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

1、氫能及氫燃料電池的高速發(fā)展及廣泛應用使得應用于分散式制氫（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作為一種靈活高效，結構簡單，啟停迅速，無需催化劑的新興技術，可以克服傳統(tǒng)催化制氫方法存在的投資高，設備龐大，啟動慢，流程復雜，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特性充分研究和認識的基礎上，將其在甲烷和甲醇重整制氫方面的應用進行了系統(tǒng)的實驗和機理研究，為可能的工業(yè)應用提供了堅實的實驗指導和理論依據(jù)。本文的主要研究內(nèi)容及結論如下：
　?。?）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，反應物的停留時間以及反應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，有利于化學反應效率的提高；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、反應物配比以及載氣類型對反應效果的影響，并對反應效率進行了探討，結果表明：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)應用來說是極為重要的；此外，該反應還可產(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）。
　?。?）結合發(fā)射光譜分析及反應動力學模型的建立，對滑動弧裂解甲烷制氫的反應機理進行了系統(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，其中又以CH4+H→CH3+H2反應為主，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)對反應效果的影響進行了系統(tǒng)的研究，并結合數(shù)學模型和敏

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，對甲醇裂解制氫的反應機理進行了探討，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）反應的實驗和機理研究，結果表明：該反應可同時制取大通量合成氣并實現(xiàn) CO2的高效轉(zhuǎn)