非平衡等离子体重整甲烷制氢的研究

【摘要】：氢能作为一种清洁高效的二次能源,在燃料电池、氢内燃机和汽轮机等应用领域有着广阔的发展前景。但目前氢气的存储和运输技术尚不成熟,因此以天然气为原料的小型分布式制氢系统得以有一席之地。特别是等离子体与非均相催化剂的协同效应在制氢研究中的应用已经受到越来越多的关注。等离子体中存在大量的电子、离子、自由基和激发态原子与分子等活性粒子,等离子体的存在能够促进化学反应快速进行。与传统的热化学方法相比,等离子体转化甲烷制氢具有反应速度快、反应温度低等优点,其装置体积小、启动快,特别适合发展成为车载制氢系统和小型分布式制氢系统。与热等离子体相比,非平衡等离子体能耗低,在较低温度条件下也能诱导反应物发生反应,因此非平衡等离子体应用于气体燃料的转化具有得天独厚的优势。制氢研究中非平衡等离子体的产生方法包括非热电弧放电、火花放电、电晕放电、微波放电和介质阻挡放电等。 基于非平衡等离子体技术为背景,分别进行了介质阻挡放电和非热电弧放电结合催化剂转化甲烷制氢的研究,设计建立了填充床介质阻挡放电反应器、多孔陶瓷介质阻挡放电反应器、非热电弧反应器及配套实验系统,进行了放电实验、制氢实验、数值模拟与反应器结构优化等研究工作。本论文的主要研究内容和结果如下： 提出并构建了电晕诱导介质阻挡放电反应器(放电间隙1Omm),放电区域均匀分布有金属镍粉颗粒,利用颗粒的电晕诱导作用降低了产生放电所需的外加电压,提高放电的均匀性和反应器稳定性。研究大气压较低温度条件下电晕诱导介质阻挡放电反应器内甲烷的部分氧化水蒸气重整制氢。反应器内电晕诱导颗粒的存在使介质阻挡放电可以在大间隙、低电压条件下均匀发生。分析了输入功率、氧气／甲烷摩尔比、以及预热温度对甲烷转化率和氢气选择性的影响。实验结果表明：输入功率在27-50W之间时输入功率的增加明显促进甲烷转化率升高,但当输入功率大于50W时,功率的增加对甲烷转化的促进作用相对较弱；氧气／甲烷摩尔比既影响甲烷转化率,又影响氢气选择性,在本论文实验条件下氧气／甲烷摩尔比为0.6时,氢气的选择性最高能达到112%；电晕诱导介质阻挡放电和催化剂联合作用下的甲烷转化率接近热力学平衡时的甲烷转化率,而前者反应速率明显高于后者。 用造孔剂法制备了一系列氧化铝多孔陶瓷,并研究了多孔陶瓷的材料特性,放电特性。在外加交流高压的条件下,多孔陶瓷内可以产生稳定的大气压微放电。通过对放电的图片以及电压、电流的分析得出微放电的部分物理特性,结果显示陶瓷微孔内的微放电并不是由陶瓷的表面放电转变而成；多孔陶瓷孔内微放电的起始放电电压随着陶瓷厚度增加而升高,而随着多孔陶瓷孔隙率的增加而降低。 催化剂/介质阻挡放电联合作用转化甲烷制氢的结果显示,其甲烷转化率远高于催化剂和介质阻挡放电各自单独作用结果之和；同时金属镍颗粒催化剂的存在降低了介质阻挡放电的放电电压,提高了放电的均匀性和稳定性,证明了催化剂/介质阻挡放电的相互增强作用。介质阻挡放电/催化剂联合作用在于降低反应温度和提高反应速率,相对于介质阻挡放电单独作用降低了能耗,以臭氧产生为例,单纯的介质阻挡放电的电耗高达7kWh/kgO3(反应物为氧气),加入催化剂后电耗降至2.7kWh/kgO3(反应物为氧气)。但介质阻挡放电应用于能源转化可能不合适,从本文试验的结果也可看出：介质阻挡放电消耗高品位的电能活化甲烷分子,提高了被活化甲烷分子的反应速率,但系统不具备良好的经济性。 为提高小型等离子体制氢系统的经济性,设计了非热电弧等离子体结合催化剂重整甲烷制氢反应器,提高非热电弧的非平衡度从而提高等离子体能量效率。研究分析了非热电弧反应器的放电特性和点火性能。当一级旋转气流量大于80sL/min时,非热电弧能不间断产生。氧碳摩尔比率大于0.8时甲烷转化率高于80%,氢气选择性在氧碳摩尔比率较大的变化范围内超过70%。非热电弧反应器最大产氢量为1.07kgH2/h,比电耗在降为0.47MJ/kgH2,具有快速启动性能,预热条件下可在30sec启动制氢,2-3min达到稳定参数,非预热条件下10min以内即可快速启动。 【关键词】：非平衡等离子体 氢气 甲烷 介质阻挡放电 非热电弧 电晕诱导 多孔陶瓷
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TK91
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第1章 绪论13-38
• 1.1 研究背景13-15
• 1.2 甲烷重整制氢15-19
• 1.2.1 氢能15-16
• 1.2.2 甲烷水蒸气重整制氢16-17
• 1.2.3 甲烷部分氧化制氢17-18
• 1.2.4 甲烷自热重整制氢18
• 1.2.5 甲烷催化裂解制氢18-19
• 1.2.6 甲烷重整制氢工艺比较19
• 1.3 等离子体概述19-24
• 1.3.1 等离子体的定义、特点及其分类19-22
• 1.3.2 介质阻挡放电22-23
• 1.3.3 非热电弧放电23-24
• 1.4 非平衡等离子体重整甲烷制氢研究进展24-28
• 1.5 本文组织结构28-30
• 参考文献30-38
• 第2章 填充床介质阻挡放电转化甲烷研究38-59
• 2.1 实验装置38-43
• 2.2 填充床介质阻挡放电特性43-44
• 2.3 介质阻挡放电转化甲烷制氢结果与分析44-55
• 2.3.1 甲烷部分氧化水蒸气重整制氢44-52
• 2.3.2 甲烷水蒸气重整制氢52-55
• 2.4 积碳产生与消除55-57
• 2.5 本章小结57-58
• 参考文献58-59
• 第3章 电晕诱导介质阻挡放电-等离子体流化床59-68
• 3.1 等离子体流化床装置59-60
• 3.2 螺杆输送参数和颗粒体积分数计算60-62
• 3.3 电晕诱导介质阻挡放电-等离子体流化床放电特性分析62-67
• 3.3.1 放电波形和图片62-63
• 3.3.2 体积分数对起始放电电压的影响63-64
• 3.3.3 体积分数对放电功率的影响64-67
• 3.4 本章小结67
• 参考文献67-68
• 第4章 多孔陶瓷介质阻挡放电与甲烷转化研究68-84
• 4.1 多孔陶瓷的制备69-72
• 4.1.1 多孔陶瓷设计要求69-70
• 4.1.2 多孔陶瓷制备工艺70-72
• 4.2 多孔陶瓷显微结构72-74
• 4.3 多孔陶瓷性能研究74-78
• 4.3.1 多孔陶瓷气阻特性分析74-75
• 4.3.2 多孔陶瓷放电特性分析75-78
• 4.4 多孔陶瓷介质阻挡放电转化甲烷制氢78-82
• 4.5 本章小结82-83
• 参考文献83-84
• 第5章 催化剂/介质阻挡放电联合催化作用及用途思考84-96
• 5.1 关于甲烷重整中催化剂/介质阻挡放电联合催化作用84-88
• 5.2 介质阻挡放电参与的甲烷反应初步模拟88-95
• 5.2.1 等离子体注入反应模型88-91
• 5.2.2 零维闭口系统模拟91-93
• 5.2.3 一维开口系统模拟93-95
• 5.3 催化剂/介质阻挡放电联合催化作用的用途95
• 参考文献95-96
• 第6章 非热电弧重整甲烷制氢研究96-119
• 6.1 非热电弧制氢装置原理及设计96-100
• 6.2 非热电弧放电特性及点火性能分析100-105
• 6.2.1 非热电弧放电特性分析100-102
• 6.2.2 非热电弧点火性能分析102-105
• 6.3 非热电弧反应器冷态流场模拟105-109
• 6.4 非热电弧反应器内甲烷部分氧化制氢109-116
• 6.4.1 一级进气制氢试验109-111
• 6.4.2 反应器启动特性分析111-113
• 6.4.3 二级进气制氢试验113-116
• 6.5 本章小结116-117
• 参考文献117-119
• 第7章 总结与展望119-122
• 7.1 本文主要工作和结论119-121
• 7.2 后续工作展望121-122
• 致谢122-123
• 在读期间发表的学术论文及取得的研究成果123

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

氢能及其应用前景分析    蔡炽柳;

可再生能源——氢能的发展与化石能源的替代    余亚东;毛宗强;

甲烷部分氧化制氢机理及方法    张翅远;王华;何方;张兴雪;

2005年世界能源消费结构统计评论    钱伯章;

对中国能源问题的思考    江泽民;

氢能将成低碳时代“新能源宠儿”    毛宗强;

甲烷部分氧化制合成气的反应机理探索    姜玄珍

非平衡等离子体转化甲烷的研究    赵宇含

介质阻挡放电转化甲醇和甲烷研究    白海英

常压非热平衡等离子体用于甲烷转化的研究    吕静

甲烷和水蒸汽介质阻挡放电转化研究    刘永卫

电晕介质阻挡放电特性研究    何贤俊

催化剂耦合介质阻挡放电制取臭氧的试验和模型研究    王健

Al_2O_3多孔陶瓷的制备工艺及其DBD特性研究    倪卫洁

青藏高原应对气候变化与生态环境安全策略    伏洋;张国胜;李凤霞;刘宝康;

太阳能电池光谱性能测试系统    杨良;

生态法羊毛防毡缩整理    刘炳宏;陈英;王莉莉;

碳排放与社会经济发展——碳排放与社会发展Ⅱ    王少鹏;朱江玲;岳超;方精云;

等离子体加工光学元件工艺研究    王颖男;杭凌侠;胡敏达;

氩气低温等离子体处理HDPE薄膜表面的性能研究    王建龙;王正祥;解林坤;顾丽争;

中国和平崛起过程中的能源安全战略选择    张巍;李班;

从“低碳经济”谈江西发展核电的必要性和可行性    花明;谢青霞;

甲烷重整制氢用催化剂的研究进展    杨修春;韦亚南;

压水堆核电站反应堆压力容器材料概述    李承亮;张明乾;

生物质茜素类染料结构改性及其无助剂染色    戚益;顾钰;安冬;徐倩倩;杜鹃;罗艳;

新型吸附制冷机的研制与实验研究    龚丽霞;王如竹;夏再忠;

等离子体还原硝酸钯水溶液表观原理    沈健;朴大远;刘昌俊;

静电探针在羊毛织物LTP整理中应用    陈英;刘炳宏;

北京市能源消费特征和节能降耗途径研究    王军;吴万标;周锐;方秀玉;薛婷;

国际水电发展情况及对有关问题的思考    贾金生;

Green Development and China Energy Security——An Analysis based on PSR Mode    姜姝;

中国CO_2地质封存与可持续发展    崔振东;刘大安;曾荣树;田甜;

大容量化学储能系统研究进展    邓浩;张宁;冯哲圣;

我国能源安全面临的挑战及法律应对措施    谭柏平;

铂铝合金粘结涂层的高温氧化行为研究    宋鹏

细颗粒物的电收集技术研究    朱继保

低挥发份劣质燃料循环流化床燃烧特性研究    李社锋

纳米流体辐射特性机理研究及其在太阳能电热联用系统中的应用研究    赵佳飞

脉冲放电电凝并结合碱液吸收烟气多种污染物协同脱除研究    徐飞

锌电积能耗及节能研究    许春富

晶格氧部分氧化甲烷制取合成气的基础研究    魏永刚

经济全球化背景下中国能源安全问题研究    姜星莉

基于并网逆变器电能质量与变换效率的若干关键技术研究    杨波

电力谐波和间谐波参数估计算法研究    陈国志

电流体动力学（EHD）空气泵的多物理场建模与数值仿真    毛晓靖

梯级水电站优化运行研究与应用    郑慧涛

玉米秸秆预处理及对发酵产氢效果影响研究    曾召刚

DBD等离子体导电特性研究    郭艳花

高能燃料燃烧流场的数值模拟与结构设计    张哲衡

奥镁公司隧道窑余热回收项目管理案例研究    李俊峰

硬硅钙石型硅酸钙纤维的合成和应用    张瑞芝

SnO_2基陶瓷半导体热电材料的研究及制备    曹恒淇

MW级风力发电机主轴制造项目财务分析    亓金双

能源安全对中国和平发展的挑战与对策分析    颜志强

多孔陶瓷制备技术研究进展    钱军民,催凯,艾好,金志浩

甲烷部分氧化制合成气载体及助剂对Ni系催化剂活性的影响    余林,袁书华,田久英,王升,储伟

Pd/ZnO催化剂的还原及其催化甲醇水蒸气重整制氢    王艳华;张敬畅;徐恒泳;白雪峰;

微波诱导甲烷在活性炭/碳化硅上直接转化制C_2烃    张劲松,曹丽华,杨永进

多孔陶瓷的应用、制备及进展    张淑会;薛向欣;姜涛;杨合;刘然;

甲烷重整制氢用催化剂的研究进展    杨修春;韦亚南;

多孔陶瓷薄膜表面形貌研究    曾智强,萧小月,桂治轮,李龙土

甲醇水蒸汽重整制氢的研究进展    张新荣,史鹏飞

纯甲烷气体在脉冲电晕等离子体中的偶联反应    张秀玲,朱爱民,宫为民,阮桂色,师华

过渡金属与微波等离子体协同催化甲烷制乙炔    徐春蕾,董家騄,杨鸿生,孙永志,孙德坤,杨春

等离子体转化天然气和水制甲醇    王保伟;许根慧;

气水混合两相体放电现象及机制的理论与实验研究    杨长河

大气压均匀介质阻挡放电以及多针电晕增强放电机理研究    齐冰

美科学家开始研究利用太阳能分解水廉价制氢    

甲烷催化裂解制氢气的研究    李建雄;王振艳;

美国能源部出资140万美元研究核能制氢    李毅;

氢能利用与制氢储氢技术研究现状    林才顺;魏浩杰;

变压吸附制氢技术在邯钢冷轧工程中的应用    王瑾辉;

甲醇电解制氢    胡智怡;李永亮;沈培康;

Ca(OH)_2对生物质水蒸气气化制氢的影响    黄浩;胡国新;

生物质制氢技术的研究现状与展望    陈冠益;高文学;马文超;

甲烷部分氧化制氢机理及方法    张翅远;王华;何方;张兴雪;

硫化氢光催化分解制氢    白雪峰;吴丹;王鹏;

光催化辅助电解水制氢研究    陈爱平;何洪波;马磊;常明;李春忠;

制氢变换工艺及催化剂研究进展    何观伟;

生物质热化学转化制氢工艺的研究进展与展望    张强;蒋恩臣;

氢气的规模生产初探    陈霖新;

氢气的规模生产初探    陈霖新;

高温均相催化分解甲烷制氢    王科;周小平;

助剂Ce对NiAl催化剂水相重整乙二醇制氢性能的影响    卢春山;白赢;李小年;

用射流和红外谐振装置生产氢能    曾庆衿;韩粤生;

生物质热化学法制取氢气的研究进展    李凤仙;王伟;王博;吕剑;

甲醇水蒸汽转化制氢Cu_1Zn_1Al_(5．6)Zr_(0．2)催化剂研究    黄冬;张志勇;崔群;王海燕;

新合金让光电催化水解制氢更快捷    刘霞

美公布水制氢化学新工艺    刘霞

焦炉气制氢：能源开发新思路    晋文

烃类原料蒸汽转化制氢系列催化剂及技术成功    李杰

站在四千三百米的高度    陈云峰 扎西 张文哲

锌粉末让氢经济不再遥远    本报记者 杜华斌

能源世界的一颗新星——氢能    张学铭

微米级多孔陶瓷的研究    西北轻工业学院 任强 武秀兰 朱振峰

高效多孔陶瓷汽车尾气净化器列入国家新产品    吴启东

俄开发出用于超声诊断的新型多孔陶瓷    魏忠杰

非平衡等离子体重整甲烷制氢的研究    周志鹏

铝基材料快速水解制氢的研究    陈星宇

生物质油催化重整制氢及催化剂积炭失活研究    蓝平

生物质粗甘油混合高效制氢实验研究    赵丽霞

电催化水蒸汽重整生物油及乙醇制氢的基础应用研究    袁丽霞

自制串联流化床系统中生物质制氢及双固定床中粗生物油制氢的基础研究    阚涛

甘油水相重整制氢反应中催化剂设计与制备的研究    郭勇

多元醇液相重整反应的催化剂研究    褚娴文

生物油水汽重整制氢及由生物质合成气合成低碳醇的研究    叶同奇

多元醇液相重整制氢的催化剂研究    刘俊

几种制氢方法的生命周期评价研究    李奕阳

泡沫金属载体板制氢微反应器设计制造及应用    肖慧

生物油催化重整制氢研究    任志忠

kW级燃料电池热电联产系统中天然气重整制氢体系的研究    彭昂

非均匀分布微通道载体甲醇重整制氢性能研究及结构优化    李金恒

滑动弧放电等离子体重整燃料制氢实验研究    颜士鑫

铝基微/纳米复合水解制氢材料的制备及其性能的研究    罗辉

用纳米SiO_2担载的Ni-Cu-Zn催化剂对电催化水蒸气重整生物油制氢的研究    林少斌

两步法蒸汽重整制氢与合成气用铈基氧载体的性能研究    祝星

预处理方法对玉米秆厌氧发酵制氢的影响研究    王剑