專利名稱：等離子體與化學(xué)催化復(fù)合重整制備富氫燃?xì)獾姆椒霸O(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及碳?xì)淙剂现卣夹g(shù)，具體地指一種等離子體與化學(xué)催化復(fù)合重整制備富氫燃?xì)獾姆椒霸O(shè)備。
背景技術(shù)：
目前，利用碳?xì)淙剂现迫「粴淙細(xì)獾姆椒ㄖ饕谢瘜W(xué)催化法和等離子體重整法。 化學(xué)催化法重整制氫是在催化劑的作用下，使碳?xì)淙剂辖?jīng)過化學(xué)反應(yīng)后變?yōu)闅錃猓ㄓ兴魵庵卣?、部分氧化重整和自熱重整。水蒸氣重整法比較成熟，制取的氫氣含量高，是目前最常用的一種重整制氫方式。 采用這種方法，將燃料與水蒸氣混合后進(jìn)入重整器，在高溫和催化劑的作用下發(fā)生重整反應(yīng)產(chǎn)生氫氣。但這種反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，所需熱量由部分燃料在外部燃燒產(chǎn)生，需要外部供熱才能維持重整反應(yīng)的進(jìn)行；在整個系統(tǒng)中，參與燃燒反應(yīng)的燃料大約占總?cè)剂系?5%，能量利用率較低；同時化學(xué)催化重整反應(yīng)的響應(yīng)時間比較長，催化劑容易中毒。部分氧化重整利用燃料在氧氣不足的情況下發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生產(chǎn)一氧化碳和氫氣。該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，因而不需要外來的熱源供給。但是此方法需要在反應(yīng)前除硫以避免催化劑中毒失效；而且部分氧化重整的反應(yīng)機(jī)理很復(fù)雜，副產(chǎn)物多，產(chǎn)生的氫氣純度低、 產(chǎn)氫率低。自熱重整是將吸熱的水蒸氣重整和放熱的部分氧化重整結(jié)合到一起，并在一定條件下實(shí)現(xiàn)熱量的自平衡。這種方法雖然可以使系統(tǒng)的效率提高，但自熱重整要求同時調(diào)節(jié)好氧氣、水蒸氣和燃料之間的比例，控制比較困難，并且在重整中易產(chǎn)生積碳現(xiàn)象而損傷催化劑。等離子體重整制氫是一種先進(jìn)的制氫技術(shù)，它采用等離子激發(fā)重整反應(yīng)的發(fā)生， 等離子體中的高能電子作用于碳?xì)浞肿樱瑢⑵渲械奶細(xì)滏湸驍嘈纬尚〉姆肿?，如氫氣等。因?yàn)榈入x子的能量密度很高，使得這種方式具有起動快、動態(tài)響應(yīng)快速、重整器結(jié)構(gòu)簡單緊湊等特點(diǎn)。但是，重整器所使用的高頻高壓電源會在電極上產(chǎn)生大量的熱量而損失能量，能量利用率不高。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足，提供一種反應(yīng)速度快、重整效率高、能量利用率高的等離子體協(xié)同催化復(fù)合反應(yīng)制備富氫燃?xì)獾姆椒ê驮O(shè)備。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所設(shè)計的等離子體與化學(xué)催化復(fù)合重整制備富氫燃?xì)獾姆椒ǎㄈ缦虏襟E1)將經(jīng)過霧化處理的碳?xì)淙剂响F滴導(dǎo)入同軸布置的筒形內(nèi)電極和筒形外電極所構(gòu)成的環(huán)狀等離子體放電區(qū)中，使碳?xì)淙剂响F滴在高能電子的撞擊作用下發(fā)生基于自由基的等離子體重整反應(yīng)，其中大部分的大分子碳?xì)滏溛镔|(zhì)被打斷并激活，產(chǎn)生大量的活性粒子和小分子混合物；
2)再將所產(chǎn)生的活性粒子和小分子混合物連同少量未反應(yīng)的大分子碳?xì)滏溛镔|(zhì)直接導(dǎo)入填充在筒形內(nèi)電極空腔內(nèi)的化學(xué)催化反應(yīng)床層中，使它們在化學(xué)催化劑的表面發(fā)生急劇的催化反應(yīng)，產(chǎn)生更多和更小的小分子混合物，同時筒形內(nèi)電極產(chǎn)生的熱量可為化學(xué)催化反應(yīng)床層加熱利用；3)最后將所產(chǎn)生的小分子混合物導(dǎo)出，即可獲得高濃度的富氫燃?xì)狻＞唧w地，所述碳?xì)淙剂蠟楹掖?、甲烷、甲醇或輕汽油。進(jìn)一步地，所述環(huán)狀等離子體放電區(qū)的施加電壓為5 20KV、頻率為7 15KHz、 電極放電間距為0. 5 4mm。進(jìn)一步地，所述化學(xué)催化劑為鎳基催化劑或銅基催化劑，所述化學(xué)催化反應(yīng)的溫度為320 4000C ο為實(shí)現(xiàn)上述方法專門設(shè)計的等離子體與化學(xué)催化復(fù)合重整制備富氫燃?xì)獾脑O(shè)備， 包括同軸布置的筒形內(nèi)電極和筒形外電極，所述筒形內(nèi)電極和筒形外電極之間形成環(huán)狀等離子體放電區(qū)，所述環(huán)狀等離子體放電區(qū)的一端為放電區(qū)進(jìn)口，所述環(huán)狀等離子體放電區(qū)的另一端為放電區(qū)出口，所述筒形內(nèi)電極的空腔內(nèi)填充有化學(xué)催化反應(yīng)床層，所述化學(xué)催化反應(yīng)床層的反應(yīng)床進(jìn)口與環(huán)狀等離子體放電區(qū)的放電區(qū)出口位于同一側(cè)并相連通，所述化學(xué)催化反應(yīng)床層的反應(yīng)床出口與環(huán)狀等離子體放電區(qū)的放電區(qū)入口位于同一側(cè)并相間隔。作為優(yōu)選方案，所述筒形內(nèi)電極和筒形外電極之間設(shè)置有筒形阻擋介質(zhì)層，所述筒形外電極套裝在筒形阻擋介質(zhì)層上。具體地，所述筒形阻擋介質(zhì)層為高絕緣材料的氧化鋁陶瓷或石英，其電阻率大于 IO14 Ω/cm、介電常數(shù)值彡9，厚度為0.4 1.0mm，臨界擊穿電場強(qiáng)度彡400KV/cm、吸水率為 0. 0%。進(jìn)一步地，所述筒形內(nèi)電極和筒形外電極的一側(cè)設(shè)置有密封端蓋。這樣，其結(jié)構(gòu)簡單實(shí)用，通過密封端蓋的阻擋和導(dǎo)流作用下，可使所述化學(xué)催化反應(yīng)床層的反應(yīng)床進(jìn)口與環(huán)狀等離子體放電區(qū)的放電區(qū)出口在最短的距離內(nèi)相連通。更進(jìn)一步地，所述化學(xué)催化反應(yīng)床層內(nèi)設(shè)置有加熱器。這樣，當(dāng)內(nèi)電極提供給化學(xué)催化反應(yīng)床層內(nèi)的熱量不足時，可以通過加熱器供熱。再進(jìn)一步地，所述化學(xué)催化反應(yīng)床層內(nèi)設(shè)置有溫度傳感器。這樣，可以監(jiān)測化學(xué)催化反應(yīng)床層內(nèi)的溫度，并據(jù)此及時對反應(yīng)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使熱能利用達(dá)到最佳。本發(fā)明所設(shè)計的制備方法，是將碳?xì)淙剂响F化導(dǎo)入到環(huán)狀等離子體放電區(qū)中，使碳?xì)淙剂戏肿邮艿礁吣茈娮拥臎_擊，其中所含有的化學(xué)鍵發(fā)生斷裂，形成H、OH、CH3, C2H5, CH2OH, CH3CHOH, CH2CH2OH等較大的自由基，這些自由基受到進(jìn)一步?jīng)_擊后，斷裂成更小的自由基。經(jīng)過等離子體處理后的碳?xì)淙剂响F滴直接進(jìn)入到化學(xué)催化反應(yīng)床層，其中大量的活性粒子也一同進(jìn)入到化學(xué)催化反應(yīng)床層，由于進(jìn)入到化學(xué)催化反應(yīng)床層的物質(zhì)中含有大量的活性粒子，同時內(nèi)電極的熱量可以為催化反應(yīng)床層加溫，從而可以減低催化反應(yīng)的能耗、 提高催化反應(yīng)的效率，進(jìn)而提高復(fù)合重整效率和能量利用率。本發(fā)明所設(shè)計的復(fù)合重整設(shè)備，其環(huán)狀等離子體放電區(qū)的放電區(qū)出口直接與以內(nèi)電極為外罩的化學(xué)催化反應(yīng)床層的反應(yīng)床進(jìn)口相連，使經(jīng)過等離子體處理后的產(chǎn)物即刻進(jìn)入到化學(xué)催化反應(yīng)床層中；經(jīng)過等離子體處理后的燃料中含有大量的活性粒子，當(dāng)這些活性粒子隨著生成的富氫氣體一同進(jìn)入到化學(xué)催化反應(yīng)床層后，可以降低催化重整的活化溫度，提高催化重整的反應(yīng)效率，同時內(nèi)電極上因高頻電流產(chǎn)生的高溫，可成為催化反應(yīng)的熱源，為催化反應(yīng)加溫，使總體重整效率和能量利用率得到提高。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于所設(shè)計的方法將等離子體重整法和化學(xué)催化重整法結(jié)合起來制取富氫燃?xì)?，克服現(xiàn)有技術(shù)中采用單一方法的缺陷，不僅反應(yīng)速度快、催化劑不容易中毒，而且重整效率和能量利用率可明顯提高。同時，所設(shè)計的設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單緊湊、體積輕便小巧，制造成本低廉。
圖1為一種等離子體與化學(xué)催化復(fù)合重整制備富氫燃?xì)獾脑O(shè)備的剖視結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為圖1中的A-A剖視結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。圖中所示等離子體與化學(xué)催化復(fù)合重整制備富氫燃?xì)獾脑O(shè)備，包括同軸布置的筒形內(nèi)電極2和筒形外電極1，筒形內(nèi)電極2和筒形外電極1之間設(shè)置有筒形阻擋介質(zhì)層3。 筒形阻擋介質(zhì)層3采用高絕緣材料的氧化鋁陶瓷或石英，其電阻率大于1014Q/cm、介電常數(shù)值彡9，厚度為0. 4 1. 0mm，臨界擊穿電場強(qiáng)度彡400KV/cm、吸水率為0. 0%。筒形外電極1套裝在筒形阻擋介質(zhì)層3上，由此在筒形內(nèi)電極2和筒形外電極1之間形成介質(zhì)阻擋結(jié)構(gòu)的環(huán)狀等離子體放電區(qū)4。環(huán)狀等離子體放電區(qū)4的一端為放電區(qū)進(jìn)口 8，環(huán)狀等離子體放電區(qū)4的另一端為放電區(qū)出口 10。在筒形內(nèi)電極2和筒形外電極1的一側(cè)設(shè)置有密封端蓋6，密封端蓋6固定在該側(cè)延伸出的筒形阻擋介質(zhì)層3端部。在筒形內(nèi)電極2的空腔內(nèi)填充有化學(xué)催化反應(yīng)床層5，化學(xué)催化反應(yīng)床層5的反應(yīng)床進(jìn)口 11與環(huán)狀等離子體放電區(qū)4的放電區(qū)出口 10位于同一側(cè)， 并在密封端蓋6的阻擋和導(dǎo)流作用下相連通。化學(xué)催化反應(yīng)床層5的反應(yīng)床出口 9則與環(huán)狀等離子體放電區(qū)4的放電區(qū)入口 8位于同一側(cè)并相間隔。在化學(xué)催化反應(yīng)床層5內(nèi)還設(shè)置有加熱器7和溫度傳感器12。加熱器7采用電熱管，其一端固定在密封端蓋6上。溫度傳感器12則通過信號線與外界控制電路相連，用以調(diào)節(jié)化學(xué)催化反應(yīng)床層5的反應(yīng)溫度。上述等離子體與化學(xué)催化復(fù)合重整制備富氫燃?xì)獾脑O(shè)備的具體設(shè)計參數(shù)如下實(shí)施例1 以內(nèi)徑為122mm、厚度為0. 5mm的高絕緣的氧化鋁陶瓷為筒形阻擋介質(zhì)層3，筒形外電極1套裝在筒形阻擋介質(zhì)層3的外徑上。筒形內(nèi)電極2外徑為120mm、長度為300mm， 筒形內(nèi)電極2和筒形阻擋介質(zhì)層3之間的電極放電間距為1mm，放電長度為^Omm。在內(nèi)外電極之間加載頻率ΙΟΚΗζ、電壓15KV的高頻高壓電。筒形內(nèi)電極2的空腔內(nèi)填充有化學(xué)催化反應(yīng)床層5，所用化學(xué)催化劑為鎳基催化劑?；瘜W(xué)催化反應(yīng)床層5中安裝有直徑12mm的電熱管式加熱器7和溫度傳感器12，兩端有金屬網(wǎng)罩固定催化劑，形成一個直徑為IOOmm的催化反應(yīng)室。實(shí)施例2
以內(nèi)徑為123mm、厚度為0. 8mm的石英為筒形阻擋介質(zhì)層3，筒形外電極1套裝在筒形阻擋介質(zhì)層3的外徑上。筒形內(nèi)電極2的外徑為120mm、，長度為300mm，筒形內(nèi)電極2 和筒形阻擋介質(zhì)層3之間的電極放電間距為1.5mm，放電長度為^Omm。在內(nèi)外電極之間加載頻率15KHz、電壓15KV的高頻高壓電。筒形內(nèi)電極2的空腔內(nèi)填充有化學(xué)催化反應(yīng)床層 5，所用化學(xué)催化劑為銅基催化劑?；瘜W(xué)催化反應(yīng)床層5中設(shè)置有直徑12mm的電熱管式加熱器7和溫度傳感器12，兩端有金屬網(wǎng)罩固定催化劑，形成一個直徑為IOOmm的催化反應(yīng)室。采用上述復(fù)合重整設(shè)備制備富氫燃?xì)鈺r1)將經(jīng)過霧化處理的碳?xì)淙剂响F滴導(dǎo)入同軸布置的筒形內(nèi)電極2和筒形外電極1 所構(gòu)成的環(huán)狀等離子體放電區(qū)4中，使碳?xì)淙剂响F滴在高能電子的撞擊作用下發(fā)生基于自由基的等離子體重整反應(yīng)，其中大部分的大分子碳?xì)滏溛镔|(zhì)被打斷并激活，產(chǎn)生大量的活性粒子和小分子混合物；2)再將所產(chǎn)生的活性粒子和小分子混合物連同少量未反應(yīng)的大分子碳?xì)滏溛镔|(zhì)直接導(dǎo)入填充在筒形內(nèi)電極2空腔內(nèi)的化學(xué)催化反應(yīng)床層5中，使它們在化學(xué)催化劑的表面發(fā)生急劇的催化反應(yīng)，產(chǎn)生更多和更小的小分子混合物，同時筒形內(nèi)電極2產(chǎn)生的熱量可為化學(xué)催化反應(yīng)床層5加熱利用；3)最后將所產(chǎn)生的小分子混合物導(dǎo)出，即可獲得高濃度的富氫燃?xì)狻Ρ壤龑⒈景l(fā)明等離子體與化學(xué)催化復(fù)合重整制備富氫燃?xì)獾姆椒ㄅc傳統(tǒng)的化學(xué)催化法和等離子體重整法進(jìn)行比較，結(jié)果如表1所示。表1:三種方法的比較
權(quán)利要求
1.一種等離子體與化學(xué)催化復(fù)合重整制備富氫燃?xì)獾姆椒?，包括如下步驟1)將經(jīng)過霧化處理的碳?xì)淙剂响F滴導(dǎo)入同軸布置的筒形內(nèi)電極和筒形外電極所構(gòu)成的環(huán)狀等離子體放電區(qū)中，使碳?xì)淙剂响F滴在高能電子的撞擊作用下發(fā)生基于自由基的等離子體重整反應(yīng)，其中大部分的大分子碳?xì)滏溛镔|(zhì)被打斷并激活，產(chǎn)生大量的活性粒子和小分子混合物；2)再將所產(chǎn)生的活性粒子和小分子混合物連同少量未反應(yīng)的大分子碳?xì)滏溛镔|(zhì)直接導(dǎo)入填充在筒形內(nèi)電極空腔內(nèi)的化學(xué)催化反應(yīng)床層中，使它們在化學(xué)催化劑的表面發(fā)生急劇的催化反應(yīng)，產(chǎn)生更多和更小的小分子混合物，同時筒形內(nèi)電極產(chǎn)生的熱量可為化學(xué)催化反應(yīng)床層加熱利用；3)最后將所產(chǎn)生的小分子混合物導(dǎo)出，即可獲得高濃度的富氫燃?xì)狻?br>
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體與化學(xué)催化復(fù)合重整制備富氫燃?xì)獾姆椒?，其特征在于所述碳?xì)淙剂蠟楹掖肌⒓淄?、甲醇或輕汽油。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的等離子體與化學(xué)催化復(fù)合重整制備富氫燃?xì)獾姆椒?，其特征在于所述環(huán)狀等離子體放電區(qū)的施加電壓為5 20KV、頻率為7 15KHz、電極放電間距為0. 5 4讓。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的等離子體與化學(xué)催化復(fù)合重整制備富氫燃?xì)獾姆椒ǎ?其特征在于所述化學(xué)催化劑為鎳基催化劑或銅基催化劑，所述化學(xué)催化反應(yīng)的溫度為 320 400"C。
5.一種等離子體與化學(xué)催化復(fù)合重整制備富氫燃?xì)獾脑O(shè)備，包括同軸布置的筒形內(nèi)電極(2)和筒形外電極(1)，所述筒形內(nèi)電極( 和筒形外電極(1)之間形成環(huán)狀等離子體放電區(qū)G)，所述環(huán)狀等離子體放電區(qū)的一端為放電區(qū)進(jìn)口(8)，所述環(huán)狀等離子體放電區(qū)的另一端為放電區(qū)出口(10)，其特征在于所述筒形內(nèi)電極O)的空腔內(nèi)填充有化學(xué)催化反應(yīng)床層(5)，所述化學(xué)催化反應(yīng)床層(5)的反應(yīng)床進(jìn)口(11)與環(huán)狀等離子體放電區(qū)(4)的放電區(qū)出口(10)位于同一側(cè)并相連通，所述化學(xué)催化反應(yīng)床層(5)的反應(yīng)床出口 (9)與環(huán)狀等離子體放電區(qū)⑷的放電區(qū)入口⑶位于同一側(cè)并相間隔。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的等離子體與化學(xué)催化復(fù)合重整制備富氫燃?xì)獾脑O(shè)備，其特征在于所述筒形內(nèi)電極( 和筒形外電極(1)之間設(shè)置有筒形阻擋介質(zhì)層(3)，所述筒形外電極(1)套裝在筒形阻擋介質(zhì)層C3)上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的等離子體與化學(xué)催化復(fù)合重整制備富氫燃?xì)獾脑O(shè)備，其特征在于所述筒形阻擋介質(zhì)層(3)為高絕緣材料的氧化鋁陶瓷或石英，其電阻率大于1014Ω/ cm、介電常數(shù)值彡9，厚度為0. 4 1. 0mm，臨界擊穿電場強(qiáng)度400KV/cm、吸水率為0. 0%。
8.根據(jù)權(quán)利要求5或6或7所述的等離子體與化學(xué)催化復(fù)合重整制備富氫燃?xì)獾脑O(shè)備，其特征在于所述筒形內(nèi)電極( 和筒形外電極(1)的一側(cè)設(shè)置有密封端蓋(6)，所述化學(xué)催化反應(yīng)床層(5)的反應(yīng)床進(jìn)口(11)與環(huán)狀等離子體放電區(qū)⑷的放電區(qū)出口(10) 在密封端蓋(6)的阻擋和導(dǎo)流作用下相連通。
9.根據(jù)權(quán)利要求5或6或7所述的等離子體與化學(xué)催化復(fù)合重整制備富氫燃?xì)獾脑O(shè)備，其特征在于所述化學(xué)催化反應(yīng)床層(5)內(nèi)設(shè)置有加熱器(7)。
10.根據(jù)權(quán)利要求5或6或7所述的等離子體與化學(xué)催化復(fù)合重整制備富氫燃?xì)獾脑O(shè)備，其特征在于所述化學(xué)催化反應(yīng)床層(5)內(nèi)設(shè)置有溫度傳感器(12)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種等離子體與化學(xué)催化復(fù)合重整制備富氫燃?xì)獾姆椒霸O(shè)備。該方法是先將碳?xì)淙剂响F滴導(dǎo)入筒形內(nèi)電極和筒形外電極所構(gòu)成的環(huán)狀等離子體放電區(qū)，使其發(fā)生基于自由基的等離子體重整反應(yīng)，產(chǎn)生大量的活性粒子和小分子混合物；再將等離子體處理后的產(chǎn)物導(dǎo)入填充在筒形內(nèi)電極空腔內(nèi)的化學(xué)催化反應(yīng)床層中，通過催化反應(yīng)產(chǎn)生更多和更小的小分子混合物，即可獲得高濃度的富氫燃?xì)?。其設(shè)備主要由筒形內(nèi)電極和筒形外電極、以及填充在筒形內(nèi)電極空腔內(nèi)的化學(xué)催化反應(yīng)床層構(gòu)成。本發(fā)明的設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、體積小巧、成本低廉。本發(fā)明的方法反應(yīng)速度快、催化劑不容易中毒、總體重整效率和能量利用率高。
文檔編號C01B3/22GK102351144SQ20111017449
公開日2012年2月15日 申請日期2011年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月27日
發(fā)明者李格升, 梅雪飛, 游伏兵, 胡又平, 高孝洪 申請人:武漢理工大學(xué)