生物乙醇燃料等离子体重整器研究

论文摘要

生物质乙醇燃料是最有望在载运工具上替代化石燃料的可再生能源,本文结合国家973计划前期研究专项“富氢混合气低成本制备与应用的基础研究”,针对等离子体乙醇重整制氢,进行了系统的实验研究和数值模拟,得到如下结论：1)设计研制的基于DSP控制、IGBT功率模块逆变和非晶合金磁芯变压器输出的高频高压电源,其输出动态范围广,频率响应好、温升低,适用于介质阻挡放电等离子体实验研究。2)提出了一种尖契形结构的介质阻挡放电电极和由这种电极构成的新型等离子体化学反应器。基于有限元分析方法对尖契形电极结构进行的数值模拟显示：空间电场分布与尖契高度、间距、疏密及电极间隙相关联。尖契结构的存在,使反应空间中紊流加强,各种粒子碰撞的几率增加,流体通道上的反应界面不断更新,等离子体反应更充分、更均匀,反应效率提高。3)实验研究了尖契形电极放电特性。结果表明：与平板形结构相比,尖契形结构介质阻挡放电具有起始放电电压低、能量注入效率高,所产生高能粒子的平均能量大。乙醇蒸汽的放电形貌更接近辉光放电,颜色呈绿色,放电的微电流脉冲小于空气的放电。4)利用尖契形结构介质阻挡放电产生的低温等离子体,实现了含水乙醇重整制氢。在乙醇浓度为75%、电源电压为20.0kV、频率为10.5kHz,放电间距为1.5mm的条件下,重整率达到65%,产物中氢的体积比达到50%。增加反应器的注入功率,有利于重整制氢反应的进行,当调节电源频率与反应器的谐振频率接近时,重整率最高。通过本文的研究,研制出了一种适用于流体化学反应的新型介质阻挡放电等离子体重整器,为含水乙醇等离子体重整探索出了一条新途径,为生物质乙醇燃料重整制氢和酒精重整燃料发动机的研究提供了技术支持。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 绪论
• 第1章 文献综述
• 1.1 低温等离子体碳氢燃料处理的研究
• 1.2 低温等离子体化学反应发生器的研究
• 1.3 介质阻挡放电低温等离子体的形成
• 1.4 小结
• 1.5 本论文的选题和工作概要
• 第2章 常压下介质阻挡放电低温等离子体的形成
• 2.1 介质阻挡放电低温等离子体的形成过程
• 2.1.1 气体放电的汤生击穿理论
• 2.1.2 气体放电的流注击穿理论
• 2.1.3 介质阻挡放电的微放电过程
• 2.1.4 介质阻挡放电放电功率
• 2.2 乙醇重整的等离子体化学反应基础
• 2.2.1 等离子体化学反应
• 2.2.2 含水乙醇的等离子体化学反应
• 2.3 本章小结
• 第3章 介质阻挡放电系统和电源设计
• 3.1 介质阻挡放电驱动电源的电路
• 3.1.1 高频高压逆变电源主回路
• 3.1.2 IGBT逆变电路设计
• 3.1.3 IGBT驱动电路设计
• 3.1.4 PWM控制电路设计
• 3.2 输出电路设计
• 3.2.1 变压器等效模型
• 3.2.2 变压器绕组的影响因素和要求
• 3.2.3 变压器绕组的绝缘
• 3.2.4 变压器磁芯的选择
• 3.3 基于DSP控制、非晶磁芯输出变压器的设计与实验
• 3.3.1 DSP控制的设计
• 3.3.2 控制电路的软件设计
• 3.3.3 非晶合金磁芯输出变压器的设计与实验
• 3.4 本章小结
• 第4章 尖契结构电极空间电场和流场的数值模拟
• 4.1 尖契形结构介质阻挡放电电极的提出
• 4.2 尖契形结构电极介质阻挡放电化学反应器
• 4.3 基于FEMLAB的尖契电极结构数值模拟
• 4.3.1 有限元多物理场分析方法
• 4.3.2 模型建立
• 4.4 尖契形电极结构的电场模拟
• 4.4.1 尖契—平板和平板—平板电极空间电场的模拟
• 4.4.2 尖契角度对空间电场影响模拟
• 4.4.3 电极间隙对空间电场强度影响的模拟
• 4.4.4 尖契间距对空间电场强度影响的模拟
• 4.4.5 尖契高度对空间电场强度影响模拟
• 4.5 尖契形电极结构的流体模拟
• 4.5.1 流体模型及假设
• 4.5.2 模式与模块的选取及运算
• 4.5.3 流体通道上速度场和涡流场的模拟
• 4.6 本章小节
• 第5章 介质阻挡放电特性研究
• 5.1 透明电极设计
• 5.2 空气介质尖契电极放电特性的研究
• 5.2.1 实验系统
• 5.2.2 尖契形电极介质阻挡放电形貌
• 5.2.3 尖契形电极介质阻挡放电微电流特性
• 5.2.4 尖契形电极介质阻挡放电的功率注入
• 5.3 乙醇蒸汽介质等离子体放电特性研究
• 5.3.1 实验系统
• 5.3.2 实验条件和方法
• 5.3.3 乙醇蒸汽DBD放电形貌的演变
• 5.3.4 乙醇蒸汽DBD放电电流特性
• 5.3.5 放电间隙对乙醇蒸汽放电的影响
• 5.3.6 放电间隙与放电功率的关系
• 5.4 本章小结
• 第6章 含水乙醇低温等离子体重整制氢研究
• 6.1 乙醇等离子体重整制氢的反应机理探讨
• 6.1.1 乙醇等离子体重整反应的实现
• 6.1.2 乙醇等离子体重整反应过程
• 6.2 乙醇等离子体重整制氢实验研究系统
• 6.3 工艺条件及分析方法
• 6.4 实验结果与讨论
• 6.4.1 含水乙醇等离子体重整产物
• 6.4.2 乙醇初始浓度对重整率的影响
• 6.4.3 注入功率对重整率的影响
• 6.4.4 放电频率对产氢的影响
• 6.4.5 反应物流量对产氢的影响
• 6.4.6 放电间隙对产氢的影响
• 6.4.7 同轴平行电极对比实验
• 6.5 本章小结
• 第7章 结论及展望
• 7.1 结论
• 7.2 今后工作展望
• 参考文献
• 攻读学位期间公开发表论文
• 致谢
• 研究生履历