通过滑弧等离子体辅助技术，实现气体混合物从高效多孔介质燃烧中的转化

《Combustion and Flame》：Gliding arc plasma-assisted conversion of gas mixture from efficient porous media combustion

非热等离子体协同多孔介质燃烧系统显著提升了甲烷和二氧化碳的转化效率，通过优化结构参数（如氧化铝颗粒8mm和碳化硅泡沫20PPI）、等离子体电压（6kV）及喷嘴叶片间距（20mm/R200），实现了合成气产率提升至21.7%，并验证了二次甲烷添加和气态循环的强化效果。

　　

戴华明|陈珊

武汉理工大学安全科学与应急管理学院，中国武汉430070

摘要

非热等离子体（NTP）技术在温和条件下对气体成分的调节具有巨大潜力。为了有效利用多孔介质燃烧产物中的CH₄和CO₂，本研究构建了一个将多孔介质燃烧器与滑弧放电（GAD）等离子体反应器相结合的协同系统。研究了多孔介质结构参数、燃料添加剂、等离子体参数以及工艺优化策略对燃烧特性和等离子体转化率的影响。结果表明：在结构II（8毫米）中，氧化铝颗粒结构产生的合成气浓度较高，其中H₂含量为14.1%，能量效率为57.8%，此时φ=1.5。相反，在结构V（20 PPI）中，碳化硅泡沫结构实现了更高的火焰温度和更完全的甲烷转化，CH₄转化率为96%，此时φ=1.6。此外，输入电压对GAD等离子体的转化率有显著影响，在6 kV时获得了最佳的CH₄和CO₂转化率，分别为37.5%和32.1%。当喷嘴与叶片之间的距离（D = 20毫米）较大且叶片曲率（R200）较高时，气体重整效果显著增强。二次添加甲烷和气体循环对提高工艺效率也有效，经过三个循环后最终H₂浓度达到了21.7%。这些发现为利用多孔介质和等离子体系统的协同作用生产合成气奠定了理论基础。

部分摘录

创新性与重要性声明

多孔介质在清洁能源利用方面具有显著优势，为高效低碳应用提供了关键的技术支持，但其转化效率的提升仍有待优化。本研究创新性地构建了多孔介质燃烧器与滑弧等离子体的结合系统，旨在通过利用等离子体的高效处理能力来实现更高的氢气生产效率。

实验装置

如图1所示，实验系统由气体供应单元、多孔介质燃烧系统、叶片型滑弧放电系统和数据采集模块组成。多孔介质燃烧器是一个圆柱形容器，长度为250毫米，内径为60毫米，壁厚为5毫米。为减少热量损失，反应器外部包裹了绝缘材料。燃烧器的具体内部结构如图2(a)所示。

多孔介质结构对燃烧特性和等离子体转化的影响

图3展示了在φ = 1.5和v = 12厘米/秒的条件下温度分布情况。对于Al₂O₃填充床，结构II（8毫米颗粒）表现出更均匀且整体温度更高的分布。这归因于其对流和辐射传热之间的最佳平衡。较小的颗粒直径增强了对流预热效果，但辐射热保持能力有限；而较大的颗粒直径则促进了辐射传热，但牺牲了对流传热。

结论

为了有效利用和转化多孔介质燃烧产生的残余甲烷和二氧化碳，本研究开发了一个将多孔介质燃烧与NTP技术相结合的实验系统。在不同操作条件下，系统地研究了各种多孔结构中的燃烧特性及随后的等离子体重整性能。同时分析了放电参数和反应器配置对等离子体放电行为和气体转化的影响。

作者贡献声明

戴华明：负责监督和资源调配。陈珊：负责撰写初稿。