介質(zhì)阻擋放電等離子體固體燃料液化及相變機理研究.pdf

1、全球變暖、能源危機和環(huán)境污染等問題是近年來世界各國研究和關(guān)注的熱點，改變能源利用方式，大力發(fā)展清潔能源是解決問題的重要途徑。在新能源未被大規(guī)模地開發(fā)使用之前，固體燃料液化是緩解一次能源資源結(jié)構(gòu)與消費結(jié)構(gòu)矛盾，實現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展的一項可行、有效的技術(shù)途徑。鑒于等離子體技術(shù)的廣泛應(yīng)用和等離子體獨特的化學(xué)活性和高反應(yīng)性，可以使許多傳統(tǒng)方法不易或不可能實現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)變?yōu)榭赡埽疚膶⒛抗饷闇?zhǔn)在等離子體固體燃料的液化上。其基本思路是采用介質(zhì)阻擋放電

2、(DBD)等離子體方法，進(jìn)行以煤和生物質(zhì)為代表的固體燃料液化的研究。在氣、液、固三相共存條件下，電子碰撞引發(fā)的化學(xué)反應(yīng)是整個介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)的基礎(chǔ)。在外電場的作用下，自由電子受電場加速而獲得動能，隨之同其它分子碰撞并在碰撞中產(chǎn)生大量離子、原子、分子、自由基團等活性粒子，在大量氫離子存在的環(huán)境中實現(xiàn)加氫液化。這種方法打破傳統(tǒng)的液化思路，開創(chuàng)了DBD等離子體應(yīng)用和固體燃料液化的先河。該項研究極富創(chuàng)造性，相關(guān)應(yīng)用鮮見報道，是今后研究開發(fā)的方向

3、之一。
　　 本文在參考國內(nèi)外主要液化技術(shù)及等離子體技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了介質(zhì)阻擋放電等離子體固體燃料液化實驗裝置，并進(jìn)行了大量的實驗和研究?？紤]到實驗原料來源的廣泛性和復(fù)雜性，實驗以煤和生物質(zhì)作為固體燃料的代表，以水、酒精、四氫萘作為供氫溶劑，展開相關(guān)實驗。在常壓、室溫條件下，將液、固混合物按一定的配比加入反應(yīng)器進(jìn)行實驗。在短時間內(nèi)可見反應(yīng)物溫度升高、體積膨脹、顏色變深，放電劇烈等現(xiàn)象發(fā)生。實驗產(chǎn)物經(jīng)過濾、分餾等處理，可以確定轉(zhuǎn)

4、化率在10％左右，證明DBD等離子體固體燃料液化實驗裝置高效、可靠。實驗系統(tǒng)借助數(shù)字存儲示波器、高速CCD、紅外CCD、光譜議、石油產(chǎn)品分餾儀等設(shè)備實現(xiàn)對實驗的測量、記錄與分析。不同工況下的DBD等離子體固體燃料液化實驗表明，固體燃料粒徑越小，溶劑的供氫能力越強、放電電壓越高越有利于DBD等離子體液化反應(yīng)。同時，合理地選擇適合DBD等離子體反應(yīng)的原料和催化劑以及設(shè)計最優(yōu)液化條件，可以大大強化液化反應(yīng)。相關(guān)實驗研究為探索一條適合DBD等離

5、子體固體燃料液化工藝路線提供依據(jù)。
　　 深刻認(rèn)識和了解DBD等離子體固體燃料液化機理對于改進(jìn)液化工藝、提高轉(zhuǎn)化效率具有重要的意義。由于相關(guān)研究很少，理論基礎(chǔ)薄弱，所以，為了揭示DBD等離子體三相介質(zhì)作用機理，本文結(jié)合實驗現(xiàn)象，分別以氣—液、氣—固、氣—氣三相介質(zhì)相互作用為核心，展開相關(guān)討論。
　　 對于DBD等離子體氣—液相轉(zhuǎn)化機理分析，從經(jīng)典熱力學(xué)理論出發(fā)，應(yīng)用電學(xué)和流體力學(xué)原理對電場中液體的壓強分布進(jìn)行理論分析，建

6、立DBD液體氣化模型，得出在一定電場條件下，液體壓強變化是造成DBD液體氣化的重要因素，同時，液體的介電常數(shù)ε、電壓V、電場強度E、電極間距離R以及電場分布的均勻性對DBD液體氣化的發(fā)生起到至關(guān)重要的作用。相關(guān)結(jié)論為多介質(zhì)條件下的DBD實際應(yīng)用提供理論依據(jù)。
　　 對于DBD等離子體氣—固相作用機理分析，在前面已建立的液體氣化模型基礎(chǔ)上，從等離子體鞘層的特性分析著手，采用流體動力學(xué)方法，通過對一維鞘層的時空演化過程進(jìn)行數(shù)值模擬，

7、獲得氣—固相介質(zhì)間相互作用的等離子體鞘層中離子速度、離子濃度、電子濃度、電位等參數(shù)的分布特性。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，在一定的電壓下，粒子的速度是一定的，放電電壓越高，粒子的速度越大，對應(yīng)的能量越高。與固體燃料液化實驗相對比，實驗裝置可以提供氣液固三相狀態(tài)轉(zhuǎn)變所需要的能量，宏觀現(xiàn)象與鞘層數(shù)值分析結(jié)論一致，證明分析方法的可靠性。從等離子體鞘層的特性分析可知，不同的放電電壓對應(yīng)著不同的粒子速度或能量。如果能夠理清不同介質(zhì)在不同電壓下的粒子能量特點

8、，本文就可以按照反應(yīng)的能量需求，通過控制放電電壓來控制反應(yīng)的進(jìn)程，定制反應(yīng)產(chǎn)物。等離子體鞘層的特性分析為DBD條件下的氣—固相物質(zhì)形態(tài)轉(zhuǎn)化作用架起了橋梁，是分析DBD多相介質(zhì)作用機理的一種有效的可能途徑。
　　 對于DBD等離子體氣—氣相作用機理分析，同樣在液體氣化模型基礎(chǔ)上，依據(jù)氣體放電理論和分子運動論，通過分析介質(zhì)阻擋放電條件下的電子能量，并與燃料液化反應(yīng)中氣、液、固三相物質(zhì)的離解能對比，證明該電子能量足可以使其中較弱的化學(xué)

9、鍵斷裂，產(chǎn)生活性粒子，實現(xiàn)大量氫離子存在環(huán)境中的加氫液化。從DBD固體燃料液化實驗的反應(yīng)特性、電場強度、電場頻率和光譜分析等角度出發(fā)，可以驗證理論分析的正確性和可靠性。另外，本文還從分子碰撞觀點出發(fā)，針對固態(tài)燃料液化反應(yīng)氣相系統(tǒng)中主要氣體在等離子體系統(tǒng)中的多種離解反應(yīng)，通過對Boltzmann方程數(shù)值求解，得出各氣體反應(yīng)速率常數(shù)隨電子溫度的變化曲線。借助不同離解反應(yīng)速率常數(shù)的對比，可以判斷反應(yīng)產(chǎn)生的活性粒子情況和反應(yīng)的進(jìn)程。將計算得到的