含水乙醇低溫等離子體重整制氫研究

第33卷第5期武漢理工大學(xué)學(xué)報(駕科)ol. 33 No2009年10月Journal of Wuhan University of TechnologyOet.2009( Transportation Science Engineering含水乙醇低溫等離子體重整制氫研究胡又平12)李格升3)高孝洪3)嚴立1(大連海事大學(xué)材料工藝研究所大連116026)(武漢理工大學(xué)理學(xué)院2武漢430063)(武漢理工大學(xué)能動(dòng)學(xué)院3)武漢430063)摘要:基于對含水乙醇等離子體重整制氫的實(shí)驗研究,實(shí)現了利用錐齒形電極結構介質(zhì)阻擋放電等離子體對乙醇進(jìn)行重整制氫.實(shí)驗結果表明:乙醇重整效率及產(chǎn)物中氫氣的選擇性與反應物初始濃度、注入功率、電源頻率、反應物流量等因素有關(guān),含水乙醇體積分數為75%時(shí),氫氣的選擇性最大;氫氣的選擇性隨著(zhù)反應器中注入功率增加而增大;放電電源的頻率接近負載的諧振頻率時(shí),重整率最高;對一定的反應器,反應物的流鰍太大和太小,都不利于重整反應的進(jìn)行.錐齒形電極結構介質(zhì)阻擋放電等離子體反應器的重整效率高于同軸平行電極.乙醇等離子體重整制氫的主要氣態(tài)產(chǎn)物有H2,CO,CH4,CO2,C2H4,C2H4等,在乙醇體積分數為75%放電間距為2.0mm,頻率為10.5kHz,注入功率為240W的條件下,得到重整率為65%,產(chǎn)物中氫的體積比為67關(guān)鍵詞:乙醇重整制氫;等離子體;錐齒形電極中圖法分類(lèi)號:U664.122DOI:10.3963/j.issn.1006-2823.209.05,0290引言1實(shí)驗系統作為一種可再生的生物能源,乙醇的開(kāi)發(fā)利錐齒形電極介質(zhì)阻擋放電含水乙醇重整制氫用已成為當今能源研究領(lǐng)域的熱點(diǎn).目前我國部研究的實(shí)驗系統如圖1所示,容器1中的含水乙分地區推廣使用的乙醇汽油方案,是在汽油中添醇經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器2變成蒸氣,進(jìn)入到錐齒形電極介加10%的純乙醇,可以實(shí)現載運工具上部分替代質(zhì)阻擋放電反應器3中,經(jīng)等離子體處理后的產(chǎn)化石能源.這一方案所使用的純乙醇成本較高物流過(guò)冰水冷凝器9后,進(jìn)入產(chǎn)物收集器10.反且只能實(shí)現部分替代化石能源,為此,本文提出了應器的高壓端接自制的高頻高壓電源4,放“含水乙醇富氫燃料發(fā)動(dòng)機”技術(shù)路線(xiàn),是將含水乙醇通過(guò)等離子體重整變?yōu)楦粴涞娜剂蠚怏w直接供給汽車(chē)發(fā)動(dòng)機燃燒.這一技術(shù)路線(xiàn)的實(shí)現,可以利用較低成本的含水乙醇對化石能源部分或完全替代,而且不需改變現有的發(fā)動(dòng)機結構和載運工具的燃料供給方式,供給汽車(chē)發(fā)動(dòng)機的富氫燃料是含氫量低于60%的富氫氣體,不同于以氫為燃料的電動(dòng)汽車(chē)必須是高純度的氫氣,有可能成為氫燃料汽車(chē)之前的過(guò)渡方案.本文是在前期對錐齒形介質(zhì)阻擋放電特性研究的基礎上(,實(shí)驗圖1乙醇重整實(shí)驗系統圖研究含水乙醇低溫等離子體重整制氫的影響因素器2蒸發(fā)器:3反應器;4高壓電源;5示波器:6計算機;;10-產(chǎn)物收集及其規律中國煤化工收稿日期:2009-03-15CNMHG胡又平:男,43歲,博士,副教授,主要研究領(lǐng)域為等離子物理·武漢市科技攻關(guān)計劃項目(批準號:20066002065),湖北省國際科技合作重點(diǎn)項目(批準號:2006CA012)資助第5期胡又平,等:含水乙醇低溫等離子體重整制氫研究929電的電壓電流波形通過(guò)示波器5采集到計算機6記錄,等離子體處理后的產(chǎn)物由GC7900氣相色譜儀7分析處理,8為連接色譜的計算機.實(shí)驗所用的自制高壓電源參數為:頻率在~15kHz、電壓為0~25kV之間可調.其放電的電壓由P6015A無(wú)源高壓探頭采集,電流信號由串聯(lián)在放電極上的200電阻采樣,所得的電壓和電流信號分別輸入到 Tek TDS210記憶示波器乙醇體積分數/%上,并連接到計算機,由 Wavestar軟件處理獲得口其他電壓電流波形日C:H錐齒形結構介質(zhì)阻擋放電電極是以長(cháng)度為■C:H600mm、內徑為26mm、壁厚為1.5mm的圓柱C02夏CH形陶瓷管為介質(zhì),外壁纏繞不銹鋼絲為高壓電極,內電極是在金屬桿上套有幾片外徑為22mm的圓形鎢鋼刀片,與陶瓷管及外高壓電極形成錐齒形放電電極乙醇體積分數/%圖2乙醇初始體積分數對產(chǎn)氫率及產(chǎn)物選擇性的影響2實(shí)驗結果與討論2.2注入功率對產(chǎn)氫的影響圖3a),b)分別為注入功率對重整率及產(chǎn)物2.1乙醇初始乙醇體積分數對產(chǎn)氫的影響選擇性的影響實(shí)驗條件:乙醇體積分數為75%圖2a),b)分別為乙醇初始體積分數對重整流量為2.5mL/min,保持電源的頻率為10.5率及產(chǎn)物選擇性的影響實(shí)驗條件為:放電電壓為kHz,調節電源電壓,改變電源的注入功率圖3a)20.1kV,頻率為10.0kHz,流量為3.0mL/min.可以看出,調節注入功率為100W時(shí),重整率為圖2a)可以看出,當乙醇體積分數為65%時(shí),重整13%,注入功率加大到120W時(shí),重整率變?yōu)槁蕿?1%當乙醇體積分數為75%時(shí),重整率為18%,注人功率為180W時(shí)重整率為45%注入47%,當乙醇體積分數為85%時(shí)重整率為48%,功率為200W時(shí),重整率為47%注入功率為當乙醇體積分數為95%時(shí),重整率為31%可見(jiàn),240W時(shí),重整率為65%在實(shí)驗條件的范圍內,乙醇體積分數與重整率不是線(xiàn)性的關(guān)系,當乙醇體積分數在75%到85%之間時(shí),重整率相對較高.乙醇等離子體重整制氫的反應是部分氧化反應,反應所需的O元素由水提供,一定比例的含水乙醇所得到的反應產(chǎn)物使得氫氣的選擇性最高.圖2b)可以看出,典型的氣態(tài)產(chǎn)物成分有001201401601802002202402,CO,CH4,CO2,C2H4,C2H6等.不同初始乙功率/w醇體積分數下的產(chǎn)物比例不同,含量最大的是氫氣,一氧化碳其次,接下來(lái)是CH4,CO2,CnH4,C2H6等.當初始乙醇體積分數為65%時(shí),產(chǎn)物中氫氣的比例為42%,當乙醇體積分數為75%時(shí),氫氣所占比例為50%,乙醇體積分數為85%時(shí),氫氣的比例為45%,而乙醇體積分數為95%時(shí),中國煤化工日氫氣的比例下降到38%.氫氣選擇性的變化趨勢CNMHG220240與重整率的變化趨勢基本一致,本實(shí)驗條件下得到的最大的氫氣選擇性條件是體積分數為75%圖3注人功率對產(chǎn)氫及產(chǎn)物選擇性的影響的乙醇930·武漢理工大學(xué)學(xué)報(交通科學(xué)與工程版)2009年第33卷重整率隨著(zhù)注人功率的提高而單調地上升.圖體區域里停留時(shí)間與反應方向的關(guān)系:當流量較3b)可以看出,隨著(zhù)注入功率的增加,氫氣的選擇小時(shí),停留時(shí)間相對較長(cháng),部分已經(jīng)被裂解的小分性隨之增加,當注入功率為240W時(shí),氫氣所占子繼續停留在放電空間里,會(huì )發(fā)生更多的逆反應,的比例達到67%而同時(shí),C2H6的選擇性卻對應使重整率降低,而當流量增加,停留時(shí)間較短,反地下降其他的幾種氣態(tài)成分也隨著(zhù)變化隨著(zhù)功應物還未完全裂解,就離開(kāi)了等離子體區域使反率注入的提高,小分子如氫氣的選擇性增加,大的應效率降低因此,對于一定的反應器,存在一個(gè)分子卻下降這點(diǎn)說(shuō)明,在一定條件下注入放電最佳的流量.在本實(shí)驗系統中,流量為3.0mL/空間的能量越高,所產(chǎn)生高能電子的平均能量和min時(shí),重整率達到60%高能電子數目就越多,更多的高能電子將有利于小分子的產(chǎn)生52.3放電頻率對產(chǎn)氫的影響圖4表示體積分數為75%的乙醇,在放電間隙為2.0mm,放電電壓為20.5kV時(shí),放電頻率與重整率之間的關(guān)系.頻率為9.0kHz時(shí),重整率為16%;頻率調整到9.5kHz時(shí),重整率為50%;而頻率達到10.0kHz時(shí),重整率為60%;調整頻率為10.5kHz時(shí),重整率為62.5%;當頻流量/( mL- min2)率為11.0kHz時(shí),重整率為49%;當頻率提高到圖5流量對重整效率的影響12.0kHz時(shí),重整率為14.8%.可見(jiàn),頻率對重2.5同軸平行電極對比實(shí)驗整率的影響與介質(zhì)阻擋放電的負載特性有關(guān),放在圖1的實(shí)驗系統中,將反應器3替換為同電電源的頻率接近負載的諧振頻率時(shí),介質(zhì)阻擋軸平行電極替換前后兩種電極的結構基本一樣,放電的功率注人效率最高,反應器中的產(chǎn)生高能僅將錐齒形的內電極換為直徑為20.0mm的銅電子數量最多,表現出的重整反應效率也最高棒,以?xún)葟綖?6mm,壁厚為1.5mm的圓柱形陶瓷管為介質(zhì),外壁纏繞長(cháng)度為15.0mm的不銹鋼絲網(wǎng)連接高壓電極,形成一個(gè)放電間隙為2.0mm,放電長(cháng)度為15.0mm的同軸平行電極圖6為2種電極在不同注入功率下重整率的變化實(shí)驗條件為:乙醇體積分數為75%流量為2.5mL/min.由圖可以看出,在2種電極結構的重整實(shí)驗中,功率注入對產(chǎn)氫影響的規律基本樣,隨著(zhù)注入功率的增加,重整率也增加,但在相011.512.0同注入功率條件下,錐齒形結構的電極比平行結圖4放電頻率與重整效率之間的關(guān)系構的電極重整率高出10%到20%之間反映出電2.4反應物流量對產(chǎn)氫的影響極結構對等離子體區域中高能電子的影響.在同圖5為反應物流量對重整率的影響實(shí)驗條樣的注入功率下,平行結構的電極,放電是分布在件:乙醇體積分數為75%,放電間隙為2.0mm,整個(gè)面上,而錐齒形結構的電極,放電區域集中在維持注入功率為20w.流量為2.0mL/min時(shí),錐齒位置,在相同的放電長(cháng)度上,實(shí)際的放電面積重整率為30%流量為2.5mL/min時(shí),重整率為50%,流量為3.0mL/min時(shí),重整率為60%,流一同軸錐齒同軸平行量為3.5mL/min時(shí),重整率降為55%流量為4.5mL/min時(shí),重整率為30%.當流量由2.0~中國煤化工3.0mL/min重整率逐漸增大,隨著(zhù)流量繼續增CNMHG加,重整率反而下降.當流量由3.0~5.0mL/120140160180200220240min時(shí),效率由60%降到24%.在其他條件一定時(shí),流量對重整率的影響反映了反應物在等離子圖6電極結構對產(chǎn)氫的影響第5期胡又平,等:含水乙醇低溫等離子體重整制氫研究·931比前者要小的多,這樣,放電區域中單位體積的能重整率達到60%量密度高于前者很多.同時(shí),錐齒結構的存在,使4)對比實(shí)驗結果顯示,錐齒形結構的電極比反應空間中紊流加強,各種粒子碰撞的幾率增加,平行形結構的電極能量注入效率高,相同注入功流體通道上的反應界面不斷更新,等離子體反應率條件下,同軸錐齒形電極的重整率高于同軸平更充分、更均勻,整體反應效率提高行形電極3結束語(yǔ)參考文獻[1]李格升,游伏兵,高孝洪,含水酒精在發(fā)動(dòng)機上的應利用錐齒形電極結構介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生的等用研究[門(mén)武漢理工大學(xué)學(xué)報:交通科學(xué)與工程版2008,32(6):994997離子體,對含水乙醇進(jìn)行重整,實(shí)現了乙醇的重整[2]胡又平錐齒形電極介質(zhì)阻擋放電特性的研究[J]制氫,并得到如下結論北京理工大學(xué)學(xué)報,2008(11):1031-1034.1)乙醉等離子體重整制氫的產(chǎn)物有H2,[3] Kim S C, Chun YN. Reforming characteristics fCO,CH4,CO2,C2H4,CH6等,在乙醇體積分數hydrogen production using plasmatron[J]. J.Ind為75%、放電間距為2.0mm,頻率為10.5kHzEng.Chem.,2007,13(4):523-529.注入功率為240W的條件下,得到重整率為[4] Tsai L, Wang C s. Control design of ethanol65%,產(chǎn)物中氫的體積比為67%steam reforming in thermal plasma reformer[C]//2)重整率隨著(zhù)注人功率的提高而單調地上1 6th IEEE International Conference on Control Ap-升.放電頻率與等離子體反應器的諧振頻率一致plications, Singapore, Oct 1-3 2007: 707-714時(shí),其功率注入最高,得到的產(chǎn)氫率也最高.[5] Bromberg L, Cohn D R, Rabinovich A, et al. Compact3)流量是反應物在等離子體區域里停留時(shí)plasmatron- boosted hydrogen generation technologyfor vehicular applications[J]. International Journal of間的反映,停留時(shí)間過(guò)長(cháng)和過(guò)短都不利于重整率Hydrogen Energy. 1999. 24(4): 341-350的提高.本實(shí)驗條件下,流量為3.0mL/min時(shí),Experiment Study on Hydro-ethanol ReformingHydrogen Production by Non-thermal PlasmaHu Youping.2 Li Geshen") Gao Xiaohong" Yan Li"(Institute of Materials and Technology, Dalian Maritime University, Dalian 116026)(School of Science, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063)2)(School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063)3)AbstractThe hydrogen production from ethanol reforming by abevel-gear-to-plane dbd plasma is studiedexperimentally. The results show that the reforming efficiency and hydrogen selectivity are related tothe initial concentration of ethanol, the power input, the power frequency and the flow rate. Thehigher selectivity is obtained for an initial concentration of 75% ethanol, high input power, working atresonance frequency and a moderate flowrate. The bevelconsiderably better than the coaxial design for the DBd-plaversion efficiency of 65% is obtained at a power input ofYHaction performs中國煤化工hydrogen conCNMHGHz, a 2.0 mmdischarge gap and a flow rate of 3. 0 mL/ min from a 75% ethanol/25% water mixtureKey words: ethanol reforming hydrogen production; plasma; bevel-gear-to-plane electrodes