CN106179155B - 等离子体液化装置 - Google Patents

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Abstract

等离子体液化装置，涉及生物质液化。设有反应腔体、绝缘盖、电极移动槽、搅拌器、外电极、绝缘套管、内电极、交流电源、气瓶、直流电源；所述反应腔体置于搅拌器上；绝缘盖盖于反应腔体上，绝缘盖上设有电极移动槽，电极移动槽供电极左右移动，改变电极距离，可有不同的放电区域，绝缘套管设于外电极与内电极之间；内电极设有高压内电极和接地内电极，内电极用于介质阻挡放电，外电极也设有高压外电极和接地外电极，外电极用于弧光放电；绝缘套管与气瓶连接，气瓶内装惰性气体，用于内电极介质阻挡放电产生等离子体；绝缘盖中间设有供排气的出气孔；高压外电极与直流电源高压电极连接，接地外电极与直流电源接地极连接。

Description

等离子体液化装置
技术领域
本发明涉及生物质液化，尤其是涉及一种等离子体液化装置。
背景技术
生物质能源是可再生、可替代化石能源、可转化成液态和气态燃料以及其它化工原料或产品的碳资源的能源。生物质液化技术是最具有发展潜力的生物质能利用技术之一。目前生物质直接液化技术有高压液化技术、快速热解液化技术、常压下液化剂液化技术等，而液化剂液化主要有苯酚液化和多元醇液化。与此同时，临界技术、微波技术等也被引入到生物质液化中来。然而就目前的生物质液化工艺而言，主要是采取高温高压的方式，存在耗能高、成本高等缺点；而液化剂液化技术需要给反应加热，液化时间长且液化率不高。等离子体由电子、离子、原子、分子、激发态活性物组成，拥有独特的化学活性和高反应性，使得许多传统方法不易或不可能实现的化学反应变为可能。人们开始尝试将等离子体技术应用到生物质热转化技术中。Steinberg等(Steinberg M.Conversion of fossil andbiomass fuels to electric power and transportation fuels by high efficiencyintegrated plasma fuel cell(IPFC)energy cycle[J].Hydrogen Energy,2006,31(3):405－411)利用等离子体技术将矿石燃料和生物质转化为电能、氢和液体燃料。Yi Weiming等(Yi Weiming,Bai Xueyuan,Xiu Shuangning,et al.Thedevolatilizationcharactertics of[J].Journal of Engineering Thermophysics,2006,27(2):135－138.(in Chinese with English abstract))利用高温等离子体对生物质的快速热解液化进行了研究。Tang等(Tang L,Huang H.Biomass gasification using capacitively coupledRF plasma technology[J].Fuel,2005,84(16):2055－2063)利用木屑为原料，采用射频电容耦合等离子体技术，实现生物质的气化。Rusen Zhou等(Zhou,R.,et al.Fastliquefaction of bamboo shoot shell with liquid-phase Microplasma assistedtechnology.Bioresour.Technol.2016,http://dx.doi.org/10.1016/j.biortech.2016.07.042)利用等离子体辅助液化剂快速液化笋壳。
发明内容
本发明的目的在于针对Rusen Zhou等公开的液化放电装置存在不易放电等缺点，提供可实现生物质快速液化，缩短液化时间，提高液化率，减少催化剂的量，得到富含酚化衍生物或羟基等活性集团液化产物的一种等离子体液化装置。
本发明设有反应腔体、绝缘盖、电极移动槽、搅拌器、外电极、绝缘套管、内电极、交流电源、气瓶、直流电源；所述反应腔体置于搅拌器上；所述反应腔体装入反应的生物质、溶剂、催化剂和磁子，绝缘盖盖于反应腔体上，绝缘盖上设有电极移动槽，电极移动槽供电极左右移动，改变电极距离，可有不同的放电区域，绝缘套管设于外电极与内电极之间；内电极设有高压内电极和接地内电极，内电极用于介质阻挡放电，外电极也设有高压外电极和接地外电极，外电极用于弧光放电；绝缘套管与气瓶连接，气瓶内装惰性气体，用于内电极介质阻挡放电产生等离子体；绝缘盖中间设有供排气的出气孔；高压外电极与直流电源高压电极连接，接地外电极与直流电源接地极连接。
所述反应腔体的内径可为2～250cm，厚度可为1～100mm，高度可为2～350cm，反应腔体可采用陶瓷、刚玉、石英、聚四氟乙烯之一制作。
所述绝缘盖的厚度可为2～60mm，直径可为5～250cm，绝缘盖可采用陶瓷、刚玉、石英、聚四氟乙烯之一制作。
所述外电极的内径可为2～20mm，外径可为3～40mm，长度可为5～350cm，材质为耐高温性能良好的铜、银、钨等，外电极置于电极移动槽内在步进电机的带动下左右可移动距离为0.1～30cm；外电极内部由绝缘套管和高压内电极组成，接地外电极内部由绝缘套管和接地内电极组成。
所述绝缘套管的内径可为0.5～10mm，外径可为1～15mm，长度可为2～250cm，可采用陶瓷、刚玉、石英、聚四氟乙烯之一制作。
所述内电极的直径可为0.2～5mm，长度可为2～250cm，材质为耐高温性能良好的铜、银、钨等；高压内电极位于绝缘套管内，与交流电源高压电极连接，接地内电极位于绝缘套管内，与交流电源接地电极连接。
所述交流电源可采用高频高压交流电源，电压为1000～30000V，频率为5～50kHz。
所述直流电源可采用脉冲直流电源，可输出脉冲电压200～2500V，能产生稳定等离子体。
当给内电极加压，并通气，两电极之间电压达到一定值后，气体被击穿产生辉光放电，生成大量等离子体，便于生物质液化反应。当反应一定时间后，关掉内电极，给外电极加电压时，电极发热，附近产生大量气泡。当电压达到一定值时，气体被击穿而放电。其初电压较低时，有火花放电，可看到反应混合物中产生少量火花。电压稳定后，会产生辉光放电，电压进一步加大会产生弧光放电，电流增大，此时反应剧烈，混合物沸腾，产生黑色浓烟。由于等离子体本生具有高活性物质，以及高能量，混合物很快被液化，最终得到黑色液化产物，抽滤后得到固体残渣和液态油状物。
鉴于Rusen Zhou等公开的液化放电装置存在不易放电等缺点，本发明由内外两跟电极插在生物质(如木屑，笋壳等)、液化剂(苯酚、多元醇等)、催化剂(硫酸、氢氧化钠等)的混合液中，并在内电极中通入气体。首先在内电极施加电压介质阻挡放电，产生等离子体。待反应进行一定时间后关掉内电极电源，施加外电极电压，弧光放电，产生等离子体。由于等离子体产生的电子、活性分子以及等离子体本生具有的高能量实现了生物质的快速液化，提高了液化率，减少了催化剂的量，得到了富含酚化衍生物或羟基等活性集团的液化产物。本发明具有安全性高、液化率高，液化时间短等效果。本发明的结构简单，操作容易，易于在生物质液化领域和工业上普及。
附图说明
图1是本发明实施例的结构组成示意图。
图2是本发明实施例的内外电极剖面示意图。
具体实施方式
参见图1和2，本发明实施例设有反应腔体1、绝缘盖2、电极移动槽3、出气孔4、高压外电极5-1、接地外电极5-2、通气绝缘套管6-1、封闭绝缘套管6-2、高压内电极7-1、接地内电极7-2、搅拌器8、交流电源9、气瓶10、直流电源11；具体实施过程如下：配好溶液，装入反应腔，打开气瓶、搅拌器，通过交流电源9给高压内电极7-1施加电压。电压上升过程中，混合物产生浓烟，由出气孔排出。反应一段时间后，关掉交流电源9。打开直流电压，给外电极5-1加压，待电流稳定到0.2A后停止增加电压，此时稳定放电，产生浓烟，混合物逐渐变黑，慢慢被液化。反应5min后，生物质几乎完全液化。逐渐将电压调小，关掉电源，液化结束。
所述反应腔体的内径为2～250cm，厚度为1～100mm，高度为2～350cm，反应腔体采用陶瓷、刚玉、石英、聚四氟乙烯之一制作。
所述绝缘盖的厚度为2～60mm，直径为5～250cm，绝缘盖采用陶瓷、刚玉、石英、聚四氟乙烯之一制作。
所述外电极的内径为2～20mm，外径为3～40mm，长度为5～350cm，材质为耐高温性能良好的铜、银、钨等，外电极置于电极移动槽内在步进电机的带动下左右移动距离为0.1～30cm；外电极内部由绝缘套管和高压内电极组成，接地外电极内部由绝缘套管和接地内电极组成。
所述绝缘套管的内径为0.5～10mm，外径为1～15mm，长度为2～250cm，采用陶瓷、刚玉、石英、聚四氟乙烯之一制作。
所述内电极的直径为0.2～5mm，长度为2～250cm，材质为耐高温性能良好的铜、银、钨等；高压内电极位于绝缘套管内，与交流电源高压电极连接，接地内电极位于绝缘套管内，与交流电源接地电极连接。
所述交流电源采用高频高压交流电源，电压为1000～30000V，频率为5～50kHz。
所述直流电源采用脉冲直流电源，可输出脉冲电压200～2500V，能产生稳定等离子体。

Claims (8)

1.等离子体液化装置，其特征在于设有反应腔体、绝缘盖、电极移动槽、搅拌器、外电极、绝缘套管、内电极、交流电源、气瓶、直流电源；所述反应腔体置于搅拌器上；所述反应腔体装入反应的生物质、溶剂、催化剂和磁子，绝缘盖盖于反应腔体上，绝缘盖上设有电极移动槽，电极移动槽供电极左右移动，改变电极距离，有不同的放电区域，绝缘套管设于外电极与内电极之间；内电极设有高压内电极和接地内电极，内电极用于介质阻挡放电，外电极也设有高压外电极和接地外电极，外电极用于弧光放电；绝缘套管与气瓶连接，气瓶内装惰性气体，用于内电极介质阻挡放电产生等离子体；绝缘盖中间设有供排气的出气孔；高压外电极与直流电源高压电极连接，接地外电极与直流电源接地极连接；
所述反应腔体的内径为2～250cm，厚度为1～100mm，高度为2～350cm；
所述反应腔体采用陶瓷、刚玉、石英、聚四氟乙烯之一制作。
2.如权利要求1所述等离子体液化装置，其特征在于所述绝缘盖的厚度为2～60mm，直径为5～250cm。
3.如权利要求1所述等离子体液化装置，其特征在于绝缘盖采用陶瓷、刚玉、石英、聚四氟乙烯之一制作。
4.如权利要求1所述等离子体液化装置，其特征在于所述外电极的内径为2～20mm，外径为3～40mm，长度为5～350cm，材质为耐高温性能良好的铜、银、钨，外电极置于电极移动槽内在步进电机的带动下左右的移动距离为0.1～30cm；外电极内部由绝缘套管和高压内电极组成，接地外电极内部由绝缘套管和接地内电极组成。
5.如权利要求1所述等离子体液化装置，其特征在于所述绝缘套管的内径为0.5～10mm，外径为1～15mm，长度为2～250cm，采用陶瓷、刚玉、石英、聚四氟乙烯之一制作。
6.如权利要求1所述等离子体液化装置，其特征在于所述内电极的直径为0.2～5mm，长度为2～250cm，材质为耐高温性能良好的铜、银、钨；高压内电极位于绝缘套管内，与交流电源高压电极连接，接地内电极位于绝缘套管内，与交流电源接地电极连接。
7.如权利要求1所述等离子体液化装置，其特征在于所述交流电源采用高频高压交流电源，电压为1000～30000V，频率为5～50kHz。
8.如权利要求1所述等离子体液化装置，其特征在于所述直流电源采用脉冲直流电源，输出脉冲电压200～2500V。
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