專利名稱：協(xié)同驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)弧放電等離子體重整甲烷制氫裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種低碳烴重整制氫裝置，更具體地說(shuō)，本實(shí)用新型涉及一種協(xié) 同驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)弧放電等離子體重整甲烷制氫裝置。
背景技術(shù)：
將甲烷轉(zhuǎn)換成氫氣加以利用，不僅可以實(shí)現(xiàn)甲烷的清潔利用，減少溫室氣體的排 放，而且滿足了相應(yīng)的工業(yè)需求，提高了能源品位。目前甲烷制氫采用的主要技術(shù)是烴類蒸 汽重整制氫，但該技術(shù)采用的是強(qiáng)吸熱反應(yīng)，反應(yīng)溫度較高，必須外部供熱，熱效率較低；反 應(yīng)過(guò)程中水大量過(guò)量，能耗較高，造成能源和資源的浪費(fèi)；需要在催化劑的作用下促進(jìn)反應(yīng) 的進(jìn)行，然而現(xiàn)有催化劑對(duì)硫非常敏感，故天然氣(輕烴)需要首先脫硫，同時(shí)焦炭的生成 也會(huì)降低催化劑的活性?；瑒?dòng)弧放電是一種常壓下低溫等離子體發(fā)生方式，該技術(shù)已被初步應(yīng)用于工業(yè)廢 氣、廢水處理等環(huán)保領(lǐng)域。其主要特點(diǎn)在于輸入能量可以在不加熱反應(yīng)氣體的前提下，產(chǎn)生 大量的高能電子和活性基團(tuán)，并選擇性刺激化學(xué)反應(yīng)。將滑動(dòng)弧放電等離子體技術(shù)應(yīng)用于 甲烷重整制氫時(shí)，高能電子可以有效打斷甲烷的C-H鍵，實(shí)現(xiàn)甲烷的分解，同時(shí)產(chǎn)生各種活 性基團(tuán)，包括0、OH、CH、CH2, CH3等，從而有效促進(jìn)甲烷重整反應(yīng)的進(jìn)行。但是傳統(tǒng)刀片式電極的滑動(dòng)弧放電所形成的等離子體區(qū)域近似二維，反應(yīng)區(qū)間 小，大量反應(yīng)物并未通過(guò)等離子體區(qū)域，同時(shí)反應(yīng)物的停留時(shí)間短，并且電弧需要不斷的重 復(fù)從擊穿起弧到電弧拉長(zhǎng)至最后熄滅的過(guò)程，因此處理效果有限。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題是，克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種協(xié)同驅(qū)動(dòng)旋 轉(zhuǎn)滑動(dòng)弧放電等離子體重整甲烷制氫裝置。為解決技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是提供一種協(xié)同驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)弧 放電等離子體重整甲烷制氫裝置，該裝置包括一個(gè)具有反應(yīng)罩和絕緣底座的反應(yīng)器，其電 極設(shè)于絕緣底座上并與高壓直流電源相連，反應(yīng)罩上有一個(gè)反應(yīng)器出口 ；混合氣體管路一 端與絕緣底座外側(cè)的進(jìn)氣口相接，另一端同時(shí)連接至空氣氣泵和甲烷氣源；所述電極包括 圓錐形內(nèi)電極和管狀外電極兩部分，其中內(nèi)電極設(shè)于絕緣底座的中心，外電極環(huán)繞著內(nèi)電 極設(shè)置；絕緣底座內(nèi)部設(shè)螺旋形氣流通道，其一端與所述進(jìn)氣口相接，其另一端為出氣口， 位于外電極和內(nèi)電極之間的絕緣底座的表面。作為一種改進(jìn)，所述反應(yīng)罩的外部包圍設(shè)置穩(wěn)定磁場(chǎng)。作為一種改進(jìn)，所述混合氣體管路與甲烷氣源之間設(shè)阻燃器，阻燃器內(nèi)具有水封 結(jié)構(gòu)。作為一種改進(jìn)，所述外電極的內(nèi)側(cè)具有楔形結(jié)構(gòu)。作為一種改進(jìn)，所述高壓直流電源與電極之間設(shè)有功率電阻。作為一種改進(jìn)，所述高壓直流電源的負(fù)極與內(nèi)電極相連接，而高壓直流電源的正極與外電極相連接。作為一種改進(jìn)，有一個(gè)變壓吸附裝置與所述反應(yīng)器出口相連。作為一種改進(jìn)，在所述反應(yīng)器出口之前的反應(yīng)罩內(nèi)，設(shè)置催化劑裝載區(qū)。本實(shí)用新型是在傳統(tǒng)刀片式電極滑動(dòng)弧裝置的基礎(chǔ)上，對(duì)滑動(dòng)弧放電裝置的有益 改進(jìn)，并將改進(jìn)后的協(xié)同驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)弧放電裝置應(yīng)用于甲烷重整制氫領(lǐng)域。與傳統(tǒng)刀片 式電極滑動(dòng)弧裝置相比，旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)弧放電不僅實(shí)現(xiàn)了三維的滑動(dòng)弧放電區(qū)域，增大了滑動(dòng) 弧放電等離子區(qū)域，加長(zhǎng)了反應(yīng)物的停留時(shí)間；更加使得滑動(dòng)弧在起弧后，能夠持續(xù)以拉長(zhǎng) 后的狀態(tài)在內(nèi)外電極頂端之間高速旋轉(zhuǎn)，從而可以獲得更多的高能電子以打斷甲烷的C-H 鍵促使其分解，并生成更多的活性基團(tuán)促進(jìn)甲烷轉(zhuǎn)化重整；同時(shí)由于采用了協(xié)同驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn) 滑動(dòng)弧放電裝置，使得電弧持續(xù)高速旋轉(zhuǎn)，從而強(qiáng)化了電弧、高能電子和活性基團(tuán)與反應(yīng)物 之間的接觸，其處理效果可以得到顯著的提高。并且在活性基團(tuán)的作用下，會(huì)在旋轉(zhuǎn)電弧后 部形成劇烈的燃燒火焰，該火焰主要由乙炔、乙烯的部分氧化引起，從而進(jìn)一步促進(jìn)了氫氣 的生成。同時(shí)在該燃燒火焰的部分氧化放熱作用下，催化劑可以迅速達(dá)到催化所需的溫度， 因此可以獲得優(yōu)良的滑動(dòng)弧催化聯(lián)合作用下重整甲烷制氫的效果。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是(1)與傳統(tǒng)的刀片式電極滑動(dòng)弧裝置相比，采用氣流與磁場(chǎng)協(xié)同驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)弧 放電裝置，可以極大地提高甲烷重整制氫的效果，具有更高的甲烷轉(zhuǎn)化率、更高的氫氣選擇 性、更低的能耗以及更大的甲烷處理量；(2)通過(guò)旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)弧放電與催化劑的聯(lián)用，可以使兩種技術(shù)各自發(fā)揮特長(zhǎng)，獲得理 想的重整效果，而當(dāng)原料中含有大量容易致使催化劑中毒的成分時(shí)，可以單獨(dú)采用旋轉(zhuǎn)滑 動(dòng)弧放電重整，利用將2個(gè)或多個(gè)反應(yīng)器串聯(lián)的方式達(dá)到同樣的重整效果，從而表現(xiàn)出對(duì) 于原料良好的適應(yīng)性；(3)與烴類蒸汽催化重整制氫技術(shù)相比，不僅能耗有所降低，對(duì)原料的適應(yīng)性廣， 而且裝置簡(jiǎn)單成本低廉，尤其適用于中小規(guī)模重整甲烷制氫的需要；(4)本裝置不僅適用于甲烷重整制氫，也同樣適用于氨氣、乙烷等含氫氣態(tài)原料的
重整制氫。

圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中附圖標(biāo)記為1甲烷氣源(或其它含氫氣態(tài)原料)、2阻燃器、3進(jìn)氣口、4功率 電阻、5高壓直流電源、6空氣氣泵、7變壓吸附裝置、8反應(yīng)罩、9外加的穩(wěn)定磁場(chǎng)、10絕緣底 座、11螺旋形氣流通道、12內(nèi)電極、13外電極、14催化劑裝載區(qū)、15反應(yīng)器出口。
具體實(shí)施方式
參考附圖，下面將對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)描述。本實(shí)施例中的協(xié)同驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)弧放電等離子體重整甲烷制氫裝置，包括一個(gè)具 有反應(yīng)罩8和絕緣底座10的反應(yīng)器，其電極設(shè)于絕緣底座10上并與高壓直流電源5相連， 反應(yīng)罩8上有一個(gè)反應(yīng)器出口 15 ；混合氣體管路一端與絕緣底座外側(cè)的進(jìn)氣口 3相接，另 一端同時(shí)連接至空氣氣泵6和甲烷氣源1 ；所述電極包括圓錐形的內(nèi)電極12和管狀的外電極13兩部分，其中內(nèi)電極12設(shè)于絕緣底座10的中心，外電極13環(huán)繞著內(nèi)電極12設(shè)置，外 電極13的內(nèi)側(cè)具有楔形結(jié)構(gòu)，以輔助滑動(dòng)弧的形成，促使內(nèi)外電極在間距最短處起弧。絕 緣底座10內(nèi)部設(shè)螺旋形氣流通道11，其一端與所述進(jìn)氣口 3相接，其另一端為出氣口，位于 外電極環(huán)和內(nèi)電極之間的絕緣底座10的表面。該設(shè)計(jì)使得甲烷和空氣的混合氣體旋轉(zhuǎn)進(jìn) 入內(nèi)電極12和外電極13之間，形成旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)弧放電。反應(yīng)罩8的外部包圍設(shè)置外加的穩(wěn)定磁場(chǎng)9。外部設(shè)置的穩(wěn)定磁場(chǎng)9可加速電弧 的旋轉(zhuǎn)，形成高速旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)弧放電?；旌蠚怏w管路與甲烷氣源1之間設(shè)阻燃器2，阻燃器2內(nèi)具有水封結(jié)構(gòu)。甲烷氣體 在進(jìn)入反應(yīng)器之前，先經(jīng)過(guò)阻燃器2，阻燃器2內(nèi)的水封結(jié)構(gòu)具有一定高度的水，甲烷氣體 以鼓泡的方式通過(guò)阻燃器2，在實(shí)現(xiàn)阻燃的同時(shí)，也攜帶了一部分水蒸汽進(jìn)入反應(yīng)器反應(yīng)。所述高壓直流電源5與電極之間設(shè)有功率電阻，以保證電弧擊穿后，電源能夠穩(wěn) 定工作。高壓直流電源的負(fù)極與內(nèi)電極相連接，而高壓直流電源5的正極與外電極相連接。在反應(yīng)器出口 15之前的反應(yīng)罩8內(nèi)，設(shè)置催化劑裝載區(qū)14。催化劑裝載區(qū)14的 設(shè)置與否具體可以根據(jù)原料特性進(jìn)行調(diào)節(jié)如果甲烷氣體進(jìn)料中不含硫份，則加設(shè)催化劑 裝載區(qū)14，裝載用于催化重整的催化劑。甲烷在旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)弧放電等離子體的作用下，與空氣 發(fā)生重整反應(yīng)后，又進(jìn)入催化劑裝載區(qū)14進(jìn)行催化重整。如果進(jìn)料中含有高濃度的硫份或 其它容易致使催化劑失活的成分，則不需加設(shè)催化劑裝載區(qū)14。催化劑可選用鎳基催化劑 或貴金屬催化劑，例如川化股份有限公司生產(chǎn)的J106-2Q型甲烷催化劑。重整后制取的富含氫氣的合成氣，通過(guò)與反應(yīng)器出口 15相連的變壓吸附裝置7， 最終實(shí)現(xiàn)各組分的分離和氫氣的提純。變壓吸附裝置7是一種通用裝置，例如可選用《變壓 吸附技術(shù)用于制氫》文獻(xiàn)中所介紹的4塔流程變壓吸附裝置。本實(shí)用新型的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下圖1中，空氣通過(guò)空氣氣泵6加壓，通過(guò)進(jìn)氣口 3進(jìn)入絕緣底座10。在絕緣底座 10上，分別安裝有圓錐形的內(nèi)電極12和管狀的外電極13，內(nèi)外電極分別與連接著功率電阻 4的高壓直流電源5相連接，在電極間距最短處起弧。在絕緣底座10內(nèi)部，開(kāi)有螺旋形氣流 通道11，使得進(jìn)氣以旋轉(zhuǎn)的方式進(jìn)入內(nèi)外電極之間，從而推動(dòng)電弧旋轉(zhuǎn)，同時(shí)在反應(yīng)罩8外 部設(shè)置穩(wěn)定磁場(chǎng)9，加速電弧旋轉(zhuǎn)，形成高速旋轉(zhuǎn)的滑動(dòng)弧放電。當(dāng)旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)弧放電穩(wěn)定運(yùn) 行后，再通入甲烷，從而保證反應(yīng)器安全穩(wěn)定的運(yùn)行。甲烷經(jīng)由阻燃器2后，與空氣混合進(jìn) 入反應(yīng)器，首先在反應(yīng)罩8上部的滑動(dòng)弧放電區(qū)域重整，隨后進(jìn)入反應(yīng)罩8下部的催化區(qū)域 14進(jìn)一步反應(yīng)，生成合成氣。合成氣最后通過(guò)變壓吸附裝置7實(shí)現(xiàn)各組分的分離和氫氣的 提純。本實(shí)用新型的具體實(shí)現(xiàn)實(shí)例如下方法工藝條件是10KV高壓直流電，功率電阻阻值IOOkQ，內(nèi)電極為圓錐形的黃 銅電極，高度65mm，底部直徑34mm ；外電極為管狀不銹鋼電極，長(zhǎng)110mm，內(nèi)徑43mm，外徑 48mm，其內(nèi)部加設(shè)楔形銅片，從而形成一定的傾斜角，同時(shí)使得內(nèi)外電極之間的最小間距為 3mm。聚四氟乙烯底板在其中部設(shè)有直徑43mm、高35mm的高臺(tái)，高臺(tái)周圍開(kāi)螺旋形氣流通 道，從而形成旋轉(zhuǎn)氣流，螺旋間距為10mm。內(nèi)電極固定在高臺(tái)上，外電極與高臺(tái)緊固連接，使 得外電極高于內(nèi)電極10mm。反應(yīng)器外罩采用石英玻璃，內(nèi)徑52mm，高250mm。催化劑裝載區(qū) 位于內(nèi)電極上部80mm處，催化床層厚度為50mm。外加磁場(chǎng)強(qiáng)度為0. 1T，高度為200mm。實(shí)
5驗(yàn)分別在設(shè)有催化劑和不加設(shè)催化劑的條件下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)1#實(shí)驗(yàn)條件甲烷流量6L/min，空氣流量14L/min，無(wú)催化劑。 實(shí)驗(yàn)2#實(shí)驗(yàn)條件甲烷流量6L/min，空氣流量14L/min，鎳基催化劑聯(lián)用。 實(shí)驗(yàn)3#實(shí)驗(yàn)條件氨氣流量lOL/min，阻燃器內(nèi)為飽和氨水，從而攜帶一定量的水蒸汽進(jìn) 入，不通入空氣，無(wú)催化劑。
還需要注意的是，以上列舉的僅是本實(shí)用新型的具體實(shí)施例。顯然，本實(shí)用新型不 限于以上實(shí)施例，還可以有許多變形。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能從本實(shí)用新型公開(kāi)的內(nèi)容 直接導(dǎo)出或聯(lián)想到的所有變形，均應(yīng)認(rèn)為是本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求一種協(xié)同驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)弧放電等離子體重整甲烷制氫裝置，包括具有反應(yīng)罩和絕緣底座的反應(yīng)器，其電極設(shè)于絕緣底座上并與高壓直流電源相連，反應(yīng)罩上有一個(gè)反應(yīng)器出口；混合氣體管路的一端與絕緣底座外側(cè)的進(jìn)氣口相接，另一端同時(shí)連接至空氣氣泵和甲烷氣源；其特征在于，所述電極包括圓錐形內(nèi)電極和管狀外電極兩部分，其中內(nèi)電極設(shè)于絕緣底座的中心，外電極環(huán)繞著內(nèi)電極設(shè)置；所述絕緣底座內(nèi)部設(shè)螺旋形氣流通道，其一端與所述進(jìn)氣口相接，其另一端為出氣口，位于外電極和內(nèi)電極之間的絕緣底座的表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制氫裝置，其特征在于，所述反應(yīng)罩的外部包圍設(shè)置外加的 穩(wěn)定磁場(chǎng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制氫裝置，其特征在于，所述混合氣體管路與甲烷氣源之間 設(shè)阻燃器，阻燃器內(nèi)具有水封結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制氫裝置，其特征在于，所述外電極的內(nèi)側(cè)具有楔形結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制氫裝置，其特征在于，所述高壓直流電源與電極之間設(shè)有 功率電阻。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制氫裝置，其特征在于，所述高壓直流電源的負(fù)極與內(nèi)電極 相連接，而高壓直流電源的正極與外電極相連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制氫裝置，其特征在于，有一個(gè)變壓吸附裝置與所述反應(yīng)器 出口相連。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任意一項(xiàng)所述的制氫裝置，其特征在于，在所述反應(yīng)器出口之 前的反應(yīng)罩內(nèi)，設(shè)置裝填了催化劑的裝載區(qū)。
專利摘要本實(shí)用新型涉及低碳烴重整制氫裝置，旨在提供一種協(xié)同驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)弧放電等離子體重整甲烷制氫裝置。包括具有反應(yīng)罩和絕緣底座的反應(yīng)器，其電極設(shè)于絕緣底座上并與高壓直流電源相連，反應(yīng)罩上有一個(gè)反應(yīng)器出口；混合氣體管路一端與絕緣底座外側(cè)的進(jìn)氣口相接，另一端同時(shí)連接至空氣氣泵和甲烷氣源；所述電極包括圓錐形內(nèi)電極和管狀外電極兩部分，其中內(nèi)電極設(shè)于絕緣底座的中心，外電極環(huán)繞著內(nèi)電極設(shè)置；絕緣底座內(nèi)部設(shè)螺旋形氣流通道。本實(shí)用新型可以極大地提高甲烷重整制氫的效果，具有更高的甲烷轉(zhuǎn)化率、更高的氫氣選擇性、更低的能耗以及更大的甲烷處理量；裝置簡(jiǎn)單成本低廉，尤其適用于中小規(guī)模重整甲烷制氫的需要。
文檔編號(hào)C01B3/38GK201686484SQ20102015823
公開(kāi)日2010年12月29日 申請(qǐng)日期2010年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月13日
發(fā)明者嚴(yán)建華, 倪明江, 岑可法, 李曉東, 池涌, 王飛, 蔣旭光, 金余其, 陸勝勇, 馬增益, 黃群星 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)