磁旋滑动弧放电等离子体重整甲烷制氢实验研究

摘要

氢气作为一种高效、清洁的可再生能源，因其能量密度大、燃烧热值高，广泛应用于化工、冶炼、航空和燃料电池等领域。利用等离子体制取氢气越来越受到人们的关注，本文所研究的磁旋滑动弧放电等离子体兼具热等离子体和低温等离子体的特点，能量转化效率高，而且设备简单，操作方便，因此，磁旋滑动弧放电等离子体作为一种新的制氢技术，具有良好的应用前景。
　　 本文通过研究设计的磁旋滑动弧等离子反应器的电参数，分析不同载气作用下包括氮气、空气、氧气等电压电流波形，同时通过改变载气气流流量和磁场大小来分析气流场与磁场对滑动弧的影响。研究表明:磁场驱动不仅可以提高等离子滑动弧旋转速度，并且可以增大等离子体在气流场中的分布。空气作为载气时，电弧电压电流波形最为稳定，周期在3.5-4.4ms之间;氧气作为载气时，电弧击穿电压低于800V，维持电压低于500V，平均功率为95.8W，相对其他载气时较低，同时电弧电压图像存在平稳过渡区。本文对滑动弧电弧图像做出一定的分析，利用高速摄影技术研究了磁场强度变化时电弧的运动情况。结果显示:低磁场时旋转滑动弧会出现双弧现象;高磁场时电弧不再断裂，而与外电极的接触点出现近似等速的跃迁。同时研究发现电弧外触电的跳跃频率与电弧的波形频率近似相同，可以推断电弧触电以一定周期跳跃旋转，形成了电弧电压较为固定的周期波形。
　　 本文运用fluent软件对反应器气流场进行模拟，计算出滑动弧反应区气流的切向流速，根据受力分析可得到电弧旋转频率的模拟值，与实际测量值进行对照分析发现，电弧的模拟值偏高，这是由于电弧受气流阻力是三维的，实际过程中，电弧所受气流阻力要大。
　　 本文以甲烷为发生气体，以氮气或者空气作为辅助气体，运用磁旋滑动弧反应制取氢气，重点研究进气流量、电弧电流方向、原料配比等参数对反应的影响，研究表明，内电极为正极的制氢效果明显好于外电极为正极时的制氢效果，在氮气作为辅助气体时，内电极为正极，n(CH4)∶ n(N2)=0.4甲烷转化率最大41.2％;氢气选择性则随n(CH4)∶ n(N2)比值增大而减小。当空气作为辅助气体时，甲烷不仅发生裂解反应，同时还发生部分氧化反应;当过量空气系数逐渐增大时，氢气选择性会先升高后降低，实验结果表明，空气稍过量会有助氢气选择性的提高。

目录

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 等离子体的定义

1．2 热等离子体和低温等离子体

1．3 低温等离子体技术

1．4 低温等离子体发生技术

1．5 滑动弧低温等离子体

1．6 传统燃料制氢技术

1．7 滑动弧放电等离子体制氢技术

1．8 磁旋滑动弧低温等离子体制氢技术

1．9 全文框架

第二章 实验方法和实验装置

2．1 实验原料及仪器设备

2．2 磁旋滑动弧放电等离子发生装置

2．3 实验系统流程及结果分析

2．4 反应性能评价

第三章 磁旋转滑动弧电参数与电弧图像的初步分析

3．1 磁旋滑动弧电参数分析

3．2 磁旋滑动弧图像分析

3．3 本章小结

第四章 磁旋转滑动弧电参数与电弧图像的进一步研究

4．1 实验条件

4．2 氮气作为载气电弧图像分析

4．3 空气作为载气电弧图像分析

4．4 氮气预混甲烷电弧图像分析

4．5 本章小结

第五章 磁旋滑动弧受力分析

5．1 电弧的二维受力分析

5．2 滑动弧反应器的数值模拟

5．3 模拟值与测量值比较

5．4 本章小结

第六章 磁旋滑动弧重整氮气预混甲烷制氢实验研究

6．1 反应性能评价

6．2 实验介绍及参数设定

6．3 实验结果和分析

6．4 本章小结

第七章 磁旋滑动弧重整空气预混甲烷制氢实验研究

7．1 实验介绍及参数设定

7．2 反应机理探讨与分析

7．3 本章小结

第八章 副产物炭黑电镜下的图像分析及实验设想

8．1 纳米碳管介绍

8．2 纳米碳管的初步研究

8．3 实验设想

第九章 全文总结及展望

9．1 全文总结

9．2 创新点

9．3 建议与展望

参考文献