CN101844744A - 协同驱动旋转滑动弧放电等离子体重整甲烷制氢装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及低碳烃重整制氢装置，旨在提供一种协同驱动旋转滑动弧放电等离子体重整甲烷制氢装置。包括具有反应罩和绝缘底座的反应器，其电极设于绝缘底座上并与高压直流电源相连，反应罩上有一个反应器出口；混合气体管路一端与绝缘底座外侧的进气口相接，另一端同时连接至空气气泵和甲烷气源；所述电极包括圆锥形内电极和管状外电极两部分，其中内电极设于绝缘底座的中心，外电极环绕着内电极设置；绝缘底座内部设螺旋形气流通道。本发明可以极大地提高甲烷重整制氢的效果，具有更高的甲烷转化率、更高的氢气选择性、更低的能耗以及更大的甲烷处理量；装置简单成本低廉，尤其适用于中小规模重整甲烷制氢的需要。

Description

协同驱动旋转滑动弧放电等离子体重整甲烷制氢装置

技术领域

本发明涉及一种低碳烃重整制氢装置，更具体地说，本发明涉及一种协同驱动旋转滑动弧放电等离子体重整甲烷制氢装置。

背景技术

将甲烷转换成氢气加以利用，不仅可以实现甲烷的清洁利用，减少温室气体的排放，而且满足了相应的工业需求，提高了能源品位。目前甲烷制氢采用的主要技术是烃类蒸汽重整制氢，但该技术采用的是强吸热反应，反应温度较高，必须外部供热，热效率较低；反应过程中水大量过量，能耗较高，造成能源和资源的浪费；需要在催化剂的作用下促进反应的进行，然而现有催化剂对硫非常敏感，故天然气(轻烃)需要首先脱硫，同时焦炭的生成也会降低催化剂的活性。

滑动弧放电是一种常压下低温等离子体发生方式，该技术已被初步应用于工业废气、废水处理等环保领域。其主要特点在于输入能量可以在不加热反应气体的前提下，产生大量的高能电子和活性基团，并选择性刺激化学反应。将滑动弧放电等离子体技术应用于甲烷重整制氢时，高能电子可以有效打断甲烷的C-H键，实现甲烷的分解，同时产生各种活性基团，包括O、OH、CH、CH₂、CH₃等，从而有效促进甲烷重整反应的进行。

但是传统刀片式电极的滑动弧放电所形成的等离子体区域近似二维，反应区间小，大量反应物并未通过等离子体区域，同时反应物的停留时间短，并且电弧需要不断的重复从击穿起弧到电弧拉长至最后熄灭的过程，因此处理效果有限。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种协同驱动旋转滑动弧放电等离子体重整甲烷制氢装置。

为解决技术问题，本发明采用的技术方案是：提供一种协同驱动旋转滑动弧放电等离子体重整甲烷制氢装置，该装置包括一个具有反应罩和绝缘底座的反应器，其电极设于绝缘底座上并与高压直流电源相连，反应罩上有一个反应器出口；混合气体管路一端与绝缘底座外侧的进气口相接，另一端同时连接至空气气泵和甲烷气源；所述电极包括圆锥形内电极和管状外电极两部分，其中内电极设于绝缘底座的中心，外电极环绕着内电极设置；绝缘底座内部设螺旋形气流通道，其一端与所述进气口相接，其另一端为出气口，位于外电极和内电极之间的绝缘底座的表面。

作为一种改进，所述反应罩的外部包围设置稳定磁场。

作为一种改进，所述混合气体管路与甲烷气源之间设阻燃器，阻燃器内具有水封结构。

作为一种改进，所述外电极的内侧具有楔形结构。

作为一种改进，所述高压直流电源与电极之间设有功率电阻。

作为一种改进，所述高压直流电源的负极与内电极相连接，而高压直流电源的正极与外电极相连接。

作为一种改进，有一个变压吸附装置与所述反应器出口相连。

作为一种改进，在所述反应器出口之前的反应罩内，设置催化剂装载区。

本发明是在传统刀片式电极滑动弧装置的基础上，对滑动弧放电装置的有益改进，并将改进后的协同驱动旋转滑动弧放电装置应用于甲烷重整制氢领域。与传统刀片式电极滑动弧装置相比，旋转滑动弧放电不仅实现了三维的滑动弧放电区域，增大了滑动弧放电等高子区域，加长了反应物的停留时间；更加使得滑动弧在起弧后，能够持续以拉长后的状态在内外电极顶端之间高速旋转，从而可以获得更多的高能电子以打断甲烷的C-H键促使其分解，并生成更多的活性基团促进甲烷转化重整；同时由于采用了协同驱动旋转滑动弧放电装置，使得电弧持续高速旋转，从而强化了电弧、高能电子和活性基团与反应物之间的接触，其处理效果可以得到显著的提高。并且在活性基团的作用下，会在旋转电弧后部形成剧烈的燃烧火焰，该火焰主要由乙炔、乙烯的部分氧化引起，从而进一步促进了氢气的生成。同时在该燃烧火焰的部分氧化放热作用下，催化剂可以迅速达到催化所需的温度，因此可以获得优良的滑动弧催化联合作用下重整甲烷制氢的效果。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)与传统的刀片式电极滑动弧装置相比，采用气流与磁场协同驱动旋转滑动弧放电装置，可以极大地提高甲烷重整制氢的效果，具有更高的甲烷转化率、更高的氢气选择性、更低的能耗以及更大的甲烷处理量；

(2)通过旋转滑动弧放电与催化剂的联用，可以使两种技术各自发挥特长，获得理想的重整效果，而当原料中含有大量容易致使催化剂中毒的成分时，可以单独采用旋转滑动弧放电重整，利用将2个或多个反应器串联的方式达到同样的重整效果，从而表现出对于原料良好的适应性；

(3)与烃类蒸汽催化重整制氢技术相比，不仅能耗有所降低，对原料的适应性广，而且装置简单成本低廉，尤其适用于中小规模重整甲烷制氢的需要；

(4)本装置不仅适用于甲烷重整制氢，也同样适用于氨气、乙烷等含氢气态原料的重整制氢。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中附图标记为：1甲烷气源(或其它含氢气态原料)、2阻燃器、3进气口、4功率电阻、5高压直流电源、6空气气泵、7变压吸附装置、8反应罩、9外加的稳定磁场、10绝缘底座、11螺旋形气流通道、12内电极、13外电极、14催化剂装载区、15反应器出口。

具体实施方式

参考附图，下面将对本发明进行详细描述。

本实施例中的协同驱动旋转滑动弧放电等离子体重整甲烷制氢装置，包括一个具有反应罩8和绝缘底座10的反应器，其电极设于绝缘底座10上并与高压直流电源5相连，反应罩8上有一个反应器出口15；混合气体管路一端与绝缘底座外侧的进气口3相接，另一端同时连接至空气气泵6和甲烷气源1；所述电极包括圆锥形的内电极12和管状的外电极13两部分，其中内电极12设于绝缘底座10的中心，外电极13环绕着内电极12设置，外电极13的内侧具有楔形结构，以辅助滑动弧的形成，促使内外电极在间距最短处起弧。绝缘底座10内部设螺旋形气流通道11，其一端与所述进气口3相接，其另一端为出气口，位于外电极环和内电极之间的绝缘底座10的表面。该设计使得甲烷和空气的混合气体旋转进入内电极12和外电极13之间，形成旋转滑动弧放电。

反应罩8的外部包围设置外加的稳定磁场9。外部设置的稳定磁场9可加速电弧的旋转，形成高速旋转滑动弧放电。

混合气体管路与甲烷气源1之间设阻燃器2，阻燃器2内具有水封结构。甲烷气体在进入反应器之前，先经过阻燃器2，阻燃器2内的水封结构具有一定高度的水，甲烷气体以鼓泡的方式通过阻燃器2，在实现阻燃的同时，也携带了一部分水蒸汽进入反应器反应。

所述高压直流电源5与电极之间设有功率电阻，以保证电弧击穿后，电源能够稳定工作。高压直流电源的负极与内电极相连接，而高压直流电源5的正极与外电极相连接。

在反应器出口15之前的反应罩8内，设置催化剂装载区14。催化剂装载区14的设置与否具体可以根据原料特性进行调节：如果甲烷气体进料中不含硫份，则加设催化剂装载区14，装载用于催化重整的催化剂。甲烷在旋转滑动弧放电等离子体的作用下，与空气发生重整反应后，又进入催化剂装载区14进行催化重整。如果进料中含有高浓度的硫份或其它容易致使催化剂失活的成分，则不需加设催化剂装载区14。催化剂可选用镍基催化剂或贵金属催化剂，例如川化股份有限公司生产的J106-2Q型甲烷催化剂。

重整后制取的富含氢气的合成气，通过与反应器出口15相连的变压吸附装置7，最终实现各组分的分离和氢气的提纯。变压吸附装置7是一种通用装置，例如可选用《变压吸附技术用于制氢》文献中所介绍的4塔流程变压吸附装置。

本发明的实现过程如下：

图1中，空气通过空气气泵6加压，通过进气口3进入绝缘底座10。在绝缘底座10上，分别安装有圆锥形的内电极12和管状的外电极13，内外电极分别与连接着功率电阻4的高压直流电源5相连接，在电极间距最短处起弧。在绝缘底座10内部，开有螺旋形气流通道11，使得进气以旋转的方式进入内外电极之间，从而推动电弧旋转，同时在反应罩8外部设置稳定磁场9，加速电弧旋转，形成高速旋转的滑动弧放电。当旋转滑动弧放电稳定运行后，再通入甲烷，从而保证反应器安全稳定的运行。甲烷经由阻燃器2后，与空气混合进入反应器，首先在反应罩8上部的滑动弧放电区域重整，随后进入反应罩8下部的催化区域14进一步反应，生成合成气。合成气最后通过变压吸附装置7实现各组分的分离和氢气的提纯。

本发明的具体实现实例如下：

方法工艺条件是：10KV高压直流电，功率电阻阻值100kΩ，内电极为圆锥形的黄铜电极，高度65mm，底部直径34mm；外电极为管状不锈钢电极，长110mm，内径43mm，外径48mm，其内部加设楔形铜片，从而形成一定的倾斜角，同时使得内外电极之间的最小间距为3mm。聚四氟乙烯底板在其中部设有直径43mm、高35mm的高台，高台周围开螺旋形气流通道，从而形成旋转气流，螺旋间距为10mm。内电极固定在高台上，外电极与高台紧固连接，使得外电极高于内电极10mm。反应器外罩采用石英玻璃，内径52mm，高250mm。催化剂装载区位于内电极上部80mm处，催化床层厚度为50mm。外加磁场强度为0.1T，高度为200mm。实验分别在设有催化剂和不加设催化剂的条件下进行。

实验1#

实验条件：甲烷流量6L/min，空气流量14L/min，无催化剂。

反应器	甲烷转化率	氢气选择性	单位氢气能耗
				协同驱动旋转滑动弧放电装置	52％	64％	5.6kJ/L

实验2#

实验条件：甲烷流量6L/min，空气流量14L/min，镍基催化剂联用。

反应器	甲烷转化率	氢气选择性	单位氢气能耗
				旋转滑动弧放电催化联用装置	87％	65％	2.5kJ/L

实验3#

实验条件：氨气流量10L/min，阻燃器内为饱和氨水，从而携带一定量的水蒸汽进入，不通入空气，无催化剂。

反应器	氨气分解率	氢气选择性	单位氢气能耗
				协同驱动旋转滑动弧放电装置	27％	～100％	6.2kJ/L

还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种协同驱动旋转滑动弧放电等离子体重整甲烷制氢装置，包括具有反应罩和绝缘底座的反应器，其电极设于绝缘底座上并与高压直流电源相连，反应罩上有一个反应器出口；混合气体管路的一端与绝缘底座外侧的进气口相接，另一端同时连接至空气气泵和甲烷气源；其特征在于，所述电极包括圆锥形内电极和管状外电极两部分，其中内电极设于绝缘底座的中心，外电极环绕着内电极设置；所述绝缘底座内部设螺旋形气流通道，其一端与所述进气口相接，其另一端为出气口，位于外电极和内电极之间的绝缘底座的表面。

2.根据权利要求1所述的制氢装置，其特征在于，所述反应罩的外部包围设置外加的稳定磁场。

3.根据权利要求1所述的制氢装置，其特征在于，所述混合气体管路与甲烷气源之间设阻燃器，阻燃器内具有水封结构。

4.根据权利要求1所述的制氢装置，其特征在于，所述外电极的内侧具有楔形结构。

5.根据权利要求1所述的制氢装置，其特征在于，所述高压直流电源与电极之间设有功率电阻。

6.根据权利要求1所述的制氢装置，其特征在于，所述高压直流电源的负极与内电极相连接，而高压直流电源的正极与外电极相连接。

7.根据权利要求1所述的制氢装置，其特征在于，有一个变压吸附装置与所述反应器出口相连。

8.根据权利要求1至7中任意一项所述的制氢装置，其特征在于，在所述反应器出口之前的反应罩内，设置装填了催化剂的装载区。