CN111111581B - 一种等离子体燃料重整装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种等离子体燃料重整装置，包括等离子体发生系统和燃料处理系统，等离子体发生系统包括：至少一绝缘腔体，设置于绝缘腔体两端的电磁线圈以及对应设置于各绝缘腔体内部的磁子；电磁线圈外接控制信号，用于根据控制信号产生极性交替的电磁场，控制各磁子在电磁场的作用下在绝缘腔体中做往复运动，在绝缘腔体中交替形成低气压区域和高气压区域；在绝缘腔体形成低气压区域时，燃料处理系统用于将混合燃料注入绝缘腔体中进行等离子体电离，生成电离后的燃料分子；在绝缘腔体变换为高气压区域时，电离后的燃料分子发生重整反应，生成重整后的燃料，燃料处理系统还用于收集重整后的燃料。通过气体压强交替变化进行等离子体产生与燃料重整。

Description

一种等离子体燃料重整装置
技术领域
本发明涉及石油化工技术领域，具体涉及一种等离子体燃料重整装置。
背景技术
液体燃料主要是含有碳氢化合物或其混合物的燃料，液体燃料高效节能、燃烧充分、储存和运输方便安全、清洁环保，经常作用汽车、轮船、飞机、航天器等的燃料来源。然而，根据使用环境、环保等不同的要求，液体燃料通常需要进行重整后使用，其中，液体燃料通常采用热重整、催化重整进行加工，存在反应速率慢、体积重量大、能量利用低等严重制约。等离子体加热易于控制、传热面积小易于保温绝热，可减少能量损失，现在的等离子体燃料重整技术几乎全是在固定压强环境下进行的，如果选用的压强太高，则不能保证等离子体的电离的稳定性与均匀性，但是如果选用的压强太低，又不利于燃料重整的速率，使得整个等离子燃料重整的性能无法得到保障。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种等离子体燃料重整装置，以解决现有技术中高气压环境下不能保证等离子体的电离的稳定性与均匀性，而在低气压环境下又会影响燃料重整速率的问题。
本发明实施例提供了一种等离子体燃料重整装置，包括：等离子体发生系统和燃料处理系统，其中，所述等离子体发生系统包括：至少一绝缘腔体，设置于所述绝缘腔体两端的电磁线圈以及对应设置于各所述绝缘腔体内部的磁子；所述电磁线圈外接控制信号，用于根据所述控制信号产生极性交替的电磁场，控制各所述磁子在所述电磁场的作用下在所述绝缘腔体中做往复运动，在所述绝缘腔体中交替形成低气压区域和高气压区域；在所述绝缘腔体形成所述低气压区域时，所述燃料处理系统用于将混合燃料注入所述绝缘腔体中进行等离子体电离，生成电离后的燃料分子；在所述绝缘腔体变换为所述高气压区域时，所述电离后的燃料分子发生重整反应，生成重整后的燃料，所述燃料处理系统还用于收集所述重整后的燃料。
可选地，所述等离子体燃料重整装置，还包括：信号发生器，所述信号发生器用于根据用户输入的指令生成所述控制信号。
可选地，所述等离子体发生系统还包括：信号放大器，所述信号放大器的输入端与所述信号发生器连接，输出端与所述电磁线圈连接，用于放大所述控制信号；设置于各所述绝缘腔体两侧的金属电极对，用于接收外部激励信号激励所述绝缘腔体内的所述低气压区域的所述混合燃料进行等离子体电离。
可选地，所述燃料处理系统包括：气液混合塔，所述气液混合塔通过输入管道分别与各所述各绝缘腔体连接，用于将液体燃料和气体混合后得到的所述混合燃料输入至各所述绝缘腔体内的所述低气压区域；燃料收集装置，所述燃料收集装置通过输出管道分别与各所述绝缘腔体连接，用于收集所述重整后的燃料。
可选地，所述燃料处理系统还包括：分别设置于所述输入管道和所述输出管道的多个脉冲电磁阀，用于控制所述绝缘腔体中所述混合燃料的输入及所述重整后的燃料的输出；信号控制电路，所述信号控制电路的输入端与所述信号发生器连接，输出端分别与各所述脉冲电磁阀连接，用于根据所述控制信号，控制各所述脉冲电磁阀的闭合状态。
可选地，所述等离子体燃料重整装置，还包括：电源，所述电源的正负极分别与各所述金属电极对连接，用于生成所述激励信号。
可选地，所述绝缘腔体为耐热绝缘材料构成的圆柱形腔体。
可选地，所述耐热绝缘材料为石英。
可选地，所述燃料收集装置为储存罐或内燃机。
可选地，所述电磁场的极性交替变化频率范围为0.1Hz-10kHz。
本发明技术方案，具有如下优点：
本发明实施例提供了一种等离子体燃料重整装置，利用电磁线圈产生的交变磁场驱动磁子在绝缘腔体内进行往复运动，交替产生低气压和高气压两个区域，通过气体压强的交替变化，将低气压等离子体与高气压燃料重整反应耦合起来，既解决了采取低气压等离子体重整燃料时重整反应效率低的问题，又解决了采取高气压等离子体重整燃料时等离子体难以产生和维持的问题，并且减少了绝缘腔体的体积和重量，提升等离子体的稳定性和均匀性，阵列或者圆簇状排列有利于提升等离子体燃料重整速率，非常适合于飞机、航天器中的燃料在线重整。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中等离子体燃料重整装置的示意图。
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，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本发明实施例提供了一种等离子体燃料重整装置，如图1所示，该等离子体燃料重整装置包括：等离子体发生系统和燃料处理系统，其中，等离子体发生系统包括：至少一绝缘腔体13，设置于绝缘腔体13两端的电磁线圈6以及对应设置于各绝缘腔体13内部的磁子7，上述绝缘腔体13通过输入管道9-1把气液混合塔5中的混合燃料输入到对应的绝缘腔体13内，然后通过输出管道9-2把重整后的燃料输入到燃料收集装置14中。在实际应用中，上述绝缘腔体13是由耐热绝缘材料组成的圆柱形腔体，耐热绝缘材料是能够耐温300℃以上，可采用玻璃、石英、聚四氟乙烯、陶瓷等材料，优选石英。绝缘腔体13的外径通常为1-10mm，壁厚为1-3mm，长度通常在50-500mm，通常多个绝缘腔体13阵列或者圆簇状排列，需要说明的是，此绝缘腔体13的材料、长度、外径等都是根据实际需要进行设置的，本发明并不以此为限。
具体地，在一实施例中，电磁线圈6外接控制信号，此电磁线圈6的磁场强度范围在50-5000，磁场极性交替变化频率范围为0.1Hz-10kHz，电磁线圈6的主要功能是在信号发生器1和信号放大器3的作用下，根据控制信号产生极性交替的电磁场，控制各磁子7在电磁场的作用下在绝缘腔体13中做往复运动，要求磁子7的长度和直径与绝缘腔体13要匹配，其材料和质量根据实际情况计算获得；磁子7的外层包裹橡胶，保证磁子7既可以在磁场作用下移动也可以实现磁子7与绝缘腔体13密封不透气，在绝缘腔体13中交替形成低气压区域和高气压区域，其中，信号放大器3的输入端与信号发生器1连接，输出端与电磁线圈6连接，用于放大控制信号。需要说明的是，电磁线圈6的磁场强度、磁场极性交替变化频率范围以及信号放大器3都是根据实际需要进行设定的，本发明并不以此为限。
在实际应用中，此等离子体发生系统还包括设置于各绝缘腔体13两侧的金属电极对8，用于接收外部激励信号激励绝缘腔体13内的低气压区域的混合燃料进行等离子体电离。以绝缘腔体13的一侧为例，当左侧的电磁线圈6产生一个正向磁场时，此时这个正向磁场，促进磁子7正向运动，也就是磁子7在绝缘腔体13中向右侧运动，使绝缘腔体13的左侧成为低气压区域，混合燃料进入绝缘腔体13的低气压区域，在绝缘腔体13形成低气压区域时，燃料处理系统用于将混合燃料注入绝缘腔体13时进行等离子体电离，生成电离后的燃料分子；电离完成后，电磁线圈6产生一个负向磁场时，此时这个负向磁场，促进磁子7负向运动，也就是磁子7在绝缘腔体13中向左侧运动，使绝缘腔体13的左侧成为高气压区域，在绝缘腔体13变换为高气压区域时，电离后的燃料分子发生重整反应，生成重整后的燃料。需要说明的是，本发明实施例只是举例进行说明，正向、负向运动也是预设规定的，本发明并不以此为限。
具体地，在一实施例中，此等离子体燃料重整装置还包括：信号发生器1，信号发生器1用于根据用户输入的指令生成控制信号。此信号发生器1用于产生同步或时序控制信号，可以根据用户实际指令生成控制脉冲电磁阀10开断、电源2接通及信号放大器3连通的各相应指令，其中，此信号发生器1通常为5V脉冲方波信号，频率10Hz-100MHz。在实际应用中，与属电极对两端通过电压传输线12连接的电源2，用于生成激励信号，激励低气压区域内的混合燃料进行电离，在实际应用中，电源2可选直流、交流、脉冲、射频、微波电源中的一种，其中直流电源的电压幅值在0.3-3kV范围内；交流电源的电压幅值在0.5-5kV范围内，频率在50Hz-200kHz；射频电源的功率在5-500W范围内，频率通常为13.56MHz；微波功率在5-500W范围内，频率通常为2.45GHz；脉冲波形可选择三角形、矩形、梯形等，电压幅值在0.5-5kV范围内，上升沿、宽度、下降沿在纳秒-微秒量级范围内，频率在0.1-100kHz范围内。需要说明的是，信号发生器1的信号强度、频率以及电压等级等都是根据实际情况进行设定的，本发明并不以此为限。
具体地，在一实施例中，等离子体燃料重整装置的燃料处理系统包括：气液混合塔5，气液混合塔5通过输入管道9-1分别与各绝缘腔体13连接，用于将液体燃料和气体混合后得到的混合燃料输入至各绝缘腔体13内的低气压区域。其中，气液混合塔5是将液体燃料与气体混合，通常预热200-400℃，压强通常在0.5-5Mpa。根据实际需求，液体燃料、气体等也随着变化。重油加氢反应时，液体燃料可为常压渣油、减压渣油、裂化渣油、裂化柴油、催化柴油、脱沥青油、油页岩油、煤焦油中的一种或多种，气体可为氢气、甲烷、乙烷、丙烷等中的一种；部分氧化反应时，液体燃料可为液氧煤油、液氧甲烷中的一种，气体为氧气、二氧化碳中的一种；重整制氢反应时，液体燃料基本不受限制，可为重油、煤油、醇类、醚类等一种或多种；气体可以氢气、甲烷、二氧化碳、氩气、氦气中的一种或多种。需要说明的是，液体燃料和气体都是可以根据实际需要进行调整，本发明并不以此为限。
具体地，在一实施例中，燃料处理系统还包括：分别设置于输入管道9-1和输出管道9-2的多个脉冲电磁阀10，用于控制绝缘腔体13中混合燃料的输入及重整后的燃料的输出到燃料收集装置14，燃料收集装置14通过输出管道9-2分别与各绝缘腔体13连接，用于收集重整后的燃料。在实际应用中，上述脉冲电磁阀10的开断还需要信号控制电路4进行控制，信号控制电路4的输入端与信号发生器1连接，输出端分别与各脉冲电磁阀10连接，用于根据控制信号，控制各脉冲电磁阀10的闭合状态。需要说明的是，燃料收集装置14的选择取决于应用场合，可以是储存罐或内燃机等，本发明并不以此为限。
下面将结合具体应用示例，对本发明实施例提供的等离子体燃料重整装置的工作过程进行详细说明。
以绝缘腔体13的一侧为例，信号发生器1通过信号传输线11分别与电源2、信号放大器3、信号控制电路4连接，电源2的正负极分别连接绝缘腔体13两侧的金属电极对8，信号发生器1通过信号控制电路4控制脉冲电磁阀10的闭合状态，当连接在信号放大器3两端的电磁线圈6接收到正向控制信号后，就激励电磁线圈6产生正向磁场，使磁子7在绝缘腔体13内向右运动，将绝缘腔体13的左侧变为低气压区域，此时，左侧输入管道9-1的脉冲电磁阀10开启，气液混合塔5中的混合燃料输入到绝缘腔体13内，并在低气压区域进行等离子体电离。电离完成后，电磁线圈6就会接收到负向控制信号，此时激励电磁线圈6产生负向磁场，使磁子7在绝缘腔体13内向左运动，将绝缘腔体13的左侧变为高气压区域，电离后的燃料分子发生重整反应，生成重整后的燃料，然后左侧输出管道9-2的脉冲电磁阀10开启，将燃料输出到燃料收集装置14中。同时，在磁子7向左侧运动时，绝缘腔体13的右侧形成低气压区域，右侧输入管道9-1的脉冲电磁阀10开启，气液混合塔5中的混合燃料输入到绝缘腔体13内。磁子7就在绝缘腔体13中往复运动，不断的在低气压区域对混合燃料进行等离子体电离，在高气压区域对电离后的燃料分子发生重整反应，生成重整后的燃料。这样就通过压强的不断交替变化，解决了现有技术中高气压环境下不能保证等离子体的电离的稳定性与均匀性的问题，以及低气压环境下影响燃料重整速率的问题。
通过上述各个组成部分的协同合作，本发明实施例提供的等离子体燃料重整装置，通过气体压强的交替变化，将低气压等离子体与高气压燃料重整反应耦合起来，既解决了采取低气压等离子体重整燃料时重整反应效率低的问题，又解决了采取高气压等离子体重整燃料时等离子体难以产生和维持的问题，并且减少了电源、绝缘腔体的体积和重量，提升等离子体的稳定性和均匀性，阵列或者圆簇状排列有利于提升等离子体燃料重整速率，非常适合于飞机、航天器中的燃料在线重整。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种等离子体燃料重整装置，其特征在于，包括：等离子体发生系统和燃料处理系统，其中，所述等离子体发生系统包括：
至少一绝缘腔体，设置于所述绝缘腔体两端的电磁线圈以及对应设置于各所述绝缘腔体内部的磁子；
所述电磁线圈外接控制信号，用于根据所述控制信号产生极性交替的电磁场，控制各所述磁子在所述电磁场的作用下在所述绝缘腔体中做往复运动，在所述绝缘腔体中交替形成低气压区域和高气压区域；
在所述绝缘腔体形成所述低气压区域时，所述燃料处理系统用于将混合燃料注入所述绝缘腔体中进行等离子体电离，生成电离后的燃料分子；
在所述绝缘腔体变换为所述高气压区域时，所述电离后的燃料分子发生重整反应，生成重整后的燃料，所述燃料处理系统还用于收集所述重整后的燃料。
2.根据权利要求1所述的等离子体燃料重整装置，其特征在于，还包括：
信号发生器，所述信号发生器用于根据用户输入的指令生成所述控制信号。
3.根据权利要求2所述的等离子体燃料重整装置，其特征在于，所述等离子体发生系统还包括：
信号放大器，所述信号放大器的输入端与所述信号发生器连接，输出端与所述电磁线圈连接，用于放大所述控制信号；
设置于各所述绝缘腔体两侧的金属电极对，用于接收外部激励信号激励所述绝缘腔体内的所述低气压区域的所述混合燃料进行等离子体电离。
4.根据权利要求2所述的等离子体燃料重整装置，其特征在于，所述燃料处理系统包括：
气液混合塔，所述气液混合塔通过输入管道分别与各所述各绝缘腔体连接，用于将液体燃料和气体混合后得到的所述混合燃料输入至各所述绝缘腔体内的所述低气压区域；
燃料收集装置，所述燃料收集装置通过输出管道分别与各所述绝缘腔体连接，用于收集所述重整后的燃料。
5.根据权利要求4所述的等离子体燃料重整装置，其特征在于，所述燃料处理系统还包括：
分别设置于所述输入管道和所述输出管道的多个脉冲电磁阀，用于控制所述绝缘腔体中所述混合燃料的输入及所述重整后的燃料的输出；
信号控制电路，所述信号控制电路的输入端与所述信号发生器连接，输出端分别与各所述脉冲电磁阀连接，用于根据所述控制信号，控制各所述脉冲电磁阀的闭合状态。
6.根据权利要求3所述的等离子体燃料重整装置，其特征在于，还包括：
电源，所述电源的正负极分别与各所述金属电极对连接，用于生成所述激励信号。
7.根据权利要求1所述的等离子体燃料重整装置，其特征在于，所述绝缘腔体为耐热绝缘材料构成的圆柱形腔体。
8.根据权利要求7所述的等离子体燃料重整装置，其特征在于，所述耐热绝缘材料为石英。
9.根据权利要求4所述的等离子体燃料重整装置，其特征在于，所述燃料收集装置为储存罐或内燃机。
10.根据权利要求1所述的等离子体燃料重整装置，其特征在于，所述电磁场的极性交替变化频率范围为0.1Hz-10kHz。
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