NO20110659A1 - Energieffektiv prosess og reaktor for a produsere nitrogenoksid - Google Patents

Abstract

Oppfinnelsen omhandler en energieffektiv prosess for fremstilling av NO fra luft eller luft anriket med oksygen, ved å anvende en elektrisk lysbue som formes og reguleres med hjelp av et magnetfelt og en vekselstrøm (AC) eller likestrøm (DC), å arbeide ved lavere enn atmosfærisk trykk, å anvende en bråkjøling med kald luft og motstrøms kjøling mellom føden og produktet i en kombinert varmeveksler og reaktor. Prosessen kan fiksere nitrogen fra luft med et energiforbruk på 30GJ/tonn N eller lavere, avhengig av de anvendte energigjenvinningsprinsipper.Denforeliggendeoppfinnelse omhandler også en reaktor som omfatter en lysbue og plasma-skive seksjon og en varmeveksler seksjon.

Description

Energieffektiv prosess og reaktor for å produsere nitrogenoksid

Teknisk område

Den foreliggende oppfinnelse omhandler en prosess for å produsere NO gass fra en fødestrøm av luft eller oksygenanriket luft, ved hjelp av en lysbue som beveges gjennom luftstrømmen ved bruk av et magnetfelt og vekselstrøm eller likestrøm i en reaktor. Den foreliggende oppfinnelse omhandler også en reaktor som omfatter en lysbue og plasma-skive seksjon og en varmeveksler seksjon.

Bakgrunn for oppfinnelsen

Industriell nitrogenfiksering ble i begynnelsen av det 20de århundre beskrevet ved seks forskjellige teknologiprinsipper av J.W. Mellor, "Inorganic and theoretical chemistry", "The fixation of atmospheric nitrogen" p. 366: (1) Fiksering av nitrogen med oksygen i en elektrisk lysbue plasma reaktor. Birkeland-Eyde (B-E) and Schonherr; (2) Kalsium Cyanamid prosessen. Reaksjon via kalsiumkarbid. Frank-Caro; (3) Barium Cyanid prosessen. En ett-trinns reaksjon mellom karbon og nitrogen. (4) Fiksering av nitrogen med hydrogen på en jernkatalysator. Haber-Bosch; (5) Absorpsjon av nitrogen i metall med en reaksjon til ammoniakk ved eksponering med vann; og (6) Nitrogen-fiksering i generelle forbrennings-prosesser.

I den industrielle utviklingen var de første fire prosessene dominerende, og i en periode konkurrerte de med hverandre. I den første prosessen som er den elektrisk lysbue-prosessen, reagerte nitrogen og oksygen i følge reaksjonen:

Utviklingen av ammoniakkprosessen involverte reaksjon mellom nitrogen og hydrogen fra vann og luft:

Den mest konkurransedyktige måten å produsere ammoniakk på i dag er ved dampreformering av metan, der det støkiometriske minimum er 18 GJ/tNhUog der beste praksis fra industrien er 27-30GJ/tNH3som tilsvarer 33-35GJ/tN. I denne prosessen er fordelen at hydrogenet også kommer fra energikilden.

Den første storskala produksjonsinitiativet der lysbuer ble anvendt ble utført av "Atmospheric Air Products Company" i Niagara Falls. Prosessen feilet på grunn av lavere enn forventet utbytte og høye energikostnader, og ble stengt etter en kort forsøksdrift.

Den første direkte nitrogenfiksering som klarte å levere et betydelig bidrag til verdens gjødselmarked var Birkeland og Eyde (B-E) prosessen. Selskapet "Norsk Hydroelektrisk Kvelstoff Aksjeselskap" ble etablert for å industrialisere denne prosessen.

B-E prosessen var fullstendig annerledes fra andre prosesser i det at den kontrollerte intensiteten i lysbuen ved hjelp av et magnetfelt. Lysbuen var formet som en todimensjonal skive. Luft ble ledet normalt inn på plasma-skiven fra begge sider gjennom to perforerte keramiske plater. Luften forlot plasma-skiven radielt inn i et ytre sirkulært oppsamlingsrør. B-E prosessen var lettere å skalere opp, starte opp, operere og kontrollere sammenlignet med andre prosesser.

Schonherr prosessen som var utviklet av BASF, bestod av en lysbue inne i en rørreaktor, med varmegjenvinning i en motstrøms varmeveksling av innløp- mot utløps-gassene. Rørreaktoren gav et bedre potensiale for drift under høyere trykk. Schonherr reaktorene var også installert på Notodden.

I lysbueprosessene var temperaturen beregnet til å ligge mellom 3000 og 4000 K. Utbyttet var normalt beskrevet som prosent NO oppnådd i luften i utløpet, og lå mellom 1%og2%.

Verdens forskning med flere typer småskala reaktorer hadde gitt høyere utbytter, men de fleste forsøk på å øke skala og kapasitet klarte ikke å møte forventingene.

Energiforbruket i B-E prosessen ble beskrevet som kgHNOVkilowatt-år.

Energiforbruket ved 3200 K var 285 kgHN03/kilowatt-år og det tilsvarer 474 GJ/tN. Dette inkluderer alle industrielle tap. Reaktorene kunne fungere bedre over kortere perioder med tett oppfølging. Belastningen hver reaktor kunne kjøres på spilte en betydelig rolle på energiforbruket. Det høye energiforbruket ble forklart ved de rammene reaksjonen måtte foregå under: • Den høye reaksjonstemperaturen 3000-4000 K var nødvendig for å dissosiere nitrogen. • Det maksimale utbyttet var 2% NO i luft, som betydde at det meste av energien gikk med til å varme opp lufta. • Varmegjenvinning ble ikke benyttet på grunn av de ekstreme temperaturene og den lave verdi på spillvarme.

Forbedringspotensialet var betydelig og dokumentert av det vitenskapelige miljøet. Enighet om hvordan prosessen kunne forbedres betydelig var: Å operere prosessen ved et høyere trykk var kjent å gi et høyere utbytte av NO. Utfordringen var imidlertid å finne materialer som kunne motstå trykk og temperatur.

Å anvende en katalysator for å senke den nødvendige temperatur for å

splitte N2 molekylet.

De følgende tre norske patenter støtter den første industrielle realisering og utvikling, og definerer de grunnleggende trekkene for den elektriske lysbueprosessen.

Norsk Patent 12961 fra 20de februar 1903 er den originale Birkeland metoden der en elektrisk lysbue er formet som en skive ved hjelp av et magnetfelt og vekselstrøm. Det er ikke oppgitt driftsdata i patentet, men den industrielle prosessen gav 1%-2% NO og et totalt energiforbruk på 300-500GJ/tN.

Norsk Patent 20487 fra 22de juli 1908 av BASF, beskriver at ved direkte kontakt for nedkjøling av plasma er et utbytte på 9,5% til 14% oppnåelig. Kontaktkjølingen ble oppnådd ved å senke trykket for å ekspandere volumet og den yttre overflaten av plasmaet. Energiforbruket var rapportert som 90gHNO3/kWh = 8.8 GJ/tN. Patentet refererer til Journal of chemical Soc. 1897, vol 71, side 181 og siterer at å senke trykket i seg selv ikke har en uavhengig effekt på utbyttet. Patentet påstår videre at høyere trykk er bedre for omsetningen til NO, men at lavt trykk er nødvendig for den direkte kontaktkjølingen, og for å redusere dekomponeringen av NO.

Norsk Patent 19862 fra 9de juli 1909, av BASF, hevder at ved å bruke en luftkjølt rør-formet anode er det mulig å produsere kald plasma. Patentet hevder at normalt til lavt undertrykk er nødvendig for å redusere temperaturen på anoden og det produserte plasma.

Neste generasjon av patenter fokuserer på å forbedre de enkelte og initielle egenskapene ved hjelp av forskjellige praktiske løsninger.

Sveitsisk patent 105135 fra 5te april 1917 beskriver bruk av forskjellige lysbuer satt opp for å gi en kontinuerlig plasma-lysbue som videre er kjølt med eksterne gasser alene eller med gas som inneholder fast stoff. Det er ikke oppgitt noen effektivitetstall.

Britisk patent 159709 fra 10de mars 1921 beskriver en metode som benytter et magnetfelt for å forme en elektrisk lysbue-dyse. Det er ikke oppgitt noen effektivitetstall.

US Patent 1.902.384 fra 21de mars 1933 beskriver en metode for å forme en plasma-lysbue ved hjelp av et magnetfelt uten å bruke vekselstrøm. Det er ikke oppgitt noen effektivitetstall.

US Patent 2.485.476 fra oktober 1949 beskriver en metode som kombinerer sykliske høyspennings- og lavspennings-elektroder. Den oppnådde effekt kommer ved at endringer av bølgelengder kan gi et optimalt utbytte. De rapporterte effektivitetstall varierer mellom 30 og 120gHNO3/kwh, som tilsvarer 6,6 to 24 GJ/tN.

British Patent 700.801 fra<9>de desember 1953 beskriver en metode for å oppnå to plasmafaser, en som produserer negative ioner og en annen som produserer positive ioner, fra høyfrekvent vekselspenning i de elektriske feltene. Blanding og ekstraksjon av blandingen fra plasmasonen reduserer ytterligere dekomponeringen av de dannede oksider. Effektivitetstall, totalt utbytte ligger på 14,5-115gHN03/kwh og netto utbytte ligger på 100-300gHNO3/kwh.

Britisk patent 915.771 fra 16de januar 1963 beskriver en metode som produserer kald plasma ved å operere i overkant av 400mmHg og påføre et alternerende elektrisk felt i radiofrekvensområdet. Metoden brukes for forskjellige prosesser. Det er ikke oppgitt noen effektivitetstall for produksjon av NO ved 400 mmHg. Fra drift på 1 atm oppgis 0,3-5% NO med et energiforbruk på 16-68gHN03/kwh. 16gHN03/kwh er under det teoretisk mulige.

US Patent 3.439.196 fra 15de april 1969 og US Patent 3,471,723 fra 7de oktober 1969 beskriver en konseptuell fullstendig industriell prosess for å produsere salpetersyre basert på en forbedret måte å tilføre og gjenvinne energien med en magnetohydrodynamisk generator. Prosessen opererer over atmosfæretrykk. Det er ikke oppgitt noen resultater i patentene.

US Patent 3.666.408 fra 30de mai 1972 beskriver en prosess hvor oksygen- og nitrogenplasma er produsert og ekspandert inn i en blandesone. Patentet etterfølger US patent 805,069 fra 27de desember 1968 og US patent 639,880 fra 19de mai 1967. Patentet anvender et ekspansjonsforhold fra 30:1 til 200:1. Det laveste rapporterte energiforbruket for denne prosessen er 2000-3000BTU/lb behandlet gass, som tilsvarer 86-130GJ/tN. I tillegg kommer energiforbruket for luftseparasjon og komprimering som synes i gi prosessen et uakseptabelt og uunngåelig høyt energiforbruk.

US Patent 4,267,027 fra 12te mai 1981 beskriver en prosess for å lage nitrogenoksider ved å bråkjøle plasma fra en uspesifisert plasmastråle. Bråkjølingen består av en katalysatoroverflate kjølt utenfra med kjølerør. Det er ikke dokumentert noen resultater i patentet.

US Patent 4,705,670 fra 10de desember 1987 beskriver et prinsipp for å fordele mikroutladninger over en elektrisk ledende væske som skal absorbere den NO som dannes. Det er ikke dokumentert noen resultater i patentet.

US Patent 4,877,589 fra 31de oktober 1989 beskriver en prosess der en elektrisk lysbue opereres nede i en katalysatormasse der katalysatoren kan være forskjellige høytemperatur-bestandige materialer. De påståtte effekter er beskyttelse mot ultrafiolett lys, lager turbulens og fordeler varme. Det er ikke dokumentert noen resultater i patentet.

US Patent 4,833,293 fra 23de mai 1989 beskriver elektrisk plasma nitrogen reaktor med en slags varmegjennvinningsvei. Prinsippet består i varmeakkumulerende pellets kombinert med pulserende reversert strøming. Det er ikke dokumentert noen resultater i patentet.

De tre eldste konseptuelle patentene er de norske patentene 12961, 20487 og 19862 fra perioden 1903-1909. Disse patentene kommer fra de to selskapene som bidro til den industrielle realiseringen av den elektriske lysbueteknologien. Disse tre patentene beskriver to uavhengige effekter med begrenset detaljering.

N012961 beskriver bruk av et magnetfelt for å ekspandere overflaten og kontaktfasen mellom lysbuen og luften for derved å kunne frigjøre store energimengder inn i et stort volum av luft.

NO20487 bruker lavt trykk for å redusere energiintensiteten og temperaturen av plasmaet for å muliggjøre kjøling ved direkte kontakt med lysbuen. Patentet refererer til Journal of Chemical Soc. 1897, vol 71, side 181, og hevder reduksjonen av trykket alene ikke har noen uavhengig effekt på utbyttet.

NO 19862 beskriver anvendelse av lavt trykk for å redusere energiintensiteten og temperaturen. Utbyttet beskrives å være høyere med høyere trykk. Det eneste kravet er kjøling av lysbuen og elektroden ved å sende luften gjennom en hul elektrode.

Kjent teknologi har fokusert på å løse material- og temperatur-utfordringene og kan grupperes i: Anvende et magnetfelt for å bevege lysbuen gjennom lufta for å lage et stort

plasmavolum ved lavere temperatur.

Øke trykket for å oppnå et høyere utbytte av NO.

Redusere trykket for å ekspandere lysbuen og plasmavolumet for å oppnå

en lavere temperatur.

Bråkjøling med luftinnblanding, vannspray eller med en gass som

inneholder faststoff for å lage et kaldere plasma.

Kjøling med direkte kontakt i en kjøler.

Kjent teknologi har ikke klart å forbedre utbyttet og energieffektiviteten betydelig, etter den første demonstrerte teknologien fra 1900-1910. Splitting av nitrogenmolekylet krever høy temperatur og høy energiintensitet. Den høye temperaturen er en utfordring for materialene som inneholder og kjøler lysbuen og plasmaet.

Utfordringen har vært å utforme en prosess hvor en høy-temperatur lysbue kan splitte en høy fraksjon av nitrogenmolekyler og hvor det dannede plasma kan stabiliseres og kjøles uten å ødelegge avgrensningsmaterialene.

De termodynamiske egenskapene til reaktantene og reaksjonsproduktene har tilsynelatende også vært en hindring for en videre utvikling av prosessen. Anvendes Gibbs frie energi og Arrhenius for å finne likevekten for reaksjon I,

viser det seg at ved 3500K er NO konsentrasjonen ved likevekt kun 2% NO. Temperaturen må økes til 9000K før NO konsentrasjonen vil nå 10%. Oppvarming av luften til fra 2000 til 3000K tilsvarer et energiforbruk på 300-500 GJ/tN. Dette er nok til å skremme de fleste kjemikere fra å tro at denne prosessen er mulig. Dette er også hvorfor de fleste patenter og konsepter er forlatt.

Sammendrag av oppfinnelsen

Den omhandlede oppfinnelse er en energieffektiv prosess for å lage NO fra luft eller luft anriket med oksygen. Oppfinnelsen anvender en elektrisk lysbue som er formet og kontrollert ved hjelp av et magnetfelt. Funksjonen til magnetfeltet er å bevege lysbuen gjennom luften og plasmaet i høy hastighet og med en lengre vei som vil gi en blanding av ionisert og dissosiert luft. Både vekselstrøm og likestrøm kan benyttes. Vekselstrøm vil gi alternerende bevegelser av lysbuen i motsatte retninger. Prosessen opererer under atmosfærisk trykk. Dette øker dissosiasjonen i plasmaet og reduserer dekomponeringshastigheten av det dannede NO. Prosessen kan også tilføres en direkte strøm av relativt kald luft for å bråkjøle plasmaet, før kontaktkjøling av plasmaet i en motstrøms varmeveksler. Varmevekslingen gjøres mellom føden inn i og produktet ut av reaktoren. Prosessen kan fiksere nitrogen fra luft med et energiforbruk på 30GJ/tN eller lavere, avhengig av anvendt prinsipp for energigjenvinning.

Den foreliggende oppfinnelse omhandler også en reaktor som omfatter en lysbue og plasma-skive seksjon og en varmeveksler seksjon.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen

Den foreliggende oppfinnelse omhandler en prosess for å produsere NO gass fra en fødestrøm av luft eller oksygenanriket luft, ved å bevege en elektrisk lysbue gjennom luftstrømmen ved å bruke et magnetfelt og vekselstrøm (AC) eller likestrøm (DC), i en reaktor, hvor det anvendes et trykk lavere enn 1 bar, hvor temperaturen i den eksiterte lysbuen justeres til å være i området 3000 til 5000 Kelvin, og hvor luftstrømmen bråkjøles ved hjelp av overskuddsføde eller omluft for å oppnå et stabilt NO-inneholdende plasma som har en temperatur under 2000 Kelvin.

I en utførelsesform av prosessen er trykket 0,1-1 bar, fordelaktig 0,2-0,8 bar, mer fordelaktig 0,5 bar.

I en ytterligere utførelsesform av prosessen justeres temperaturen i den eksiterte lysbuen til å være innenfor området 3500 og 4700 Kelvin.

I en ytterligere utførelsesform av prosessen bråkjøles luftstrømmen ved hjelp av overskuddsføde eller omluft for å oppnå et stabilt NO-inneholdende plasma med en temperatur under 1500 Kelvin.

I en ytterligere utførelsesform av prosessen er reaktoren en lysbue og en plasma-skive reaktor.

I en ytterligere utførelsesform av prosessen omfatter lysbue og plasma-skive reaktoren en varmeveksler for å redusere oppholdstiden og for å kombinere kjøling av produktgassen og forvarming av fødegassen.

I en ytterligere utførelsesform av prosessen er varmeveksleren en rørsats-varme veksler.

I en ytterligere utførelsesform av prosessen er varmeveksleren en motstrøms varmeveksler.

I en ytterligere utførelsesform av prosessen reduseres oppholdstiden ytterligere ved å bruke varmevekslerens rørender som anoder for roterende plasma lysbue-koner med tilsvarende katoder plassert motsatt hvert rør.

I en ytterligere utførelsesform av prosessen reduseres oppholdstiden til 0,1 sekund for å oppnå 8 volum % NO, fortrinnsvis mindre enn 0,001 sekund for å oppnå 12 volum % NO.

Den foreliggende oppfinnelse omhandler også en reaktor som omfatter en lysbue og plasma-skive seksjon og en varmeveksler seksjon.

I en utførelsesform av reaktoren er varmeveksleren en rørsats-varmeveksler.

I en ytterligere utførelsesform av reaktoren er varmeveksleren en motstrøms varmeveksler.

Reaktoren kan også beskrives som en lysbue og plasma-skive reaktor som omfatter en varmeveksler.

Den foreliggende oppfinnelse er basert på en omfattende studie og tilbake-beregning av Birkeland Eyde prosessen basert på inspeksjon av den fysiske reaktoren, historiske dokumenter og prosessbeskrivelser fra Notodden museum i Norge. Dette gav oppfinneren en ny forståelse av BE prosessen, og en ny basis for å forstå resultater og nødvendige mekanismer som er nødvendig for å gi de virkelige utbytter og dokumentert energiforbruk. Den nye forståelsen og avledete modeller, viste seg å kunne simulere resultater og observasjoner fra den virkelige prosessen.

Den nye forståelsen av kjent teknologi omfatter følgende kombinasjon av energitilførsel for den prosessen med høyeste ytelse 1 MW reaktorer:

307 GJ/tN Energitilførsel til elektrisk lysbue og magnetfelt.

110,0 " Energi tapt i kjølevann for elektrodekjøling, Figur 3 (12).

6,6 " Energi tapt til omgivelsene fra den ytre reaktoroverflaten, Figur 3 (14).

6,4 " Absorbert som kjemisk energi eller entalpi i det dannede NO.

184 " Energi i produktgass som forlater reaktoren, Figur 3 (8).

Det faktum at reaktorens utløpstemperatur bare er 975 Kelvin og den målte lysbue- og rektortemperatur er i området 3200 Kelvin kan forklares ved lysbue-reaktorens natur. I reaktoren er det bare en fraksjon av den totale luftmengden som går gjennom reaktoren som blir direkte oppvarmet og eksitert av lysbuen. Hoveddelen av luften fungerer som blandings-kjølemedium som reduserer temperaturen av luften i lysbuen fra 3200 Kelvin til et blandingsplasma på 975 Kelvin.

Kort beskrivelse av figurene

Figur 1 and 2 forklarer hvordan det magnetiske feltet beveger lysbuen gjennom plasma og luft. Figur 3 viser en prosessbeskrivelse med strømnummere som refererer til tabell 2. Figur 4 viser hvordan en motstrøms rørsats-varmeveksler forvarmer fødeluften og kjøler produktgassen fra plasma-skiven som i figurer 1 og 2. Figur 5 viser hvordan plasma-lysbuer kan plasseres på hver rørende i en varmeveksler, og hvordan føden av ekstra kjøleluft og katoder er arrangert på motsatt side.

Figur 6 viser rektoren og varmeveksleren kombinert i en enhet.

Forklaring på nummere brukt i figurene og tabeller:

(1) (1.1) to (1.7) er elektriske lysbuer og gass generert direkte av lysbuen.

(2) Magnetfeltet.

(3) (3.1) & (3.2) er elektroder.

(4) Magnetiske poler.

(5) Fødeluft.

(6) Fødeluft som går gjennom lysbuen.

(7) Dyser for å sende forvarmet fødeluft inn i lysbuen og plasmasonen (1).

(8) Gassblanding av luft gjennom lysbuen og ekstra kjøleluft før varmegjenvinning.

(9) Gassutløp.

(10) Varmegjenvinning i form av damp fra utløpsgass (9).

(11) Ekstra kjøleluft som omgår lysbuen.

(12) Elektrode-varmetap fra kjøling som kan gjenvinnes som damp eller varmt vann.

(13) Varmegjenvinningsenhet for dampproduksjon fra energi i gassutløp.

(14) Varmetap til omgivelsene.

(15) Reaktor.

(16) Varmeveksler.

Definisjoner:

% er mol prosent

K er absolutt temperatur i Kelvin.

°C er grader Celsius.

Bar er bar absolutt. 1 bar = 100.000 Pascal

GJ er Giga Joule =1.000.000.000 Joule

tN er metriske tonn av Nitrogen.

AHfer endring i dannelsesenergi for reaksjonen

AGf er endring i Gibbs frie energi for reaksjonen.

HNO3er Salpetersyre

Figur 1 viser prinsippet for hvordan de magnetiske polene (4) er plassert normalt på plasma lysbue-skiven (1). Elektrodene (3.1) og (3.2) nærmer seg hverandre i sentret for det horisontale plasmaområdet. Magnetfeltet (2) står normalt på plasma-skiven. Figur 2 viser hvordan lysbuen starter (1.1) og hvodan den blir trukket utover av magnetfeltet (1.2), (1.3) og (1.4) før den elektriske spenningen blir høy nok til å starte en ny lysbue (1.5). Når retningen til strømmen har skiftet, blir lysbuen trukket til motsatt side (1.6) og (1.7). Det er ingen endring i det magnetiske feltets retning. Lysbuen kan bevege seg ved lydens hastighet fra senter til den ytre periferien, og kan gå flere ganger til samme side før strømmen skifter retning.

For å lage en numerisk simulering av prosessen ble det etablert en pseudo likevekt for betingelsene i selve lysbuen.

Likevekten bestod av en kombinasjon av dissosiasjonen av komponentene:

Likevektsmodellen er en modifisert Arrhenius med Gibbs frie energi fra litteraturen. Modellen ble korrelert mot kjente eksperimentelle og industrielle data.

Tabell 1: Tabell 1 viser en simulering av likevektsituasjonen i selve lysbuen, ved bruk av pseudo likevekt ved den angitte temperatur og trykk for lysbuen. Resultatene viser den nødvendige dissosiasjon i lysbuen for å oppnå 1-2% NO i det relativt kalde plasmaet eller gassutløp.

Modellen inkluderer dekomponering av dannet NO som en funksjon av temperatur og oppholdstid etter lysbuen. Modellen bekrefter tidligere teknikk og vitenskapelig enighet om at høyere trykk vil gi et høyere utbytte av NO, Ref. Tabell 1 Høyt trykk eksempel 8 og Tabell 2 eksempel 8.

På denne basis var det forventet at å redusere trykket ville gi et lavere utbytte av NO. Til oppfinnerens overraskelse vist modellen et høyere utbytte ved lavere enn atmosfæretrykk.

Modellen bekrefter at lysbuen inneholder høyere fraksjoner av N<*>(reaktive nitrogenatomer) og O<*>(reaktive oksygenatomer) enn det Gibbs likevekt basert på normal termodynamikk gir. I en bråkjøling med innblanding av kald luft eller ved kontaktkjøling blir likevektsreaksjonene for langsomme og dominert av den statistiske sannsynlighet for rekombinering til NO mot N2og O2.

Når trykket senkes forsterkes denne effekten ytterlige. I følge Le Chatliers prinsipp er dissosiasjonen høyere ved lavere trykk. I utviklingen av prosessen og korrelering av modellene for hver enhetsoperasjon, ble det opplagt at en prosess operert under atmosfæretrykk ga betydelige fordeler også for det totale energiforbruket.

Referanseeksemplene for atmosfære forhold gav et umulig energiforbruk på 250-450 GJ/tN. Modellen og tester viste ofte under 2% NO i utløpsgassen, noe som også er bekreftet i driftsdata. Når NO utbyttet økes fra 2% til 10% blir energiforbruket per tonn N2konvertert til NO redusert med 80%.

Det er teoretisk og praktisk mulig å komme høyere enn 12% NO i utløpsgassen, men 12% er det optimale når føden er luft. Resten av oksygenet trengs for dannelsen av HNO3som i en normal salpetersyreprosess.

Det er også mulig å separere nitrogenet fra oksygenet og variere konsentrasjonene. Dette har en begrenset effekt og energikostnadene for drift av en luftseparasjon ASU enhet er normalt 5-10 GJ/tN, som er mere enn det som vinnes ved et høyere utbytte.

Figur 3 er et forenklet prosessdiagram for nøkkelparameterne for prosessen og energieffektiviteten. Fødeluften (5) kommer inn i reaktoren hvor lysbuen (1) beveger seg i plasmasonen. En del av fødeluften (6) blir ionisert, eksitert og varmet til 3000-5000K direkte av lysbuen (1). Resten av fødeluften (11) passerer gjennom rektoren utenfor lysbuen, og blir blandet med den oppvarmede luften (6). Den blandede gassen (8) er en blanding av eksitert luft (6) og omluft (11). Kjølingen av elektrodene er et potensielt energitap (12) som kan gjenvinnes som varmt vann eller damp. Energigjenvinningen (10) fra den blandede utløpsgassen (8) kan gjøres med en dampkjel (13) eller ved å forvarme fødegassen. Varmetapet til omgivelsene er strøm (14). Tabell 1 refererer til de samme numrene for gasstrømmen som i figur 3.

For å teste de totale energieffektivitetseffekter, ble prosessen gitt i figur 3 etablert og simulert. Resultatene for de forskjellige eksemplene er beskrevet i Tabell 2.

Forklaring til kolonnene I Tabell 1:

P er driftstrykket i reaktoren.

5, 6, 8 og 9 gir prosesstemperaturen som referer til prosesstrømmene i Figur 3.

NO viser hvor mye NO som er analysert i utløpsgassen

Gjenvinning % viser hvor mye av den ekstraherte energien som er gjenvunnet med verdi, eller hvor mye tapet er redusert. Effektiviteten er ikke anvendt for kompresjonsenergien.

Kpr = kompresjonsenergi er beregnet med 80% adiabatisk effektivitet og 25% gjenvunnet energi i en ekspansjons- eller innløps-turbin, ellers ingen gjenvinning. Omgivelsestap er varmetap fra overflaten av reaktoren og tilkoblede rør. Reduksjon av tapet med bedre isolering i forhold til original design. Elektrodetap er fra kjøling av elektroden. Dette tapet kan reduseres ved å utnytte den produserte dampen og eller med bedre elektrodemateriale eller ved å lage anoden slik at den kjøles av innløpsluften.

Luftutløpstap er energien i gassen etter bråkjøling. Denne energien kan gjenvinnes i en dampkjele slik det var gjort i det originale arrangementet men ikke kreditert til prosessen.

Forklaring på rad-nummere i Tabell 1 som viser resultatet av de forskjellige simuleringene: 1 Kjent teknikk, referanse eksempel fra full-skala produksjon med rapporterte parametere. 0% varmegjenvinning betyr ingen kredit for dampproduksjon fra gassen. Merk også at (9) er 975 K hvilket betyr ingen varmegjenvinning fra utløpsgassen og at dekomponering av NO gir bare 0,8% NO i utløpsgassen. 2 Kjent teknikk, referanse eksempel med 100% energigjenvinning for å verifisere varmebalansen. Utløpstemperaturen (9) er redusert til 300K og all energi gjenvinnes. 6,4 GJ/tN er dHffor NO dannelsen fra N2og O2. NO utbyttet er forbedret to 1,6% på grunn av kjølingen. Det er også forklaringen på det lavere energiforbruket sammenlignet med foregående eksempel. 3 Kjent teknikk, referanse eksempel med 75% varmegjenvinning. Betydelig forbedring, men fortsatt langt fra å være konkurransedyktig. Hovedårsak er lavt NO utbytte. 4 Oppfinnelsen, Anvendelse av et trykk på 0,2 bar. Detter gir mer N2dissosiasjon ref. tabell 1. Det høyere endelige NO utbyttet på 2,2% reduserer den spesifikke effekten av tapene. 5 Oppfinnelsen, anvendelse av 4500 K lysbue-temperatur ved 0,2 bar trykk. Dette gir ytterlige mer dissosiering av N2ref. Tabell 1, og betydelig bedre energieffektivitet da det endelige NO utbyttet øker til 7,5%. 6 Oppfinnelsen, demonstrerer effekten av å kjøle til en lavere endelig temperatur. Dette er i hovedsak en energigjenvinningseffekt, men utbyttet blir også forbedret på grunn av forbedret kjøling. 7 Oppfinnelsen, samme som 6, men med effekten av økt trykk til 0,5 bar. Det lavere utbyttet resulterer i lavere spesifikk kompresjonsenergi. Den lavere dissosiasjonen ref. tabell 1, gir øker det spesifikke energiforbruk. 8 Et eksempel for allmenkjent kunnskap for drift ved 5 bar. Effekten er positiv men 5 bar trykk er mindre fordelaktig enn 0,2 bar = 0,8 bar undertrykk. 9 Et eksempelstudie for økt temperatur til 5500 K. Det endelige prosessutbyttet øker ikke selv om dissosiasjonen er høyere, ref. Tabell 1. Den termiske dekomponeringen av NO er for høy og den ekstra energitilførselen gir høyere spesifikt energiforbruk.

Simuleringene viser videre at med en oppholdstid på mindre enn 0,001 sekund, kan 12% NO i luft oppnås med et energiforbruk på 21 GJ/tN. Følgende betingelser er realistiske for normale høytemperatur legeringsmaterialer og for små reaktorer.

Nødvendig utstyr for å lage og operere en slik prosess kan etableres ved å anvende kjente enhetsoperasjons-prinsipper, der det sikres en geometrisk utforming som tilfredsstiller den simulerte turbulens og oppholdstid. Dimensjonene på den fullskala prosess som var i drift på Rjukan og Notodden i Norge var langt fra optimale, men reaktorene med 2 MW effekt og 1 meter diameter beviser at prosessen er industrielt gjennomførbar.

Den foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en prosess der fødeluften strømmer perpendikulært inn på og ut av den elektriske lysbue plasma-skiven. Dette forkorter oppholdstiden og øker blanding og turbulens betydelig fra kjent teknikk. Figur 4 viser prinsippet for hvordan gassene kan forvarmes og kjøles i en motstrøms varmeveksler (16). Varmevekslingen sikrer lavere energibehov for å nå de optimale plasmabetingelser. Fødeluftstrømmen (5) går gjennom varmevekslerens (16) rør. Rørene er utstyrt varmeresistente dyser (7) for trykkfall og stråleføder luften inn i reaktoren (15) hvor den elektriske lysbuen (1) varmer luften som går gjennom den. Gassen som går ut av plasmabuen (8) blandes med fødeluft (11) som ikke går gjennom den elektriske lysbuen (1). Utløpsgassen (9) på skallsiden av varmeveksleren (16) blir kjølt med fødeluft (5) fra rørsiden. Magnetfeltet løper parallelt med lengden av rørene. Figur 5 viser et prinsipp for videre forbedring ved å bruke roterende koniske elektriske plasmabuer (1) på hvert rør. Rørene er anoder (3.1) og katodene (3.2) er plassert motsatt rørende-anodene. I dette tilfelle kan strømmen være likestrøm. Fødeluften (5) strømmer inn gjennom varmevekslerens (16) rør, og produktgass (9) forlater varmevekslerens (16) skallside. Den alternative bråkjølingsgassen (11) strømmer inn fra katodesiden og blandes med plasmabuen (1) for å danne kaldere stabil plasma (8), som videre blir kjølt i varmevekslerens (16) skallside for å bli produktgassen (9). Den elektriske lysbuen (1) roterer i plasmaet. Det magnetiske feltet løper parallelt med lengden av rørene. I dette tilfellet vil ikke anode-kjøling være nødvendig, og rørene kan foretrukket lages av kopper.

Figur 6 viser hvordan reaktoren og varmevekseleren er kombinert i en enhet. I varmeveksleren blir fødeluften (5) forvarmet og utløpsgassen (9) blir kjølt. Reaktoren (15) inneholder den elektriske lysbuen (1) og den blandete plasmasonen (8). Luften strømmer inn (5) gjennom rørsiden av varmeveksleren (16) før den stråles inn i reaktoren gjennom dysene (7). I reaktoren (15) blandes og varmes luften av lysbuen (1) før blandingen strømmer ut gjennom skallsiden av varmeveksleren (16) til utløpet (9).

Claims (13)

1. Prosess for å produsere NO gass fra en fødestrøm av luft eller oksygenanriket luft, ved å bevege en elektrisk lysbue gjennom luftstrømmen ved å bruke et magnetfelt og vekselstrøm (AC) eller likestrøm (DC), i en reaktor, hvor det anvendes et trykk lavere enn 1 bar, hvor temperaturen i den eksiterte lysbuen justeres til å være i området 3000 til 5000 Kelvin, og hvor luftstrømmen bråkjøles ved hjelp av overskuddsføde eller omluft for å oppnå et stabilt NO-inneholdende plasma som har en temperatur under 2000 Kelvin.

2. Prosess ifølge krav 1, hvor trykket er 0,1-1 bar, fordelaktig 0,2-0,8 bar, mer fordelaktig omtrent 0,5 bar.

3. Prosess ifølge krav 1 eller 2, hvor temperaturen i den eksiterte lysbuen justeres til å være innenfor området 3500 og 4700 Kelvin.

4. Prosess ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, hvor luftstrømmen bråkjøles ved hjelp av overskuddsføde eller omluft for å oppnå et stabilt NO-inneholdende plasma med en temperatur under 1500 Kelvin.

5. Prosess ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, hvor reaktoren er en lysbue og plasma-skive reaktor.

6. Prosess ifølge krav 5, hvor lysbue og plasma-skive reaktoren omfatter en varmeveksler, for å redusere oppholdstiden og for å kombinere kjøling av produktgassen og forvarming av fødegassen.

7. Prosess ifølge krav 6, hvor varmeveksleren er en rørsats-varmeveksler.

8. Prosess ifølge krav 6 eller 7, hvor varmeveksleren er en motstrøms varmeveksler.

9. Prosess ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, hvor oppholdstiden ytterligere reduseres ved å bruke varmevekslerens rørender som anoder for roterende plasma lysbue-koner med tilsvarende katoder plassert motsatt hvert rør.

10. Prosess ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, hvor oppholdstiden reduseres til 0,1 sekund for å oppnå 8 volum % NO, fortrinnsvis mindre enn 0,001 sekund for å oppnå 12 volum % NO.

11. Reaktor som omfatter en lysbue og plasma-skive seksjon og en varmeveksler seksjon.

12. Reaktor ifølge krav 11, hvor varmeveksleren er en rørsats-varmeveksler.

13. Reaktor ifølge krav 11 eller 12, hvor varmeveksleren er en motstrøms varmeveksler.