非平衡等离子体重整甲烷制氢的研究

摘要

氢能作为一种清洁高效的二次能源，在燃料电池、氢内燃机和汽轮机等应用领域有着广阔的发展前景。但目前氢气的存储和运输技术尚不成熟，因此以天然气为原料的小型分布式制氢系统得以有一席之地。特别是等离子体与非均相催化剂的协同效应在制氢研究中的应用已经受到越来越多的关注。等离子体中存在大量的电子、离子、自由基和激发态原子与分子等活性粒子，等离子体的存在能够促进化学反应快速进行。与传统的热化学方法相比，等离子体转化甲烷制氢具有反应速度快、反应温度低等优点，其装置体积小、启动快，特别适合发展成为车载制氢系统和小型分布式制氢系统。与热等离子体相比，非平衡等离子体能耗低，在较低温度条件下也能诱导反应物发生反应，因此非平衡等离子体应用于气体燃料的转化具有得天独厚的优势。制氢研究中非平衡等离子体的产生方法包括非热电弧放电、火花放电、电晕放电、微波放电和介质阻挡放电等。
　　 基于非平衡等离子体技术为背景，分别进行了介质阻挡放电和非热电弧放电结合催化剂转化甲烷制氢的研究，设计建立了填充床介质阻挡放电反应器、多孔陶瓷介质阻挡放电反应器、非热电弧反应器及配套实验系统，进行了放电实验、制氢实验、数值模拟与反应器结构优化等研究工作。本论文的主要研究内容和结果如下：
　　 提出并构建了电晕诱导介质阻挡放电反应器（放电间隙10mm），放电区域均匀分布有金属镍粉颗粒，利用颗粒的电晕诱导作用降低了产生放电所需的外加电压，提高放电的均匀性和反应器稳定性。研究大气压较低温度条件下电晕诱导介质阻挡放电反应器内甲烷的部分氧化水蒸气重整制氢。反应器内电晕诱导颗粒的存在使介质阻挡放电可以在大间隙、低电压条件下均匀发生。分析了输入功率、氧气／甲烷摩尔比、以及预热温度对甲烷转化率和氢气选择性的影响。实验结果表明：输入功率在27-50W之间时输入功率的增加明显促进’甲烷转化率升高，但当输入功率大于50W时，功率的增加对甲烷转化的促进作用相对较弱；氧气／甲烷摩尔比既影响甲烷转化率，又影响氢气选择性，在本论文实验条件下氧气／甲烷摩尔比为0.6时，氢气的选择性最高能达到112％;电晕诱导介质阻挡放电和催化剂联合作用下的甲烷转化率接近热力学平衡时的甲烷转化率，而前者反应速率明显高于后者。
　　 用造孔剂法制备了一系列氧化铝多孔陶瓷，并研究了多孔陶瓷的材料特性，放电特性。在外加交流高压的条件下，多孔陶瓷内可以产生稳定的大气压微放电。通过对放电的图片以及电压、电流的分析得出微放电的部分物理特性，结果显示陶瓷微孔内的微放电并不是由陶瓷的表面放电转变而成；多孔陶瓷孔内微放电的起始放电电压随着陶瓷厚度增加而升高，而随着多孔陶瓷孔隙率的增加而降低。
　　 催化剂／介质阻挡放电联合作用转化甲烷制氢的结果显示，其甲烷转化率远高于催化剂和介质阻挡放电各自单独作用结果之和；同时金属镍颗粒催化剂的存在降低了介质阻挡放电的放电电压，提高了放电的均匀性和稳定性，证明了催化剂／介质阻挡放电的相互增强作用。介质阻挡放电／催化剂联合作用在于降低反应温度和提高反应速率，相对于介质阻挡放电单独作用降低了能耗，以臭氧产生为例，单纯的介质阻挡放电的电耗高达7kWh/kgO3（反应物为氧气），加入催化剂后电耗降至2.7kWh/kgO3（反应物为氧气）。但介质阻挡放电应用于能源转化可能不合适，从本文试验的结果也可看出：介质阻挡放电消耗高品位的电能活化甲烷分子，提高了被活化甲烷分子的反应速率，但系统不具备良好的经济性。
　　 为提高小型等离子体制氢系统的经济性，设计了非热电弧等离子体结合催化剂重整甲烷制氢反应器，提高非热电弧的非平衡度从而提高等离子体能量效率。研究分析了非热电弧反应器的放电特性和点火性能。当一级旋转气流量大于80sL/min时，非热电弧能不间断产生。氧碳摩尔比率大于0.8时甲烷转化率高于80%，氢气选择性在氧碳摩尔比率较大的变化范围内超过70%。非热电弧反应器最大产氢量为1.07kgH2/h，比电耗在降为0.47MJ/kgH2，具有快速启动性能，预热条件下可在30sec启动制氢，2-3min达到稳定参数，非预热条件下10min以内即可快速启动。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 甲烷重整制氢

1.2.1 氢能

1.2.2 甲烷水蒸气重整制氢

1.2.3 甲烷部分氧化制氢

1.2.4 甲烷自热重整制氢

1.2.5 甲烷催化裂解制氢

1.2.6 甲烷重整制氢工艺比较

1.3 等离子体概述

1.3.1 等离子体的定义、特点及其分类

1.3.2 介质阻挡放电

1.3.3 非热电弧放电

1.4 非平衡等离子体重整甲烷制氢研究进展

1.5 本文组织结构

参考文献

第2章 填充床介质阻挡放电转化甲烷研究

2.1 实验装置

2.2 填充床介质阻挡放电特性

2.3 介质阻挡放电转化甲烷制氢结果与分析

2.3.1 甲烷部分氧化水蒸气重整制氢

2.3.2 甲烷水蒸气重整制氢

2.4 积碳产生与消除

2.5 本章小结

参考文献

第3章 电晕诱导介质阻挡放电-等离子体流化床

3.1 等离子体流化床装置

3.2 螺杆输送参数和颗粒体积分数计算

3.3 电晕诱导介质阻挡放电-等离子体流化床放电特性分析

3.3.1 放电波形和图片

3.3.2 体积分数对起始放电电压的影响

3.3.3 体积分数对放电功率的影响

3.4 本章小结

参考文献

第4章 多孔陶瓷介质阻挡放电与甲烷转化研究

4.1 多孔陶瓷的制备

4.1.1 多孔陶瓷设计要求

4.1.2 多孔陶瓷制备工艺

4.2 多孔陶瓷显微结构

4.3 多孔陶瓷性能研究

4.3.1 多孔陶瓷气阻特性分析

4.3.2 多孔陶瓷放电特性分析

4.4 多孔陶瓷介质阻挡放电转化甲烷制氢

4.5 本章小结

参考文献

第5章 催化剂/介质阻挡放电联合催化作用及用途思考

5.1 关于甲烷重整中催化剂/介质阻挡放电联合催化作用

5.2 介质阻挡放电参与的甲烷反应初步模拟

5.2.1 等离子体注入反应模型

5.2.2 零维闭口系统模拟

5.2.3 一维开口系统模拟

5.3 催化剂/介质阻挡放电联合催化作用的用途

参考文献

第6章 非热电弧重整甲烷制氢研究

6.1 非热电弧制氢装置原理及设计

6.2 非热电弧放电特性及点火性能分析

6.2.1 非热电弧放电特性分析

6.2.2 非热电弧点火性能分析

6.3 非热电弧反应器冷态流场模拟

6.4 非热电弧反应器内甲烷部分氧化制氢

6.4.1 一级进气制氢试验

6.4.2 反应器启动特性分析

6.4.3 二级进气制氢试验

6.5 本章小结

参考文献

第7章 总结与展望

7.1 本文主要工作和结论

7.2 后续工作展望

致谢

在读期间发表的学术论文及取得的研究成果