滑动弧放电等离子体制备一氧化碳系统及方法

技术领域

本发明涉及等离子体能源转化技术领域，尤其是一种滑动弧放电等离子体制备一氧化碳系统及方法。

背景技术

工业的发展和人类活动向大气中排放了大量的二氧化碳，大气中二氧化碳含量逐年骤增，而可再生能源也有出率不稳定、时间不固定的缺陷。因此，重新利用二氧化碳制备可用能源的问题应运而生。

发明内容

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的滑动弧放电等离子体制备一氧化碳系统及方法，采用滑动弧放电、辅以碳粉在高温下利用二氧化碳还原形成一氧化碳。

本发明所采用的技术方案如下：

一种滑动弧放电等离子体制备一氧化碳系统，包括滑动弧反应器，所述滑动弧反应器底部设有向上喷吹二氧化碳的气体喷嘴，滑动弧反应器内部设有固体给料器，固体燃料向气体喷嘴的输出方向加料，且固体燃料动态分布于滑动弧反应器中；

所述滑动弧反应器的顶部设有气固分离装置，反应后的固体燃料、气体进入气固分离装置进行分离。

作为上述技术方案的进一步改进：

固体燃料采用生物质碳粉、煤粉，碳粉粒度控制在0.1-0.2mm，反应后的碳粉残渣粒度为0.02-0.1mm。

所述气体喷嘴与滑动弧反应器的刀片电极间预留有间隙。

滑动弧反应器内设分层反应器，分层结构沿竖直方向排布。

滑动弧反应器内设置带孔隔板，将滑动弧反应器分隔为上层和下层。

一种滑动弧放电等离子体制备一氧化碳系统的制备方法，包括如下步骤：

S1：在高压电源的激励下，二氧化碳从滑动弧反应器底部进入，并迅速形成滑动弧放电等离子体，并生成一氧化碳和氧气；

S2：固体给料器将碳粉送入滑动弧反应器，碳粉与二氧化碳裂解反应生成的氧气和臭氧等发生反应，并生成一氧化碳；

S3：碳粉中碳黑和石墨碳被完全消耗，反应后的碳粉的粒度降低，碳粉残渣随气体产物一起进入气固分离装置，碳粉残渣和未反应的二氧化碳和一氧化碳气体一起进入气固分离器，实现气固分离。

作为上述技术方案的进一步改进：

步骤S1中滑动弧放电等离子体温度控制在800℃，二氧化碳转化率达到5-20％，产物中氧气含量为1-5％。

滑动弧反应器的分层结构中，上层温度范围500-700℃，下层温度范围700-900℃。

碳粉先喷至滑动弧反应器上层，与膨胀后的二氧化碳滑动弧放电等离子体均匀混合并反应；反应后的碳粉经导管及导管上所设的气动给料阀进入滑动弧反应器下层继续反应。

滑动弧反应器中的上层碳粉中未反应完全的部分落至下层位置继续反应。

本发明的有益效果如下：

本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过滑动弧放电等离子体振动激发C＝O键断裂，可以实现较高的能量效率。

本发明首次将碳粉与滑动弧二氧化碳多相反应引入滑动弧反应器中，能够有效抑制逆反应的发生，提高一氧化碳的转换率。

本发明中，通过喷嘴吹出的气流带动碳粉散布在放电区域，促进反应发生，相较于传统操作中的固态堆放碳粉的方式，本发明中的碳粉动态充盈在放电区域，碳粉更活泼，便于反应完全。

本发明中还采用了分层结构，由于预期的理想温度为800摄氏度，本发明中上层温度、下层温度的均值靠近800℃，首先这能够满足反应的高温环境条件；其次，碳粉先在上层反应，上层温度稍低于下层，有未反应完全的碳粉，落到下层时，由于温度升高，碳粉更为活跃，有利于提高未反应完全的碳粉、二氧化碳等离子体继续反应、充分还原。

附图说明

图1为现有的本发明所用的一氧化碳制备系统示意图。

其中：1、高压电源；2、绝缘底座；3、外罩；4、刀片电极；5、气体喷嘴；6、固体给料器；7、导管；8、出气口；9、漏斗口。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本实施例的滑动弧放电等离子体制备一氧化碳系统，包括滑动弧反应器，滑动弧反应器底部设有向上喷吹二氧化碳的气体喷嘴5，滑动弧反应器内部设有固体给料器6，固体燃料向气体喷嘴5的输出方向加料，且固体燃料动态分布于滑动弧反应器中；

滑动弧反应器的顶部设有气固分离装置，反应后的固体燃料、气体进入气固分离装置进行分离。

固体燃料采用生物质碳粉、煤粉，碳粉粒度控制在0.1-0.2mm，反应后的碳粉残渣粒度为0.02-0.1mm。

气体喷嘴5与滑动弧反应器的刀片电极4间预留有间隙。

滑动弧反应器内设分层反应器，分层结构沿竖直方向排布。

滑动弧反应器内设置带孔隔板，将滑动弧反应器分隔为上层和下层。

本实施例的滑动弧放电等离子体制备一氧化碳系统的制备方法，包括如下步骤：

S1：在高压电源1的激励下，二氧化碳从滑动弧反应器底部进入，并迅速形成滑动弧放电等离子体，并生成一氧化碳和氧气；

S2：固体给料器6将碳粉送入滑动弧反应器，碳粉与二氧化碳裂解反应生成的氧气和臭氧等发生反应，并生成一氧化碳；

S3：碳粉中碳黑和石墨碳被完全消耗，反应后的碳粉的粒度降低，碳粉残渣随气体产物一起进入气固分离装置，碳粉残渣和未反应的二氧化碳和一氧化碳气体一起进入气固分离器，实现气固分离。

步骤S1中滑动弧放电等离子体温度控制在800℃，二氧化碳转化率达到5-20％，产物中氧气含量为1-5％。

滑动弧反应器的分层结构中，上层温度范围500-700℃，下层温度范围700-900℃。

碳粉先喷至滑动弧反应器上层，与膨胀后的二氧化碳滑动弧放电等离子体均匀混合并反应；反应后的碳粉经导管7及导管7上所设的气动给料阀进入滑动弧反应器下层继续反应。

本发明的具体结构及工作过程如下：

滑动弧反应器中的上层碳粉中未反应完全的部分落至下层位置继续反应。包括滑动弧发生器，分层反应器，气固分离器和固体给料器6；滑动弧发生器由高压电源1，绝缘底座2，外罩3，两片对称放置的刀片电极4以及置于两片电极之间的气体喷嘴5构成；分层反应器分为两层，上下层之间通过带孔隔板相连，下层通过带孔的隔板与滑动弧发生器顶部相连。固体给料器6与分层反应器连接处位于分层反应器的侧壁，为分层反应器提供固体燃料。经过分层反应器后的气固混合物流入气固分离器，并实现气体产物和固态残渣分离。

本发明的系统工作时，在高压电源1的激励下，接入高压电源1后两个刀片电极4最短间距处会发生击穿，进而产生放电等离子体，滑动弧反应器底部进入，喷嘴喷出的二氧化碳气流会推动放电等离子体向上滑动，形成滑动弧放电等离子体。固体给料器6送入的碳粉会在气流的作用下散布于放电区域，与二氧化碳裂解反应生成的氧气和臭氧等充分接触并发生反应，生成一氧化碳和氧气。

固体给料器6用于将碳粉送入滑动弧反应器，在滑动弧放电区域中，膨胀后的二氧化碳滑动弧放电等离子体能够更快地与碳粉均匀混合并快速反应，碳粉与二氧化碳裂解反应生成的氧气和臭氧等发生反应，并生成一氧化碳；由于碳粉的存在，会一定程度上抑制放电区域内一氧化碳与氧气重新结合生成二氧化碳的过程。

在滑动弧放电区域，随着反应的进行，碳粉中碳黑和石墨碳被完全消耗，反应后的碳粉的粒度迅速降低，反应后的碳粉的粒度迅速降低，碳粉残渣并随气体产物一起进入气固分离装置，气体产物为未反应的二氧化碳和一氧化碳气体；气固分离后，这些气体产物中，由于二氧化碳转化率可达到5-20％，产物中氧气含量为1-5％，因此可以被输送到下一工序进行分类存储或使用。

本发明的一个实施例中，碳粉为生物质碳粉、煤粉，碳粉粒度控制在0.1-0.2mm,可以选择端点值0.1mm、0.2mm，也可以选择中间值0.15mm；反应后的碳粉残渣粒度为0.02-0.1mm，相较于反应前，质量明显减少。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。