一种地电极平移的等离子体电解液化装置的制作方法

本实用新型涉及等离子体，尤其涉及利用酸碱盐类再溶液中实现生物质液化，可增加自由基含量改善生物油品质，提高生物质的液化率，缩短液化时间的一种地电极平移的等离子体电解液化装置。

背景技术：

生物质的液化产物不但可以作为燃料使用，还可以用于制备生物质胶黏剂、模压材料、发泡材料、碳素纤维等，具有广阔的实用价值。

生物质能源具有可持续性和广泛性，是化石能源的有效替代品，为目前研究的重点。生物质的利用方法主要包括：物理法、生物转化法和热化学法三大类。物理法只是改变生物质的形状、致密度、颗粒大小等以便于应用、储藏和燃烧等；生物转化法是利用微生物或酶与生物质反应生成甲烷、生物乙醇、乳酸等。但是其产率较低，且转化慢，难以满足工业应用的需要；生物质热化学法是利用燃烧、气化、水解和液化等方法生成合成气、烃类、醇类、生物油以及小分子化合物等。其中催化液化法能有效降低反应温度，提高反应速度及产率，是当前生物质领域中的研究重点。传统生物质催化液化法，如油浴、水浴，通过热传导的方法加热溶液，具有效率低，功耗大。Lu Zexiang等([1]Lu Z,Wu Z,Fan L,et al.Rapid and solvent-saving liquefaction of woody biomass using microwave-ultrasonic assisted technology[J]. Bioresource Technology,2016,199:423)虽然将微波以及超声波引入了生物质液化中，将生物质的液化时间缩短，但当温度高于100℃时，溶液中的极性分子(水分子)含量迅速降低，从而加热效率也随之下降。鉴于之前的生物质液化装置存在依靠内电极中通入Ar气，进而使 Ar电离产生等离子体等缺点([2]张先徽席登科周儒森李江伟杨思泽，等离子体液化装置，申请号：201610805384.3申请日：2016-09-07，公开号：106179155B，授权日期： 2017-11-10)，这种装置不仅需要额外的气体、气体放电电源和搅拌器，而且液化过程中产生物质会污染电极终止气体放电，从而影响生物质的液化过程。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于为了克服上述缺点，提供利用酸碱盐类再溶液中实现生物质液化，可增加自由基含量改善生物油品质，提高生物质的液化率，缩短液化时间的一种地电极平移的等离子体电解液化装置。

本实用新型设有反应腔体、绝缘盖、地电极平移槽、滑块、固定槽、出气孔、高压电极、地电极、绝缘套管、纳秒脉冲方波电源和步进电机驱动系统；所述反应腔体装反应的生物质、溶剂和催化剂，所述绝缘盖置于反应腔体上，出气孔设在绝缘盖的中间用于排气，高压电极固定在绝缘盖上并与纳秒级方波脉冲电源相连；地电极置于绝缘套管内并固定在滑块的中心孔内，滑块置于固定槽上，在步进电机驱动系统的驱动下可以左右平移运动，固定槽嵌在绝缘盖内，地电极顶端与纳秒级方波脉冲电源相连。

所述反应腔体为规则反应腔体；所述规则反应腔体可为长方体或圆柱体，所述长方体的长度和宽度分别为30～500cm，高度为2～500cm；所述圆柱体的内径可为30～500cm，厚度可为1～100mm，高度可为2～500cm；所述反应腔体的材料可采用陶瓷、刚玉、石英、聚四氟乙烯等中的一种。

所述绝缘盖的厚度可为2～60mm，大小与反应腔体一致，绝缘盖分别与地电极平移槽的固定槽、出气孔、高压电极配合，绝缘盖的直径可为2～500cm，绝缘盖可采用陶瓷、刚玉、石英、聚四氟乙烯等中的一种。

所述高压电极和地电极的直径可为2～40mm，长度可为5～350cm，材质为耐高温性能良好的钨、钼、金等惰性金属材料，高压电极固定在绝缘盖内，地电极置于绝缘套管内一起固定在地电极平移槽内的滑块上，滑块置于固定槽上在步进电机系统的带动下可以左右平移的距离为0.1～30cm。

所述绝缘套管内径可为3～41mm，长度可为2～10cm，绝缘套管的材料可为瓷、刚玉、石英、聚四氟乙烯等中的一种，与地电极配合。

所述地电极平移槽的材料可为瓷、刚玉、石英、聚四氟乙烯等，地电极平移槽由滑块和固定槽组成，滑块的中心将装有地电极的绝缘套管一起固定，使其在固定槽上左右平移，固定槽嵌在绝缘盖内，长度可为2～10cm，宽度为10～100mm，深度为2～60mm。

所述步进电机驱动系统由连接杆和步进电机组成，步进电机驱动连接杆，进而连接杆带动装有绝缘套管和地电极的滑块在固定槽上左右滑动。

所述纳秒脉冲方波电源的电压可为1000～30000V，频率为50Hz～50kHz，上升沿和下降沿分别为0～1000ns，能在溶液中产生稳定等离子体。

本实用新型在没有外界气源、放电的电源和搅拌器的基础上，通过更改电源参数和增加电极摆动基础上，进而不仅改善了液化参数条件，而且扩大了液化面积，使得盐类也可以迅速液化生物质。

本实用新型由两根电极插在生物质(如纤维素、半纤维素和木质素等)、液化剂(苯酚、多元醇等)、催化剂(对甲苯磺酸、氢氧化钾、对甲苯磺酸钠等)的混合液中。首先缩短方波(或者矩形波)上升沿和下降沿时间至纳秒级(小于1000ns)，在电极距离较近时施加电压，产生辉光放电等离子体。随后通过步进电机缓慢增大两电极摆动角度或者两极平移间距离，待两极间距离即将达到临界点(电压不足以支持放电等离子体)时，再通过进步电机将缓慢减小两极间摆动角度或者两极间平移距离至起始点，进而往复运动，使得放电等离子体弥散在整个溶液内。与Dengke Xi等^[3]的结果相比，上升沿和下降沿时间短可以产生高密度的等离子体^[4]，由于等离子体产生内的活性成分(H、OH、CH1、CH2和CH3等自由基)不仅能够有效加热溶液，更重要的是高密度的活性粒子能够有效提高液化产物的品质。此外，移动电极能够增加放电范围，扩大液化面积，而且还可以根据工作环境，设计出不同形状反应腔体。

本实用新型利用纳秒脉冲在溶液中将电极表面的溶液瞬间气化，进而高电压将气化的气体电离产生高密度等离子体，其中的自由基能迅速断裂生物质中多糖等化学键，生成小分子化合物，使得溶液液化，而得到的液化产物品质也明显好于前期的液化产物。

本实用新型在溶剂催化-液化的基础上提出一种等离子电解液化生物质的装置，利用电场加速催化剂中的离子使其与其他分子碰撞，增加它们的动能，从而从内部加热溶液；与此同时放电产生的自由基能加速生物质的液化，提高产物的质量，具有效率高，耗能少等优点，属于能源转换中生物质液化的技术领域。

鉴于之前的生物质液化装置存在依靠内电极中通入Ar气，进而使Ar电离产生等离子体等缺点，本实用新型将两电极插在生物质(如纤维素，半纤维素和木质素等)、液化剂(苯酚、多元醇等)、催化剂(酸、碱和盐等)的混合液中。首先两极间施加纳秒脉冲方波信号，产生等离子体，进而再缓慢对反应腔内的生物质进行液化。本实用新型具有液化范围广泛、液化产物品质好、可靠性高和安全性好等特点。本实用新型结构简单，操作性强，易于在生物质液化领域普及。

附图说明

图1是本实用新型实施例的结构组成示意图。

图2是图1中的B部分放大图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本实用新型作进一步的说明。

参见图1和2，本实用新型实施例设有反应腔体21、绝缘盖22、地电极平移槽2302、滑块23-1、固定槽23-2、出气孔24、高压电极25-1、地电极25-2、绝缘套管26、纳秒脉冲方波电源27和步进电机驱动系统28；所述反应腔体21装反应的生物质、溶剂和催化剂，所述绝缘盖22置于反应腔体21上，出气孔24设在绝缘盖22的中间用于排气，高压电极25-1固定在绝缘盖22上并与纳秒级方波脉冲电源27相连；地电极25-2置于绝缘套管26内并固定在滑块23-1的中心孔内，滑块23-1置于固定槽23-2上，在步进电机驱动系统28的驱动下可以左右平移运动，固定槽23-2嵌在绝缘盖22内，地电极25-2顶端与纳秒级方波脉冲电源27 相连。

具体实施过程如下：配好溶液，装入反应腔体，通过纳秒脉冲方波电源给高压电极施加电压，待电流稳定到0.1A后停止增加电压，此时为稳定辉光放电，伴随由大量氢气，一氧化碳等气体生成。随后启动步进电机系统驱动滑块，使地电极在固定槽表面左右移动，对不同反应腔体内不同区域的生物质进行液化，反应3min后，生物质几乎完全液化，逐渐将电压调小，关掉电源，液化结束。

所述反应腔体为规则反应腔体；所述规则反应腔体为长方体或圆柱体，所述长方体的长度和宽度分别为30～500cm，高度为2～500cm；所述圆柱体的内径为30～500cm，厚度为1～ 100mm，高度为2～500cm；所述反应腔体的材料采用陶瓷、刚玉、石英、聚四氟乙烯等中的一种。

所述绝缘盖的厚度为2～60mm，大小与反应腔体一致，绝缘盖分别与地电极平移槽的固定槽、出气孔、高压电极配合，绝缘盖的直径为2～500cm，绝缘盖采用陶瓷、刚玉、石英、聚四氟乙烯等中的一种。

电极包括高压电极和地电极，所述电极的直径为2～40mm，长度为5～350cm，材质为耐高温性能良好的钨、钼、金等惰性金属材料，高压电极固定在绝缘盖内，地电极置于绝缘套管内一起固定在地电极平移槽内的滑块上，滑块置于固定槽上在步进电机系统的带动下可以左右平移的距离为0.1～30cm。

所述绝缘套管内径为3～41mm，长度为2～10cm，绝缘套管的材料为瓷、刚玉、石英、聚四氟乙烯等中的一种，与地电极配合。

所述地电极平移槽的材料为瓷、刚玉、石英、聚四氟乙烯等，地电极平移槽由滑块和固定槽组成，滑块的中心将装有地电极的绝缘套管一起固定，使其在固定槽上左右平移，固定槽嵌在绝缘盖内，长度为2～10cm，宽度为10～100mm，深度为2～60mm。

所述步进电机驱动系统分别由连接杆和步进电机组成，由步进电机驱动连接杆，进而连接杆带动装有绝缘套管和地电极的滑块在固定槽上左右滑动。

所述纳秒脉冲方波电源的电压为1000～30000V，频率为50Hz～50kHz，上升沿和下降沿分别为0～1000ns，能在溶液中产生稳定等离子体。