一种旋转电极放电反应器及其用于甲烷或乙烯转化的制作方法

本发明涉及一种旋转电极放电反应器及其用于甲烷或乙烯转化，属于气体放电等离子体化学反应和环境化工技术领域。

背景技术：

甲烷是天然气和沼气的主要成分，也产生于许多工业和废水处理等厌氧过程，是一种可再生的清洁能源，也是一种化工原料。从环保的角度来看，甲烷是一种温室气体，是京都全球温暖化议定书规制排放的气体之一。如何经济合理地利用丰富的甲烷资源日益受到重视。

由气体放电产生的非平衡等离子体(nonthermalplasma)作为一种促进化学反应的方法，开始应用于甲烷的改性，研究结果表明在气体放电非平衡等离子体作用下，甲烷能有效地被转化氢气、各种烃类和低价醇类。但是由于非平衡等离子体持续时间极端，甲烷转化率不高，产物选择性不好，同时能耗高，特别是脉冲放电虽然是一种非常有效的等离子体的产生方式，但是由于脉冲电源的产生和控制技术要求高，因而难以在工业中大规模应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种旋转电极放电反应器及其用于甲烷或乙烯转化。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明所述的一种旋转电极放电反应器，其特征在于：所述的放电反应器包括中空的壳体和所述壳体内的放电反应区，所述的壳体内为中空的长方体，所述的壳体上设有气体入口和气体出口，所述的长方体内部构成气体通道，所述的气体通道内沿气流方向的中心轴为对称安装有若干齿形圆柱电极，所述的齿形圆柱电极在气体通道内呈均匀分布，相互对称的齿形圆柱电极之间在所述中心轴位置设有圆棒放电电极，所述相互对称的齿形圆柱电极与所述的圆棒放电电极布置在同一平面上，所述的圆棒放电电极与所述的高压电源连接，所述齿形圆柱电极与电机轴连接并接地，所述的反应器整体呈气密闭。

进一步，本发明所述电极的材料包括不锈钢、钛、锆、钽、钨、铅或合金及相关导电材料，所述材料的气体放电性能大体相当。

进一步，本发明所述放电电极与接地电极板之间距离的变化频率可视需要调节，无特殊要求，所述电机的转速优选为50～300转/分。

本发明所述电极的供电方式一般为直流(含高频脉冲)，也可以是交流和脉冲，其中以采用直流电源的成本最低，实施例中以施加直流电为例说明。其中直流供电电压一般为正1kv以上，或负－1kv以下，优选±10kv～±150kv，正电压和负电压的效果大体相当，正电压稍好一些；脉冲重复频率一般为1hz以上，优选10hz～500hz，频率增加，输入能量增加，甲烷的转化率提高，脉冲重复频率为500hz以上时，实际效果提高幅度不太，交流供电的电压一般为1kv以上，优选10kv～150kv，频率一般为1hz以上，优选10hz～1000hz，频率为1000hz以上时，实际效果提高幅度不太。电极施加电压与电极间距有关，电极间距离越大，施加电压可越高，一般电极距离每增加10mm，电压可增加5kv～10kv，电压高能量释放大，甲烷的转化率高，电极对越多，输入功率越大，去除效果越好。

再进一步，本发明所述的反应器应用于甲烷或乙烯的转化。

更进一步，所述的应用为：对所述的放电电极施加高电压，在电机的作用下带动齿形圆柱电极转动，从所述的反应器一端的气体入口通入待处理的气体、反应气体及载体的混合气体经过所述的电极对之间的放电反应区时，当所述的齿形圆柱电极与所述的圆棒放电电极之间的空间距离缩短到气体瞬间被电离时，形成由高能电子、原子和自由基等组成的气体放电区，气流中的待处理的气体与反应气体发生等离子体化学反应，得到所需产物的气流通过设置在反应器另一端的气体出口排出，从而达到待处理的气体转化的目的；所述待处理的气体为甲烷或乙烯；所述的反应气体为氯气、氟气、氧气、氢气、二氧化硫或氮氧化物；所述的载气为氮气、氩气或氦气。

本发明被处理气体在放电等离子体区的停留时间一般为0.2s以上，停留时间越长，效果越好，优选3s～120s，超过120s，降解效果提高幅度变小。

与现有技术相比，本发明的优点是：本发明所述的气体放电反应器通过放电电极与接地电极之间距离变化，实现气体的瞬间电离放电，使甲烷或乙烯转化，可采用直流电源替代了高压脉冲电源，克服了高压脉冲电源的技术难度高、可靠性差的缺点，从而提高了反应器的能源利用效率和经济性。

附图说明

图1为本发明所述的接地电极旋转的放电反应器结构示意图；

图2为本发明所述的接地电极旋转的放电反应器结构剖面图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

图中：1气体入口；2高压电源连接线；3电机；4圆棒放电电极；5齿形圆柱电极；6气体出口；7密封板。

实施例1：本发明所述的接地电极旋转的气体放电反应反应器如图1和图2所示。结构参数：反应器长约450mm，气体放电区有效长度约250mm，宽约120mm，高约220mm，整体密封，漏风量小于1％。气体流道两侧各有4个均匀分布的φ50×250(高)齿形圆柱(八个齿条，均布)电极，所述的齿形圆柱电极5外设密封板7使得所述的放电反应器整体呈气密闭，所述齿形圆柱电极5与电机3轴连接并接地，在电机3带动下旋转，通过调整齿形圆柱电极5转速调整气体放电频率，相邻两组电极距离约为80mm，通道中心线上内共有4组φ5×250(高)的圆棒放电电极4，与齿形圆柱电极5一对一对称分布，电极材质均为不锈钢，放电电极表面为合金钢。

处理工艺流程是把甲烷和反应气体按一定比例配比的气流通过气体入口1导入所述反应反应器，把高压电源连接线2与圆棒放电电极4连接，把所述反应器的气体流道两侧内衬圆棒放电电极4和齿形圆柱电极5接地，把电机3通电后，电机带动齿形圆柱电极5旋转，当所述的距离最近时，所述圆棒放电电极4和齿形圆柱电极5之间的气体瞬间被电离，形成由高能电子、原子和自由基等组成的气体放电区，从所述的气体入口1导入的甲烷和反应气体的气流经过所述的放电反应区时，发生等离子体化学反应，得到所需产物的气流通过设置在反应器另一端的气体出口6排出。

实验条件为：

甲烷40％，氧气30％，载气为氩气，(均为体积比)

气体流量约为：3m³/h，气体温度为常温。

电机转速：约100转/分。

电源参数：电极供电方式为直流电源，直流电压约35kv，电源功率约100w。

实验结果得到甲烷的主要转化产物为甲醇。转化率约为4％。

实施例2：实验装置和处理工艺参数同实施例1，实验条件为：

乙烯40％，氧气30％，载气为氩气，(均为体积比)

气体流量约为：2m³/h，气体温度为常温。

电机转速：约100转/分。

电源参数：电极供电方式为直流电源，直流电压约35kv，电源功率约100w。实验结果得到甲烷的主要转化产物为乙醇。转化率约为6％。

应该说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，本发明的保护范围不限于此。对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中的部分技术特征进行任何等同替换、修改、变化和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。