等離子體與化學催化複合重整製備富氫燃氣的設備的製作方法

2023-07-02 02:05:16

專利名稱：等離子體與化學催化複合重整製備富氫燃氣的設備的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及碳氫燃料重整技術，具體地指一種等離子體與化學催化複合重整製備富氫燃氣的設備。
背景技術：
目前，利用碳氫燃料製取富氫燃氣的設備主要有化學催化設備和等離子體重整設備。化學催化設備重整制氫是在催化劑的作用下，使碳氫燃料經過化學反應後變為氫氣，它包括有水蒸氣重整、部分氧化重整和自熱重整。水蒸氣重整設備比較成熟，製取的氫氣含量高，是目前最常用的一種重整制氫方式。採用這種設備，將燃料與水蒸氣混合後進入重整器，在高溫和催化劑的作用下發生重整反應產生氫氣。但這種反應為吸熱反應，所需熱量由部分燃料在外部燃燒產生，需要外部供熱才能維持重整反應的進行；在整個系統中，參與燃燒反應的燃料大約佔總燃料的25%， 能量利用率較低；同時化學催化重整反應的響應時間比較長，催化劑容易中毒。部分氧化重整設備利用燃料在氧氣不足的情況下發生氧化還原反應，生產一氧化碳和氫氣。該反應是放熱反應，因而不需要外來的熱源供給。但是此設備需要在反應前除硫以避免催化劑中毒失效；而且部分氧化重整的反應機理很複雜，副產物多，產生的氫氣純度低、產氫率低。自熱重整設備是將吸熱的水蒸氣重整和放熱的部分氧化重整結合到一起，並在一定條件下實現熱量的自平衡。這種設備雖然可以使系統的效率提高，但自熱重整要求同時調節好氧氣、水蒸氣和燃料之間的比例，控制比較困難，並且在重整中易產生積碳現象而損傷催化劑。等離子體重整制氫設備是一種先進的制氫技術，它採用等離子激發重整反應的發生，等離子體中的高能電子作用於碳氫分子，將其中的碳氫鏈打斷形成小的分子，如氫氣等。因為等離子的能量密度很高，使得這種方式具有起動快、動態響應快速、重整器結構簡單緊湊等特點。但是，等離子體重整器所使用的高頻高壓電源會在電極上產生大量的熱量而損失能量，能量利用率不高。

實用新型內容本實用新型的目的在於克服現有技術所存在的不足，提供一種反應速度快、重整效率高、能量利用率高的等離子體協同催化複合反應製備富氫燃氣的設備。為實現上述目的，本實用新型所設計的等離子體與化學催化複合重整製備富氫燃氣的設備，包括同軸布置的筒形內電極和筒形外電極，所述筒形內電極和筒形外電極之間形成環狀等離子體放電區，所述環狀等離子體放電區的一端為放電區進口，所述環狀等離子體放電區的另一端為放電區出口，所述筒形內電極的空腔內填充有化學催化反應床層， 所述化學催化反應床層的反應床進口與環狀等離子體放電區的放電區出口位於同一側並相連通，所述化學催化反應床層的反應床出口與環狀等離子體放電區的放電區入口位於同一側並相間隔。作為優選方案，所述筒形內電極和筒形外電極之間設置有筒形阻擋介質層，所述筒形外電極套裝在筒形阻擋介質層上。具體地，所述筒形阻擋介質層為高絕緣材料的氧化鋁陶瓷或石英，其電阻率大於 IO14 Ω/cm、介電常數值彡9，厚度為0.4 1.0mm，臨界擊穿電場強度彡400KV/cm、吸水率為 0. 0%。具體地，所述環狀等離子體放電區的施加電壓為5 20KV、頻率為7 15KHz、電極放電間距為0. 5 4mm。進一步地，所述筒形內電極和筒形外電極的一側設置有密封端蓋。這樣，其結構簡單實用，通過密封端蓋的阻擋和導流作用下，可使所述化學催化反應床層的反應床進口與環狀等離子體放電區的放電區出口在最短的距離內相連通。更進一步地，所述化學催化反應床層內設置有加熱器。這樣，當內電極提供給化學催化反應床層內的熱量不足時，可以通過加熱器供熱。再進一步地，所述化學催化反應床層內設置有溫度傳感器。這樣，可以監測化學催化反應床層內的溫度，並據此及時對反應溫度進行調節，使熱能利用達到最佳。本實用新型的優點在於所設計的複合重整設備，其環狀等離子體放電區的放電區出口直接與以內電極為外罩的化學催化反應床層的反應床進口相連，使經過等離子體處理後的產物即刻進入到化學催化反應床層中；經過等離子體處理後的燃料中含有大量的活性粒子，當這些活性粒子隨著生成的富氫氣體一同進入到化學催化反應床層後，可以降低催化重整的活化溫度，提高催化重整的反應效率，同時內電極上因高頻電流產生的高溫，可成為催化反應的熱源，為催化反應加溫，使總體重整效率和能量利用率得到提高。另外，本實用新型還具有結構簡單緊湊、體積輕便小巧、反應速度快、重整效率高、能量利用率高、製造成本低廉的特點。

圖1為一種等離子體與化學催化複合重整製備富氫燃氣的設備的剖視結構示意圖。圖2為圖1中的A-A剖視結構示意圖。
具體實施方式

以下結合附圖和具體實施例對本實用新型作進一步的詳細描述。圖中所示等離子體與化學催化複合重整製備富氫燃氣的設備，包括同軸布置的筒形內電極2和筒形外電極1，筒形內電極2和筒形外電極1之間設置有筒形阻擋介質層3。 筒形阻擋介質層3採用高絕緣材料的氧化鋁陶瓷或石英，其電阻率大於1014Q/cm、介電常數值彡9，厚度為0. 4 1. 0mm，臨界擊穿電場強度彡400KV/cm、吸水率為0. 0%。筒形外電極1套裝在筒形阻擋介質層3上，由此在筒形內電極2和筒形外電極1之間形成介質阻擋結構的環狀等離子體放電區4。環狀等離子體放電區4的一端為放電區進口 8，環狀等離子體放電區4的另一端為放電區出口 10。在筒形內電極2和筒形外電極1的一側設置有密封端蓋6，密封端蓋6固定在該側延伸出的筒形阻擋介質層3端部。在筒形內電極2的空腔內填充有化學催化反應床層5，化學催化反應床層5的反應床進口 11與環狀等離子體放電區4的放電區出口 10位於同一側， 並在密封端蓋6的阻擋和導流作用下相連通。化學催化反應床層5的反應床出口 9則與環狀等離子體放電區4的放電區入口 8位於同一側並相間隔。在化學催化反應床層5內還設置有加熱器7和溫度傳感器12。加熱器7採用電熱管，其一端固定在密封端蓋6上。溫度傳感器12則通過信號線與外界控制電路相連，用以調節化學催化反應床層5的反應溫度。上述等離子體與化學催化複合重整製備富氫燃氣的設備的具體設計參數如下實施例1 以內徑為122mm、厚度為0. 5mm的高絕緣的氧化鋁陶瓷為筒形阻擋介質層3，筒形外電極1套裝在筒形阻擋介質層3的外徑上。筒形內電極2外徑為120mm、長度為300mm， 筒形內電極2和筒形阻擋介質層3之間的電極放電間距為1mm，放電長度為^Omm。在內外電極之間加載頻率ΙΟΚΗζ、電壓15KV的高頻高壓電。筒形內電極2的空腔內填充有化學催化反應床層5，所用化學催化劑為鎳基催化劑。化學催化反應床層5中安裝有直徑12mm的電熱管式加熱器7和溫度傳感器12，兩端有金屬網罩固定催化劑，形成一個直徑為IOOmm的催化反應室。實施例2 以內徑為123mm、厚度為0. 8mm的石英為筒形阻擋介質層3，筒形外電極1套裝在筒形阻擋介質層3的外徑上。筒形內電極2的外徑為120mm、，長度為300mm，筒形內電極2 和筒形阻擋介質層3之間的電極放電間距為1.5mm，放電長度為^Omm。在內外電極之間加載頻率15KHz、電壓15KV的高頻高壓電。筒形內電極2的空腔內填充有化學催化反應床層 5，所用化學催化劑為銅基催化劑。化學催化反應床層5中設置有直徑12mm的電熱管式加熱器7和溫度傳感器12，兩端有金屬網罩固定催化劑，形成一個直徑為IOOmm的催化反應室。採用上述複合重整設備製備富氫燃氣時1)將經過霧化處理的碳氫燃料霧滴導入同軸布置的筒形內電極2和筒形外電極1 所構成的環狀等離子體放電區4中，使碳氫燃料霧滴在高能電子的撞擊作用下發生基於自由基的等離子體重整反應，其中大部分的大分子碳氫鏈物質被打斷並激活，產生大量的活性粒子和小分子混合物；2)再將所產生的活性粒子和小分子混合物連同少量未反應的大分子碳氫鏈物質直接導入填充在筒形內電極2空腔內的化學催化反應床層5中，使它們在化學催化劑的表面發生急劇的催化反應，產生更多和更小的小分子混合物，同時筒形內電極2產生的熱量可為化學催化反應床層5加熱利用；3)最後將所產生的小分子混合物導出，即可獲得高濃度的富氫燃氣。對比例將本實用新型的等離子體與化學催化複合重整設備與傳統的化學催化設備和等離子體重整設備進行比較，結果如表1所示。表1 三種設備製備富氫燃氣的效果比較
權利要求1.一種等離子體與化學催化複合重整製備富氫燃氣的設備，包括同軸布置的筒形內電極(2)和筒形外電極(1)，所述筒形內電極( 和筒形外電極(1)之間形成環狀等離子體放電區G)，所述環狀等離子體放電區的一端為放電區進口(8)，所述環狀等離子體放電區的另一端為放電區出口(10)，其特徵在於所述筒形內電極O)的空腔內填充有化學催化反應床層(5)，所述化學催化反應床層(5)的反應床進口(11)與環狀等離子體放電區(4)的放電區出口(10)位於同一側並相連通，所述化學催化反應床層(5)的反應床出口 (9)與環狀等離子體放電區⑷的放電區入口⑶位於同一側並相間隔。
2.根據權利要求1所述的等離子體與化學催化複合重整製備富氫燃氣的設備，其特徵在於所述筒形內電極( 和筒形外電極(1)之間設置有筒形阻擋介質層(3)，所述筒形外電極(1)套裝在筒形阻擋介質層C3)上。
3.根據權利要求2所述的等離子體與化學催化複合重整製備富氫燃氣的設備，其特徵在於所述筒形阻擋介質層(3)為高絕緣材料的氧化鋁陶瓷或石英，其電阻率大於1014Ω/ cm、介電常數值彡9，厚度為0. 4 1. 0mm，臨界擊穿電場強度彡400KV/cm、吸水率為0. 0%o
4.根據權利要求1或2或3所述的等離子體與化學催化複合重整製備富氫燃氣的設備，其特徵在於所述環狀等離子體放電區(4)的施加電壓為5 20KV、頻率為7 15KHz、 電極放電間距為0. 5 4mm。
5.根據權利要求1或2或3所述的等離子體與化學催化複合重整製備富氫燃氣的設備，其特徵在於所述筒形內電極( 和筒形外電極(1)的一側設置有密封端蓋(6)，所述化學催化反應床層(5)的反應床進口(11)與環狀等離子體放電區⑷的放電區出口(10) 在密封端蓋(6)的阻擋和導流作用下相連通。
6.根據權利要求1或2或3所述的等離子體與化學催化複合重整製備富氫燃氣的設備，其特徵在於所述化學催化反應床層(5)內設置有加熱器(7)。
7.根據權利要求1或2或3所述的等離子體與化學催化複合重整製備富氫燃氣的設備，其特徵在於所述化學催化反應床層(5)內設置有溫度傳感器(12)。
專利摘要本實用新型公開了一種等離子體與化學催化複合重整製備富氫燃氣的設備。它包括同軸布置的筒形內電極和筒形外電極，筒形內電極和筒形外電極之間形成環狀等離子體放電區，環狀等離子體放電區的一端為放電區進口，環狀等離子體放電區的另一端為放電區出口，筒形內電極的空腔內填充有化學催化反應床層，化學催化反應床層的反應床進口與環狀等離子體放電區的放電區出口位於同一側並相連通，化學催化反應床層的反應床出口與環狀等離子體放電區的放電區入口位於同一側並相間隔。其具有結構簡單緊湊、體積輕便小巧、反應速度快、重整效率高、能量利用率高、製造成本低廉的優點。
文檔編號C01B3/02GK202131085SQ201120219608
公開日2012年2月1日 申請日期2011年6月27日 優先權日2011年6月27日
發明者李格升, 梅雪飛, 遊伏兵, 胡又平, 高孝洪 申請人:武漢理工大學