含水乙醇低温等离子体重整制氢研究

第33卷第5期武汉理工大学学报(驾科)ol. 33 No2009年10月Journal of Wuhan University of TechnologyOet.2009( Transportation Science Engineering含水乙醇低温等离子体重整制氢研究胡又平12)李格升3)高孝洪3)严立1(大连海事大学材料工艺研究所大连116026)(武汉理工大学理学院2武汉430063)(武汉理工大学能动学院3)武汉430063)摘要:基于对含水乙醇等离子体重整制氢的实验研究,实现了利用锥齿形电极结构介质阻挡放电等离子体对乙醇进行重整制氢.实验结果表明:乙醇重整效率及产物中氢气的选择性与反应物初始浓度、注入功率、电源频率、反应物流量等因素有关,含水乙醇体积分数为75%时,氢气的选择性最大;氢气的选择性随着反应器中注入功率增加而增大;放电电源的频率接近负载的谐振频率时,重整率最高;对一定的反应器,反应物的流鳅太大和太小,都不利于重整反应的进行.锥齿形电极结构介质阻挡放电等离子体反应器的重整效率高于同轴平行电极.乙醇等离子体重整制氢的主要气态产物有H2,CO,CH4,CO2,C2H4,C2H4等,在乙醇体积分数为75%放电间距为2.0mm,频率为10.5kHz,注入功率为240W的条件下,得到重整率为65%,产物中氢的体积比为67关键词:乙醇重整制氢;等离子体;锥齿形电极中图法分类号:U664.122DOI:10.3963/j.issn.1006-2823.209.05,0290引言1实验系统作为一种可再生的生物能源,乙醇的开发利锥齿形电极介质阻挡放电含水乙醇重整制氢用已成为当今能源研究领域的热点.目前我国部研究的实验系统如图1所示,容器1中的含水乙分地区推广使用的乙醇汽油方案,是在汽油中添醇经过蒸发器2变成蒸气,进入到锥齿形电极介加10%的纯乙醇,可以实现载运工具上部分替代质阻挡放电反应器3中,经等离子体处理后的产化石能源.这一方案所使用的纯乙醇成本较高物流过冰水冷凝器9后,进入产物收集器10.反且只能实现部分替代化石能源,为此,本文提出了应器的高压端接自制的高频高压电源4,放“含水乙醇富氢燃料发动机”技术路线,是将含水乙醇通过等离子体重整变为富氢的燃料气体直接供给汽车发动机燃烧.这一技术路线的实现,可以利用较低成本的含水乙醇对化石能源部分或完全替代,而且不需改变现有的发动机结构和载运工具的燃料供给方式,供给汽车发动机的富氢燃料是含氢量低于60%的富氢气体,不同于以氢为燃料的电动汽车必须是高纯度的氢气,有可能成为氢燃料汽车之前的过渡方案.本文是在前期对锥齿形介质阻挡放电特性研究的基础上(,实验图1乙醇重整实验系统图研究含水乙醇低温等离子体重整制氢的影响因素器2蒸发器:3反应器;4高压电源;5示波器:6计算机;;10-产物收集及其规律中国煤化工收稿日期:2009-03-15CNMHG胡又平:男,43岁,博士,副教授,主要研究领域为等离子物理·武汉市科技攻关计划项目(批准号:20066002065),湖北省国际科技合作重点项目(批准号:2006CA012)资助第5期胡又平,等:含水乙醇低温等离子体重整制氢研究929电的电压电流波形通过示波器5采集到计算机6记录,等离子体处理后的产物由GC7900气相色谱仪7分析处理,8为连接色谱的计算机.实验所用的自制高压电源参数为:频率在~15kHz、电压为0~25kV之间可调.其放电的电压由P6015A无源高压探头采集,电流信号由串联在放电极上的200电阻采样,所得的电压和电流信号分别输入到 Tek TDS210记忆示波器乙醇体积分数/%上,并连接到计算机,由 Wavestar软件处理获得口其他电压电流波形日C:H锥齿形结构介质阻挡放电电极是以长度为■C:H600mm、内径为26mm、壁厚为1.5mm的圆柱C02夏CH形陶瓷管为介质,外壁缠绕不锈钢丝为高压电极,内电极是在金属杆上套有几片外径为22mm的圆形钨钢刀片,与陶瓷管及外高压电极形成锥齿形放电电极乙醇体积分数/%图2乙醇初始体积分数对产氢率及产物选择性的影响2实验结果与讨论2.2注入功率对产氢的影响图3a),b)分别为注入功率对重整率及产物2.1乙醇初始乙醇体积分数对产氢的影响选择性的影响实验条件:乙醇体积分数为75%图2a),b)分别为乙醇初始体积分数对重整流量为2.5mL/min,保持电源的频率为10.5率及产物选择性的影响实验条件为:放电电压为kHz,调节电源电压,改变电源的注入功率图3a)20.1kV,频率为10.0kHz,流量为3.0mL/min.可以看出,调节注入功率为100W时,重整率为图2a)可以看出,当乙醇体积分数为65%时,重整13%,注入功率加大到120W时,重整率变为率为21%当乙醇体积分数为75%时,重整率为18%,注人功率为180W时重整率为45%注入47%,当乙醇体积分数为85%时重整率为48%,功率为200W时,重整率为47%注入功率为当乙醇体积分数为95%时,重整率为31%可见,240W时,重整率为65%在实验条件的范围内,乙醇体积分数与重整率不是线性的关系,当乙醇体积分数在75%到85%之间时,重整率相对较高.乙醇等离子体重整制氢的反应是部分氧化反应,反应所需的O元素由水提供,一定比例的含水乙醇所得到的反应产物使得氢气的选择性最高.图2b)可以看出,典型的气态产物成分有001201401601802002202402,CO,CH4,CO2,C2H4,C2H6等.不同初始乙功率/w醇体积分数下的产物比例不同,含量最大的是氢气,一氧化碳其次,接下来是CH4,CO2,CnH4,C2H6等.当初始乙醇体积分数为65%时,产物中氢气的比例为42%,当乙醇体积分数为75%时,氢气所占比例为50%,乙醇体积分数为85%时,氢气的比例为45%,而乙醇体积分数为95%时,中国煤化工日氢气的比例下降到38%.氢气选择性的变化趋势CNMHG220240与重整率的变化趋势基本一致,本实验条件下得到的最大的氢气选择性条件是体积分数为75%图3注人功率对产氢及产物选择性的影响的乙醇930·武汉理工大学学报(交通科学与工程版)2009年第33卷重整率随着注人功率的提高而单调地上升.图体区域里停留时间与反应方向的关系:当流量较3b)可以看出,随着注入功率的增加,氢气的选择小时,停留时间相对较长,部分已经被裂解的小分性随之增加,当注入功率为240W时,氢气所占子继续停留在放电空间里,会发生更多的逆反应,的比例达到67%而同时,C2H6的选择性却对应使重整率降低,而当流量增加,停留时间较短,反地下降其他的几种气态成分也随着变化随着功应物还未完全裂解,就离开了等离子体区域使反率注入的提高,小分子如氢气的选择性增加,大的应效率降低因此,对于一定的反应器,存在一个分子却下降这点说明,在一定条件下注入放电最佳的流量.在本实验系统中,流量为3.0mL/空间的能量越高,所产生高能电子的平均能量和min时,重整率达到60%高能电子数目就越多,更多的高能电子将有利于小分子的产生52.3放电频率对产氢的影响图4表示体积分数为75%的乙醇,在放电间隙为2.0mm,放电电压为20.5kV时,放电频率与重整率之间的关系.频率为9.0kHz时,重整率为16%;频率调整到9.5kHz时,重整率为50%;而频率达到10.0kHz时,重整率为60%;调整频率为10.5kHz时,重整率为62.5%;当频流量/( mL- min2)率为11.0kHz时,重整率为49%;当频率提高到图5流量对重整效率的影响12.0kHz时,重整率为14.8%.可见,频率对重2.5同轴平行电极对比实验整率的影响与介质阻挡放电的负载特性有关,放在图1的实验系统中,将反应器3替换为同电电源的频率接近负载的谐振频率时,介质阻挡轴平行电极替换前后两种电极的结构基本一样,放电的功率注人效率最高,反应器中的产生高能仅将锥齿形的内电极换为直径为20.0mm的铜电子数量最多,表现出的重整反应效率也最高棒,以内径为26mm,壁厚为1.5mm的圆柱形陶瓷管为介质,外壁缠绕长度为15.0mm的不锈钢丝网连接高压电极,形成一个放电间隙为2.0mm,放电长度为15.0mm的同轴平行电极图6为2种电极在不同注入功率下重整率的变化实验条件为:乙醇体积分数为75%流量为2.5mL/min.由图可以看出,在2种电极结构的重整实验中,功率注入对产氢影响的规律基本样,随着注入功率的增加,重整率也增加,但在相011.512.0同注入功率条件下,锥齿形结构的电极比平行结图4放电频率与重整效率之间的关系构的电极重整率高出10%到20%之间反映出电2.4反应物流量对产氢的影响极结构对等离子体区域中高能电子的影响.在同图5为反应物流量对重整率的影响实验条样的注入功率下,平行结构的电极,放电是分布在件:乙醇体积分数为75%,放电间隙为2.0mm,整个面上,而锥齿形结构的电极,放电区域集中在维持注入功率为20w.流量为2.0mL/min时,锥齿位置,在相同的放电长度上,实际的放电面积重整率为30%流量为2.5mL/min时,重整率为50%,流量为3.0mL/min时,重整率为60%,流一同轴锥齿同轴平行量为3.5mL/min时,重整率降为55%流量为4.5mL/min时,重整率为30%.当流量由2.0~中国煤化工3.0mL/min重整率逐渐增大,随着流量继续增CNMHG加,重整率反而下降.当流量由3.0~5.0mL/120140160180200220240min时,效率由60%降到24%.在其他条件一定时,流量对重整率的影响反映了反应物在等离子图6电极结构对产氢的影响第5期胡又平,等:含水乙醇低温等离子体重整制氢研究·931比前者要小的多,这样,放电区域中单位体积的能重整率达到60%量密度高于前者很多.同时,锥齿结构的存在,使4)对比实验结果显示,锥齿形结构的电极比反应空间中紊流加强,各种粒子碰撞的几率增加,平行形结构的电极能量注入效率高,相同注入功流体通道上的反应界面不断更新,等离子体反应率条件下,同轴锥齿形电极的重整率高于同轴平更充分、更均匀,整体反应效率提高行形电极3结束语参考文献[1]李格升,游伏兵,高孝洪,含水酒精在发动机上的应利用锥齿形电极结构介质阻挡放电产生的等用研究[门武汉理工大学学报:交通科学与工程版2008,32(6):994997离子体,对含水乙醇进行重整,实现了乙醇的重整[2]胡又平锥齿形电极介质阻挡放电特性的研究[J]制氢,并得到如下结论北京理工大学学报,2008(11):1031-1034.1)乙醉等离子体重整制氢的产物有H2,[3] Kim S C, Chun YN. Reforming characteristics fCO,CH4,CO2,C2H4,CH6等,在乙醇体积分数hydrogen production using plasmatron[J]. J.Ind为75%、放电间距为2.0mm,频率为10.5kHzEng.Chem.,2007,13(4):523-529.注入功率为240W的条件下,得到重整率为[4] Tsai L, Wang C s. Control design of ethanol65%,产物中氢的体积比为67%steam reforming in thermal plasma reformer[C]//2)重整率随着注人功率的提高而单调地上1 6th IEEE International Conference on Control Ap-升.放电频率与等离子体反应器的谐振频率一致plications, Singapore, Oct 1-3 2007: 707-714时,其功率注入最高,得到的产氢率也最高.[5] Bromberg L, Cohn D R, Rabinovich A, et al. Compact3)流量是反应物在等离子体区域里停留时plasmatron- boosted hydrogen generation technologyfor vehicular applications[J]. International Journal of间的反映,停留时间过长和过短都不利于重整率Hydrogen Energy. 1999. 24(4): 341-350的提高.本实验条件下,流量为3.0mL/min时,Experiment Study on Hydro-ethanol ReformingHydrogen Production by Non-thermal PlasmaHu Youping.2 Li Geshen") Gao Xiaohong" Yan Li"(Institute of Materials and Technology, Dalian Maritime University, Dalian 116026)(School of Science, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063)2)(School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063)3)AbstractThe hydrogen production from ethanol reforming by abevel-gear-to-plane dbd plasma is studiedexperimentally. The results show that the reforming efficiency and hydrogen selectivity are related tothe initial concentration of ethanol, the power input, the power frequency and the flow rate. Thehigher selectivity is obtained for an initial concentration of 75% ethanol, high input power, working atresonance frequency and a moderate flowrate. The bevelconsiderably better than the coaxial design for the DBd-plaversion efficiency of 65% is obtained at a power input ofYHaction performs中国煤化工hydrogen conCNMHGHz, a 2.0 mmdischarge gap and a flow rate of 3. 0 mL/ min from a 75% ethanol/25% water mixtureKey words: ethanol reforming hydrogen production; plasma; bevel-gear-to-plane electrodes