新型大气压放电等离子体发生器及其在甲烷偶联方面的应用研究

论文摘要

随着石油资源的日益枯竭，合理利用天然气不仅关系到未来能源的利用和资源配置，对于保护环境也有重要意义。由于甲烷分子C-H键解离能高及其热力学上的不利反应，在甲烷传统催化偶联研究方面一直未取得很大进展，因此人们对开发新方法的研究越来越多。等离子体对于甲烷偶联来说是一种高效率的绿色工艺，近年来人们利用低温等离子体技术对甲烷的活化与转化进行了大量的研究。 大气压下的辉光放电是具有较高电子能量的非平衡等离子体，且不需要真空系统，非常适合工业化应用。由于辉光放电既可以提供反应活性物种，同时又能使体系保持非平衡状态，因此对甲烷偶联转化是一种非常合适的方法。本论文利用常压辉光放电等离子体，采用新型旋转螺旋状电极等离子体反应器用于CH4转化制C2烃，提高了CH4单程转化率、C2烃单程收率及选择性，并首次对旋转电极辉光等离子体作用下CH4-H2转化反应进行了发射光谱诊断研究。 本文的主要研究内容和结论如下： （1）本文采用新型旋转螺旋状电极等离子体放电反应器用于转化CH4制C2烃的反应，实现了常压下空间均匀的辉光放电等离子体，且其反应效率高于旋转多尖端三排圆盘电极。该反应器的特点是首次采用了旋转的螺旋状电极，反应中不仅能及时切换放电通道，有利于导出热量和控制荷电粒子的密度，从而抑制了热电离不稳定性，减少了积碳，提高了C2烃的选择性。与旋转多尖端三排圆盘电极相比，克服了轴向电场不均匀性，扩大了放电空间和反应空间，提高了反应效率。同时，由于螺旋状电极的搅拌作用，增加了反应气体在放电空间中的紊流程度，使电离反应更充分、更均匀，从而也提高了CH4转化率和C2烃收率。 （2）工艺实验的研究结果表明：采用金属铜材料好于不锈钢材料，螺旋型结构优于三排圆盘结构。采用旋转三排圆盘电极反应器时，最高的CH4转化率为66.45％，C2烃单程收率及其选择性分别为63.62％和95.75％。采用旋转螺旋电极反应器最高的CH4转化率为77.66％，C2烃单程收率及其选择性分别为76.91％和99.03％。采用螺旋铜电极反应器在能量密度为800 kJ／mol时，能效最高为13.5％。 （3）利用发射光谱原位技术首次对旋转电极辉光等离子体作用下CH4-H2转化反应进行了诊断研究，在300 nm～700 nm波长范围内检测到C、CH、C2、H和C等激发态物种。利用H原子的发射光谱，通过Boltzmann图解法计算得到等离子体的激发温度在6280 K～6629 K之间。由谱线展宽计算了电子密度，其数量级在1020／m3。依据等离子体作用下CH4-H2反应的产物分析和发射光谱检测结果，探讨和推测了常压辉光等离

论文目录

• 独创性说明
• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 等离子体技术和等离子体化学
• 1.1.1 等离子体技术
• 1.1.2 等离子体化学
• 4转化的意义和途径'>1.2 CH₄转化的意义和途径
• 4转化的意义'>2.1.1 CH₄转化的意义
• 4转化的途径'>2.1.2 CH₄转化的途径
• 1.3 低温等离子体催化甲烷转化的工艺评述
• 1.3.1 辉光放电等离子体
• 1.3.2 电晕放电等离子体
• 1.3.3 微波放电等离子体
• 1.3.4 流光放电等离子体
• 1.3.5 介质阻挡放电（DBD）等离子体
• 1.4 大气压放电等离子体化学反应器的类型和特点
• 1.4.1 大气压下脉冲电晕放电等离子体反应器
• 1.4.2 大气压下介质阻挡放电等离子体反应器
• 1.4.3 针板电极大气压直流辉光放电等离子体反应器
• 1.4.4 常压旋转电极放电等离子体反应器
• 1.5 低温等离子体催化甲烷转化机理的基础研究
• 1.6 小结
• 1.7 本论文的选题及工作概要
• 4转化工艺实验研究'>2 常压旋转多尖端三排电极等离子体反应器催化CH₄转化工艺实验研究
• 2.1 实验装置及流程
• 2.1.1 实验流程
• 2.1.2 实验原料及设备
• 2.2 实验分析方法
• 2.2.1 校正因子的确定
• 2.2.2 色谱分析方法
• 2.2.3 实验计算方法
• 2.2.4 能量效率的定义
• 4转化的各种因素'>2.3 影响等离子体催化 CH₄转化的各种因素
• 2.3.1 氢气添加气对反应的影响
• 2.3.2 脉冲峰值电压的影响
• 2.3.3 反应物流量对甲烷偶联的影响
• 2.3.4 能量密度对反应的影响
• 2.3.5 电极材料对反应的影响
• 2.3.6 其他因素对反应可能产生的影响
• 2.4 小结
• 4转化的工艺实验研究'>3 新型常压螺旋状电极等离子体反应器及催化CH₄转化的工艺实验研究
• 3.1 新型常压旋转螺旋状电极等离子体反应器
• 3.1.1 螺旋状电极的结构
• 3.1.2 密封装置
• 3.1.3 螺旋状电极等离子体放电反应器
• 3.2 实验流程及实验设备
• 3.3 螺旋状电极等离子体放电反应器的放电特点
• 3.3.1 电压和电流波形
• 3.3.2 放电V-A特性
• 3.3.3 实验现象
• 4的工艺研究'>3.4 螺旋状电极等离子体放电反应器催化CH₄的工艺研究
• 3.4.1 反应物流量的影响
• 4偶联的影响'>3.4.2 输入电场峰值电压对CH₄偶联的影响
• 3.4.3 电极材料对反应的影响
• 3.4.4 能量密度对反应的影响
• 3.5 积碳和消积碳初探
• 3.6 小结
• 4转化发射光谱研究'>4 常压辉光等离子体催化CH₄转化发射光谱研究
• 4.1 发射光谱概述
• 4.1.1 原子光谱
• 4.1.2 分子光谱
• 4.1.3 谱线宽度与线型
• 4.2 等离子体的温度及其诊断方法
• 4.2.1 等离子体的温度
• 4.2.2 测量等离子体中温度的方法
• 4偶联发射光谱在线诊断系统'>4.3 等离子体常压CH₄偶联发射光谱在线诊断系统
• 4.3.1 实验流程
• 4.3.2 实验设备及原料气
• 4.3.3 实验测量及计算方法
• 4.4 旋转电极等离子体发射光谱在线诊断实验研究
• 4.4.1 输入电场峰值电压对发射光谱的影响
• 4.4.2 反应物流量对激发温度和电子浓度的影响
• 2自由基的发射光谱'>4.4.3 放电过程中CH自由基和 C₂自由基的发射光谱
• 4/H₂的反应机理推测'>4.5 常压辉光等离子体催化 CH₄/H₂的反应机理推测
• 4.6 小结
• 5 新型常压等离子体反应器内流体的数值模拟
• 5.1 反应器中流体的速度场
• 5.2 反应器中流体的压力场
• 5.3 小结
• 6 结论及对进一步工作的建议
• 6.1 结论
• 6.2 对进一步工作的建议
• 参考文献
• 本论文创新点摘要
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
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