一种基于低温等离子体催化驱使碳循环利用技术的绿色燃油发生器

一种基于低温等离子体催化驱使碳循环利用技术的绿色燃油发生器

陈镜清

浙江理工 大学 浙江 杭州 310018

摘要;随着汽车工业的快速发展，机动车保有量不断增加，其所造成的环境污染和温室效应也越发严重。基于节能减排和环境保护的双重考虑，迫切需要一种新技术来改善这一问题。对此，我们通过实验设计了一种基于低温等离子体-催化的碳循环燃油发生器，实现对燃料从成分的改造，同步制取氢气及含氧碳氢燃料从而降低燃烧所产生的污染物，并且对燃烧生成的二氧化碳进行循环资源化利用。

关键词：高污染碳氢燃料，等离子体重整，清洁燃料，含氧燃料

1研制背景及意义

近年来，低温等离子体技术(NTP)在燃料重整领域展现出了光明的前景^[1-4]。介质阻挡放电(DBD)是产生低温等离子体的一种常见方式，它具有等离子体可操作范围广、放电稳定均匀、放电区域较大等优点，在产生等离子体区域的反应物质如分子、离子、原子和自由基等的存在可以有效降低化学势垒，使得一些化学反应即使在室温和大气压下也能够有效进行。介质阻挡放电技术为解决机动车排放提供了一个新方向。首先，介质阻挡放电可以将燃料与氧气部分氧化重整为氢气和含氧碳氢燃料，研究表明，在发动机中加入含氧碳氢燃料，发动机尾气污染排放明显下降（~30%） ^[5-6]。其次，燃烧产生的二氧化碳可以通过介质阻挡放电耦合催化剂加氢生成甲醇等高附加值产品，减少了温室气体的排放^[7]。

基于以上分析，我们提出了一种基于低温等离子体催化驱使碳循环利用技术的绿色燃油发生器，实现对燃料从成分的改造，同步制取氢气及含氧碳氢燃料从而降低燃烧所产生的污染物，并且对燃烧生成的二氧化碳进行循环资源化利用。含氧化合物混入燃油中有利于降低内燃机中PM、HC、CO等物质的排放，含氧燃料作为一种石油替代燃料可以单独或与汽油或柴油混合使用，不仅可以减少汽车工业对石油的依赖还可以获得优良的发动机动力性能和低的排放性能^[8]，因此，无论从节能减排还是环境保护的角度来讲该燃油发生器都意义重大。

2工艺设计方案

2.1设计原理

等离子体技术对改造燃料生产氢气及含氧燃料非常有意义，与传统的催化工艺相比， NTP工艺的有利方面包括快速启动和关闭，易于维护以及适度的工作温度和压力条件^[8]。

在放电过程中，由于电场的高强度，加速的电子与其他分子碰撞，导致电子诱导化学如分解和电离。分解和电离后的自由基重新组合可以生成有价值的化学品，等离子体在反应的过程中就像一双神奇的魔术手实现了官能团的转移，将高污染的碳氢燃料和温室气体，变废为宝，实现能源的体清洁化。如图1所示为重整过程含氧产物的生成机理图。在高能电子的轰击之下碳氢燃料（烷烃以C5为例）化学键被打开，会生成短链的自由基，CO₂和H₂O也发生化学键的断裂，生成的自由基之间发生反应，同样这一过程中也存在自由基之间的聚合反应，向高碳链化合物的生成。

2.2装置与方法

本团队通过实验设计了一种基于低温等离子体催化驱使碳循环利用技术的绿色燃油发生器，在机动车领域及清洁能源的制造有着较好的推广前景。本装置共包括太阳能板、油箱、发动机以及团队设计的介质阻挡放电反应器。太阳能板会持续将太阳能转化为反应器所需要的电能并存储。在运行过程中燃油首先通过第一个介质阻挡放电反应器与O₂反应生成氢气及含氧产物随后在发动机内燃烧产生动能，发动机排放的CO₂和水进入第二反应器产生甲醇等辅助燃料进入发动及燃烧，再次产生CO₂实现多次循环，最终实现碳循环降低CO₂以及污染物的排放，并且辅助燃料的产生减少主燃料（汽油）的用量，从而达到节能的目的。

本实验中介质阻挡放电反应器所用高压电极和低压电极均为不锈钢材质，介质为石英材质方便光谱研究。放电系统的温度由电炉控制，等离子体作用范围由低压电极的尺寸控制，压力由若干阀门调节、压力表检测，等离子体功率密度由电压或者频率调节。此系统用于燃料与氧气部分氧化重整生成氢气及含氧燃料以及二氧化碳与氢气协同催化剂重整生成甲醇的系统研究，为开发碳循环燃油发生器打下坚实的基础，具体技术路线图见图5。

图1技术路线图

2.3创新点

（1）将燃料重整为氢气和含氧碳氢燃料，可充分燃烧，减少污染物的排放；

（2）实现碳循环，可有效缓解温室效应；

（3）实验整套系统的设计温压双控，结构紧凑，为后续的模块化处理及推广应用建立良好基础。

3结语

综上所述，通过实验设计了一种基于低温等离子体催化驱使碳循环利用技术的绿色燃油发生器。该装置为模型设计，且坦率来说目前太阳能板存储的电量仍无法满足设备长时间持续运行所需，因此仍需外部电量输入。然而不可否认的是本设计为节能减排及环境保护提供了一种新思路：利用可再生能源的电力，将燃料及二氧化碳重整为高附加值产品。

参考文献

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[8] Yan K, Hui H, Cui M, et al. Corona induced non-thermal plasmas: Fundamental study and industrial applications [J]. Journal of Electrostatics, 1998, 44(1):17-39.

作者简介：陈镜清（1999——）男，汉族，浙江省绍兴市人，学生，本科在读，单位：浙江理工大学，研究方向：能源与动力工程专业。

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