мало опубликованных результатов, имеющих отношение к частично окисляющей конверсии насыщенных легких углеводородов HCs с использованием кислорода и плазмы. Возможно это объясняется трудностями, связанными с присутствием кислорода, разъедающего обычные вольфрамовые или графитовые электроды известных плазменных устройств. Нам известна всего только одна попытка использования плазмы в этой области(кроме наших собственных публикаций), а именно, публикация Капеццуто "Окисление метана углекислым газом, водяным паром и кислородом в радиочастотных разрядах при умеренных давлениях" Р. CAPEZZUTO et al.G.5.11, 7 pp.], в которой проведено исследование частичного окисления метана, перемешанного раздельно с СО 2, либо с О 2 или Н 2 О, при молярном отношении окислитель/СН 4 = 1. В реакторе с РЧ плазмой 35 МГц требуется дополнительный поток аргона, причем этот реактор может работать только при очень низком давлении, составляющем ориентировочно 2,7 кПа. При полном входящем потоке газа от 3 до 36 л (п)/мин плотность энергии была весьма высокой и составляла от 1 до 12 кВтч/м 3. Невозможно внедрение такой установки в серийное производство по причине высокого потребления электроэнергии и благородного газа (и,кроме того, по причине сложной подачи электропитания и необходимости работы в вакууме). Сложные механические требования внедрения,плохие энергетические показатели и недостаточные единичные мощности РЧ плазменных источников препятствуют адаптации этого метода, с экономической точки зрения, для преобразования значительных потоков газа. С 1986 г. в Орлеане мы также работаем в области конверсии природных газов NGs в реакторах с термической плазмой. Классические простые или переносные плазменные горелки позволяют получать небольшие объемы плазмы при очень высоких температурах (Т 10kK). Несмотря на то, что эти устройства являются 3 потенциальными источниками активных разновидностей, они слабо адаптированы к химическим применениям, в которых требуются намного меньшие температуры (которые не позволяют разрушать молекулы углеводородов до такой степени, что они становятся сажей), а также большие наполненные плазмой объемы,чтобы тесно взаимодействовать со всем объемом обрабатываемого газа. Технология плазменных горелок хорошо разработана, например,в области распыления твердых веществ, причем установлено, что такую технологию дорого и очень трудно внедрить в химические процессы. Однако нами достигнуты улучшения в области термических плазм для случая преобразования метана в специально управляемую электрическую дугу, смотри публикацию Йоргансена"Процесс получения химически активных газов,богатых водородом и моноксидом, в электрической дуге" (Р. JORGENSEN et al., "Process ofand Carbon Monoxide in an Electric Post-Arc", BF 2 593 493 (1986. Однако конструкция устройства для реализации указанного процесса не позволяет использовать водяной пар как реагент или работать без потребления аргона, необходимого в качестве газа, формирующего плазму в первой пилотной (предварительной) дуге. Затем мы использовали почти такую же дугу с высоким током (20 - 150 А) для исследования окисления этана, смотри публикацию Мегернеса"Окисление этана С 2 Н 6 при помощи СО 2 или O2 в электрической дуге" (К. MEGUERNES et al.,"Oxidation of ethane C2H6 by CO2 or O2 in anelectric arc", J. High Temp. Chem. Process, vol. 1(3), p. 71-76 (1992, причем без больших улучшений в части потребления электроэнергии и аргона. В соответствии с настоящим изобретением предлагается способ и устройство для осуществления частичного окисления, с электрическим воздействием, легких углеводородов кислородом. За счет применения указанных способа и устройства ставится задача получения газов,богатых СО и Н 2, которые также могут иметь высокие содержания C2H4 и С 2 Н 2, безо всякого образования сажи или коксового остатка (нагара), за счет частичного окисления углеводородов, с электрическим воздействием скользящего электрического разряда плазмы, с последующим паровым реформингом углеводородов и/или реформингом с СО 2. Указанную смесь продуктов получают в плазменном реакторе со скользящими электрическими разрядами, образующими тлеющий разряд в отсеке с температурой ниже 1200 С и давлением менее 5 бар. Разряды действуют непосредственно в экзотермической химически активной среде, образованной углеводородами, перемешанными с газообразным кислородом любого происхождения, и, возможно, с Н 2 О и/или СО 2. Выходящий из указанной зоны поток продуктов, активизированных плаз 002038 4 мой, вступает в контакт с металлом или керамическим материалом, помещенным в отсек, который доводят до температуры не выше 1100 С. Этот материал становится химически активным в присутствии указанного потока продуктов и,как таковой, он способствует усилению конверсии продуктов, выходящих из плазменного отсека, в конечный продукт. Указанные ранее и другие характеристики изобретения будут более ясны из последующего детального описания, данного в качестве примера, не имеющего ограничительного характера и приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи. На фиг. 1 показано поперечное сечение реактора со скользящими разрядами в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения. На фиг. 2 схематично показана система,использованная для проверки процесса конверсии углеводородов в соответствии с настоящим изобретением. Несмотря на то, что будет описан а качестве примера предпочтительный вариант осуществления изобретения, совершенно ясно, что в него специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят однако за рамки приведенной далее формулы изобретения и соответствуют его духу. Предложенный способ изложен на примере конверсии некоторых типичных смесей легких углеводородов HCs (которые в основном содержат метан СН 4 и этан C2H6, пропан C3H8 и два бутана C4H10) в реакторе со скользящими разрядами, имеющем после плазменный отсек,заполненный твердым материалом. Указанная смесь НС может иметь любое количество азотаN2 и/или углекислого газа СО 2. Следовательно,настоящее изобретение может быть применено для любых чистых НС, таких как СН 4, C2H6,С 3 Н 8 или С 4 Н 10, а также к их природным или промышленным смесям, таким как природный газ NG, "попутный" газ нефтяных скважин,сжигаемый в факеле газ, газ пиролиза, "рудничный газ", биогаз и пр. В присутствии кислорода и, возможно, водяного пара (которые добавляют к углеводородному сырью) имеется возможность полного или частичного преобразования всех указанных природных газов NGs в "синтетический газ",который обычно именуют сингазом и который является смесью, образованной главным образом водородом Н 2 и моноксидом углерода(угарным газом) СО. Конверсия также может быть проведена для получения сингаза, содержащего другие ценные продукты, такие как этилен (С 2 Н 4) и ацетилен (С 2 Н 2). Указанный процесс основан главным образом на экзотермических реакциях частичного окисления метана и/или его насыщенных парафиновых эквивалентов:(2) СnН 2n+2 + n/2 O2 = n СО + (n+1) Н 2 в сопровождении следующего эндотермического потока реформинга: СН 4 + Н 2O = СО + 3 Н 2(квази-атермические реакции): СО + Н 2O = СO2 + H2 10) Более того, при полном окислении наблюдаются высоко экзотермические реакции, такие как: СН 4 + 2 O2 = СO2 + 2 Н 2 О(11) СnН 2n+2+(3n+1)/2O2 = nСO2+(n+1)Н 2O (12) Причем при глубоком пиролизе (являющимся эндотермическим) легких углеводородовCnH2n+2 = nC +(n+1) H2 а при эндотермическом реформинге полученного в ходе реакций углекислого газа получают следующее: СН 4 + СO2 = 2 СО + H2(16) Все указанные реакции протекают в среде,высоко активизированной наличием особой плазмы, полученной при воздействии скользящих электрических разрядов. Активизация среды отражена наличием достаточно необычных разновидностей (по сравнению с обычными условиями конверсий природного газа NG), полученных из материала, в котором имеют место указанные разряды. Так, например, можно обнаружить электроны, а также атомы, ионы и/или радикалы молекул, такие как, например, Н, ОН,О, O2, Н+, О+, О 2+, O2-, НO2, СН 3, СН 2, СН, С 2 и многие другие. Большинство из этих разновидностей могут существовать в их "долговременном" вибрационном или электронно возбужденном состоянии. Известно также, что они являются чрезвычайно химически активными. Конверсия легких углеводородов HCs в соответствии с эндотермическими реакциями(3)-(9) и (13)-(16) требует добавочного ввода преимущественно "чистой" энергии, не связанной с любым внешним сжиганием, которое является дорогостоящим и сильно загрязняющим атмосферу. Лучшим путем содействия указанным реакциям является создание электрических дуг и/или разрядов непосредственно в подлежащей конверсии среде, за счет принудительного постоянного распределения энергии в наибольшем обрабатываемом объеме. Передачу электрической энергии в газовую среду осуществляют за счет прямой передачи энергии в молекулы. Это приводит к феноменам возбужде 002038 6 ния, ионизации, диссоциации, а также к эффекту Джоуля, при рассмотрении ионизированной среды как газового проводника. Газовая среда,которая становится электропроводной после ионизации (которая сама вызвана диэлектрическим пробоем, таким как предварительная ионизация) и которая имеется между электродами,находящимися под различными потенциалами,может рассматриваться в качестве электрического сопротивления и одновременно в качестве электролита в газовой фазе, а именно плазмы. Плазму можно определить как 4-е состояние материи, поэтому ни при каких обстоятельствах к ней не могут быть применены критерии, применимые к различным ранее известным процессам. Существует множество различных видов плазмы и различные пути получения плазмы. По определению плазма представляет собой газовую среду, в которой частицы являются частично ионизированными. В большинстве плазм макроскопическая физическая величинатемпература - является одинаковой для всех компонентов, что отображает термодинамическое равновесное состояние. Такие состояния легко могут быть получены: для этого требуется только подвод большого количества энергии,как, например, в случае плазменных горелок("плазматронов"), в которых плазму получают за счет электрической дуги с очень большим током. Существуют также и другие устройства с указанными состояниями, такие как индукционные или радиочастотные (РЧ) горелки, в которых газовая среда входит в резонанс с высокочастотным электромагнитным полем. Такие виды плазмы известны как термическая плазма. Очевидно, что термическая плазма будет изменять химические свойства газовой среды за счет практического разрушения всех молекул, в особенности тех, которые являются хрупкими, таких как молекулы легких углеводородов HCs. Остающиеся в конце процесса фрагменты, после резкого снижения температуры за счет гашения без восстановления энергии, позволяют получать за счет явлений частичной рекомбинации простые молекулы. Такие химические преобразования могут найти мало применений,учитывая потребность в большом количестве энергии и проблемы, связанные с высокими температурами, в частности, стойкость материалов. Химики предпочитают работать с плазмами, которые не отвечают условию полного термодинамического равновесия. В этом случае достаточно, например, воздействовать на свободные электроны. Возможно также воздействовать на свойства вращения или вибрации некоторых молекул. В терминах энергии это соответствует нарушению равновесия обменов энергией между плазмой и окружающей ее средой. Такое состояние именуют "термодинамическим не равновесием". Указанные плазмы именуют иногда "низкотемпературными" плазмами, хотя 7 само понятие температуры может больше не использоваться. Существует множество способов получения таких плазм: микроволны, электронные пучки, фронты горения и пр. Однако такие плазмы используют в промышленности крайне редко, причем они применяются только для решения весьма специфических задач. Поэтому такие плазмы редко используют в химии. Кроме того, при установлении или прекращении плазмы равновесие нарушается. Эти переходные этапы, при которых образуется плазма в неравновесном состоянии, длятся всего несколько мс. Одним из видов плазмы, использующих указанное явление, является плазма со скользящими электрическими разрядами, именуемая "GlidArc". Кроме различных геометрических возможностей таких плазменных генераторов химики могут воздействовать, в самом общем виде, на такие параметры, как: давление,температура, скорость газа, сила тока, напряжение и электрическая частота. Такое большое число параметров превосходит традиционные возможности их оценки экспертами. Для каждого вида применения требуется реализация ноухау и изобретательская активность, чтобы получить результат, соответствующий как экономическим соображениям, так и условиям защиты окружающей среды. Плазма GlidArc позволяет химику подавать энергию непосредственно в газовую смесь и использовать, например, катализатор. Химик может также использовать как тепловую, так и химическую энергию. Он может также воздействовать на поток, все еще заряженный активными разновидностями, который вытекает из зоны дуги или скользящих разрядов, для осуществления реакции между этими разновидностями и сырьем, которое должно быть конвертировано или реконвертировано в зоне после плазмы. Мы обнаружили, что после небольшого изменения плазма GlidArc очень хорошо подходит для подачи чистых водяных паров в качестве единственного средства образования плазмы. Испытания с перегревом водяного пара для таких устройств проводились в лабораторных условиях при атмосферном давлении. Улучшенные плазмы GlidArc запитывались очень сырым водяным паром при 105 С. После проведения многочисленных длительных экспериментов мы не обнаружили никакого ухудшения плазмы,созданной при подаче водяного пара. Указанный водяной пар, перегретый при атмосферном давлении и химически активизированный за счет наличия Н, О, ОН и других метастабильных разновидностей, может представлять интерес для сушки или для химических преобразований, см. публикацию П. и А. Черниховских"Скользящие электрические дуги для перегрева водяного пара" (Р. CZERNICHOWSKI and A.drying", Bordeaux-Talence, 1994, p. Bl-1 - Bl-7). Мы полагаем, что существующее состояние вопроса позволяет улучшить классический паровой реформинг чистого метана в присутствии скользящих электрических разрядов или дуг, которые вносят в химически активную среду как легко контролируемую энтальпию, так и высоко химически активные разновидности. Указанные специфические разряды и дуги могут играть роль катализатора в гомогенной фазе, см. публикацию А. Черниховского "Способ и устройство с использованием плазмы для улучшения не каталитического парового реформинга углеводородов и галогенорганических соединений" (А. CZERNICHOWSKI et al., "Process andcompounds", BF 2 724 806 (1994). Упомянутая ранее эндотермическая реакция (3) парового реформинга метана требует,чтобы быть завершенной при стандартных условиях, (298 К, 1 атм), подвода энергии, эквивалентной 206 кДж на моль преобразованного СН 4, или иначе 0,64 кВтч на 1 м 3 (n) полученной смеси СО + 3 Н 2. Так как реакция только начинается при стандартных условиях (когда скорость преобразования СН 4 составляет только 0,005%), то в соответствии с основами термодинамики реагенты должны быть нагреты до более высоких температур, которые не только требуют предусмотрения энтальпии для протекания реакции, но и ведут также к нагреванию всей смеси. Наши расчеты показывают, что при минимальном вводе энергии 0,933 кВтч на 1 м 3(n), соответствующем температуре 950 К, получают первоначальное преобразование 75% СН 4. Однако на этой стадии молярное отношение Н 2/СО является слишком высоким (4,98) для некоторых применений, таких как сингаз. Такой состав газа совершенно не подходит для технологии Фишера-Тропша (FT, синтез синтетического углеводородного топлива или синтетической сырой нефти "syncrude"), а также для аналогичных технологий получения метанола. Оба указанных процесса требуют, чтобы отношение Н 2/СО ориентировочно равнялось 2, плюс чтобы была низкая концентрация остаточного метана. Для повышения преобразования метана до 97%,вся химически активная смесь должна быть нагрета до 1200 К, при теоретическом расходе 0,986 кВтч на 1 м 3 (n) сингаза, однако при этом избыток водорода будет оставаться на уровне Н 2/СО = 3,04. Разложение чистого СН 4 в присутствии перегретого водяного пара в реакторе GlidArc позволяет действительно получать большие количества (в объемных процентах) Н 2 (до 66% в сухом продукте) и СО (до 15%), в то время как объемное процентное содержание С 2 Н 2 (макс. 1,1%) и С 2 Н 4 (макс.0,34%) является низким. 9 Во всех случаях имеется избыток отношений Н 2/СО в 4 и даже в 5,8 раза. Более того, расход энергии, необходимый для получения 1 m3 (n) такого сингаза, является достаточно высоким,причем возникает и другая проблема, а именно,в продукте остается слишком высокое содержание метана. Мы решили затем применить другую идею: вводить одновременно перемешанные Н 2 О и О 2, так чтобы осуществлять в ходе одной операции в одно и то же время в реакторе со скользящим разрядом конверсию некоторых легких углеводородов HCs при помощи эндотермического парового реформинга (реакции 3 и 4) и частичного окисления кислородом (реакции 1 и 2), причем последнее позволяет получать существенную порцию энергии, необходимой для эндотермического парового реформинга. Часть кислорода будет поглощаться за счет реакций (11) и (12), которые являются побочными (но главным образом экзотермическими),причем полученный за счет этих реакций СО 2 может способствовать снижению отношения Н 2/СО при протекании обратной реакции (10). Аналогичный подход к указанному реформингу природных газов NGs известен в промышленности как "Автотермический реформинг" ("ATR"), однако этот смешанный реформинг обязательно объединяют с каталитической последующей обработкой газа, выходящего из зоны частичного сгорания, см. публикацию Кристенсена и Примдала "Увеличение производства сингаза с использованием автотермического реформинга" [T.S. CHRISTENSEN and I.I.ATR процесса является выполненная с использованием новейших технических достижений горелка, так как полная безопасность операций с использованием смеси кислорода и легких углеводородов HCs с концентрацией ниже уровня взрыва зависит от ее надлежащей работы. Наша реактивная система для смешанного реформинга легких углеводородов HCs при помощи кислорода и водяного пара в присутствии скользящих электрических разрядов предусматривает также обратный сдвиг водовода в СО(реакция 10). Это позволяет получить сингаз с хорошим молярным отношением Н 2/СО, подходящим для последующего использования сингаза, например, при помощи FT процесса. Указанная задача нами была решена, причем мы были удивлены появлением других продуктов из конверсии сырья в соответствии с реакциями (5)(9): мы получили относительно высокое содержание С 2 Н 4 и С 2 Н 2. Эти ненасыщенные продукты могут в некоторой степени улучшать процесс конверсии легких углеводородов, содействуя скользящим электрическим разрядам. 10 Другой новой идеей является разделение реактора со скользящими разрядами на два отсека. За счет их большего или меньшего разделения, например, в виде перфорированной диафрагмы, можно создать отсек скользящего электрического разряда с усиленной циркуляцией реагентов. Этот отсек имеет тепловую изоляцию, так что можно повышать по мере необходимости температуру его стенок и собственно электродов. Кроме того, добавлен другой отсек"после плазмы", в котором могут быть завершены реакции, начатые в зоне плазмы, и где в конечном счете могут быть модифицированы продукты, полученные в зоне плазмы. Два отсека(или две зоны) реактора могут сообщаться через относительно широкое отверстие или преимущественно через перфорированную пластину,или даже через пористый материал, позволяющий реагентам и полученным в зоне плазмы активным разновидностям проникать в зону после плазмы. Наконец, другой новой идеей является частичное заполнение зоны после плазмы твердым материалом, который играет роль контакта,на котором ускоряется реактивный обмен между разновидностями, полученными в зоне плазмы. Указанный твердый материал не обязательно должен быть по своей природе катализатором. Он становится катализатором за счет контакта с разновидностями, полученными в зоне плазмы. Плазменное устройство Могут быть использованы реакторы различного типа со скользящим разрядом. Показанный на фиг.1 реактор представляет собой лабораторное устройство, использованное для пояснения настоящего изобретения. Само собой разумеется, что это только пример, не имеющий ограничительного характера, для выполнения будущего промышленного реактора. В реакторе со скользящим разрядом (1) использованы шесть электродов (2) из профилированной листовой нержавеющей стали толщиной 2 мм (на фиг. 1 показаны только два из шести электродов, установленных симметрично вокруг оси потока подлежащего обработке газа). Каждый из электродов имеет длину 8 мм и ширину 25 мм. Электроды ограничивают объем (3) в виде сопла, в котором могут развиваться скользящие электрические разряды (4). Данный реактор имеет простую форсунку (5) с диаметром 4 мм,которая позволяет вдувать перемешанную смесь(6), подлежащую конверсии, в пространство (7) между электродами, таким образом, что смесь протекает вдоль центральной части указанных электродов, открытой для разрядов. Может быть использована и другая более сложная "сдвоенная форсунка" (на фиг. 1 не показана), которая состоит из двух концентрических труб, между которыми поступает углеводородное сырье,возможно смешанное с водяным паром, а также кислород или обогащенный кислородом воздух, 11 или даже атмосферный воздух, причем все они в конечном счете перемешаны с водяным паром. В этом случае перемешивание реагентов происходит в такой новой "сдвоенной форсунке" или даже вне ее, но в непосредственной близости от электродов. В одном реакторе могут быть установлены несколько форсунок. Основания разрядов (8), которые раздувают и предварительно ионизируют газ в точке (9), где расстояние между электродами является наименьшим, скользят по указанным электродам и исчезают в точке(10) вблизи от конца электродов, а затем вновь появляются в исходной точке. Этот процесс является последовательным и наблюдаемый разряд (4) продолжается от 1 до 20 мс, в зависимости от линейной скорости газа в зонах (7), (9),(3) и (10), между электродами (2). Принимая во внимание умеренную температуру (1200 С) электродов и очень короткое время контакта разряда с электродами, даже без охлаждения стали, мы не наблюдали никакого ухудшения,которое может препятствовать скольжению указанных разрядов с ограниченным током. Скользящие разряды (4) имеют переменные характеристики от точки (9) их зарождения до точки погасания (10), причем с течением времени рассеяние энергии увеличивается. Указанный трубчатый реактор закрыт двумя крышками, причем одна из них (11) служит для поддержки электродов, которые электрически изолированы при помощи высоковольтных соединителей (12), а другая крышка(13) закрывает реактор с другой стороны и имеет трубу (22) для выпуска продукта. Вся конструкция является герметичной и выдерживает как частичный вакуум 7 кПа, так и повышенное давление 6 бар. Перфорированная металлическая или керамическая пластина (14) отделяет зону плазмы (15 а) от зоны после плазмы (15b),частично заполненной твердым материалом,причем обе указанные зоны размещаются в одном и том же реакторе (1). Пластина (14) позволяет направлять продукты после плазменной обработки в зону после плазмы (15b). Реактор имеет внешний диаметр 85 мм и высоту 88 см и изолирован снаружи при помощи керамического фильца (нетканого материала) (16). Внутренние стенки зоны после плазмы реактора охвачены керамической трубой (17) с внутренним диаметром 55 мм. Зона плазмы изолирована при помощи высокопрочного фетра (18). Общий свободный объем внутри реактора позволяет ввести в него 1,9 дм 3 смеси. Объем твердого материала (19), введенного в зону после плазмы(15b) (в большинстве случаев использовали прутки из металлического Ni с общей массой 1,5 кг) составляет 170 см 3, что соответствует геометрической поверхности 1670 см 2. Отношение между объемом введенного в зону после плазмы твердого материала и свободным объемом в этой зоне составляет всего только от 1 до 6,5, причем отношение объема зоны плазмы(15 а) к объему зоны после плазмы составляет от 1 до 2,4. Ни одна из частей реактора не имеет принудительного охлаждения. Перемешивание поступающей смеси (6) производится на удалении от инжекционной форсунки (5), в самой форсунке или даже в непосредственной близости от нее. Смесь или отдельные ее компоненты могут быть предварительно нагреты в печи сопротивления (20) с управляемой температурой. Нагрев отдельных компонентов смеси может быть даже предпочтительным для промышленного реактора, чтобы предотвратить раннее сжигание О 2 + НС в ходе предварительного нагрева. Два отверстия в крышке (13) предназначены для подключения манометра (21 а) и для ввода проводов термопары (21b). Продукты конверсии выходят из реактора по трубе (22). При быстрой ( 10 м/с) и почти точечной инжекции смеси между электродами (2) уже возникает явление рециркуляции (23) реагентов в зоне скользящего разряда (15 а). Для усиления указанной рециркуляции добавлена разделительная пластина (14), которая разделяет реактор на две части: отсек плазмы с электрическим разрядом (15 а) и отсек после плазмы (15b). Перфорированная пластина позволяет проходить потоку реагентов (частично израсходованных) и "долгоживущим" активным разновидностям, получаемым в результате возбуждения газов скользящими разрядами. В зоне после плазмы конверсия завершается в присутствии твердого материала (19) и в среде с намного меньшей температурой, чем температура стенок и электродов зоны плазмы (15 а). Продукты из зоны после плазмы не могут вернуться в зону плазмы. Светящаяся зона скользящих электрических разрядов и часть стенки зоны может наблюдаться через стекло (24) с диаметром 15 мм для проверки надлежащей работы реактора и для определения температуры в отсеке (15 а). Из спектра испускания плазмы может быть получена очень важная информация. Для конверсии природных газов NGs обычно достаточен один прогон через единственный реактор. В других случаях продукты, частично конвертированные в одном реакторе, могут повторно обрабатываться в других аналогичных реакторах, установленных последовательно (не показаны). Наличие перфорированной разделительной пластины (14) создает новую реактивную зону после плазмы (15b), в которой высокоактивные и метастабильные разновидности (имеющие поэтому свойства катализатора) могут дезактивировать себя на других молекулах, непосредственно в газовой фазе, или косвенно на поверхности твердого материала (19), введенного в указанную зону. Это позволяет проводить реформинг легких углеводородов HCs, выходящих из бурных реакций в зоне плазмы. Возможно также продвинуть далее конверсию реагентов. Из физики известны атомные и молекулярные разновидности (изотопы), такие как Н, ОН, 13 О 2, СО 2, Н 2, Н 3 (и многие другие), которые имеют достаточно большое время жизни для прохождения больших расстояний в газовых потоках, даже при атмосферном давлении или при повышенном давлении. Это явление является очень важным для конверсии легких углеводородов HCs, хрупкость которых известна. В действительности воздействие не термальной (и не находящейся в состоянии равновесия) плазмы позволяет полностью избежать коксования углеводородного сырья. Длительное время работы описанного реактора и отличная прозрачность стекла (в присутствии таких хрупких легких углеводородов HCs, как пропан и бутаны) является лучшим свидетельством "мягких" преобразований, которые могут быть осуществлены в таком реакторе с указанным отсеком после плазмы. В реактор подают контролируемые (при помощи расходомера) объемы газа из газового баллона или другого источника, и/или водяной пар от парогенератора. В ректор также может подаваться вода при помощи дозировочного насоса. Непрерывный поток такой жидкости,управляемый при помощи вентиля и расходомера, испаряется в печи /20/ и подается в реактор,при предварительном перемешивании с другими продуктами или без него. Химический анализ проводили с использованием методов классической газовой хроматографии в газовой фазе. Были использованы три хроматографа, каждый из которых предназначался для определенных сухих газов: СО, СО 2,O2, N2 и СН 4 для первого, только Н 2 для второго и все легкие углеводороды HCs для третьего хроматографа. Поток водяного пара в продуктах рассчитывали из балансов материала или определяли отбором известного объема выходящего газа. Скользящие разряды внутри реактора создавали при помощи специальной высоковольтной системы, которая обеспечивает как предварительную ионизацию среды, так и последующий подвод электрической энергии к плазме. Электрическая мощность использованного реактора составляла от 0,15 до 0,56 кВт при токе от 0,12 до 0,25 А, для расхода обрабатываемой смеси от 1,3 до 2,6 м 3 (n)/ч; расход (подвод) энергии по отношению к сырью составлял от 0,10 до 0,34 кВтч/м 3 (n). Однако нет причин,которые могли бы помешать использовать другие более высокие мощности, расходы и/или уровни энергии для промышленных применений. Экспериментальные результаты Реформинг природного газа NG может быть лучше понят при помощи фиг. 2, где схематично показано все используемое оборудование, причем применен показанный на фиг. 1 реактор. В этом случае реактор (1) запитан от специального высоковольтного электрического генератора (25). В указанном реакторе в качест 002038 14 ве образующего плазму газа использован природный газ NG, взятый непосредственно из городской газовой сети (26) или подаваемый от газового баллона (27), содержащего эквивалент природного газа NG, перемешанный с кислородом (28) или с обогащенным кислородом воздухом (28), или даже с атмосферным воздухом(29). Газовые потоки контролируются при помощи массовых расходомеров (30). Поступающая сухая газовая смесь может отбираться для хроматографического анализа при помощи канала (31). Pасход водяного пара также известен за счет калибровки дозирующего насоса устройства (29). Термопара (32) позволяет производить измерение температуры смеси на входе распылительной форсунки, а оптический пирометр(33) и термопара (21b) индицируют температуру в двух отсеках (15 а) и (15b) реактора. Выходящие из реактора продукты охлаждаются в воздушном теплообменнике (35). После выхода из теплообменника газы идут в направлении реверсивного клапана (36), который используется для их подачи для анализа (37) или для подачи в вытяжную трубу (38 а). В ходе испытаний производили отбор и взвешивание проб воды на выходе реактора, полученных при помощи конденсации (39) и абсорбции (40). Проводили также отбор проб сухого газа для хроматографического анализа. Для этого сначала направляли влажный газ на выпуск (38 а), а затем, после достижения желательного рабочего уровня реактора (в большинстве случаев стабильного),клапан (36) реверсировали и направляли выходной продукт на анализ (37). Вода осаждалась в охлажденной колбе (39) и на абсорбирующем материале (40). При предварительно закрытом вентиле (41) и открытых вентилях (42 а) и (42b) сухой газ протекает через баллон (43), затем через газомер (44), и выходит из экспериментального устройства по трубе (38b), расположенной вблизи от вытяжной трубы. Температуру выходящего из газомера (44) газа измеряли термометром (45). При проведении каждого испытания проводили также измерение атмосферного давления барометром, для того, чтобы привести объемные балансы к их нормальным условиям, отмеченным ("n"). Многочисленные испытания процесса реформинга природного газа NG были осуществлены в описанном новом реакторе с отсеком"после плазмы". Далее приведены в виде таблиц только 7 наиболее существенных экспериментальных серий. Состав (объемные проценты) природного газа NG в городской газовой сети изменялся во времени в следующих пределах: СН 4 от 90,7 до 98,8; C2H6 от 0,9 до 6,9; С 3 Н 8 от 0,2 до 1,9; С 4 Н 10 от 0,1 до 0,5 (смесь n- и изобутан); в данном природном газе содержится очень мало азота и СО 2. В ходе каждого испытания тщательно анализировали газовый состав 15 природного газа NG, чтобы установить точный баланс материалов. В таблицах 1 и 2 приведены соответственно четыре и шесть примеров частичного окисления природного газа NG при помощи чистого кислорода без добавки водяного пара. В таблице 3 приведены семь примеров частичного окисления природного газа NG при помощи чистого кислорода и добавленного водяного пара, в присутствии твердого металлического вещества,введенного в зону после плазмы реактора. Затем в указанную зону ввели другое вещество, а именно, керамику, и провели четыре испытания с чистым кислородом и добавленным водяным паром, результаты которых приведены в таблице 4. В таблице 5 приведены семь новых примеров частичного окисления природного газа NG при помощи обогащенного кислородом воздуха и добавленного водяного пара, в присутствии того же самого твердого металлического вещества, введенного в зону после плазмы реактора. В таблице 6 приведены семь примеров частичного окисления природного газа природного газа NG при помощи атмосферного воздуха,введенного в "укороченный" реактор, который имеет (или не имеет) заполнение зоны после плазмы различными твердыми веществами (металлом или керамикой). Наконец, в таблице 7 приведены результаты четырех пар сравнительных испытаний с разрядами в зоне плазмы и без них. В указанных таблицах приведены некоторые операционные параметры и полученные результаты. Были использованы следующие сокращения и обозначения: О 2/НС и Н 2 О/НС - объемные отношения указанных компонентов в смеси (в реагентах) на входе в реактор.(реальная электрическая энергия разрядов в связи с почасовым нормальным расходом всех поступающих реагентов). Температура (С) в зоне после плазмы (которая обозначена в таблицах как "зпп" или температура стенок зоны плазмы (которая обозначена в таблицах как "зп"); эта последняя температура ни при каких обстоятельствах не имеет корреляции с температурой, при которой протекает частичное окисление в зоне, покрытой электрическими разрядами. Н 2/СО - объемное или молярное отношение двух газов в выходящем из реактора продукте.(Н 2 + СО), полученного из единичного объема поступающего НС (другие газы в расчет не принимаются). ЕС - расход электрической энергии (кВт) для производства 1 м 3 (n) сингаза (другие про 002038 16 дукты, такие как ацетилен или этилен, рассматриваются как бесплатное приложение); это значение показывает реальный расход энергии (для осуществления электрических разрядов) в процессе на лабораторном уровне. Конвер. С - полная интенсивность (в %) конверсии углерода, первоначально содержавшегося в природном газе NG (в "органической" форме в насыщенных легких углеводородахHCs), в любую другую "минеральную" (СО и СО 2) или ненасыщенную "органическую" (ацетилен или этилен) формы; здесь уместно напомнить об отсутствии нагара, сажи, гудрона или любого другого пиролитического компонента в полученных продуктах (в пределах менее 0,5% от массы конвертированного углерода), что помогает устанавливать материальные балансы с газовыми компонентами. Конвер. О 2 - полная интенсивность (в %) конверсии элементарного кислорода, добавляемого к углеводородному сырью в любой другой форме (СО, СО 2 и Н 2 О). Избирательности - относительные интенсивности (в %) конверсии углерода или водовода, имеющихся первоначально в природном газеNG и преобразованных в другой полезный или иной продукт. Таким образом, в таблице 1 приведены результаты четырех испытаний 20-23 по частичному окислению природного газа NG при помощи кислорода без добавки водяного пара. Во всех случаях использования термина "добавка" или "добавочный" речь идет о внешнем происхождении указанного реагента, который в любом случае (но в меньшем количестве) появляется как продукт в дополнительных реакциях окисления (11) и (12). Производили перемешивание природного газа NG (с объемным составом 97,3% СН 4, 1,4% C2H6, 0,3% С 3 Н 8 и 0,1% С 4 Н 10) с чистым кислородом в соответствии с постоянным отношением О 2/НС, равным 0,48,после чего производили ввод смеси в реактор без предварительного нагрева. Поддерживали постоянными расход смеси (1,3 м 3 (n)/ч), давление в реакторе (1,5 бара) и параметры электропитания. Первоначально в самом начале испытаний реактор является холодным, но он постепенно нагревается. Отбор выходных продуктов производили при температурах, измеренных при помощи термопары в зоне после плазмы,указанных в колонке 2 таблицы 1. В это время производили также измерения рассеиваемой в зоне плазмы электрической мощности. Результаты последних измерений не являются постоянными по причине изменения температуры всех элементов зоны плазмы, однако удельная мощность SE изменяется незначительно: 0,290,03 кВтч/м 3 (n). Результаты указанной серии испытаний свидетельствуют о том, что конверсию природного газа NG выгодно производить после достижения температуры в зоне после плазмы по меньшей мере 480 С, так как при более низких температурах все параметры процесса не столь хороши. Таким образом, при продвижении от 130 С к 480 С, мы подходим ближе к желательному отношению Н 2/СО 2. Мы получаем почти в 6 раз больше сингаза из единичного объема легких углеводородов HCs, причем это достигается при меньшем в 7 раз расходе энергии. Эти значительные достижения проявляются также как увеличение (абсолютной) конверсии углерода в 1,8 раза, причем скорее в направлении желательного продукта (избирательность в направлении СО возрастает от 46% до 83%), чем в направлении не желательной молекулы (избирательность в направлении СО 2 снижается от 44% до 15%). За счет увеличения температуры в зоне после плазмы удается сохранить намного больше элементарного водовода Н 2 путем снижения(от 68% до 30%) относительной избирательности к образованию водяного пара. Можно также увидеть, что увеличение температуры в зоне после плазмы свыше 480 С не приводит к улучшению процесса. Следует иметь в виду, что температура всех твердых элементов, присутстПример вующих в зоне плазмы, превосходит 900 С при всех испытаниях. В таблице 2 приведены результаты шести испытаний 27 а-30 и 67-68 на частичное окисление природного газа NG кислородом без добавки водяного пара. Производили перемешиваниеC2H6, 0,2% С 3 Н 8 и 0,1% С 4 Н 10 для испытаний 6768) с чистым кислородом при различных отношениях О 2/НС=0,49-0,65, после чего производили инжекцию в реактор смеси без ее предварительного нагрева. При постоянном давлении 1,5 бара (за исключением эксперимента 68 с давлением 2,0 бара) расход смеси (от 1,3 до 1,6 м 3(n)/ч) и установочные параметры потребления электроэнергии были практически постоянными. В это время реактор целиком находился в области, близкой к его тепловому плато, и можно было наблюдать практически постоянные значения SE на уровне, который специально поддерживался низким: 0,150,03 кВтч/м 3 (n). При этом уровне SE специально добавляли небольшую энергию для сжигания природного газа NG, чтобы его "электризовывать". Результаты указанной серии испытаний дают информацию о том, что выгодно проводить конверсию природного газа NG, когда отношение О 2/НС достигнет значения около 0,65. На этом уровне получают хорошие результаты полной конверсии (100%) углерода и кислорода под давлением 1,5 бара, причем при аппроксимации желательного отношения Н 2/СО можно получить 2,6 м 3 сингаза из 1 м 3 НС, при очень низком расходе энергии ЕС, составляющем 0,11 кВтч на 1 м 3 (n) сингаза. Эти характеристики можно также видеть из анализа избирательностей конверсии углерода. Удивительно, что существует эволюция скорее к желательному продукту (избирательность к СО составляет 89%), Таблица 1 Избирательности (%) СО чем к паразитному СО 2. Другим поразительным моментом является то, что при увеличении отношения О 2/НС можно получать намного больше элементарного водовода Н 2, причем избирательность к образованию водяного пара снижается от 33% до 13%. Увеличение давления от 1,5 до 2,0 бар приводит к благоприятному увеличению количества сингаза, полученного из единичного объема легких углеводородов HCs. Это также можно видеть из данных относительно скорости преобразования углерода, а также из анализа избирательностей к СО и нежелательным продуктам. Были также проведены другие испытания под давлением около 6 бар. Можно пола 19 гать, что предельным является такое максимальное значение давления, при котором оборудование может работать стабильно и без проблем. Более того, можно полагать, что частичное окисление легких углеводородов HCs при относительно низких давлениях может быть использовано в ряде специфических приложений, таких как химическая конверсия попутного газа (который в противном случае сжигается в факелах при квази атмосферном давлении), конверсия биогазов, полученных в автоклавах низкого давления, растворенного углеводорода в исходном растворе процесса мембранного разделения и пр. Протекающий при относительно низком давлении процесс в соответствии с настоящим изобретением позволяет избежать применения потребляющих энергию компрессоров и других устройств, к которым предъявляются высокие требования, необходимые для проведения классического автотермального процесса при высоком давлении. В таблице 3 приведены результаты семи экспериментов 38b-44 по частичному окислению природного газа NG кислородом с добав 002038 20 кой водяного пара. Вопрос заключается в том,можно ли провести конверсию природного газаNG с меньшим количеством кислорода при его частичной замене водяным паром, при сохранении относительно низкого расхода энергии(ЕС), для сингаза с аналогичным отношением Н 2/СО = 2. Был выбран несколько более тяжелый природный газ NG: 91,6% СH4, 6,2% C2H6,1,7% С 3 Н 8 и 0,5% С 4 Н 10, который перемешивали с чистым кислородом и водой (вводимой в виде жидкости до ее испарения в печи), при переменных (молярных) пропорциях: О 2/НС = 0,250,64, Н 2 О/НС = 0,58 или 1,0. Легкий предварительный нагрев (от 115 до 150 С) был использован исключительно для испарения воды. При постоянном давлении 1,5 бара расход смеси (от 1,7 до 2,0 м 3 (n)/час) и установочные параметры потребления электроэнергии были практически постоянными. В это время реактор находился в области, близкой к его тепловому плато, и можно было наблюдать практически постоянные значения SE на уровне 0,240,02 кВтч/м 3 (n). Таблица 3 Результаты указанной серии испытаний показывают, что имеется возможность получения смеси, близкой к идеальной, с отношением Н 2/СО = 2, за счет окисления углеводородного сырья с дефицитом О 2/НС = 0,33 (что эквивалентно молярному отношению О 2/С = 0,31), при условии замены недостающего окислительного агента водяным паром. Другим преимуществом,которое может оправдывать использование водяного пара совместно с кислородом, является возможность создания в сингазе относительно большого количества этилена и ацетилена(смотри пример 44). Из сравнения примеров 38b и 39 можно увидеть, что ограниченная добавка Н 2 О позволяет снизить ЕС; таким образом, было показано, что можно добавлять строго определенное количество Н 2 О для достижения конкретной цели. Следует иметь в виду, что ограниченная общая скорость конверсии в некоторых представленных здесь примерах (и в последующих таблицах) легко может быть доведена до 100% при большем вводе энергии и/или при снижении поступающего в реактор потока природных газов NGs (что эквивалентно увеличению SE). Можно добавить, что при индивиду Избирательности(%) СО 79 67 69 69 65 67 62 альном анализе скоростей конверсии для каждого НС выясняется, что более тяжелые легкие углеводороды HCs легче вступают в реакцию. Например, при общей скорости конверсии углерода, равной 32,6% в примере 44, бутаны и пропан конвертируются полностью, этан конвертируется на 96,6%, в то время как конверсия метана ограничена 19,2%. Следовательно, предлагаемый процесс частичного окисления с воздействием скользящих разрядов может применяться вне зависимости от содержания НС в конвертируемом природном газе NG (или в другой смеси углеводородов). В таблице 4 приведены результаты четырех экспериментов 46-49 по частичному окислению природного газа NG кислородом с добавкой водяного пара, в присутствии другого инертного материала в отсеке после плазмы. Вместо металлических прутков, которые имелись в зоне после плазмы в ходе указанных в таблицах 1-3 экспериментов, это зона была заполнена большими кусками шамота. Вопрос состоял в том, является ли смешанная конверсия"тяжелый" природный газ NG со следующим составом: 90,7% СН 4, 6,9% C2H6, 1,9% C3H8 и 0,5% C4H10 (то есть с составом, близким к составу природного газа NG при испытаниях 38b 44). Указанный природный газ NG был перемешан с чистым кислородом и водой при переменных (молярных) пропорциях О 2/НС = 0,220,58, Н 2 О/НС = 0,72-1,22. Легкий предварительный нагрев (150 С) использовали исключитель 002038 22 но для испарения воды. При постоянном давлении 1,5 бара расход смеси (от 1,6 до 2,1 м 3 (n)/ч) и установочные параметры потребления электроэнергии были практически постоянными. В это время реактор находился в области, более или менее близкой к его тепловому плато, и можно было наблюдать практически постоянные значения SE на уровне 0,240,04 кВтч/м 3% зп зпп СО СО 2 Н 2O C2H2 46 0,58 0,02 1030 850 1,65 1,2 0,48 61 66 24 4,2 5,3 47 0,39 0,81 1025 880 1,58 0,9 0,51 48 67 22 6,5 4,3 48 0,24 0,72 975 910 1,54 0,7 0,63 37 64 18 13 3,9 49 0,22 1,22 935 905 1,86 0,5 1,4 31 52 19 25 3,2 Результаты указанной серии испытаний показывают, что имеется возможность получения смеси, близкой к идеальной, с отношением Н 2/СО = 2, за счет окисления углеводородного сырья с дефицитом О 2/НС = 0,22 (что эквивалентно молярному отношению О 2/С = 0,20), при условии замены недостающего окислительного агента водяным паром. Другим преимуществом является возможность создания в сингазе относительно большого количества этилена и ацетилена (смотри пример 49). Сравнение представленных в таблицах 3 и 4 серий экспериментов свидетельствует о возможности точного контроля содержаний этилена и ацетилена в сингазе, за счет изменения природы твердого материала, входящего в контакт с потоком газа, полученного в результате электрической обработки в зоне плазмы скользящими электрическими разрядами. Относительно высокий расход энергии не является удивительным, так как он не учитывает два весьма энергетически интенсивных продукта процесса (см. определение ЕС). В таблице 5 приведены результаты семи экспериментов 51-57 по частичному окислению природного газа NG воздухом, обогащенным кислородом, в конечном счете перемешанным с водяным паром. Вопрос состоял в том, возможно ли проводить конверсию природного газа NG при помощи такого обогащенного кислородом воздуха (например, полученного после мембраны и поэтому более дешевого и простого по получению, чем чистый кислород криогенного происхождения), и возможно ли получать сингаз при разумном расходе энергии, при сохранении отношения Н 2/СО, приблизительно равного 2. Был выбран достаточно тяжелый природный газ NG: 91,2% СН 4, 6,5% С 2 Н 6, 1,7% С 3 Н 8 и 0,5% С 4 Н 10, который был перемешан с обогащенным воздухом, содержащим 43% кислорода, и в конечном счете с водой, при переменных (молярных) пропорциях: О 2/НС = от 0,73 до 0,94, Н 2 О/НС = от 0 до 0,28. Легкий предварительный нагрев (от 170 до 180 С) использовали исключительно для испарения воды в примерах 56 и 57. Использовали давления в диапазоне от 1,6 до 1,9 бара для поступающих смесей с расходами от 1,9 до 2,6 м 3 (n)/час.Pеактор находился в области, близкой к его тепловому плато, и можно было наблюдать практически постоянные значения SE на уровне 0,220,04 кВтч/м 3 (n). Таблица 5(С) Пример O2/НС H2O/HC зп зпп 51 0,94 0 1095 585 1,50 2,2 0,33 95 52 0,85 0 1070 880 1,58 2,3 0,30 94 53 0,74 0 930 1,66 2,2 0,31 86 54 0,69 0 945 1,72 2,2 0,31 82 55 0,73 0 1000 755 1,74 2,3 0,18 87 56 0,73 0,28 830 1,91 2,4 0,23 90 57 0,73 0,66 875 2,06 2,3 0,25 88 Результаты указанной серии испытаний показывают, что имеется возможность получения смеси, близкой к идеальной, с отношением Н 2/СО = 2 (примеры 56 и 57), за счет частичного окисления углеводородного сырья обогащен Избирательности (%) СО 84 85 85 86 85 81 76 ным воздухом, содержащим 43% кислорода, при добавке небольших количеств водяного пара. Были получены очень хорошие объемные отношения сингаз/НС, достаточная скорость конверсии углерода и весьма разумные избиратель 23 ности по отношению ко всем ценным продуктам. Расход энергии ЕС приблизительно в 2 раза выше, чем при испытаниях с чистым кислородом, однако он остается на весьма низком уровне, составляющем ориентировочно 0,24 кВтч/м 3(n). Было обнаружено, что добавка водяного пара в экспериментах 56 и 57 способствует протеканию реакции (10) "водяного сдвига" (меньшая избирательность по отношению к Н 2 О,большая избирательность по отношению к СО 2),а также блокирует пиролиз легких углеводородов HCs на этилен и ацетилен. Несмотря на присутствие мощного азотного балласта (от 28 до 38 об.% во входящем потоке), имеется возможность сохранения, благодаря наличию энергии и активных разновидностей, присутствующих в зоне плазмы, реактивной среды, которая способствует развитию реакций частичного окисления легких углеводородов HCs. Это можно видеть по уровню температур, которые все еще остаются достаточно высокими в двух зонах реактора. Концентрированный балласт (до 40 об.%) углекислого газа, СО 2, присутствующий в некоторых природных газах NGs, испытания котоПример O2/C Р 5 Р 6 Р 7 рых также были проведены, не мешает гладкой конверсии легких углеводородов HCs в сингаз. Такой балласт можно сравнить с балластом инертного азота, хотя фракция СО 2 может активно выделяться за счет реакций (15) и (16),при конверсии углерода исходного НС в СО,который увеличивает содержание ценного продукта. Было также обнаружено, что СО 2, который присутствует в подлежащей конверсии смеси, играет положительную роль, предотвращая образование сажи за счет следующей реакции: С + СО 2 = 2 СО(17) Еще одна серия испытаний была проведена с атмосферным воздухом, перемешанным с легким природным газом NG. Вся смесь целиком подвергалась воздействию скользящих электрических разрядов в другом "укороченном" реакторе (с полной длиной 30 см), имеющем легкую тепловую изоляцию. Все другие детали оборудования были такими же, за исключением того,что реактор имел только одно широкое отверстие для разделения зоны плазмы от зоны после плазмы. Некоторые результаты указанной серии из семи экспериментов приведены в таблице 6. Таблица 6 КонверЗона после плазмы Избирательности (%) На этот раз, при давлении 1,1 бара и при существенных потерях энергии, не позволяющих реактору повысить свою температуру (особенно в зоне плазмы), что создавало бы возможность существенного прироста термической энергии от реакций (11), (12), (1) и (2), и вызывало бы "воспламенение" реактора, нам не удалось получить хорошие результаты. Однако эта серия испытаний показывает, что существует возможность частичного окисления легких углеводородов HCs атмосферным воздухом. Такое окисление может быть даже проведено при очень сильном дефиците кислорода (О 2/С = 0,23), однако оно возможно только в присутствии скользящих электрических разрядов, так как в ином случае чистый автотермический процесс будет очень быстро прекращаться (в данном случае инерция реактора достаточно мала). Следует подчеркнуть сильное влияние материала, введенного в зону после плазмы, на химический состав продуктов. Можно получать более или менее ненасыщенные углеводороды, почти блокировать выделение водовода на больших кусках металлической меди, регулировать отношение Н 2/СО и пр. Из сравнения таблиц 1-6 можно сделать вывод о возможности частичного окисления и пиролиза легкого или тяжелого природного газаNG, с добавкой водяного пара или без нее, в очень широком диапазоне отношений О 2/НС и Н 2 О/НС, в присутствии первоначально не каталитического металла или керамического материала в зоне после плазмы, для получения сингаза, с большим или меньшим сопровождением этиленом и ацетиленом, без (или почти без) сажи. Свободный выбор твердого материала, входящего в контакт с потоком после плазмы, и свободный выбор температуры создают широкие возможности для управления составом выходящего продукта в зависимости от требований, которые определяются составом углеводородного сырья, наличием кислорода и пр. Кроме того, за счет подвода большего или меньшего количества энергии непосредственно к разрядам(см. значения SE), можно производить конверсию большего или меньшего количества легких углеводородов HCs в сингаз. Например, можно более интересные продукты (наличие этилена и ацетилена) из более легких или тяжелых углеводородов HCs, частично окисленных кислородом или воздухом, обогащенным О 2, или даже атмосферным воздухом, все это при низком давлении менее 6 бар. Мы подошли к весьма важному вопросу о том, действительно ли скользящие электрические разряды обеспечивают гладкое получение сингаза, и что будет, если полностью отключить такие разряды после перехода реактора в его установившееся рабочее состояние. Ответ на эти базовые вопросы можно получить из таблицы 7. получать природный газ, имеющий только небольшие добавки (присадки) водовода и моноксида углерода, который лучше сгорает в бескрейцкопфных (поршневых) двигателях (так как в таком случае не создает проблем не конвертированный кислород), или который лучше подходит для транспортировки по обычным газопроводам к более населенным местам, где СО и/или Н 2 может быть извлечен для более полезного использования. Можно также провести конверсию всего углеводородного сырья и затем направить полученный продукт на FT синтез синтетической сырой нефти. Все говорит о том,что комбинация автотермического процесса с электрическими разрядами позволяет получать При- МатериН O/O2/НС 2 мер ал зпп НС 25 26 33 34 44 45 49 а 50"длинном" и хорошо изолированном реакторе,идут вслед за испытаниями с применением разрядов, причем никакие установочные параметры не изменяются. Так, например, испытание 26 проведено под давлением 1,7 бара, испытание 34 под давлением 1,6 бара, испытание 45 под давлением 1,3 бара, и испытание 50 под давлением 1,5 бара, причем испытания проводились соответственно через 26, 21, 44 и 9 мин после предыдущего испытания. Следует иметь в виду,что реактор является достаточно массивным и охлаждается очень медленно. Процесс частичного окисления продолжается в течение длительного времени после отключения электрических разрядов, однако в этом случае все показатели качества преобразования природного газаNG в сингаз ниже, чем в присутствии разрядов. Пара экспериментов 33/34 показывает, что температура в зоне "плазмы" (но без наличия плазмы в эксперименте 34) существенно не уменьшается, так как относительно высокое отношение О 2/НС = 0,63 создает достаточную энергию окисления для компенсации тепловых потерь в этой зоне. Однако это не так в случае экспериментов 45 и 50, где температура быстро (менее чем за 2 мин) падает ниже порога измерения пирометром (600 С). Однако температура в зоне после плазмы постепенно возрастает, достигает максимума (когда производился отбор продукта для анализа) и в конечном счете падает очень быстро до порога, ниже которого конверсия прекращается. Однако вначале температура твердого материала, введенного в зону после плазмы (Ni или шамот), возрастает за счет побочных реакций (11) и (12), которые являются высоко экзотермическими (избирательности по отношению к СО 2 и Н 2 О увеличиваются для всех пар экспериментов). Несмотря на это увеличение температуры, конверсия кислорода является вялой или даже снижается. При отсутствии электрических разрядов, способствующих конверсии, было обнаружено, несмотря на большой избыток топлива, высокое содержание элементарного кислорода, который, если его не отделять, будет вызывать расход катализатораFT процесса, для которого предназначен сингаз. Таким образом, все свидетельствует о том,что именно наличие скользящих электрических разрядов на электродах, погруженных в очень богатую смесь топливо/окислитель в зоне плазмы, обеспечивает гладкое протекание процесса,что и является предметом настоящего изобретения. Более того, все еще активный поток промежуточных продуктов, выходящих из зоны плазмы, претерпевает после плазменную конверсию в присутствии не каталитического твердого вещества (шамота) или металла (Ni),имеющего каталитические свойства только в высокодисперсном состоянии. Если принять во внимание малую поверхность металла (менее 1700 см 2 на 1,5 кг), можно прийти к единственному заключению: инертный или квази инертный материал, введенный в зону после плазмы,играет роль катализатора только в присутствии потока продуктов, выходящих из плазмы. Без 27 указанного потока выходящих из плазмы продуктов, этот материал очень быстро дезактивизирует себя и даже начинает играть вредную роль в желательной реакции. Предпочтительным материалом является никель Ni, хотя могут быть использованы и другие твердые материалы. Объем зоны реактора, в которой размещены прутки никеля, составляет 660 см 3. В условиях экспериментов 33/34, указанный объем с (геометрической) поверхностью Ni, составляющей 1670 см 2, покрыт потоком продуктов с расходом ориентировочно 6,6 м 3/ч (при существующих в указанной зоне температурах и давлениях). Это обеспечивает пространственную скорость около 10000 ч-1. Обсуждение результатов Сравнение приведенных в таблицах 1-7 результатов с данными, полученными из известных публикаций, говорит о преимуществе описанного устройства по сравнению с классической горелкой О 2/НС, которую используют в автотермическом процессе. Для примера нами 28 выбраны детали публикации Хальдора Топсе(Haldor Topsae (Denmark) в упомянутой здесь ранее статье Кристенсена и Примдала. Несмотря на то, что приведенная информация является неполной, имеется возможность установления некоторых балансов материала в промышленном процессе с использованием только химической энергии более или менее экзотермических реакций (11), (12), (1) и (2). Так как у нас нет никакой информации относительно состава обработанного природного газа NG, было проведено сравнение для чистого метана. В таблице 8 приведены данные (обозначенные НТ), полученные из указанной статьи. Другое сравнение проведено с относительно полными данными, опубликованными в ноябре 1995 г. Нирулой (S.C. NIRULA, "SynthesisSRI 68 0,66 0,51 371/295 149 2,10 2,66 83 17 которой требуется также специальная рециркуляция. Однако нам удалось снизить эти отношеСледует прежде всего отметить, что укания соответственно до 0,22 и нуля, так как у нас занные процессы представляют собой термокаимеется иное регулирующее устройство, а талитические процессы под высоким давлением. именно, весьма активная энергия электрических При воздействии пламени, относительно богаразрядов, добавленная к высоко субстехиометтого кислородом (теоретически мы должны осрическому пламени. тановиться при О 2/НС 0,5), при температуре В сообщении Нирулы имеется некоторая свыше 2000 С, легкие углеводороды HCs преинформация относительно объема промышленимущественно разлагаются на СО 2 и Н 2 О в соного реактора (94 м 3) и потоков поступающего ответствии с реакциями (11) и (12), а не с (1) и(2), при этом остаются большие количества не газа (200,000 м 3 (n)/ч). При проведении анализа вступивших в реакцию легких углеводородов на выходе реактора можно рассчитать проHCs (главным образом, наиболее химически странственную скорость реактора, который раактивный метан). Только в присутствии больботает под давлением 68 бар и при очень высошой массы хрупкого катализатора может быть кой выходной температуре 1350 С. Эта скозавершена полная конверсия легких углеводорость составляет ориентировочно 310 ч-1, что родов HCs в соответствии с эндотермическими совершенно нельзя сравнить со скоростью в реакциями реформинга (3), (4), (15) и (16), при нашем реакторе, которая даже для его полного очень высоких температурах в слое катализатообъема составляет 3500 ч-1. ра (от 1100 до 1400 С). Таким образом, указанМы впервые показали жизнеспособность ный катализатор и его опора должны иметь(возможность осуществления) нового процесса очень высокую стойкость и хорошую стабильконверсии природных газов NGs с содействием ность при указанных тяжелых условиях работы. скользящих разрядов в присутствии кислорода Кристенсен и Примдал не упоминают ни о или обогащенного кислородом воздуха, или каком отношении О 2/С ниже 0,54 или об отнодаже атмосферного воздуха, с возможной добавкой водяного пара. Этот процесс, параметры шении Н 2 О/С ниже 0,58 в любом промышленкоторого приведены в таблицах 1-7, представляном примере или пилотном испытании. Напроет собой процесс конверсии различных природтив, они подчеркивают необходимость добавленых газов NGs, протекающий в новом реакторе,ния таких количеств кислорода и водяного пара,в котором отсек (зона) плазмы (вместе со всеми которые достаточны для обеспечения соответэлектродами) находится при температуре, не ствующей работы использованной горелки, для 29 превышающей 1200 С. Другой отсек (зона) после плазмы непосредственно сообщается с отсеком плазмы через перфорированную перегородку (или даже без нее). Температура в указанной зоне после плазмы составляет менее 1100 С и она может быть частично заполнена металлом или керамическим твердым материалом, который при контакте с потоком обработанных продуктов, полученных из плазменного углеводородного сырья, становится активным и способствует полной или почти полной конверсии легких углеводородов HCs в сингаз, с одновременным получением большего или меньшего количества этилена и ацетилена. В присутствии кислорода и, возможно, при добавке водяного пара, существует возможность конверсии всех легких углеводородов HCs, таких как СН 4, C2H6,С 3 Н 8 и/или С 4 Н 10 в синтетический газ и, частично, также в другие ценные продукты, а именно,в С 2 Н 4 и С 2 Н 2. Это происходит совершенно без использования известных катализаторов. Может быть использован широкий диапазон относительных отношений двух окислительных агентов (О 2 и Н 2 О) и легких углеводородов HCs. В указанных здесь примерах были приведены значения О 2/НС от 0,22 до 0,94, и Н 2 О/НС от 0 до 1,22, однако совершенно ясно,что эти пределы могут быть еще расширены от нуля до бесконечности, так как скользящие разряды могут быть созданы как в чистом кислороде, так и в чистом водяном паре. Следовательно,все смеси H2O/O2/NG могут быть конвертированы в описанных здесь реакциях. В зависимости от необходимости, можно получать сингаз с отношением Н 2/СО, близким к 2, что необходимо для синтеза синтетической нефти или метанола, а также сингаз с высоким содержанием водовода для синтеза аммиака, или же сингаз с высоким содержанием СО для синтеза "охо". Указанные примеры приведены для сведения и не имеют ограничительного характера. Следует обратить внимание на полное или практически полное отсутствие сажи, нагара или других вредных продуктов в ходе конверсии более тяжелых углеводородов, таких как бутаны, которые присутствуют в некоторых испытаниях в значительных количествах. Напротив, увеличенная хрупкость более тяжелых углеводородов является "плюсом" для предлагаемого процесса в части расхода энергии, необходимого для получения сингаза или других ценных ненасыщенных продуктов. Это является существенным преимуществом предлагаемого процесса по сравнению с традиционными процессами, в которых возникает проблема отложения коксового остатка и гудрона, особенно при обработке легких углеводородов HCs, более тяжелых, чем метан. Наконец, следует отметить наличие существенных количеств (с регулируемым содержанием) ненасыщенных углеводородов С 2 Н 4 и С 2 Н 2 в предлагаемом процессе конверсии с со 002038 30 действием плазмы со скользящими разрядами. Такие углеводороды являются полезной добавкой к конечному продукту или бесплатным материалом для проведения другого органического синтеза. При перемешивании с сингазом они способствуют образованию углеводородных цепочек в ходе FT синтеза (эта информация получена из недавно опубликованной статьи профессора А. Лапидуса из Института органической химии, Москва). Следовательно, эти ненасыщенные молекулы, образованные одновременно с СО и Н 2 в ходе конверсии углеводородов при приложении скользящих разрядов, могут способствовать прямому внедрению усовершенствованного FT синтеза жидких углеводородов. В части технического уровня, следует отметить, что предложенный реактор и его системы работают с удивительной гладкостью, без повреждения электродов, держателей электродов, перфорированной перегородки, стенок реактора или зоны после плазмы в результате воздействия входящих реагентов и выходящих продуктов. Следует добавить, что совершенно не приходится менять Ni прутки в зоне после плазмы, которые подвергаются воздействию значительных температур (от 20 до 990 С) и давлений (от 1 до 6 бар), а также воздействию более тяжелых или легких углеводородов HCs,при различных отношениях О 2/НС и Н 2 О/НС,причем при некоторых испытаниях они работают с покрытием слоем сажи с очень низкими отношениями О 2/НС и Н 2 О/НС, при этом они открыты для воздействия плазмы воздуха или чистого кислорода, или чистого СО 2. Ясно, что их активность не зависит от предварительной обработки; они становятся химически активными при воздействии остаточного потока разновидностей, выходящих из зоны плазмы. Заключение Проведенные эксперименты показали жизнеспособность нового способа производства газов, богатых водоводом и моноксидом углерода, содержащих также существенные количества С 2 Н 4 и С 2 Н 2. Указанный способ состоит в получении этих газов при помощи скользящих электрических разрядов, которые тлеют непосредственно в природных газах NGs, перемешанных с водяным паром и/или чистым кислородом, обогащенным кислородом воздухом или даже атмосферным воздухом, причем практически при любых пропорциях. Это вызывает частичное окисление и/или крекинг указанных легких углеводородов HCs, однако без недостатков известных ранее процессов. Реагенты, частично конвертированные в отсеке со скользящими разрядами, затем проникают в другой отсек после плазмы, который может быть отделен от зоны прямой реакции при помощи перфорированной перегородки. Здесь, в присутствии все еще активных разновидностей, полученных в 31 разрядах и транспортируемых выходящим из зоны плазмы газом, указанные реагенты подвергаются дополнительной конверсии при более низких температурах, чем существующие в непосредственной зоне реакции. Таким образом, предложенный способ предусматривает частичное окисление и крекинг легких углеводородов HCs при активном присутствии водяного пара и/или элементарного кислорода, без необходимости применения любых других реагентов или катализаторов, а также без образования сажи, нагара или гудрона,которые могли бы помешать правильной работе реактора. Проведенные испытания ясно показывают легкость проведения частичного окисления в сочетании с паровым реформингом, инициируемым за счет добавки водяного пара в углеводородное сырье, или же при помощи водяного пара, создаваемого самопроизвольно за счет побочных реакций сверхокисления. Указанное частичное окисление и паровой реформинг также сопровождаются реформингом при помощи диоксида углерода, присутствующего в природном газе скользящих электрических разрядов, которые тлеют непосредственно в природных газах NGs, перемешанных с водяным паром и/или чистым кислородом, обогащенным кислородом воздухом или даже атмосферным воздухом, причем практически при любых пропорциях. Это вызывает частичное окисление и/или крекинг указанных легких углеводородовHCs, однако без недостатков известных ранее процессов. Реагенты, частично конвертированные в отсеке со скользящими разрядами, затем проникают в другой отсек после плазмы, который может быть отделен от зоны прямой реакции при помощи перфорированной перегородки. Здесь, в присутствии все еще активных разновидностей, полученных в разрядах и транспортируемых выходящим из зоны плазмы газом,указанные реагенты подвергаются дополнительной конверсии при более низких температурах, чем существующие в непосредственной зоне реакции. Таким образом, предложенный способ предусматривает частичное окисление и крекинг легких углеводородов HCs при активном присутствии водяного пара и/или элементарного кислорода, без необходимости применения любых других реагентов или катализаторов, а также без образования сажи, нагара или гудрона,которые могли бы помешать правильной работе реактора. Проведенные испытания ясно показывают легкость проведения частичного окисления в сочетании с паровым реформингом, инициируемым за счет добавки водяного пара в углеводородное сырье, или же при помощи водяного пара, создаваемого самопроизвольно за счет побочных реакций сверхокисления. Указанное частичное окисление и паровой реформинг также сопровождаются реформингом при помощи диоксида углерода, присутствующего в 32 природном газе NG, или создаваемого за счет побочных реакций сверхокисления. Указанное частичное окисление газообразных легких углеводородов HCs также сопровождается не каталитическим крекингом углеводородов. Предложенный способ позволяет также непосредственно преобразовывать электрическую энергию под высоким напряжением и при относительно малых токах в экзотермическое реактивное средство. Эти электрические условия, в сочетании с высокой скоростью средства образования плазмы в зоне разрядов, вызывают значительное нарушение электрического равновесия, а также термодинамического равновесия. Материал, вводимый в эту не равновесную зону плазмы со скользящими разрядами, вступает в реакцию не термическим образом. При проведении экспериментов не было никаких трудностей, поэтому легко может быть сделана экстраполяция на большие объемы. Несмотря на то, что один реактор не был оптимизирован, а второй имел плохую тепловую изоляцию, причем реагенты проходили только один раз через отсек плазмы с электрическими разрядами, а затем через зону после плазмы, существенная порция (или даже 100%) исходных молекул легких углеводородов HCs и кислорода могут быть конвертированы в сингаз и ненасыщенные углеводороды. Эта конверсия в значительной степени улучшается за счет квази точечной инжекции реагентов в зону разрядов при помощи форсунки (единичной или сдвоенной) и, возможно, за счет перфорированной диафрагмы, расположенной напротив форсунки,так, чтобы усиливать рециркуляцию реагентов в указанной прямой реактивной зоне. Предложенный способ позволяет получить некоторые из следующих выигрышей: преобразование углеводородов в продукты повышенной ценности (Н 2, СО, ненасыщенные углеводороды),единственным требующимся реагентом является вода и/или О 2,отсутствие любого обычного катализатора,весьма компактное оборудование, которое может быть установлено в ограниченных зонах(например, на морских нефтяных платформах,для конверсии попутных газов),способ не зависит от химического состава преобразуемой углеводородной смеси,скользящие разряды не имеют тепловой инерции, поэтому они без задержки реагируют на сигналы управления,за исключением случая использования атмосферного или обогащенного воздуха и конверсии природных газов NGs, первоначально богатых СО 2, результирующие продукты, после конденсации водяного пара, содержат очень мало СО 2 и другого постороннего балласта, который может увеличивать их объем, что делает проще конверсию и/или операции рециркуляции. 33 Несмотря на то, что были описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения, совершенно ясно, что они не носят ограничительного характера, причем специалистами в данной области в настоящее изобретение могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят, однако, за рамки приведенной далее формулы изобретения. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ конверсии углеводородов, в том числе метана СН 4, этана С 2 Н 6, пропана С 3 Н 8 и бутанов С 4 Н 10, за счет частичного окисления при помощи элементарного кислорода O2 или за счет одновременного реформинга при помощиO2 и водяного пара Н 2 О, отличающийся тем, что один или несколько углеводородов, перемешанных с водяным паром и/или кислородом, подвергают воздействию плазмы направленных электрических разрядов в скользящей электрической дуге для создания и поддержания химических реакций частичной или полной конверсии указанной смеси в синтетический газ, причем последний является смесью водорода Н 2 и моноксида углерода СО; этот синтетический газ может сопровождаться ненасыщенными углеводородами, такими как этилен С 2 Н 4 и/или ацетилен С 2 Н 2, полученными в том же самом процессе конверсии. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что один или несколько указанных углеводородов,подлежащих конверсии, именуемых сырьем,вступают в контакт с электрическими разрядами, причем указанное сырье перемешано с газообразным кислородом в объемном отношении О 2/сырье, по меньшей мере равном 0,22, при этом такая смесь может также содержать любую пропорцию водяного пара Н 2 О и/или азота N2 и/или диоксида углерода СО 2, причем смесь,которая содержит сырье и кислород, а также возможно Н 2 О и/или N2 и/или СO2, имеет природное происхождение, получена в результате промышленной деятельности или специально приготовлена ранее ее ввода в реактор с электрическими разрядами, или же специально приготовлена в самом реакторе за счет отдельного ввода предварительно нагретых газов. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем,что чистый элементарный кислород О 2 или кислород, который содержится в обогащенном кислородом воздухе или в атмосферном воздухе, частично или полностью преобразуется в моноксид углерода СО за счет входа в реакцию с одним или несколькими углеводородами, в контакте с электрическими разрядами, при наличии или отсутствии водяного пара и/или диоксида углерода. 34 4. Способ по пп.1-3, отличающийся тем,что конверсию осуществляют в присутствии металлического или керамического материала,нагретого до температуры не более 1100 С и введенного в контакт с потоком продуктов, полученных за счет частичной конверсии при помощи плазмы электрических разрядов, при условии, что указанный материал становится активным по отношению к процессу конверсии сырья в синтетический газ только в присутствии указанного потока продуктов, выходящих из зоны электрических разрядов, причем указанный материал при отсутствии указанного потока теряет активность по отношению к указанному процессу. 5. Способ по пп.1-4, отличающийся тем,что конверсию завершают при давлении в диапазоне от 7 кПа до 6 бар, причем температура конверсии, которая определена как температура любого твердого элемента, введенного в контакт с электрическими разрядами, составляет менее 1200 С. 6. Способ по пп.1-5, отличающийся тем,что продукты конверсии содержат Н 2 и СО с возможным сопровождением этиленом и/или ацетиленом при относительных содержаниях Н 2/СО, выраженных как моль/моль или объем/объем, составляющих от 0,46 до 3,05. 7. Способ по пп.1-6, отличающийся тем,что конверсию завершают без разложения углеводородного сырья на сажу, нагар или гудрон при относительных количествах, превышающих 0,5% по отношению к массе углерода, преобразованного в ходе процесса. 8. Устройство для осуществления конверсии углеводородов способом по пп.1-7, отличающееся тем, что оно включает в себя блок для получения скользящих электрических разрядов плазмы (4), который содержит отсек плазмы (15 а) и отсек после плазмы (15b); форсунку (5) в отсеке плазмы (15 а) для ввода предварительно перемешанной смеси (6),подлежащей преобразованию, или реагентов; диафрагму или другое подобное разделительное устройство, которое установлено между отсеком плазмы (15 а) и отсеком после плазмы(15b), причем отсек плазмы (15 а) сообщается с отсеком после плазмы (15b), где нет разрядов,таким образом, что реагенты в отсеке плазмы(15 а) усиливают рециркуляцию и одновременно позволяют газу протекать между отсеком плазмы (15 а) и отсеком после плазмы (15b), причем химические разновидности, содержащиеся в продуктах, полученных в результате контакта реагентов с разрядами, способствуют в присутствии металлического или керамического материала (19) конверсии продуктов, выходящих из отсека плазмы (15 а).