一种产物循环分离的微波等离子体制造技术

本发明专利技术公开一种产物循环分离的微波等离子体

【技术实现步骤摘要】
一种产物循环分离的微波等离子体CO2裂解装置及方法


[0001]本专利技术属于温室气体转化
，具体涉及一种产物循环分离的微波等离子体
CO2裂解装置及方法
。

技术介绍

[0002]对以
CO2为主的温室气体的捕集
、
利用与封存是关键的技术手段之一
。
其中，将
CO2裂解产生
CO
和
O2，进一步通过费托
(Fischer
‑
Tropsch)
过程将
CO
转化为高价值的化学品是广受关注的利用路线
。
然而，由于
CO2分子具有很高的化学键能
(803kJ/mol)
，传统热化学
CO2裂解存在能耗高
、
活性低
、
选择性及稳定性需进一步提高等问题，而等离子体技术可利用高压放电产生的高能电子和活性物种活化能源小分子，实现惰性化学键的断裂并降低催化反应能垒，减少反应能耗，为
CO2减排与高值化利用提出一种新思路
。
[0003]在不同类型的等离子体源中，微波
(MW)
等离子体由于其有效的振动激发
(
解离的有效通道
)
过程，
CO2解离能量效率高；其内部相对较高的重粒子温度也促进了
CO2的热裂解，使用微波等离子体反应器来实现
CO2解离生成
CO
可以实现转化率接近
50
％的热力学极限
(Chemical Society Reviews,2017,46:5805
–
63)。
[0004]然而，微波等离子体核心气体温度可以达到
5000K
甚至更高，周围区域的温度也可以达到
3000K
以上
。
过高的温度会导致
CO
与
O
的逆向复合反应，同时产物中
CO
和
O2浓度达到一定范围后还存在爆炸的风险
。
因此，突破热力学限制实现高效的微波等离子体
CO2裂解的关键在于对反应器内部温度分布的控制以及对产物混合气体中的
O2成分的脱除
。
对反应器体系的改进以适配上述需求是微波等离子体裂解
CO2走向工业化大规模应用的基础
。
[0005]中国专利申请
CN201910449663.4
公开了一种用于微波等离子体裂解制氢的装置，装置包括顺次连接的微波能提供单元
、
等离子火炬提供单元和裂解腔，实现了损耗低
、
裂解效率高，且安全可靠的效果
。
该专利技术针对现有技术中廉价高效的纯氢制造技术尚不成熟，通过电弧放电产生等离子体的电极易损耗，使用寿命短，且存在燃料裂解不充分等问题，提供一种损耗低
、
裂解效率高，且安全可靠的用于微波等离子体裂解制氢的装置解决了制氢过程中燃料裂解燃烧不充分的问题，然而，其并没有对反应产物进行相应的处理，面临产物分离的问题
。
[0006]中国专利申请
CN200580022852.X
公开了一种具有更高的羽流稳定性和加热效率的微波等离子体喷嘴，提供了利用大气压产生相对较冷的微波等离子体的各种系统和方法
。
这些系统具有较低的单位成本，并且以更低的操作成本
、
更低的能耗和较短的消毒周转时间在大气压下操作
。
相对较冷的微波等离子体由喷嘴产生，与现有的等离子体产生系统不同的是，所述喷嘴以更高的操作效率在大气压下进行操作
。
然而，喷嘴的加入限制了反应器的温度，且依然缺乏相应的后处理过程的匹配设计
。
[0007]综上，传统热催化
CO2裂解转化常需要高温
、
高压并匹配合适的催化剂才能实现其规模化利用，微波等离子体技术为
CO2快速高效裂解转化提供了可持续的
、
节能的应用方案
。
然而，尚缺乏对微波等离子体反应器温度分布的调控以及后处理装置的设计探索
。

技术实现思路

[0008]为解决上述技术问题，本专利技术提出了一种产物循环分离的微波等离子体
CO2裂解装置及方法，其可利用收缩
‑
扩张喷嘴实现反应器内部温度的合理分布和产物的及时引出；同时，后处理碳床和循环分离装置配合信号传输线和上位机可以实现高纯度
CO
的制取和
CO2原料气体的循环利用，并提升了
CO2裂解过程的自动化水平
。
[0009]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0010]一种产物循环分离的微波等离子体
CO2裂解装置，其特征在于：包括微波等离子体供电单元
、
供气与反应器单元
、
后处理与循环单元和信号采集控制单元；
[0011]所述的微波等离子体供电单元包括固态电源
、
高压传输线
、
磁控管
、
矩形波导
、
锥形波导
、
钨棒电极
、
循环水机和循环水管路；所述固态电源通过高压传输线连接磁控管产生微波，经过矩形和锥形波导腔体中的多次反射后形成驻波，产生稳定的微波场强，在电极尖端击穿气体放电引发微波等离子体；所述循环水机通过循环管路与磁控管的进水口
、
出水口连接实现降温冷却；
[0012]所述的供气与反应器单元包括高压钢瓶
、
不锈钢管路
、
电磁阀
、
流量计
、
绝缘管路
、
圆柱形石英管
、
接头卡套
、
弧形石英管；所述高压钢瓶
、
电磁阀
、
流量计通过不锈钢管路相连接；所述圆柱形石英管穿过锥形波导中心，气体通过绝缘管路进入圆柱形石英管进气口；所述弧形石英管通过接头卡套与圆柱形石英管出气口连接；
[0013]所述的后处理与循环单元包括恒温腔体
、
电阻加热系统
、
法兰连接件
、
收缩
‑
扩张喷嘴
、
透气板
、
碳床
、
进料槽
、
锥形管
、
变压吸附仪
、
气体储运罐
、
真空泵
、
气压计；所述恒温腔体通过电阻加热系统进行加热和温度维持，恒温腔体入口与弧形石英管连接；所述收缩
‑
扩张喷嘴的进气口与弧形石英管通过法兰连接件相连，出气口与碳床连接；所述进料槽贯穿恒温腔体与碳床相连接，碳床进气口本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种产物循环分离的微波等离子体
CO2裂解装置，其特征在于：包括微波等离子体供电单元
、
供气与反应器单元
、
后处理与循环单元和信号采集控制单元；所述的微波等离子体供电单元包括固态电源
、
高压传输线
、
磁控管
、
矩形波导
、
锥形波导
、
钨棒电极
、
循环水机和循环水管路；所述固态电源通过高压传输线连接磁控管产生微波，经过矩形波导和锥形波导的腔体中的多次反射后形成驻波，产生稳定的微波场强，在电极尖端击穿气体放电引发微波等离子体；所述循环水机通过循环水管路与磁控管的进水口
、
出水口连接实现降温冷却；所述的供气与反应器单元包括高压钢瓶
、
不锈钢管路
、
电磁阀
、
流量计
、
绝缘管路
、
圆柱形石英管
、
接头卡套
、
弧形石英管；所述高压钢瓶
、
电磁阀
、
流量计通过不锈钢管路相连接；所述圆柱形石英管穿过锥形波导的中心，气体通过绝缘管路进入圆柱形石英管的进气口；所述弧形石英管通过接头卡套与圆柱形石英管的出气口连接；所述的后处理与循环单元包括恒温腔体
、
电阻加热系统
、
法兰连接件
、
收缩
‑
扩张喷嘴
、
透气板
、
碳床
、
进料槽
、
锥形管
、
变压吸附仪
、
气体储运罐
、
真空泵
、
气压计；所述恒温腔体通过电阻加热系统进行加热和温度维持，恒温腔体的入口与弧形石英管连接；所述收缩
‑
扩张喷嘴的进气口与弧形石英管通过法兰连接件相连，出气口与碳床连接；所述进料槽贯穿恒温腔体与碳床相连接，碳床进气口通过透气板与收缩
‑
扩张喷嘴隔开，出气口通过透气板与锥形管隔开，锥形管进气口与碳床出气口相连，出气口与恒温腔体相连；所述变压吸附仪与锥形管出气口相连接，将混合气体产物中的
CO
分离并通过不锈钢管路注入气体储运罐，其自带的气压计可以实时监测内部气体压强；所述真空泵进气口连接变压吸附仪，出气口与圆柱形石英管相连接，实现小于1个标准大气压条件下的气体循环；所述的信号采集控制单元包括热电偶
、
上位机
、
信号传输线；所述热电偶贯穿恒温腔体插入碳床内部，通过信号传输线与上位机连接；所述上位机与固态电源
、
电磁阀
、
热电偶
、
电阻加热系统
、
气压计建立通信连接
。2.
根据权利要求1所述的一种产物循环分离的微波等离子体
CO2裂解装置，其特征在于：所述的固态电源用于驱动磁控管在波导中产生均匀的微波，频率为
915MHz
或
2.45GHz。3.
根据权利要求1所述的一种产物循环分离的微波等离子体
CO2裂解装置，其特征在于：所述的矩形波导和锥形波导均为中空结构，其内侧为金属材料，所述的金属材料为铜
、
铝其中的一种；其外侧为绝缘材料，所述绝缘材料为聚四氟乙烯
。4.
根据权利要求1所述的一种产物循环分离的微波等离子体
CO2裂解装置，其特征在于：所述的钨棒电极尖端位于锥形波导的中...

【专利技术属性】
技术研发人员：高远，邵涛，徐宇轩，窦立广，黄邦斗，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：