介質(zhì)阻擋放電等離子體固體燃料液化及相變機(jī)理研究.pdf

1、全球變暖、能源危機(jī)和環(huán)境污染等問題是近年來世界各國研究和關(guān)注的熱點(diǎn)，改變能源利用方式，大力發(fā)展清潔能源是解決問題的重要途徑。在新能源未被大規(guī)模地開發(fā)使用之前，固體燃料液化是緩解一次能源資源結(jié)構(gòu)與消費(fèi)結(jié)構(gòu)矛盾，實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)可行、有效的技術(shù)途徑。鑒于等離子體技術(shù)的廣泛應(yīng)用和等離子體獨(dú)特的化學(xué)活性和高反應(yīng)性，可以使許多傳統(tǒng)方法不易或不可能實(shí)現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)變?yōu)榭赡埽疚膶⒛抗饷闇?zhǔn)在等離子體固體燃料的液化上。其基本思路是采用介質(zhì)阻擋放電

2、(DBD)等離子體方法，進(jìn)行以煤和生物質(zhì)為代表的固體燃料液化的研究。在氣、液、固三相共存條件下，電子碰撞引發(fā)的化學(xué)反應(yīng)是整個(gè)介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)的基礎(chǔ)。在外電場的作用下，自由電子受電場加速而獲得動(dòng)能，隨之同其它分子碰撞并在碰撞中產(chǎn)生大量離子、原子、分子、自由基團(tuán)等活性粒子，在大量氫離子存在的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)加氫液化。這種方法打破傳統(tǒng)的液化思路，開創(chuàng)了DBD等離子體應(yīng)用和固體燃料液化的先河。該項(xiàng)研究極富創(chuàng)造性，相關(guān)應(yīng)用鮮見報(bào)道，是今后研究開發(fā)的方向

3、之一。
　　 本文在參考國內(nèi)外主要液化技術(shù)及等離子體技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了介質(zhì)阻擋放電等離子體固體燃料液化實(shí)驗(yàn)裝置，并進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和研究?？紤]到實(shí)驗(yàn)原料來源的廣泛性和復(fù)雜性，實(shí)驗(yàn)以煤和生物質(zhì)作為固體燃料的代表，以水、酒精、四氫萘作為供氫溶劑，展開相關(guān)實(shí)驗(yàn)。在常壓、室溫條件下，將液、固混合物按一定的配比加入反應(yīng)器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在短時(shí)間內(nèi)可見反應(yīng)物溫度升高、體積膨脹、顏色變深，放電劇烈等現(xiàn)象發(fā)生。實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物經(jīng)過濾、分餾等處理，可以確定轉(zhuǎn)

4、化率在10％左右，證明DBD等離子體固體燃料液化實(shí)驗(yàn)裝置高效、可靠。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)借助數(shù)字存儲(chǔ)示波器、高速CCD、紅外CCD、光譜議、石油產(chǎn)品分餾儀等設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)的測量、記錄與分析。不同工況下的DBD等離子體固體燃料液化實(shí)驗(yàn)表明，固體燃料粒徑越小，溶劑的供氫能力越強(qiáng)、放電電壓越高越有利于DBD等離子體液化反應(yīng)。同時(shí)，合理地選擇適合DBD等離子體反應(yīng)的原料和催化劑以及設(shè)計(jì)最優(yōu)液化條件，可以大大強(qiáng)化液化反應(yīng)。相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究為探索一條適合DBD等離

5、子體固體燃料液化工藝路線提供依據(jù)。
　　 深刻認(rèn)識(shí)和了解DBD等離子體固體燃料液化機(jī)理對(duì)于改進(jìn)液化工藝、提高轉(zhuǎn)化效率具有重要的意義。由于相關(guān)研究很少，理論基礎(chǔ)薄弱，所以，為了揭示DBD等離子體三相介質(zhì)作用機(jī)理，本文結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，分別以氣—液、氣—固、氣—?dú)馊嘟橘|(zhì)相互作用為核心，展開相關(guān)討論。
　　 對(duì)于DBD等離子體氣—液相轉(zhuǎn)化機(jī)理分析，從經(jīng)典熱力學(xué)理論出發(fā)，應(yīng)用電學(xué)和流體力學(xué)原理對(duì)電場中液體的壓強(qiáng)分布進(jìn)行理論分析，建

6、立DBD液體氣化模型，得出在一定電場條件下，液體壓強(qiáng)變化是造成DBD液體氣化的重要因素，同時(shí)，液體的介電常數(shù)ε、電壓V、電場強(qiáng)度E、電極間距離R以及電場分布的均勻性對(duì)DBD液體氣化的發(fā)生起到至關(guān)重要的作用。相關(guān)結(jié)論為多介質(zhì)條件下的DBD實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)。
　　 對(duì)于DBD等離子體氣—固相作用機(jī)理分析，在前面已建立的液體氣化模型基礎(chǔ)上，從等離子體鞘層的特性分析著手，采用流體動(dòng)力學(xué)方法，通過對(duì)一維鞘層的時(shí)空演化過程進(jìn)行數(shù)值模擬，

7、獲得氣—固相介質(zhì)間相互作用的等離子體鞘層中離子速度、離子濃度、電子濃度、電位等參數(shù)的分布特性。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，在一定的電壓下，粒子的速度是一定的，放電電壓越高，粒子的速度越大，對(duì)應(yīng)的能量越高。與固體燃料液化實(shí)驗(yàn)相對(duì)比，實(shí)驗(yàn)裝置可以提供氣液固三相狀態(tài)轉(zhuǎn)變所需要的能量，宏觀現(xiàn)象與鞘層數(shù)值分析結(jié)論一致，證明分析方法的可靠性。從等離子體鞘層的特性分析可知，不同的放電電壓對(duì)應(yīng)著不同的粒子速度或能量。如果能夠理清不同介質(zhì)在不同電壓下的粒子能量特點(diǎn)

8、，本文就可以按照反應(yīng)的能量需求，通過控制放電電壓來控制反應(yīng)的進(jìn)程，定制反應(yīng)產(chǎn)物。等離子體鞘層的特性分析為DBD條件下的氣—固相物質(zhì)形態(tài)轉(zhuǎn)化作用架起了橋梁，是分析DBD多相介質(zhì)作用機(jī)理的一種有效的可能途徑。
　　 對(duì)于DBD等離子體氣—?dú)庀嘧饔脵C(jī)理分析，同樣在液體氣化模型基礎(chǔ)上，依據(jù)氣體放電理論和分子運(yùn)動(dòng)論，通過分析介質(zhì)阻擋放電條件下的電子能量，并與燃料液化反應(yīng)中氣、液、固三相物質(zhì)的離解能對(duì)比，證明該電子能量足可以使其中較弱的化學(xué)

9、鍵斷裂，產(chǎn)生活性粒子，實(shí)現(xiàn)大量氫離子存在環(huán)境中的加氫液化。從DBD固體燃料液化實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)特性、電場強(qiáng)度、電場頻率和光譜分析等角度出發(fā)，可以驗(yàn)證理論分析的正確性和可靠性。另外，本文還從分子碰撞觀點(diǎn)出發(fā)，針對(duì)固態(tài)燃料液化反應(yīng)氣相系統(tǒng)中主要?dú)怏w在等離子體系統(tǒng)中的多種離解反應(yīng)，通過對(duì)Boltzmann方程數(shù)值求解，得出各氣體反應(yīng)速率常數(shù)隨電子溫度的變化曲線。借助不同離解反應(yīng)速率常數(shù)的對(duì)比，可以判斷反應(yīng)產(chǎn)生的活性粒子情況和反應(yīng)的進(jìn)程。將計(jì)算得到的