協(xié)同驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)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(chǎng)所的制氫工藝成為研究熱點(diǎn)。等離子體重整制氫技術(shù)作為一種靈活高效，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，啟停迅速，無(wú)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(dòng)慢，流程復(fù)雜，催化劑易失活等缺點(diǎn)，在中小型制氫場(chǎng)所具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。本文采用了一種新型的旋轉(zhuǎn)氣流和磁場(chǎng)協(xié)同驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)弧溫等離子體，用以克服傳統(tǒng)滑動(dòng)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(shí)間短，處理量小等諸多缺點(diǎn)。在對(duì)該新型滑動(dòng)弧等離子體的物理化學(xué)特性充分研究和認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，將其在甲烷和甲醇重整制氫方面的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和機(jī)理研究，為可能的工業(yè)應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)和理論依據(jù)。本文的主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)論如下：
　?。?）協(xié)同驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)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(duì)其電弧移動(dòng)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(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)：旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)

3、弧可以繞內(nèi)電極快速旋轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)速可達(dá)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(shí)間以及反應(yīng)物與等離子體的接觸面積較之傳統(tǒng)滑動(dòng)弧均明顯增大；電弧的移動(dòng)存在兩種模式，當(dāng)進(jìn)氣流量較小時(shí)，電弧繞內(nèi)電極靠上的位置穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，此時(shí)的電弧弧長(zhǎng)較長(zhǎng)，有利于化學(xué)反應(yīng)效率的提高；該旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)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(shí)，極大的提升處理能力。
　　（2）進(jìn)行了甲烷裂解制氫的實(shí)驗(yàn)研究，研究了進(jìn)氣流量、外加電阻、反應(yīng)物配比以及載氣類型對(duì)反應(yīng)效果的影響，并對(duì)反應(yīng)效率進(jìn)行了探討，結(jié)果表明：進(jìn)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(huì)持續(xù)降低，而在70 kΩ電阻時(shí)則先降后增；獲得的甲烷轉(zhuǎn)化率最高可達(dá)87.5％，同時(shí)其處理能力（即進(jìn)氣流量）

5、較傳統(tǒng)的低溫等離子體形式提高了2~3個(gè)量級(jí)，這對(duì)于可能的工業(yè)應(yīng)用來(lái)說(shuō)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(dòng)力學(xué)模型的建立，對(duì)滑動(dòng)弧裂解甲烷制氫的反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。發(fā)現(xiàn)：滑動(dòng)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(duì)甲烷轉(zhuǎn)化的貢獻(xiàn)率大于90%；H2主要來(lái)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(duì)H2生成的貢獻(xiàn)率大于85.9%；CH3自由基對(duì)C2H6、C2H4和C2H2的生成起到關(guān)鍵作用。
　?。?）進(jìn)行了甲醇裂解制氫的實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)多種參數(shù)對(duì)反應(yīng)效果的影響進(jìn)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(duì)不同因素的重要程度進(jìn)行了探討。結(jié)果表明：進(jìn)氣流量和甲醇進(jìn)氣濃度的增大均會(huì)顯著降低甲醇的轉(zhuǎn)化率，而增大供電電壓及運(yùn)行電流則可明顯促進(jìn)甲醇的分解；甲醇進(jìn)氣濃度、放電功率和進(jìn)氣流量是對(duì)滑動(dòng)弧甲醇裂解反應(yīng)影響最大的三個(gè)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(dòng)弧展現(xiàn)了明顯的優(yōu)勢(shì)，最高甲醇轉(zhuǎn)化率可達(dá)95.6%，在保持高反應(yīng)效率的同時(shí)，將甲醇的處理能力提高了1~3個(gè)量級(jí)；甲醇作為原料裂解制氫在反應(yīng)效率及運(yùn)行穩(wěn)定性方面相比甲烷具有

8、一定的優(yōu)勢(shì)。
　?。?）采用發(fā)射光譜技術(shù)，對(duì)甲醇裂解制氫的反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了探討，發(fā)現(xiàn)：滑動(dòng)弧CH3OH/N2等離子體的振動(dòng)溫度高達(dá)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(dòng)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(jìn)行了甲醇CO2重整（即干重整）反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)和機(jī)理研究，結(jié)果表明：該反應(yīng)可同時(shí)制取大通量合成氣并實(shí)現(xiàn) CO2的高效轉(zhuǎn)