CN109663555B - 脉动射流等离子体协同转化温室气体和生物炭的系统及方法 - Google Patents
脉动射流等离子体协同转化温室气体和生物炭的系统及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109663555B CN109663555B CN201910077048.5A CN201910077048A CN109663555B CN 109663555 B CN109663555 B CN 109663555B CN 201910077048 A CN201910077048 A CN 201910077048A CN 109663555 B CN109663555 B CN 109663555B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- biochar
- plasma
- pulsating
- gas
- power supply
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000005431 greenhouse gas Substances 0.000 title claims abstract description 24
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 73
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims abstract description 36
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims abstract description 25
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 17
- 230000009471 action Effects 0.000 claims abstract description 14
- 230000001174 ascending effect Effects 0.000 claims abstract description 3
- 239000010453 quartz Substances 0.000 claims description 33
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 33
- 238000005243 fluidization Methods 0.000 claims description 20
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 16
- 238000010744 Boudouard reaction Methods 0.000 claims description 9
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 8
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims description 5
- 230000002195 synergetic effect Effects 0.000 claims description 5
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 claims description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 abstract description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 6
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 abstract description 5
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 abstract description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 abstract 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 5
- 238000013461 design Methods 0.000 description 5
- 239000000047 product Substances 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 230000005281 excited state Effects 0.000 description 4
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 4
- 238000011160 research Methods 0.000 description 4
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- DNIAPMSPPWPWGF-UHFFFAOYSA-N Propylene glycol Chemical compound CC(O)CO DNIAPMSPPWPWGF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 description 3
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 3
- LCGLNKUTAGEVQW-UHFFFAOYSA-N Dimethyl ether Chemical compound COC LCGLNKUTAGEVQW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 239000012075 bio-oil Substances 0.000 description 2
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 2
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 2
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 2
- 230000005764 inhibitory process Effects 0.000 description 2
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 2
- 125000004430 oxygen atom Chemical group O* 0.000 description 2
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 2
- 238000004227 thermal cracking Methods 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 238000005810 carbonylation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 description 1
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 230000005283 ground state Effects 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 1
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 1
- 238000004064 recycling Methods 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J19/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
- B01J19/087—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy
- B01J19/088—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy giving rise to electric discharges
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
- B01D53/32—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by electrical effects other than those provided for in group B01D61/00
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
- B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
- B01D53/46—Removing components of defined structure
- B01D53/62—Carbon oxides
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J19/0053—Details of the reactor
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B13/00—Oxygen; Ozone; Oxides or hydroxides in general
- C01B13/02—Preparation of oxygen
- C01B13/0203—Preparation of oxygen from inorganic compounds
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/40—Carbon monoxide
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D2257/00—Components to be removed
- B01D2257/50—Carbon oxides
- B01D2257/504—Carbon dioxide
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
- B01J2219/0803—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy
- B01J2219/0805—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy giving rise to electric discharges
- B01J2219/0807—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy giving rise to electric discharges involving electrodes
- B01J2219/0809—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy giving rise to electric discharges involving electrodes employing two or more electrodes
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
- B01J2219/0803—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy
- B01J2219/0805—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy giving rise to electric discharges
- B01J2219/0807—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy giving rise to electric discharges involving electrodes
- B01J2219/0824—Details relating to the shape of the electrodes
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
- B01J2219/0803—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy
- B01J2219/0805—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy giving rise to electric discharges
- B01J2219/0807—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy giving rise to electric discharges involving electrodes
- B01J2219/0824—Details relating to the shape of the electrodes
- B01J2219/0832—Details relating to the shape of the electrodes essentially toroidal
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
- B01J2219/0873—Materials to be treated
- B01J2219/0875—Gas
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
- B01J2219/0894—Processes carried out in the presence of a plasma
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
- Y02P20/10—Process efficiency
- Y02P20/133—Renewable energy sources, e.g. sunlight
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
- Toxicology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
Abstract
本发明公开了一种脉动射流等离子体协同转化温室气体和生物炭的系统及方法。内外电极间形成的放电电弧在CO2螺旋上升气流的推动下，依次通过锥形渐缩喷口和布风板后形成均匀分布的多个等离子体微射流；微射流驱动生物炭颗粒形成气固流态化反应区进行反应。本发明采用等离子体促进CO2和生物炭的Boudouard反应，将温室气体和生物炭协同转化为高附加值的CO，基于等离子体中的高能电子及活性粒子作用实现CO2在不依赖催化剂、常压低温条件下的高效转化；流程简单，能量密度高，投资及运行成本低，适合于分散式、小规模的工业生产；启停迅速，可直接利用间歇性、地域性的可再生能源发电，因此在风能或太阳能和生物质丰富的地区(如东北地区)，有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及温室气体及生物质资源化利用领域，尤其涉及一种脉动射流等离子体协同转化温室气体和生物炭的系统及方法。
背景技术
近年来，极地冰川融化、海平面上升、极端气候频发(如干旱、洪水和飓风)等现象前所未有，研究证明，这与人类活动所造成的温室效应的影响直接相关。作为最主要的温室气体，CO2的大气浓度已从工业革命前的280ppm升至目前的约400ppm，达到了至少过去80万年以来的最高水平，世界各国面临前所未有的CO2减排压力。因此，将CO2加以转化并利用，既可实现CO2减排，又可将丰富、无害的CO2作为C1化学原料转化为化工产品或燃料，实现循环利用，因此成为国际社会的研究焦点。
作为CO2转化最直接和高效的方法之一，CO2与固态炭的Boudouard反应(CO2+C→2CO)得到了广泛关注和研究，该反应可将温室气体CO2转化为高附加值的CO，而CO既可直接做可燃气体，也可通过成熟高效的费托合成工艺制取甲醇、二甲醚等燃料，且无需外加热源即可通过水煤气变换反应制取氢气。此外，CO通过羰基化反应还可用于制取丙二醇等化学品。相比于CO2的直接分解，Boudouard反应在C作为还原剂的作用下更容易进行，且产物单一，因此大大简化了后续提纯工序。此外，C的来源非常广泛，可为煤、活性炭、石墨、生物炭等原料。其中，由生物质热裂解所得的固体残留物生物炭(Biochar)无疑最具有吸引力。生物质热裂解可产生合成气、生物油和生物炭等产品，合成气和生物油作为燃料的应用已经较为成熟，而具有高热值和高固定碳含量的生物炭的再利用于近年来才得以研究和重视。生物炭制取工艺成熟，成本低廉，原料可再生且来源广泛，适合不同规模的工艺生产。此外，生物炭孔隙结构丰富，比表面积大，物理吸附特性强，具有相当高的反应活性。因此，近年来，CO2与生物炭的Boudouard反应成为CO2转化领域的研究焦点。该反应可实现温室气体CO2与可再生生物炭的协同利用。
然而，传统热化学技术下CO2与生物炭的反应需要依赖催化剂和高温(一般＞850℃)的共同作用，而兼具高活性和高稳定性催化剂的研发尚存困难；高温条件的需要极大增加了工业过程的投入和操作费用，同时也会导致生物炭烧结，阻碍气固反应的进行。
因此，如果能设计一种可以在温和条件下(常压低温)实现CO2与生物炭高效气固反应的系统，同时又不依赖催化剂的作用，则将极大提高该工艺工业应用的前景。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种脉动射流等离子体协同转化温室气体和生物炭的系统及方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种脉动射流等离子体协同转化温室气体和生物炭的系统，该系统包括脉动射流等离子体反应器、生物炭给料器、旋风分离器、在线红外分析仪和脉动直流高压电源；
所述脉动射流等离子体反应器包括外电极、内电极、CO2一次风入口、底座、CO2二次风入口、石英罩和布风板；
所述外电极为中空柱状结构，固定在底座上，连接脉动直流高压电源的低压端；所述内电极置于外电极中空结构中下位置，由下部圆柱体和上部圆台一体形成，内电极的底部固定在底座上，并通过穿过底座的电极引片连接脉动直流高压电源的高压端；所述内电极外壁和外电极内壁平行；
所述外电极的壁面开有两路相同高度的CO2一次风入口，两路CO2一次风入口对冲切向进气，使得通入的CO2在内电极和外电极的间隙中形成螺旋上升的气流；
所述石英罩固定在外电极顶部；所述布风板横向固定在石英罩底部的内壁上，距离外电极顶部3～5cm；
所述石英罩的中下位置，布风板上方2～3cm处连通有给料管道，给料管道的入口作为CO2二次风入口，给料管道上连通有生物炭给料器；
所述石英罩的顶部通过管路连通旋风分离器，旋风分离器固体输出口通过管路连通石英罩的回料口，管路上设置回料阀；
所述旋风分离器气体输出口连通有排气管道，排气管道的出口作为气体出口，并在排气管道上引出采样管采集气体进入在线红外分析仪。
进一步地，所述内电极外壁和外电极内壁的间距为1.5～3mm，所述内电极和外电极均为金属材质。
进一步地，所述外电极中空结构的中上位置为锥形渐缩喷口结构，锥角为15～30度。
进一步地，所述CO2一次风入口的位置对应内电极高度的1/4～1/5处，内径2～3mm。
进一步地，所述布风板为筛网状，筛孔为锥形结构，小孔直径为0.2～0.45mm，大孔直径为0.5mm。
进一步地，所述布风板的出口处设置第一热电偶，用于测量微射流的温度，所述石英罩内的气固流态化反应区设置第二热电偶，用于测量气固流态化反应区的温度；根据第二热电偶处的温度反馈调节脉动直流高压电源的频率，温度较高时提高电源频率，反之则降低电源频率，使得气固流态化反应区始终处于理想温度。
进一步地，所述石英罩的回料口的位置与给料管道口对向，且高于给料管道口1～2cm。
进一步地，所述脉动直流高压电源具有5～40kHz可调频率，5～10kV可调电压；所述脉动直流高压电源采用正弦波、锯齿波、三角波等。
进一步地，所述在线红外分析仪的结果用于反馈指导脉动直流高压电源和生物炭给料器的运行参数，当产物中CO2浓度较高时，提高脉动直流高压电源的电压，增加生物炭给料器的给料速率，直至获得较高的CO2转化率。
一种脉动射流等离子体协同转化温室气体和生物炭的方法，包括：
脉动射流等离子体反应器底部对冲切向通入CO2(一次风)形成螺旋上升气流，同时，外电极和内电极连接脉动直流高压电源，在高压的驱动下在内外电极间形成CO2放电电弧，放电电弧在螺旋气流的驱动下，经过布风板后形成多个等离子体微射流喷入石英罩的反应区内；
生物炭通过二次风均匀给入，在微射流的作用下，与CO2等离子体形成气固流态化反应区；在高反应活性的等离子体作用下，生物炭与CO2在气固流态化反应区充分接触并发生高效Boudouard反应；
随气流夹带出的少量生物炭颗粒，经旋风分离器收集后重新返回至气固流态化反应区参与反应。
本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：
(1)脉动射流等离子体通过高能电子及活性粒子的作用突破热化学反应动力学障碍，在不依赖催化剂、常压低温的条件下实现CO2的高效转化及生物炭的协同利用，因此减少了工业过程的投入，有利于实际应用。CO2可在高能电子的非弹性碰撞作用下发生振动激发和进一步的振动-振动(V-V)弛豫过程，进而产生大量高能级振动激发态的CO2 *(3B2)。CO2 *(3B2)的反应活性很高，其分解被认为是等离子体中CO2转化最为高效的途径。分解产生的O原子又可进一步与C反应生成CO。此外，等离子体中产生的多种高活性激发态CO2 *还可在炭颗粒表面直接与生物炭发生Boudouard反应；
(2)脉动射流等离子体发生源将放电产生区与反应区分离，从而使放电稳定性和反应区域互相不受干扰和限制，因此有利于实际应用；
(3)形成的气固流态化反应区可通过流化状态的强传热传质特性，使得高反应活性的CO2等离子体与生物炭充分接触并发生反应；同时，反应产生的CO也得以及时扩散，避免了局部积聚所造成的反应抑制问题；
(4)脉动直流高压电源产生的高频电压可使等离子体中的电能主要消耗于活性粒子的产生，而不是加热反应体系，因此可减少热量耗散，提高能量效率；
(5)脉动射流等离子体技术流程简单，能量密度高，灵活高效，投资及运行成本低，适合于分散式、小规模的工业生产；
(6)脉动射流等离子体技术启停迅速，可直接利用间歇性、地域性的可再生能源发电，因此在风能或太阳能和生物质丰富的地区(如东北地区)，有很好的应用前景。
附图说明
图1为脉动射流等离子体协同转化温室气体和生物炭的系统结构示意图；
图2为脉动射流等离子体反应器的细节结构示意图；
图中：脉动射流等离子体反应器1，生物炭给料器2，第一热电偶3，第二热电偶4，旋风分离器5，回料阀6，气体出口7，采样管8，在线红外分析仪9，脉动直流高压电源10，高压电线11，外电极12，内电极13，CO2一次风入口14，底座15，法兰16，CO2二次风入口17，石英罩18，布风板19，等离子体射流20，气固流态化反应区21，图中箭头表示气体流动方向。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明提供的一种脉动射流等离子体协同转化温室气体和生物炭的系统，该系统包括脉动射流等离子体反应器1、生物炭给料器2、旋风分离器5、在线红外分析仪9、脉动直流高压电源10。
如图2所示，脉动射流等离子体反应器1包括外电极12、内电极13、CO2一次风入口14、底座15、法兰16、CO2二次风入口17、石英罩18、布风板19。
外电极12为中空柱状结构，固定在底座15上。内电极13置于外电极12中空结构中下位置，由下部圆柱体和上部圆台一体形成，内电极13的底部固定在底座15上，并通过穿过底座15的电极引片连接脉动直流高压电源10的高压端。内电极13外壁和外电极12内壁平行，间距为1.5～3mm，该结构设计使得产生的电弧可以在螺旋气流的推动下螺旋上升，形成三维的电弧等离子体区域。外电极12中空结构的中上位置为锥形渐缩喷口结构，锥角为15-30度，该结构设计使得产生的电弧等离子体可以以射流状的形式高速喷出，形成较长的射流长度，一般可达12cm以上。射流的形成使得电弧放电产生区与气固流态化反应区分离，从而使放电稳定性和反应区域互相不受干扰和限制，因此有利于实际应用。外电极12的壁面开有两路相同高度的CO2一次风入口14，CO2一次风入口14的位置对应内电极13高度的1/4～1/5处，两路CO2一次风入口14对冲切向进气，内径2-3mm，使得通入的CO2在内电极13和外电极12的间隙中形成螺旋上升的气流。内电极13和外电极12均为金属材质，一般采用不锈钢和铜。底座15采用绝缘材料。
石英罩18通过法兰16固定在外电极12顶部。石英罩18既可耐受内部反应区域较高温度，又可透视观察气固流态化反应区21的运行状态。法兰16采用耐高温材料。布风板19横向固定在石英罩18底部的内壁上，距离外电极12顶部3～5cm，使得射流可以在通过布风板19前得到充分发展。布风板19采用耐高温陶瓷或石英材料，布风板19为筛网状，筛孔为锥形结构，小孔直径为0.2～0.45mm，大孔直径为0.5mm，该结构设计使得底部通过的射流能够以微射流的形式喷射，形成较长的射流，且均匀分布在布风板19上方。布风板19同时起到滤网的作用，防止气固流态化反应区21的固体颗粒落入底部放电电弧产生区，影响放电产生。微射流的形成可达成如下目的：1)为生物炭颗粒提供高速气流以形成气固流态化反应区21；2)为气固流态化反应区21提供热量和大量活性粒子用于Boudouard反应。
石英罩18的中下位置，布风板19上方2～3cm处连通有给料管道，给料管道的入口作为CO2二次风入口17，给料管道上连通有生物炭给料器2。
石英罩18的顶部通过管路连通旋风分离器5，旋风分离器5固体输出口通过管路连通石英罩18的回料口，管路上设置回料阀6，回料口的位置与给料管道口对向，且高于给料管道口1～2cm；该结构的设计使得未反应完全的生物炭颗粒得以返回气固流态化反应区21重新参与反应；旋风分离器5气体输出口连通有排气管道，排气管道的出口作为气体出口7，并在排气管道上引出采样管8采集气体进入在线红外分析仪9。
布风板19的出口处设置第一热电偶3，用于测量微射流的温度。石英罩18内的气固流态化反应区21设置第二热电偶4，用于测量气固流态化反应区21的温度。
内电极13、外电极12分别通过高压电线11连接脉动直流高压电源10的高压端、低压端(接地)，反应物CO2的一次风通过反应器底部的CO2一次风入口14通入反应器内部，在内电极13和外电极12的间隙中形成螺旋气流并逐渐上升。
当脉动直流高压电源10开启时，内电极13和外电极12之间的CO2会在高压的作用下击穿产生放电电弧，放电电弧在气流的推动下形成等离子体射流20，而等离子体射流20经过布风板19后形成多个微射流通入石英罩18的反应区内。
脉动直流高压电源10具有5～40kHz可调频率，5～10kV可调电压，可使等离子体中的电能主要消耗于活性粒子的产生，而不是加热反应体系，因此可减少热量耗散，提高能量效率。此外，高频电源的驱动还可有效促进等离子体中的V-V弛豫过程，提高体系内高能级振动激发态CO2 *分子的能量水平，因而有利于CO2的转化。脉动直流高压电源10可以采用正弦波、锯齿波、三角波等。
布风板19上方布置的CO2二次风入口17将由生物炭给料器2给入的生物炭原料输送至石英罩18的反应区内。在布风板19上微射流的作用下，生物炭颗粒与CO2等离子体在石英罩18内形成气固流态化反应区21。微射流和气固流态化反应区21的温度分别通过第一热电偶3和第二热电偶4测量。
第一热电偶3处微射流的温度一般在500-650℃，而第二热电偶4处气固流态化反应区21的温度应为500℃作用，从而保证较好的处理效果。脉动直流高压电源10的频率可根据第二热电偶4处的温度反馈进行调节，温度较高时可提高电源频率，反之则降低电源频率。
在气固流态化反应区21内，高反应活性的CO2等离子体与生物炭发生Boudouard反应。由于流化状态的强传热传质特性，CO2等离子体可与生物炭充分接触，同时，反应产生的CO也得以及时扩散，避免了局部积聚所造成的反应抑制问题。在等离子体的作用下，CO2与生物炭的反应机理如下：
首先，CO2可在高能电子(e)的非弹性碰撞作用下发生振动激发，产生低能级振动激发态的CO2 *(1∑+)分子，而CO2 *(1∑+)通过进一步的振动-振动(V-V)弛豫过程又会产生大量高能级振动激发态的CO2 *(3B2)。CO2 *(3B2)的反应活性很高，仅需1.4eV能量即可分解为CO和O(基态CO2的分解需5.5eV)，因此被认为是等离子体中CO2转化最为高效的途径。O原子扩散至炭颗粒表面又可进一步与C反应生成CO。该路径如下所示：
同时，等离子体中产生的多种高活性激发态CO2 *分子扩散至炭颗粒表面后，还可直接与生物炭发生Boudouard反应，即：
CO2 *+C→CO+CO(路径二)
该类射流等离子体具有1～2eV的电子能量，此能量范围内CO2振动激发的电子碰撞截面大，振动激发反应速率高(如路径一中过程①达(1～3)×10-8cm3/s)，因此大部分能量被用于产生大量高活性的振动激发态CO2 *(3B2)分子，进而可通过上述路径高效转化CO2。
反应产物通过石英罩18顶部连通的管路流出，气流中携带的少量生物炭颗粒经过旋风分离器5分离，回收的生物炭颗粒由回料阀6控制，返回至气固流态化反应区21重新参与反应。
旋风分离器5气体输出口输出的反应产物由采样管8采样后通过在线红外分析仪9分析其组分(CO、O2和CO2)。在线红外分析仪9的结果用于反馈指导脉动直流高压电源10和生物炭给料器2的运行参数，当产物中CO2浓度较高时，可提高脉动直流高压电源10的电压，增加生物炭给料器2的给料速率，直至获得较高的CO2转化率为止。
Claims (10)
1.一种脉动射流等离子体协同转化温室气体和生物炭的系统，其特征在于，该系统包括脉动射流等离子体反应器、生物炭给料器、旋风分离器、在线红外分析仪和脉动直流高压电源；
所述脉动射流等离子体反应器包括外电极、内电极、CO2一次风入口、底座、CO2二次风入口、石英罩和布风板；
所述外电极为中空柱状结构，固定在底座上，连接脉动直流高压电源的低压端；所述内电极置于外电极中空结构中下位置，由下部圆柱体和上部圆台一体形成，内电极的底部固定在底座上，并通过穿过底座的电极引片连接脉动直流高压电源的高压端；所述内电极外壁和外电极内壁平行；
所述外电极的壁面开有两路相同高度的CO2一次风入口，CO2一次风入口开设在脉动射流等离子体反应器底部，两路CO2一次风入口对冲切向进气，使得通入的CO2在内电极和外电极的间隙中形成螺旋上升的气流；
所述石英罩固定在外电极顶部；所述布风板横向固定在石英罩底部的内壁上，距离外电极顶部3～5cm；
所述石英罩的中下位置，布风板上方2～3cm处连通有给料管道，给料管道的入口作为CO2二次风入口，给料管道上连通有生物炭给料器；
所述石英罩的顶部通过管路连通旋风分离器，旋风分离器固体输出口通过管路连通石英罩的回料口，管路上设置回料阀；
所述旋风分离器气体输出口连通有排气管道，排气管道的出口作为气体出口，并在排气管道上引出采样管采集气体进入在线红外分析仪。
2.根据权利要求1所述的一种脉动射流等离子体协同转化温室气体和生物炭的系统，其特征在于，所述内电极外壁和外电极内壁的间距为1.5～3mm，所述内电极和外电极均为金属材质。
3.根据权利要求1所述的一种脉动射流等离子体协同转化温室气体和生物炭的系统，其特征在于，所述外电极中空结构的中上位置为锥形渐缩喷口结构，锥角为15～30度。
4.根据权利要求1所述的一种脉动射流等离子体协同转化温室气体和生物炭的系统，其特征在于，所述CO2一次风入口的位置对应内电极高度的1/4～1/5处，内径2～3mm。
5.根据权利要求1所述的一种脉动射流等离子体协同转化温室气体和生物炭的系统，其特征在于，所述布风板为筛网状，筛孔为锥形结构，小孔直径为0.2～0.45mm，大孔直径为0.5mm。
6.根据权利要求1所述的一种脉动射流等离子体协同转化温室气体和生物炭的系统，其特征在于，所述布风板的出口处设置第一热电偶，用于测量微射流的温度，所述石英罩内的气固流态化反应区设置第二热电偶，用于测量气固流态化反应区的温度；根据第二热电偶处的温度反馈调节脉动直流高压电源的频率，温度较高时提高电源频率，反之则降低电源频率，使得气固流态化反应区始终处于理想温度。
7.根据权利要求1所述的一种脉动射流等离子体协同转化温室气体和生物炭的系统，其特征在于，所述石英罩的回料口的位置与给料管道口对向，且高于给料管道口1～2cm。
8.根据权利要求1所述的一种脉动射流等离子体协同转化温室气体和生物炭的系统，其特征在于，所述脉动直流高压电源具有5～40kHz可调频率，5～10kV可调电压；所述脉动直流高压电源采用正弦波、锯齿波、三角波。
9.根据权利要求1所述的一种脉动射流等离子体协同转化温室气体和生物炭的系统，其特征在于，所述在线红外分析仪的结果用于反馈指导脉动直流高压电源和生物炭给料器的运行参数，当产物中CO2浓度较高时，提高脉动直流高压电源的电压，增加生物炭给料器的给料速率，直至获得较高的CO2转化率。
10.一种利用权利要求1所述系统协同转化温室气体和生物炭的方法，其特征在于，包括：
脉动射流等离子体反应器底部对冲切向通入CO2形成螺旋上升气流，同时，外电极和内电极连接脉动直流高压电源，在高压的驱动下在内外电极间形成CO2放电电弧，放电电弧在螺旋气流的驱动下，经过布风板后形成多个等离子体微射流喷入石英罩的反应区内；
生物炭通过二次风均匀给入，在微射流的作用下，与CO2等离子体形成气固流态化反应区；在高反应活性的等离子体作用下，生物炭与CO2在气固流态化反应区充分接触并发生高效Boudouard反应；
随气流夹带出的少量生物炭颗粒，经旋风分离器收集后重新返回至气固流态化反应区参与反应。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910077048.5A CN109663555B (zh) | 2019-01-27 | 2019-01-27 | 脉动射流等离子体协同转化温室气体和生物炭的系统及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910077048.5A CN109663555B (zh) | 2019-01-27 | 2019-01-27 | 脉动射流等离子体协同转化温室气体和生物炭的系统及方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN109663555A CN109663555A (zh) | 2019-04-23 |
| CN109663555B true CN109663555B (zh) | 2019-12-31 |
Family
ID=66150046
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910077048.5A Active CN109663555B (zh) | 2019-01-27 | 2019-01-27 | 脉动射流等离子体协同转化温室气体和生物炭的系统及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN109663555B (zh) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR3110461B1 (fr) * | 2020-05-20 | 2024-05-10 | Centralesupelec | Procédé et système pour transformer un mélange de gaz par plasmas pulsés |
| AU2022381376A1 (en) * | 2021-11-02 | 2024-05-09 | Universiteit Antwerpen | Device and method for gas conversion |
| CN114192090B (zh) * | 2021-12-01 | 2023-08-25 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种基于直流电弧等离子体炬制备氧化锆的装置 |
| CN115818666A (zh) * | 2022-12-01 | 2023-03-21 | 浙江大学 | 基于等离子体活化和化学链相耦合的常压制氨装置及方法 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10188119B2 (en) * | 2001-07-16 | 2019-01-29 | Foret Plasma Labs, Llc | Method for treating a substance with wave energy from plasma and an electrical arc |
| CN102226091A (zh) * | 2011-05-18 | 2011-10-26 | 浙江工业大学 | 一种生物质热解气化制合成气的装置 |
| CN102367168B (zh) * | 2011-09-28 | 2013-04-17 | 南京创能电力科技开发有限公司 | 等离子分解石膏的方法及其装置 |
| KR101277123B1 (ko) * | 2012-09-07 | 2013-06-20 | 한국기초과학지원연구원 | 플라즈마 건식 개질장치 |
-
2019
- 2019-01-27 CN CN201910077048.5A patent/CN109663555B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109663555A (zh) | 2019-04-23 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109663555B (zh) | 脉动射流等离子体协同转化温室气体和生物炭的系统及方法 | |
| CN109663556B (zh) | 扰动增强型介质阻挡放电活化二氧化碳的反应装置及方法 | |
| CN109200969A (zh) | 低温等离子双电场辅助处理含二氧化碳和/或一氧化碳气体合成化合物的方法 | |
| Budhraja et al. | Plasma reforming for hydrogen production: Pathways, reactors and storage | |
| CN108048140B (zh) | 一种热解与气化耦合联产油气的方法和装置 | |
| CN102500303A (zh) | 一种转化混合醇的装置和方法 | |
| CN102226091A (zh) | 一种生物质热解气化制合成气的装置 | |
| CN114852962B (zh) | 一种常压下微波等离子体分解醇类的制氢系统及方法 | |
| Xu et al. | Destruction of gasification tar over Ni catalysts in a modified rotating gliding arc plasma reactor: Effect of catalyst position and nickel loading | |
| CN207498325U (zh) | 用于水煤浆气化的等离子体喷嘴及气化炉 | |
| Baowei et al. | Steam reforming of dimethyl ether by gliding arc gas discharge plasma for hydrogen production | |
| ES2824506T3 (es) | Método para la producción de gas de síntesis | |
| CN204168581U (zh) | 一种双级喷管结构的等离子体喷枪 | |
| Lin et al. | Reforming of CH 4 and CO 2 by combination of alternating current-driven nonthermal arc plasma and catalyst | |
| CN1306151A (zh) | 电和烃同时产生的方法 | |
| Xu et al. | Recent development of CO2 reforming of CH4 by “arc” plasma | |
| CN115850027A (zh) | 一种等离子体-载氧体-催化相耦合制甲醇的方法及系统 | |
| CN104528638A (zh) | 一种等离子体重整醇类制氢发生器 | |
| CN209815681U (zh) | 一种甲烷重整装置 | |
| CN113072426A (zh) | 一种利用二氧化碳和甲烷合成甲醇的方法和装置 | |
| CN111690426A (zh) | 纤维素类生物质制备合成气装置 | |
| Zhang et al. | Experimental investigation on kerosene cracking driven by nanosecond pulsed rotating gliding arc discharge plasma | |
| CN115504469B (zh) | 一种水辅助等离子体与光催化剂协同转化二氧化碳的系统及方法 | |
| CN108328571A (zh) | 一种等离子体煤气化制富氢合成气的装置及方法 | |
| CN104477847A (zh) | 一种等离子体重整生物油制氢方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |