一种利用等离子体转化甲烷的装置及方法与流程

本发明涉及甲烷转化的装置及方法，尤其涉及一种利用等离子体进行甲烷转化生产氢气、乙烯等高品位能源的装置及方法。

背景技术：

探索转化甲烷制取高品位能源的新途径是当前清洁能源利用领域的研究热点，利用放电等离子体技术是实现甲烷转化的新思路。大气压低温等离子体中大量的高能电子和活性基团可以有效的断裂甲烷中的C-H键，实现甲烷转化，避免传统制氢方法中需要的高温等条件的限制。

传统的等离子体重整甲烷的装置包括介质阻挡放电和滑动弧放电，反应过程中联合使用催化剂。由于输入能量的限制，采用介质阻挡放电时甲烷的转化效率较低，而且气体温度较高，运行成本高。滑动弧放电时电弧需要不断的重复起弧，气体与等离子体的接触时间较短。另外，反应过程中催化剂的失活问题难以解决。

合适的等离子体激励源是甲烷转化的关键问题，其决定了甲烷转化率、能量利用率以及产物的选择性。甲烷转化中常用的激励源以直流和高频高压电源为主，射频和微波源利用相对较少，主要原因是微波系统复杂、效率稍低，射频源则存在严重的电磁兼容性，系统复杂、参数可调节范围小等问题。纳秒脉冲电源具有窄脉冲上升沿和较短的脉冲持续时间，放电时使电子在极短时间内获得电场加速，易于获得较高能量，且欧姆加热小，因此能量损耗小，能量效率高，是提高甲烷转化效率的理想电源。

申请号为01118721.2，公布日为2003年1月15日的中国发明专利，申请公开了一种微波激励甲烷转化制氢工艺，其主要特征为：甲烷在反应区停留1-10s，反应区内放置有电磁场作用下易放电的物质，然后使用连续或脉冲微波对反应区进行辐射，电磁场作用下易放电的物质在微波作用下放电引发等离子体，从而裂解甲烷制氢。

申请号为201010146281.3，公布日为2010年9月29日的中国发明专利，申请公开了一种协同驱动旋转滑动弧放电等离子体装置用于甲烷重整，其主要特征为：反应罩的外部包围设置稳定磁场，采用气流与磁场协同驱动旋转滑动弧放电装置提高甲烷制氢效果。该发明可以提高甲烷的转化率和更高的氢气选择性，但外加磁场的加入提高了装置的复杂性，不利于工业大规模应用。

申请号为201310188840.0，公开日为2013年8月14日的中国发明专利，申请公开了一种大面积均匀放电等离子体的实验装置，其主要特征为：反应器采用多针-板式的介质阻挡放电，在纳秒脉冲电源的激励下产生大面积的放电等离子体。由于介质阻挡放电的上述问题，此装置不适用于甲烷转化。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种利用等离子体转化甲烷的装置及方法，所述装置结构简单，其采用纳秒脉冲电源激励的多针-板电极等离子体阵列可以大面积、高效的转化甲烷。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种利用等离子体转化甲烷的装置，包括：

反应罩，所述反应罩的顶部设有进气口，所述反应罩的底部设有出气口，所述反应罩内分别设有：

上金属底座，所述上金属底座的下方固定有多针电极阵列，且针尖朝下，所述上金属底座的顶部设有上绝缘底座；所述上金属底座通过穿过所述上绝缘底座的金属杆与纳秒脉冲电源的高压端连接；所述上金属底座与上绝缘底座上均分布有多个过气孔；

下金属底座，为地电极，所述下金属底座的底部设有下绝缘底座；

所述反应罩的进气口通过流量控制阀连接气瓶；

所述反应罩的出气口通过气阀连接气相色谱仪；

所述金属杆的顶端设有距离调节旋钮，以调节所述多针电极阵列与所述下金属底座之间的距离，其中，多针电极阵列与所述下金属底座之间的距离为1mm-50mm。

进一步的，多针电极阵列中针电极长度为1cm-10cm，所述针电极与针电极之间的距离为2mm-20mm。

进一步的，所述上金属底座、下金属底座、上绝缘底座和下绝缘底座的形状一致，为圆形、椭圆形或方形，其厚度为2mm-50mm。

进一步的，所述多针电极阵列、上金属底座和下金属底座为铜或铝。

进一步的，所述反应罩、上绝缘底座和下绝缘底座为玻璃或石英。

进一步的，所述多针电极阵列的针电极数目根据实际需求增减。

一种使用所述的利用等离子体转化甲烷的装置转化甲烷的方法，包括以下步骤：

步骤1，通过距离调节旋钮调节多针电极阵列与下金属底座之间的距离为1mm-50mm，打开气瓶，甲烷混合气体通过流量控制阀进入反应罩内；

步骤2，打开纳秒脉冲电源，调节电源参数，其中电压为10kV-35kV，频率500Hz-3000Hz，在多针电极阵列与下金属底座之间激发等离子体以处理甲烷，所述等离子体放电时间为5min-60min；

步骤3，打开气阀，收集甲烷裂解产物，并将所述甲烷裂解产物经气相色谱仪进行在线监测。

进一步的，所述气瓶内的甲烷混合气体为甲烷与惰性气体的混合气体，其中，甲烷占所述甲烷混合气体的体积比不小于1/10。

进一步的，所述惰性气体为氦气、氩气或氮气。

进一步的，步骤1中，所述甲烷混合气体的流量为10ml/min-100ml/min。

本发明的有益效果为：

本发明提供的纳秒脉冲电源激励的利用等离子体进行甲烷转化的装置中，多针-板电极的设计保障了放电能量，且两者之间的间距可调，从而改变等离子放电模式，改变甲烷转化效率及产物的选择性；多针电极阵列保证放电面积，有利于甲烷转化效率的提高；纳秒脉冲电源有利于促进甲烷的转化效率，降低能耗；同时本发明所述装置结构简单，易操作，产品易扩大，易于工业转化。本发明所述的甲烷转化方法，处理过程中不使用催化剂，规避了催化剂失活的问题，工艺更为简单，同时降低成本。

本发明的多针电极针列与现有的多针-板式的介质阻挡放电相比，多针高压电极与地电极之间没有绝缘介质。介质阻挡放电形式下，产生的气体温度高，用于甲烷转化时其能量效率低，运行成本高；而本发明提出的多针电极针列，放电形式为火花放电，放电更加剧烈，产生更高的能量，更加有利于甲烷转化。

附图说明

图1为本发明所述利用等离子体转化甲烷的装置的结构示意图；

图2为实施例1中不同气体流量下甲烷的转化率和产物产率；

图3为实施例1中不同气体流量下甲烷裂解产物的选择性；

图4为实施例2中不同气体流量下甲烷的转化率和产物产率；

其中，1-多针电极阵列，2-上金属底座，3-气相色谱仪，4-金属杆，5-纳秒脉冲电源，6-下金属底座，7-反应罩，8-上绝缘底座，9-下绝缘底座，10-距离调节旋钮，11-气瓶，12-流量控制阀，13-气阀。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种利用等离子体转化甲烷的装置，如图1所示，包括：

反应罩7，所述反应罩7的顶部设有进气口，所述反应罩7的底部设有出气口，所述反应罩7内分别设有：

上金属底座2，所述上金属底座2的下方固定有多针电极阵列1，且针尖朝下，所述上金属底座2的顶部设有上绝缘底座8；所述上金属底座2通过穿过所述上绝缘底座8的金属杆4与纳秒脉冲电源5的高压端连接；所述上金属底座2与上绝缘底座8上均分布有多个过气孔；

下金属底座6，为地电极，所述下金属底座6的底部设有下绝缘底座9；

所述反应罩7的进气口通过流量控制阀12连接气瓶11；

所述反应罩7的出气口通过气阀13连接气相色谱仪3；

所述金属杆4的顶端设有距离调节旋钮10，以调节所述多针电极阵列1与所述下金属底座6之间的距离。

多针电极阵列1中针电极长度为1cm-10cm，所述针电极与针电极之间的距离为2mm-20mm。

所述上金属底座2、下金属底座6、上绝缘底座8和下绝缘底座9的形状一致，为圆形、椭圆形或方形，其厚度为2mm-50mm。

所述多针电极阵列1、上金属底座2和下金属底座6为铜或铝。

所述反应罩7、上绝缘底座8和下绝缘底座9为玻璃或石英。

一种使用所述的利用等离子体转化甲烷的装置转化甲烷的方法，包括以下步骤：

步骤1，通过距离调节旋钮10调节多针电极阵列1与下金属底座6之间的距离为1mm-50mm，打开气瓶11，甲烷混合气体通过流量控制阀12进入反应罩7内；

步骤2，打开纳秒脉冲电源5，调节电源参数，其中电压为10kV-35kV，频率500Hz-3000Hz，在多针电极阵列1与下金属底座6之间激发等离子体以处理甲烷，所述等离子体放电时间为5min-60min；

步骤3，打开气阀13，收集甲烷裂解产物，并将所述甲烷裂解产物经气相色谱仪3进行在线监测。

所述气瓶11内的甲烷混合气体为甲烷与惰性气体的混合气体，其中，甲烷占所述甲烷混合气体的体积比不小于1/10。所述惰性气体为氦气、氩气或氮气。

步骤1中，所述甲烷混合气体的流量为10ml/min-100ml/min。

实施例1

多针电极阵列1采用单针电极，所述单针电极与下金属底座6之间的间隙为4mm，气瓶11内的气体为甲烷，气体流量分别设置为50ml/min，100ml/min，150ml/min，200ml/min，工作电压均为20kV，放电频率1000Hz，等离子体放电时间为10min，所述等离子体处理甲烷，收集甲烷裂解产物，经气相色谱在线测量结果如图2和图3所示。图2对应气态产物产率和甲烷转化率百分数，横坐标对应气体流速。图2表明收集的气态产物由H₂、C₂H₆、C₂H₄和C₂H₂构成，其中主要产物为H₂和C₂H₂。转化率和产率随着气体流速的上升而下降，在气体流速为50ml/min时气甲烷转化率达到最大值为40％，对应的气态产物H₂和C₂H₂的产率也分别达到最大值18.5％和5.53％。图3描述的是气体流速变化对气态产物选择性的影响，纵坐标对应不同产物选择性百分数，横坐标对应气体流速。由图3可见，气体流速越大，H₂和C₂H₂的选择性越高，在气体流速为200ml/min时H₂和C₂H₂选择性达到最大值47.4％和30.4％。

实施例2

多针电极阵列1采用单针电极，所述单针电极与下金属底座6之间的间隙为8mm，气瓶11内的气体为甲烷，气体流量分别设置为50ml/min，100ml/min，150ml/min，200ml/min，工作电压均为20kV，放电频率1000Hz，等离子体放电时间10min，所述等离子体处理甲烷，收集甲烷裂解产物，经气相色谱在线测量结果如图4所示。图4纵坐标对应气态产物产率和甲烷转化率百分数，横坐标对应气体流速。由图4可见，收集的气态产物由H₂、C₂H₆、C₂H₄和C₂H₂构成，其中主要产物为H₂和C₂H₂。转化率和产率随着气体流速的上升而下降，在气体流速为50ml/min时气甲烷转化率达到最大值为37.38％，对应的主要气态产物H₂和C₂H₂的产率也分别达到最大值17.7％和4.13％。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。