火花罩等離子體中模擬生物氣的加氧重整.pdf

1、生物氣是一種非常有前景的可再生潔凈能源和資源。生物氣的高效利用是將其重整制合成氣(CO+H2)，用于合成液體燃料和化學(xué)品。傳統(tǒng)的催化法重整存在催化劑積碳失活和硫中毒等問題，等離子體法重整不存在催化劑失活問題，并且具有快速高效等優(yōu)點。但等離子體法生物氣重整的工業(yè)應(yīng)用，必然要求等離子體反應(yīng)器具有高轉(zhuǎn)化率、低能耗和大體積反應(yīng)區(qū)的特點，現(xiàn)有的大氣壓非熱等離子體反應(yīng)器尚不能滿足這些要求。為此本工作針對生物氣加氧重整制合成氣，首次研制了一種新型火花

2、罩等離子體反應(yīng)器，在熱力學(xué)平衡計算分析基礎(chǔ)上，開展了該等離子體反應(yīng)器中模擬生物氣(60％ CH4+40％ CO2)加氧重整的研究。主要結(jié)果如下：
　?、挪捎密浖﨟SC7.0進行了熱力學(xué)平衡計算，分析了溫度、O2/CH4比和氧源中O2濃度對模擬生物氣加氧重整的影響。在所考察溫度和O2/CH4比范圍的模擬生物氣加氧重整中，O2的熱力學(xué)平衡轉(zhuǎn)化率為100％，CH4和CO2的熱力學(xué)平衡轉(zhuǎn)化率均隨溫度升高而逐漸升高。O2/CH4比的升高，有

3、利于CH4的轉(zhuǎn)化，不利于CO2的轉(zhuǎn)化，但對合成氣干基濃度影響不大。溫度超過750℃后，氧源中O2濃度對CH4和CO2的熱力學(xué)平衡轉(zhuǎn)化率幾乎沒有影響，但合成氣干基濃度隨O2濃度的降低而顯著降低。
　?、崎_展了火花罩等離子體反應(yīng)器中模擬生物氣的加氧重整實驗研究。首先確定了合適的電極距離(17 mm)，然后考察了能量密度、O2/CH4比和氧源中O2濃度的影響。在實驗所考察的O2/CH4比范圍內(nèi)(0.42-0.67)，O2、 CH4和CO

4、2轉(zhuǎn)化率以及合成氣干基濃度均隨能量密度增加同步呈現(xiàn)快速和慢速增長區(qū)域。合成氣能耗隨能量密度升高呈現(xiàn)V形變化。在最優(yōu)能量密度條件下，合成氣能耗最低，且合成氣干基濃度非常高。隨O2/CH4比從0.42升至0.67，最優(yōu)能量密度從128 kJ/mol降至84 kJ/mol，并且最優(yōu)能量密度對應(yīng)的O2和CH4轉(zhuǎn)化率以及合成氣干基濃度分別從86％、64％和64％升高至98％、83％和73％，合成氣能耗從1.6 eV/molecule降低至1.0

5、eV/molecule。氧源中O2濃度對O2、CH4和CO2轉(zhuǎn)化率以及產(chǎn)物選擇性影響不大，但對合成氣干基濃度和能耗影響較大。當(dāng)O2濃度低于50％時，合成氣干基濃度和能耗分別隨O2濃度的增大快速升高和下降;當(dāng)O2濃度高于50％時，合成氣干基濃度和能耗分別隨之緩慢升高和下降。原料氣中有無CO2時加氧重整的比較和水汽變換逆反應(yīng)的考察結(jié)果表明，對于火花罩等離子體中模擬生物氣加氧重整體系，甲烷轉(zhuǎn)化的主要途徑是部分氧化反應(yīng)，CO2轉(zhuǎn)化的主要途徑是水

6、汽變換逆反應(yīng)。
　?、窃诨鸹ㄕ值入x子體反應(yīng)器中，分別對N2、 H2+CO2和CH4+CO2+O2氣氛，進行了等離子體放電特性分析和發(fā)射光譜診斷研究。N2放電氣氛中，功率因數(shù)較低。光電流在放電電流為0時也基本為0。在所考察的能量密度范圍，能量密度對N2的振動和轉(zhuǎn)動溫度影響不大，N2的振動和轉(zhuǎn)動溫度分別約保持在3100 K和2200 K。H2+CO2（H2/CO2=1或2）放電氣氛中，功率因數(shù)顯著高于N2放電氣氛的。光電流在放電電流較

7、小乃至為0時，具有一定基值，并且該基值隨能量密度的升高而升高。在所考察的能量密度范圍和H2/CO2比，能量密度和H2/CO2比均對OH轉(zhuǎn)動溫度和電子密度影響不大。OH轉(zhuǎn)動溫度和電子密度分別約為2900 K和9.6×1013 cm-3。CH4+CO2+O2(CH4/CO2/O2=3/2/2)放電氣氛中，與H2+CO2放電氣氛類似，功率因數(shù)也顯著高于N2放電氣氛的。光電流在放電電流較小乃至為0時，具有一定基值，并且該基值隨能量密度的升高而顯