微波液相放电特性及分解乙醇制氢研究

发布时间：2020-09-26 18:34

　　随着化石燃料的日益枯竭以及其燃烧过程中所带来的环境污染问题,新能源的开发和利用刻不容缓。氢能作为新能源的一种,由于具有燃烧热值高,对环境无污染等优点,越来越受到人们的重视。微波放电等离子体重整乙醇制氢是近十多年来发展起来的新型制氢技术,由于该技术等离子体密度高,氢气产量大,反应条件温和等优点受到国内外学者的广泛关注。然而,针对直接耦合式微波气相放电反应装置结构复杂,操作繁琐;同时,同轴电缆式微波液相放电无法在高功率下维持稳定放电的问题,本研究设计了一种直接耦合式的微波液相放电反应器,并成功实现了放电。反应器兼具微波气相放电和液相放电的双重优点,既能够进行微波大功率输出,达到大容量产氢的目的,同时装置结构相对简单。在此基础上分别对微波匹配特性、放电特性、制氢效果、悬浮电极对制氢的影响及制氢机理五个方面进行了研究,所得主要结论如下:1.微波放电反应器匹配特性研究方面:利用网络分析仪考察了液体性质及电极位置对驻波比的影响,实验结果表明,电极尖端在谐振腔中的相对位置以及不同的乙醇体积分数及水温条件下对驻波比均产生显著影响,理论上证明了,在不同放电环境下需要重新调节传输线匹配,使之达到最大效率的能量输出。2.微波液相放电特性方面:利用高速摄像机对放电过程中等离子体的行为进行了观测,观测结果表明,等离子体产生于电极表面的气泡内,放电的瞬态演变时间尺度在～10~0 s量级。同时,利用发射光谱法对等离子体中C_2的转动温度以及H原子Balmer系中H_α和H_β谱线的线型进行了研究,研究结果表明,等离子体中C_2转动温度达到几千开尔文的量级;转动温度随微波功率的增加而增加,随乙醇体积分数的增加出现先升高而后降低的趋势,当乙醇体积分数为70%时,达到最大值,随反应器内部压强的变化并不显著。H原子发射光谱谱线的轮廓在理论上更接近Gaussian线型,且H_α,H_β谱线的线宽依次减小并符合多普勒展宽规律,说明微波液相放电多普勒效应显著,即热效应显著。3.微波乙醇中放电制氢特性研究方面:通过对反应器参数和溶液参数优化分析发现,乙醇和水之间存在最佳配比,当乙醇体积分数为70%左右,氢气产量和总产气量均达到最大值;产生的混合气体中,氢气和一氧化碳为主要的气相产物,两者的体积占比远高于其他气相产物,达到81.5～84.7%;提高微波功率可以适当地提高氢气在混合气体中的百分含量,当微波功率从900W增加到1500W时,氢气的体积百分含量从54.4%增加到58.1%;在最佳的反应条件下,氢气产量,氢气体积百分含量及产氢能量效率分别达到13.53 NL/min,58.1%和48.33 g(H_2)/kWh。4.添加悬浮电极增强制氢方面:悬浮电极的添加可以增加气泡在等离子体区域的停留时间,使得气泡被击穿的几率增加,进而可以提高氢气产量。悬浮电极与电极尖端的相对距离以及悬浮电极尺寸均会对气泡的逃逸产生影响,进而影响氢气产量,而悬浮电极种类对氢气产量没有显著影响。5.制氢机理分析方面:微波在乙醇水溶液中放电产生的中间活性粒子主要有·OH、·C_2、·CH_2、·CH、·C、·H;产生的主要气相产物有氢气,甲烷,乙炔,一氧化碳,乙烯及二氧化碳;中间活性粒子及气相产物所对应的光谱及质谱响应值均随乙醇体积分数的变化而显著变化。通过对中间产物以及气相产物之间的关联性分析推测,氢气的产生路径主要为.H之间的二聚反应以及CH_2O的直接裂解。
【学位单位】：大连海事大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ116.2
【部分图文】：

放电反应器,制氢

而像重烃、汽油、柴油等均来自不是理想的原料来源，而乙醇可以通过生物较高的氢碳比，常温下为液体，运输存储效率［１３］，可替代或者部分替代化石原料［１４］，。此外，等离子体重整制氢除了用于燃料电杂少量氢气也可以提高自身的燃烧效率，而本身的能耗［５，１３］。因此，就以上涉及的问题和整乙醇制氢的研宄现状做出了总结。逡逑等离子体重整乙醇制氢现状逡逑等离子体制氢的方法主要有：电晕放电制氢质阻挡放电制氢、微波放电制氢等。表１．１总重整乙醇制氢的相关参数。逡逑Ａｉｒ

辉光放电,反应器,制氢

逑Ｃｈｅｒｎｙａｋ邋ＶＹ邋［１５］等人利用气液混相放电（ｄｉｓｃｈａｒｇｅ邋ｉｎ邋ａ邋ｇａｓ邋ｃｈａｎｎｅｌ邋ｗｉｔｈ邋ｌｉｑｕｉｄ逡逑ｗａｌｌ，ＤＧＣＬＷ）重整乙醇水溶液制氢，反应器如图１．１所示，实验结果表明，通逡逑过放电可以将乙醇分子以及水分子有效分解，产生的混合气中１１２和Ｃ０为主要产逡逑物，同时还有少量的ＣＨ４，邋Ｃ２Ｈ２，邋Ｃ２Ｈ４和Ｃ２Ｈ６。Ｈ２产量随微波功率的增加而增加，逡逑当乙醇和水的摩尔配比为１：１时，Ｈ２产量最高，而且，模拟气体产物路径结果与逡逑实验结果相吻合。逡逑．＾邋Ｉ邋ＩＩ逡逑；邋Ｉ邋Ｉ邋４逦？邋－邋ｒ逦ｉｏ逡逑■卜１逦，３「Ｉ：１逡逑＿逦丨备邋ｊ＇Ｊ——]P、逡逑0逡逑图１．２辉光放电反应器逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｓｃｈｅｍｅ邋ｏｆ邋ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ邋ｆｌｏｗ邋ｃｈａｒｔ邋ａｓ邋ｒｅｐｏｒｔｅｄ邋ｂｙ邋Ｙａｎ邋Ｚ［１７＾逡逑ＹａｎＺ等人［１７］利用辉光放电重整乙醇溶液制氢，实验流程图如图１．２所示。实逡逑验结果表明，阴极的氢气产量要高于阳极１０．２倍，阴极的最低制氢能耗为５＿１２邋ｋＪ／Ｌ，逡逑低于阳极１２．６倍；在电压为１０００邋Ｖ条件下，阴极产氢浓度维持在８０％。氢气产量逡逑随电压的增加而增大

电弧放电,反应器

Ｃａｐｉｌｌａｒｙ邋ａｃｔｉｏｎ逡逑＿逡逑图１．３邋ＬＥＰ放电反应器逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｉｍａｇｅ邋ｏｆ邋ｎｏｖｅｌ邋ｒｅｆｏｒｍｅｒ邋ｗｉｔｈ邋ＬＥＰ邋ｄｉｓｃｈａｒｇｅ邋ｕｓｅｄ邋ｂｙ邋Ｓｅｋｉｎｅ邋Ｙ［１８］邋ｅｔ邋ａｌ逡逑Ｄｕ邋Ｃ等人％在常压室温条件下，利用滑动弧放电蒸汽氧化重整乙醇制氧，气逡逑体产物包括ＣＯ，邋Ｈ２，邋Ｃ２Ｈ２，Ｃ２Ｈ４，邋ＣＨ４和Ｃ0２，其中ＣＯ和Ｈ２是主要的气体产逡逑物。该反应器的优点为，无论是直流还是交流供电，在所选载气种类为Ｎ２，邋０２，逡逑Ａｒ，ＣＨ４，邋Ｈ２Ｓ条件下，均能产生等离子体。等离子体的参数特性随载气变化而变逡逑化。同时，等离子体具有高的电子密度Ｎｅ＞１０１４ｃｍ＿３和电场强度（大于１０４Ｖ／ｍ）。逡逑伴随着漩涡式进气，虽然在反应器内壁有微量的碳沉积，但等离子体仍表现出良逡逑好的稳定性和安全性。逡逑，而」．．．．．．．—…逡逑ｗａｔｅｒ逦卿yU欲＾＃邋＾逦？逡逑Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ逦逦逦逡逑Ａｉｒ逦逦－ｙ逦逦Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈ邋Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ邋ＮＤＩＲ－ＴＣＤ逡逑…．１．ｒ邋？￣－ｎ逦Ｇａｓ邋ａｎａｌｙｓｉｓ逡逑Ｅｖａｐｏｒａｔｏｒｓ逦逦：逦＾逦逡逑Ｐｌａｓｍａ邋ｒｅａｃｔｏｒ逡逑Ｉ逦Ｉ邋＞邋＾ｂＭＢＭｉｉｉｉｉｉｉｉｍｎｉｉｉｉｉｉｎｉＰｉｉｗｉｍ邋１１１１■■＿＿ｉ１１１１１１１＿１１１１１１１ｗｍｐｉｔ邋

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