格栅式高通量等离子体反应器和分解硫化氢的方法技术

本发明专利技术涉及等离子体化学领域，公开了一种格栅式高通量等离子体反应器和分解硫化氢的方法，包括：内筒(1)；外筒(2)；设置在所述内筒(1)中的高压电极(3)和接地电极(4)；阻挡介质(6)，所述阻挡介质(6)设置在所述高压电极(3)和/或所述接地电极(4)的外表面；其中，各个所述高压电极层与各个所述接地电极层交错设置，使得各个所述高压电极层中的相邻两个高压电极之间插入有一个接地电极，从而形成交替含有高压电极和接地电极的高压‑接地混合层。本发明专利技术提供的格栅式高通量等离子体反应器具有硫化氢转化率高、能耗低以及能够实现大流量硫化氢处理的优点。

Grid high flux plasma reactor and method of hydrogen sulfide decomposition

【技术实现步骤摘要】
格栅式高通量等离子体反应器和分解硫化氢的方法
本专利技术涉及等离子体化学领域，具体涉及一种格栅式高通量等离子体反应器和一种分解硫化氢的方法。
技术介绍
硫化氢(H2S)是一种剧毒、恶臭的酸性气体，不仅会引起金属等材料的腐蚀，而且会危害人体健康，污染环境。目前我国大中型炼油厂均采用传统的克劳斯法(Claus)处理含H2S的尾气，并回收硫磺。该方法只回收了硫化氢中的硫，却将宝贵的氢转化为水。从资源的综合利用角度考虑，在传统的硫化氢回收工艺中，氢资源并没有得到有效的利用。因此，将硫化氢分解为硫磺和氢气逐渐成为了国内外科研工作者重点关注的
目前，硫化氢分解方法主要包括：高温分解法、电化学法、光催化法和低温等离子体法等。在前述多种方法中，高温热分解法在工业技术上相对成熟，但硫化氢热分解强烈地依赖于反应温度，并且受热力学平衡限制，即使反应温度在1000℃以上，硫化氢的转化率也仅为20％。另外，高温条件对反应器材质的要求较高，这也会增加运行成本。此外，由于硫化氢热分解转化率低，需要将大量的硫化氢气体从尾气中分离并在系统中循环，因此也降低了装置效率并且增加了能耗，这些均给其大型工业化应用带来困难。采用膜技术虽然可以有效的分离产物从而打破平衡限制，提高硫化氢转化率，但热分解温度往往会超过膜的极限耐热温度，使膜材料结构遭到破坏。电化学法则存在操作步骤多、设备腐蚀严重、反应稳定性差和效率低等缺点。光催化法分解硫化氢主要借鉴光催化分解水的研究，研究重点集中在开发高效半导体光催化剂等方面。利用太阳能来分解硫化氢，具有能耗低、反应条件温和、操作简单等优点，是较为经济的方法。但这种方法存在处理量小、催化效率低并且催化剂容易失活等问题。与其他分解方法相比，低温等离子体方法具有操作简单，装置体积小，能量效率高等优点，而且其中涉及的反应具有高度的可控性，可在小处理量、难以集中处理情况下灵活地被应用。此外，由于其具有高能量密度和可缩短反应时间的特点，能够实现在较低温度下将硫化氢进行有效的分解，适合于不同规模、布局分散、生产条件多变的场合。而且，在回收硫磺的同时，低温等离子体方法将氢资源回收，能够实现硫化氢资源化的利用。目前，国内外研究人员对低温等离子体分解硫化氢技术进行了广泛的研究，使用的放电形式主要包括辉光放电、电晕放电、滑动电弧放电、微波等离子体、射频等离子体和介质阻挡放电等。文献《Internationaljournalofhydrogenenergy》，2012,37：1335-1347.采用收缩正常辉光放电的方法分解硫化氢，在压强0.02Mpa、温度2000～4000K条件下得到硫化氢最低分解能耗为2.35eV/H2S。但此反应温度高、压强低，条件苛刻不易于实现。文献《Internationaljournalofhydrogenenergy》，2012,37：10010-10019采用微波等离子体分解硫化氢，在大气压、温度2400K条件下可将硫化氢完全分解，但分解后的氢和硫会在高温下迅速复合重新生成硫化氢，目前尚未有相应的淬冷措施。文献《ChemicalEngineeringScience》，2009，64(23)：4826-4834.采用脉冲电晕放电进行了H2S分解制取氢气和硫磺的研究，反应器采用线管式结构，在固定功率100W条件下考察了脉冲形成电容、放电电压以及脉冲频率对H2S转化率和分解能效的影响。结果表明，在功率一定的条件下，低脉冲形成电容、低放电电压以及高脉冲频率有利于获得高H2S分解能效；另外，与Ar和N2作为平衡气相比，以Ar-N2混合气作为平衡气时可以得到更高的H2S转化率，在Ar/N2/H2S体积分数为46％/46％/8％、放电功率60W、脉冲形成电容720pF时，获得的H2S最低分解能耗为4.9eV/H2S，但此时H2S转化率仅为30％左右。另外，此反应体系的流量仅为1.18×10-4SCMs-1，这种低流量、低浓度、低转化率的反应效果在工业生产中没有实际意义。文献《Journalofappliedphysics》，1998，84(3)：1215-1221使用滑动弧光放电对H2S分解反应进行了研究，其方法是将H2S用空气稀释至浓度为0～100ppm，在气体总流速为0～100L/min条件下考察了气体流动速率、反应腔体尺寸和频率对H2S分解反应的影响。实验结果表明低气体流速、小盘间距及低频率有利于获得较高的H2S转化率，在优化的放电条件下得到的H2S转化率可达75～80％，但H2S分解能耗高达500eV/H2S，这种浓度低、能耗高反应效果同样没有工业应用前景。介质阻挡放电通常可在大气压下产生，并且放电温度较低。此外，由于介质的存在限制了放电电流的增长，从而避免了气体完全击穿形成火花或电弧，这有利于大体积、稳定等离子体的产生，具有较好的工业应用前景。文献《Plasmachemistryandplasmaprocessing》，1992，12(3)：275-285使用改进的臭氧发生器考察了H2S在130～560℃范围内的放电特性，并研究了反应温度、H2S进料浓度、注入功率以及添加H2、Ar、N2等对H2S转化率和能量效率的影响，实验发现添加Ar能够促进H2S的分解，在总流量50～100mL/min、H2S浓度为20～100％条件下得到转化率为0.5～12％，最低产氢能耗约为0.75mol/kWh(50eV/H2)，然而，此过程依然存在转化率低和能耗高的缺点。CN102408095A使用介质阻挡放电和光催化剂协同分解硫化氢，其方法是将具有光催化活性的固体催化剂填充在等离子体区，然而该方法存在硫化氢分解产生的硫磺会沉积在催化剂床层下方的缺点。文献《InternationalJournalofEnergyResearch》，2013，37(11)：1280-1286.将Al2O3，MoOx/Al2O3，CoOx/Al2O3和NiO/Al2O3催化剂填充在放电区，使用介质阻挡放电和催化剂进行了H2S分解研究。反应结果表明MoOx/Al2O3和CoOx/Al2O3催化剂具有较好效果；其中当填充MoOx/Al2O3催化剂，在H2S/Ar总流量150mL/min、H2S浓度5体积％、注入比能SIE为0.92kJ/L、催化剂填充长度为床层10％时，得到的H2S最高转化率约为48％。但此反应过程硫化氢浓度较低，分解产生的硫磺沉积在反应器内部，随着时间的延长，催化剂活性下降、放电稳定性降低，导致硫化氢的转化率逐渐降低。CN103204466A公开了一种控温式硫化氢分解装置和方法，该装置的特点是中心电极为金属、接地电极为温度可控的循环液体，通过液体接地电极的温度控制，使得硫化氢分解过程能够连续稳定的进行。另外，CN103204467A公开了一种硫化氢持续稳定分解制取氢气的装置和方法，该现有技术的特点是以中心电极为金属、接地电极为温度可控的循环液体，通过液体接地电极进行温度控制，原料进气方向为周向进气、并以螺旋模式沿轴向逆向通过放电区，使得产生的硫磺被及时离心分离出来。然而，CN103204466A和CN103204467A公开的方法中为了保证硫化氢尽可能充分地被分解，需要控制硫化氢的流速使得其在反应器内筒中的停留时本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种格栅式高通量等离子体反应器，该反应器具有套筒式结构，且该反应器包括：内筒(1)，所述内筒(1)上分别设置有反应物入口(11)和产物出口(12)；外筒(2)，所述外筒(2)嵌套在所述内筒(1)的外部，且所述外筒(2)上分别设置有导热介质入口(21)和导热介质出口(22)，由所述导热介质入口(21)引入的导热介质能够包围在所述内筒(1)的外周，并且所述导热介质能够由所述导热介质出口(22)引出；高压电极(3)，所述高压电极(3)设置在所述内筒(1)中，且所述高压电极(3)在所述内筒(1)中设置有至少两层；在各个高压电极层中，所述高压电极(3)的个数为两个以上，各个所述高压电极(3)彼此平行；接地电极(4)，形成所述接地电极(4)的材料为固体导电材料，所述接地电极(4)设置在所述内筒(1)中，且所述接地电极(4)在所述内筒(1)中设置有至少两层；在各个接地电极层中，所述接地电极(4)的个数为两个以上，各个所述接地电极(4)彼此平行；阻挡介质(6)，所述阻挡介质(6)设置在所述高压电极(3)和/或所述接地电极(4)的外表面；其中，各个所述高压电极层中的高压电极与各个所述接地电极层中的接地电极交错设置，使得各个所述高压电极层中的相邻两个高压电极之间插入有一个接地电极，从而形成交替含有高压电极和接地电极的高压‑接地混合层；所述高压‑接地混合层的层数为至少两层，且各个所述高压‑接地混合层平行设置；在各个所述高压‑接地混合层中，相邻的高压电极和接地电极之间有间隙r1，所述r1＞0；以及相邻两个所述高压‑接地混合层之间有间隙r2，所述r2＞0。...

【技术特征摘要】
1.一种格栅式高通量等离子体反应器，该反应器具有套筒式结构，且该反应器包括：内筒(1)，所述内筒(1)上分别设置有反应物入口(11)和产物出口(12)；外筒(2)，所述外筒(2)嵌套在所述内筒(1)的外部，且所述外筒(2)上分别设置有导热介质入口(21)和导热介质出口(22)，由所述导热介质入口(21)引入的导热介质能够包围在所述内筒(1)的外周，并且所述导热介质能够由所述导热介质出口(22)引出；高压电极(3)，所述高压电极(3)设置在所述内筒(1)中，且所述高压电极(3)在所述内筒(1)中设置有至少两层；在各个高压电极层中，所述高压电极(3)的个数为两个以上，各个所述高压电极(3)彼此平行；接地电极(4)，形成所述接地电极(4)的材料为固体导电材料，所述接地电极(4)设置在所述内筒(1)中，且所述接地电极(4)在所述内筒(1)中设置有至少两层；在各个接地电极层中，所述接地电极(4)的个数为两个以上，各个所述接地电极(4)彼此平行；阻挡介质(6)，所述阻挡介质(6)设置在所述高压电极(3)和/或所述接地电极(4)的外表面；其中，各个所述高压电极层中的高压电极与各个所述接地电极层中的接地电极交错设置，使得各个所述高压电极层中的相邻两个高压电极之间插入有一个接地电极，从而形成交替含有高压电极和接地电极的高压-接地混合层；所述高压-接地混合层的层数为至少两层，且各个所述高压-接地混合层平行设置；在各个所述高压-接地混合层中，相邻的高压电极和接地电极之间有间隙r1，所述r1＞0；以及相邻两个所述高压-接地混合层之间有间隙r2，所述r2＞0。2.根据权利要求1所述的格栅式高通量等离子体反应器，其中，r1和r2各自独立地小于等于100mm。3.根据权利要求1或2所述的格栅式高通量等离子体反应器，其中，r1和r2与所述阻挡介质(6)的厚度D1之比各自独立地为(0.1～150)：1，优选为(0.2～100)：1；更优选为(0.5～80)：1。4.根据权利要求1-3中任意一项所述的格栅式高通量等离子体反应器，其中，r1和r2与放电区域的长度L1之间的比例关系各自独立地为1：(2～1500)，优选为1：(20～500)；所述放电区域的长度L1为反应物开始进入由所述高压电极和接地电极产生的放电场至离开所述放电场的垂直距离。5.根据权利要求1-3中任意一项所述的格栅式高通量等离子体反应器，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：牟善军，张婧，任君朋，张铁，石宁，徐伟，李亚辉，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司，中国石油化工股份有限公司青岛安全工程研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11