CN114572935A - 一种介质阻挡放电非热平衡等离子体沼气制氢方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于氢气制备技术领域，公开了一种介质阻挡放电非热平衡等离子体沼气制氢方法，搭建非热平衡等离子体沼气重整制氢装置；将沼气通入到非热平衡等离子体沼气重整制氢装置中；非热平衡等离子体沼气重整制氢装置对沼气进行制氢；对氢气进行收集。本发明通过超声雾化水蒸气与沼气混合的介质阻挡放电重整化制氢技术，利用非热平衡的高能量电子，与甲烷分子、水分子、硫化氢分子碰撞，造成分子键的断裂，沼气中硫化氢和水分子重整产生二氧化硫在净水中脱硫，介质阻挡放电装备以镍金属作为内电极材料，同时作为催化剂材料，等离子体放电不断在镍金属表面活化镍金属，降低重整过程的能量消耗和提高氢气的单位时间内的反应效率。

Description

一种介质阻挡放电非热平衡等离子体沼气制氢方法
技术领域
本发明属于氢气制备技术领域，具体涉及一种介质阻挡放电非热平衡等离子体沼气制氢方法。
背景技术
在现代农业种植生产过程中出现大量的废弃秸秆、藤蔓、根茎等草本植物。作为燃料焚烧产生大量碳烟颗粒和硫化物排放，对大气环境造成污染，甚至形成酸雨污染水源。将这些农业废弃草本植物非直接燃烧，而是置于沼气池中非含氧环境，利用厌氧菌分解农业废弃才本植物生成沼气。沼气由63％甲烷(CH4)、31％二氧化碳(CO2)、2％氮气(N2)、1％的氢气(H2)、0.4％的氧气(O2)与3％硫化氢(H2S)等气体组成。目前按照严格环保要求，沼气也难以用作燃料，直接燃烧。因为沼气中不可避免地含有硫化氢(H2S),硫化氢在燃烧过程中与氧气化合，产生SO2排放到大气中，结合水汽形成稀硫酸，形成酸雨，污染水源。
介质阻挡放电的等离子体具有非热平衡等离子体的特性，也就是电子的温度约为5eV左右，而离子和中性气体的温度基本相同约为300K。因此，介质阻挡放电形成的等离子体又称为部分电离冷等离子体。早在19世纪末，科学家就利用介质阻挡放电在大气中产生嗅氧(O3)，用于消杀空气中的细菌。但是其制氢效率较低，能耗较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种介质阻挡放电非热平衡等离子体沼气制氢方法，以解决上述背景技术中提出现有技术中的问题。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种介质阻挡放电非热平衡等离子体沼气制氢方法，包括如下步骤：
搭建非热平衡等离子体沼气重整制氢装置；
将沼气通入到所述非热平衡等离子体沼气重整制氢装置中；
所述非热平衡等离子体沼气重整制氢装置对沼气进行制氢；
对氢气进行收集。
优选的，所述非热平衡等离子体沼气重整制氢装置包括：
介质阻挡放电管以及连接在所述介质阻挡放电管两端的气体输入部和气体排出部；其中，所述气体排出部包括脱硫装置，所述脱硫装置中连通有氢气收集瓶。
优选的，所述气体输入部包括：
带有流量控制器的沼气管道和超声水汽发生器，所述沼气管道和所述超声水汽发生器均与所述介质阻挡放电管的进气端连通。
优选的，在搭建非热平衡等离子体沼气重整制氢装置时，包括如下步骤：
将沼气管道的出气端、超声水汽发生器的出汽端与介质阻挡放电管的进气端连通；
将脱硫装置的进气端与介质阻挡放电管的出气端连通；
将氢气收集瓶与脱硫装置的氢气出气口连通。
优选的，所述介质阻挡放电管包括：
放电管外壳以及位于所述放电管外壳内部的镍棒；其中，所述放电管外壳与DBD放电电源的负极电性连接，所述镍棒与所述DBD放电电源的正极电性连接；
所述放电管外壳和所述镍棒之间的空隙构成沼气和水蒸气混合气体流动的通道，即介质阻挡放电的放电通道。
优选的，所述放电管外壳由铝合金制成并作为放电的负极，且放电管外壳内壁衬有聚酰亚胺介质；
所述镍棒通过绝缘棒连接在所述放电管外壳内部。
优选的，在非热平衡等离子体沼气重整制氢装置对沼气进行制氢时，包括如下步骤：
通过沼气管道向介质阻挡放电管中通入沼气、超声水汽发生器向介质阻挡放电管中通入蒸汽；
开启DBD放电电源通过放电管外壳和镍棒进行放电，利用非热平衡的高能量电子，与甲烷分子、水分子、硫化氢分子碰撞，造成分子键的断裂，又重新构成新的分子如氢分子、二氧化碳分子、二氧化硫分子，进行重整沼气和蒸汽，得到混合气体；
混合气体通入到脱硫装置中进行脱硫、脱碳；
得到纯净氢气。
优选的，所述脱硫装置包括：
纯水箱以及与所述纯水箱相连通的氢气分子过滤箱；其中，所述氢气分子过滤箱中设有氢气分子筛；
所述介质阻挡放电管的气体排出部连通在所述纯水箱中。
优选的，在脱硫、脱碳时，包括如下步骤：
混合气体进入到纯水箱内部的纯水中，二氧化硫溶解于水中形成稀硫酸；
将脱硫的混合气体加压到5MPa，二氧化碳形成干冰脱出；
剩下的混合气体经过氢气分子筛过滤，获得较为纯净的氢气。
本发明的技术效果和优点：本发明提出的一种介质阻挡放电非热平衡等离子体沼气制氢方法，与现有技术相比，具有以下优点：
本发明通过超声雾化水蒸气与沼气混合的介质阻挡放电重整化制氢技术，利用非热平衡的高能量电子，与甲烷分子、水分子、硫化氢分子碰撞，造成分子键的断裂，又重新构成新的分子如氢分子、二氧化碳分子、二氧化硫分子，使得沼气中硫化氢和水分子重整产生二氧化硫在净水中脱硫，介质阻挡放电装备以镍金属作为内电极材料，同时作为催化剂材料，等离子体放电不断在镍金属表面活化镍金属，降低重整过程的能量消耗和提高氢气的单位时间内的反应效率。
附图说明
图1为本发明非热平衡等离子体沼气重整制氢装置的结构示意图；
图2为本发明介质阻挡放电管的剖面结构示意图。
图中：
1、介质阻挡放电管；101、放电管外壳；102、镍棒；103、DBD放电电源；2、脱硫装置；201、纯水箱；202、氢气分子过滤箱；301、沼气管道；302、超声水汽发生器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。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。
本发明提供了一种介质阻挡放电非热平衡等离子体沼气制氢方法，其包括非热平衡等离子体沼气重整制氢装置，如1-2所示，该装置包括介质阻挡放电管1和脱硫装置2。其中介质阻挡放电管1用于对蒸汽和沼气进行分解，得到混合气体；脱硫装置2用于对混合气体进行脱硫脱碳，制得氢气。
具体的，所述非热平衡等离子体沼气重整制氢装置包括：介质阻挡放电管1以及连接在所述介质阻挡放电管1两端的气体输入部和气体排出部；其中，所述气体排出部包括脱硫装置2，所述脱硫装置2中连通有氢气收集瓶。
所述气体输入部包括：带有流量控制器的沼气管道301和超声水汽发生器302，所述沼气管道301和所述超声水汽发生器302均与所述介质阻挡放电管1的进气端连通。
所述介质阻挡放电管1包括：放电管外壳101以及位于所述放电管外壳101内部的镍棒102；其中，所述放电管外壳101与DBD放电电源103的负极电性连接，所述镍棒102与所述DBD放电电源103的正极电性连接；所述放电管外壳101和所述镍棒102之间的空隙构成沼气和水蒸气混合气体流动的通道，即介质阻挡放电的放电通道。
所述放电管外壳101由铝合金制成并作为放电的负极，且放电管外壳101内壁衬有聚酰亚胺介质；所述镍棒102通过绝缘棒连接在所述放电管外壳101内部。
所述脱硫装置2包括：纯水箱201以及与所述纯水箱201相连通的氢气分子过滤箱202；其中，所述氢气分子过滤箱202中设有氢气分子筛；所述介质阻挡放电管1的气体排出部连通在所述纯水箱201中。
在利用上述装置进行制备氢气时，包括如下步骤：
1、搭建非热平衡等离子体沼气重整制氢装置，包括如下步骤：
1.1、将沼气管道301的出气端、超声水汽发生器302的出汽端与介质阻挡放电管1的进气端连通；
1.2、将脱硫装置2的进气端与介质阻挡放电管1的出气端连通；
1.3、将氢气收集瓶与脱硫装置2的氢气出气口连通。
2、将沼气通入到所述非热平衡等离子体沼气重整制氢装置中；
3、所述非热平衡等离子体沼气重整制氢装置对沼气进行制氢；包括如下步骤：
3.1、通过沼气管道301向介质阻挡放电管1中通入沼气、超声水汽发生器302向介质阻挡放电管1中通入蒸汽；
3.2、开启DBD放电电源103通过放电管外壳101和镍棒102进行放电，利用非热平衡的高能量电子，与甲烷分子、水分子、硫化氢分子碰撞，造成分子键的断裂，又重新构成新的分子如氢分子、二氧化碳分子、二氧化硫分子，进行重整沼气和蒸汽，得到混合气体；
3.3、混合气体通入到脱硫装置2中进行脱硫、脱碳；
在脱硫、脱碳时，包括如下步骤：
3.3.1、混合气体进入到纯水箱201内部的纯水中，二氧化硫溶解于水中形成稀硫酸；
3.3.2、将脱硫的混合气体加压到5MPa，二氧化碳形成干冰脱出；
3.3.3、剩下的混合气体经过氢气分子筛过滤，获得较为纯净的氢气
4、得到纯净氢气，对氢气进行收集至氢气瓶中。
介质阻挡放电是在大气压下(气体密度约为2.5*1025m-3)的气体环境中，通过两个电极间施加高频脉冲(50kHz左右)高压脉冲(电压约为1000V)，在正负电极之间存在非导电电解质，如聚酰亚胺，米克等电解质材料用于积累电荷。由于高频脉冲的时间变化较快，当电压反转时，原来在介质表面积累的正电荷来不及泄放，由受到反转电压带来的负电荷，因此在介质附近形成正负电荷相聚非常近的等离子体鞘层。正电荷与负电荷之间的电场非常强，使得电子受到强电场加速，能量达到50eV，电子与气体分子碰撞，产生电离，形成等离子体。初始的正电荷和电子负电荷是气体中原始存在的。这可能是受到宇宙线的次级辐射造成的，也可能是地球岩石中所含有氡放射性所产生的。气体中原始电离的电子密度约为109m-3，而大气压气体的分子密度约为2.6*1025m-3。与大气压气体密度相比，原始的电离密度可以完全忽略不计。只是在高压放电和介质阻挡放电的初始过程，气体中的原始电离密度才予以考虑。当放电形成后，电离密度约为1016—1017m-3左右，原始的电离密度又可以忽略不计。介质阻挡放电的等离子体具有非热平衡等离子体的特性，也就是电子的温度约为5eV左右，而离子和中性气体的温度基本相同约为300K。
在本项发明，正是利用介质阻挡放电的冷等离子体特征，利用非热平衡的高能量(5eV左右)电子，与甲烷分子(CH4)、水分子(H2O)、硫化氢分子(H2S)碰撞，造成分子键的断裂，又重新构成新的分子如氢分子、二氧化碳分子、二氧化硫分子等。
介质阻挡放电在较高的气体密度环境中，利用高频高压脉冲在介质附近形成离子层和电子层之间的强电场。电场加速电子获得50eV的高能量，通过与气体分子碰撞产生电离，甲烷、水、硫化氢等分子的加权平均电离能约为20eV，电子能量在50eV左右的动能时与分子碰撞的电离微分截面处于极大值，约为10-21m2。电子碰撞电离后，电子的平均温度约为5eV,电子密度约为1016—1017m-3。
介质阻挡放电的电离电场形成过程可以描述为：当正极处于正电压时，电极之间的电场是指向外壳方向，造成原始正电荷向介质表面漂移并在介质表面积累。
当镍质电极处于伏电压时，电场的方向指向镍质电极。这时的电场驱使电子向外壳漂移。
电子在电场中的漂移速度远远大于离子的漂移速度，在离子还在介质表面时，电子已经漂移到离子附近，在电子层和离子层之间形成非常强的电场，进一步加速电子达到50eV的动能，并碰撞分子产生电离形成介质阻挡放电。被加速的电子也可以碰撞分子造成分子键的断裂。
分子键的断裂微分截面远远大于电离截面，且分子键断裂所需的电子能量小于碰撞电离所需的电子能量。因此，采用DBD放电模式重整沼气制氢的电功率消耗非常低，因为电子的碰撞主要产生分子键断裂，而加热分子的无效功较小。
利用超声雾化水蒸气与沼气混合的介质阻挡放电重整化制氢技术、沼气中硫化氢和水分子重整产生二氧化硫在净水中脱硫技术；介质阻挡放电装备以镍金属作为内电极材料，同时作为催化剂材料。等离子体放电不断在镍金属表面活化镍金属，降低重整过程的能量消耗和提高氢气的单位时间内的反应效率。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种介质阻挡放电非热平衡等离子体沼气制氢方法，其特征在于，包括如下步骤：
搭建非热平衡等离子体沼气重整制氢装置；
将沼气通入到所述非热平衡等离子体沼气重整制氢装置中；
所述非热平衡等离子体沼气重整制氢装置对沼气进行制氢；
对氢气进行收集。
2.根据权利要求1所述的一种介质阻挡放电非热平衡等离子体沼气制氢方法，其特征在于：所述非热平衡等离子体沼气重整制氢装置包括：
介质阻挡放电管以及连接在所述介质阻挡放电管两端的气体输入部和气体排出部；其中，所述气体排出部包括脱硫装置，所述脱硫装置中连通有氢气收集瓶。
3.根据权利要求2所述的一种介质阻挡放电非热平衡等离子体沼气制氢方法，其特征在于：所述气体输入部包括：
带有流量控制器的沼气管道和超声水汽发生器，所述沼气管道和所述超声水汽发生器均与所述介质阻挡放电管的进气端连通。
4.根据权利要求3所述的一种介质阻挡放电非热平衡等离子体沼气制氢方法，其特征在于：在搭建非热平衡等离子体沼气重整制氢装置时，包括如下步骤：
将沼气管道的出气端、超声水汽发生器的出汽端与介质阻挡放电管的进气端连通；
将脱硫装置的进气端与介质阻挡放电管的出气端连通；
将氢气收集瓶与脱硫装置的氢气出气口连通。
5.根据权利要求4所述的一种介质阻挡放电非热平衡等离子体沼气制氢方法，其特征在于：所述介质阻挡放电管包括：
放电管外壳以及位于所述放电管外壳内部的镍棒；其中，所述放电管外壳与DBD放电电源的负极电性连接，所述镍棒与所述DBD放电电源的正极电性连接；
所述放电管外壳和所述镍棒之间的空隙构成沼气和水蒸气混合气体流动的通道，即介质阻挡放电的放电通道。
6.根据权利要求5所述的一种介质阻挡放电非热平衡等离子体沼气制氢方法，其特征在于：所述放电管外壳由铝合金制成并作为放电的负极，且放电管外壳内壁衬有聚酰亚胺介质；
所述镍棒通过绝缘棒连接在所述放电管外壳内部。
7.根据权利要求6所述的一种介质阻挡放电非热平衡等离子体沼气制氢方法，其特征在于：在非热平衡等离子体沼气重整制氢装置对沼气进行制氢时，包括如下步骤：
通过沼气管道向介质阻挡放电管中通入沼气、超声水汽发生器向介质阻挡放电管中通入蒸汽；
开启DBD放电电源通过放电管外壳和镍棒进行放电，利用非热平衡的高能量电子，与甲烷分子、水分子、硫化氢分子碰撞，造成分子键的断裂，又重新构成新的分子如氢分子、二氧化碳分子、二氧化硫分子，进行重整沼气和蒸汽，得到混合气体；
混合气体通入到脱硫装置中进行脱硫、脱碳；
得到纯净氢气。
8.根据权利要求7所述的一种介质阻挡放电非热平衡等离子体沼气制氢方法，其特征在于：所述脱硫装置包括：
纯水箱以及与所述纯水箱相连通的氢气分子过滤箱；其中，所述氢气分子过滤箱中设有氢气分子筛；
所述介质阻挡放电管的气体排出部连通在所述纯水箱中。
9.根据权利要求8所述的一种介质阻挡放电非热平衡等离子体沼气制氢方法，其特征在于：在脱硫、脱碳时，包括如下步骤：
混合气体进入到纯水箱内部的纯水中，二氧化硫溶解于水中形成稀硫酸；
将脱硫的混合气体加压到5MPa，二氧化碳形成干冰脱出；
剩下的混合气体经过氢气分子筛过滤，获得较为纯净的氢气。
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