用于以电晕放电诱导的方式裂解含氢气体的等离子体解离设备制造技术

本发明专利技术涉及以电晕放电诱导的方式将含氢气体(10)裂解为分子氢(12)和至少一种副产物(14”)或者制备分子氢和至少一种副产物或者从分子氢和至少一种副产物制备后续产物。为此，含氢气体(10)经由气体输入管路(20)被引入具有刚好一个等离子体电极(22”)的气密的反应室(18”)中。气密的反应室(18”)由壁(28)包围，所述壁构成用于将所述等离子体电极(22”)相对于壁(28)的外侧电绝缘。等离子体电极(22”)与高频发生器(200)连接，所述高频发生器提供高频的交流电压并且借助于高频的交流电压在反应室(18”)中产生电晕放电(32)。因此含氢气体(10)裂解成分子氢(12)和至少一种副产品(14”)。分子氢(12)借助于气体输出管路(24)从反应室(18”)中引出。含氢气体(10)例如能够包含甲烷、生物气、天然气、硫化氢，或转入气态的聚集态的环己烷、庚烷、甲苯、汽油、JP

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于以电晕放电诱导的方式裂解含氢气体的等离子体解离设备


[0001]本专利技术涉及一种用于将含氢气体以电晕放电诱导的方式裂解为分子氢和至少一种副产品或副产物的等离子体解离设备，以及一种具有至少两个这种等离子体解离设备的等离子体解离系统和一种用于将含氢气体以电晕放电诱导的方式裂解为分子氢和至少一种副产物或用于制备分子氢和至少一种副产物的方法。

技术介绍

[0002]已知的是，借助于Kvaerner方法在等离子体燃烧室中在例如1600℃下将碳氢化合物，例如甲烷、天然气、生物气或重油分离成活性炭和氢气。
[0003]此外，从Gui
‑
Bing Zhao等著的，“Methane conversion in pulsed corona discharge reactors”，Chemical Engineering Journal 125(2006)67
‑
79中对于实验室规程已知，在同轴脉冲式电晕放电反应器中，将甲烷转化为不同的含碳和氢的气体，例如乙炔、乙烷和乙烯。电晕放电反应器使用不锈钢丝作为阳极，并且使用包围阳极的不锈钢阴极或铌阴极。阳极沿着阴极的中心轴线设置。阳极带正电，而阴极接地。流过阴极的气体通过阳极的高压放电转化为等离子体。电晕放电反应器以在10kV和25kV之间的电压，在0和1000Hz之间的脉冲频率下运行。

技术实现思路

[0004]在此形成本专利技术，本专利技术提供一种改善的等离子体解离设备，用于将含氢气体以电晕放电诱导的方式裂解成分子氢和至少一种副产物，或者用于制备分子氢和至少一种副产物。
[0005]根据第一方面，本专利技术涉及一种等离子体解离设备，用于将含氢气体以电晕放电诱导的方式裂解成分子氢和至少一种副产物，或者用于制备分子氢和至少一种副产物。等离子体解离设备包含气密的反应室、用于使含氢气体进入反应室中的气体输入管路、刚好一个用于在反应室中借助于高频交流电压产生电晕放电的等离子体电极以及用于使分子氢从反应室离开的气体输出管路。气密的反应室由壁包围，所述壁构成用于将等离子体电极相对于壁的外侧电绝缘。等离子体电极与高频发生器连接以产生高频交流电压。
[0006]本专利技术利用所谓的电晕放电，尤其在等离子体电极的扁平端部上或在等离子体电极的尖端上，例如在等离子体电极的气体喷嘴尖端上，所述气体喷嘴尖端将含氢气体传导到反应室中。在电晕放电时优选产生非热的等离子体。这能够减少在裂解含氢气体时的能量消耗，因为较少的能量被转化为无法再有效利用的热能。因此能够降低用于制备分子氢以及用于制备分子氢的设备或设施的成本。
[0007]此外，与在使用微波等离子体方法例如Kvaerner方法时相比，能够实现更高的效率，所述微波等离子体方法以约为60％的效率工作。例如能够借助等离子体解离设备达到85％的效率。在这种情况下，效率表示，所述效率涉及用于产生分子氢所需的电功率。例如
能够借助等离子体解离设备利用10kWh来制备1kg的分子氢。Kvaerner方法为此例如需要13.75kWh或1.25kWh/m3的分子氢。
[0008]此外，与微波等离子体方法相反，对于借助等离子体解离设备制备分子氢不需要在减小的压力下工作。
[0009]为了将等离子体电极相对于反应室的壁的外侧电绝缘，壁构成为，使得穿过壁的表面从外部到等离子体电极的电流为零。为此，壁的与等离子体电极相反的内侧具有浮动电位。这实现直接在等离子体电极上构成更强的电场。因此能够更好地裂解含氢气体。壁例如能够是不接地的非金属壁。替选地，壁也能够是在其与等离子体电极相反的内侧上具有非金属绝缘部的金属壁，例如具有非金属绝缘覆层。
[0010]本专利技术已经认识到，电晕放电能够有利地借助刚好一个等离子体电极来产生。在这种情况下不设有对应电极。对应电极能够由反应室的壁的内侧的多个部分自发形成，使得在反应室中在等离子体电极和反应室的壁的内侧的多个部分之间，在等离子体电极上产生强电场。然而，电场也能够在没有自发形成的对应电极的情况下产生电晕放电。因为使用仅一个等离子体电极，所以能够减少污染和固态副产物或副产品对等离子体电极的可能的堵塞。此外，因为使用仅一个等离子体电极，所以能够减少电极材料剥离。
[0011]本专利技术还基于如下认知：经由使用高频交流电压，借助仅一个等离子体电极，等离子体能够通过电晕放电在大气压下点燃和运行。在大气压下的运行能够降低用于设施和运行的成本。此外，与具有对应电极的设备相反，在等离子体电极的端部上能够产生等离子体击穿。
[0012]电晕放电能够在电场中产生，所述电场强到足以在气体中的原子电离之后在空间上分离自由电子和离子，使得所述自由电子和离子不会立即重组。这也能够用于将分子中的不同的原子相互分离，其方式为：打破所述原子之间的键。然后，所述原子能够相互重组为新的或不同地组成的分子。例如，甲烷能够分裂成碳原子和氢原子，所述碳原子和氢原子能够重组为分子氢和固态的碳结构。
[0013]电晕放电能够按以下方式进行。第一自由电子能够通过场电离产生，其中产生自由电子和正离子。在这种情况下，通过例如在电极尖端附近的强电场，改变结合在原子中的电子的电位变化曲线，使得能够克服或隧道击穿电位屏障。替选地，如果高能光子射到原子上并且借助于光电效应使原子电离，使得产生自由电子和正离子，那么也能够产生第一自由电子。高能光子例如能够由辐射源例如UV辐射源提供，或者通过自然事件例如由宇宙射线产生的光子提供。
[0014]强电场将不同地带电的粒子，即带负电的自由电子和带正电的离子，沿不同方向加速，进而将它们在空间上彼此分离。带正电的离子能够是具有多个原子的分子的一部分，使得带正电的分子能够被加速。由于电子的电荷量相同但是质量较小，所述电子与带正电的离子相比更强地被加速，并且当所述电子与另一原子碰撞到一起时，所述电子能够电离并且产生另一自由电子。多个自由电子也能够击中分子的多个原子，使得分子能够分裂成其原子。因为每个新的自由电子能够产生其他自由电子，所以能够产生电子雪崩。
[0015]自由电子的一部分与带正电的离子重组并且产生中性原子以产生高能光子，所述高能光子又能够电离其他原子。所述光子可被识别为典型的电晕发光体(Koronaleuchten)。
[0016]电场强度在距等离子体电极一定距离时能够强烈减少，使得电子不再具有足够的能量来产生其他自由电子和带正电的离子。这限制了电晕放电并且是其外部极限。带正电的离子能够与电极的电子或自由电子重组。此外，原子能够相互重组为新组成的分子。
[0017]因此，借助根据本专利技术的等离子体解离设备能够在较低的成本下将大量的含氢气体有效地裂解成分子氢和至少一种副产物。也就是说，这实现从含氢气体中制备分子氢和至少一种副产物。
[0018]含氢气体例如能够含有甲烷。例如，含氢气体能够包含超过75％的甲烷，优选超过90％的甲烷，例如在90％和99％之间的甲烷。甲烷在电晕放电时被裂解为氢和元素碳，尤其发生化学反应n CH4‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于以电晕放电诱导的方式将含氢气体(10)裂解为分子氢(12)和至少一种副产物(14；14
’
；14”或者用于制备分子氢(12)和至少一种副产物(14；14
’
；14”)的等离子体解离设备(100；100
’
；100”)，所述等离子体解离设备包含：
‑
气密的反应室(18；18
’
；18”)，
‑
用于使所述含氢气体(10)进入所述反应室(18；18
’
；18”)中的气体输入管路(20)，
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刚好一个用于在所述反应室(18；18
’
；18”)中借助于高频的交流电压产生电晕放电(32)的等离子体电极(22；22
’
；22”)，和
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用于使所述分子氢(12)从所述反应室(18；18
’
；18”)中离开的气体输出管路(24)，其中所述气密的反应室(18；18
’
；18”)由壁(28；28”)包围，所述壁构成用于将所述等离子体电极(22；22
’
；22”)相对于所述壁(28)的外侧电绝缘，并且其中所述等离子体电极(22；22
’
；22”)与用于产生所述高频的交流电压的高频发生器(200)连接。2.根据权利要求1所述的等离子体解离设备(100；100
’
；100”)，其中所述气体输入管路(20)设置为，使得所述含氢气体(10)沿着所述等离子体电极(22)的表面朝向所述电晕放电(32)流动。3.根据权利要求1或2所述的等离子体解离设备(100”)，其中所述等离子体电极(22”)具有扁平的端部(68)，所述端部用于在所述反应室(18”)中产生所述电晕放电(32)。4.根据权利要求1或2所述的等离子体解离设备(100；100
’
)，其中所述等离子体电极(22；22
’
)具有开口(34)，所述开口与所述气体输入管路(20)连接，并且其中所述等离子体电极(22；22
’
)设置为，使得所述含氢气体(10)穿过所述等离子体电极(22；22
’
)的开口(34)被引入所述反应室(18；18
’
)中。5.根据权利要求1至4中任一项所述的等离子体解离设备(100”)，其中所述等离子体解离设备(100”)具有绝缘体(70)，所述绝缘体将所述等离子体电极(22”)相对于所述壁(28)的外侧电绝缘。6.根据权利要求1至5中任一项所述的等离子体解离设备(100”)，其中所述反应室(18”)在所述气体输入管路(20)和所述气体输出管路(24)之间具有渐缩部(72)和加宽部(74)。7.一种用于以电晕放电诱导的方式将含氢气体(10)裂解为分子氢(12)和至少一种副产物(14；14
’
)或用于制备分子氢(12)和至少一种副产物(14；14
’
)的等离子体解离系统(400；400
’
)，所述等离子体解离系统包含至少两个根据权利要求1至6中任一项所述的等离子体解离设备(100；100
’
)，其中所述等离子体解离设备(100；100
’
)彼此并联或串联地设置。8.根据权利要求7所述的等离子体解离系统(400；400
’
)，所述等离子体解离系统具有：
‑
具有能够产生含氢气体(10)的物质的储存器，和/或
‑
具有含氢气体(10)的储存器(702)，和/或
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能量设施(704)，所述能量设施用于提供用于以电晕放电诱导的方式将含氢气体(10)裂解为分子氢(12)和至少一种副产物(14)的能量，和/或
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用于储存所述分子氢(12)的氢储存器，和/或
‑
能够借助分子氢(12)运行的驱动器，和/或
‑
能够借助分子氢(12)运行的能量设施。9.一种根据权利要求1至6中任一项所述的等离子体解离设备(100；100
’
)的用途，所述用途用于利用在位置固定的结构(702)或移动式结构的运行中所提供的含氢气体(10)将含氢气体(10)裂解成分子氢(12)和至少一种副产物(14；14
’
)或用于制备分子氢(12)和至少一种副产物(14；14
’
)。10.一种由根据权利要求1至6中任一项所述的等离子体解离设备(100；100
’
；100”)制备的分子氢(12)和/或至少一种副产物(14；14
’
)的用于制备后续产物的用途。11.一种在根据权利要求1至6中任一项所述的等离子体解离设备中制备的分子氢用于以下应用的用途：
‑
作为燃料，
‑
用于制备氢燃烧产物，
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作为驱动机构，
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用于运行氢驱动的汽车，
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用于与液态气体混合，
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用于与液态天然气混合，
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用于与液态的生物甲烷混合，
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用于与天然气混合，
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用于与甲烷混合，
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用于制备合成气体，
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用于制备合成的燃料，
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用于制备氨，
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用于提炼石油，
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用于氢化化合物，
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用于运行氢涡轮机，
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用于运行燃料电池，...

【专利技术属性】
技术研发人员：延斯，
申请(专利权)人：格拉福斯有限责任公司，
类型：发明
国别省市：