非热电弧等离子体气化液体燃料装置及提高气化效率方法

摘要

本发明涉及能源技术领域，公开了一种非热电弧等离子体气化液体燃料装置及提高气化效率方法。所述非热电弧等离子体气化液体燃料装置包括旋转电弧炬和与所述旋转电弧炬相连接的重整反应腔，所述旋转电弧炬用于产生处理液体燃料的非热电弧等离子体，所述重整反应腔用于液体燃料的进料和重整。该装置结构简单，体积小，可实现长期稳定的运行。

说明书

技术领域

本发明涉及能源技术领域，具体地，涉及一种非热电弧等离子体气化液体燃料装置及提高气化效率方法。

背景技术

液体燃料，包括甲醇、乙醇、汽油、柴油等，是当今交通领域的主要动力来源，提高液体燃料利用效率有利于节能减排，而如何提高液体燃料利用效率一直是社会重点关注的问题。

内燃机是当今液体燃料的主要利用技术，其受卡诺循环的限制，燃料利用效率较低。燃料电池技术是一种将燃料中的化学能直接转化为电能的装置，其能量转化过程不受卡诺循环限制，具有较高的燃料利用效率。随着燃料电池技术的发展，将液态燃料气化为燃料电池可用的气体燃料进而进行发电的技术路线正得到社会越来越多的认可。

传统的液体燃料气化技术主要通过催化重整的方式，此技术已相对成熟但仍存在固有缺陷，如催化剂制备成本高、易失活等问题。而等离子体是物质第四态，具有高温度高化学活性的特点，拥有一定的催化能力，在生物质气化技术中得到研究和应用。现有等离子体气化装置结构复杂，气化效率低，难以保证气化过程可靠运行，难以实现小型化。

因此，急需要提供一种非热电弧等离子体气化液体燃料装置及提高气化效率方法来解决上述技术难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种非热电弧等离子体气化液体燃料装置，该装置结构简单，体积小，可实现长期稳定的运行。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供了一种非热电弧等离子体气化液体燃料装置，该装置包括旋转电弧炬和与旋转电弧炬相连接的重整反应腔，旋转电弧炬用于产生处理液体燃料的非热电弧等离子体，重整反应腔用于液体燃料的进料和重整。

优选地，旋转电弧炬包括阳极锥筒、阳极圆筒、特氟龙绝缘件、高压电极、接线柱和进气口；其中，

阳极锥筒焊接固定在阳极圆筒顶部并设置为与大地相连，特氟龙绝缘件设置在阳极圆筒内部，高压电极头部穿过特氟龙绝缘件并延伸至重整反应腔内，尾部与接线柱连接，接线柱连接高压电弧电源，用于产生旋转电弧；

阳极圆筒上靠近阳极锥筒的位置开设有进气口，进气口的圆截面与阳极圆筒的圆柱面垂直相切。

优选地，阳极锥筒的内表面为上端小、下端大的圆锥状，外表面为圆柱状，并且，外表面设有螺纹。

优选地，高压电极的头部为圆锥结构。

优选地，圆锥结构的头部至少伸入重整反应腔内2mm。

优选地，特氟龙绝缘件为圆筒状结构且与高压电极、阳极锥筒以及阳极圆筒同轴。

优选地，特氟龙绝缘件与阳极圆筒螺纹连接，高压电极的尾部通过螺帽压紧固定。

优选地，重整反应腔包括出气管、顶盖、外管、连接件和气液混合进口；其中，

外管尾部连接有连接件，连接件的内表面设有螺纹并与阳极锥筒螺纹连接，用于调节阳极锥筒顶端与出气管端面之间的距离；

顶盖为圆环状且设置在外管头部，出气管穿过顶盖上的圆孔插入外管内，顶盖分别与出气管和外管密封焊接；

气液混合进口位于外管上靠近顶盖的位置，并且，气液混合进口的内表面与外管的内表面垂直相切。

优选地，出气管与外管同轴且出气管的底端面距离外管底端面5-30mm。

本发明第二方面提供了一种使用第一方面所述的非热电弧等离子体气化液体燃料装置来提高气化效率的方法，该方法包括将非热电弧等离子体气化液体燃料装置安装在变压吸附制氧装置上，变压吸附制氧装置的出气口与气液混合进口或进气口相连通。

根据上述技术方案，本发明将旋转电弧炬与重整反应腔相连接，利用旋转电弧炬产生处理液体燃料的非热电弧等离子体，利用重整反应腔进行液体燃料的进料和重整。这样，液体燃料在非平衡态等离子体高温、高能、高化学活性的环境中发生裂解和部分氧化重整，同时释放出热量，在重整反应腔中形成高温区域；裂解产物和部分氧化重整产物经过高温区域时发生二次裂解和二次重整，从而实现液体燃料高效气化。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本发明提供的一种非热电弧等离子体气化液体燃料装置的结构示意图。

附图标记说明

1-出气管 2-顶盖

3-外管 4-连接件

5-阳极锥筒 6-阳极圆筒

7-特氟龙绝缘件 8-高压电极

9-接线柱 A-气液混合进口

B-进气口

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，“上、下、内、外、顶、底、头、尾”等包含在术语中的方位词仅代表该术语在常规使用状态下的方位，或为本领域技术人员理解的俗称，而不应视为对该术语的限制。

参见图1，本发明提供一种非热电弧等离子体气化液体燃料装置，该装置包括旋转电弧炬和与旋转电弧炬相连接的重整反应腔，旋转电弧炬用于产生处理液体燃料的非热电弧等离子体，重整反应腔用于液体燃料的进料和重整。

通过上述技术方案，将旋转电弧炬与重整反应腔相连接，利用旋转电弧炬产生处理液体燃料的非热电弧等离子体，利用重整反应腔进行液体燃料的进料和重整。这样，液体燃料在非平衡态等离子体高温、高能、高化学活性的环境中发生裂解和部分氧化重整，同时释放出热量，在重整反应腔中形成高温区域；裂解产物和部分氧化重整产物经过高温区域时发生二次裂解和二次重整，从而实现液体燃料高效气化。

在本实施方式中，旋转电弧炬包括阳极锥筒5、阳极圆筒6、特氟龙绝缘件7、高压电极8、接线柱9和进气口B；其中，

阳极锥筒5焊接固定在阳极圆筒6顶部并设置为与大地相连，特氟龙绝缘件7设置在阳极圆筒6内部，高压电极8头部穿过特氟龙绝缘件7并延伸至重整反应腔内，尾部与接线柱9连接，接线柱9连接高压电弧电源，用于产生旋转电弧；

阳极圆筒6上靠近阳极锥筒5的位置开设有进气口B，进气口B的圆截面与阳极圆筒6的圆柱面垂直相切。

阳极锥筒5的内表面为上端小、下端大的圆锥状，外表面为圆柱状，并且，外表面设有螺纹。

高压电极8的头部为圆锥结构，可以是一根一端为圆锥的长金属棒。

在设计和安装过程中，圆锥结构的头部至少伸入重整反应腔内2mm，即高压电极8圆锥端顶点需至少高出阳极锥筒5小端面2mm，以保证电弧弧根和弧柱都在重整反应腔中。。

特氟龙绝缘件7为圆筒状结构且与高压电极8、阳极锥筒5以及阳极圆筒6同轴。

特氟龙绝缘件7与阳极圆筒6螺纹连接，高压电极8的尾部通过螺帽压紧固定。

此外，上述重整反应腔包括出气管1、顶盖2、外管3、连接件4和气液混合进口A；其中，

外管3尾部连接有连接件4，连接件4的内表面设有螺纹并与阳极锥筒5螺纹连接，用于调节阳极锥筒5顶端与出气管1端面之间的距离；

顶盖2为圆环状且设置在外管3头部，出气管1穿过顶盖2上的圆孔插入外管3内，顶盖2分别与出气管1和外管3密封焊接；即顶盖2的外圆与外管3的外径相同，并焊接密封；顶盖2的内圆与出气管1的外径相同，并密封焊接。

气液混合进口A位于外管3上靠近顶盖2的位置，口径8-10mm，并且，气液混合进口A的内表面与外管3的内表面垂直相切。

同样的，在设计和安装过程中，出气管1与外管3同轴且出气管1的底端面距离外管3底端面5-30mm，以使气液混合物通过等离子体区域。

由于连接件4与外管3连接，并且连接件4内表面有螺纹，与阳极锥筒5通过螺纹连接，这样通过旋转就可以调节阳极锥筒5顶端与出气管1端面之间的距离，就可以实现气化不同燃料处理量。

在实际使用过程中，为了获得更好的使用效果，进一步地将该装置整体小型化，并提高安装使用时的稳定性，优选地，将非热电弧等离子体气化液体燃料装置的最大外径设置为38mm，长度设置为200mm；其中，旋转电弧炬长度设置为100mm，重整反应腔长度设置为100mm。

由此可见，第一方面，非热电弧等离子体气化液体燃料装置的液体燃料无需雾化，避免燃料输入系统的高耗能及带来的复杂系统；

第二方面，非热电弧等离子体气化液体燃料装置的旋转电弧炬经过改造高压电极，使电弧等离子体的弧根和弧柱全部呈现重整反应腔中，有利于提高等离子体与液体燃料的接触面积，提高气化效率；

第三方面，非热电弧等离子体气化液体燃料装置的重整反应腔采用双层结构，不仅有利于保温，同时有利于液体燃料的预热；

第四方面，非热电弧等离子体气化液体燃料装置结合变压吸附制氧装置，提高气化剂氧浓度时可实现高气化效率。

另外，本发明还提供一种使用上述非热电弧等离子体气化液体燃料装置提高气化效率的方法，该方法包括将非热电弧等离子体气化液体燃料装置安装在变压吸附制氧装置上，变压吸附制氧装置的出气口与气液混合进口A或进气口B相连通。

实际使用过程中，将进气口B与气源相连，旋转电弧炬的接线柱9与高压电源相连。使用时，非热电弧等离子体气化液体燃料装置垂直放置，以使通过气液混合进口A进入重整反应腔的液体在重力作用下到达等离子体区域。所需的空气流量由燃料处理量和氧碳比(一般为0.5-1.5)确定，为保障等离子稳定运行，进气口B的气流量应在15-20L/min之间，多余的气体从气液进口A通入到重整反应强。实施时，首先打开气泵，确定有气流通入等离子体炬中，然后打开等离子体电弧电源激发等离子体，随后将液体燃料通过气液混合进口A加入到重整腔中，液体燃料与等离子体相互接触即可实现气化。液体燃料的气化后的产物由出气管1的出口排出。

非热电弧等离子体气化液体燃料装置结合变压吸附制氧装置，提高气化剂氧浓度时可实现高气化效率。使用含氧量为30％的气化剂比使用含氧量为21％的空气气化剂时，气化效率可提高10-20％，而这正是由于氧浓度提高增强了气化过程中的热化学反应。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。