非平衡等離子體重整甲烷制氫的研究.pdf

1、氫能作為一種清潔高效的二次能源，在燃料電池、氫內(nèi)燃機(jī)和汽輪機(jī)等應(yīng)用領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。但目前氫氣的存儲(chǔ)和運(yùn)輸技術(shù)尚不成熟，因此以天然氣為原料的小型分布式制氫系統(tǒng)得以有一席之地。特別是等離子體與非均相催化劑的協(xié)同效應(yīng)在制氫研究中的應(yīng)用已經(jīng)受到越來越多的關(guān)注。等離子體中存在大量的電子、離子、自由基和激發(fā)態(tài)原子與分子等活性粒子，等離子體的存在能夠促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)快速進(jìn)行。與傳統(tǒng)的熱化學(xué)方法相比，等離子體轉(zhuǎn)化甲烷制氫具有反應(yīng)速度快、反應(yīng)溫度低等

2、優(yōu)點(diǎn)，其裝置體積小、啟動(dòng)快，特別適合發(fā)展成為車載制氫系統(tǒng)和小型分布式制氫系統(tǒng)。與熱等離子體相比，非平衡等離子體能耗低，在較低溫度條件下也能誘導(dǎo)反應(yīng)物發(fā)生反應(yīng)，因此非平衡等離子體應(yīng)用于氣體燃料的轉(zhuǎn)化具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。制氫研究中非平衡等離子體的產(chǎn)生方法包括非熱電弧放電、火花放電、電暈放電、微波放電和介質(zhì)阻擋放電等。
　　 基于非平衡等離子體技術(shù)為背景，分別進(jìn)行了介質(zhì)阻擋放電和非熱電弧放電結(jié)合催化劑轉(zhuǎn)化甲烷制氫的研究，設(shè)計(jì)建立了填充

3、床介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器、多孔陶瓷介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器、非熱電弧反應(yīng)器及配套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行了放電實(shí)驗(yàn)、制氫實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬與反應(yīng)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化等研究工作。本論文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下：
　　 提出并構(gòu)建了電暈誘導(dǎo)介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器（放電間隙10mm），放電區(qū)域均勻分布有金屬鎳粉顆粒，利用顆粒的電暈誘導(dǎo)作用降低了產(chǎn)生放電所需的外加電壓，提高放電的均勻性和反應(yīng)器穩(wěn)定性。研究大氣壓較低溫度條件下電暈誘導(dǎo)介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器內(nèi)甲烷的部分氧化水蒸氣重

4、整制氫。反應(yīng)器內(nèi)電暈誘導(dǎo)顆粒的存在使介質(zhì)阻擋放電可以在大間隙、低電壓條件下均勻發(fā)生。分析了輸入功率、氧氣／甲烷摩爾比、以及預(yù)熱溫度對(duì)甲烷轉(zhuǎn)化率和氫氣選擇性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：輸入功率在27-50W之間時(shí)輸入功率的增加明顯促進(jìn)’甲烷轉(zhuǎn)化率升高，但當(dāng)輸入功率大于50W時(shí)，功率的增加對(duì)甲烷轉(zhuǎn)化的促進(jìn)作用相對(duì)較弱；氧氣／甲烷摩爾比既影響甲烷轉(zhuǎn)化率，又影響氫氣選擇性，在本論文實(shí)驗(yàn)條件下氧氣／甲烷摩爾比為0.6時(shí)，氫氣的選擇性最高能達(dá)到112％;

5、電暈誘導(dǎo)介質(zhì)阻擋放電和催化劑聯(lián)合作用下的甲烷轉(zhuǎn)化率接近熱力學(xué)平衡時(shí)的甲烷轉(zhuǎn)化率，而前者反應(yīng)速率明顯高于后者。
　　 用造孔劑法制備了一系列氧化鋁多孔陶瓷，并研究了多孔陶瓷的材料特性，放電特性。在外加交流高壓的條件下，多孔陶瓷內(nèi)可以產(chǎn)生穩(wěn)定的大氣壓微放電。通過對(duì)放電的圖片以及電壓、電流的分析得出微放電的部分物理特性，結(jié)果顯示陶瓷微孔內(nèi)的微放電并不是由陶瓷的表面放電轉(zhuǎn)變而成；多孔陶瓷孔內(nèi)微放電的起始放電電壓隨著陶瓷厚度增加而升高，而

6、隨著多孔陶瓷孔隙率的增加而降低。
　　 催化劑／介質(zhì)阻擋放電聯(lián)合作用轉(zhuǎn)化甲烷制氫的結(jié)果顯示，其甲烷轉(zhuǎn)化率遠(yuǎn)高于催化劑和介質(zhì)阻擋放電各自單獨(dú)作用結(jié)果之和；同時(shí)金屬鎳顆粒催化劑的存在降低了介質(zhì)阻擋放電的放電電壓，提高了放電的均勻性和穩(wěn)定性，證明了催化劑／介質(zhì)阻擋放電的相互增強(qiáng)作用。介質(zhì)阻擋放電／催化劑聯(lián)合作用在于降低反應(yīng)溫度和提高反應(yīng)速率，相對(duì)于介質(zhì)阻擋放電單獨(dú)作用降低了能耗，以臭氧產(chǎn)生為例，單純的介質(zhì)阻擋放電的電耗高達(dá)7kWh/k

7、gO3（反應(yīng)物為氧氣），加入催化劑后電耗降至2.7kWh/kgO3（反應(yīng)物為氧氣）。但介質(zhì)阻擋放電應(yīng)用于能源轉(zhuǎn)化可能不合適，從本文試驗(yàn)的結(jié)果也可看出：介質(zhì)阻擋放電消耗高品位的電能活化甲烷分子，提高了被活化甲烷分子的反應(yīng)速率，但系統(tǒng)不具備良好的經(jīng)濟(jì)性。
　　 為提高小型等離子體制氫系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，設(shè)計(jì)了非熱電弧等離子體結(jié)合催化劑重整甲烷制氫反應(yīng)器，提高非熱電弧的非平衡度從而提高等離子體能量效率。研究分析了非熱電弧反應(yīng)器的放電特性和點(diǎn)