碳氢燃料滑动弧光等离子体氧化重整制氢

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燃料电池作为汽/柴油内燃机的良好替代品,提高效率的同时,极大降低了对环境的影响,但其在发展过程中受到氢气供应的限制。滑动弧光等离子体反应器具有装置小巧、操作简单、响应时间短等特点,能够适应各类燃料快速转化制氢,为燃料电池在线提供氢气。本文在常温常压下于滑动弧光等离子体反应器内对汽/柴油模型燃料(正庚烷、甲苯)进行了部分氧化重整和CO2干重整制氢研究,考察了工艺参数和反应器参数对制氢的影响并提出了反应机理。在滑动弧光等离子体反应器中研究了工艺参数和反应器参数对C7H16/air、C7H8/air、C7H16/CO2三种体系重整制氢的影响。结果表明,适当增加输入功率和放电间距有助于提高H2收率和能量产率。氧碳摩尔比和停留时间是影响氧化重整反应产物分布的重要工艺参数。将C7H16/air、C7H8/air、C7H16/CO2三种体系的H2收率和能量产率进行对比,发现正庚烷部分氧化重整反应制氢效果最好,其在适宜条件下的H2收率和能量产率分别为50.1%、94.5 L·(k W·h)-1。采用发射光谱对等离子体放电体系进行诊断,检测到了N2激发态、活性氧物种(O+,O)、CH·和H·自由基等活性基团。结合气/液相产物分析结果,提出了C7H16/air、C7H8/air、C7H16/CO2三种体系下滑动弧光等离子体氧化重整反应机理,指出燃料分子裂解是在高能电子、活性氧和N2激发态的共同作用下完成的。在C7H16/air滑动弧光等离子体氧化重整体系中,考察添加Ar、CH4、C7H8、CO2和水蒸汽对过程的影响。结果表明,在一定范围内,添加气均能提高正庚烷转化制氢性能,其中添加CO2和CH4的效果最好。每种添加气的作用机理都不同,CH4凭借其独特的分子结构,能够产生大量的H·自由基,诱导加速正庚烷分子的脱氢反应,从而加快正庚烷转化制氢。在C7H16/air滑动弧光等离子体氧化重整体系加入CO2一方面可实现反应空间内部热量耦合,另一方面,N2激发态诱发CO2分子的激发、分解和电离,产生了氧化势能非常高的激发态O+离子加快燃料分子的裂解,使H2产量增加。
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