等离子体协同催化剂辅助二氧化碳重整制燃料的实验平台

1.本发明属于二氧化碳催化重整技术领域，特别涉及一种等离子体协同催化剂辅助二氧化碳重整制燃料的实验平台。


背景技术：

2.二氧化碳是造成全球气候变化的最主要的温室气体，而化石燃料的燃烧则是二氧化碳排放的最大来源。在过去的数十年中，矿物燃料的使用逐年增长，导致二氧化碳排放大幅上升。开发可持续的绿色能源及二氧化碳排放的途径是十分必要的。为了减少碳排放，碳捕获和利用技术被视为最有潜力的减少碳排放的方法。通过一定的方法把二氧化碳变成了可以回收的燃料。
3.二氧化碳化学性能稳定，不易在温和的环境中进行转化，且而在高温条件下的转化率也非常低。近几年来，非平衡等离子体为一种新型的活化反应技术而受到人们的重视。这种非平衡等离子体中高能电子的含量高，其电子能量可以达到1-10ev，强大的电子能量可以使惰性分子被激活，促进化学反应。非平衡等离子体技术可以通过高能电子和活性粒子的相互作用，打破常规的热化学反应过程、降低反应所需要的温度，从而实现在常压、低温条件下二氧化碳的转化。
4.产生等离子体的方式有多重，例如射频放电、滑动弧放电、微波放电和介质阻挡放电等，介质阻挡放电由于具有能耗低、放电均匀稳定、反应器结构简单、能与催化剂如ni-al2o3、fe-石墨烯、ru-al2o3等协同作用等优势，在二氧化碳重整领域展现了良好的前景。
5.目前，等离子体辅助二氧化碳转化的研究中，由于产物的多样化难以实现定向转化；同时由于介质阻挡放电的结构和特性限制，对于能量的利用率偏低，有待提高。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于改进现有实验平台的不足，提供一种等离子体协同催化剂辅助二氧化碳重整制燃料的实验平台，具体是一种能够在等离子体及催化剂的双重作用下实现二氧化碳的低温高效转化，并对最终产物进行定性定量分析的实验系统。
7.本发明采用如下的技术方案实现：
8.等离子体协同催化剂辅助二氧化碳重整制燃料的实验平台，该实验平台包括燃料供给系统、介质阻挡放电反应器、高压电源系统及产物检测系统；
9.所述燃料供给系统，用于精准供应稀释气体及二氧化碳等反应气体；在产物中存在液体时对管道加热从而实现液体汽化；在实验的过程中控制反应器所需要的压力，并将反应产生的气体排出系统；
10.所述介质阻挡放电反应系统，提供实验所需的温度、压力的反应场所；在反应器的一侧设计有两个对冲切向进气口；并在双层放电结构之间填充有催化剂；同时提供双介质阻挡放电结构产生的均匀等离子体环境；
11.所述高压电源系统，用于提供产生等离子体的持续电场，并检测反应时的电压电
流变化；
12.所述产物检测系统，用于收集并检测反应结束时的产物，实现二氧化碳重整过程中微分组分的诊断与分析。
13.本发明进一步的改进在于，燃料供给系统包括反应气体、质量流量计及控制软件、加热带、热电偶及温度控制器、微量调节阀；
14.反应气以及稀释气体在经过质量流量计及控制软件的精准控制后通入反应器的切向进气口；在热电偶及温度控制器的调控下，加热带包裹在管道外侧，实现液体产物的气化；并通过微量调节阀控制排入大气的气量，以维持反应系统中的压力恒定。
15.本发明进一步的改进在于，介质阻挡放电反应系统包括电加热炉、外层石英流动管、切向进气口、密封法兰、外置不锈钢电极、内置不锈钢棒电极以及包覆在不锈钢棒内电极上的内层石英管、催化剂及固定装置；
16.整个反应器放置于电加热炉中，电加热炉为整个反应系统提供可控制的10cm的恒定温度区域；反应器的一侧设置有两个对冲切向进气口，从切向对冲进气口进入的二氧化碳等反应气会形成在内层石英管和外层石英管之间、绕着中心轴线螺旋前进的气流，延长反应气在等离子体区域的滞留时间、提供放电扰动增强石英管表面的细丝放电，增强反应区内的电场强度；反应器两端由密封法兰结合橡胶密封圈进行密封；外置不锈钢电极、外层石英流动管、内层石英管及内置不锈钢棒电极四个部分保持同轴度，双层的介质阻挡放电结构以确保产生均匀的等离子体；在反应器的等离子体放电区间放置相应的催化剂，并使用石英棉等材料进行固定；在密封法兰两侧轴心开孔，引出内置不锈钢棒电极与电源相连，同时在出气方向的法兰侧另开一孔用于出气。
17.本发明进一步的改进在于，在外层和内层的石英管之间，与等离子体形成协同作用，提高二氧化碳的转化率和整体的能量利用率。
18.本发明进一步的改进在于，双层石英管能够产生均匀的电场。
19.本发明进一步的改进在于，两个对冲切向进气口使反应气延长在等离子体区的滞留时间，并加强扰动增强石英管表面的细丝放电，增强反应区内的电场强度。
20.本发明进一步的改进在于，电加热炉可以为反应提供298k-1273k的起始反应条件。
21.本发明进一步的改进在于，高压电源供电系统包括高压电源、高压探头、电流探头以及示波器；
22.高压电源的正、负电极分别接外置不锈钢电极、内置不锈钢棒电极，放电过程中产生的电压及电流由高压探头及电流探头检测，并于示波器上显示。
23.本发明的进一步改进在于，该实验平台对于高压电源的放电方式不做限制，高压交流电及高压纳秒脉冲电源等均可使用。
24.本发明进一步的改进在于，产物检测系统包括气相色谱仪和气相色谱/质谱联用仪以及计算机控制系统；
25.产物经管道外置的加热带气化后进入气相色谱仪及气相色谱/质谱联用仪，在计算机控制系统的控制之下进行微分诊断并显示。
26.本发明至少具有如下有益的技术效果：
27.(1)本发明可用于二氧化碳在等离子体及催化剂协同的环境中实现高效定向转
化，在提高二氧化碳的同时，提升能量的利用率；
28.(2)本发明的介质阻挡放电反应区对于实验所使用的催化剂不做限制，催化剂如ni-al2o3、fe-石墨烯、ru-al2o3等均可使用；
29.(3)本发明的双层介质阻挡放电系统，可以获得能量密度较大的非平衡等离子体、避免热等离子体的形成，并且更加有利于放电均匀以形成更加均匀的非平衡等离子体；
30.(4)本发明的石英流动管的切向进气口，使反应气延长在等离子体区的滞留时间，并加强扰动，增强石英管表面的细丝放电，从而增强反应区内的电场强度；
31.(5)本发明的实验平台对于高压电源的放电方式不做限制，高压交流电及高压纳秒脉冲电源等均可进行使用。
附图说明
32.图1为本发明等离子体协同催化剂辅助二氧化碳重整制燃料的实验平台结构示意图。
33.图2、3为介质阻挡放电反应器的细节结构示意图。
34.附图标记说明：
35.1-反应气体，2-质量流量计及控制软件，3-加热带，4-热电偶及温度控制器，5-微量调节阀，6-电子压力表，7-电加热炉，8-外层石英流动管，9-切向进气口，10-密封法兰，11-外置不锈钢电极，12-内置不锈钢电极，13-内层石英管，14-催化剂及固定装置，15-示波器，16-电压探头，17-电流监测环，18-高压电源，19-气相色谱仪，20-气相色谱/质谱联用仪，21-计算机控制系统。
具体实施方式
36.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
37.如图1至图3所示，本发明提供的等离子体协同催化剂辅助二氧化碳重整制燃料的实验平台，包括供气系统、介质阻挡放电反应系统、高压电源系统及产物检测系统；供气系统，用于精准供应稀释气体及二氧化碳反应气体，在产物中存在液体时对管道加热从而实现液体汽化，在实验的过程中控制整个反应系统所需要的压力；介质阻挡放电反应系统，用于提供实验所需的温度、压力的反应场所，在反应器的一侧设计有两个对冲切向进气口，并在双层介质阻挡放电结构之间填充催化剂，同时提供双层介质阻挡放电结构产生的均匀的非平衡等离子体环境；高压电源系统，用于提供产生等离子体的持续电场，并监测反应时的电压电流变化；产物检测系统，用于收集并检测反应结束时的产物，实现二氧化碳重整过程中微分组分的测定与分析。
38.燃料供给系统中包括反应气体1，质量流量计及控制软件2，加热带3，热电偶及温度控制器4，微量调节阀5及电子压力表6。
39.反应气体1以及稀释气体在经过质量流量计及控制软件2的精准控制后通入反应
器的切向进气口，在热电偶及温度控制器4的调控下，加热带3将管道加热到指定温度，实现反应温度的控制及液体产物的气，并通过微量调节阀5及电子压力表6控制排出相应气量，以维持反应系统中的压力恒定。
40.介质阻挡放电系统中反应器的主体结构为电加热炉7，外层石英流动管8，切向进气口9，密封法兰10，外置不锈钢电极11，内置不锈钢电极12，内层石英管13，催化剂及固定装置14。催化剂如ni-al2o3、fe-石墨烯、ru-al2o3等均可使用。
41.整个反应器放置于电加热炉7中；反应器的一侧设置有两个对冲切向进气口9，从切向对冲进气口进入的二氧化碳反应气会形成在内层石英管13和外层石英流动管8之间绕着中心轴线螺旋前进的气流，从而延长反应气在等离子体区域的滞留时间，提供放电扰动，增强石英管表面的细丝放电，增强反应区内的电场强度；外置不锈钢电极11、外层石英流动管8、内层石英管13及内置不锈钢电极12四个部分保持同轴，双层的介质阻挡放电结构确保产生均匀的非平衡等离子体；在反应器的等离子体放电区间放置相应的催化剂，并使用石英棉材料进行固定；在密封法兰10两侧轴心开孔，引出内置不锈钢电极与电源相连，同时在出气方向的法兰侧另开一孔用于出气。
42.在放电的电极之间存在两层石英管后形成双层介质阻挡放电系统，可以获得能量密度较大的非平衡等离子体、避免热等离子体的形成，并且更加有利于放电均匀；反应系统中包含了一个切向进气口9，用于延长反应气在等离子体区的滞留时间，并加强扰动，增强石英管表面的细丝放电，从而增强反应区内的电场强度，提高电能的利用率。
43.高压电源供电系统包括高压电源18、电压探头16、电流监测环17以及示波器15；高压电源18的正、负电极分别接外置不锈钢电极、内置不锈钢电极，放电过程中产生的电压和电流变化由电压探头16及电流监测环17检测，并于示波器15上显示。
44.在电源供电系统中，可以方便地更换高压电源18，根据不同的研究需求，高压交流电及高压纳秒脉冲电等均可在实验平台使用。
45.产物检测系统由气相色谱仪19，气相色谱/质谱联用仪20，计算机控制系统21组成，产物经管道外置的加热带3气化后进入气相色谱仪19及气相色谱/质谱联用仪20，在计算机控制系统21的控制之下进行微分测定并显示，每组实验重复三次以上，以确保实验结果的准确性。
46.本发明等离子体协同催化剂辅助二氧化碳重整制燃料的实验平台的操作方式，具体为：二氧化碳等反应器及稀释气通过石英流动管上的对冲切向进气口进入介质阻挡放电反应器内，打开高压电源选取研究需要的放电方式；反应气绕着反应器中心轴旋转前进，经过等离子体放电区及催化剂后流向反应器出口，在微量调节阀的调节作用下一部分进入产物检测系统进行定性定量的检测。
47.本发明的具体工作过程如下：
48.(1)首先将电热炉、加热带加热至实验设定的温度条件；
49.(2)反应气体通过质量流量计及控制软件精准控制设定进气量，通过两个对冲的切向进气口进入外层石英流动管后形成旋流，使用微量调节阀调整反应器内的气压状态，装置内的压力由电子压力表检测并显示；
50.(3)接着通过对放电电源进行放电参数设置，在外置不锈钢电极和内置不锈钢电极之间施加电压开始放电，放电电压和放电电流分别通过电压探头和电流监测环探测并在
示波器上显示；
51.(4)放电过程稳定后，将反应后的气体通入气相色谱仪和气相色谱/质谱联用仪进行产物组分的测定并将检测结果反馈在计算机控制系统上。通过对实验结果数据的分析，可以得到二氧化碳在不同边界条件下转化过程中表现出的化学反应动力学特性，并根据结果探究最适合二氧化碳转化、最优能量利用率的条件。
52.虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。