一种微波放电等离子体催化重整温室气体装置及方法与流程

本发明属于环保技术领域，具体涉及一种微波放电等离子体催化重整温室气体装置及方法。

背景技术：

甲烷、二氧化碳等温室气体的排放会加剧全球气候变暖和自然环境恶化。微波放电等离子体催化重整技术能够同时将甲烷和二氧化碳两种温室气体转化为合成气(一氧化碳和氢气)，从而降低温室气体排放，还能生成乙烯、乙炔等高附加值碳氢化合物，具有重要的社会与经济效益。

微波放电等离子体通常以频率为2.45ghz的微波电源作为激励，通过波导或微波传输线将能量传到微波谐振腔内，经过放电产生非平衡等离子体。将等离子体在催化重整区域内实现催化重整。

发明人认为：现有微波放电等离子催化重整过程中，不能实时监控二氧化碳及甲烷的转化率，不能根据所需要的转化率来控制反应的温度，反应的转化率较低。

技术实现要素：

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种微波放电等离子体催化重整温室气体装置及方法。

本发明的第一目的是提供一种微波放电等离子体催化重整温室气体装置，能够根据传感器检测的气体浓度计算等离子催化重整反应的转化率，能够利用温度控制来更改催化重整反应器中的反应温度，进而实现转化率的调节，使得二氧化碳与甲烷的等离子催化重整过程更加彻底。

本发明的第二目的是提供一种电镀过程中用于碳纤维固定的方法，基于上述微波放电等离子体催化重整温室气体装置，指导二氧化碳与甲烷的等离子催化重整过程。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：一种微波放电等离子体催化重整温室气体装置，包括二氧化碳瓶和甲烷瓶，所述二氧化碳瓶、甲烷瓶分别通过气管与第一空腔连通，所述气管上设有流量计；

所述第一空腔与微波谐振腔连通，所述微波谐振腔与催化重整反应器连通，所述催化重整反应器为双层筒状结构，催化重整反应器内层的一端与微波谐振腔连通，外层设有水路通道，所述水路通道与水管形成循环回路；

采用双层筒状结构的催化重整反应器，能够在在催化重整反应器的外层设置水路通道，利用水路通道与水管形成的循环回路实现催化重整反应器内层与外界的热量交换，换热效果好，换热过程后的催化反应器内部各处等离子体的温度更均匀。

所述微波谐振腔的一侧设有微波电源，所述微波电源与脉冲调制器连接，脉冲调制器与矩形波导连接，所述矩形波导伸入微波谐振腔中；所述水管的中部包覆设有制冷机构和加热机构；

所述催化重整反应器内层的另一端与第二空腔连通，所述第一空腔和第二空腔中分别设有甲烷浓度传感器和二氧化碳浓度传感器，所述制冷机构、加热机构、甲烷浓度传感器和二氧化碳浓度传感器分别与单片机电性连接。

进一步，所述催化重整反应器的一侧设有红外热像仪，所述红外热像仪与单片机电性连接。

采用甲烷浓度传感器、二氧化碳浓度传感器及红外热像仪与单片机的配合使用，能够实时检测二氧化碳及甲烷的气体转化率，观测催化重整反应与温度的关系，并通过调节温度提高转化率。

一种微波放电等离子体催化重整温室气体的方法，利用了所述的微波放电等离子体催化重整温室气体装置，包括以下步骤：

步骤1，甲烷瓶和二氧化碳瓶中的气体通过流量计后进入气体预混阀混合，然后进入第一空腔中，由甲烷浓度传感器和二氧化碳浓度传感器测量等离子体催化重整前的气体浓度，并将气体浓度信息传递给单片机，充分混合后的气体进入微波谐振腔；

步骤2，微波电源产生设定频率的微波能量，经过脉冲调制后，微波能量通过矩形波导进入微波谐振腔，在微波谐振腔内电离二氧化碳和甲烷的混合气体，产生放电等离子体；

步骤3，放电等离子体进入催化重整反应器，经过催化剂的催化，放电等离子体反应后形成一氧化碳及氢气气体，催化重整反应器中还残存有未反应的二氧化碳及甲烷的气体；

步骤4，催化重整反应器中的气体进入第二空腔中，二氧化碳浓度传感器和甲烷浓度传感器分别采集等离子体催化重整后的二氧化碳和甲烷的浓度，并将气体浓度信息传递给单片机；

步骤5，经单片机计算得到甲烷和二氧化碳的转化率；

步骤6，当转化率低于设定值时，红外热像仪采集催化重整反应器表面温度数据，使用单片机对红外热像仪测得的温度数据与计算得到的转化率进行分析，对温度进行控制，当温度过高时采用制冷机构给水管中的循环水降温，当温度过低时采用制热机构给水管中的循环水加温。

本发明的有益效果：

1)本发明对温度和温室气体转化率进行控制，通过单片机对加热设备或制冷设备的功率进行实时控制，进而通过调节温度控制温室气体的转化率。

2)本发明采用微波放电的方式来产生等离子体。当放电气体经过微波谐振腔时，其中的电子被加速，获得较高的能量。在电子运动的过程中与其他粒子发生碰撞，使温室气体发生电离、激发等反应，产生大量的正、负离子和激发态、亚稳态粒子，形成等离子体。微波放电等离子体具有相对均匀和稳定、无电极污染、粒子密度高等优点。

3)本发明对微波电源进行脉冲调制，使其进行周期性放电，得到的微波放电等离子体温度更低、更稳定。

4)本发明具有结构简明、使用方便、可靠性高、功耗小、温度可控、温室气体转化率高等优点。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本发明实施例中整体结构主视图；

图2为本发明实施例中pid算法流程图；

图3为本发明实施例中玻璃片的结构示意图。

图中：1、二氧化碳瓶；2、甲烷瓶；3、微波电源；4、脉冲调制器；5、矩形波导；6、微波谐振腔；7、玻璃片；8、催化重整反应器；9、红外热像仪；10、制冷片；11、管式炉；12、水泵；13、显示屏；14、报警器；15、单片机；16、气体预混阀；17、第一空腔；18、第二空腔；19、流量计；20、气体减压阀。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明的一种典型实施方式中，如图1、3所示，一种微波放电等离子体催化重整温室气体装置，包括二氧化碳瓶1和甲烷瓶2，所述二氧化碳瓶1、甲烷瓶2分别通过气管与第一空腔17连通，所述气管上设有流量计19；

所述第一空腔17与微波谐振腔6连通，所述微波谐振腔6与催化重整反应器8连通，所述催化重整反应器8为双层筒状结构，催化重整反应器8内层的一端与微波谐振腔6连通，外层设有水路通道，所述水路通道与水管形成循环回路；

所述微波谐振腔6的一侧设有微波电源3，所述微波电源3与脉冲调制器4连接，脉冲调制器4与矩形波导5连接，所述矩形波导5伸入微波谐振腔6中；

所述水管的中部包覆设有制冷机构和加热机构；

进一步，所述加热机构为管式炉11，所述制冷机构为制冷片10，所述水管的管路中设有水泵12。

管式炉11及制冷片10分别与外部电源连接，管式炉11及制冷片10的外壁分别与水管的外壁接触，为了实现更好的换热效果，应保证外壁紧密接触。

在其他实施例中，加热机构及制冷机构可以采用其他设备，此处不做限制，可由本领域技术人员根据需要自行选择。

所述催化重整反应器8内层的另一端与第二空腔18连通，所述第一空腔17和第二空腔18中分别设有甲烷浓度传感器和二氧化碳浓度传感器，所述制冷机构、加热机构、甲烷浓度传感器和二氧化碳浓度传感器分别与单片机15电性连接。

进一步，所述二氧化碳瓶1和甲烷瓶2分别通过气管与气体预混阀16连接，气体预混阀16通过气管与第一空腔17连接；

所述二氧化碳瓶1与气体预混阀16之间的气管中设有流量计19和气体减压阀20；

所述甲烷瓶2与气体预混阀16之间的气管中设有流量计19和气体减压阀20。

进一步，所述第一空腔17中设有第一二氧化碳浓度传感器和第一甲烷浓度传感器。

进一步，所述微波谐振腔6与催化重整反应器8之间设有锥形管，所述锥形管直径较小的一端与微波谐振腔6连接，所述锥形管直径较大的一端与催化重整反应器8连接，所述锥形管中设有玻璃片7，所述玻璃片7上均布设有多个气孔。

具体的，所述锥形管的材质可以为石英，但是在其他实施例中也可以采用其他材质。

具体的，催化重整反应器的一端与锥形管连接，另一端通过橡胶塞密封，橡胶塞与催化剂之间通过玻璃板隔绝。

进一步，所述催化重整反应器8的内层设有催化剂，所述催化剂为ni/al2o3催化剂。

进一步，所述催化重整反应器8内层的下端通过气管与第二空腔18连通，所述第二空腔18中设有第二二氧化碳浓度传感器和第二甲烷浓度传感器，所述第二空腔18通过气管与外部集气装置连通。

进一步，所述催化重整反应器8的一侧设有红外热像仪9，所述红外热像仪9与单片机15电性连接。

进一步，所述单片机15分别与报警器14和显示屏13信号连接。

一种微波放电等离子体催化重整温室气体的方法，利用了所述的微波放电等离子体催化重整温室气体装置，包括以下步骤：

步骤1，甲烷瓶2和二氧化碳瓶1中的气体通过气体减压阀20和流量计19后进入气体预混阀16混合，然后进入第一空腔17中，由第一甲烷浓度传感器和第一二氧化碳浓度传感器测量等离子体催化重整前的气体浓度，并将气体浓度信息传递给单片机15，充分混合后的气体进入微波谐振腔6；

步骤2，微波电源3产生设定频率的微波能量，经过脉冲调制后，微波能量通过矩形波导5进入微波谐振腔6，在微波谐振腔6内电离二氧化碳和甲烷的混合气体，产生放电等离子体；

具体的，一种优选的设定频率为2.45ghz，在其他实施方式中，给设定频率可由本领域技术人员自行设置。

步骤3，放电等离子体进入催化重整反应器8，经过催化剂的催化，放电等离子体反应后形成一氧化碳及氢气气体，催化重整反应器8中还残存有未反应的二氧化碳及甲烷的气体；

步骤4，催化重整反应器8中的气体进入第二空腔18中，第二二氧化碳浓度传感器和第二甲烷浓度传感器分别采集等离子体催化重整后的二氧化碳和甲烷的浓度，并将气体浓度信息传递给单片机15；

步骤5，经单片机15计算得到甲烷和二氧化碳的转化率；

步骤6，当转化率低于设定值时，红外热像仪9采集催化重整反应器8表面温度数据，使用单片机15对红外热像仪9测得的温度数据与计算得到的转化率进行分析，对温度进行控制，当温度过高时采用制冷机构给水管中的循环水降温，当温度过低时采用制热机构给水管中的循环水加温。

如图3所述，本实施例提供一种基于pid(proportionintegraldifferential)算法，使用stc89c52单片机对温度和温室气体(下文以二氧化碳为例)转化率进行自动控制的流程图：

设二氧化碳传感器采集的浓度分别为ce1、ce2,所以转化率η＝[(ce1-ce2)/ce1]*100％。

设最大转化率为ηmax当前转化率为ηn，当ηmax-ηn>a(a为允许转化率最大偏差，自行设定)时，进行pid控制。

设参数比例系数为kp(可以加快系统的响应速度)、积分系数ki(用来消除系统的稳态误差)、微分系数kd(改善系统的动态性能)。

设当前采集温度为t(n)，e(n)为本次偏差，e(n-1)为上次偏差，e(n-2)为上上次偏差。

设u为输出量，则有δu＝kp*e(n)+ki*e(n-1)+kd*e(n-2)。

当δu为正值时控制制冷片工作，当δu为负值时控制管式炉工作。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。