大氣壓反常輝光放電下CH-,4--CO-,2-制合成氣的數(shù)值模擬分析.pdf

1、利用甲烷和二氧化碳的重整反應(yīng)制取合成氣，對于緩解能源危機、減輕溫室氣體的排放具有重要意義。但是，二氧化碳和甲烷化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，直接轉(zhuǎn)化需要極為苛刻的條件。等離子體過程為這種轉(zhuǎn)化提供了一條新的途徑。 等離子體中的化學(xué)反應(yīng)實質(zhì)上是放電過程與化學(xué)反應(yīng)相互作用的過程，可以利用等離子體反應(yīng)過程的守恒方程對其進行數(shù)值模擬。通過數(shù)值模擬計算不僅可以清楚地表示出各種粒子相互競爭反應(yīng)的過程和主要的基元反應(yīng)，而且可以針對目標產(chǎn)物選擇最有利的反應(yīng)途

2、徑，限制不利的副反應(yīng)，達到進一步改善和優(yōu)化反應(yīng)過程的要求。針對實驗中得到的CH<,4>／CO<,2>體系在等離子體作用下的實驗結(jié)果，本文主要通過以下幾個方面的內(nèi)容對反常輝光放電條件下的反應(yīng)過程進行了研究分析： 1.介紹了介質(zhì)壘放電和電暈放電等離子體應(yīng)用于CH<,4>/CO<,2>體系的實驗研究進展和各種數(shù)值模擬的方法和原理。通過這些評述可以看到，由于使用的等離子體形式不同，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率與選擇性存在較大差別。產(chǎn)生這種差別的原因主要

3、是不同等離子體形式具有不同的能量特征和能量密度。 2.簡單介紹了反常輝光放電等離子體的特點，以及應(yīng)用這種等離子體進行CH<,4>/CO<,2>轉(zhuǎn)化的實驗裝置和流程。從CH<,4>/CO<,2>轉(zhuǎn)化制合成氣的實驗結(jié)果可以看出，反常輝光放電具有較好的穩(wěn)定性，輸入功率可以在一定的范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)且功率最大可達117W，遠高于普通的冷等離子體放電功率，CH4／CO<,2>處理量能夠滿足預(yù)期的效果，轉(zhuǎn)化率和選擇性較好。 3.用平衡

4、常數(shù)方法和質(zhì)量作用定律對反常輝光放電下CH<,4>/CO<,2>轉(zhuǎn)化制合成氣進行了熱力學(xué)計算。結(jié)果表明，在平衡溫度為600℃時，CH<,4>和CO<,2>的熱力學(xué)轉(zhuǎn)化值為零，而在反常輝光放電條件下CH<,4>和CO<,2>的實驗轉(zhuǎn)化率非零，這說明反常輝光放電條件下的CH<,4>/CO<,2>重整反應(yīng)具有非熱力學(xué)平衡特性，與常規(guī)反應(yīng)有著不同的反應(yīng)機理。要進一步了解反常輝光放電的重整反應(yīng)必須借助于動力學(xué)分析。 4.建立了模擬計算使用

5、的動力學(xué)模型。反常輝光放電下CH<,4>/CO<,2>轉(zhuǎn)化制合成氣的動力學(xué)模型分為電子碰撞反應(yīng)和自由基反應(yīng)兩個部分，共涉及19種粒子(包括電子)、7個電子碰撞反應(yīng)、53個自由基反應(yīng)、18個非線性常微分方程組。通過選擇合理的電子溫度、電子密度、反應(yīng)停留時間和電子碰撞反應(yīng)的速率常數(shù)等動力學(xué)參數(shù)，采用解非線性常微分方程組的程序，對反常輝光放電下CH<,4>/CO<,2>轉(zhuǎn)化制合成氣的反應(yīng)進行了數(shù)值模擬。 5.討論了不同原料氣配比、等離

6、子體輸入功率、反應(yīng)停留時間對模擬計算結(jié)果的影響，并詳細地分析了CH<,4>和CO<，2>轉(zhuǎn)化、H<,2>和CO生成、積碳、積水等6個方面的主要反應(yīng)。結(jié)果表明：選擇適當?shù)脑蠚馀浔?即CH<,4>/CO<,2>)、增加等離子體輸入功率、選擇適當?shù)姆磻?yīng)停留時間是改善反常輝光下CH<,4>/CO<,2>轉(zhuǎn)化制合成氣反應(yīng)的有效手段。針對本文模擬的反常輝光放電轉(zhuǎn)化CH<,4>/CO<,2>制合成氣的化學(xué)反應(yīng)，考慮到反應(yīng)產(chǎn)物的H<，2>/CO比、反

7、應(yīng)過程的穩(wěn)定性等因素，原料氣CH<,4>/CO<,2>=4/6應(yīng)該是最好選擇。當原料氣CH<,4>/CO<,2>=4/6時，甲烷和二氧化碳的轉(zhuǎn)化率(模擬值)分別是73.7％、64.2％，H<,2>、CO的選擇性(模擬值)分別是70.1％、87.4％，H<,2>/CO模擬值為0.696。相對應(yīng)地，當原料氣CH<,4>/CO<,2>=4/6時，甲烷和二氧化碳的轉(zhuǎn)化率(實驗值)分別是75.4％、64.1％，H<,2>、CO的選擇性(實驗值)分