一种等离子体燃料重整装置及其应用制造方法及图纸

本发明专利技术涉及等离子体化工技术领域，具体涉及一种等离子体燃料重整装置及其应用，本发明专利技术公开的等离子体燃料重整装置，包括燃料供应装置、配气装置、供气总阀、等离子体反应器、出气阀、电源和检测装置，其设置合理，密封性好，能精确控制装置的气密性和压强，使得整个装置可以保持本申请所需要0.1‑3MPa的压强；第一支路和第二支路作为气体燃料重整时的燃料供应装置，第四支路作为气液燃料，使得本装置既可以进行气体燃料的重整反应又可以进行气液燃料的重整反应；高压电源的设置，使得本申请所述等离子体燃料重整装置能在高压状态下生成小于2000℃的等离子体，为燃料重整创造有利的条件，促进燃料重整的转化效率。

【技术实现步骤摘要】
一种等离子体燃料重整装置及其应用
本专利技术涉及等离子体化工
，具体涉及一种等离子体燃料重整装置及其应用。
技术介绍
燃料重整反应是指将两种或者多种燃料在辅助能量的作用下生成新的燃料或者化工原料的反应，其中乙炔加氢、二氧化碳加氢、重油加氢等都属于燃料重整反应。现有常规燃料重整反应通常是在高温度、高气压和特定催化剂的条件下进行，仍然存在能量效率低、反应路径冗长、产率选择性低的技术瓶颈。等离子体技术是一种高效的分子活化手段，等离子体是不同于固体、液体和气体的物质第四态，包括自由电子、正离子、负离子、激发态、自由基和中性粒子(原子和分子)等，整体呈中性，根据等离子体中重粒子的温度不同，可将其分成低温等离子体和高温等离子体。在等离子体状态下，可以调控活性氢自由基产生速率和外加温度，将待反应分子置于等离子体的放电区域中，提高反应活性和反应程度。现有等离子体技术用于燃料重整，通常是在低气压或者大气压条件下单独或者与催化剂协同进行燃料重整反应，而且通常得到的是高温等离子体，例如中国专利文献CN109847673A公开了一种在大气压条件下利用电弧放电等离子体进行重油轻质化的方法，其特征在于采用电弧放电形式，减少重油结焦，增加自由基产生效率，提高能量转换效率，但是生成的等离子体温度通常大于2000℃，同样的大气压条件下，中国专利文献CN106185806B公开了一种利用火花放电等离子体进行甲烷转化的装置和方法，将甲烷裂解成氢气和乙炔，改变等离子体放电模式，改变甲烷转化效率及产物的选择性，得到的等离子体温度通常也大于2000℃。然而，低温等离子体的活化效果更好，现有低温等离子体技术已经被广泛应用于材料表面改性、环境污染治理、生物医学、航空航天等多个领域。低温等离子体可以产生高能量电子(通常1-20eV)和较高温度(20-10000℃)，在以上电子能量和温度范围内还可以根据实际需求进行调节，并且还可以在纳秒时间尺度和毫米空间尺度内实现梯度瞬变。基于以上特点，近几十年来将低温等离子体技术用于燃料重整反应的研发备受关注。例如现有中国专利文献CN107880927B公开了一种在大气压条件下利用等离子体射流进行重油加氢反应的工艺和系统，提高重油利用率，防止重油在电厂作用下大量生焦，等离子体温度通常小于400℃。中国专利文献CN108998080A公开了一种在大气压下利用介质阻挡放电产生等离子体用于重油加氢反应的多级处理装置及工艺，特征在于多个等离子体反应器分级串联，针对不同重油馏分，有效调控重油加氢处理流程，避免单一反应条件下加氢效率低的缺点。综上所述，现有低温等离子体技术用于燃料重整反应通常都是在低气压(小于0.1MPa)或者大气压(0.1MPa)条件下进行。然而，对于乙炔加氢、二氧化碳加氢、重油加氢等燃料重整反应，高气压(0.1-3MPa)条件更有利于反应进行。然而，在高气压条件下产生稳定、可控的低温等离子体非常困难。根据帕邢定律，气体的击穿电压与pd值(气压和气体间隙的乘积)成正相关的关系。因此，高气压条件下产生放电等离子体需要非常高的电压，然而高气压又会产生高温度，因为气体一旦被击穿后会快速形成放电通道，能量的持续注入会显著增加放电通道内加热现象，造成等离子体温度过高(通常大于2000℃)，导致难以生成高气压且低温的等离子体。
技术实现思路
因此，本专利技术要解决的技术问题在于现有技术难以形成高气压且低温的等离子体，导致乙炔加氢、二氧化碳加氢、重油加氢等燃料重整反应不完全，产率低。本专利技术公开了一种，包括一种等离子体燃料重整装置，包括燃料供应装置、配气装置、供气总阀、等离子体反应器、出气阀、电源和检测装置；所述燃料供应装置和所述配气装置均与所述供气总阀连接，然后连接至等离子体反应器，所述等离子体反应器连接至检测装置；所述燃料供应装置包括第一支路、第二支路和第四支路，所述第一支路和所述第二支路是气体燃料支路，所述第四支路是气液燃料支路。可选的，所述配气装置包括第三支路，所述第三支路是惰性气体支路。可选的，所述等离子体反应器包括电极、密闭的反应腔体和地电极，所述电极连接至电源。可选的，所述第一支路包括第一气体钢瓶、第一减压阀、第一止逆阀和第一球阀，经聚四氟乙烯管依次连接至供气总阀；所述第二支路包括第二气体钢瓶、第二减压阀、第二止逆阀和第二球阀，经聚四氟乙烯管依次连接至供气总阀；所述第一气体钢瓶和所述第二气体钢瓶内气体选自甲烷、乙烷、丙烷、乙炔、二氧化碳或氢气。可选的，所述供气总阀为球阀，所述供气总阀与所述等离子体反应器之间设有压力表，通过聚四氟乙烯管连接。可选的，所述第四支路包括液相泵、第四气体钢瓶和气液混合器，所述液相泵和第四气体钢瓶分别经聚四氟乙烯管连接到气液混合器，所述气液混合器经聚四氟乙烯管连接到供气总阀。可选的，所述第三支路包括第三气体钢瓶、第三减压阀、第三球阀，经聚四氟乙烯管依次连接至供气总阀；所述第三气体钢瓶内气体包括氩气、氦气和氮气中的一种。可选的，所述电源为高压电源，选自直流、交流和脉冲电源中的一种。可选的，所述电极为高压电极，包括同轴圆柱电极、板-板电极和针-针电极中的一种。可选的，所述反应腔体的壁厚≥3mm。可选的，所述电极在所述反应腔体中通过绝缘材料固定并与所述反应腔体的壁隔开，绝缘材料厚度不小于3mm，材料为聚四氟乙烯或陶瓷等，并通过O圈、法兰固定或密封。可选的，所述电极与所述反应腔体的内壁之间的间距为1-5mm。可选的，所述检测装置包括气液分离器、气相色谱仪和气相色谱-质谱联用仪。本专利技术还公开了一种所述等离子体燃料重整装置进行气体燃料重整的方法，包括以下步骤：S1气密性检查：将所述等离子体燃料重整装置通入氩气使得压强≥3MPa，保持30-50min；S2燃料进样及配气：依次通入所述第一支路、所述第二支路和所述第三支路的气体进行燃料重整反应；S3等离子体燃料重整反应：连接所述电极和所述电源，将所述地电极和所述地线连接，施加脉冲电压，所述脉冲电压激励范围为15-35kV，所述频率为100Hz-3kHz，上升沿、下降沿和脉宽均≤100ns；S4产物收集和检测：收集气体产物并通过检测装置离线检测。可选的，还包括冲洗反应器步骤，在所述燃料进样和配气之前，所述反应腔体内通入所述第一支路和/或所述第二支路的燃料气体，排出氩气残留，并保持压强为0.1-3MPa。本专利技术还公开了一种所述等离子体燃料重整装置进行气液燃料重整的方法，包括以下步骤：S1气密性检查：将所述等离子体燃料重整装置通入氩气使得压强≥3MPa，保持30-50min；S2燃料进样及配气：依次通入所述第四支路的气体燃料与液体燃料的混合气液燃料和所述第三支路的气体进行燃料重整反应；S3等离子体燃料重整反应：连接所述电极和所述电源，将所述地电极和所述地线连接，施加脉冲电压，所述脉冲电压激励范围为15-35kV，所述频率为100-3本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种等离子体燃料重整装置，其特征在于，包括燃料供应装置、配气装置、供气总阀(16)、等离子体反应器(22)、出气阀(23)、电源(18)和检测装置；/n所述燃料供应装置和所述配气装置均与所述供气总阀(16)连接，然后连接至等离子体反应器(22)，所述等离子体反应器(22)连接至检测装置；/n所述燃料供应装置包括第一支路、第二支路和第四支路，所述第一支路和所述第二支路是气体燃料支路，所述第四支路是气液燃料支路。/n

【技术特征摘要】
1.一种等离子体燃料重整装置，其特征在于，包括燃料供应装置、配气装置、供气总阀(16)、等离子体反应器(22)、出气阀(23)、电源(18)和检测装置；
所述燃料供应装置和所述配气装置均与所述供气总阀(16)连接，然后连接至等离子体反应器(22)，所述等离子体反应器(22)连接至检测装置；
所述燃料供应装置包括第一支路、第二支路和第四支路，所述第一支路和所述第二支路是气体燃料支路，所述第四支路是气液燃料支路。


2.根据权利要求1所述的等离子体燃料重整装置，其特征在于，所述配气装置包括第三支路，所述第三支路是惰性气体支路。


3.根据权利要求1所述的等离子体燃料重整装置，其特征在于，所述等离子体反应器(22)包括电极(19)、密闭的反应腔体(20)和地电极(21)，所述电极(19)连接至电源(18)。


4.根据权利要求1所述的等离子体燃料重整装置，其特征在于，所述第一支路包括第一气体钢瓶(1)、第一减压阀(2)、第一止逆阀(3)和第一球阀(4)，经聚四氟乙烯管依次连接至供气总阀(16)；
所述第二支路包括第二气体钢瓶(5)、第二减压阀(6)、第二止逆阀(7)和第二球阀(8)，经聚四氟乙烯管依次连接至供气总阀(16)；
所述第一气体钢瓶(1)和所述第二气体钢瓶(5)内气体选自甲烷、乙烷、丙烷、乙炔、二氧化碳或氢气。


5.根据权利要求2所述的等离子体燃料重整装置，其特征在于，所述供气总阀(16)为球阀，所述供气总阀(16)与所述等离子体反应器(22)之间设有压力表(17)，通过聚四氟乙烯管连接。


6.根据权利要求1所述的等离子体燃料重整装置，其特征在于，所述第四支路包括液相泵(12)、第四气体钢瓶(13)和气液混合器(15)，所述液相泵(12)和第四气体钢瓶(13)分别经聚四氟乙烯管连接到气液混合器(15)，所述气液混合器(15)经聚四氟乙烯管连接到供气总阀(16)。


7.根据权利要求1所述的等离子体燃料重整装置，其特征在于，所述第三支路包括第三气体钢瓶(9)、第三减压阀(10)、第三球阀(11)，经聚四氟乙烯管依次连接至供气总阀(16)；所述第三气体钢瓶内气体包括氩气、氦气和氮气中的一种。


8.根据权利要求1所述的等离子体燃料重整装置，其特征在于，所述电源(18)为高压电源，选自直流、交流和脉冲电源中的一种。


9.根据权利要求1所述的等离子体燃料重整装置，其特征在于，所述电极(19)为高压电极，包括同轴圆柱电极、板-板电极和针-针电极中的一种。


10.根据权利要求1所述的等离子体燃料重整装置，其特征在于，所述反应腔体(20)的壁厚≥3mm。


11.根据权利要求1所述的等离子体燃料重整装置，其特征在于，所述电极(19)在所述反应腔体(20)中通过绝缘材料固定并与所述反应腔体20的壁隔开，绝缘材料厚度不小于3mm...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵涛，张帅，孙昊，高远，康少芬，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11