涂覆刀片电极的方法、刀片电极、滑动弧等离子体反应器和等离子体转化甲烷的方法技术

本发明专利技术涉及等离子体领域，公开了涂覆刀片电极的方法、刀片电极、滑动弧等离子体反应器和等离子体转化甲烷的方法，该方法包括：采用原子层沉积法应用涂覆材料对滑动弧等离子体反应器中的刀片电极进行涂覆以在所述刀片电极的表面获得含有层叠设置的至少两个单层原子层沉积金属氧化物薄膜的镀层，所述镀层为半导体材料，各个所述单层原子层沉积金属氧化物薄膜的形成材料相同。本发明专利技术提供的方案通过对刀片电极的表面涂覆电介质层将刀片电极进行改性，从而削弱电弧能量，降低等离子体场温度，进而使得甲烷在电场作用下直接高效转化为乙烯，并且能够降低能耗，有效抑制积碳，无CO2产生，乙烯收率高，没有燃爆风险，更加安全环保。更加安全环保。更加安全环保。

【技术实现步骤摘要】
涂覆刀片电极的方法、刀片电极、滑动弧等离子体反应器和等离子体转化甲烷的方法


[0001]本专利技术涉及等离子体领域，具体涉及涂覆刀片电极的方法、刀片电极、滑动弧等离子体反应器和等离子体转化甲烷的方法。

技术介绍

[0002]等离子体甲烷转化技术在国内从上世纪80年代开始研究，从2000年开始逐渐形成专利技术。
[0003]CN1360008A公开了一种采用等离子体转化甲烷和二氧化碳制备汽油的方法，该方法中加入了CO2作为另一种反应物且主要产物为汽油。CN1552680A公开了热等离子体裂解含甲烷气体制乙炔方法，主要采用甲烷作原料，以乙炔为主要副产物。CN100999432A公开了离子液体催化等离子体甲烷转化制C2烃的方法。CN101734620A公开了一种富甲烷气等离子体制氢气的方法。
[0004]西南化工研究设计院公布了一系列等离子体裂解甲烷的专利技术，主要针对等离子体转化甲烷制备炭黑或乙炔与氢气工艺进行开发，更加侧重的是工艺的设计与优化。
[0005]清华大学、太原理工大学以及新疆天业集团联合开发了等离子体裂解煤制乙炔工艺，主要使用煤做原料，天然气辅助制备乙炔与氢气，其工作气为氢气。
[0006]浙江大学主要针对等离子体在线清焦的方法进行了开发，可通入CO2或H2，去除电极表面积碳。还开发了一种旋转弧等离子体裂解甲烷制备乙炔，工作气体旋转进入放电间隙，同时外部采用磁场驱动，发生毫秒级裂解。
[0007]通过对国外文献专利分析总结发现，转化甲烷生成烯烃的方法最初主要是以电弧裂解甲烷技术为主，其主要产品为乙炔，由于过程中容易产生积碳生成炭黑，因此以炭黑为副产品。
[0008]另有研究者发现，通过改变进气流量或掺入惰性气体能够调节产物分布。该技术在国外已经实现工业化，其中包括四种工艺：HUELS法、AVCO法、Du Pont法和罗马尼亚法。
[0009]通过文献对比发现，利用电弧产生高温裂解天然气生成乙炔，其电能利用率低，每生产1吨乙炔约耗电能13900kWh，占成本50％以上，因此改变反应器结构达到节能降耗的目的，是国外专利文献中进行创新的重点之一。
[0010]在上述技术的基础上，后续逐渐开发了一系列“温”等离子体技术以及“冷”等离子体技术，通过改变能量发生形式，降低能耗，并加入催化剂进行耦合作用，定向转化甲烷为目标产物。目前该工艺仍在探索中，已有中试装置，但工业装置未见报道。
[0011]综上可知，针对天然气等离子体转化制乙烯方面的研究，大多采用等离子体催化耦合形式进行，介质阻挡放电主要产生乙烷，热等离子体或滑动弧等离子体的产物以乙炔为主，目前并没有一种等离子体形式可以直接产生乙烯。
[0012]另外，CN106925086A公开了一种有机废气的等离子降解处理装置，该等离子处理装置为等离子反应器，包括反应器筒体、位于反应器筒体顶端的气体进口、反应器底端的气
体出口、位于反应器筒体内的等离子放电电极、用于给等离子放电装置供电的电源接口；所述反应器筒体上设置有使滑动电弧面积及长度得以扩大的能量利用装置。所述能量利用装置为扩弧杆、扩弧板或者二者联合使用。然而，该反应器用于定向转化甲烷时，甲烷转化率低，烯烃选择性低。

技术实现思路

[0013]本专利技术的目的是为了克服现有等离子体技术存在的转化甲烷生成乙烯的转化效率低的缺陷。
[0014]为了实现上述目的，本专利技术第一方面提供一种涂覆刀片电极的方法，该方法包括：采用原子层沉积法应用涂覆材料对滑动弧等离子体反应器中的刀片电极进行涂覆以在所述刀片电极的表面获得含有层叠设置的至少两个单层原子层沉积金属氧化物薄膜的镀层，所述镀层为半导体材料，各个所述单层原子层沉积金属氧化物薄膜的形成材料相同。
[0015]本专利技术第二方面提供由上述第一方面所述的方法进行涂覆获得的刀片电极。
[0016]本专利技术第三方面提供一种滑动弧等离子体反应器，该反应器具有同轴夹套筒式结构，且该反应器包括：
[0017]内筒，所述内筒上分别设置有反应器入口、侧线进料入口、下部反应区和产物出口；
[0018]外筒，所述外筒嵌套在所述内筒的外部，且所述外筒上分别设置有导热介质入口和导热介质出口；
[0019]刀片电极滑动弧发生器，所述刀片电极滑动弧发生器包括气体喷嘴、刀片电极和底座；
[0020]其中，所述侧线进料入口穿过所述外筒通入所述内筒，使得反应气体能够通过所述侧线进料入口进入所述内筒中；所述刀片电极滑动弧发生器的所述底座上设置有对称分布的至少2个所述刀片电极，使得所述刀片电极之间能够形成放电区域；所述底座上设置有所述气体喷嘴，使得原料气体能够由所述反应器入口经过所述气体喷嘴进入所述内筒中；
[0021]其中，所述刀片电极为上述第二方面中所述的刀片电极。
[0022]本专利技术第四方面提供一种等离子体转化甲烷的方法，该方法在上述第三方面所述的滑动弧等离子体反应器中实施，该方法包括：
[0023]在等离子放电条件下，将含有甲烷的原料气体通过所述反应器入口和所述气体喷嘴引入至所述滑动弧等离子体反应器的内筒中，并将含有氢气的反应气体通过所述侧线进料入口引入至所述滑动弧等离子体反应器的内筒中，使得所述原料气体依次通过所述刀片电极形成的放电区域和所述下部反应区以进行甲烷转化反应，反应后获得的产物由所述产物出口引出所述滑动弧等离子体反应器；并且，通过持续由导热介质入口向所述滑动弧等离子体反应器的外筒中引入导热介质以及由导热介质出口引出所述导热介质而维持所述滑动弧等离子体反应器所需的温度。
[0024]与现有技术相比，本专利技术提供的方案至少具有如下优势：
[0025](1)本专利技术提供的方案通过对刀片电极的表面涂覆电介质层将刀片电极进行改性，从而削弱电弧能量，降低等离子体场温度，进而使得甲烷直接转化为乙烯；该方案能够有效简化甲烷转化制烯烃的工艺流程，在电场作用下将甲烷直接高效转化为乙烯；
[0026](2)本专利技术提供的方案能够在较高的反应物转化效率下实现反应的持续和稳定进行，能够降低能耗，有效抑制积碳，并且相比传统甲烷制烯烃工艺，无CO2产生，乙烯收率高，没有燃爆风险，更加安全环保。
[0027]本专利技术的其它特征和优点将通过随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
[0028]图1为本专利技术提供的滑动弧等离子体反应器的一种优选的具体实施方式的结构示意图。
[0029]附图标记说明
[0030]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
反应器入口
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气体喷嘴
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刀片电极
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侧线进料入口
[0032]5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
导热介质入口
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导热介质出口
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种涂覆刀片电极的方法，其特征在于，该方法包括：采用原子层沉积法应用涂覆材料对滑动弧等离子体反应器中的刀片电极进行涂覆以在所述刀片电极的表面获得含有层叠设置的至少两个单层原子层沉积金属氧化物薄膜的镀层，所述镀层为半导体材料，各个所述单层原子层沉积金属氧化物薄膜的形成材料相同。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述涂覆材料为含有金属元素的有机物。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述半导体材料选自金属氧化物中的至少一种；优选地，所述半导体材料选自Al2O3、ZrO2、SnO2、ZnO、HfO2、TiO2、La2O3、Ta2O5、Y2O3中的至少一种。4.根据权利要求1
‑
3中任意一项所述的方法，其中，采用原子层沉积法对滑动弧等离子体反应器中的刀片电极进行涂覆的步骤包括：在原子层沉积装置中，(1)在载气存在下，开启金属源罐的ALD阀门，使得所述金属源罐中的涂覆材料进入含有氧气的反应室，以使得所述涂覆材料与氧气在所述反应室中的刀片电极表面发生反应并形成单层原子层沉积金属氧化物薄膜；(2)重复进行步骤(1)以得到所述镀层，每次重复形成一个单层原子层沉积金属氧化物薄膜，通过控制重复次数以调整涂覆的厚度。5.根据权利要求4所述的方法，其中，在步骤(1)中，所述金属源罐的温度为140
‑
160℃，所述反应室的温度为50
‑
400℃，运输管路及所述ALD阀门的温度为180
‑
200℃；优选地，在步骤(1)中，将所述反应室和所述运输管路抽真空至压力为10
‑
200Pa。6.根据权利要求4或5所述的方法，其中，在步骤(1)中，所述载气的流量为10
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200sccm。7.根据权利要求4
‑
6中任意一项所述的方法，其中，在步骤(1)中，所述ALD阀门的开启时间为50
‑
2000ms。8.根据权利要求4
‑
7中任意一项所述的方法，其中，在步骤(1)中，还包括通入惰性气体脉冲以对所述反应室进行清洗；优选地，所述清洗的时间为1
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200s。9.由权利要求1
‑
8中任意一项所述的方法进行涂覆获得的刀片电极。10.一种滑动弧等离子体反应器，其特征在于，该反应器具有同轴夹套筒式结构，且该反应器包括：内筒，所述内筒上分别设置有反应器入口(1)、侧线进料入口(4)、下部反应区和产物出口(7)；外筒，所述外筒嵌套在所述内筒的外部，且所述外筒上分别设置有导热介质入口(5)和导热介质出口(6)；刀片电极滑动弧发生器，所述刀片电极滑动弧发生器包括气体喷嘴(2)、刀片电极(3)和底座(8)；其中，所述侧线进料入口(4)穿过所述外筒通入所述内筒，使得反应气体能够通过所述侧线进料入口(4)进入所述内筒中；所述刀片电极滑动弧发生器的所述底座(8)上设置有对称分布的至少2个所述刀片电极(3)，使得所述刀片电极(3)之间能够形成放电区域；所述底座(8)上设置有所述气体喷嘴(2)，使得原料气体能够由所述反应器入口(1)经过所述气体喷嘴(2)进入所述内筒中；
其中，所述刀片电极为权利要求9中所述的刀片电极。11.根据权利要求10所述的滑动弧等离子体反应器，其中，所述底座(8)上设置有对称分布的2个所述刀片电极(3)或6个所述刀片电极(3)。12.根据权利要求10或11所述的滑动弧等离子体反应器，其中，形成所述刀片电极(3)的材料为导电材料；优选地，所述导电材料选自316L不锈钢、钨铈合金、铜、铜钨合金中的至少一种。13.根据权利要求10
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12中任意一项所述的滑动弧等离子体反应器，其中，所述刀片电极滑动弧发生器的所述底座(8)的中心设置有所述气体喷嘴(2)，所述气体喷嘴(2)与所述反应器入口(1)的进气管道相通。14.根据权利要求10
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13中任意一项所述的滑动弧等离子体反应器，其中，所述刀片电极(3)的长度L1与所述内筒的直径D1之间的比例关系为：L1：D1＝1：1
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3，优选为L1：D1＝1：1
‑
2，更优选为L1：D1＝1：1
‑
1.5。15.根据权利要求10
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14中任意一项所述的滑动弧等离子体反应器，其中，所述刀片电极(3)的长度L1与所述内筒的长度L2之间的比例关系为：L1：L2＝1：1.5
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6，优选为L1：L2＝1：2
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5，更优选为L1：L2＝1：2
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3。16.根据权利要求10
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15中任意一项所述的滑动弧等离子体反应器，其中，所述刀片电极(3)的厚度L3与所述刀片电极(3)的长度L1之间的比例关系为：L3：L1＝1：10<...

【专利技术属性】
技术研发人员：张铁，张婧，任君朋，周明川，孙峰，徐伟，
申请(专利权)人：中石化安全工程研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：