滑动弧等离子体催化CH4-CO2-H2O重整制合成气

摘要

等离子体通常是将电能注入到气体产生，等离子体反应则是通过气体分子和电子之间碰撞产生自由基，进一步引发的链式反应。等离子体重整制合成气近年被广泛关注。合成气（H2+CO）是一种重要的化工原料，可用于合成液体燃料和化学品（如甲醇等）。合成气中H2/CO比是合成气利用的重要指标，用于甲醇合成的所需的H2/CO比为2。甲烷双重整反应（3CH4+CO2+2H2O→4CO+8H2）可直接制得具有理想H2/CO=2的合成气，因而被认为是非常有前景的甲烷重整途径。传统的热催化方法中，因H2O的转化在热力学上比CO2更有利，因此难以在双重整计量比CH4/CO2/H2O=3/1/2下实现。等离子体中，尤其是滑动弧放电产生的暖等离子体中，CO2分子可通过振动激发活化，达到CO2的高效转化。因此将等离子体和催化剂结合可克服传统热催化方法存在的问题。 本工作首先对滑动弧等离子体进行放电特性诊断及光谱诊断，研究CH4-CO2-H2O气氛滑动弧等离子体的物理化学特性。之后根据其特性将滑动弧等离子体及其与Ni/CeO2/Al2O3催化剂结合应用于甲烷双重整制高质量合成气。取得的主要结果如下： （1）CH4-CO2-H2O气氛的滑动弧等离子体特性：在CH4/CO2/H2O=3/2/4，能量密度为110kJ/mol，流量为2.2SLM条件下，滑动弧等离子体放电的电压峰值，电流峰值和弧通道的转动周期为3.5kV，73mA和1.58ms。电子密度和OH转动温度分别达到1.5×1014cm-3和3808K。随着能量密度和H2O/(H2O+CO2)的摩尔比升高，OH转动温度和电流峰值增加，电压峰值下降，电子密度变化不大，在1×1014cm-3～1.4×1014cm-3范围。 （2）等离子体催化CH4-CO2-H2O重整：在单独等离子体中，随着能量密度和进料总流量的增加，反应物的转化率都有所提高，但选择性的变化不大,CO和H2选择性约为80%和90%。在流量为2.2SLM,能量密度为110kJ/mol，CH4/CO2/H2O=3/x/(6-x)，其中x=0-6，的条件下，随着H2O/（H2O+CO2）的摩尔比增加，甲烷的转化率基本不变，H2O的转化率大幅提高,CO2转化率缓慢增加。等离子体催化反应中，CO和H2选择性接近100%，尽管空速提高时，反应物的转化率有所降低。但是CH4、CO2和H2O的转化率依然可以按双重整反应化学计量比进行，实现一步制备H2/CO摩尔比为2的高质量合成气。

目录

声明

1 绪论

1.1 等离子体及其应用

1.2 甲烷重整方法

1.2.1 等离子体甲烷重整

1.2.2 热催化重整

1.2.3 等离子体催化甲烷重整

1.3 论文选题和研究内容

2 实验方法

2.1 等离子体放电特性及发射光谱诊断

2.1.1 诊断实验装置流程图

2.1.2 测量方法

2.2 反应评价

2.2.1 反应评价装置流程图

2.2.2 定量方法

2.3 催化剂的制备及表征

2.3.1 催化剂的制备

2.3.2 X射线衍射

2.3.3 场发射透射电镜

3 滑动弧放电等离子体诊断

3.1 CH4-CO2-H2O气氛的等离子体放电特性及发射光谱诊断

3.1.1 进料总流量的影响

3.1.2 能量密度的影响

3.1.3 CH4/CO2/H2O 摩尔比的影响

3.2 本章小结

4 滑动弧等离子体及其与催化剂联用的CH4-CO2-H2O重整

4.1 滑动弧等离子体CH4-CO2-H2O重整

4.1.1 进料总流量的影响

4.1.2 能量密度的影响

4.1.3 CH4/CO2/H2O 摩尔比的影响

4.2 滑动弧等离子体催化CH4-CO2-H2O重整

4.2.1 反应器壁温度的影响

4.2.2 空速的影响

4.2.3 稳定性

4.2.4 催化剂的表征

4.3 热催化、等离子体与等离子体催化的对比

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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