拉瓦尔喷管滑动弧等离子体重整甲烷、氨气制取氢气的实验研究

摘要

由于石油资源的过渡开采而使储量日趋匮乏，世界能源结构正发生着深刻的变化，现在急需寻找到一种可持续发展的并且对环境友好的新能源。由于氢气燃烧后只有水生成，所以氢能已普遍被认为是一种最理想的绿色能源。
　　 本文研究了一种基于拉瓦尔喷管电极的滑动弧等离子体，基于滑动弧的放电机理，研究了这种滑动弧的物理特性，并且利用这种滑动弧进行了重整甲烷、氨气来制取氢气的实验研究，研究的主要内容如下:
　　 (1)综述了目前国内外等离子体技术在重整制氢方面的研究进展、等离子体的降解机理、各种重整制氢的方式方法以及各类等离子体在重整燃料方面的研究。
　　 (2)对拉瓦尔喷管滑动弧等离子体在10kV交流电源下的物理特性进行了分析，包括伏安特性和滑动弧的运动特性。研究得出，拉瓦尔喷管滑动弧存在四类电压突变点;电流大体上呈正弦曲线波动。利用高速摄影得到的电弧的运动图像也进一步证明电压电流的变化趋势。
　　 (3)在认识甲烷重整机理基础上，开展了拉瓦尔喷管滑动弧重整甲烷制取氢气的实验研究，研究的影响参数包括:供电电压、进气流量、甲烷的进气浓度和水蒸气浓度等。研究结果表明，随着甲烷浓度增加，甲烷的转化率和H2的选择性同时下降，但消耗功率增加;随着总流量的增加，甲烷的转化率和H2的选择性会下降，而消耗功率逐渐增加;随着混合气中水蒸气含量的增加，甲烷的转化率逐渐升高;随着拉瓦尔喷管滑动弧喉部半径的增加，甲烷的转化率和H2的选择性会增加。
　　 (4)在认识氨气重整机理的基础上了，开展了拉瓦尔喷管滑动弧重整氨气制取氢气的实验研究，对供电电压、喷管喉部半径以及进气流量等影响参数进行了分析。研究结果表明，氨气流量一定时，氨气的转化率随着总流量的增加而降低;消耗功率随着流量的增加而增加;氨气在同一流量下时，氨气的浓度越大消耗功率越大;消耗功率和氨气的转化率都随着供电电压的升高而增加;氨气的转化率随着喉部半径的增加而增加。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1.1 燃料重组的几种类型

1.1.1 水蒸气重组制氢

1.1.2 CO2重整制氢

1.1.3 部分氧化重整制氢

1.1.4 自热反应重整制氢

1.1.5 联合重整制氢

1.2 等离子体技术在燃料重组上的研究进展

1.3 等离子体重整燃料技术

1.3.1 等离子体机理

1.3.2 等离子体重整燃料的机理

1.4 热等离子体技术介绍

1.4.1 热等离子体重整燃料的原理

1.4.2 热等离子体重整燃料方面的应用

1.5 冷等离子体技术介绍

1.5.1 电晕放电重整制氢

1.5.2 介质阻挡放电重整制氢

1.5.3 微波放电重整制氢

1.5.4 滑动弧放电重整制氢

1.6 本文的研究意义

第二章 本文的试验装置以及检测方法

2.1 实验原料及实验仪器

2.1.1 实验原料

2.1.2 实验仪器

2.2 验装置和系统流程

2.2.1 拉瓦尔喷管电极滑动弧放电物理特性的实验装置和系统流程

2.2.2 拉瓦尔电极滑动弧放电重整甲烷实验流程图

2.2.3 拉瓦尔电极滑动弧放电重整氨气实验流程图

2.3 反应性能评价

2.3.1 甲烷重整制氢的反应性能评价

2.3.2 氨气重整制氢的反应性能评价

第三章 拉瓦尔喷管电极滑动弧等离子体的物理特性分析

3.1 前言

3.2 滑动电弧的电参数特性

3.2.1 伏安特性

3.2.2 功率特性

3.3 电离效率

3.4 滑动电弧的运动特性

3.5 本章小结

第四章 拉瓦尔喷管电极滑动弧重整甲烷制取氢气的实验研究

4.1 前言

4.2 反应机理

4.3 主要结果与讨论

4.3.1 甲烷浓度对反应的影响

4.3.2 总流量变化对反应的影响

4.3.3 添加水蒸气时对反应的影响

4.3.4 供电电压对反应的影响

4.3.5 拉瓦尔喷管喉部半径对反应的影响

4.3.6 CO2重整和部分氧化重整的比较

4.4 本章小结

第五章 拉瓦尔喷管电极滑动弧重整氨气制氢的实验分析

5.1 前言

5.2 反应机理

5.3 主要结果与讨论

5.3.1 NH3浓度和流量对反应的影响

5.3.2 供电电压变化对反应的影响

5.3.3 拉瓦尔喷管喉部半径对反应的影响

5.4 本章小结

第六章 全文总结及展望

6.1 全文总结

6.2 本文的主要创新点

6.3 本文不足之处及下一步工作建议

参考文献

作者简历