滑动弧等离子体正十二烷重整制氢研究

作     者：程意 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王保伟;孟凡东

授予年度：2022年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：滑动弧等离子体 正十二烷 重整制氢 发射光谱 反应动力学模拟 

摘      要：氢能因其高效、清洁等优点而成为最具有吸引力的能源。柴油因其高密度、高产氢率和良好的可运输性而成为重整制氢领域的研究热点。非平衡等离子体技术可以使用高能电子轻松破坏大部分化学键,且避免了催化重整技术需要高温、催化剂失活、结构复杂等缺点。本文选用正十二烷作为柴油模型化合物,采用刀片式滑动弧等离子体反应器对正十二烷进行了部分氧化重整、蒸汽重整和干重整制氢的实验研究,利用Chemkin软件中的Plasma PSR模块分别对三种体系建立了零维反应动力学模型,探究了反应机理。部分氧化重整制氢实验结果表明:在O/C比为0.75、输入功率为35 W和停留时间为35 s条件下,正十二烷转化率为88.0%,H和CO产率分别为65.8%和68.5%,转化能量效率和H能量产率分别为53.9 g/k Wh和68.7 L/k Wh。结合发射光谱诊断及反应动力学的建立,探讨了体系的反应机理。对正十二烷转化贡献率最大的是直接裂解反应;H主要来源于H原子与CH、CH、CH等的重组反应;CO的生成主要来源于HCCO与H以及C与O之间的碰撞反应。蒸汽重整制氢实验结果表明:体系中适量的蒸汽会促进正十二烷的转化。在S/C比为1.50、正十二烷浓度为3%、输入功率为32 W和停留时间为25 s条件下,正十二烷转化率为92.0%,H和CO产率分别为43.7%和43.3%,转化能量效率和H能量产率分别为34.7 g/k Wh和67.9 L/k Wh。正十二烷裂解可获得30-40 nm的球形纳米碳颗粒。模型计算结果表明:直接裂解反应在正十二烷的转化中起到主导作用;HO转化的主要路径为HO与CH、CH、CH等的反应;H生成的主要反应路径来自于H原子与CH、CH、CH等的重组反应;HCCO与H原子之间的碰撞反应为CO的最主要的生成路径。干重整制氢实验结果表明:在O/C比为0.95、输入功率为46 W和停留时间为50 s的条件下,正十二烷和CO转化率分别为95.3%和63.2%,H和CO产率分别为59.6%和62.6%,正十二烷转化能量效率和H能量产率分别为55.7 g/k Wh和59.6 L/k Wh。模型计算结果表明:正十二烷与H原子之间碰撞重组生成H在其转化中起到主导作用;CO的电子碰撞反应在CO转化中起到最重要作用;H生成的主要路径来自于烃类物种的电子碰撞反应以及与H原子的重组反应;H与HCCO以及CHCO之间的碰撞反应可有效促进CO的生成。上述研究优化了各体系的工艺条件,建立了与实验结果吻合的动力学模型,探明了反应机理,为柴油重整制氢新工艺开发提供了实验基础和理论支撑。