一种用于氨分解制氢的板式等离子体反应器的制作方法

专利名称：一种用于氨分解制氢的板式等离子体反应器的制作方法
技术领域：
本发明属于等离子体化学和氢能技术领域，涉及到一种可用于氨气分解制氢的板 式等离子体反应器。
背景技术：
煤炭、石油和天然气等化石能源的日益枯竭，以及直接使用这些化石能源排放温 室气体和环境污染物造成的危害，迫使人们必须不断追求清洁能源。氢能的开发应用正是 在此背景下受到全世界的重视。这是因为，通过利用质子交换膜燃料电池(PEMFC)可以将 氢气在几乎常温下高效地转化为电能。在这个转化过程中发生的是氢气和氧气生成水的 电池反应。用燃料电池利用氢能的优点包括(1)氢气和氧气在燃料电池工作时并非直接 燃烧，而是通过电化学装置发电，因此其能量转化效率不受卡诺循环限制，理论能效可达 83%，实际能效可达50-60%，是普通内燃机实际能效的2-3倍；(2)燃料电池工作时只排放 水，常温下工作也不会产生NOx。因此通过燃料电池利用氢能，既高效又是零排放。很多公开文献和专利文献涉及氢氧燃料电池技术。如Renewable and Sustainable Energy Reviews,13 (2009) 1301-1313 ；J.Power SourCes, 2006 155(2)340-352 ；Current Opinion in Solid State and MaterialsScience 6 (2002) 389-299 ；CN200920001509. 2 ；CN200920038575. 7 ；CN200820033377. 7 ； CN200820078884. 2 ；CN200720188454. 1 ；CN200720013599. 8 ；CN200620049568. 3 ； CN200620068780. 4 ；CN200520133025. 5 ；CN200520047642. 3 ；CN200480033325. 4 ； CN200480037015. 9 ；CN200380100425. X；CN02159650. 6；CN01126123. 4 ；CN00816543. 2 ； CN97199582. 6 ；CN86100407。然而，燃料电池技术要想实现普及应用，还面临着众多挑战。其中包括氢源问题和 制氢方法问题。迄今为止，国内外已报道的氢源主要是基于化石燃料和生物质的碳基氢源。 例如，已经提出了以下氢源天然气、常规液体燃料(柴油、航煤、汽油)、醇类(乙醇、甲醇) 和二甲醚。由上述氢源获得氢气可以用水蒸气重整技术。很多公开文献和专利文献涉及天然气、醇类、煤、汽油、柴油等化石资源制 氢的方法和工艺。如Chem. Rev. 107(2007)3952-3391 ;Chemical Industry And Engineering Progress 28 (2009) 1169-1174 ；CN200720104594. 6 ；CN200710048432. X ；CN200410053885. 8 ；CN200410081348. 4 ；CN200410031348. 4 ；CN96102205. 1 ； CN89106847. 3 ；CN20081010753 1. 5 ；CN200610013035.4 ；CN200610130484. 7 ； CN200610130277. 1 ；CN200510041633. 8 ；CN200310115196. 0 ；CN200810034740. 1 ； CN200710037410. 3 ；CN200710046067. 9 ；CN200510041633. 8 ；CN200510022208. 4 ； CN00816840. 7 ；CN200910039095. 7 ；CN200910303502. 0 ；CN200810184969. 3 ； CN200820181786. 1 ；CN200710202589. 3 ；CN200710036748. 7 ；CN01138906. 0。也有公开文献和专利文献均涉及生物质制氢。如international Journal of Hydrogen Energy 32(2007)3238-3247 ；Hydrogen Energy,199823(7) 551-557 ；HydrogenEnergy 199823(8)641-648 ；CN200910116565. 0 ；CN200910028748. 1 ；CN200810195544. 2 ； CN200810137399. 2 ；CN200710016668. 5 ；CN200410005733. 0 ；CN200310100892. 4。在诸如合成氨、甲醇等大型化工企业中，水蒸气重整技术是一个非常成熟的传统 工业技术，主要用于将煤、天然气等化石原料转化成合成气(氢气，一氧化碳或二氧化碳)。 有许多公开文献和专利专门涉及水蒸气重整技术。如Applied Catalysis A general, 2007333 (2) 114-121 ；CN200910045202. 7 ；CN200810107529. 8 ；CN200810107530. 0 ； CN200710203190. 7 ；CN00121571. X0水蒸气重整是一个耗能步骤。也有直接利用碳基燃料 (如甲醇、乙醇)的直接燃料电池法。以甲醇为例，直接燃料电池法就是用甲醇代替氢气在 燃料电池中与氧气发生电化学反应。但此法电池效率低，电极催化剂容易一氧化碳中毒，开 发难度较大。但是，使用碳基氢源最大的问题在于，它不但消耗不可再生资源，而且根本没有触 及消费化石燃料带来的温室气体排放问题。当用大型水蒸气重整技术集中制氢再零售消费 时，二氧化碳温室气体排放发生在生产环节；当用微型水蒸气重整技术分散制氢(如车载 制氢)时，二氧化碳温室气体排放发生在用户环节。近年来，氨气被越来越多的人看作是理想的非碳基氢源。用氨气制氢有如下优点 (1)氨气的能量密度高(氨气裂解气的最大比能为5. 59Kffh/Kg,甲醇蒸汽重整气的最大比 能3.8KWh/Kg) ； (2)绿色化程度高(氨气裂解气中只有吐和队，可使燃料电池不排放温室 气体)；(3)燃料载荷轻(lKg吐耗5.67秘氨气。但对甲醇水蒸气重整则要耗5. 17Kg甲醇 和3. OKg水，燃料载荷比氨气裂解高出44% )；(4)氨气在室温下压力达到0. 8MPa即可液化且着火范围较窄，安全性较好，宜于 储运。历史悠久的合成氨工业已经建立了完善的氨气储运方法和设施。另外，NH3还是一种大宗化工产品，廉价易得。当代合成氨技术已经非常成熟，目前 世界最大单系列合成氨装置已达130万t/a，生产能力巨大，遍布世界各地。根据过渡状态理论，合成氨催化剂也可用作氨分解催化剂。工业上使用最普遍的 合成氨催化剂是传统Fe304基熔铁催化剂，近些年又发展了钌基催化剂。在固定床反应器中 利用常规的热催化法分解氨气(合成氨的逆反应)是当前氨气裂解制氢的研究热点。很多公开文献涉及用氨气制氢的常规热催化方法。如Catal. Today, 77 (2002) 65-78. ；Chem. Eng. J. 93 (2003) 69-80. ；Chem. Rev. 104(2004)4767-4790.； Catal. Letter 72，3-4 (2001) 197-201. ；Appl.Catal. A :General,227(2002)231-240.； Appl. Catal. A general 277(2004) 1-9. ； Int. Eng. Chem. Res. , 43 (2004) 74-84.；能源技 ^ 26,3(2005) 102-105. ；Catalysis Communications 6(2005)229-232. ；Appl. Catal. A General 301 (2006)202-210. ；Appl. Catal. A general 320 (2007) 166-172. Applied Catalysis B Environmental 80(2008)98-105. ；Catal. Lettl28(2009)72-76.很多专利文献也涉及用常规热催化方法分解氨气制氢。例如中国发明专利(申请号200710047827. 8)中披露了一种整体式氨分解制氢催化剂 及其制备方法。其特征是该催化剂是用浸渍法将金属镍或金属镍和稀土氧化物负载于束 缚在金属纤维网络结构中的氧化铝载体上制得。用该专利方法制备的催化剂需要在600°C 以上的高温下使用。中国发明专利(申请号200610027050. 4)中披露了一种用于氨分解制氢的负载型金属镍催化剂。其特征是催化剂含稀土氧化物_20%、镍％ -20%、载体60% -98%, 是一种负载型催化剂。载体为Al203、Si02、活性炭或者硅铝酸盐。用该专利披露方法制备的 催化剂需要在500-600°C的高温下使用。中国发明专利(申请号200510031519. 7)中披露了氨分解制零COx氢气的高效负 载型纳米催化剂及其制备方法。其特征是催化剂含0. 5-40%活性组分、0-30%助剂以及 50-95%载体。其活性组分优选过渡金属钌(Ru)、铁(Fe)、铑(Rh)和镍(Ni)；助剂优选氧 化镧(La203)、氧化铈(Ce02)、氧化钕(Nd203)，载体为固体超强碱，优选Na/NaOH/ y _A1203、K/ KOH/ y -A1203和Na/K0H/&02。催化剂在常规固定床中使用，反应温度在400°C以上。中国发明专利(申请号03143112. 7)中披露了用氨分解反应制备零COx氢气的催 化剂及其制备方法。其特征是催化剂含0. 5-20%活性组分、0-20%助剂以及70-99%载体 构成。其中，活性组分选自贵金属以及具有贵金属性质的金属氮化物，优选贵金属钌(Ru)、 贵金属铑(Rh)和氮化钼(MoN)；载体为碳纳米管；助剂选自碱金属、碱土金属以及稀土金属 化合物。用上述催化剂分解氨气制氢在常规固定床反应器中进行。用该专利方法制备的催 化剂需要在470°C _550°C的高温下使用。中国发明专利(申请号03134691. X)中披露了低温型氨分解制备氢气的催化剂及 其制备方法。其特征是催化剂含0.1-30%活性组分、0-20%助剂以及60-99%载体。其 中，活性组分选自过渡金属以及具有贵金属性质的金属氮化物，优选贵金属钌(Ru)、贵金属 铑(Rh)、非贵金属镍(Ni)和氮化钼(MoN)；载体为纳米晶金属氧化物，优选氧化铝(A1203)、 氧化镁(MgO)、氧化锆(&02)和氧化锌(ZnO)；助剂选自碱金属、碱土金属以及稀土金属化 合物。该专利在其前期专利(申请号03143112. 7)基础上，提出用纳米晶金属氧化物代替 碳纳米管作为催化剂载体，目的是降低催化剂成本。用上述催化剂分解氨气制氢在常规固 定床反应器中进行。用该专利方法制备的催化剂要在480°C -550°C的高温下使用。中国发明专利(申请号02155943. 0)中披露了一种镍基氨分解制氢氮混合气催化 剂的制备方法和应用。其特征是主催化剂组分为镍(Ni)，载体为氧化硅(Si02)或氧化铝 (A1203)，助剂为IA、IIA、IIIB、VIII或稀土元素中的一种或几种。催化剂在常规固定床中 使用，反应温度为650°C。中国发明专利(申请号02155944. 9)中披露了一种钌基氨分解制氢氮混合气催 化剂及其制备方法。其特征是主催化剂活性组分为钌(Ru)，载体为氧化硅(Si02)、氧化铝 (A1203)、氧化镁(MgO)、氧化钙(CaO)、氧化钛(Ti02)或活性炭；助剂为IA、IIA、IIIA、IVA和 稀土元素中的一种或几种。催化剂在常规固定床中使用，反应温度在500°C以上，比传统镍 基催化剂的使用温度有所降低。中国发明专利(申请号98114265. 6)中披露了一种高活性氨分解催化剂。其特征 是催化剂由活性组分和载体构成。其中，活性组分为钼和镍，载体为氧化铝(AI203)或氧化 镁(MgO)。其特征还有催化剂在使用前要在终温为650°C -750°c的高温下进行预氮化处 理，使金属氧化物转化为金属氮化物。用上述催化剂分解氨气在常规固定床反应器和600°C 以上的高温下进行。国际专利申请W02008002593 A2中披露了用液氨生产氢气的方法和装置。其特征 是，液氨经由催化剂热分解，生成的氢气被压缩存储，未反应的氨气经过回收单元重新进行 反应，但催化剂热分解在较高的温度下进行。
欧洲专利EP1003689 B1披露了一种用氨气分解制氢气的合金催化剂，这种催 化剂具有Zr^Ji.M^结构，Ml和M2分别选自Cr，Mn，Fe，Co, Ni，x = 0-1，氨分解温度在 500 °C -1000 °C 之间国际专利申请W001/87770 A1中披露了用氨气生产氢气的自热分解工艺。其特征 是使氨气与含氧气体一起进入反应器的反应区，反应区装有氨分解催化剂。原料气在与 催化剂接触过程中分解为氢气和氮气，这个过程吸热；与此同时，使一部分生成的氢气在反 应区内燃烧放热，从而弥补氨分解过程所吸收的热量。其中，氨分解催化剂中至少含有铁 (Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、镉(Cr)、锰(Mn)、钼(Pt)、钯(Pd)、铑(Rh)和钌(Ru)中的一种金属， 催化剂的载体为碳和金属氧化物，氨分解催化剂的反应温度至少在500°C以上。美国专利USP5055282披露了一种用碱金属改性的Ru/A1203催化剂体系及其制备 方法，催化剂的使用温度低于500°C。美国专利USP4704267披露了一种用氨气制氢的工艺。其特征是，使用一个绝热的 金属氢化物单元提纯来自氨分解单元生成产物气中的氢气，氨分解单元采用列管式固定床 反应器。美国专利申请US 2004/0154223 A1中披露了一种用氨气制氢的装置和方法。其 特征是，反应器分为反应室和燃烧室，二者之间可进行热交换。氨气分解催化剂可以像固定 床一样装填在反应室中，也可以涂于反应室内表面，形成催化剂膜，氨分解催化剂的活性成 分是钌Ru)或镍(Ni)。燃烧室中装有燃烧催化剂，其活性成分是钼(Pt)。烃类燃料在燃烧 催化剂作用下燃烧，为氨气分解反应提供热量。氨气分解需要在550°C -650°C下进行。美国专利申请(US 2003/0232224 A1)中披露了一种用于生产氢气的氨气裂解器。 其主要特征为，氨气裂解器中装有用氧化铝小球负载的金属催化剂，负载金属活性成分选 自镍(Ni)、钌(Ru)和钼(Pt)，操作温度在500-750°C之间。尽管上述氨气裂解制氢路线看似美好，但要把它变成能够普及应用的技术仍需面 临以下挑战(1)当代合成氨工业仍以煤炭和天然气等化石资源为原料，存在不可持续性 问题。而且，虽然氨气本身不含碳，用氨气制氢时也不排放温室气体，但合成氨工业本身要 排放大量二氧化碳温室气体。因此，以煤炭和天然气等化石资源为原料生产的氨气从本质 上说是不清洁的；(2)常规热催化法分解氨气制氢虽然在技术上可行，但非贵金属催化剂 活性低反应温度高，而贵金属催化剂则资源稀缺。因此，用常规热催化法分解氨气制氢在应 用上局限性大。针对常规热催化法存在的问题，我们在中国发明专利(申请号200610200563. 0)
中提出用非平衡等离子体与催化剂相结合形成的等离子体催化技术来分解氨气制氢。其特 征是，氨分解反应在一个线筒式介质阻挡放电等离子体催化反应器中进行，将非贵金属催 化剂装于反应器内的放电区。结果表明，介质阻挡放电产生的等离子体能直接导致一部分 氨气在低温下分解。此外，安装在放电区的催化剂还能借助于放电过程中产生的电热使一 部分氨气通过常规热催化途径分解。不仅如此，安装在放电区的非贵金属与非平衡等离子 体之间存在协同催化效应，从而显著提高非贵金属催化剂热催化分解氨气的活性。等离子体是由电子，正负离子，自由基以及基态和激发态分子和原子等中性粒子 组成的非凝聚系统，是物质第四态。等离子体可分为高温等离子体和低温等离子体。低温 等离子体即非平衡等离子体，其电子的热力学温度一般高达数万度，而其它重粒子则接近常温。非平衡等离子体可利用其高能电子的非弹性碰撞使反应物分子在接近常温下激发、 电离、解离，从而引发自由基式化学反应。非平衡等离子体可用高压脉冲放电、介质阻挡放 电、射频放电和微波放电等常见方法产生。其中，介质阻挡放电因能在大气压甚至高于大气 压的条件下使用，放电反应器结构简单，不需要真空设备，因而实用方便。由于用非平衡等 离子体技术引发化学反应可使整个反应体系保持较低温度，降低了对设备的要求，节约能 源而且容易实现，所以近年来非平衡等离子体技术在环境保护、材料改性和制备等方面已 经得到了应用。有许多专利文献涉及非平衡等离子体技术在这些领域中的应用。如，欧洲发明专利(EP 0900591 B1)披露了一种用以生产臭氧、甲醇或合成气的等离 子体放电反应器，此发明采用板-板式结构，使用时在裸电极之间加入催化剂，或是在一侧 极板上覆盖一层阻挡介质后再加入催化剂。中国发明专利(申请号200710112312. 1)中披露了一种水为原料的低温等离子体 制氢方法。其主要特征是，把水蒸气送入非平衡等离子体发生装置内，用装置内形成的非平 衡等离子体来使水分子活化、分解，生成氢气和氧气。所述的非平衡等离子体采用平板电极 之间加入玻璃平板或玻璃夹套结构的介质阻挡放电。中国发明专利(申请号200820241118. 3)披露了一种放电等离子体废气处理反应 器，其特征是，它包括至少一个反应器单元，反应器单元包括上、下电极板，在上下极板之间 叠置有催化剂板，催化剂板的表面为催化剂活性成分层。在该发明中，催化剂板起阻挡介质 的作用，形成介质阻挡放电。中国发明专利(申请号02151229. 9申请号02151228. 0)披露了一种用于纤维表 面改性的常压低温等离子体处理装置。其特征在于该处理器主要由四部分组成一对可 冷却的平面放电电极，两电极间的两个平行介质阻挡板，两个反应气体导管，两个气体导流 板。在该发明中，两平板电极之间加入两个平行阻挡介质，产生稳定的介质阻挡放电。中国发明专利(申请号02116648. X)披露了一种多重等离子体发生装置。其特征 是，以中心线电极为高压极，平行板或筒式电极作为接地极并在线电极上缠绕绝缘包皮层 形成的线-板或线-筒式放电。在该发明中，绝缘包皮层充当介质，形成介质阻挡放电。中国发明专利(申请号02151299. X)披露了一种无介质低温等离子体加工食物装 置。其特征是，采用平板状金属和多根平行于平板状金属的线状金属丝作为正负电极。此 发明采用的是线-板式裸电极等离子放电，正负电极之间无介质。中国发明专利(申请号03137764. 5)披露了一种对空调通风管道中的空气进行净 化、杀菌、消毒的装置。其特征是，由不锈钢板构成的方形体，方形体内安装有活性氧发生器 和负离子发生器，活性氧发生器与负离子发生器之间设有高浓度活性氧区。活性氧发生器 在左、右边框架上设置有平板式正电极板和针状负电极板。高频、高压电源分别接至针状电 极板和平板式电极板形成高压放电产生电子束形成第一屏障，电击杀死病菌。该发明中为 无阻挡介质电晕放电。中国发明专利(申请号00819715. 6)披露了一种能够在常温和常压下容易和有效 地对如谷类和种子等杀菌对象均勻地杀菌，而不会使杀菌对象质量受损的杀菌装置及其方 法。其特征是，由多个针状电极组成的放电侧电极和与放电侧电极分开并由绝缘板覆盖表 面的平板电极组成的接地侧电极组成。在该发明中，针状电极和平板电极之间的放电在介 质阻挡下进行。
中国发明专利(申请号200610104653. X)披露了一种利用引入磁场的介质阻挡放 电等离子体去除空气中的有害气体的介质阻挡放电低温等离子体室内空气净化方法。其特 征是，反应电极采用针板电极，在板电极侧插入一介质板实现介质阻挡放电。中国发明专利(申请号200720149297. 3)中披露了一种处理挥发性有机废气的低 温等离子体反应器。其特征是，反应器的高压电极具有板式结构，上面设有多个进料喷嘴， 在高压极喷嘴和接地极板之间设阻挡介质，反应器壳体的两个侧面上设出气口。在该发明 中，高压极喷嘴和接地极板之间的放电在介质阻挡下进行。中国发明专利(申请号200510200418. 8)中披露了一种电晕放电脱除一氧化氮的方 法。其特征是，反应器的两个电极是喷嘴_板式结构，在喷嘴_平板电极之间不设阻挡介质。中国发明专利(申请号200410054044. 9)中披露了一种直流电晕放电烟气治理反 应器。其特征是，反应器呈长方体，两端设进出气口，内设多个电晕放电单元，每个单元设板 式高压电极和接地电极，两极板上设多个放电喷嘴，电极间不设阻挡介质。但是，迄今为止，仅有几篇公开文献涉及介质阻挡等放电下的氨气转化 研究，其兴趣在于用氨气等离子体脱除大气中的NOx气体[如PlaSma Process. Polym. 2(2005) 193-200]和氨分解机理[如InternationalJournal of Mass Spectrometry 233(2004) 19-24.]。尚未见到以制氢为目的的非平衡等离子体氨气分解研 允。另外，迄今为止，除我们的前期发明专利之外，只检索到以下两篇他人专利涉及等 离子体分解氨气制氢美国专利USP7037484 B1披露了一种裂解氨气或其它富氢气体制氢气的等离子体 反应器。其特征是，等离子体反应器的内部用电介质横膈膜分成两个腔，等离子体由微波发 生器产生，微波发生器通过天线向第一个腔中发射电磁能，电磁能穿过电介质隔膜在第二 个腔中产生等离子体放电，使注入第二个腔的氨气或者其它原料气分解产生氢气，反应器 中没有催化剂介入。该专利仅仅是提出设想，没有实施例。国际专利申请W02007119262 A2中披露了用液氨生产氢气和氮气的装置。其特 征是，反应器由三个反应腔体构成，氨气在前两个腔体中进行常规热催化分解，在第三个腔 体中进行微波等离子体分解。生成的氢气供给碱性燃料电池使用。该装置的工作温度在 250°C -950°C之间。此发明结构复杂，其中热分解氨气在很高温度下进行。在非平衡等离子体技术中，放电反应器的结构是影响高能电子能量分布，进而影 响非平衡等离子体效能的关键因素。就直接分解氨气而论，我们在前期发明中使用的线筒 式介质阻挡放电反应器的等离子体效能很低。板式放电反应器是非平衡等离子体技术中经 常采用的另一种反应器形式。板式放电反应器可分为板-板式、针-板式和管(喷嘴)_板 式反应器三种情况。板式反应器结构简单，容易加工，便于放大。但已经报道的板式放电反 应器或是两极间有阻挡介质，即用介质阻挡放电产生非平衡等离子体；或是两极间无阻挡 介质，即用电晕放电产生非平衡等离子体。前者耗电量大，效能低。后者放电剧烈但不稳定， 且放电区内常有光柱游移，辐射强，对周围电子设备干扰严重。

发明内容
本发明提供了一种用于氨分解制氢的板式等离子体反应器，提高非平衡等离子体直接分解氨气的效能。我们发现，使用带有阻挡介质的板式放电反应器，并在阻挡介质上开 孔，可以降低放电电压，限制放电区域，提高放电区的能量密度，进而提高非平衡等离子体 直接分解氨气的效能。本发明的技术方案如下
在高压电极和接地电极之间设置至少一个开孔的阻挡介质板。其与两电极的距离 可以任意调节。介质阻挡板将反应器分为两部分，为了便于反应器放大，在接地极一侧开设 氨气进料口，在高压极一侧开设裂解气出料口 ；阻挡介质板上的开孔既是放电通道，又是反 应物必经通道。板式反应器的高压电极和接地电极可以采取以下三种方式(1)板式反应器的高压电极和接地电极分别为两个金属板。将两个金属电极板平 行地固定在反应器的壳体内。两板间的垂直距离为极间距，在接地极一侧的反应器壁上开 设氨气进料口 ；在高压极一侧的反应器壁上开设裂解气出料口。(2)板式反应器的高压电极是一个金属板，而接地极是一个金属线。将作为高压极 的金属板和面心上垂直固定接地极金属线的金属板平行地固定在反应器的壳体内，接地金 属线端点到高压电极板的距离为极间距，在接地极一侧的反应器壁上开设氨气进料口 ；在 高压极一侧的反应器壁上开设裂解气出料口。(3)板式反应器的高压极是一个金属板，而接地极是一个金属管。将作为高压极的 金属板和面心上垂直固定接地极金属管的金属板平行地固定在反应器的壳体内。接地金属 管的管口到高压电极板的距离为极间距，为了便于反应器放大，也可以用接地金属管兼做 氨气进料口 ；在高压极一侧的反应器壁上开设裂解气出料口。以上三种情形，阻挡介质板与两电极的角度可任意调节而不会明显影响反应效 果；阻挡介质板的开孔位置与接地电极的金属板面心或接地极金属线(管)相对。上述反应器的两极间距可取0. 5-15毫米，优选4-8毫米；接地极金属线的直径或 金属管的外径范围为0. 5-20毫米，优选2-6毫米；阻挡介质板的开孔尺寸0. 5-30毫米，优 选2-8毫米。氨气进料口尺寸范围为0. 5-10毫米，优选2-6毫米；裂解气出料口尺寸范围 为0. 5-12毫米，优选2-8毫米。上述反应器的壳体用石英、硬质玻璃、氧化铝陶瓷、聚四氟乙烯等绝缘材料或符合 高压电绝缘设计的金属和非金属复合材料制成。金属电极板、接地极金属线(管)以及固 定接地电极的金属板和反应器壳体等使用金属材料的地方，用表面光洁、机械强度高、耐高 温且不与氨气的等离子体以及氨气分解产物(如氢气)发生化学反应的金属材料制成，优 选各种不锈钢材料。阻挡介质板用表面光洁、耐热、机械强度高且不与氨气的等离子体以及 氨气分解产物(如氢气)发生化学反应的绝缘材料制成，优选玻璃、石英、硬质玻璃、环氧树 月旨、云母或氧化铝陶瓷。反应器壳体的形状和尺寸可依实际需要确定，反应器的放大通过增 加上述反应器的并联个数实现。反应器壳体外覆盖保温材料。本发明反应器的性能可用以下方法测定首先，按照高压放电的通常要求将反应器的高压电极与交流电源连接，接地电极 与地线连接。然后，将液氨储罐经减压阀、调解阀和流量计与反应器的氨气进料口连接，反 应器的裂解气由出料口流出。接着，打开液氨储罐，使液氨经减压阀减压气化，其流量用调 节阀控制，由流量计指示。待氨气在反应器中达到流量稳定后，打开高压电源，逐步提高反应器的电压，直至反应器中产生稳定的放电。此时，可观察到高压电极与接地电极之间产生 流注等离子体放电。使放电在一定功率下约15分钟后开始用热导池气相色谱在线分析反 应产物中的氮气和未转化的氨气体积组成，用氮原子的归一化法计算氨气转化率。本发明的有益效果是阻挡介质板上开孔束缚了放电的范围，提高了非平衡等离 子体的电子能量密度，而且显著降低了加在反应器上的放电电压，提高了氨分解的能量效 率。同无阻挡介质的反应器相比，本发明的反应器放电更稳定，有害辐射少。同常规介质阻 挡反应器相比(指阻挡介质不开孔)，本发明的反应器(指阻挡介质开孔)放电电流密度提 高6-8倍。


图1是板-板式反应器结构示意图。图2是针-板式反应器结构示意图。图3是管-板式反应器结构示意图。图中1金属高压放电电极；2绝缘密封材料；3反应器壳体；4绝缘介质；5原料气 入口；6隔热保温材料；7金属接地电极；8接地线；9裂解气出口 ；10高压电源系统。
具体实施例方式以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。实施例1将无水液氨从储罐中经过减压阀引出，经过流量计和调解阀控制使氨气流速达到 40毫升/分，从进气口 5(图1)送入板式等离子体放电反应器。反应器的金属板放电电极 1和7采用普通不锈钢，直径50毫米，厚度3毫米，其与反应器壳体之间的绝缘密封2采用 聚四氟乙烯材料，两金属电极极间距4毫米，在两金属电极之间平行放置一块面心开孔3毫 米的绝缘阻挡介质板，绝缘介质选用石英材料，厚1毫米，与高压电极板和接地极板的距离 都为1. 5毫米。在接地极与阻挡介质板之间的反应器壁上开设氨气进料口，直径1. 5毫米； 在高压极与阻挡介质板之间的反应器壁上开设裂解气出料口，直径1. 5毫米。该反应器的 壳体3用聚四氟乙烯材料制成，外径70毫米，内径60毫米，放电区直径50毫米。壳体外的 隔热保温材料采用石棉。氨气由进料口 5进入反应器，通过阻挡介质上的开孔，再经由裂解 气出口 9流出反应器。待反应器中氨气流量稳定后，给高压电源系统10通电，然后通过高 压电源上的电压调节器、频率调节器和变压器，将交流高压逐步加载到反应器的金属板高 压放电电极1上，直至反应器的金属高压放电电极1通过绝缘阻挡介质4上的小孔与金属 板接地极7之间产生流注放电。将放电参数设定为变压器的初始电压60伏特，放电频率 13千赫兹。则高压电源功率达到18瓦，实际放电电压为4. 6千伏，反应稳定后反应器的温 度稳定在127°C，氨分解转化率达到43%。实施例2重复实施例1，但将放电参数设定为变压器的初始电压70伏特，放电频率13千 赫兹。则高压电源功率达到21瓦，实际放电电压为4. 9千伏，反应稳定后反应器的温度稳 定在139 °C，氨分解转化率达到47%。实施例3
重复实施例1，但将放电参数设定为变压器的初始电压80伏特，放电频率13千 赫兹。则高压电源功率达到24瓦，实际放电电压为5. 4千伏，反应稳定后反应器的温度稳 定在148°C，氨分解转化率达到52%。实施例4重复实施例1，但将放电参数设定为变压器的初始电压100伏特，放电频率13千 赫兹。则高压电源功率达到28瓦，实际放电电压为6. 0千伏，反应稳定后反应器的温度稳 定在213 °C，氨分解转化率达到56%。实施例5重复实施例1，但将进料氨气流量改为lOOml/min，将放电参数设定为变压器的 初始电压60伏特，放电频率13千赫兹。则高压电源功率达到18瓦，实际放电电压为4. 9 千伏，反应稳定后反应器的温度稳定在120°C，氨分解转化率达到19%。实施例6重复实施例5，但将放电参数设定为变压器的初始电压70伏特，放电频率13千 赫兹。则高压电源功率达到21瓦，实际放电电压为5. 3千伏，反应稳定后反应器的温度稳 定在135 °C，氨分解转化率达到24%。实施例7重复实施例5，但将放电参数设定为变压器的初始电压80伏特，放电频率13千 赫兹。则高压电源功率达到24瓦，实际放电电压为5. 9千伏，反应稳定后反应器的温度稳 定在142 °C，氨分解转化率达到27%。实施例8重复实施例5，但将放电参数设定为变压器的初始电压100伏特，放电频率13千 赫兹。则高压电源功率达到28瓦，实际放电电压为6. 4千伏，反应稳定后反应器的温度稳 定在202 °C，氨分解转化率达到30%。实施例9重复实施例1，但将高压极放电极板和接地极放电极板的极间距改为6毫米，绝缘 介质与高压电极板和接地极板的距离都变为2. 5毫米。将放电参数设定为变压器的初始 电压60伏特，放电频率13千赫兹。则高压电源功率达到19瓦，实际放电电压为5. 1千伏， 反应稳定后反应器的温度稳定在130°C，氨分解转化率达到45%。实施例10重复实施例9，但将放电参数设定为变压器的初始电压80伏特，放电频率13千 赫兹。则高压电源功率达到26瓦，实际放电电压为6. 2千伏，反应稳定后反应器的温度稳 定在156 °C，氨分解转化率达到55%。实施例11重复实施例1，但将高压极放电极板和接地极放电极板的极间距改为10毫米，绝 缘介质与高压电极板和接地极板的距离都变为4. 5毫米。将放电参数设定为变压器的初 始电压100伏特，放电频率13千赫兹。则高压电源功率达到32瓦，实际放电电压为7. O千 伏，反应稳定后反应器的温度稳定在186°C，氨分解转化率达到66%。实施例12
重复实施例1，但将高压极放电极板和接地极放电极板的极间距改为15毫米，绝缘介质与高压电极板和接地极板的距离都变为7毫米。将放电参数设定为变压器的初始 电压120伏特，放电频率13千赫兹。则高压电源功率达到43瓦，实际放电电压为7. 8千伏， 反应稳定后反应器的温度稳定在201°C，氨分解转化率达到71%。对比实施例1将无水液氨从储罐中经过减压阀引出，经过流量计和调解阀控制使氨气流速达到 40毫升/分，从进气口 5(图1)送入板式等离子体放电反应器。反应器的结构和参数与实 施例1相同，但将开孔介质改为完整介质，并放置在高压极金属板表面。氨气由进料口 5进 入反应器，置换反应器中的空气，由裂解气出口 9流出反应器。待反应器中氨气流量稳定 后，给高压电源系统10通电，然后通过高压电源上的电压调节器、频率调节器和变压器，将 交流高压逐步加载到反应器的金属板高压放电电极1上，直至反应器的金属高压放电电极 1与金属板接地极7之间产生介质阻挡放电(呈丝状放电)。将放电参数设定为变压器的 初始电压30伏特，放电频率13千赫兹。则高压电源功率达到36瓦，实际放电电压为9. 9 千伏，反应稳定后反应器的温度稳定在138°C，氨分解转化率达到4%。对比实施例2重复对比实施例1，但将放电参数设定为变压器的初始电压40伏特，放电频率13 千赫兹。则高压电源功率达到48瓦，实际放电电压为10. 5千伏，反应稳定后反应器的温度 稳定在171°C，氨分解转化率达到11%。对比实施例3重复对比实施例1，但将放电参数设定为变压器的初始电压50伏特，放电频率13 千赫兹。则高压电源功率达到57瓦，实际放电电压为11. 3千伏，反应稳定后反应器的温度 稳定在233°C，氨分解转化率达到17%。对比实施例4重复对比实施例1，但将放电参数设定为变压器的初始电压60伏特，放电频率13 千赫兹。则高压电源功率达到65瓦，实际放电电压为11. 9千伏，反应稳定后反应器的温度 稳定在298 °C，氨分解转化率达到20 %。对比实施例5重复对比实施例1，但将反应器中的完整介质由一块改为两块，分别放置在高压电 极板和接地电极板上。将放电参数设定为变压器的初始电压30伏特，放电频率13千赫 兹。则高压电源功率达到40瓦，实际放电电压为10. 7千伏，反应稳定后反应器的温度稳定 在166°C，氨分解转化率达到2%。对比实施例6重复对比实施例5，但将放电参数设定为变压器的初始电压40伏特，放电频率13 千赫兹。则高压电源功率达到52瓦，实际放电电压为11. 4千伏，反应稳定后反应器的温度 稳定在234°C，氨分解转化率达到6 %。对比实施例7重复对比实施例5，但将放电参数设定为变压器的初始电压50伏特，放电频率13 千赫兹。则高压电源功率达到63瓦，实际放电电压为11. 9千伏，反应稳定后反应器的温度 稳定在300°C，氨分解转化率达到15%。对比实施例8
重复对比实施例5，但将放电参数设定为变压器的初始电压60伏特，放电频率13 千赫兹。则高压电源功率达到72瓦，实际放电电压为12. 8千伏，反应稳定后反应器的温度 稳定在370°C，氨分解转化率达到19%。对比实施例9将无水液氨从储罐中经过减压阀引出，经过流量计和调解阀控制使氨气流速达到 40毫升/分，从进气口 5(图1)送入板式等离子体放电反应器。反应器的结构和参数与实 施例1相同，但是在高压极金属板和接地极金属板之间没有任何介质。氨气由进料口 5进 入反应器，置换反应器中的空气，经由裂解气出口 9流出反应器。待反应器中氨气流量稳定 后，给高压电源系统10通电，然后通过高压电源上的电压调节器、频率调节器和变压器，将 交流高压逐步加载到反应器的金属板高压放电电极1上，直至反应器的金属高压放电电极 直接与金属板接地极7之间产生所说的流注放电。放电很难引发，极不稳定，在金属板之间 产生游移的光柱，很容易在放电区边缘处湮灭。实施例13将无水液氨从储罐中经过减压阀引出，经过流量计和调解阀控制使氨气流速达到 40毫升/分，从进料口 5(图2)送入板式等离子体放电反应器。反应器的金属板高压放电 电极1采用普通不锈钢，直径50毫米，厚度3毫米，其与反应器壳体之间的绝缘密封2采用 聚四氟乙烯材料。面心垂直固定金属线接地电极的金属板直径50毫米，厚度3毫米，用聚 四氟乙烯材料固定在反应器壳体内部。金属线直径3毫米，伸出金属板1毫米并形成尖端， 其尖端与高压金属电极极间距4毫米，在两金属电极之间平行放置一块面心开孔3毫米的 绝缘阻挡介质板，绝缘介质选用石英材料，厚1毫米，与高压电极板和接地极板的距离都为 2毫米。在接地极与阻挡介质板之间的反应器壁上开设氨气进料口，直径2毫米；在高压极 与阻挡介质板之间的反应器壁上开设裂解气出料口，直径2毫米。该反应器的壳体3用聚 四氟乙烯材料制成，外径70毫米，内径60毫米，放电区直径50毫米。壳体外的隔热保温材 料采用石棉。氨气由进料口 5进入反应器，通过阻挡介质上的开孔，再经由裂解气出口 9流 出反应器。待反应器中氨气流量稳定后，给高压电源系统10通电，然后通过高压电源上的 电压调节器、频率调节器和变压器，将交流高压逐步加载到反应器的金属板高压放电电极1 上，直至反应器的金属高压放电电极1通过绝缘介质4上的小孔与接地极金属线7尖端之 间产生所说的流注放电。将放电参数设定为变压器的初始电压70伏特，放电频率13千赫 兹。则高压电源功率达到21瓦，实际放电电压为3. 2千伏，反应稳定后反应器的温度稳定 在106°C，氨分解转化率达到24%。实施例14重复实施例13，但将放电参数设定为变压器的初始电压80伏特，放电频率13千 赫兹。则高压电源功率达到24瓦，实际放电电压为3. 5千伏，反应稳定后反应器的温度稳 定在138 °C，氨分解转化率达到27%。实施例15重复实施例13，但将放电参数设定为变压器的初始电压90伏特，放电频率13千 赫兹。则高压电源功率达到27瓦，实际放电电压为3. 9千伏，反应稳定后反应器的温度稳 定在156°C，氨分解转化率达到31 %。实施例16
重复实施例13，但将放电参数设定为变压器的初始电压100伏特，放电频率13 千赫兹。则高压电源功率达到29瓦，实际放电电压为3. 9千伏，反应稳定后反应器的温度 稳定在213 °C，氨分解转化率达到37%。实施例17重复实施例13，但将进料氨气流量改为lOOml/min。将放电参数设定为变压器的 初始电压70伏特，放电频率13千赫兹。则高压电源功率达到20瓦，实际放电电压为3. 4 千伏，反应稳定后反应器的温度稳定在100°C，氨分解转化率达到14%。实施例18重复实施例17，但将放电参数设定为变压器的初始电压80伏特，放电频率13千 赫兹。则高压电源功率达到24瓦，实际放电电压为3. 7千伏，反应稳定后反应器的温度稳 定在121°C，氨分解转化率达到16%。实施例19重复实施例17，但将放电参数设定为变压器的初始电压90伏特，放电频率13千 赫兹。则高压电源功率达到26瓦，实际放电电压为3. 8千伏，反应稳定后反应器的温度稳 定在161°C，氨分解转化率达到19%。实施例20重复实施例17，但将放电参数设定为变压器的初始电压100伏特，放电频率13 千赫兹。则高压电源功率达到30瓦，实际放电电压为3. 9千伏，反应稳定后反应器的温度 稳定在200°C，氨分解转化率达到21 %。实施例21重复实施例13，但将接地极金属线尖端和高压极放电极板之间的距离由4毫米改 为6毫米，绝缘介质与高压电极板和接地极板的距离都变为3毫米。将放电参数设定为变 压器的初始电压80伏特，放电频率13千赫兹。则高压电源功率达到26瓦，实际放电电压 为3. 8千伏，反应稳定后反应器的温度稳定在134°C，氨分解转化率达到35%。实施例22重复实施例21，但将放电参数设定为变压器的初始电压100伏特，放电频率13 千赫兹。则高压电源功率达到32瓦，实际放电电压为4. 3千伏，反应稳定后反应器的温度 稳定在182°C，氨分解转化率达到41 %。实施例23重复实施例13，但将接地极金属线尖端和高压极放电极板之间的距离由4毫米改 为10毫米，绝缘介质与高压电极板和接地极板的距离都变为5毫米。将放电参数设定为 变压器的初始电压100伏特，放电频率13千赫兹。则高压电源功率达到40瓦，实际放电电 压为4. 4千伏，反应稳定后反应器的温度稳定在214°C，氨分解转化率达到51%。实施例24重复实施例13，但将接地极金属线尖端和高压极放电极板之间的距离由4毫米改 为15毫米，绝缘介质与高压电极板和接地极板的距离都变为7. 5毫米。将放电参数设定为 变压器的初始电压120伏特，放电频率13千赫兹。则高压电源功率达到41瓦，实际放电电 压为4. 9千伏，反应稳定后反应器的温度稳定在236°C，氨分解转化率达到62%。对比实施例10
将无水液氨从储罐中经过减压阀引出，经过流量计和调解阀控制使氨气流速达到 40毫升/分，从进料口 5(图2)送入板式等离子体放电反应器。该反应器的结构和特征参 数与实施例13相同，但将开孔介质改为完整介质，并放置在高压极板表面。氨气由进料口 5进入反应器，通过阻挡介质上的开孔，再经由裂解气出口 9流出反应器。待反应器中氨气 流量稳定后，给高压电源系统10通电，然后通过高压电源上的电压调节器、频率调节器和 变压器，将交流高压逐步加载到反应器的金属板高压放电电极1上，直至反应器的金属高 压放电电极1通与接地极金属线7尖端之间产生圆锥体形状介质阻挡等离子放电通道。将 放电参数设定为变压器的初始电压30伏特，放电频率13千赫兹。则高压电源功率达到 27瓦，实际放电电压为9. 8千伏，反应稳定后反应器的温度稳定在114°C，氨分解转化率达 至丨」4%。对比实施例11重复对比实施例10，但将放电参数设定为变压器的初始电压35伏特，放电频率 13千赫兹。则高压电源功率达到35瓦，实际放电电压为10. 4千伏，反应稳定后反应器的温 度稳定在245°C，氨分解转化率达到10%。对比实施例12
重复对比实施例10，但将放电参数设定为变压器的初始电压40伏特，放电频率 13千赫兹。则高压电源功率达到42瓦，实际放电电压为11.0千伏，反应稳定后反应器的温 度稳定在321°C，氨分解转化率达到15%。对比实施例13重复对比实施例10，但将放电参数设定为变压器的初始电压45伏特，放电频率 13千赫兹。则高压电源功率达到48瓦，实际放电电压为11. 6千伏，反应稳定后反应器的温 度稳定在379°C，氨分解转化率达到19%。对比实施例14将无水液氨从储罐中经过减压阀引出，经过流量计和调解阀控制使氨气流速达到 40毫升/分，从进料口 5(图2)送入板式等离子体放电反应器。该反应器的结构和特征参 数与实施例13相同，但是在高压极金属板和接地极金属板之间没有任何介质。氨气由进料 口 5进入反应器，置换反应器中的空气，经由裂解气出口 9流出反应器。待反应器中氨气流 量稳定后，给高压电源系统10通电，然后通过高压电源上的电压调节器、频率调节器和变 压器，将交流高压逐步加载到反应器的金属板高压放电电极1上，直至反应器的金属高压 放电电极1直接与接地极金属线7尖端之间产生不稳定的电晕放电，对周围用电设备会产 生强烈辐射，干扰其正常运行。将放电参数设定为变压器的初始电压70伏特，放电频率13 千赫兹。则高压电源功率达到21瓦，实际放电电压为3. 2千伏，反应稳定后反应器的温度 稳定在100°C，氨分解转化率达到18%。对比实施例15重复对比实施例14，但将放电参数设定为变压器的初始电压80伏特，放电频率 13千赫兹。则高压电源功率达到24瓦，实际放电电压为3. 5千伏，反应稳定后反应器的温 度稳定在134°C，氨分解转化率达到23%。对比实施例16重复对比实施例14，但将放电参数设定为变压器的初始电压90伏特，放电频率13千赫兹。则高压电源功率达到27瓦，实际放电电压为3. 7千伏，反应稳定后反应器的温 度稳定在150°C，氨分解转化率达到25%。对比实施例17重复对比实施例14，但将放电参数设定为变压器的初始电压100伏特，放电频率 13千赫兹。则高压电源功率达到28瓦，实际放电电压为3. 8千伏，反应稳定后反应器的温 度稳定在208 °C，氨分解转化率达到33%。实施例25将无水液氨从储罐中经过减压阀引出，经过流量计和调解阀控制使氨气流速达到 40毫升/分，从进料口 5(图3)送入板式等离子体放电反应器。反应器的金属板高压放电 电极1采用普通不锈钢，直径50毫米，厚度3毫米，其与反应器壳体之间的绝缘密封2采用 聚四氟乙烯材料。面心垂直固定接地金属管电极的金属板直径50毫米，厚度3毫米，用聚四 氟乙烯材料固定在反应器壳体内部，金属管由不锈钢材料制成，管外径3毫米，内径2毫米。 金属管伸出金属板1毫米，管口与高压金属电极极间距4毫米，在两金属电极之间平行放置 一块面心开孔3毫米的绝缘阻挡介质板，绝缘介质选用石英材料，厚1毫米，与高压电极板 和接地极板的距离都为2毫米。以接地极金属管为氨气进料口 ；在高压极与阻挡介质板之 间的反应器壁上开设裂解气出料口，直径2毫米。该反应器的壳体3用聚四氟乙烯材料制 成，外径70毫米，内径60毫米，放电区直径50毫米。壳体外的隔热保温材料采用石棉。氨 气由进料口 5进入反应器，通过阻挡介质上的开孔，再经由裂解气出口 9流出反应器。待反 应器中氨气流量稳定后，给高压电源系统10通电，然后通过高压电源上的电压调节器、频 率调节器和变压器，将交流高压逐步加载到反应器的金属板高压放电电极1上，直至反应 器的金属高压放电电极1通过绝缘介质4上的小孔与接地极金属管7管口之间产生所说的 流注放电。将放电参数设定为变压器的初始电压70伏特，放电频率13千赫兹。则高压电 源功率达到22瓦，实际放电电压为2. 9千伏，反应稳定后反应器的温度稳定在120°C，氨分 解转化率达到54%。实施例26重复实施例25，但将放电参数设定为变压器的初始电压80伏特，放电频率13千 赫兹。则高压电源功率达到26瓦，实际放电电压为3. 2千伏，反应稳定后反应器的温度稳 定在144°C，氨分解转化率达到59%。实施例27重复实施例25，但将放电参数设定为变压器的初始电压90伏特，放电频率13千 赫兹。则高压电源功率达到33瓦，实际放电电压为3. 5千伏，反应稳定后反应器的温度稳 定在164°C，氨分解转化率达到71%。实施例28重复实施例25，但将放电参数设定为变压器的初始电压130伏特，放电频率13 千赫兹。则高压电源功率达到45瓦，实际放电电压为3. 9千伏，反应稳定后反应器的温度 稳定在262 °C，氨分解转化率达到79%。实施例29重复实施例25，但将接地极金属管改为外径6毫米，内径4毫米。将放电参数设定 为变压器的初始电压70伏特，放电频率13千赫兹。则高压电源功率达到20瓦，实际放电电压为2. 9千伏，反应稳定后反应器的温度稳定在100°C，氨分解转化率达到38%。实施例30重复实施例29，但将放电参数设定为变压器的初始电压80伏特，放电频率13千 赫兹。则高压电源功率达到23瓦，实际放电电压为3. 2千伏，反应稳定后反应器的温度稳 定在125 °C，氨分解转化率达到46%。实施例31重复实施例29，但将放电参数设定为变压器的初始电压90伏特，放电频率13千 赫兹。则高压电源功率达到30瓦，实际放电电压为3. 5千伏，反应稳定后反应器的温度稳 定在160°C，氨分解转化率达到54%。实施例32重复实施例29，但将放电参数设定为变压器的初始电压130伏特，放电频率13 千赫兹。则高压电源功率达到43瓦，实际放电电压为3. 9千伏，反应稳定后反应器的温度 稳定在248°C，氨分解转化率达到70 %。实施例33重复实施例25，但将进料氨气流量改为lOOml/min。将放电参数设定为变压器的 初始电压70伏特，放电频率13千赫兹。则高压电源功率达到21瓦，实际放电电压为2. 9 千伏，反应稳定后反应器的温度稳定在110°C，氨分解转化率达到23%。实施例34重复实施例33，但将放电参数设定为变压器的初始电压80伏特，放电频率13千 赫兹。则高压电源功率达到24瓦，实际放电电压为3. 3千伏，反应稳定后反应器的温度稳 定在124°C，氨分解转化率达到26%。实施例35重复实施例33，但将放电参数设定为变压器的初始电压90伏特，放电频率13千 赫兹。则高压电源功率达到28瓦，实际放电电压为3. 6千伏，反应稳定后反应器的温度稳 定在160°C，氨分解转化率达到31 %。实施例36重复实施例33，但将放电参数设定为变压器的初始电压130伏特，放电频率13 千赫兹。则高压电源功率达到42瓦，实际放电电压为3. 9千伏，反应稳定后反应器的温度 稳定在246 °C，氨分解转化率达到38 %。实施例37重复实施例25，但将接地极金属管管口和高压极放电极板之间的距离由4毫米改 为6毫米，绝缘介质与高压电极板和接地极板的距离都变为3毫米。将放电参数设定为变 压器的初始电压70伏特，放电频率13千赫兹。则高压电源功率达到24瓦，实际放电电压 为3. O千伏，反应稳定后反应器的温度稳定在125°C，氨分解转化率达到57%。实施例38重复实施例37，但将放电参数设定为变压器的初始电压90伏特，放电频率13千 赫兹。则高压电源功率达到34瓦，实际放电电压为3. 8千伏，反应稳定后反应器的温度稳 定在168 °C，氨分解转化率达到73%。
实施例39
重复实施例25，但将接地极金属管管口和高压极放电极板之间的距离由4毫米改为10毫米，绝缘介质与高压电极板和接地极板的距离都变为5毫米。将放电参数设定为 变压器的初始电压100伏特，放电频率13千赫兹。则高压电源功率达到42瓦，实际放电电 压为4. 9千伏，反应稳定后反应器的温度稳定在188°C，氨分解转化率达到72%。实施例40重复实施例25，但将接地极金属管管口和高压极放电极板之间的距离由4毫米改 为15毫米，绝缘介质与高压电极板和接地极板的距离都变为7. 5毫米。将放电参数设定为 变压器的初始电压120伏特，放电频率13千赫兹。则高压电源功率达到48瓦，实际放电电 压为5. 6千伏，反应稳定后反应器的温度稳定在284°C，氨分解转化率达到79%。对比实施例18将无水液氨从储罐中经过减压阀引出，经过流量计和调解阀控制使氨气流速达到 40毫升/分，从进料口 5 (图3)送入板式等离子体放电反应器。该反应器的结构和特征参数 与实施例25相同，但将开孔介质改为完整介质，并放置在高压极金属板表面。氨气由进料 口 5进入反应器，置换反应器中的空气，经由裂解气出口 9流出反应器。待反应器中氨气流 量稳定后，给高压电源系统10通电，然后通过高压电源上的电压调节器、频率调节器和变 压器，将交流高压逐步加载到反应器的金属板高压放电电极1上，直至反应器的金属管接 地极7管口与高压金属板放电电极1上覆盖的绝缘介质4之间产生圆台体形状介质阻挡等 离子放电通道。将放电参数设定为变压器的初始电压25伏特，放电频率13千赫兹。则高 压电源功率达到27瓦，实际放电电压为9. 9千伏，反应稳定后反应器的温度稳定在114°C， 氨分解转化率达到9%。对比实施例19重复对比实施例18，但将放电参数设定为变压器的初始电压30伏特，放电频率 13千赫兹。则高压电源功率达到36瓦，实际放电电压为10. 8千伏，反应稳定后反应器的温 度稳定在245°C，氨分解转化率达到14%。对比实施例20重复对比实施例18，但将放电参数设定为变压器的初始电压35伏特，放电频率 13千赫兹。则高压电源功率达到43瓦，实际放电电压为11. 1千伏，反应稳定后反应器的温 度稳定在321°C，氨分解转化率达到21%。对比实施例21重复对比实施例18，但将放电参数设定为变压器的初始电压40伏特，放电频率 13千赫兹。则高压电源功率达到50瓦，实际放电电压为11. 9千伏，反应稳定后反应器的温 度稳定在359 °C，氨分解转化率达到27%。对比实施例22将无水液氨从储罐中经过减压阀引出，经过流量计和调解阀控制使氨气流速达到 40毫升/分，从进料口 5(图3)送入板式等离子体放电反应器。该反应器的结构和特征参 数与实施例25相同，但在高压极金属板和接地极金属管管口之间没有任何阻挡介质。氨气 由进料口 5进入反应器，置换反应器中的空气，经由裂解气出口 9流出反应器。待反应器中 氨气流量稳定后，给高压电源系统10通电，然后通过高压电源上的电压调节器、频率调节 器和变压器，将交流高压逐步加载到反应器的金属板高压放电电极1上，直至反应器的金属管接地极7管口与高压金属板放电电极1直接产生不稳定的电晕放电，对周围用电设备 会产生强烈辐射，干扰其正常运行。将放电参数设定为变压器的初始电压70伏特，放电频 率13千赫兹。则高压电源功率达到21瓦，实际放电电压为2. 8千伏，反应稳定后反应器的 温度稳定在117°C，氨分解转化率达到50 %。对比实施例23
重复对比实施例22，但将放电参数设定为变压器的初始电压80伏特，放电频率 13千赫兹。则高压电源功率达到24瓦，实际放电电压为3. 2千伏，反应稳定后反应器的温 度稳定在141°C，氨分解转化率达到54%。对比实施例24重复对比实施例22，但将放电参数设定为变压器的初始电压90伏特，放电频率 13千赫兹。则高压电源功率达到32瓦，实际放电电压为3. 5千伏，反应稳定后反应器的温 度稳定在153°C，氨分解转化率达到66%。对比实施例25重复对比实施例22，但将放电参数设定为变压器的初始电压130伏特，放电频率 13千赫兹。则高压电源功率达到44瓦，实际放电电压为3. 9千伏，反应稳定后反应器的温 度稳定在247 °C，氨分解转化率达到71%。对比实施例26将无水液氨从储罐中经过减压阀引出，并经过流量计和调解阀控制使流速达到40 毫升/分，从氨气入口送入介质阻挡放电等离子体反应器，该反应器的结构尺寸和材质见 我们的前期专利CN200610200563. 0，反应器中不装任何催化剂。用进料氨气置换反应器中 的空气，被置换的气体从裂解气出口排出。给高压电源系统通电，然后通过高压电源上的 电压调节器、频率调节器和变压器，将交流高压逐步加载到反应器的金属高压放电电极上， 直至反应器的金属高压放电电极与金属接地极之间在阻挡介质存在下产生所说的介质阻 挡放电(呈丝状放电)。将放电参数设定为变压器的初始电压38伏特，放电频率12千赫 兹。则高压电源功率达到11瓦，实际放电电压为9. 4千伏，反应稳定后反应器的温度稳定 在381°C，氨分解转化率达到2 %。对比实施例27重复对比实施例26，但将放电参数设定为变压器的初始电压41伏特，放电频率 12千赫兹。则高压电源功率达到25瓦，实际放电电压为10. 3千伏，反应稳定后反应器的温 度稳定在409°C，氨分解转化率达到9%。对比实施例28重复对比实施例26，但将放电参数设定为变压器的初始电压44伏特，放电频率 12千赫兹。则高压电源功率达到30瓦，实际放电电压为11. 1千伏，反应稳定后反应器的温 度稳定在466°C，氨分解转化率达到10%。对比实施例29重复对比实施例26，但将放电参数设定为变压器的初始电压48伏特，放电频率 12千赫兹。则高压电源功率达到41瓦，实际放电电压为11. 9千伏，反应稳定后反应器的温 度稳定在472°C，氨分解转化率达到15%。对比实施例30
重复对比实施例26，但将放电参数设定为变压器的初始电压51伏特，放电频率12千赫兹。则高压电源功率达到48瓦，实际放电电压为12. 8千伏，反应稳定后反应器的温 度稳定在504°C，氨分解转化率达到18%。
权利要求
一种用于氨分解制氢的板式等离子体反应器，氨分解反应在具有开孔阻挡介质板的板式等离子体放电反应器中进行；其特征在于，在板式等离子体反应器的高压电极和接地电极之间设置至少一个开孔的阻挡介质板，其与两电极的距离任意调节；介质阻挡板将反应器分为两部分，在接地极一侧开设氨气进料口，在高压极一侧开设裂解气出料口；阻挡介质板上的开孔既是放电通道，又是反应物必经通道。
2.根据权利要求1所述的一种用于氨分解制氢的板式等离子体反应器，其特征还在于 板式反应器的高压电极和接地电极采取以下三种方式(1)板式反应器的高压电极和接地电极分别为两个金属板，将两个金属电极板平行地 固定在反应器的壳体内，两板间的垂直距离为极间距；在接地极一侧的反应器壁上开设氨 气进料口，在高压极一侧的反应器壁上开设裂解气出料口 ；阻挡介质板的开孔位置与接地 电极的金属板面心相对；(2)板式反应器的高压电极是一个金属板，而接地电极是一个金属线；将作为高压电 极的金属板和面心上垂直固定接地电极金属线的金属板平行地固定在反应器的壳体内，接 地金属线端点到高压电极板的距离为极间距；在接地极一侧的反应器壁上开设氨气进料 口，在高压极一侧的反应器壁上开设裂解气出料口 ；阻挡介质板的开孔位置与接地电极金 属线相对；(3)板式反应器的高压电极是一个金属板，而接地电极是一个金属管；将作为高压电 极的金属板和面心上垂直固定接地电极金属管的金属板平行地固定在反应器的壳体内，接 地金属管管口到高压电极板的距离为极间距；接地极金属管兼做氨气进料口 ；在高压极一 侧的反应器壁上开设裂解气出料口 ；阻挡介质板的开孔位置与接地电极金属管相对。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于氨分解制氢的板式等离子体反应器，其特征还 在于上述反应器的两极间距取0. 5-15毫米；接地极金属线的直径或金属管的外径范围为 0. 5-20毫米；阻挡介质板的开孔尺寸0. 5-30毫米；氨气进料口尺寸范围为0. 5-10毫米；裂 解气出料口尺寸范围为0. 5-12毫米。
4.根据权利要求3所述的一种用于氨分解制氢的板式等离子体反应器，其特征还在 于，上述反应器的两极间距取4-8毫米；接地极金属线的直径或金属管的外径范围为2-6毫 米；阻挡介质板的开孔尺寸选2-8毫米；氨气进料口尺寸范围为2-6毫米；裂解气出料口尺 寸范围为2-8毫米。
5.根据权利要求1或2所述的一种用于氨分解制氢的板式等离子体反应器，其特征还 在于，上述板式等离子体反应器的壳体用绝缘材料或符合高压电绝缘设计的金属和非金属 复合材料制成；板式等离子体反应器使用金属材料的地方，用表面光洁、机械强度高、耐高 温且不与氨气的等离子体以及氨气分解产物发生化学反应的金属材料制成；阻挡介质板用 表面光洁、耐热、机械强度高且不与氨气的等离子体以及氨气分解产物发生化学反应的绝 缘材料制成；反应器壳体外覆盖保温材料。
6.根据权利要求5所述的一种用于氨分解制氢的板式等离子体反应器，其特征还在 于，板式等离子体反应器壳体用石英、硬质玻璃、氧化铝陶瓷、聚四氟乙烯；使用金属材料的 地方用不锈钢材料；阻挡介质板用玻璃、石英、硬质玻璃、环氧树脂、云母或氧化铝陶瓷。
全文摘要
本发明属于等离子体化学和氢能技术领域，涉及到一种用于氨分解制氢的板式等离子体放电反应器。其特征在于，该等离子体反应器为根据接地极的不同分为板-板式、针-板式和管-板式，反应器的高压电极和接地电极之间设有绝缘阻挡介质，并在阻挡介质上开孔，高压电极板与接地金属电极通过阻挡介质上的开孔产生等离子体放电，使氨气在放电区被分解为氢气和氮气，阻挡介质开孔既是放电通道，又是反应物必经通道。本发明的有益效果是通过带有开孔阻挡介质的板式放电反应器，降低了放电电压，限制了放电区域，提高了放电区的能量密度，进而提高非平衡等离子体直接分解氨气的效能。
文档编号B01J19/08GK101863455SQ20101016589
公开日2010年10月20日 申请日期2010年5月7日 优先权日2010年5月7日
发明者宫为民, 王丽, 赵越, 郭洪臣 申请人:大连理工大学