氫能作為一種清潔高效的二次能源,在燃料電池、氫內(nèi)燃機和汽輪機等應用領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。但目前氫氣的存儲和運輸技術(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)同效應在制氫研究中的應用已經(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化學反應快速進行。與傳統(tǒng)的熱化學方法相比,等離子體轉(zhuǎn)化甲烷制氫具有反應速度快、反應溫度低等優(yōu)點,其裝置體積小、啟動快,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反應物發(fā)生反應,因此非平衡等離子體應用于氣體燃料的轉(zhuǎn)化具有得天獨厚的優(yōu)勢。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)計建立了填充床介質(zhì)阻擋放電反應器、多孔陶瓷介質(zhì)阻擋放電反應器、非熱電弧反應器及配套實驗系統(tǒng),進行了放電實驗、制氫實驗、數(shù)值模擬與反應器結(jié)構(gòu)優(yōu)化等研究工作。本論文的主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下： 提出并構(gòu)建了電暈誘導介質(zhì)阻擋放電反應器(放電間隙1Omm),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器穩(wěn)定性。研究大氣壓較低溫度條件下電暈誘導介質(zhì)阻擋放電反應器內(nèi)甲烷的部分氧化水蒸氣重整制氫。反應器內(nèi)電暈誘導顆粒的存在使介質(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、以及預熱溫度對甲烷轉(zhuǎn)化率和氫氣選擇性的影響。實驗結(jié)果表明：輸入功率在27-50W之間時輸入功率的增加明顯促進甲烷轉(zhuǎn)化率升高,但當輸入功率大于50W時,功率的增加對甲烷轉(zhuǎn)化的促進作用相對較弱；氧氣／甲烷摩爾比既影響甲烷轉(zhuǎn)化率,又影響氫氣選擇性,在本論文實驗條件下氧氣／甲烷摩爾比為0.6時,氫氣的選擇性最高能達到112%；電暈誘導介質(zhì)阻擋放電和催化劑聯(lián)合作用下的甲烷轉(zhuǎn)化率接近熱力學平衡時的甲烷轉(zhuǎn)化率,而前者反應速率明顯高于后者。 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)化率遠高于催化劑和介質(zhì)阻擋放電各自單獨作用結(jié)果之和；同時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作用。介質(zhì)阻擋放電/催化劑聯(lián)合作用在于降低反應溫度和提高反應速率,相對于介質(zhì)阻擋放電單獨作用降低了能耗,以臭氧產(chǎn)生為例,單純的介質(zhì)阻擋放電的電耗高達7kWh/kgO3(反應物為氧氣),加入催化劑后電耗降至2.7kWh/kgO3(反應物為氧氣)。但介質(zhì)阻擋放電應用于能源轉(zhuǎn)化可能不合適,從本文試驗的結(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速率,但系統(tǒng)不具備良好的經(jīng)濟性。 為提高小型等離子體制氫系統(tǒng)的經(jīng)濟性,設(shè)計了非熱電弧等離子體結(jié)合催化劑重整甲烷制氫反應器,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器的放電特性和點火性能。當一級旋轉(zhuǎn)氣流量大于80sL/min時,非熱電弧能不間斷產(chǎn)生。氧碳摩爾比率大于0.8時甲烷轉(zhuǎn)化率高于80%,氫氣選擇性在氧碳摩爾比率較大的變化范圍內(nèi)超過70%。非熱電弧反應器最大產(chǎn)氫量為1.07kgH2/h,比電耗在降為0.47MJ/kgH2,具有快速啟動性能,預熱條件下可在30sec啟動制氫,2-3min達到穩(wěn)定參數(shù),非預熱條件下10min以內(nèi)即可快速啟動。
【學位單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2012
【中圖分類】：TK91
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第1章 緒論
    1.1 研究背景
    1.2 甲烷重整制氫
        1.2.1 氫能
        1.2.2 甲烷水蒸氣重整制氫
        1.2.3 甲烷部分氧化制氫
        1.2.4 甲烷自熱重整制氫
        1.2.5 甲烷催化裂解制氫
        1.2.6 甲烷重整制氫工藝比較
    1.3 等離子體概述
        1.3.1 等離子體的定義、特點及其分類
        1.3.2 介質(zhì)阻擋放電
        1.3.3 非熱電弧放電
    1.4 非平衡等離子體重整甲烷制氫研究進展
    1.5 本文組織結(jié)構(gòu)
    參考文獻
第2章 填充床介質(zhì)阻擋放電轉(zhuǎn)化甲烷研究
    2.1 實驗裝置
    2.2 填充床介質(zhì)阻擋放電特性
    2.3 介質(zhì)阻擋放電轉(zhuǎn)化甲烷制氫結(jié)果與分析
        2.3.1 甲烷部分氧化水蒸氣重整制氫
        2.3.2 甲烷水蒸氣重整制氫
    2.4 積碳產(chǎn)生與消除
    2.5 本章小結(jié)
    參考文獻
第3章 電暈誘導介質(zhì)阻擋放電-等離子體流化床
    3.1 等離子體流化床裝置
    3.2 螺桿輸送參數(shù)和顆粒體積分數(shù)計算
    3.3 電暈誘導介質(zhì)阻擋放電-等離子體流化床放電特性分析
        3.3.1 放電波形和圖片
        3.3.2 體積分數(shù)對起始放電電壓的影響
        3.3.3 體積分數(shù)對放電功率的影響
    3.4 本章小結(jié)
    參考文獻
第4章 多孔陶瓷介質(zhì)阻擋放電與甲烷轉(zhuǎn)化研究
    4.1 多孔陶瓷的制備
        4.1.1 多孔陶瓷設(shè)計要求
        4.1.2 多孔陶瓷制備工藝
    4.2 多孔陶瓷顯微結(jié)構(gòu)
    4.3 多孔陶瓷性能研究
        4.3.1 多孔陶瓷氣阻特性分析
        4.3.2 多孔陶瓷放電特性分析
    4.4 多孔陶瓷介質(zhì)阻擋放電轉(zhuǎn)化甲烷制氫
    4.5 本章小結(jié)
    參考文獻
第5章 催化劑/介質(zhì)阻擋放電聯(lián)合催化作用及用途思考
    5.1 關(guān)于甲烷重整中催化劑/介質(zhì)阻擋放電聯(lián)合催化作用
    5.2 介質(zhì)阻擋放電參與的甲烷反應初步模擬
        5.2.1 等離子體注入反應模型
        5.2.2 零維閉口系統(tǒng)模擬
        5.2.3 一維開口系統(tǒng)模擬
    5.3 催化劑/介質(zhì)阻擋放電聯(lián)合催化作用的用途
    參考文獻
第6章 非熱電弧重整甲烷制氫研究
    6.1 非熱電弧制氫裝置原理及設(shè)計
    6.2 非熱電弧放電特性及點火性能分析
        6.2.1 非熱電弧放電特性分析
        6.2.2 非熱電弧點火性能分析
    6.3 非熱電弧反應器冷態(tài)流場模擬
    6.4 非熱電弧反應器內(nèi)甲烷部分氧化制氫
        6.4.1 一級進氣制氫試驗
        6.4.2 反應器啟動特性分析
        6.4.3 二級進氣制氫試驗
    6.5 本章小結(jié)
    參考文獻
第7章 總結(jié)與展望
    7.1 本文主要工作和結(jié)論
    7.2 后續(xù)工作展望
致謝
在讀期間發(fā)表的學術(shù)論文及取得的研究成果

【引證文獻】

相關(guān)碩士學位論文 前1條

1 姚京;大氣壓非平衡等離子體源分區(qū)激勵方法研究[D];大連海事大學;2013年

本文編號：2876569