CN114874804A - 一种可再生电力驱动的多管循环水电极等离子体转化装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可再生电力驱动的多管循环水电极等离子体转化装置及方法，转化装置包含可再生能源供电单元、等离子体转化单元、供气与液态燃料收集单元与信号控制单元4部分；多管循环水电极结构内部产生非平衡态等离子体可将高通量的温室气体常温、常压下快速转化为高值液态化学品；半中空高压电极同时产生高压并作为进气管路，循环水溶液同时作为冷却介质和接地，水温和放电强度可调节，与反应腔体无缝接触，避免了空气放电的影响，放电均匀稳定。本发明应用范围广泛，可拓展用于其他等离子体技术主导的制液态燃料过程；可利用清洁电能提供驱动力，同时可利用编程控制，保证高处理效率、低反应能耗的前提下提升自动化水平，易于工业转化。

Description

一种可再生电力驱动的多管循环水电极等离子体转化装置及 方法

技术领域

本发明属于温室气体转化技术领域，具体涉及一种可再生电力驱动的多管循环水电极等离子体转化装置及方法。

背景技术

当前，低碳、可再生能源的高效利用已成为能源发展的关键议题。然而，碳基小分子的稳定构型(C＝O、C-H)导致常温常压下其活化受限、转化率低，导致传统热催化CO₂、CH₄转化技术面临高温、高压导致的高耗能难题。Reina等人(Journal of CO₂Utilization，2018，25，68-78)发现当CO₂/CH₄重整温度高于600℃时Ni/CeO₂催化剂才表现出一定的反应活性，且进一步提高温度催化剂表面会生成明显的丝状积碳，造成催化活性下降。

尽管可再生能源的消纳、分布式储能与利用取得了积极成效，然而，目前尚缺乏直接电力驱动的CO₂、CH₄等小分子前沿转化技术。低温等离子体可以直接利用电能，且能在介观尺度上实现粒子行为调控，降低反应能垒、加速反应速率，是一种可在温和条件下实现C1小分子快速转化的前沿负碳技术。根据热力学平衡，低温有利于CO₂与CH₄共转化制备高值液态燃料(如CH₃OH)，高温有利于平衡向气体产物(如CO、H₂)等产物移动。因此，实现等离体催化C1分子高效制备液态燃料需平衡好放电类型、反应温度及填充催化剂三者间的对应关系，其中，反应器的创新设计是实现高效制备液态燃料的关键。

中国发明专利CN201910218257.7公开了一种微波放电等离子体催化重整温室气体装置及方法，放电形式选择为微波等离子体，能够根据传感器检测的气体浓度计算等离子催化重整反应的转化率，能够利用温度控制来更改催化重整反应器中的反应温度，进而实现转化率的调节，使得二氧化碳与甲烷的等离子催化重整过程更加彻底。该发明解决了等离子体转化中实时监控二氧化碳和甲烷转化率的问题，然而，由于采用微波放电形式，其反应器温度较高、能耗大，导致产物仍为CO、H₂，难以生成液态燃料且需要额外水冷措施防止反应区域过热。

中国发明专利CN201510428436.5公开了一种温室气体重整制备合成气的反应器及方法，其放电形式为电晕放电，将多管等离子体矩和填充式表面放电结合，CH4/CO2混合气体先经等离子矩进行等离子体激发分解，再经等离子体催化反应得到合成气，二者的功能之间相互协同促进，提高重整合成效果；该发明虽一定程度上提高了反应产率，解决了积碳堵塞催化剂难题，然而由于反应热量难以移除，产物仍为CO、H₂合成气。

综上，传统热催化CO₂、CH₄转化常需要高温、高压并匹配合适的催化剂才能实现碳基小分子的规模化利用，等离子体技术为温和条件下温室气体的快速转化提供了可持续的、节能的应用方案。然而，受限于放电类型以及反应器结构的弊端，当前等离子体技术仍聚焦于合成气(CO、H₂)的生成，尚缺乏向高值液态燃料的高效转化并充分利用可再生能源供电的自动化装置及实施方法。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种可再生电力驱动的多管循环水电极等离子体转化装置及方法，其可利用清洁电能提供驱动力并采用多管反应器提升处理通量；同时，循环水溶液同时作为冷却介质和接地，水温和放电强度可调节，与反应腔体无缝接触，避免了空气放电的影响，可在常温、常压下产生等离子体快速将CO₂、CH₄转化为CH₃OH、CH₃COOH等高值液态化学品，并提升了自动化水平。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种可再生电力驱动的多管循环水电极等离子体转化装置，包括可再生能源供电单元、等离子体转化单元、供气与液态燃料收集单元和信号控制单元；

所述的可再生能源供电单元包括太阳能电池板、太阳能控制器、储能装置和逆变器；太阳能电池板与储能装置通过太阳能控制器连接，储存的电能通过逆变器升压后输出；

所述的等离子体转化单元包括等离子体激励源、高压输入线、反应器外腔体、绝缘介质、半中空金属电极、固定垫圈、进水口、出水口、循环水机、红外测温器和循环水管路；所述半中空金属电极穿过固定垫圈，内嵌于绝缘介质中，然后与反应器外腔体组成等离子体反应器；等离子体激励源通过高压输入线连接半中空金属电极作为正极；循环水机通过循环水管路与进水口、出水口连接，且进出水口各自接地；红外测温器用于原位测量反应温度变化；所述半中空金属电极、固定垫圈、绝缘介质、反应器外腔体及循环水组成多管循环水电极；

所述的供气与燃料收集单元包括单向阀、电磁阀、进气罐、不锈钢管路、绝缘管路、气液分离器、冷凝槽、气体收集利用装置和液体收集利用装置；所述单向阀、电磁阀与进气罐通过不锈钢管路连接，气体通入绝缘管路进入等离子体反应器组成供气系统；气液分离器置于冷凝槽中，进一步与气体收集利用装置和液体收集利用装置连接，组成燃料收集系统；

所述的信号控制单元包括单片机、显示屏、报警器和信号传输线，通过所述信号传输线，所述单片机与显示屏、报警器、太阳能控制器、逆变器、气液分离器、循环水机、电磁阀和进气罐建立通信连接。

进一步地，所述的太阳能控制器，适配电流为10～60A，同时将可再生能源供电单元的信号传输给单片机。

进一步地，所述的等离子体激励源用于激励多管阵列式水电极内部产生大气压放电等离子体，其为高频交流源、直流源、脉冲源、射频源、微波源中的一种。

进一步地，所述的反应器外腔体为由高绝缘材料组成的闭合式圆柱形腔体，所述高绝缘材料为石英材质。

进一步地，所述的绝缘介质为由高绝缘材料组成的开口圆柱形腔体，用于隔开等离子体反应器腔体内的循环水与半中空金属电极，所述高绝缘材料为石英材质；多个开口圆柱形腔体组成阵列或蜂巢状贯穿于反应器外腔体内，其间距不低于3cm，与反应器外腔体之间以乳胶密封或一体化成型；内部填充Ni基催化剂。

进一步地，所述的半中空金属电极同时作为高压输入端和进气端，上半段中空，选择包括铝、铁、钨、铜、不锈钢在内的导电金属材质，安装于绝缘介质内部。

进一步地，所述的固定垫圈为中空形状，边缘有缺口，嵌套于半中空金属电极外侧，保证半中空金属电极与绝缘介质同轴，同时可保证气体和生成的液体排出，材料为聚四氟乙烯。

进一步地，所述的进水口、出水口，与循环水机组成循环水回路，下进上出；循环水选自来水，同时加入一定量NaCl或KCl改变放电强度，浓度范围为0.5～1.5mol/L。

进一步地，所述的进气罐用于原料供应，对于CO₂的转化，其原料为CO₂+H₂、CO₂+CH₄、CO₂+H₂O中的一种或几种组合，其浓度由内嵌浓度传感器测得，载气为Ar。

本发明还提供一种可再生电力驱动的多管循环水电极等离子体转化方法，包括以下步骤：

步骤(1)，太阳能电池板将光能转化为电能后，通过太阳能控制器给储能装置充电，其充电信息由太阳能控制器实时传输给单片机；

步骤(2)，进气罐中的原料混合后，其浓度信息经传感器传输给单片机，满足预设条件后，单片机发出信号打开电磁阀和红外测温器，原料进入等离子体转化单元；

步骤(3)，原料经气液分离器的传感器测定浓度后，其信号传给单片机，单片机发出信号给逆变器，逆变器将储能装置的电压升压后作用于等离子体激励源，在等离子体反应器内部产生放电等离子体，同时单片机发出信号打开循环水机；

步骤(4)，原料经等离子体反应器转化后进入气液分离器，传感器测定浓度后，其信号传给单片机；

步骤(5)，经单片机计算后实时测定原料转化率和液态化学品选择性，所述转化装置进入工作稳定期；

步骤(6)，当储能装置电量不足时，等离子体激励源停止放电，单片机计算所得转化率陡然降低，进一步发出信号控制逆变器关闭、循环水机关闭、电磁阀关闭停止进气、报警器发出警报；

步骤(7)，单片机时刻读取控制器信息，当储能装置电量达到预设条件时，单片机重新控制打开逆变器，等离子体激励源开始放电，循环水机开始工作，电磁阀打开，报警关闭，循环步骤(5)-(7)，实现全天候无人值守。

本发明的技术优势在于：

(1)本发明装置可充分利用可再生能源驱动放电等离子体技术，大幅降低反应能耗并提升温室气体的转化效率；

(2)本发明以循环水介质为放电转化区域降温并同时作为地电极，促进CO₂转化的反应平衡向高值液态燃料方向移动，重点提升CH₃OH、CH₃COOH等液体选择性；

(3)本发明利用单片机进行数据处理、信号传输及设备控制，实现装置自动化控制；

(4)本发明具有结构简明、自动化程度高、可充分利用可再生能源、放电强度可控、处理通量大、液态燃料选择性高等优点。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本发明实施例中的可再生电力驱动的多管循环水电极等离子体转化装置整体的结构主视图；

图2为本发明反应器外腔体、绝缘介质、半中空金属电极的组合结构顶视图和斜视图；

图3为本发明半中空金属电极的顶视图和斜视图；

图4为本发明固定垫圈的顶视图和斜视图；

图5为本发明等离子体转化装置的工作照片；

图6为本发明的可再生电力驱动的多管循环水电极等离子体转化装置转化CO₂/CH₄生成气态产物、液态燃料的选择性分布。

图中所示附图标记如下：

太阳能电池板1、太阳能控制器2、储能装置3、逆变器4、等离子体激励源5、反应器外腔体6、绝缘介质7、半中空金属电极8、固定垫圈9、进水口10、出水口11、气液分离器12、冷凝槽13、气体收集利用装置14、液体收集利用装置15、单片机16、循环水机17、单向阀18、电磁阀19、进气罐20、显示屏21、报警器22、红外测温器23、不锈钢管路24、绝缘管路25、高压输入线26、信号传输线27、循环水管路28。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的一种典型实施方式中，如图1所示，本发明的可再生电力驱动的多管循环水电极等离子体转化装置包含可再生能源供电单元、等离子体转化单元、供气与液态燃料收集单元和信号控制单元，共4个单元。

其中，太阳能电池板1、太阳能控制器2、储能装置3和逆变器4组成可再生能源供电单元。所述太阳能电池板1与储能装置3通过太阳能控制器2连接，储存的电能通过逆变器4升压后输出至等离子体激励源5、红外测温器23、循环水机17。

等离子体激励源5、高压输入线26、反应器外腔体6、绝缘介质7、半中空金属电极8、固定垫圈9、进水口10、出水口11、循环水机17、红外测温器23和循环水管路28组成等离子体转化单元。所述半中空金属电极8穿过固定垫圈9，内嵌于绝缘介质7中，然后与反应器外腔体6组成等离子体反应器；等离子体激励源5通过高压输入线26连接半中空金属电极8作为正极；循环水机17通过循环水管路28与进水口10、出水口11连接，且进水口10和出水口11各自接地；红外测温器23用于原位测量反应温度变化。反应原料经半中空金属电极8进入绝缘介质7中，经放电等离子体转化后，产物进入气液分离器12。工作时，半中空金属电极8作为高压电极，反应器外腔体6中的循环水作为地电极，形成放电回路，从而在绝缘介质7中形成均匀的放电等离子体，完成原料转化。所述半中空金属电极8、固定垫圈9、绝缘介质7、反应器外腔体6及腔体内循环水组成多管循环水电极。

单向阀18、电磁阀19、进气罐20、不锈钢管路24、绝缘管路25、气液分离器12、冷凝槽13、气体收集利用装置14和液体收集利用装置15组成供气与液态燃料收集单元。所述单向阀18、电磁阀19与进气罐20通过不锈钢管路24连接，气体通入绝缘管路25进入等离子体反应器组成供气系统；气液分离器12置于冷凝槽13中，进一步与气体收集利用装置14和液体收集利用装置15连接，组成燃料收集系统。

单片机16、显示屏21、报警器22和信号传输线27组成信号控制单元。通过所述信号传输线27，单片机16与显示屏21、报警器22、太阳能控制器2、逆变器4、气液分离器12、循环水机17、电磁阀19、进气罐20建立通信连接。

所述的太阳能电池板1，用于将太阳能转化为直流电，输出电压为18V，功率600W。

所述的太阳能控制器2，适配电流为60A，同时可将供电系统的信号传输给单片机16。

所述的储能装置3，用于储存太阳能电池板1转化的电能，电池的输入、输出电压设定为12V，容量为200Ah。

所述的逆变器4，用于将储能装置3输出的直流逆变为220V交流电，功率为3500W，通过信号线与单片机16连接，控制输出的开/断。

所述的等离子体激励源5，用于激励阵列式的多管循环水电极内部产生大气压放电等离子体，电源选择为纳秒脉冲源，输出电压13kV，上升沿200ns，下降沿200ns，频率4～7kHz，脉宽2000～8000ns。所述等离子体激励源5也可为高频交流源、直流源、射频源、微波源中的一种。

所述的反应器外腔体6，由高绝缘材料组成的闭合式圆柱形腔体，所述高绝缘材料优选石英。

如附图2所示，所述的绝缘介质7为由高绝缘材料组成的开口圆柱形腔体，用于隔开反应腔体6内循环水介质与半中空金属电极8，所述高绝缘材料优选石英材质；多个开口圆柱形腔体组成阵列状或蜂巢状贯穿于反应器外腔体6，间距不低于3cm，与反应器外腔体6之间以硅橡胶或乳胶密封，内部填充Ni/Al₂O₃/CeO₂结构化催化剂。

如图3所示，所述的半中空金属电极8同时作为高压输入端和进气端，上半段中空，可选铝、铁、钨、铜、不锈钢等导电金属材质,优选不锈钢材质，安装于绝缘介质7内部。

如图4所示，所述的固定垫圈9为中空形状，边缘有缺口，嵌套于半中空金属电极8外侧，保证半中空金属电极8与绝缘介质7同轴的同时，可保证气体和生成的液体通过，优选聚四氟乙烯材质。

所述的进水口10和出水口11，与循环水机17组成循环水回路，下进上出，循环水可选自来水，同时可以加入一定量NaCl、KCl等改变放电强度，浓度范围为0.5～1.5mol/L，优选的，加入1mol/L KCl溶液。

所述的单片机16，优选STC89C52系列，通过信号传输线27与各个部件建立通信连接。

所述的进气罐20，用于原料供应，对于CO₂的转化，其优选原料可为CO₂+H₂、CO₂+CH₄、CO₂+H₂O中的一种或几种组合，其浓度由内嵌浓度传感器测得，载气为Ar；本实施例中，CO2：CH4：Ar＝1:1:1，总流速200ml/min。

所述的不锈钢管路24上设有质量流量计控制流速。

所述的绝缘管路25、循环水管路28，材质优选聚氨酯，用于气体供气或液体的循环。

所述的高压输入线26耐压为25kV。

所述的信号传输线27为同轴传输线。

如图5所示，本发明的等离子体转化装置的实物工作照片，以当前的参数进行转化实验，CH₄、CO₂转化率轻松突破30％，CO选择性可控制在30％以下，H₂选择性高达35％，总烃类(C_xH_y)控制在25％以下。特别地，经色谱检测，液态燃料主要成分为甲醇、乙醇、乙酸，如图6所示，总选择性高达46％，证明本发明可显著提升液态燃料产率，同时以可再生电力驱动等离子体放电，亦可大幅降低反应能耗，技术优势明显。

本发明还提供一种可再生电力驱动的多管循环水电极等离子体转化方法，包括以下步骤：

步骤(1)，太阳能电池板1将光能转化为电能后，通过太阳能控制器2给储能装置3充电，其充电信息由太阳能控制器2实时传输给单片机16；

步骤(2)，进气罐20的原料混合后，其浓度信息经传感器传输给单片机16，满足预设条件后，单片机16发出信号打开电磁阀19和红外测温器23，原料进入等离子体转化单元；

步骤(3)，原料经气液分离器12中传感器测定浓度后，其信号传给单片机16，单片机16发出信号给逆变器4，逆变器4将储能装置3电压升压后作用于等离子体激励源5，在等离子体反应器内部产生放电等离子体，同时单片机16发出信号打开循环水机17；

步骤(4)，原料经等离子体反应器转化后进入气液分离器12，传感器测定浓度后，其信号传给单片机16；

步骤(5)，经单片机16计算后实时测定原料转化率和液态化学品选择性，所述转化装置进入工作稳定期；

步骤(6)，当储能装置3电量不足时，等离子体激励源5停止放电，单片机16计算所得转化率陡然降低，进一步发出信号控制逆变器4关闭、循环水机17关闭、电磁阀19关闭停止进气、报警器22发出警报；

步骤(7)，单片机16时刻读取太阳能控制器2信息，当储能装置3电量达到预设条件时，单片机16重新控制打开逆变器4，等离子体激励源5开始放电，循环水机17开始工作，电磁阀19打开，报警器22关闭，循环步骤(5)-(7)，实现全天候无人值守。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可再生电力驱动的多管循环水电极等离子体转化装置，其特征在于：包括可再生能源供电单元、等离子体转化单元、供气与液态燃料收集单元和信号控制单元；

所述的可再生能源供电单元包括太阳能电池板、太阳能控制器、储能装置和逆变器；太阳能电池板与储能装置通过太阳能控制器连接，储存的电能通过逆变器升压后输出；

所述的等离子体转化单元包括等离子体激励源、高压输入线、反应器外腔体、绝缘介质、半中空金属电极、固定垫圈、进水口、出水口、循环水机、红外测温器和循环水管路；所述半中空金属电极穿过固定垫圈，内嵌于绝缘介质中，然后与反应器外腔体组成等离子体反应器；等离子体激励源通过高压输入线连接半中空金属电极作为正极；循环水机通过循环水管路与进水口、出水口连接，且进出水口各自接地；红外测温器用于原位测量反应温度变化；所述半中空金属电极、固定垫圈、绝缘介质、反应器外腔体及腔体内循环水组成多管循环水电极；

所述的供气与燃料收集单元包括单向阀、电磁阀、进气罐、不锈钢管路、绝缘管路、气液分离器、冷凝槽、气体收集利用装置和液体收集利用装置；所述单向阀、电磁阀与进气罐通过不锈钢管路连接，气体通入绝缘管路进入等离子体反应器组成供气系统；气液分离器置于冷凝槽中，进一步与气体收集利用装置和液体收集利用装置连接，组成燃料收集系统；

所述的信号控制单元包括单片机、显示屏、报警器和信号传输线，通过所述信号传输线，所述单片机与显示屏、报警器、太阳能控制器、逆变器、气液分离器、循环水机、电磁阀和进气罐建立通信连接。

2.根据权利要求1所述的一种可再生电力驱动的多管循环水电极等离子体转化装置，其特征在于：所述的太阳能控制器，适配电流为10～60A，同时将可再生能源供电单元的信号传输给单片机。

3.根据权利要求1所述的一种可再生电力驱动的多管循环水电极等离子体转化装置，其特征在于：所述的等离子体激励源用于激励所述多管循环水电极内部产生大气压放电等离子体，其为高频交流源、直流源、脉冲源、射频源、微波源中的一种。

4.根据权利要求1所述的一种可再生电力驱动的多管循环水电极等离子体转化装置，其特征在于：所述的反应器外腔体为由高绝缘材料组成的闭合式圆柱形腔体，所述高绝缘材料为石英材质。

5.根据权利要求1所述的一种可再生电力驱动的多管循环水电极等离子体转化装置，其特征在于：所述的绝缘介质为由高绝缘材料组成的开口圆柱形腔体，用于隔开等离子体反应器腔体内的循环水与半中空金属电极，所述高绝缘材料为石英材质；多个开口圆柱形腔体组成阵列或蜂巢状贯穿于反应器外腔体内，其间距不低于3cm，与反应器外腔体之间以乳胶密封或一体化成型；内部填充Ni基催化剂。

6.根据权利要求1所述的一种可再生电力驱动的多管循环水电极等离子体转化装置，其特征在于：所述的半中空金属电极同时作为高压输入端和进气端，上半段中空，选择包括铝、铁、钨、铜、不锈钢在内的导电金属材质，安装于绝缘介质内部。

7.根据权利要求1所述的一种可再生电力驱动的多管循环水电极等离子体转化装置，其特征在于：所述的固定垫圈为中空形状，边缘有缺口，嵌套于半中空金属电极外侧，保证半中空金属电极与绝缘介质同轴，同时可保证气体和生成的液体排出，材料为聚四氟乙烯。

8.根据权利要求5所述的一种可再生电力驱动的多管循环水电极等离子体转化装置，其特征在于：所述的进水口、出水口，与循环水机组成循环水回路，下进上出；循环水选自来水，同时加入一定量NaCl或KCl改变放电强度，浓度范围为0.5～1.5mol/L。

9.根据权利要求1所述的一种可再生电力驱动的多管循环水电极等离子体转化装置，其特征在于：所述的进气罐用于原料供应，对于CO₂的转化，其原料为CO₂+H₂、CO₂+CH₄、CO₂+H₂O中的一种或几种组合，其浓度由内嵌浓度传感器测得，载气为Ar。

10.一种根据权利要求1-9之一所述的可再生电力驱动的多管循环水电极等离子体转化装置的转化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)，太阳能电池板将光能转化为电能后，通过太阳能控制器给储能装置充电，其充电信息由太阳能控制器实时传输给单片机；

步骤(2)，进气罐中的原料混合后，其浓度信息经传感器传输给单片机，满足预设条件后，单片机发出信号打开电磁阀和红外测温器，原料进入等离子体转化单元；

步骤(3)，原料经气液分离器的传感器测定浓度后，其信号传给单片机，单片机发出信号给逆变器，逆变器将储能装置的电压升压后作用于等离子体激励源，在等离子体反应器内部产生放电等离子体，同时单片机发出信号打开循环水机；

步骤(4)，原料经等离子体反应器转化后进入气液分离器，传感器测定浓度后，其信号传给单片机；

步骤(5)，经单片机计算后实时测定原料转化率和液态化学品选择性，所述转化装置进入工作稳定期；

步骤(6)，当储能装置电量不足时，等离子体激励源停止放电，单片机计算所得转化率陡然降低，进一步发出信号控制逆变器关闭、循环水机关闭、电磁阀关闭停止进气、报警器发出警报；

步骤(7)，单片机时刻读取控制器信息，当储能装置电量达到预设条件时，单片机重新控制打开逆变器，等离子体激励源开始放电，循环水机开始工作，电磁阀打开，报警关闭，循环步骤(5)-(7)，实现全天候无人值守。

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