大氣壓反常輝光放電下CH-,4--CO-,2-制合成氣的數值模擬分析.pdf

1、利用甲烷和二氧化碳的重整反應制取合成氣，對于緩解能源危機、減輕溫室氣體的排放具有重要意義。但是，二氧化碳和甲烷化學性質非常穩(wěn)定，直接轉化需要極為苛刻的條件。等離子體過程為這種轉化提供了一條新的途徑。 等離子體中的化學反應實質上是放電過程與化學反應相互作用的過程，可以利用等離子體反應過程的守恒方程對其進行數值模擬。通過數值模擬計算不僅可以清楚地表示出各種粒子相互競爭反應的過程和主要的基元反應，而且可以針對目標產物選擇最有利的反應途

2、徑，限制不利的副反應，達到進一步改善和優(yōu)化反應過程的要求。針對實驗中得到的CH<,4>／CO<,2>體系在等離子體作用下的實驗結果，本文主要通過以下幾個方面的內容對反常輝光放電條件下的反應過程進行了研究分析： 1.介紹了介質壘放電和電暈放電等離子體應用于CH<,4>/CO<,2>體系的實驗研究進展和各種數值模擬的方法和原理。通過這些評述可以看到，由于使用的等離子體形式不同，反應轉化率與選擇性存在較大差別。產生這種差別的原因主要

3、是不同等離子體形式具有不同的能量特征和能量密度。 2.簡單介紹了反常輝光放電等離子體的特點，以及應用這種等離子體進行CH<,4>/CO<,2>轉化的實驗裝置和流程。從CH<,4>/CO<,2>轉化制合成氣的實驗結果可以看出，反常輝光放電具有較好的穩(wěn)定性，輸入功率可以在一定的范圍內進行調節(jié)且功率最大可達117W，遠高于普通的冷等離子體放電功率，CH4／CO<,2>處理量能夠滿足預期的效果，轉化率和選擇性較好。 3.用平衡

4、常數方法和質量作用定律對反常輝光放電下CH<,4>/CO<,2>轉化制合成氣進行了熱力學計算。結果表明，在平衡溫度為600℃時，CH<,4>和CO<,2>的熱力學轉化值為零，而在反常輝光放電條件下CH<,4>和CO<,2>的實驗轉化率非零，這說明反常輝光放電條件下的CH<,4>/CO<,2>重整反應具有非熱力學平衡特性，與常規(guī)反應有著不同的反應機理。要進一步了解反常輝光放電的重整反應必須借助于動力學分析。 4.建立了模擬計算使用

5、的動力學模型。反常輝光放電下CH<,4>/CO<,2>轉化制合成氣的動力學模型分為電子碰撞反應和自由基反應兩個部分，共涉及19種粒子(包括電子)、7個電子碰撞反應、53個自由基反應、18個非線性常微分方程組。通過選擇合理的電子溫度、電子密度、反應停留時間和電子碰撞反應的速率常數等動力學參數，采用解非線性常微分方程組的程序，對反常輝光放電下CH<,4>/CO<,2>轉化制合成氣的反應進行了數值模擬。 5.討論了不同原料氣配比、等離

6、子體輸入功率、反應停留時間對模擬計算結果的影響，并詳細地分析了CH<,4>和CO<，2>轉化、H<,2>和CO生成、積碳、積水等6個方面的主要反應。結果表明：選擇適當的原料氣配比(即CH<,4>/CO<,2>)、增加等離子體輸入功率、選擇適當的反應停留時間是改善反常輝光下CH<,4>/CO<,2>轉化制合成氣反應的有效手段。針對本文模擬的反常輝光放電轉化CH<,4>/CO<,2>制合成氣的化學反應，考慮到反應產物的H<，2>/CO比、反

7、應過程的穩(wěn)定性等因素，原料氣CH<,4>/CO<,2>=4/6應該是最好選擇。當原料氣CH<,4>/CO<,2>=4/6時，甲烷和二氧化碳的轉化率(模擬值)分別是73.7％、64.2％，H<,2>、CO的選擇性(模擬值)分別是70.1％、87.4％，H<,2>/CO模擬值為0.696。相對應地，當原料氣CH<,4>/CO<,2>=4/6時，甲烷和二氧化碳的轉化率(實驗值)分別是75.4％、64.1％，H<,2>、CO的選擇性(實驗值)分