大气压下火花放电等离子体高效转化甲烷制氢和乙炔的研究

【摘要】： 近年来利用低温等离子体技术对甲烷的活化与转化研究引起了人们越来越多的关注。本论文利用稳定的大气压kHz火花放电等离子体,开展了甲烷直接转化制氢及乙炔的研究。与其它放电形式相比,在抗积碳和提高能量效率方面取得了明显进展。实现了甲烷在低能耗条件下高效转化制氢和乙炔,另外得到了具有较高利用价值的副产物碳黑;并对该火花放电等离子体作用下的CH_4转化反应进行了发射光谱诊断研究。在此基础上,利用此反应器对CO_2重整CH_4的反应进行了初步考察。本论文的主要研究结果如下: 1)通过考察220分钟放电时间内,纯甲烷放电转化产物中各组分浓度的变化情况,以此考证了放电的稳定性。考察了电极间距、比输入能量、进气方式、电极管径与加氢对纯甲烷转化反应的影响。 利用此kHz火花放电等离子体,当甲烷的转化率为81.5%时,产物气流中氢气的浓度达到72.1%,生成每个氢分子的能耗为6.7eV;当甲烷的转化率为70.3%时,产物气流中乙炔的浓度达到18.4%,生成每个乙炔分子的能耗为21.2eV。该实验结果表明,利用这种稳定的kHz火花放电,可在低能耗条件下实现了甲烷高效转化制取氢气和乙炔。kHz火花放电发射光谱的研究表明乙炔的高选择性与C_2自由基有关。 2)本论文利用此反应器对CO_2重整CH_4的反应进行了初步考察,主要包括原料气的组成对甲烷和二氧化碳的转化率、产物选择性及能耗的影响。结果表明:随着混合气中CO_2/CH_4的摩尔比从O增加至3.5,CH_4的转化率逐渐增加;CO_2的转化率呈峰形变化,并在原料气中CO_2浓度为60%左右时达到最大值(66.4%)。与纯甲烷转化相比,加入CO_2后甲烷转化的比能耗有所增加,但对反应物中总碳的转化而言能量利用率显著提高。当原料气中CO_2/CH4的摩尔比在1.5～2范围内,单位能量的反应物总碳转化量最高(1.54μmol/J)。 【关键词】：火花放电 等离子体 甲烷转化 氢 乙炔 二氧化碳
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：O621.3
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 引言10-11
• 1 天然气的应用11-14
• 1.1 天然气的间接转化11-12
• 1.2 天然气的直接转化12-14
• 1.2.1 甲烷氧化偶联制乙烯12
• 1.2.2 甲烷部分氧化制甲醇、甲醛12
• 1.2.3 天然气制乙炔12-14
• 2 甲烷转化制氢的工艺概述14-17
• 2.1 甲烷转化制氢的意义14
• 2.2 甲烷转化制氢的途径14-17
• 2.2.1 天然气水蒸气重整制氢14-15
• 2.2.2 天然气部分氧化重整制氢15
• 2.2.3 天然气催化热裂解制氢气15-16
• 2.2.4 等离子体法16-17
• 3 低温等离子体转化甲烷的工艺评述17-23
• 3.1 等离子体技术简介17-18
• 3.1.1 等离子体的概念17
• 3.1.2 等离子体的分类17-18
• 3.2 低温等离子体转化甲烷的研究概况18-23
• 3.2.1 辉光放电等离子体18-19
• 3.2.2 电晕放电等离子体19-20
• 3.2.3 微波放电等离子体20
• 3.2.4 介质阻挡放电(DBD)等离子体20-21
• 3.2.5 流光放电等离子体21
• 3.2.6 电弧法21
• 3.2.7 等离子体射流法21-23
• 4 大气压等离子体转化甲烷放电反应器的类型与特点23-28
• 4.1 大气压下脉冲电晕放电等离子体反应器23
• 4.2 大气压下介质阻挡放电等离子体反应器23-24
• 4.3 针板电极大气压放电等离子体反应器24-25
• 4.3.1 针板电极大气压直流辉光放电24-25
• 4.3.2 针板电极大气压火花放电25
• 4.4 常压旋转电极放电等离子体反应器25-26
• 4.5 本论文的研究目的及内容26-28
• 5 实验部分28-58
• 5.1 实验装置及流程28
• 5.2 反应器结构28-29
• 5.3 定量方法29-33
• 5.3.1 甲烷的转化率及产物的收率29-31
• 5.3.2 放电功率的测量及能耗计算31-33
• 5.4 影响甲烷转化的工艺因素33-53
• 5.4.1 电动机转速的影响33-34
• 5.4.2 对碳平衡及装置放电稳定性的考察34-35
• 5.4.3 电极间距的影响35-38
• 5.4.4 甲烷进气流量的影响38-43
• 5.4.5 电极管径的影响43-47
• 5.4.6 甲烷进气方式的影响47-50
• 5.4.7 添加氢气对甲烷转化的影响50-53
• 5.5 甲烷等离子体发射光谱及机理探讨53-56
• 5.5.1 光谱的测量53-54
• 5.5.2 甲烷等离子体发射光谱诊断54-55
• 5.5.3 等离子体作用下甲烷偶联机理探讨55-56
• 5.6 本章小结56-58
• 6 等离子体作用下CO_2重整甲烷的初步考察58-66
• 6.1 CH_4-CO_2转化反应的意义58
• 6.2 等离子体作用下CO_2重整甲烷的研究进展58-59
• 6.3 计算公式59-60
• 6.4 CO_2/CH_4摩尔比对反应的影响60-65
• 6.5 本章小结65-66
• 结论66-68
• 参考文献68-73
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况73-74
• 致谢74-75

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