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Machine learning-driven optimization of plasma-catalytic dry reforming of methane

Journal of Energy Chemistry 2024年第9期96卷 153-163页

作者： Yuxiang Cai danhua mei Yanzhen Chen Annemie Bogaerts Xin Tu Department of Electrical Engineering and Electronics University of LiverpoolLiverpool L693GJUK Research Group PLASMANT Department of ChemistryUniversity of AntwerpUniversiteitsplein 1BE-2610 Wilrijk-AntwerpBelgium College of Electrical Engineering and Control Science Nanjing Tech UniversityNanjing 211816JiangsuChina

This study investigates the dry reformation of methane(DRM)over Ni/Al_(2)O_(3)catalysts in a dielectric barrier discharge(DBD)non-thermal plasma reactor.A novel hybrid machine learning(ML)model is developed to optimize the plasma-catalytic DRM reaction with limited experimental *** address the non-linear and complex nature of the plasma-catalytic DRM process,the hybrid ML model integrates three well-established algorithms:regression trees,support vector regression,and artificial neural networks.A genetic algorithm(GA)is then used to optimize the hyperparameters of each algorithm within the hybrid ML *** ML model achieved excellent agreement with the experimental data,demonstrating its efficacy in accurately predicting and optimizing the DRM *** model was subsequently used to investigate the impact of various operating parameters on the plasma-catalytic DRM *** found that the optimal discharge power(20 W),CO_(2)/CH_(4)molar ratio(1.5),and Ni loading(7.8 wt%)resulted in the maximum energy yield at a total flow rate of∼51 mL/***,we investigated the relative significance of each operating parameter on the performance of the plasma-catalytic DRM *** results show that the total flow rate had the greatest influence on the conversion,with a significance exceeding 35%for each output,while the Ni loading had the least impact on the overall reaction *** hybrid model demonstrates a remarkable ability to extract valuable insights from limited datasets,enabling the development and optimization of more efficient and selective plasma-catalytic chemical processes.

关键词： Plasma catalysis Machine learning Process optimization Dry reforming of methane Syngas production

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H_(2)O体积分数对纳秒脉冲氮气DBD均匀性的影响

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高电压技术 2024年第9期50卷 4252-4260页

作者：张东璇杨欣欣刘峰梅丹华方志南京工业大学电气工程与控制科学学院南京211816

为产生均匀且高活性的大气压低温等离子体,提高介质阻挡放电(dielectric barrier discharge,DBD)的应用效果,利用纳秒脉冲电源激励氮气DBD,并添加H_(2)O提高等离子体活性。通过电学和光学方法诊断研究了H_(2)O体积分数对氮气DBD特性的... 详细信息

为产生均匀且高活性的大气压低温等离子体,提高介质阻挡放电(dielectric barrier discharge,DBD)的应用效果,利用纳秒脉冲电源激励氮气DBD,并添加H_(2)O提高等离子体活性。通过电学和光学方法诊断研究了H_(2)O体积分数对氮气DBD特性的影响。利用灰度分析方法和等效电路模型定量分析放电图像和电压电流波形,得到放电均匀性和电学微观参数,计算N_(2)和N_(2)^(+)激发态粒子谱线强度比值来表征约化场强E/n的变化趋势。结果表明:由于H_(2)O的电离反应与H_(2)O吸附电子之间的竞争机制,在氮气DBD中添加H_(2)O体积分数在0到0.6%时,放电均匀性较好,进一步添加H_(2)O后,气隙出现微弱细丝,放电无法充满整个空间,放电均匀性变差。随H_(2)O体积分数增加,传输电荷、平均功率、能量效率、羟基自由基·OH谱线强度以及E/n均先增大后减小,并在H_(2)O体积分数为0.1%时到达最大值。此研究结果有利于制备均匀、稳定且高活性的大气压等离子体源。

关键词：纳秒脉冲介质阻挡放电水蒸气放电特性均匀性

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Special issue on selected papers from HVDP 2020

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Plasma Science and Technology 2021年第6期23卷 1-2页

作者： danhua mei Shuai ZHANG Jingfeng TANG College of Electrical Engineering and Control Science Nanjing Tech UniversityNanjing 211816People's Republic of China Beijing International S&T Cooperation Base for Plasma Science and Energy Conversion Institute of Electrical EngineeringChinese Academy of SciencesBeijing 100190People's Republic of China Harbin Institute of Technology Harbin 150001People's Republic of China

High-voltage and discharge plasma technology is playing an increasingly important role in the construction of national economy and social development,and has attracted extensive attention from both academia and *** a novel molecular activation method,discharge plasma can enable thermodynamically difficult reactions to occur under relatively mild conditions,and its effectiveness has successfully been demonstrated in gas cleaning and material surface treatment.

关键词： treatment enable cleaning

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Plasma reforming of toluene as a model tar compound from biomass gasification:effect of CO_(2) and steam

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Waste Disposal and Sustainable Energy 2019年第2期1卷 133-141页

作者： Shiyun Liu danhua mei Yaolin Wang Yichen Ma Xin Tu Department of Electrical Engineering and Electronics University of LiverpoolLiverpool L693GJUK College of Electrical Engineering and Control Science Nanjing Tech UniversityNanjing 211816China

In this study, plasma reforming of toluene as a tar model compound from biomass gasification has been carried out using an AC gliding arc discharge reactor. The influence of steam and CO_(2) addition on the reforming of toluene has been evaluated. The results show that the highest toluene conversion (59.9%) was achieved when adding 3 vol% CO_(2) at a toluene concentra-tion of 16.1 g/Nm3 and a specific energy input of 0.25 kWh/m3. Further increasing CO_(2) concentration to 12 vol% decreased the conversion of toluene. The presence of steam in the plasma CO_(2) reforming of toluene creates oxidative OH radicals which contribute to the enhanced conversion of toluene and energy efficiency of the plasma reforming process through stepwise oxidation of toluene and reaction intermediates. Hydrogen and C_(2)H_(2) were identified as the major gas products in the plasma reforming of toluene without CO_(2) or steam, with a yield of 9.7% and 14.5%, respectively, while syngas was the primary products with a maximum yield of 58.3% (27.5% for H_(2) and 30.8% for CO) in the plasma reforming with the addition of 12 vol% CO_(2). The plausible reaction pathways and mechanism in the plasma reforming of toluene have been proposed through the combination of the analysis of gas and condensed products and spectroscopic diagnostics.

关键词： Gliding arc discharge Non-thermal plasma Tar reforming Biomass gasification

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Liquid discharge plasma for fast biomass liquefaction at mild conditions: The effects of homogeneous catalysts

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Frontiers of Chemical Science and Engineering 2020年第5期14卷 763-771页

作者： Sen Wang Shiyun Liu danhua mei Rusen Zhou Congcong Jiang Xianhui Zhang Zhi Fang Kostya(Ken)Ostrikov College of Electrical Engineering and Control Science Nanjing Tech UniversityNanjing 211816China Fujian Provincial Key Laboratory of Plasma and Magnetic Resonance Institute of Electromagnetics and AcousticsDepartment of Electronic ScienceCollege of Electronic Science and TechnologyXiamen UniversityXiamen 361005China School of Chemistry Physics and Mechanical EngineeringQueensland University of TechnologyBrisbaneQueensland 4000Australia

Non-thermal plasma exhibits unique advan-tages in biomass conversion for the sustainable production of higher-value energy *** homogeneous catalysts are usually required for plasma-enabled biomass liquefaction to achieve time-and energy-efficient ***,the effects of such catalysts on the plasma-assisted liquefaction process and of the plasma on those catalysts have not been thoroughly *** this study,an electrical discharge plasma is employed to promote the direct liquefaction of sawdust in a mixture of polyethylene glycol 200 and *** commonly used chemicals,sulfuric acid,nitric acid and sodium p-toluene sulfate,were selected as *** effects of the type of catalyst and concentration on the liquefaction yield were examined;further,the roles of the catalysts in the plasma liquefaction process have been *** results showed that the liquefaction yield attains a value of 90%within 5 min when 1%sulfuric acid was employed as the *** with the other catalysts,sulfuric acid presents the highest efficiency for the liquefaction of *** was observed that hydrogen ions from the catalyst were primarily responsible for the significant thermal effects on the liquefaction system and the generation of large quantities of active species;these effects directly con-tributed to a higher efficacy of the plasma-enabled liquefaction process.

关键词： discharge plasma biomass liquefaction cata-lyst homogeneous catalysts

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Optical Diagnostics of Atmospheric Pressure Argon Gliding Arc Discharge

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高电压技术 2013年第9期39卷 2180-2186页

作者： danhua mei Yuxuan Zeng Xin Tu Department of Electrical Engineering and Electronics University of Liverpool L69 3G J Liverpool UK

This work is devoted to the experimental investigation of an AC argon gliding arc discharge at atmospheric *** dynamic behaviour of the argon gliding arc plasma is investigated by the oscillations of the electrical signals,while the time-resolved arc root motion behaviour on the electrode wall is analyzed by high-speed *** is found that the anode and cathode arc roots exhibit different motion behaviour on the electrode *** addition,emission spectroscopic technique has been employed to determine the axial distribution of the gas temperature and electron density in the argon gliding arc plasma.

关键词：滑动弧放电大气压力氩气光学诊断等离子体弧根运动电极表面行为研究

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大气压低温等离子体特性与应用研究现状

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中国电机工程学报 2020年第4期40卷 1339-1358+1425页

作者：梅丹华方志邵涛南京工业大学电气工程与控制科学学院中国科学院电工研究所中国科学院大学

根据近年来国内外大气压低温等离子体基本特性和实际应用的研究进展,结合2018年全国高电压与放电等离子体学术会议邀请报告和口头报告的内容,从基本特性理论研究和面向实际应用研究2个层面总结和分析了近几年来大气压低温等离子体的研... 详细信息

根据近年来国内外大气压低温等离子体基本特性和实际应用的研究进展,结合2018年全国高电压与放电等离子体学术会议邀请报告和口头报告的内容,从基本特性理论研究和面向实际应用研究2个层面总结和分析了近几年来大气压低温等离子体的研究进展。理论研究围绕等离子体激励电源、产生装置、实验诊断技术和数值仿真技术等方面展开;实际应用则主要集中在材料处理、能源转化、环境治理、生物医学、航空航天以及农业食品等领域。可以看出,国内关于大气压低温等离子体的基本特性和实际应用的研究均取得良好进展。未来应立足于相关应用领域的具体需求,解决制约该领域迅速发展的基本理论问题和关键技术问题,建立和发展面向实际应用的等离子体理论体系和工艺体系,从而促进大气压低温等离子体技术广泛应用。

关键词：大气压低温等离子体放电基本特性应用学术交流

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大气压氮气交流滑动弧放电模式及其周期特性研究

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中国电机工程学报 2021年第8期41卷 2939-2947页

作者：丁亮刘诗筠梅丹华刘峰方志南京工业大学电气工程与控制科学学院江苏省南京市211800

滑动弧放电在能源环境及材料处理等领域有着广泛的应用,为指导实际应用中滑动弧电极结构和运行参数优化及应用效果提升,通过电学和光学特性等分析手段,采集并获得不同气体流量、电源调压器电压下氮气滑动弧的放电信号和放电图像,研究不... 详细信息

滑动弧放电在能源环境及材料处理等领域有着广泛的应用,为指导实际应用中滑动弧电极结构和运行参数优化及应用效果提升,通过电学和光学特性等分析手段,采集并获得不同气体流量、电源调压器电压下氮气滑动弧的放电信号和放电图像,研究不同条件下交流滑动弧放电的放电模式、伏安特性、光谱特性及电弧运动特性。研究结果表明:交流滑动弧在整个放电过程中存在稳定滑动和击穿伴随滑动两种模式,两者的电信号特征和电弧运动特征存在显著差异,通过减少气体流量或增加输入电压均会使电弧的放电模式向着稳定滑动模式转变。稳定滑动模式下的平均放电功率和滑动周期都高于击穿伴随滑动模式,且在稳定滑动模式下能产生较大的电弧弧长和弧高;交流滑动弧的发射光谱强度也和滑动弧放电模式直接相关,稳定滑动模式下的光谱强度高于击穿伴随滑动模式的光谱强度,有利于促进化学反应的进行。因此,在交流滑动弧放电实际应用中,可在较低的气体流量和较高的调压器输入电压下运行(该文在3L×min-1和120V),来获得稳定性高、活性强的等离子体,以达到提升应用效果的目的。

关键词：滑动弧放电电弧运动放电模式周期特性等离子体活性

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电极长度对纳秒脉冲同轴介质阻挡放电特性的影响

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高电压技术 2019年第6期45卷 1945-1954页

作者：苗传润刘峰王乾梅丹华方志南京工业大学电气工程与控制科学学院

同轴介质阻挡放电(DBD)在环境保护和能源领域具有重要的应用价值,而其电极结构是影响其放电特性的关键因素之一。为此采用纳秒脉冲电源驱动同轴双阻挡介质反应器,研究外电极长度对其放电特性的影响。利用电学、光学和温度测量诊断了放... 详细信息

同轴介质阻挡放电(DBD)在环境保护和能源领域具有重要的应用价值,而其电极结构是影响其放电特性的关键因素之一。为此采用纳秒脉冲电源驱动同轴双阻挡介质反应器,研究外电极长度对其放电特性的影响。利用电学、光学和温度测量诊断了放电特性,依据等效电气模型分离得到放电各电气参量,并进一步得到放电功率和能量效率,研究了不同电极结构下的放电均匀性、放电功率、能量效率的变化规律,并通过建立热传导模型分析了纳秒脉冲同轴双阻挡介质反应器运行温度及能量损失。结果表明:纳秒脉冲同轴双介质阻挡放电在不同外电极长度下均表现为均匀放电形式,且受外电极长度影响较小;随外电极长度的增大,反应器气隙平均放电功率及能量效率均增大;反应器温度随运行时间增加而增加,运行900 s后反应器温度达到饱和值;电压24 kV、外电极长230 mm时反应器气隙平均放电功率最高可达34.3 W,能量效率为71.3%,此时,反应器运行900 s后,运行温度为80.1℃,内介质层温度为135.3℃;通过热传导模型分析得到同轴DBD反应器能量损失途径为热量损失(热量损耗),随长度的增大,运行温度与内介质层温度升高,反应器热量损耗率降低。

关键词：介质阻挡放电放电特性纳秒脉冲电极结构同轴反应器能量效率热量损失

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不同气体成分添加对氮气滑动弧放电模式及特性的影响

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高电压技术 2022年第9期48卷 3794-3803页

作者：陈霁时亚琴梅丹华刘诗筠方志南京工业大学电气工程与控制科学学院南京211816

研究表明滑动弧放电等离子体可高效降解生物质气化焦油,而气体种类和含量是影响滑动弧焦油降解性能的重要因素。为优化滑动弧放电的运行条件参数以及为实际应用效果的提升提供支撑,通过电学和光学等检测分析手段,采集并获得了在氮气滑... 详细信息

研究表明滑动弧放电等离子体可高效降解生物质气化焦油,而气体种类和含量是影响滑动弧焦油降解性能的重要因素。为优化滑动弧放电的运行条件参数以及为实际应用效果的提升提供支撑,通过电学和光学等检测分析手段,采集并获得了在氮气滑动弧中添加不同体积分数的气体成分(二氧化碳、水蒸气和氧气)时放电的电学信号和放电图像,系统研究了不同运行条件下交流滑动弧等离子体的放电模式、伏安特性、光谱特性及电弧运动特性。研究结果表明:在氮气气氛中,滑动弧放电呈现出稳定滑动和击穿伴随滑动两种不同的模式,前者具有较大的平均放电功率和滑动周期,且能产生较大的电弧弧长和弧高;气体成分及其体积分数对放电模式具有显著的影响:HO的添加有利于电弧向稳定滑动模式发展,而CO_(2)和O_(2)的添加则使滑动弧放电表现出以击穿伴随滑动为主的模式;滑动弧放电模式直接影响其发射光谱强度,和击穿伴随滑动模式相比,稳定滑动模式下的发射光谱强度明显增强,这表明稳定滑动模式有利于产生更多的活性粒子,促进化学反应的进行;此外,在氮气滑动弧放电等离子体中引入CO和O会产生新的活性物种,如CO_(2)和O_(2)原子等,但氮气激发态活性粒子的强度会随添加气体体积分数的增大而降低,且滑动弧等离子体区域变小,放电逐渐趋于不稳定模式;而水蒸气的引入,利于电弧在气流推动下向电极下游发展和维持,获得较高的电弧弧长和弧高,由于水具有电负性,随着其体积分数的增大电场中自由电子数密度减小,电弧的发展受到抑制,电弧弧长和弧高逐渐减小,从而使等离子体范围逐渐变小。

关键词：低温等离子体刀片式滑动弧气体成分放电特性电弧运动模式

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