CN103415133B - 一种催化协同旋转滑动电弧放电等离子体发生装置 - Google Patents

Abstract

一种催化协同旋转滑动电弧放电等离子体发生装置，它包括外壳、催化剂腔体、中心电极、中心电极接线柱、外电极、外电极接线柱、螺旋气道和底座；外电极接线柱固定于底座上设置的外电极孔内，且一端通过螺纹与外电极连接；中心电极接线柱固定于底座上设置的中心电极孔内，且一端与中心电极连接；底座上设置的进气口内侧对准螺旋气道的进气端；中心电极、外电极以及外壳都固定于底座上；催化剂腔体置于外壳内部的反应腔内，通过催化剂腔座下边沿的凸起固定在外电极上方。本发明通过螺旋气道使混合气在反应腔内形成旋转上升的气流，增加了放电面积和反应时间，反应腔内装有催化剂腔体，在催化剂协同作用下，提高了产氢效率和单位时间内氢气的产量。

Description

一种催化协同旋转滑动电弧放电等离子体发生装置

技术领域

本发明涉及一种催化协同旋转滑动电弧放电等离子体发生装置，属于等离子制氢技术领域。

背景技术

氢气作为一种可再生的二次能源，具有热值高、反应速度快、可通过多种反应途径制得，并能以气态或液态储存等优点。氢气的燃烧和电化学反应的产物均为水，因此以氢气为能源可以有效的缓解温室效应、酸雨、环境污染等问题。

尽管氢气作为化石燃料的替代能源存在诸多优点，但其制备与贮存方式限制了其进一步应用。传统的制氢技术是以化石燃料为原料，采取水蒸气重整法、部分氧化法或自热重整法，在制得氢气的同时，产生大量的二氧化碳，因此对环境会造成很大的负面影响。同时，传统制氢技术在能源利用率方面较低。而等离子体制氢是近十几年来发展起来的一种制氢技术，它是利用气体通过高压电极间的空间时，电极间流动的电子使气体分子分裂，产生物质的第四态——等离子体。由于等离子体中存在活性自由基（如O、OH、O₃等），因而可引发部分化学反应的发生。等离子体制氢装置结构简单、制氢速度快、启动快、可以不用催化剂、可在常温常压下、极短的时间和较小的反应空间内引发制氢反应，因此被认为是多变条件下小规模生产氢气的理想选择。

目前主要的等离子体制氢技术包括电晕放电等离子体重整制氢、介质阻挡放电等离子体重整制氢、微波放电等离子体重整制氢和滑动电弧放电等离子体重整制氢等。其中滑动电弧放电因其可以同时保持高水平的非平衡等离子体，电子温度和电子密度高，且制造成本较低而广受关注。

一般的滑动电弧等离子体制氢装置中，放电区域近似二维平面，放电面积小，导入的气体进入反应腔，在高压电弧的作用下进行电离。为了推动电弧的不断产生，导入的气体必须保持较大的流速，因此导致气体在放电区域停留时间过短、反应不充分。而增大放电区域的面积可提高氢产率以及单位时间的氢产量。本发明采用旋转滑动式电弧放电，放电区域为三维，且放电时间长。采用催化剂协同反应，可进一步提高转化效率。

发明内容

本发明为了提高滑动电弧等离子体制氢装置的制氢效率和氢气产量，针对传统的滑动电弧等离子体制氢装置存在的上述问题，根据等离子体的特性，提供了一种催化协同旋转滑动电弧放电等离子体发生装置。

本发明一种催化协同旋转滑动电弧放电等离子体发生装置，其特征包括外壳、催化剂腔体、中心电极、中心电极接线柱、外电极、外电极接线柱、螺旋气道和底座。它们之间的位置连接关系是：外电极接线柱固定于底座上设置的外电极孔内，且一端通过螺纹与外电极连接；中心电极接线柱固定于底座上设置的中心电极孔内，且一端与中心电极连接；底座上设置的进气口的内侧对准螺旋气道的进气端；中心电极、外电极以及外壳都固定于底座上。催化剂腔体置于外壳内部的反应腔内，通过催化剂腔座下边沿的凸起固定在外电极上方。

所述底座为圆柱结构，其上分别设有外电极孔、中心电极孔、进气口；在其上方开有两阶同心凹槽，第一阶大径凹槽固定外电极，第二阶小径凹槽固定螺旋气道。其中第一阶大径凹槽设有内螺纹，与外电极下端的外螺纹连接；在底座的侧面分别设有两个电极孔，其沿底座的中心线呈上下布置，上方电极孔内固定有外电极接线柱，下方电极孔内固定有中心电极接线柱；与电极孔相对的另一侧设有进气口，其内侧对准螺旋气道的进气端。

所述螺旋气道为圆柱结构，其圆周面设有螺旋槽，中央设有通孔，用来固定中心电极。

所述中心电极为上方圆台形，下方为柱形，固定于螺旋气道的中央通孔内。其下方设有螺纹孔，用来与中心电极接线柱连接。

所述外电极为圆筒结构，固定于底座的第一阶凹槽内，其下段设有螺纹孔，用来与外电极接线柱连接。外电极下方设有外螺纹，用来与底座的第一阶凹槽的内螺纹连接。

所述外壳为圆筒结构，上方为圆弧形，并设有出气口，其下端与底座固连。

所述外电极接线柱为柱状结构，固定于外电极孔内，一端设有外螺纹，与外电极连接。

所述中心电极接线柱为柱状结构，固定于中心电极孔内，一端设有外螺纹，与中心电极连接。

所述催化剂腔体由催化剂腔盖和催化剂腔座组成。催化剂腔盖通过边沿的凸起部分与催化剂腔座牢牢固定。催化剂腔体通过下端边沿凸起固定于外电极上方。催化剂腔盖和催化剂腔座其上都设有方孔，在该腔体内加入催化剂，反应气从腔体底部的方孔进入催化剂腔体内，经催化协同作用后，从催化剂腔盖的方孔排出。

本发明的工作原理及工况简介如下：

混合气从底座的进气口进入螺旋气道，经螺旋槽后形成旋转上升的气体。在高压电源的作用下，在中心电极和外电极之间的最窄处形成放电电弧，在旋转气体的推动下，电弧以中心电极为中心在反应腔内旋转上升。随着中心电极和外电极间隙的增大，电弧逐渐拉长，当电压不足以维持电弧强度时电弧断裂。在每个放电周期内，电弧源源不断的产生，因此在中心电极和外电极之间形成连续的放电区域，促使混合气体不断电离。电离的气体进入上方的催化剂腔，在催化剂的协同作用下进行等离子体重整反应，在外壳上方加工有出气口，混合气经过重整反应后从上方的出气口排出。

本发明一种旋转滑动电弧放电等离子体发生装置的优点在于：

1、本发明等离子体发生装置通过螺旋气道使混合气在反应腔内形成旋转上升的气流，进而形成旋转放电区域，增加了放电区域的面积，并延长了反应时间，提高了产氢效率和单位时间内氢气的产量；

2、本发明等离子体发生装置反应腔内安装有催化剂腔体，在催化剂协同作用下，提高了产氢效率和单位时间内氢气的产量。

附图说明

图1是本发明等离子体发生装置主视图；

图2是本发明等离子体发生装置剖视图；

图3是本发明等离子体发生装置等轴测剖视图。

图4是本发明中的螺旋气道等轴测剖视图

图5是本发明中的催化剂腔体等轴测剖视图

图中序号说明如下：

1-外壳 2-底座 3-催化剂腔体

4-中心电极 5-外电极 6-螺旋气道

7-外电极接线柱 8-中心电极接线柱 101-出气口

102-反应腔 201-外电极孔 202-中心电极孔

203-进气口 301-催化剂腔盖 302-催化剂腔座

401-中心电极螺纹孔 501螺纹孔 601-螺旋槽 602-中央通孔

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

本发明为一种催化协同旋转滑动电弧放电等离子体发生装置，如图1、图2、图3、图4、图5所示，它包括外壳1、底座2、催化剂腔体3、中心电极4、外电极5、螺旋气道6、外电极接线柱7和中心电极接线柱8。它们之间的位置连接关系是：底座2上设有外电极孔201、中心电极孔202、进气口203。其中外电极接线柱7固定于外电极孔201，且一端通过螺纹与外电极5连接；中心电极接线柱8固定于中心电极孔202，且一端通过螺纹与中心电极4连接；进气口203的内侧对准螺旋气道6的进气端；中心电极4、外电极5以及外壳1都固定于底座2上。外电极5下方设有外螺纹，与底座2上第一阶大径凹槽上的内螺纹相连接。催化剂腔体3置于反应腔102内，通过催化剂腔座302下边沿的凸起固定在外电极5上方。

所述螺旋气道6为圆柱结构，其侧面设有螺旋槽601，中央设有通孔602，用来固定中心电极4。其材质为石英玻璃。

所述中心电极4为上方圆台形，下方为圆柱形，固定于螺旋气道6的中央通孔602内。其下方设有螺纹孔401，用来与中心电极接线柱8连接。其材质为不锈钢。

所述外电极5为圆筒结构，固定于底座的第一阶大径凹槽内，其下设有螺纹孔501，用来与外电极接线柱7连接。外电极下方设有外螺纹，用来与底座的第一阶凹槽的内螺纹连接。其材质为不锈钢。

所述外壳1为圆筒结构，上方为圆弧形，并设有出气口101，其材质为石英玻璃。其下端与底座固连。

所述外电极接线柱7为柱状结构，固定于外电极孔201内，一端设有外螺纹，与外电极5连接，其材质为不锈钢。

所述中心电极接线柱8为柱状结构，固定于中心电极孔202内，一端设有外螺纹，与中心电极4连接，其材质为不锈钢。

所述催化剂腔体3由催化剂腔盖301和催化剂腔座302组成。催化剂腔盖301通过边沿的凸起部分与催化剂腔座302牢牢固定。催化剂腔座302通过下边沿凸起固定于外电极5上方。催化剂腔盖301和催化剂腔座302底部都设有方孔，其内加入催化剂，反应气从催化剂腔座302底部的方孔进入催化剂腔体，经催化协同作用后，从催化剂腔盖301方孔排出。催化剂腔体3的材质为石英玻璃。

该装置的外电极5与外电源低压端连接，中心电极8与外电源高压端连接。在外电源的作用下，在中心电极4和外电极5的最窄处形成电弧放电。催化剂腔体3内装有等离子反应所需的催化剂。制氢的反应气体从进气口203进入装置，经螺旋气道6后形成旋转上升的气流，进入反应腔102内。在气流的推动下，反应腔102内形成旋转上升的电弧，并随着中心电极8与外电极5间隙的增大而被逐渐拉长，当电源的电压不足以维持电弧能量时，电弧断裂，因此在每个放电周期内，中心电极8与外电极5间形成连续的滑动电弧。反应气体随后通过催化剂腔座302的方孔进入催化剂腔体内，在催化剂的协同催化作用下进行等离子体重整反应，反应后的气体从催化剂腔盖301的方孔流出催化剂腔，经外壳1上方的出气口101排出反应装置。

Claims (1)

1.一种催化协同旋转滑动电弧放电等离子体发生装置，其特征在于：它包括外壳、催化剂腔体、中心电极、中心电极接线柱、外电极、外电极接线柱、螺旋气道和底座；外电极接线柱固定于底座上设置的外电极孔内，且一端通过螺纹与外电极连接；中心电极接线柱固定于底座上设置的中心电极孔内，且一端与中心电极连接；底座上设置的进气口的内侧对准螺旋气道的进气端；中心电极、外电极以及外壳都固定于底座上；催化剂腔体置于外壳内部的反应腔内；

所述底座为圆柱结构，其上分别设有外电极孔、中心电极孔、进气口；在其上方开有两阶同心凹槽，第一阶大径凹槽固定外电极，第二阶小径凹槽固定螺旋气道，第一阶大径凹槽高于第二阶小径凹槽，其中第一阶大径凹槽设有内螺纹，与外电极下端的外螺纹连接；在底座的侧面分别设有外电极孔和中心电极孔，其沿底座的中心线呈上下布置，外电极孔内固定有外电极接线柱，中心电极孔内固定有中心电极接线柱；与外电极孔和中心电极孔相对的另一侧设有进气口，其内侧对准螺旋气道的进气端；

所述螺旋气道为圆柱结构，其圆周面设有螺旋槽，中央设有通孔，用来固定中心电极；

所述中心电极为上方圆台形，下方为柱形，固定于螺旋气道的中央通孔内；其下方设有螺纹孔，用来与中心电极接线柱连接；

所述外电极为圆筒结构，固定于底座的第一阶大径凹槽内，其下段设有螺纹孔，用来与外电极接线柱连接；外电极下方设有外螺纹，用来与底座的第一阶大径凹槽的内螺纹连接；

所述外壳为圆筒结构，上方为圆弧形，并设有出气口，其下端与底座固连；

所述外电极接线柱为柱状结构，固定于外电极孔内，一端设有外螺纹，与外电极连接；

所述中心电极接线柱为柱状结构，固定于中心电极孔内，一端设有外螺纹，与中心电极连接；

所述催化剂腔体由催化剂腔盖和催化剂腔座组成，催化剂腔盖通过边沿的凸起部分与催化剂腔座牢牢固定，催化剂腔体通过催化剂腔座下端边沿的凸起直接固定于外电极的顶端，外电极的顶端高出中心电极的顶端一定距离；催化剂腔盖和催化剂腔座其上都设有多个方孔，在该腔体内加入催化剂，反应气从腔体底部的方孔进入催化剂腔体内，经催化协同作用后，从催化剂腔盖的方孔排出。