一种等离子体重整醇类制氢发生器.pdf

本发明公开一种等离子体重整醇类制氢发生器，包括带有尖端的铜棒中心电极、聚四氟乙烯层、铜缩放喷管外电极、圆筒外壁、进料口及出气口。将醇类物质与水混合形成醇类水溶液，醇类水溶液雾化后通过进料口切向引入等离子体发生器；对等离子体发生器内的电极施以高电压，中心电极与外电极在高压电作用下，中心电极尖端与外电极最窄处产生击穿电弧，其在旋流的醇类溶液喷雾推动下边高速旋转横扫电极间区域边向发生器下游移动，直至电弧过长淬灭，上述过程不断循环，产生非热电弧等离子体，等离子体诱发乙醇发生重整化学反应，产生富氢混合气。本发明具有可控性强、原料的适应性强、原料利用率高、制氢成本低、装置生产规模可大可小等优点。

权利要求书
1.  一种等离子体重整乙醇制氢发生器，其特征是包括：包括中心电极、聚 四氟乙烯层、外电极、圆筒外壁、进料口及出气口；发生器的中心电极、聚四 氟乙烯层、外电极、圆筒外壁轴线均位于圆筒外壁轴线上，其中中心电极为一 带有尖端的铜棒，外电极为一铜缩放喷管，圆筒外壁为不锈钢管；中心电极与 外电极通过聚四氟乙烯层隔开，两电极之间最窄距离0.5-5mm；醇类物质通过 固定在圆筒外壁上的进料口切向进入等离子体发生器。

说明书一种等离子体重整醇类制氢发生器
技术领域
本发明涉及制氢技术，特别是涉及一种等离子体重整醇类制氢发生器。
背景技术
当前全球范围内发电、运输以及化工等领域对化石燃料的需求日益增长。氢 气可通过提供清洁且易于取得的能源以降低对化石燃料的依赖，故能促进全球 经济发展并降低环境污染。氢气燃料电池可将化学能直接转化为热能，因此有 望取代当前的低能效高能耗工艺。基于供能安全可靠、操作成本低廉、功率输 出稳定、污染排放低和高能效等优势，氢气已被广泛用于燃料电池或燃烧引擎。 作为重要供能原料，氢气的重要性在边远地区尤为凸显。
氢气可由醇类、重油、天然气等多种原料制取。醇类(甲醇、乙醇、丙醇和 丁醇等)制氢具有以下优势：(1)可再生性；(2)高功率密度；(3)高能量密 度；(4)易于储存。根据重整工艺，醇类重整方式可分类为催化法，等离子体 法以及等离子体催化。近几十年里已有多种催化剂被用于重整测试，但催化剂 工艺因单位产量低、金属含量高以及装置庞大等种种劣势而受到一定限制。此 外当反应温度较低时重整会产生甲烷、甲醛和乙烯等副产物，该类产物的生成 在一定程度上降低了产物中的氢气含量，为此需将重整反应温度增至约700℃以 获得较高的氢气产率和转化率。由于具有高能量密度、高温特性、高单位产量、 投入运行成本低等特点，等离子体法被视为一种良好的替代制氢手段。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种等离子体重整醇类制氢发生器。
本发明为达到以上目的，是通过以下的技术方案来实现的：一种等离子体重 整乙醇制氢发生器包括中心电极、聚四氟乙烯层、外电极、圆筒外壁、进料口 及出气口；发生器的中心电极、聚四氟乙烯、外电极、圆筒外壁层轴线均位于 圆筒外壁轴线上，其中中心电极为一带有尖端的铜棒，外电极为一铜缩放喷管，， 圆筒外壁为不锈钢管；中心电极与外电极通过聚四氟乙烯层隔开，两电极之间 最窄距离0.5-5mm；醇类物质通过固定在圆筒外壁上的进料口切向进入等离子 体发生器。
本发明所述的等离子体重整醇类制氢发生器的工作原理是：1)将醇类物质 (甲醇、乙醇、丙醇、丁醇或其它醇)与水混合形成醇类水溶液，醇类水溶液 雾化后通过进料口切向引入等离子体发生器；2)对等离子体发生器内的电极施 以高电压，中心电极与外电极在高压电作用下，中心电极尖端与外电极最窄处 产生击穿电弧，其在旋流的醇类溶液喷雾推动下边高速旋转横扫电极间区域边 向发生器下游移动，直至电弧过长淬灭，上述过程不断循环，产生非热电弧等 离子体，等离子体诱发乙醇发生重整化学反应，产生富氢混合气。
等离子体重整醇类物质的主要气态产物为H2、CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4、 C2H6和C3H8。少量的液态产物和碳黑也会在重整过程中产生，主要包括 HCOOH、CH3COOH、CH3CHO、CH3COCH3和C。以乙醇为例，等离子体重整 乙醇途径可分为脱氢反应(1)-(2)，脱水反应(3)，分解反应(4)-(6)以 及碳沉积反应(7)，分别可通过如下进行描述：
C2H5OH→C2H4O+H2        (1)
C2H5OH→CH3CH2O+0.5H2       (2)
C2H5OH→C2H4+H2O        (3)
2C2H5OH→C3H6O+CO+3H2       (4)
C2H5OH→CO+CH4+H2          (5)
C2H5OH→0.5CO2+1.5CH4       (6)
C2H5OH→C+CO+3H2        (7)
综合而言，本发明具有体积小，效率高，稳定性好，可靠性高和能量成本较 低等优点，可有效的进行等离子体重整醇类等可再生原料制取富氢气，可用于 燃料电池供氢和车载制氢。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的实物图。
图3为等离子体重整乙醇制氢发生器中主要产物产速与氧碳比的关系。
图1中：1中心电极，2聚四氟乙烯层，3外电极，4圆筒外壁，5进料口， 6出气口。
具体实施方式
实施例
如附图1所示，本发明包括中心电极1、聚四氟乙烯层2、外电极3、圆筒外 壁4、进料口5及出气口6；装置的中心电极1、聚四氟乙烯层2、外电极3、圆 筒外壁4及出气口6轴线均位于圆筒外壁3轴线上，其中中心电极1为一带有 尖端的铜棒(直径10mm)，外电极3为一铜缩放喷管(长100mm，喉部直径 10.5mm)，圆筒外壁3为不锈钢管(直径48mm，长200mm)；中心电极1与外 电极3通过聚四氟乙烯层2隔开，两电极之间最窄距离0.5mm。附图2为本发 明的实物图。1)将水碳比0.44的乙醇水溶液雾化后通过进料口5引入等离子体 发生器；2)对等离子体发生器内的电极施以10kV交流高压电，中心电极与外 电极在高电压作用下，中心电极尖端与外电极最窄处产生击穿电弧，其在旋流 的乙醇溶液喷雾推动下边高速旋转横扫电极间区域边向发生器下游移动，直至 电弧过长淬灭，上述过程不断循环，产生非热电弧等离子体，等离子体诱发乙 醇发生重整化学反应，产生富氢混合气由出气口6排出。
操作条件：水碳比为0.44，乙醇流量为0.10g/s，氧碳比为0.18-0.53，实验 结果如附图3。乙醇等离子体重整主要产物包括H2、CO、CO2和CH4，由图2 可见当氧碳比由0.25提高到0.35时，CH4产速急剧提高，H2和CO的产速几乎 不变；当氧碳比由0.35继续增至0.45左右时，H2和CO的产速迅速提高。CH4最高产速出现在氧碳比0.40处，而H2和CO的最高产速出现在略高的氧碳比0.45 左右。氧碳比的提高意味着更多CH4氧化为CO或H2，然而继续添加氧则将H2和CO完全氧化为H2O和CO2，同时促进更多乙醇发生降解。