一种电晕放电制氢装置及其制氢方法与流程

本发明涉及等离子体制氢，具体涉及一种电晕放电制氢装置及其制氢方法。

背景技术：

1、等离子体技术作为一种高效、清洁的活化分子手段，在氢能制备领域（如甲烷重整、水蒸气转化、甲醇制氢等）展现出巨大潜力。其核心优势在于能够在相对温和的条件下，利用高能电子直接打断化学键，从而避免传统热催化工艺所需的高温高压环境，具有快速启停、流程紧凑的特点，适合分布式和小型化制氢场景。目前，根据等离子体产生方式的不同，主流技术路线主要包括电弧放电、介质阻挡放电、微波放电及电晕放电等。电弧放电等离子体密度高，但属于热等离子体，气体温度极高，导致大量能量以热形式散失，能耗高，且对电极材料和反应器耐热性要求苛刻。电晕放电作为一种典型的低温非平衡等离子体，气体温度接近常温，能量主要集中于产生高能电子，能量利用路径更为经济。

2、授权公告号：cn116425115b，申请日：2023.03.15，发明名称为一种电弧等离子体裂解制氢的装置，此装置包括自上而下依次连接的气密电弧等离子体炬、裂解腔组件和换热腔组件，气密电弧等离子体炬包括电极、补偿陶瓷、炬底盖、绝缘瓷、炬连接片、炬外壳和两根电离空气进气管；其中，电极沿中心轴设置，炬底盖套设在电极的外部，炬底盖上方设有补偿陶瓷，下方设有绝缘瓷，绝缘瓷底部通过炬连接片固接至炬外壳上；炬外壳上沿切线方向形成有两根电离空气进气管，并且，一对电离空气进气管平行设置。此发明通过气密电弧等离子体炬产生电弧等离子体，从炬连接件中心孔喷出后进入裂解腔内腔。经裂解腔外腔预热的空气和经换热腔内的盘管预热气化的燃料分别切向进入裂解腔内腔，充分混合后与喷入裂解腔内腔的等离子体充分接触，完成裂解并生成氢气。

3、上述现有技术采用高温电弧放电，存在放电稳定性差、气体温度极高，导致大量能量以热形式散失，电极烧蚀严重、原料裂解转化率低、反应混合不充分、副产物多等劣势。

技术实现思路

1、针对现有电弧等离子体制氢技术普遍存在运行能耗高、原料裂解转化率低、反应混合不充分等固有缺陷，本发明旨在提供一种可梯度调控流场形态与流体扰动强度、优化等离子体反应环境、显著提升原料活化裂解效率与制氢转化率的电晕放电制氢装置及其制氢方法。

2、本发明提供的技术方案为：

3、一种电晕放电制氢装置，包括高压电极和接地电极，还包括螺旋管，沿气体流动方向，所述螺旋管包括，

4、活化段，所述活化段具有第一螺距及第一曲率半径；

5、反应段，所述反应段位于活化段下游并与其相连，所述反应段具有第二螺距及第二曲率半径；

6、输出段，所述输出段位于反应段下游并与其相连，所述输出段用于导出富氢产物；

7、其中，第一螺距＜第二螺距，第一曲率半径≤第二曲率半径。

8、进一步地，所述输出段采用直管结构或螺旋管结构；

9、当所述输出段为螺旋管结构时，所述输出段具有第三螺距及第三曲率半径；其中，第二螺距＜第三螺距，第二曲率半径≤第三曲率半径。

10、进一步地，沿气体流动方向，所述反应段依次包括前端过渡段、主反应段、后端过渡段；所述前端过渡段与活化段连通，所述后端过渡段与输出段连通；

11、所述第二螺距包括对应前端过渡段的前端螺距、对应主反应段的主反应段螺距及对应后端过渡段的后端螺距，其中，前端螺距≤主反应段螺距≤后端螺距。

12、进一步地，所述螺旋管内径为4~30mm；沿螺旋管盘旋轮廓中心轴，所述前端过渡段及后端过渡段的轴向长度为5~30mm。

13、进一步地，所述高压电极沿螺旋管的中心轴连续布设，所述高压电极与螺旋管内侧壁的最小净间距为2mm～20mm。

14、进一步地，所述高压电极为实心金属电极，所述高压电极的截面尺寸沿气体流动方向渐变缩小，用于使活化段电场强度大于反应段电场强度。

15、进一步地，所述接地电极为包覆于螺旋管外壁的金属层。

16、进一步地，所述活化段的第一螺距与螺旋管内径的比值区间为1.5～4；

17、所述反应段的第二螺距与螺旋管内径的比值区间为4～10。

18、当所述输出段为螺旋管结构时，所述输出段的第三螺距与螺旋管内径的比值大于10。

19、进一步地，在垂直于螺旋管盘旋轮廓中心轴的径向截面上，所述活化段、反应段的截面呈同心圆结构；

20、所述活化段的第一曲率半径与螺旋管内径的比值区间为0.5~3；

21、所述反应段的第二曲率半径与螺旋管内径的比值区间为3～8；

22、当所述输出段为螺旋管结构时，所述输出段的第三曲率半径与螺旋管内径的比值区间为8~13。

23、进一步地，沿螺旋管盘旋轮廓中心轴，所述反应段轴向长度为活化段轴向长度的2~8倍。

24、进一步地，所述螺旋管为绝缘材质制成，其管壁厚度均匀设置，管壁厚度取值为1mm～5mm。

25、一种电晕放电制氢方法，其特征在于，采用上述电晕放电制氢装置，制氢方法包括以下步骤，

26、s1、含氢原料气以固定流速从螺旋管的进气口通入，所述含氢原料气为甲烷、甲醇、乙醇、二甲醚、水蒸气中的至少一种，或它们的混合气；

27、s2、在高压电极与接地电极之间施加电压，电压类型为直流高压、交流高压或脉冲高压，于管内形成电晕放电等离子体场；

28、s3、流经活化段的含氢原料气，在第一螺距与螺旋管内径的比值为1.5～4的工况下，形成迪恩涡二次流，促使气体径向交错混合，完成初始活化裂解；

29、流经所述反应段的气体，在第二螺距与螺旋管内径的比值为4～10的工况下，持续发生裂解反应，生成富氢气体；

30、s4、反应生成的富氢气体经输出段导出，以供收集、分离及纯化。

31、进一步地，步骤s1中，所述固定流速的范围为0.01m/s～5m/s，且通入螺旋管的进气口前，所述含氢原料气的温度为25~30℃，压力为标准大气压。

32、进一步地，步骤s2中，电压范围为5kv～30kv。

33、采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

34、（1）本发明采用多级梯度变螺距、变曲率半径或同曲率半径的分段流道结构，结合精细化划分的反应区间，可依据气体反应进程差异化调控流场形态与扰动强度。有效解决传统设备普遍存在的前端原料活化不充分、中段裂解反应分布不均、后端气流滞留淤积、放电工况波动不稳等行业痛点。能够稳定维持管内电晕放电状态，强化气相传质混合效果，延长有效反应时长，大幅提升原料转化利用率，同时优化产气品质，最终实现制氢效率与放电运行稳定性的双重提升。

35、（2）本发明将限定高压电极与螺旋管壁内侧最小净间距，以形成适配电晕放电制氢的最优放电间隙。该范围既能避免间隙过小引发电弧击穿、短路问题，也可防止间隙偏大造成电场偏弱、放电失效，可维持均匀稳定的电晕等离子体。同时电场强度契合裂解反应需求，兼顾反应充分度与能耗控制，实现高效稳定的连续制氢作业。