CN104761431A - 利用等离子体与催化剂协同作用转化煤矿瓦斯制甲醇的方法 - Google Patents

Abstract

利用等离子体与催化剂协同作用转化煤矿瓦斯制甲醇的方法，它涉及一种煤矿瓦斯制甲醇的方法。本发明提供一种温和条件下，环境友好的煤矿瓦斯直接转化合成甲醇的方法。方法：一、测定煤矿瓦斯中甲烷的体积百分含量；二、等离子体转化反应：首先在同轴式介质阻挡放电反应器的介质层内的等离子体放电区域中填充催化剂，或者在同轴式介质阻挡放电反应器的介质层尾部内的等离子体放电区域外填充催化剂，然后利用气体质量流量控制器将待反应气通入同轴式介质阻挡放电反应器中进行等离子体转化反应，等离子体转化反应得到的反应后气体通过出气口送入甲醇吸收瓶中，剩余气体进行干燥，然后送入尾气收集罐中。本发明主要用于将煤矿瓦斯制成甲醇。

Description

利用等离子体与催化剂协同作用转化煤矿瓦斯制甲醇的方法

技术领域

本发明涉及一种煤矿瓦斯制甲醇的方法。

背景技术

我国是煤矿瓦斯灾害最严重的国家，煤矿瓦斯已成为煤矿安全生产的“第一杀手”。强化煤矿瓦斯抽采利用是煤矿安全生产的治本之策。然而，由于输送设施不健全、利用技术缺乏等原因，大量抽采煤矿瓦斯未有效利用，而直接对空排放了，这不仅浪费了资源，也严重污染了环境。将抽采煤矿瓦斯制成便于储存和运输的液态燃料甲醇是其综合利用的一个发展方向。

煤矿瓦斯可看成是甲烷和空气的混合物。由于瓦斯中的甲烷堪称结构最稳定的有机分子，C-H键能高达439kJ，需要及其苛刻的反应条件才能将其活化和转化，而目标产物甲醇却相对活泼，在反应过程中极易被氧化为CO和CO₂。因此，如何实现瓦斯制甲醇过程中的定向高效转化成为一个巨大的挑战。人们通常通过间接转化法来回避这一难点，即先将瓦斯转化为合成气(CO+H₂)，再通过合成气制成甲醇。采用CO₂重整或水蒸气重整可以将瓦斯中的甲烷转化为合成气，但反应过程中由于积碳而导致催化剂失活是其面临的主要问题。采用近千度的反应温度，可以避免积碳的生成，但反应条件过于苛刻。文献报道，使用Rh和Ru等贵金属催化剂也可以减少积碳的生成，但贵金属高昂的价格及有限的资源限制了其大规模应用。徐东彦、孙来芝等学者使用非贵金属催化剂，利用重整方法将煤矿瓦斯成功转化为合成气，但需要在800℃的反应温度打开瓦斯中甲烷分子的所有C-H键，不仅需要的能耗高，而且重整工艺要求的设备成本也很高。

煤矿瓦斯通常含有大量的N₂，N₂为不反应的惰性气体，其存在会增加合成气制备过程的能耗。为此，有研究者提出，在催化剂存在下对煤矿瓦斯进行自热转化和外加热转化，得到含有H₂、CO₂、CO，N₂和少量CH₄的混合气，利用二段变压吸附分离技术脱除其中的大部分氮气，得到含CO、CO₂、少量N₂和含98％以上H₂的两股气，混合后得到制甲醇的合成气。该工艺流程为：将瓦斯气加压到0.3MPa～0.6MPa(表压，下同)，加入水蒸气，加热到400℃～600℃，进入自热转化反应器，利用CH₄与O₂的燃烧热使一部分CH₄转化为H₂和CO。然后进入外热转化器，在800℃～840℃条件下使剩余的甲烷进一步转化，得到含有H₂、CO、CO₂、N₂及少量CH₄的混合气。冷却后，加压至0.7MPa～1.8MPa，进入第一个变压吸附装置PSAI。在PSAI中CO与CO₂在吸附相，抽空作为产品气，未被吸附的气体进入第二个变压吸附装置PSAⅡ，N₂被吸附而脱除掉，H₂作为产品输出。(CO+CO₂)产品加压到产品H₂的压力后与其混合成为制甲醇的合成气。该方法工艺复杂，增加了脱氮成本，况且瓦斯热转化过程能耗并不低。

近年，有研究者采用非催化转化制甲醇生产工艺对瓦斯的开发利用进行了设计。但在无催化剂的情况下，瓦斯需要高温转化制合成气，转化温度高达1300～1500℃。

采用间接转化法制甲醇，无疑增加了造气(制合成气)成本，而且制合成气的反应条件一般较为苛刻。近些年，研究者们逐步将关注点转向瓦斯直接转化法制甲醇之上。液相催化氧化法是较受重视的直接转化法。液相催化氧化反应因能使催化剂与反应物实现分子级的直接接触，可在温和的条件下进行。但所用溶剂基本上是发烟硫酸、三氟乙酸等强酸溶剂，对设备腐蚀性较强，且反应后溶液的无害化处理难度较大。

发明内容

本发明提供一种温和条件下，环境友好的煤矿瓦斯直接转化合成甲醇的方法。

利用等离子体与催化剂协同作用转化煤矿瓦斯制甲醇的方法，具体是按以下步骤完成的：

一、确定待反应气：测定煤矿瓦斯中甲烷的体积百分含量，若煤矿瓦斯中甲烷的体积百分含量大于50％时，将煤矿瓦斯与空气混合，得到待反应气，待反应气中甲烷的体积百分含量为30％～50％；若煤矿瓦斯中甲烷的体积百分含量为50％以下时，则煤矿瓦斯直接作为待反应气使用；

二、等离子体转化反应：首先在同轴式介质阻挡放电反应器的介质层内的等离子体放电区域中填充催化剂，然后利用气体质量流量控制器将待反应气以15mL/min～85mL/min通过进气口通入同轴式介质阻挡放电反应器中进行等离子体转化反应，采用高压交流电源作为同轴式介质阻挡放电反应器的电源，控制待反应气等离子体转化反应的输入功率为30W～200W，放电频率为3kHz～10kHz，控制待反应气等离子体转化反应的放电间隙为1.5mm～3mm，等离子体转化反应的时间为50s～250s，通过同轴式介质阻挡放电反应器的电炉对催化剂进行加热，催化剂温度控制在50℃～300℃,等离子体转化反应得到的反应后气体通过出气口送入甲醇吸收瓶中，经过甲醇吸收瓶后的剩余气体进行干燥，然后送入尾气收集罐中；

步骤二中所述的同轴式介质阻挡放电反应器包括：介质层、高压电极、接地电极、电炉、进气口和出气口，高压电极同轴固定在介质层内，接地电极缠绕在介质层的外表面，电炉用于给催化剂加热；介质层的两端均为密封结构，其中一端开有进气口，另一端开有出气口。

利用等离子体与催化剂协同作用转化煤矿瓦斯制甲醇的方法，具体是按以下步骤完成的：

一、确定待反应气：测定煤矿瓦斯中甲烷的体积百分含量，若煤矿瓦斯中甲烷的体积百分含量大于50％时，将煤矿瓦斯与空气混合，得到待反应气，待反应气中甲烷的体积百分含量为30％～50％；若煤矿瓦斯中甲烷的体积百分含量为50％以下时，则煤矿瓦斯直接作为待反应气使用；

二、等离子体转化反应：首先在同轴式介质阻挡放电反应器的介质层尾部内的等离子体放电区域外填充催化剂，然后利用气体质量流量控制器将待反应气以8mL/min～80mL/min通过进气口通入同轴式介质阻挡放电反应器中进行等离子体转化反应，采用高压交流电源作为同轴式介质阻挡放电反应器的电源，控制待反应气等离子体转化反应的输入功率为80W～180W，放电频率为5kHz～10kHz，控制待反应气等离子体转化反应的放电间隙为0.5mm～3mm，通过同轴式介质阻挡放电反应器的电炉对催化剂进行加热，催化剂温度控制在50℃～250℃,等离子体转化反应的时间为60s～300s，等离子体转化反应得到的反应后气体通过出气口送入甲醇吸收瓶中，经过甲醇吸收瓶后的剩余气体进行干燥，然后送入尾气收集罐中；

步骤二中所述的同轴式介质阻挡放电反应器包括：介质层、高压电极、接地电极、电炉、进气口和出气口，高压电极同轴固定在介质层内，接地电极缠绕在介质层的外表面，电炉用于给催化剂加热；介质层的两端均为密封结构，其中一端开有进气口，另一端开有出气口。

本发明优点：一、本发明采用等离子体与催化剂协同作用，在常压、低温(≤300℃)条件下，将煤矿瓦斯转化为甲醇；二、本发明工艺流程简单，只需一步即可完成将煤矿瓦斯转化为甲醇；三、本发明采用的设备简单，投资少；四、本发明反应条件温和，在低于300℃的条件下即可完成将煤矿瓦斯转化为甲醇；五、环境友好，液相直接转化法也可在相对温和的条件下实现煤矿瓦斯的转化，但所用溶剂基本上是发烟硫酸、三氟乙酸等强酸溶剂，对设备腐蚀性较强，且反应后溶液的无害化处理难度较大。而本发明不使用对环境有破坏作用的腐蚀性溶剂。

附图说明

图1是具体实施方式一所述同轴式介质阻挡放电反应器的结构示意图；

图2是具体实施方式五所述同轴式介质阻挡放电反应器的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1，本实施方式是利用等离子体与催化剂协同作用转化煤矿瓦斯制甲醇的方法，具体是按以下步骤完成的：

一、确定待反应气：测定煤矿瓦斯中甲烷的体积百分含量，若煤矿瓦斯中甲烷的体积百分含量大于50％时，将煤矿瓦斯与空气混合，得到待反应气，待反应气中甲烷的体积百分含量为30％～50％；若煤矿瓦斯中甲烷的体积百分含量为50％以下时，则煤矿瓦斯直接作为待反应气使用；

二、等离子体转化反应：首先在同轴式介质阻挡放电反应器的介质层1内的等离子体放电区域中填充催化剂，然后利用气体质量流量控制器将待反应气以15mL/min～85mL/min通过进气口5通入同轴式介质阻挡放电反应器中进行等离子体转化反应，采用高压交流电源作为同轴式介质阻挡放电反应器的电源，控制待反应气等离子体转化反应的输入功率为30W～200W，放电频率为3kHz～10kHz，控制待反应气等离子体转化反应的放电间隙为1.5mm～3mm，等离子体转化反应的时间为50s～250s，通过同轴式介质阻挡放电反应器的电炉4对催化剂进行加热，催化剂温度控制在50℃～300℃,等离子体转化反应得到的反应后气体通过出气口6送入甲醇吸收瓶中，经过甲醇吸收瓶后的剩余气体进行干燥，然后送入尾气收集罐中；

步骤二中所述的同轴式介质阻挡放电反应器包括：介质层1、高压电极2、接地电极3、电炉4、进气口5和出气口6，高压电极2同轴固定在介质层1内，接地电极3缠绕在介质层1的外表面，电炉4用于给催化剂加热；介质层1的两端均为密封结构，其中一端开有进气口5，另一端开有出气口6。

低温等离子体化学反应是由非平衡放电中产生的高能电子引发的，高能电子通过与***中的气体分子发生的非弹性碰撞，将自身能量传递给这些气体分子，产生多种激发态分子、离子及自由基等活性基团，这些基团再进行重组而引发化学反应。煤矿瓦斯中甲烷分子的每一个C-H键的解离能不同，但均低于5eV(CH₄→CH₃+H，E1＝4.15eV；CH₃→CH₂+H，E2＝4.16eV；CH₂→CH+H，E3＝4.16eV；CH→C+H，E4＝3.15eV)，氧气分子的键能为5.1eV，而介质阻挡放电等离子体中的电子平均能量为10eV左右，完全可以激发活化这些反应物分子，产生单氧、碳氢等自由基。在煤矿瓦斯等离子体化学反应体系中存在着大量的O·、CH₃·、CH₂·、CH·等自由基，这些自由基重新组合可生成甲醇。甲醇的可能生成途径如下：

CH₄+O·→CH₃·+OH·  (1)

CH₃·+OH·→CH₃OH  (2)

CH₃·+O·→CH₃O·  (3)

CH₃O·+H·→CH₃OH  (4)

利用等离子体可以在温和的反应条件对煤矿瓦斯中的甲烷进行活化，直接合成甲醇，但由于该反应过程以自由基反应为主，存在竞争反应，甲醇选择性低。而将等离子体对反应分子的活化和催化剂对反应物定向转化这两个优势相结合，可同时提高煤矿瓦斯中甲烷的转化率和甲醇的选择性。

当催化剂放置在同轴式介质阻挡放电反应器的介质层1内的等离子体放电区域(由于等离子放电反应和催化反应在同一区域，需要对该区域进行加热，石英管加热放电时易被击穿，因此选用刚玉管代替石英管)时，催化剂会吸附等离子体反应产生的自由基，进行选择性组合，提高甲醇的选择性。同时，气体放电过程中产生的大量自由电子会沉积在催化剂表面，形成等离子体鞘层，有利于粒子的加速及轰击能量的增加。鞘层电位差还会使层中的自由电子受斥力而加速离开，增加了自由电子向正常等离子体区运动的速率和能量，使得其与等离子体反应器中的甲烷的碰撞反应加剧，从而提高了甲烷的转化率。

煤矿瓦斯中甲烷的体积百分含量是影响煤矿瓦斯中甲烷转化率和甲醇选择性的重要因素。当煤矿瓦斯中甲烷百分含量较低时，体系中氧气含量较高，与甲烷反应的几率更大，有利于提高甲烷转化率。当煤矿瓦斯中甲烷百分含量过高时，体系中没有足够的氧气可与甲烷反应，甲烷转化率和产物的产率均会降低。因此，要将待反应气中甲烷的体积百分含量控制在合适的范围内。煤矿瓦斯可看成是甲烷和空气的混合物。由甲烷转化甲醇的反应方程式得出，2体积甲烷可与1体积氧气完全反应生成甲醇，因氧气约占空气体积的1/5，计算出煤矿瓦斯中甲烷的体积百分含量在30％左右较为合适。但考虑到，甲烷在等离子体放电过程中，会产生CH₃·、CH₂·、CH·等多种自由基，为提高甲醇的生成量应适当提高待反应气中甲烷的体积百分含量。将待反应气中甲烷的体积百分含量控制在50％以下。当甲烷的体积百分含量高于50％时，通过与空气混合的方法控制甲烷的体积百分含量，使其在30％～50％之间。向高浓度煤矿瓦斯中混入空气，除了可以将煤矿瓦斯中甲烷的体积百分含量控制在合适的范围内，提高甲醇生成量以外，空气中的N₂分子放电也可以促进甲醇的生成。N₂分子的第一电子激发态为亚稳态，其辐射到基态时可以释放6.2eV的能量，这个能量比一般的化学分子键能都大。与CH₄、O₂等反应分子碰撞，可以使化学键断裂，产生自由基，并把CH₄、O₂分子或分解的原子激发到不稳定的激发态，从而提高反应效率。N₂分子的放电激发作用如下式：

$e+N_2\→e+N_2\left(A^3{\mathrm{\Σ}}_u^{+}\right)---\left(5\right)$

$N_2\left(A^3{\mathrm{\Σ}}_u^{+}\right)+{\mathrm{CH}}_4\→N_2+{\mathrm{CH}}_3\·+H\·---\left(6\right)$

$N_2\left(A^3{\mathrm{\Σ}}_u^{+}\right)+O_2\→N_2+2O\·---\left(7\right)$

O·+CH₄→OH·+CH₃·  (8)

对甲醇吸收瓶中液体和尾气收集罐中剩余气体进行气相色谱分析，并根据以下公式计算煤矿瓦斯中甲烷转化率、甲醇的收率，计算公式如下：

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤二中所述的介质层1为刚玉管；所述刚玉管的内径为16mm，外径为20mm，长为320mm；所述的刚玉管内催化剂的填充量为5g～10g。其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：步骤二中所述的高压电极2为不锈钢螺纹棒，所述不锈钢螺纹棒的直径为10mm～13mm。其他与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：步骤二中所述的催化剂为Fe₂O₃/γ-Al₂O₃、CuO/γ-Al₂O₃、Fe₂O₃-CuO/γ-Al₂O₃、Fe₂O₃-CuO/CP、Fe₂O₃/CP、CuO/ZSM-5、Fe₂O₃/ZSM-5或Fe₂O₃-CuO/ZSM-5。其他与具体实施方式一至三相同。

具体实施方式五：结合图2，本实施方式是利用等离子体与催化剂协同作用转化煤矿瓦斯制甲醇的方法，具体是按以下步骤完成的：

一、确定待反应气：测定煤矿瓦斯中甲烷的体积百分含量，若煤矿瓦斯中甲烷的体积百分含量大于50％时，将煤矿瓦斯与空气混合，得到待反应气，待反应气中甲烷的体积百分含量为30％～50％；若煤矿瓦斯中甲烷的体积百分含量为50％以下时，则煤矿瓦斯直接作为待反应气使用；

二、等离子体转化反应：首先在同轴式介质阻挡放电反应器的介质层1尾部内的等离子体放电区域外填充催化剂，然后利用气体质量流量控制器将待反应气以8mL/min～80mL/min通过进气口5通入同轴式介质阻挡放电反应器中进行等离子体转化反应，采用高压交流电源作为同轴式介质阻挡放电反应器的电源，控制待反应气等离子体转化反应的输入功率为80W～180W，放电频率为5kHz～10kHz，控制待反应气等离子体转化反应的放电间隙为0.5mm～3mm，通过同轴式介质阻挡放电反应器的电炉4对催化剂进行加热，催化剂温度控制在50℃～250℃,等离子体转化反应的时间为60s～300s，等离子体转化反应得到的反应后气体通过出气口6送入甲醇吸收瓶中，经过甲醇吸收瓶后的剩余气体进行干燥，然后送入尾气收集罐中；

步骤二中所述的同轴式介质阻挡放电反应器包括：介质层1、高压电极2、接地电极3、电炉4、进气口5和出气口6，高压电极2同轴固定在介质层1内，接地电极3缠绕在介质层1的外表面，电炉4用于给催化剂加热；介质层1的两端均为密封结构，其中一端开有进气口5，另一端开有出气口6。

低温等离子体化学反应是由非平衡放电中产生的高能电子引发的，高能电子通过与***中的气体分子发生的非弹性碰撞，将自身能量传递给这些气体分子，产生多种激发态分子、离子及自由基等活性基团，这些基团再进行重组而引发化学反应。煤矿瓦斯中甲烷分子的每一个C-H键的解离能不同，但均低于5eV(CH₄→CH₃+H，E1＝4.15eV；CH₃→CH₂+H，E2＝4.16eV；CH₂→CH+H，E3＝4.16eV；CH→C+H，E4＝3.15eV)，氧气分子的键能为5.1eV，而介质阻挡放电等离子体中的电子平均能量为10eV左右，完全可以激发活化这些反应物分子，产生单氧、碳氢等自由基。在煤矿瓦斯等离子体化学反应体系中存在着大量的O·、CH₃·、CH₂·、CH·等自由基，这些自由基重新组合可生成甲醇。甲醇的可能生成途径如下：

CH₄+O·→CH₃·+OH·  (9)

CH₃·+OH·→CH₃OH  (10)

CH₃·+O·→CH₃O·  (11)

CH₃O·+H·→CH₃OH  (12)

利用等离子体可以在温和的反应条件对煤矿瓦斯中的甲烷进行活化，直接合成甲醇，但由于该反应过程以自由基反应为主，存在竞争反应，甲醇选择性低。而将等离子体对反应分子的活化和催化剂对反应物定向转化这两个优势相结合，可同时提高煤矿瓦斯中甲烷的转化率和甲醇的选择性。

当催化剂放置在靠近反应器石英管尾部放电区域以外时，煤矿瓦斯转化合成甲醇反应过程包括等离子体反应和催化反应两个阶段。在等离子体反应阶段，煤矿瓦斯在等离子体作用下离解为O·、OH·、CH₃·、CH₃O·等活性基团，经过重组，一部分可以直接转化为甲醇，一部分会转化为合成气(CO+H₂)，反应式如下：

CH_x·+O·→CO+xH·  (13)

H·+H·→H₂  (14)

由于等离子体中产生的大量自由基寿命极短，无法到达催化反应区，而反应产生的合成气可以到达催化反应区，在催化剂的作用下进一步反应生成甲醇，反应式如下：

CO+H₂→CH₃OH  (15)

煤矿瓦斯中甲烷的体积百分含量是影响煤矿瓦斯中甲烷转化率和甲醇选择性的重要因素。当煤矿瓦斯中甲烷百分含量较低时，体系中氧气含量较高，与甲烷反应的几率更大，有利于提高甲烷转化率。当煤矿瓦斯中甲烷百分含量过高时，体系中没有足够的氧气可与甲烷反应，甲烷转化率和产物的产率均会降低。因此，要将待反应气中甲烷的体积百分含量控制在合适的范围内。煤矿瓦斯可看成是甲烷和空气的混合物。由甲烷转化甲醇的反应方程式得出，2体积甲烷可与1体积氧气完全反应生成甲醇，因氧气约占空气体积的1/5，计算出煤矿瓦斯中甲烷的体积百分含量在30％左右较为合适。但考虑到，甲烷在等离子体放电过程中，会产生CH₃·、CH₂·、CH·等多种自由基，为提高甲醇的生成量，应适当提高待反应气中甲烷的体积百分含量。将待反应气中甲烷的体积百分含量控制在50％以下。当甲烷的体积百分含量高于50％时，通过与空气混合的方法控制甲烷的体积百分含量，使其在30％～50％之间。向高浓度煤矿瓦斯中混入空气，除了可以将煤矿瓦斯中甲烷的体积百分含量控制在合适的范围内，提高甲醇生成量以外，空气中的N₂分子放电也可以促进甲醇的生成。N₂分子的第一电子激发态为亚稳态，其辐射到基态时可以释放6.2eV的能量，这个能量比一般的化学分子键能都大。与CH₄、O₂等反应分子碰撞，可以使化学键断裂，产生自由基，并把CH₄、O₂分子或分解的原子激发到不稳定的激发态，从而提高反应效率。N₂分子的放电激发作用如下式：

$e+N_2\→e+N_2\left(A^3{\mathrm{\Σ}}_u^{+}\right)---\left(16\right)$

$N_2\left(A^3{\mathrm{\Σ}}_u^{+}\right)+{\mathrm{CH}}_4\→N_2+{\mathrm{CH}}_3\·+H\·---\left(17\right)$

$N_2\left(A^3{\mathrm{\Σ}}_u^{+}\right)+O_2\→N_2+2O\·---\left(18\right)$

O·+CH₄→OH·+CH₃·  (19)

对甲醇吸收瓶中液体和尾气收集罐中剩余气体进行气相色谱分析，并根据以下公式计算煤矿瓦斯中甲烷转化率、甲醇的收率，计算公式如下：

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五的不同点是：步骤二中所述的介质层1为石英管或刚玉管；所述刚玉管的内径为16mm，外径为20mm，长为320mm，且所述的刚玉管内催化剂的填充量为5g～10g；所述石英管的内径为10mm，外径为12mm，长为600mm，且所述的石英管内催化剂的填充量为5g～10g。其他与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式五或六之一不同点是：步骤二中所述的高压电极2为不锈钢螺纹棒，所述不锈钢螺纹棒的直径为5mm～13mm。其他与具体实施方式五或六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式五至七之一不同点是：步骤二中所述的催化剂为Pt/CP、Pd/CP、Fe₂O₃/CP、CeO₂/CP、Fe₂O₃-CuO/CP、Fe₂O₃/γ-Al₂O₃、CuO/γ-Al₂O₃、Fe₂O₃-CuO/γ-Al₂O₃、Mo-CuO/γ-Al₂O₃或CuO/ZrO₂。其他与具体实施方式五至七相同。

采用下述实验验证本发明效果

试验一：结合图1，利用等离子体与催化剂协同作用转化煤矿瓦斯制甲醇的方法，具体是按以下步骤完成的：

一、确定待反应气：测定煤矿瓦斯中甲烷的体积百分含量，煤矿瓦斯中甲烷的体积百分含量为75％，将煤矿瓦斯与空气混合，得到待反应气，待反应气中甲烷的体积百分含量为50％；

二、等离子体转化反应：首先在同轴式介质阻挡放电反应器的介质层1内的等离子体放电区域中填充催化剂，然后利用气体质量流量控制器将待反应气以23mL/min通过进气口5通入同轴式介质阻挡放电反应器中进行等离子体转化反应，采用高压交流电源作为同轴式介质阻挡放电反应器的电源，控制待反应气等离子体转化反应的输入功率为140W，放电频率为7kHz，控制待反应气等离子体转化反应的放电间隙为2mm，通过同轴式介质阻挡放电反应器的电炉4对催化剂进行加热，催化剂温度控制在200℃,等离子体转化反应的时间为180s，等离子体转化反应得到的反应后气体通过出气口6送入甲醇吸收瓶中，经过甲醇吸收瓶后的剩余气体进行干燥，然后送入尾气收集罐中；

步骤二中所述的同轴式介质阻挡放电反应器包括：介质层1、高压电极2、接地电极3、电炉4、进气口5和出气口6，高压电极2同轴固定在介质层1内，接地电极3缠绕在介质层1的外表面，电炉4用于给催化剂加热；介质层1的两端均为密封结构，其中一端开有进气口5，另一端开有出气口6。

本试验步骤二中所述的介质层1为刚玉管；所述刚玉管的内径为16mm，外径为20mm，长为320mm，所述的刚玉管内催化剂的填充量为6g。

本试验步骤二中所述的高压电极2为不锈钢螺纹棒，所述不锈钢螺纹棒的直径为12mm。

本试验步骤二中所述的催化剂为Fe₂O₃-CuO/CP。

经过检测可知，本试验甲烷转化率为24.7％，甲醇收率为2.45％。

试验二：结合图1，利用等离子体与催化剂协同作用转化煤矿瓦斯制甲醇的方法，具体是按以下步骤完成的：

在同轴式介质阻挡放电反应器的介质层1内的等离子体放电区域中填充催化剂，然后利用气体质量流量控制器将待反应气以23mL/min通过进气口5通入同轴式介质阻挡放电反应器中进行等离子体转化反应，采用高压交流电源作为同轴式介质阻挡放电反应器的电源，控制待反应气等离子体转化反应的输入功率为140W，放电频率为7kHz，控制待反应气等离子体转化反应的放电间隙为2mm，通过同轴式介质阻挡放电反应器的电炉4对催化剂进行加热，催化剂温度控制在200℃,等离子体转化反应的时间为180s，等离子体转化反应得到的反应后气体通过出气口6送入甲醇吸收瓶中，经过甲醇吸收瓶后的剩余气体进行干燥，然后送入尾气收集罐中；

本试验所述的待反应气为甲烷的体积百分含量10％的煤矿瓦斯。

步骤二中所述的同轴式介质阻挡放电反应器包括：介质层1、高压电极2、接地电极3、电炉4、进气口5和出气口6，高压电极2同轴固定在介质层1内，接地电极3缠绕在介质层1的外表面，电炉4用于给催化剂加热；介质层1的两端均为密封结构，其中一端开有进气口5，另一端开有出气口6。

本试验步骤二中所述的介质层1为刚玉管；所述刚玉管的内径为16mm，外径为20mm，长为320mm，所述的刚玉管内催化剂的填充量为6g。

本试验步骤二中所述的高压电极2为不锈钢螺纹棒，所述不锈钢螺纹棒的直径为12mm。

本试验步骤二中所述的催化剂为Fe₂O₃-CuO/CP。

经过检测可知，本试验甲烷转化率为32.1％，甲醇收率为1.79％。

试验三：本试验与试验二不同点是：所述的待反应气为甲烷的体积百分含量90％的煤矿瓦斯。其他与试验二相同。

经过检测可知，本试验甲烷转化率为10.1％，甲醇收率为1.05％。

试验一至三的检测结果对比，可知煤矿瓦斯中甲烷的体积百分含量是影响瓦斯中甲烷转化率和甲醇选择性的重要因素，当煤矿瓦斯中甲烷的体积百分含量为10％时，由于甲烷含量低，导致甲烷转化率升高，甲醇收率变低，但如果用纯甲烷调控瓦斯中甲烷的体积百分含量在成本上是不可取的，况且在瓦斯中甲烷的体积百分含量很低时，瓦斯中重要的温室气体成分甲烷的转化率相对较高，能减轻因瓦斯排放对环境造成的破坏，因此这种情况符合对煤矿瓦斯处理的标准；当煤矿瓦斯中甲烷的体积百分含量为90％时，由于甲烷含量过高，反应不完全，导致甲烷转化率和甲醇收率很低，由于甲烷转化率和甲醇收率同时变低，这种情况不符合对煤矿瓦斯处理的标准。

试验四：本试验与试验一不同点是：步骤一中测定煤矿瓦斯中甲烷的体积百分含量，煤矿瓦斯中甲烷的体积百分含量为75％，将煤矿瓦斯与氧气混合，得到待反应气，待反应气中甲烷的体积百分含量为50％。其他与试验一相同。

经过检测可知，本试验甲烷转化率为19.76％，甲醇收率为1.73％。

试验一与试验四检测结果对比，可知用空气调控瓦斯中甲烷体积百分含量的方法较用氧气调控瓦斯中甲烷体积百分含量的方法可以获得更高的甲烷转化率和甲醇收率。

试验五：结合图2，利用等离子体与催化剂协同作用转化煤矿瓦斯制甲醇的方法，具体是按以下步骤完成的：

一、确定待反应气：测定煤矿瓦斯中甲烷的体积百分含量，煤矿瓦斯中甲烷的体积百分含量为75％，将煤矿瓦斯与空气混合，得到待反应气，待反应气中甲烷的体积百分含量为50％；

二、等离子体转化反应：首先在同轴式介质阻挡放电反应器的介质层1尾部内的等离子体放电区域外填充催化剂，然后利用气体质量流量控制器将待反应气以10.6mL/min通过进气口5通入同轴式介质阻挡放电反应器中进行等离子体转化反应，采用高压交流电源作为同轴式介质阻挡放电反应器的电源，控制待反应气等离子体转化反应的输入功率为140W，放电频率为7kHz，控制待反应气等离子体转化反应的放电间隙为2.5mm，通过同轴式介质阻挡放电反应器的电炉4对催化剂进行加热，催化剂温度控制在250℃,等离子体转化反应的时间为235s，等离子体转化反应得到的反应后气体通过出气口6送入甲醇吸收瓶中，经过甲醇吸收瓶后的剩余气体进行干燥，然后送入尾气收集罐中

步骤二中所述的同轴式介质阻挡放电反应器包括：介质层1、高压电极2、接地电极3、电炉4、进气口5和出气口6，高压电极2同轴固定在介质层1内，接地电极3缠绕在介质层1的外表面，电炉4用于给催化剂加热；介质层1的两端均为密封结构，其中一端开有进气口5，另一端开有出气口6。

本试验步骤二中所述的介质层1为石英管；所述石英管的内径为10mm，外径为12mm，长为600mm，所述的石英管内催化剂的填充量为6g。

本试验步骤二中所述的高压电极2为不锈钢螺纹棒，所述不锈钢螺纹棒的直径为5mm。

本试验步骤二中所述的催化剂为Fe₂O₃/γ-Al₂O₃。

经过检测可知，本试验甲烷转化率为29.5％，甲醇收率为2.56％。

试验六：结合图1和图2，利用等离子体与催化剂协同作用转化煤矿瓦斯制甲醇的方法，具体是按以下步骤完成的：

一、确定待反应气：测定煤矿瓦斯中甲烷的体积百分含量，煤矿瓦斯中甲烷的体积百分含量为75％，将煤矿瓦斯与空气混合，得到待反应气，待反应气中甲烷的体积百分含量为50％；

二、等离子体转化反应：利用气体质量流量控制器将待反应气以10.6mL/min通过进气口5通入同轴式介质阻挡放电反应器中进行等离子体转化反应，采用高压交流电源作为同轴式介质阻挡放电反应器的电源，控制待反应气等离子体转化反应的输入功率为140W，放电频率为7kHz，控制待反应气等离子体转化反应的放电间隙为2.5mm，等离子体转化反应的时间为235s，等离子体转化反应得到的反应后气体通过出气口6送入甲醇吸收瓶中，经过甲醇吸收瓶后的剩余气体进行干燥，然后送入尾气收集罐中。

步骤二中所述的同轴式介质阻挡放电反应器包括：介质层1、高压电极2、接地电极3、进气口5和出气口6，高压电极2同轴固定在介质层1内，接地电极3缠绕在介质层1的外表面；介质层1的两端均为密封结构，其中一端开有进气口5，另一端开有出气口6。

本试验步骤二中所述的介质层1为石英管；所述石英管的内径为10mm，外径为12mm，长为600mm。

本试验步骤二中所述的高压电极2为不锈钢螺纹棒，所述不锈钢螺纹棒的直径为5mm。

经过检测可知，本试验甲烷转化率为23.56％，甲醇收率为1.53％。

试验七：结合图1和图2，利用等离子体与催化剂协同作用转化煤矿瓦斯制甲醇的方法，具体是按以下步骤完成的：

一、确定待反应气：测定煤矿瓦斯中甲烷的体积百分含量，煤矿瓦斯中甲烷的体积百分含量为75％，将煤矿瓦斯与空气混合，得到待反应气，待反应气中甲烷的体积百分含量为50％；

二、等离子体转化反应：利用气体质量流量控制器将待反应气以23mL/min通过进气口5通入同轴式介质阻挡放电反应器中进行等离子体转化反应，采用高压交流电源作为同轴式介质阻挡放电反应器的电源，控制待反应气等离子体转化反应的输入功率为140W，放电频率为7kHz，控制待反应气等离子体转化反应的放电间隙为2mm，等离子体转化反应的时间为180s，等离子体转化反应得到的反应后气体通过出气口6送入甲醇吸收瓶中，经过甲醇吸收瓶后的剩余气体进行干燥，然后送入尾气收集罐中。

步骤二中所述的同轴式介质阻挡放电反应器包括：介质层1、高压电极2、接地电极3、进气口5和出气口6，高压电极2同轴固定在介质层1内，接地电极3缠绕在介质层1的外表面；介质层1的两端均为密封结构，其中一端开有进气口5，另一端开有出气口6。

本试验步骤二中所述的介质层1为刚玉管；所述刚玉管的内径为16mm，外径为20mm，长为320mm。

本试验步骤二中所述的高压电极2为不锈钢螺纹棒，所述不锈钢螺纹棒的直径为12mm。

经过检测可知，本试验甲烷转化率为24.08％，甲醇收率为1.62％。

试验五与试验六、试验一与试验七检测结果对比，可知催化剂无论放置于等离子体放电区域以内，还是放置于等离子体放电区域以外，瓦斯中甲烷的转化率和甲醇的收率均增大，这说明在煤矿瓦斯制甲醇过程中等离子体与催化剂具有协同作用。

Claims (8)

1.利用等离子体与催化剂协同作用转化煤矿瓦斯制甲醇的方法，其特征在于利用等离子体与催化剂协同作用转化煤矿瓦斯制甲醇的方法是按以下步骤完成的：

一、确定待反应气：测定煤矿瓦斯中甲烷的体积百分含量，若煤矿瓦斯中甲烷的体积百分含量大于50％时，将煤矿瓦斯与空气混合，得到待反应气，待反应气中甲烷的体积百分含量为30％～50％；若煤矿瓦斯中甲烷的体积百分含量为50％以下时，则煤矿瓦斯直接作为待反应气使用；

二、等离子体转化反应：首先在同轴式介质阻挡放电反应器的介质层(1)内的等离子体放电区域中填充催化剂，然后利用气体质量流量控制器将待反应气以15mL/min～85mL/min通过进气口(5)通入同轴式介质阻挡放电反应器中进行等离子体转化反应，采用高压交流电源作为同轴式介质阻挡放电反应器的电源，控制待反应气等离子体转化反应的输入功率为30W～200W，放电频率为3kHz～10kHz，控制待反应气等离子体转化反应的放电间隙为1.5mm～3mm，通过同轴式介质阻挡放电反应器的电炉(4)对催化剂进行加热，催化剂温度控制在50℃～300℃,等离子体转化反应的时间为50s～250s，等离子体转化反应得到的反应后气体通过出气口(6)送入甲醇吸收瓶中，经过甲醇吸收瓶后的剩余气体进行干燥，然后送入尾气收集罐中；

步骤二中所述的同轴式介质阻挡放电反应器包括：介质层(1)、高压电极(2)、接地电极(3)、电炉(4)、进气口(5)和出气口(6)，高压电极(2)同轴固定在介质层(1)内，接地电极(3)缠绕在介质层(1)的外表面，电炉(4)用于给催化剂加热；介质层(1)的两端均为密封结构，其中一端开有进气口(5)，另一端开有出气口(6)。

2.根据权利要求1所述的利用等离子体与催化剂协同作用转化煤矿瓦斯制甲醇的方法，其特征在于步骤二中所述的介质层(1)为刚玉管；所述刚玉管的内径为16mm，外径为20mm，长为320mm；所述的刚玉管内催化剂的填充量为5g～10g。

3.根据权利要求1所述的利用等离子体与催化剂协同作用转化煤矿瓦斯制甲醇的方法，其特征在于步骤二中所述的高压电极(2)为不锈钢螺纹棒，所述不锈钢螺纹棒的直径为10mm～13mm。

4.根据权利要求1所述的利用等离子体与催化剂协同作用转化煤矿瓦斯制甲醇的方法，其特征在于步骤二中所述的催化剂为Fe₂O₃/γ-Al₂O₃、CuO/γ-Al₂O₃、Fe₂O₃-CuO/γ-Al₂O₃、Fe₂O₃-CuO/CP、Fe₂O₃/CP、CuO/ZSM-5、Fe₂O₃/ZSM-5或Fe₂O₃-CuO/ZSM-5。

5.利用等离子体与催化剂协同作用转化煤矿瓦斯制甲醇的方法，其特征在于利用等离子体与催化剂协同作用转化煤矿瓦斯制甲醇的方法是按以下步骤完成的：

一、确定待反应气：测定煤矿瓦斯中甲烷的体积百分含量，若煤矿瓦斯中甲烷的体积百分含量大于50％时，将煤矿瓦斯与空气混合，得到待反应气，待反应气中甲烷的体积百分含量为30％～50％；若煤矿瓦斯中甲烷的体积百分含量为50％以下时，则煤矿瓦斯直接作为待反应气使用；

二、等离子体转化反应：首先在同轴式介质阻挡放电反应器的介质层(1)尾部内的等离子体放电区域外填充催化剂，然后利用气体质量流量控制器将待反应气以8mL/min～80mL/min通过进气口(5)通入同轴式介质阻挡放电反应器中进行等离子体转化反应，采用高压交流电源作为同轴式介质阻挡放电反应器的电源，控制待反应气等离子体转化反应的输入功率为80W～180W，放电频率为5kHz～10kHz，控制待反应气等离子体转化反应的放电间隙为0.5mm～3mm，通过同轴式介质阻挡放电反应器的电炉(4)对催化剂进行加热，催化剂温度控制在50℃～250℃,等离子体转化反应的时间为60s～300s，等离子体转化反应得到的反应后气体通过出气口(6)送入甲醇吸收瓶中，经过甲醇吸收瓶后的剩余气体进行干燥，然后送入尾气收集罐中；

步骤二中所述的同轴式介质阻挡放电反应器包括：介质层(1)、高压电极(2)、接地电极(3)、电炉(4)、进气口(5)和出气口(6)，高压电极(2)同轴固定在介质层(1)内，接地电极(3)缠绕在介质层(1)的外表面，电炉(4)用于给催化剂加热；介质层(1)的两端均为密封结构，其中一端开有进气口(5)，另一端开有出气口(6)。

6.根据权利要求5所述的利用等离子体与催化剂协同作用转化煤矿瓦斯制甲醇的方法，其特征在于步骤二中所述的介质层(1)为石英管或刚玉管；所述刚玉管的内径为16mm，外径为20mm，长为320mm，且所述的刚玉管内催化剂的填充量为5g～10g；所述石英管的内径为10mm，外径为12mm，长为600mm，且所述的石英管内催化剂的填充量为5g～10g。

7.根据权利要求5所述的利用等离子体与催化剂协同作用转化煤矿瓦斯制甲醇的方法，其特征在于步骤二中所述的高压电极(2)为不锈钢螺纹棒，所述不锈钢螺纹棒的直径为5mm～13mm。

8.根据权利要求5所述的利用等离子体与催化剂协同作用转化煤矿瓦斯制甲醇的方法，其特征在于步骤二中所述的催化剂为Pt/CP、Pd/CP、Fe₂O₃/CP、CeO₂/CP、Fe₂O₃-CuO/CP、Fe₂O₃/γ-Al₂O₃、CuO/γ-Al₂O₃、Fe₂O₃-CuO/γ-Al₂O₃、Mo-CuO/γ-Al₂O₃、CuO/ZrO₂。