专利名称：等离子体与化学催化复合重整制备富氢燃气的方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及碳氢燃料重整技术，具体地指一种等离子体与化学催化复合重整制备富氢燃气的方法及设备。
背景技术：
目前，利用碳氢燃料制取富氢燃气的方法主要有化学催化法和等离子体重整法。 化学催化法重整制氢是在催化剂的作用下，使碳氢燃料经过化学反应后变为氢气，它包括有水蒸气重整、部分氧化重整和自热重整。水蒸气重整法比较成熟，制取的氢气含量高，是目前最常用的一种重整制氢方式。 采用这种方法，将燃料与水蒸气混合后进入重整器，在高温和催化剂的作用下发生重整反应产生氢气。但这种反应为吸热反应，所需热量由部分燃料在外部燃烧产生，需要外部供热才能维持重整反应的进行；在整个系统中，参与燃烧反应的燃料大约占总燃料的25%，能量利用率较低；同时化学催化重整反应的响应时间比较长，催化剂容易中毒。部分氧化重整利用燃料在氧气不足的情况下发生氧化还原反应，生产一氧化碳和氢气。该反应是放热反应，因而不需要外来的热源供给。但是此方法需要在反应前除硫以避免催化剂中毒失效；而且部分氧化重整的反应机理很复杂，副产物多，产生的氢气纯度低、 产氢率低。自热重整是将吸热的水蒸气重整和放热的部分氧化重整结合到一起，并在一定条件下实现热量的自平衡。这种方法虽然可以使系统的效率提高，但自热重整要求同时调节好氧气、水蒸气和燃料之间的比例，控制比较困难，并且在重整中易产生积碳现象而损伤催化剂。等离子体重整制氢是一种先进的制氢技术，它采用等离子激发重整反应的发生， 等离子体中的高能电子作用于碳氢分子，将其中的碳氢链打断形成小的分子，如氢气等。因为等离子的能量密度很高，使得这种方式具有起动快、动态响应快速、重整器结构简单紧凑等特点。但是，重整器所使用的高频高压电源会在电极上产生大量的热量而损失能量，能量利用率不高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术所存在的不足，提供一种反应速度快、重整效率高、能量利用率高的等离子体协同催化复合反应制备富氢燃气的方法和设备。为实现上述目的，本发明所设计的等离子体与化学催化复合重整制备富氢燃气的方法，包括如下步骤1)将经过雾化处理的碳氢燃料雾滴导入同轴布置的筒形内电极和筒形外电极所构成的环状等离子体放电区中，使碳氢燃料雾滴在高能电子的撞击作用下发生基于自由基的等离子体重整反应，其中大部分的大分子碳氢链物质被打断并激活，产生大量的活性粒子和小分子混合物；
2)再将所产生的活性粒子和小分子混合物连同少量未反应的大分子碳氢链物质直接导入填充在筒形内电极空腔内的化学催化反应床层中，使它们在化学催化剂的表面发生急剧的催化反应，产生更多和更小的小分子混合物，同时筒形内电极产生的热量可为化学催化反应床层加热利用；3)最后将所产生的小分子混合物导出，即可获得高浓度的富氢燃气。具体地，所述碳氢燃料为含水乙醇、甲烷、甲醇或轻汽油。进一步地，所述环状等离子体放电区的施加电压为5 20KV、频率为7 15KHz、 电极放电间距为0. 5 4mm。进一步地，所述化学催化剂为镍基催化剂或铜基催化剂，所述化学催化反应的温度为320 4000C ο为实现上述方法专门设计的等离子体与化学催化复合重整制备富氢燃气的设备， 包括同轴布置的筒形内电极和筒形外电极，所述筒形内电极和筒形外电极之间形成环状等离子体放电区，所述环状等离子体放电区的一端为放电区进口，所述环状等离子体放电区的另一端为放电区出口，所述筒形内电极的空腔内填充有化学催化反应床层，所述化学催化反应床层的反应床进口与环状等离子体放电区的放电区出口位于同一侧并相连通，所述化学催化反应床层的反应床出口与环状等离子体放电区的放电区入口位于同一侧并相间隔。作为优选方案，所述筒形内电极和筒形外电极之间设置有筒形阻挡介质层，所述筒形外电极套装在筒形阻挡介质层上。具体地，所述筒形阻挡介质层为高绝缘材料的氧化铝陶瓷或石英，其电阻率大于 IO14 Ω/cm、介电常数值彡9，厚度为0.4 1.0mm，临界击穿电场强度彡400KV/cm、吸水率为 0. 0%。进一步地，所述筒形内电极和筒形外电极的一侧设置有密封端盖。这样，其结构简单实用，通过密封端盖的阻挡和导流作用下，可使所述化学催化反应床层的反应床进口与环状等离子体放电区的放电区出口在最短的距离内相连通。更进一步地，所述化学催化反应床层内设置有加热器。这样，当内电极提供给化学催化反应床层内的热量不足时，可以通过加热器供热。再进一步地，所述化学催化反应床层内设置有温度传感器。这样，可以监测化学催化反应床层内的温度，并据此及时对反应温度进行调节，使热能利用达到最佳。本发明所设计的制备方法，是将碳氢燃料雾化导入到环状等离子体放电区中，使碳氢燃料分子受到高能电子的冲击，其中所含有的化学键发生断裂，形成H、OH、CH3, C2H5, CH2OH, CH3CHOH, CH2CH2OH等较大的自由基，这些自由基受到进一步冲击后，断裂成更小的自由基。经过等离子体处理后的碳氢燃料雾滴直接进入到化学催化反应床层，其中大量的活性粒子也一同进入到化学催化反应床层，由于进入到化学催化反应床层的物质中含有大量的活性粒子，同时内电极的热量可以为催化反应床层加温，从而可以减低催化反应的能耗、 提高催化反应的效率，进而提高复合重整效率和能量利用率。本发明所设计的复合重整设备，其环状等离子体放电区的放电区出口直接与以内电极为外罩的化学催化反应床层的反应床进口相连，使经过等离子体处理后的产物即刻进入到化学催化反应床层中；经过等离子体处理后的燃料中含有大量的活性粒子，当这些活性粒子随着生成的富氢气体一同进入到化学催化反应床层后，可以降低催化重整的活化温度，提高催化重整的反应效率，同时内电极上因高频电流产生的高温，可成为催化反应的热源，为催化反应加温，使总体重整效率和能量利用率得到提高。本发明的优点在于所设计的方法将等离子体重整法和化学催化重整法结合起来制取富氢燃气，克服现有技术中采用单一方法的缺陷，不仅反应速度快、催化剂不容易中毒，而且重整效率和能量利用率可明显提高。同时，所设计的设备结构简单紧凑、体积轻便小巧，制造成本低廉。
图1为一种等离子体与化学催化复合重整制备富氢燃气的设备的剖视结构示意图。图2为图1中的A-A剖视结构示意图。
具体实施例方式以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。图中所示等离子体与化学催化复合重整制备富氢燃气的设备，包括同轴布置的筒形内电极2和筒形外电极1，筒形内电极2和筒形外电极1之间设置有筒形阻挡介质层3。 筒形阻挡介质层3采用高绝缘材料的氧化铝陶瓷或石英，其电阻率大于1014Q/cm、介电常数值彡9，厚度为0. 4 1. 0mm，临界击穿电场强度彡400KV/cm、吸水率为0. 0%。筒形外电极1套装在筒形阻挡介质层3上，由此在筒形内电极2和筒形外电极1之间形成介质阻挡结构的环状等离子体放电区4。环状等离子体放电区4的一端为放电区进口 8，环状等离子体放电区4的另一端为放电区出口 10。在筒形内电极2和筒形外电极1的一侧设置有密封端盖6，密封端盖6固定在该侧延伸出的筒形阻挡介质层3端部。在筒形内电极2的空腔内填充有化学催化反应床层5，化学催化反应床层5的反应床进口 11与环状等离子体放电区4的放电区出口 10位于同一侧， 并在密封端盖6的阻挡和导流作用下相连通。化学催化反应床层5的反应床出口 9则与环状等离子体放电区4的放电区入口 8位于同一侧并相间隔。在化学催化反应床层5内还设置有加热器7和温度传感器12。加热器7采用电热管，其一端固定在密封端盖6上。温度传感器12则通过信号线与外界控制电路相连，用以调节化学催化反应床层5的反应温度。上述等离子体与化学催化复合重整制备富氢燃气的设备的具体设计参数如下实施例1 以内径为122mm、厚度为0. 5mm的高绝缘的氧化铝陶瓷为筒形阻挡介质层3，筒形外电极1套装在筒形阻挡介质层3的外径上。筒形内电极2外径为120mm、长度为300mm， 筒形内电极2和筒形阻挡介质层3之间的电极放电间距为1mm，放电长度为^Omm。在内外电极之间加载频率ΙΟΚΗζ、电压15KV的高频高压电。筒形内电极2的空腔内填充有化学催化反应床层5，所用化学催化剂为镍基催化剂。化学催化反应床层5中安装有直径12mm的电热管式加热器7和温度传感器12，两端有金属网罩固定催化剂，形成一个直径为IOOmm的催化反应室。实施例2
以内径为123mm、厚度为0. 8mm的石英为筒形阻挡介质层3，筒形外电极1套装在筒形阻挡介质层3的外径上。筒形内电极2的外径为120mm、，长度为300mm，筒形内电极2 和筒形阻挡介质层3之间的电极放电间距为1.5mm，放电长度为^Omm。在内外电极之间加载频率15KHz、电压15KV的高频高压电。筒形内电极2的空腔内填充有化学催化反应床层 5，所用化学催化剂为铜基催化剂。化学催化反应床层5中设置有直径12mm的电热管式加热器7和温度传感器12，两端有金属网罩固定催化剂，形成一个直径为IOOmm的催化反应室。采用上述复合重整设备制备富氢燃气时1)将经过雾化处理的碳氢燃料雾滴导入同轴布置的筒形内电极2和筒形外电极1 所构成的环状等离子体放电区4中，使碳氢燃料雾滴在高能电子的撞击作用下发生基于自由基的等离子体重整反应，其中大部分的大分子碳氢链物质被打断并激活，产生大量的活性粒子和小分子混合物；2)再将所产生的活性粒子和小分子混合物连同少量未反应的大分子碳氢链物质直接导入填充在筒形内电极2空腔内的化学催化反应床层5中，使它们在化学催化剂的表面发生急剧的催化反应，产生更多和更小的小分子混合物，同时筒形内电极2产生的热量可为化学催化反应床层5加热利用；3)最后将所产生的小分子混合物导出，即可获得高浓度的富氢燃气。对比例将本发明等离子体与化学催化复合重整制备富氢燃气的方法与传统的化学催化法和等离子体重整法进行比较，结果如表1所示。表1:三种方法的比较
权利要求
1.一种等离子体与化学催化复合重整制备富氢燃气的方法，包括如下步骤1)将经过雾化处理的碳氢燃料雾滴导入同轴布置的筒形内电极和筒形外电极所构成的环状等离子体放电区中，使碳氢燃料雾滴在高能电子的撞击作用下发生基于自由基的等离子体重整反应，其中大部分的大分子碳氢链物质被打断并激活，产生大量的活性粒子和小分子混合物；2)再将所产生的活性粒子和小分子混合物连同少量未反应的大分子碳氢链物质直接导入填充在筒形内电极空腔内的化学催化反应床层中，使它们在化学催化剂的表面发生急剧的催化反应，产生更多和更小的小分子混合物，同时筒形内电极产生的热量可为化学催化反应床层加热利用；3)最后将所产生的小分子混合物导出，即可获得高浓度的富氢燃气。
2.根据权利要求1所述的等离子体与化学催化复合重整制备富氢燃气的方法，其特征在于所述碳氢燃料为含水乙醇、甲烷、甲醇或轻汽油。
3.根据权利要求1或2所述的等离子体与化学催化复合重整制备富氢燃气的方法，其特征在于所述环状等离子体放电区的施加电压为5 20KV、频率为7 15KHz、电极放电间距为0. 5 4讓。
4.根据权利要求1或2所述的等离子体与化学催化复合重整制备富氢燃气的方法， 其特征在于所述化学催化剂为镍基催化剂或铜基催化剂，所述化学催化反应的温度为 320 400"C。
5.一种等离子体与化学催化复合重整制备富氢燃气的设备，包括同轴布置的筒形内电极(2)和筒形外电极(1)，所述筒形内电极( 和筒形外电极(1)之间形成环状等离子体放电区G)，所述环状等离子体放电区的一端为放电区进口(8)，所述环状等离子体放电区的另一端为放电区出口(10)，其特征在于所述筒形内电极O)的空腔内填充有化学催化反应床层(5)，所述化学催化反应床层(5)的反应床进口(11)与环状等离子体放电区(4)的放电区出口(10)位于同一侧并相连通，所述化学催化反应床层(5)的反应床出口 (9)与环状等离子体放电区⑷的放电区入口⑶位于同一侧并相间隔。
6.根据权利要求5所述的等离子体与化学催化复合重整制备富氢燃气的设备，其特征在于所述筒形内电极( 和筒形外电极(1)之间设置有筒形阻挡介质层(3)，所述筒形外电极(1)套装在筒形阻挡介质层C3)上。
7.根据权利要求6所述的等离子体与化学催化复合重整制备富氢燃气的设备，其特征在于所述筒形阻挡介质层(3)为高绝缘材料的氧化铝陶瓷或石英，其电阻率大于1014Ω/ cm、介电常数值彡9，厚度为0. 4 1. 0mm，临界击穿电场强度400KV/cm、吸水率为0. 0%。
8.根据权利要求5或6或7所述的等离子体与化学催化复合重整制备富氢燃气的设备，其特征在于所述筒形内电极( 和筒形外电极(1)的一侧设置有密封端盖(6)，所述化学催化反应床层(5)的反应床进口(11)与环状等离子体放电区⑷的放电区出口(10) 在密封端盖(6)的阻挡和导流作用下相连通。
9.根据权利要求5或6或7所述的等离子体与化学催化复合重整制备富氢燃气的设备，其特征在于所述化学催化反应床层(5)内设置有加热器(7)。
10.根据权利要求5或6或7所述的等离子体与化学催化复合重整制备富氢燃气的设备，其特征在于所述化学催化反应床层(5)内设置有温度传感器(12)。
全文摘要
本发明公开了一种等离子体与化学催化复合重整制备富氢燃气的方法及设备。该方法是先将碳氢燃料雾滴导入筒形内电极和筒形外电极所构成的环状等离子体放电区，使其发生基于自由基的等离子体重整反应，产生大量的活性粒子和小分子混合物；再将等离子体处理后的产物导入填充在筒形内电极空腔内的化学催化反应床层中，通过催化反应产生更多和更小的小分子混合物，即可获得高浓度的富氢燃气。其设备主要由筒形内电极和筒形外电极、以及填充在筒形内电极空腔内的化学催化反应床层构成。本发明的设备结构紧凑、体积小巧、成本低廉。本发明的方法反应速度快、催化剂不容易中毒、总体重整效率和能量利用率高。
文档编号C01B3/22GK102351144SQ20111017449
公开日2012年2月15日 申请日期2011年6月27日 优先权日2011年6月27日
发明者李格升, 梅雪飞, 游伏兵, 胡又平, 高孝洪 申请人:武汉理工大学