高频旋转滑动弧放电及用于甲烷干重整研究

摘要

旋转滑动弧放电(Rotating Gliding Arc Discharge,RGAD)可以在常温常压下产生一种兼具高温等离子体和低温等离子体特性的等离子体,目前在甲烷重整、飞灰处理、废液降解等领域的研究中备受关注.驱动旋转滑动弧放电的电源通常为直流电源,电路中需要串接限流电阻,能量损失大.采用高频交流电源驱动时,电路中不需要限流电阻,能量利用率较高.同时,高频电源单位时间内注入的能量高于直流电源和工频电源,有利于激发化学反应.为此,本研究设计了一种高频交流电源驱动的旋转滑动弧放电等离子体发生装置,在电弧物理特性分析的基础上,对放电装置中的气流场分布进行了仿真,并将这种放电形式用于甲烷干重整制取合成气,利用发射光谱分析了反应机理,并计算了放电中活性物质温度及电子密度,具体结果如下: 1.通过分析旋转滑动弧放电过程中的电信号和图像特征,研究了电弧的滑动模式、伏安特性及光强分布.旋转滑动弧的滑动模式分为击穿伴随滑动模式(Breakdown Gliding Mode,B-G模式)和稳定电弧旋转模式(Steady Arc Gliding Mode,A-G模式),不同滑动模式下电压电流特征均不相同.B-G模式下,电压正负半周期均出现单次击穿,击穿瞬间电流峰值范围为1~40A;A-G模式下,正负半周期电压均不出现击穿,电流峰值在±900mA之间变化.电弧从产生到熄灭的过程分为燃弧、熄弧、零休三个阶段,分别对应三种不同的函数关系,正负半周期伏安特性曲线不对称.在放电过程中电弧光强分布不均匀,发光最强的位置始终位于阴极电弧根部. 2.开展了旋转滑动弧放电前后等效电路模型的分析,并采用Comsol Multiphysics软件对放电空间中气流场的分布进行仿真,考察了气流量对电弧参数的影响.在两电极最窄间隙被击穿之前,气隙等效为一个56pF的电容,电容值与气流量无关;电弧产生后,电弧等效为电阻,阻值大小与电弧弧长有关.在同一水平面上,越靠近外电极,气速越大;在同一纵切面上,越靠近电极顶端,气速越小.进气流量越大,电弧越容易向A-G模式发展,当气流量增大至一定数值时,电弧会一直在A-G模式下旋转;当气流量继续增大时,电弧断开,进入B-G模式.气流量大小对击穿电压无影响;气流量越大,越不利于电弧在电极顶端稳定旋转,电源电压越小,电弧向电极顶端滑动越困难. 3.在旋转滑动弧放电装置中,分别对不同电极结构和气相参数条件下甲烷的干重整效果进行了分析,并对放电过程中的发射光谱进行了诊断.当高压电极顶角为45°、低压电极比高压电极高20mm、CH4和CO2总进气流量为3L/min、CO2∶CH4为3∶2时,甲烷干重整效果最好.此时,H2和CO的产率分别为3.1%和15.9%,能量效率为3.9mmol/kJ.放电过程中活性物质温度为3200K,电子密度约为1.2×10-14cm-3.

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