CN108684131A - 用于甲烷干重整的高频交流旋转滑动弧放电等离子体发生系统 - Google Patents
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Abstract
一种用于甲烷干重整的高频交流旋转滑动弧放电等离子体发生系统，属于大气压放电等离子体源基础与应用技术领域。该系统包括配气装置、放电装置、电特性检测装置、高频交流电源和产物分析装置。放电装置包含螺旋玻璃管、高压电极、低压电极和玻璃罩，螺旋玻璃管套装在高压电极的下部，低压电极套装在高压电极的外部，密封于玻璃罩内。高压电极制成锥形电极，电极顶角为30°‑60°，低压电极制成圆筒电极，低压电极比高压电极高，高压电极与低压电极的最窄间隙为2 mm；该系统优化了旋转滑动弧放电等离子体发生装置的高压电极顶角和高低压电极相对高度，并采用螺旋玻璃管的进气方式，以高频交流电源作为激励电源，得到了重整效果最佳的电极结构参数。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于甲烷干重整的高频交流旋转滑动弧放电等离子体发生系统，属于大气压放电等离子体源基础与应用技术领域。
背景技术
旋转滑动弧放电在甲烷干重整和二氧化碳分解等领域受到了研究者的广泛关注。目前大气压旋转滑动弧放电等离子体发生方法的研究工作，主要集中在电极结构和激励电源两个方面。电极结构会直接影响电场的空间分布，进而影响放电形式、状态和等离子体强度。不同的激励电源输出的电压波形不同，如直流电压、交流电压、高频电压、脉冲电压等。通过调整电压波形调节电场随时间的变化，进而调节电场中电子和离子的加速与能量的积累过程。
形成旋转滑动弧放电等离子体的高压电极结构通常包括螺旋弹簧丝、不锈钢柱和锥，低压电极结构通常为不锈钢圆筒或阴极罩。不锈钢圆锥形高压电极和不锈钢圆筒形低压电极构成的电极结构，制造简单，拆卸方便，在甲烷干重整研究中受到广泛关注。其中高压电极顶角和高低压电极的相对高度是影响电弧滑动过程的关键因素，所以何种高压电极顶角和高低压电极相对高度最有利于甲烷干重整，是需要深入探讨的问题之一。
旋转滑动弧放电等离子体的激励电源有多种，但由于高频交流电源频率高，在一定时间内可以为放电装置提供更高的注入能量，并且装置中不需要串接限流电阻，更多的能量被用于激发重整反应进行。此外，所述高频交流电源体积小，重量轻，有更高的控制精度，管理方便，所以高频交流电源越来越多地被用于等离子体研究和现代工业中。
旋转滑动弧放电等离子体形成不可或缺的条件之一为旋转气流。形成旋转气流的方式主要包括两种，分别为磁驱动和切向进气。磁场对电弧施加切向洛伦兹力，从而使电弧旋转，并在垂直气流的作用下沿着电极向上滑动。虽然磁场可以有效行成旋转滑动弧，但磁铁的成本高，且在放置时给放电装置带来沉重的负担。切向进气的方式通常是在低压电极上均匀打3~4个切向进气孔，这3~4股切向气流行成近似的旋转气流，从而行成旋转滑动弧。这种进气方式破坏了低压电极结构，并且切向进气孔一旦行成，便很难通过改变进气孔径来改变进气气速，除非重新制作新的低压电极，使成本增大，可操作性降低。
发明内容
本发明的目的在于提供用于甲烷干重整的高频交流旋转滑动弧放电等离子体发生系统，通过调整旋转滑动弧放电等离子体发生装置的高压电极顶角、高低压电极相对高度，考察甲烷干重整的效果。
为实现上述目的，并解决上述背景技术中提出的问题，本发明采用的技术方案为：一种用于甲烷干重整的高频交流旋转滑动弧放电等离子体发生系统，包括配气装置、放电装置、电特性检测装置、高频交流电源和产物分析装置；所述配气装置包含二氧化碳气瓶、甲烷气瓶、质量流量控制计和混气瓶，二氧化碳气瓶和甲烷气瓶分别通过管道经各自的质量流量控制计一起与混气瓶连接；所述放电装置包含设置在玻璃罩中的螺旋玻璃管、高压电极和低压电极，螺旋玻璃管套装在高压电极的下部，低压电极套装在高压电极的外部；所述高压电极为不锈钢材料制成的锥形电极，电极顶角为30°-60°，所述低压电极为不锈钢材料制成的圆筒电极，低压电极比高压电极高 ，高压电极与低压电极的最窄间隙为2 mm；所述电特性检测装置包含示波器、电流探头和高压探头，接地的电流探头和高压探头与示波器进行电连接；所述产物分析装置包含气相色谱分析仪和电脑，气相色谱分析仪与电脑进行电连接；所述混气瓶通过管道连接螺旋玻璃管的一端，螺旋玻璃管的另一端直接连通玻璃罩的内腔，玻璃罩的内腔通过管道连接气相色谱分析仪（5a）；所述高频交流电源电连接高压探头和高压电极；所述混气瓶中的混合生物气通过螺旋玻璃管进入高压电极与低压电极的最窄间隙，在高频交流电源的驱动下，该气隙被击穿并产生电弧，电弧在螺旋气流的作用下沿着两电极表面旋转滑动，形成一种交流旋转滑动弧，同时生物气被重整，重整的生物气进入气相色谱分析仪进行分析。
所述高频交流电源选用CTP-2000K产品，频率为5-11 kHz。
本发明的技术效果和优点：这种用于甲烷干重整的高频交流旋转滑动弧放电等离子体发生系统包括配气装置、放电装置、电特性检测装置、高频交流电源和产物分析装置。放电装置包含设置在玻璃罩中的螺旋玻璃管、高压电极和低压电极，螺旋玻璃管套装在高压电极的下部，低压电极套装在高压电极的外部。高压电极制成锥形电极，电极顶角为30°-60°，低压电极制成圆筒电极，低压电极比高压电极高，高压电极与低压电极的最窄间隙为2 mm；该系统优化了旋转滑动弧放电等离子体发生装置的高压电极顶角和高低压电极相对高度，并采用螺旋玻璃管的进气方式，以高频交流电源作为激励电源，得到了重整效果最佳的电极结构参数。
附图说明
图1是用于甲烷干重整的高频交流旋转滑动弧放电等离子体发生系统的工作原理图。
图中：1、配气装置，1a、二氧化碳气瓶，1b、质量流量控制计，1c、混气瓶，1d、甲烷气瓶，2、放电装置，2a、螺旋玻璃管，2b、高压电极，2c、低压电极，2d、玻璃罩，3、电特性检测装置，3a、示波器，3b、电流探头，3c、高压探头，4、高频交流电源，5、产物分析装置，5a、气相色谱分析仪，5b、电脑。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
图1示出了用于甲烷干重整的高频交流旋转滑动弧放电等离子体发生系统的工作原理图。图中，这种用于甲烷干重整的高频交流旋转滑动弧放电等离子体发生系统包括配气装置1、放电装置2、电特性检测装置3、高频交流电源4和产物分析装置5。配气装置1包含二氧化碳气瓶1a、甲烷气瓶1d、质量流量控制计1b和混气瓶1c，二氧化碳气瓶1a和甲烷气瓶1d分别通过管道经各自的质量流量控制计1b一起与混气瓶1c连接。放电装置2包含设置在玻璃罩2d中的螺旋玻璃管2a、高压电极2b和低压电极2c，螺旋玻璃管2a套装在高压电极2b的下部，低压电极2c套装在高压电极2b的外部。高压电极2b为不锈钢材料制成的锥形电极，电极顶角为45°，低压电极2c为不锈钢材料制成的圆筒电极，低压电极比高压电极高，高压电极与低压电极的最窄间隙为2 mm。电特性检测装置3包含示波器3a、电流探头3b和高压探头3c，接地的电流探头3b和高压探头3c与示波器3a进行电连接。产物分析装置5包含气相色谱分析仪5a和电脑5b，气相色谱分析仪5a与电脑5b进行电连接。混气瓶1c通过管道连接螺旋玻璃管2a的一端，螺旋玻璃管2a的另一端直接连通玻璃罩2d的内腔，玻璃罩2d的内腔通过管道连接气相色谱分析仪5a。高频交流电源4电连接高压探头3c和高压电极2b。高频交流电源4选用CTP-2000K产品，频率为5-11 kHz。混气瓶1c中的混合生物气通过螺旋玻璃管2a进入高压电极2b与低压电极2c的最窄间隙，在高频交流电源4的驱动下，该气隙被击穿并产生电弧，电弧在螺旋气流的作用下沿着两电极表面旋转滑动，形成一种交流旋转滑动弧，同时生物气被重整，重整的生物气进入气相色谱分析仪5a进行分析。
为了考察不同高压电极顶角和高低压电极相对高度对甲烷干重整效果的影响，设计了不同高压电极顶角的三种电极结构，这三种电极结构的低压电极均比高压电极高20mm；高压电极顶角均为45°，而高低压电极相对高度不同。
当电源电压为8kV，高压电极顶角为45°时，能量效率分别比相同条件下高压电极顶角60°和30°的能量效率增加了22%和25%。当电源电压为8 kV时，低压电极高于高压电极条件下的能量效率比高压电极高于低压电极下的能量效率增加了0.14 mmol/kJ。本实例结果证明了高压电极顶角和高低压电极相对高度对甲烷干重整效果有很大影响，并且当高压电极顶角为45°、低压电极高于高压电极20 mm时，甲烷干重整效果最佳。
Claims (2)
1.一种用于甲烷干重整的高频交流旋转滑动弧放电等离子体发生系统，包括配气装置（1）、放电装置（2）、电特性检测装置（3）、高频交流电源（4）和产物分析装置（5）；其特征是：所述配气装置（1）包含二氧化碳气瓶（1a）、甲烷气瓶（1d）、质量流量控制计（1b）和混气瓶（1c），二氧化碳气瓶（1a）和甲烷气瓶（1d）分别通过管道经各自的质量流量控制计（1b）一起与混气瓶（1c）连接；所述放电装置（2）包含设置在玻璃罩（2d）中的螺旋玻璃管（2a）、高压电极（2b）和低压电极（2c），螺旋玻璃管（2a）套装在高压电极（2b）的下部，低压电极（2c）套装在高压电极（2b）的外部；所述高压电极（2b）为不锈钢材料制成的锥形电极，电极顶角为30°-60°，所述低压电极（2c）为不锈钢材料制成的圆筒电极，低压电极比高压电极高，高压电极与低压电极的最窄间隙为2 mm；所述电特性检测装置（3）包含示波器（3a）、电流探头（3b）和高压探头（3c），接地的电流探头（3b）和高压探头（3c）与示波器（3a）进行电连接；所述产物分析装置（5）包含气相色谱分析仪（5a）和电脑（5b），气相色谱分析仪（5a）与电脑（5b）进行电连接；所述混气瓶（1c）通过管道连接螺旋玻璃管（2a）的一端，螺旋玻璃管（2a）的另一端直接连通玻璃罩（2d）的内腔，玻璃罩（2d）的内腔通过管道连接气相色谱分析仪（5a）；所述高频交流电源（4）电连接高压探头（3c）和高压电极（2b）；所述混气瓶（1c）中的混合生物气通过螺旋玻璃管（2a）进入高压电极（2b）与低压电极（2c）的最窄间隙，在高频交流电源（4）的驱动下，该气隙被击穿并产生电弧，电弧在螺旋气流的作用下沿着两电极表面旋转滑动，形成一种交流旋转滑动弧，同时生物气得到重整，重整后的生物气进入气相色谱分析仪（5a）进行分析。
2.根据权利要求1所述的一种用于甲烷干重整的高频交流旋转滑动弧放电等离子体发生系统，其特征是：所述高频交流电源（4）选用CTP-2000K产品，频率为5-11 kHz。
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