收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

协同驱动旋转滑动弧温等离子体重整甲烷/甲醇制氢基础研究

张浩  
【摘要】:氢能及氢燃料电池的高速发展及广泛应用使得应用于分散式制氢(如加氢站)及便携式制氢(如车载制氢)等中小规模场所的制氢工艺成为研究热点。等离子体重整制氢技术作为一种灵活高效,结构简单,启停迅速,无需催化剂的新兴技术,可以克服传统催化制氢方法存在的投资高,设备庞大,启动慢,流程复杂,催化剂易失活等缺点,在中小型制氢场所具有独特的优势。本文采用了一种新型的旋转气流和磁场协同驱动的旋转滑动弧温等离子体,用以克服传统滑动弧等离子体存在的等离子体区域小,活性粒子不均匀,反应物停留时间短,处理量小等诸多缺点。在对该新型滑动弧等离子体的物理化学特性充分研究和认识的基础上,将其在甲烷和甲醇重整制氢方面的应用进行了系统的实验和机理研究,为可能的工业应用提供了坚实的实验指导和理论依据。本文的主要研究内容及结论如下:(1)协同驱动旋转滑动弧物理特性表征。采用高速摄影、示波器和发射光谱技术分别对其电弧移动特性、电弧形态、电参数特性、活性粒子分布和光谱学特性等进行了研究,发现:旋转滑动弧可以绕内电极快速旋转(转速可达100转/s),形成稳定的三维“等离子体盘”区域,等离子体区域的体积,反应物的停留时间以及反应物与等离子体的接触面积较之传统滑动弧均明显增大;电弧的移动存在两种模式,当进气流量较小时,电弧绕内电极靠上的位置稳定旋转,此时的电弧弧长较长,有利于化学反应效率的提高;该旋转滑动弧等离子体的电子温度、电子密度和气体温度分别为1-2 eV、1013~1015 cm-3和1600-2850K,属于温等离子体,兼具热等离子体和低温等离子体特性,可以在保持较高反应效率的同时,极大的提升处理能力。(2)进行了甲烷裂解制氢的实验研究,研究了进气流量、外加电阻、反应物配比以及载气类型对反应效果的影响,并对反应效率进行了探讨,结果表明:进气流量的增大使得甲烷转化率和制氢电耗均逐渐降低;随CH4/N2比的增大,甲烷转化率在40 kΩ电阻的情况下会持续降低,而在70 kΩ电阻时则先降后增;获得的甲烷转化率最高可达87.5%,同时其处理能力(即进气流量)较传统的低温等离子体形式提高了2-3个量级,这对于可能的工业应用来说是极为重要的;此外,该反应还可产生C2H2等高附加值副产物,制取C2H2的电耗为21.8~114.1 kWh/kg,仅仅略高于工业电弧方法(10~80 kWh/kg)。(3)结合发射光谱分析及反应动力学模型的建立,对滑动弧裂解甲烷制氢的反应机理进行了系统的研究。发现:滑动弧CH4/N2等离子体中的光谱谱图以和谱线为主;H自由基在整体的甲烷转化中起到最重要作用,其中反应CH4+HμCH3+H2对甲烷转化的贡献率大于90%;H2主要来自于H原子与CH4.C2H4等的重组反应,其中又以CH4+HμCH3+H2反应为主,它对H2生成的贡献率大于85.9%;CH3自由基对C2H6、C2H4和C2H2的生成起到关键作用。(4)进行了甲醇裂解制氢的实验研究,对多种参数对反应效果的影响进行了系统的研究,并结合数学模型和敏感性分析,对不同因素的重要程度进行了探讨。结果表明:进气流量和甲醇进气浓度的增大均会显著降低甲醇的转化率,而增大供电电压及运行电流则可明显促进甲醇的分解;甲醇进气浓度、放电功率和进气流量是对滑动弧甲醇裂解反应影响最大的三个因素;与传统的低温等离子体形式相比,本文的旋转滑动弧展现了明显的优势,最高甲醇转化率可达95.6%,在保持高反应效率的同时,将甲醇的处理能力提高了1~3个量级;甲醇作为原料裂解制氢在反应效率及运行稳定性方面相比甲烷具有一定的优势。(5)采用发射光谱技术,对甲醇裂解制氢的反应机理进行了探讨,发现:滑动弧CH3OH/N2等离子体的振动温度高达8930(士1300)~14300(±800)K,远高于其他典型的低温等离子体形式,表明该等离子体中的振动态活性粒子(如N2(X,v)可能在甲醇的分解中起到重要作用。(6)首次进行了甲醇CO2重整(即干重整)反应的实验和机理研究,结果表明:该反应可同时制取大通量合成气并实现CO2的高效转化;甲醇和CO2可互相促进对方的转化,最大甲醇和CO2转化率分别为64.4%和18.6%;逆水汽变换反应是该过程中CO2转化的重要途径;CO2的转化效率高达34.0%~62.4%,远高于其他的低温等离子体形式(0.95%~19.33%),同时将C02的处理量提高了1-3个量级,该反应为CO2的高效转化提供了一种新的途径。


知网文化
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978