協(xié)同驅(qū)動旋轉(zhuǎn)滑動弧溫等離子體重整甲烷-甲醇制氫基礎(chǔ)研究.pdf

1、氫能及氫燃料電池的高速發(fā)展及廣泛應(yīng)用使得應(yīng)用于分散式制氫（如加氫站）及便攜式制氫（如車載制氫）等中小規(guī)模場所的制氫工藝成為研究熱點。等離子體重整制氫技術(shù)作為一種靈活高效，結(jié)構(gòu)簡單，啟停迅速，無需催化劑的新興技術(shù)，可以克服傳統(tǒng)催化制氫方法存在的投資高，設(shè)備龐大，啟動慢，流程復(fù)雜，催化劑易失活等缺點，在中小型制氫場所具有獨特的優(yōu)勢。本文采用了一種新型的旋轉(zhuǎn)氣流和磁場協(xié)同驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)滑動弧溫等離子體，用以克服傳統(tǒng)滑動弧等離子體存在的等離子體區(qū)域

2、小，活性粒子不均勻，反應(yīng)物停留時間短，處理量小等諸多缺點。在對該新型滑動弧等離子體的物理化學(xué)特性充分研究和認(rèn)識的基礎(chǔ)上，將其在甲烷和甲醇重整制氫方面的應(yīng)用進行了系統(tǒng)的實驗和機理研究，為可能的工業(yè)應(yīng)用提供了堅實的實驗指導(dǎo)和理論依據(jù)。本文的主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下：
　?。?）協(xié)同驅(qū)動旋轉(zhuǎn)滑動弧物理特性表征。采用高速攝影、示波器和發(fā)射光譜技術(shù)分別對其電弧移動特性、電弧形態(tài)、電參數(shù)特性、活性粒子分布和光譜學(xué)特性等進行了研究，發(fā)現(xiàn)：旋轉(zhuǎn)滑動

3、弧可以繞內(nèi)電極快速旋轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)速可達100轉(zhuǎn)/s），形成穩(wěn)定的三維“等離子體盤”區(qū)域，等離子體區(qū)域的體積，反應(yīng)物的停留時間以及反應(yīng)物與等離子體的接觸面積較之傳統(tǒng)滑動弧均明顯增大；電弧的移動存在兩種模式，當(dāng)進氣流量較小時，電弧繞內(nèi)電極靠上的位置穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，此時的電弧弧長較長，有利于化學(xué)反應(yīng)效率的提高；該旋轉(zhuǎn)滑動弧等離子體的電子溫度、電子密度和氣體溫度分別為1~2 eV、1013~1015 cm-3和1600~2850K，屬于溫等離子體，兼具熱等

4、離子體和低溫等離子體特性，可以在保持較高反應(yīng)效率的同時，極大的提升處理能力。
　?。?）進行了甲烷裂解制氫的實驗研究，研究了進氣流量、外加電阻、反應(yīng)物配比以及載氣類型對反應(yīng)效果的影響，并對反應(yīng)效率進行了探討，結(jié)果表明：進氣流量的增大使得甲烷轉(zhuǎn)化率和制氫電耗均逐漸降低；隨CH4/N2比的增大，甲烷轉(zhuǎn)化率在40 kΩ電阻的情況下會持續(xù)降低，而在70 kΩ電阻時則先降后增；獲得的甲烷轉(zhuǎn)化率最高可達87.5％，同時其處理能力（即進氣流量）

5、較傳統(tǒng)的低溫等離子體形式提高了2~3個量級，這對于可能的工業(yè)應(yīng)用來說是極為重要的；此外，該反應(yīng)還可產(chǎn)生 C2H2等高附加值副產(chǎn)物，制取C2H2的電耗為21.8~114.1 kWh/kg，僅僅略高于工業(yè)電弧方法（10~80 kWh/kg）。
　?。?）結(jié)合發(fā)射光譜分析及反應(yīng)動力學(xué)模型的建立，對滑動弧裂解甲烷制氫的反應(yīng)機理進行了系統(tǒng)的研究。發(fā)現(xiàn)：滑動弧CH4/N2等離子體中的光譜譜圖以CN(22BΣ?XΣ)、C2(22dΠg?aΠu)

6、和CH(22BΣ?XΠ)譜線為主；H自由基在整體的甲烷轉(zhuǎn)化中起到最重要作用，其中反應(yīng)CH4+H→CH3+H2對甲烷轉(zhuǎn)化的貢獻率大于90%；H2主要來自于H原子與CH4、C2H4等的重組反應(yīng)，其中又以CH4+H→CH3+H2反應(yīng)為主，它對H2生成的貢獻率大于85.9%；CH3自由基對C2H6、C2H4和C2H2的生成起到關(guān)鍵作用。
　?。?）進行了甲醇裂解制氫的實驗研究，對多種參數(shù)對反應(yīng)效果的影響進行了系統(tǒng)的研究，并結(jié)合數(shù)學(xué)模型和敏

7、感性分析，對不同因素的重要程度進行了探討。結(jié)果表明：進氣流量和甲醇進氣濃度的增大均會顯著降低甲醇的轉(zhuǎn)化率，而增大供電電壓及運行電流則可明顯促進甲醇的分解；甲醇進氣濃度、放電功率和進氣流量是對滑動弧甲醇裂解反應(yīng)影響最大的三個因素；與傳統(tǒng)的低溫等離子體形式相比，本文的旋轉(zhuǎn)滑動弧展現(xiàn)了明顯的優(yōu)勢，最高甲醇轉(zhuǎn)化率可達95.6%，在保持高反應(yīng)效率的同時，將甲醇的處理能力提高了1~3個量級；甲醇作為原料裂解制氫在反應(yīng)效率及運行穩(wěn)定性方面相比甲烷具有

8、一定的優(yōu)勢。
　?。?）采用發(fā)射光譜技術(shù)，對甲醇裂解制氫的反應(yīng)機理進行了探討，發(fā)現(xiàn)：滑動弧CH3OH/N2等離子體的振動溫度高達8930(±1300)~14300(±800)K，遠(yuǎn)高于其他典型的低溫等離子體形式，表明該等離子體中的振動態(tài)活性粒子（如N2(X, v)）可能在甲醇的分解中起到重要作用。
　?。?）首次進行了甲醇CO2重整（即干重整）反應(yīng)的實驗和機理研究，結(jié)果表明：該反應(yīng)可同時制取大通量合成氣并實現(xiàn) CO2的高效轉(zhuǎn)