介质阻挡放电反应装置及混合烃中硫化氢的分解方法与流程

本发明涉及等离子体放电，尤其涉及一种介质阻挡放电反应装置及混合烃中硫化氢的分解方法。

背景技术：

1、世界范围内基本所有的天然气藏中都或多或少的含有h2s。含有h2s的天然气会使得天然气的输运成本大大增加，而且金属管线长时间的与h2s接触，输运管线可能会发生氢脆进而造成生产事故。

2、目前已知的h2s分解方式主要包括：热直接分解法、热催化分解法、光化学分解法以及电化学分解法等多种方法。然而以上的分解方法都存在有各自的缺点与不足，而且这些方法显然不适用于直接处理天然气组分中的h2s。

3、近些年，等离子体技术作为一种新兴的技术手段，被应用于h2s分解的相关研究。采用等离子体分解的手段不仅能够实现对h2s的高效分解，同时还能回收h2s分子中的优质氢能源。包括微波等离子体、滑动电弧等离子体、脉冲放电等离子体以及介质阻挡放电等离子体等，均有应用于等离子体分解h2s的相关研究报道。其中，介质阻挡放电等离子体由于其具有室温启动、启动快、反应终止也快、反应装置简单、操作方便、机动、可模块化等优点，而引起人们的广泛关注。

4、对于介质阻挡放电分解h2s而言，单纯的通过调变包括放电电压、频率、停留时间等因素已经很难能够显著提高h2s的分解率。而通过金属氧化物与等离子体放电协同相互作用，虽然可以显著的提高h2s的转化率，但是不足也是显著的：金属氧化物的填充大大增加了放电空间的击穿电压，使得放电所需要的能量密度显著提高。另一方面，h2s分子很容易与绝大多数的金属氧化物反应生成金属硫化物，同时h2s分解形成的硫磺会沉积覆盖金属氧化物表面，进而导致其快速失活。设计新型的等离子体放电反应器，对h2s分解率的提高是显著的，但是反应器的设计是一大难点，而且越是复杂的反应器，加工成本越高，工艺要求也越是严格。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种介质阻挡放电反应装置及混合烃中硫化氢的分解方法。通过对反应装置中的介质阻挡层表面进行结构改进，能够达到提高硫化氢分解转化率的效果。

2、为了达到上述目的，本发明提供了一种介质阻挡放电反应装置，该反应装置包括电源发生系统和同轴套管式放电反应系统，所述同轴套管式放电反应系统包括高压电极、反应管、介质阻挡套管，铝箔接地电极；所述高压电极、介质阻挡套管、反应管由内至外依次套设(即，所述介质阻挡套管套设于高压电极的外部，反应管套设于介质阻挡套管的外部)，所述高压电极与所述电源发生系统连接，所述铝箔接地电极包覆于所述反应管的外壁表面；反应管的外壁设有气体进口和气体出口；所述介质阻挡套管的表面套设有金属丝，所述金属丝以螺纹形式缠绕于介质阻挡套管表面、或者所述金属丝以若干个闭合圆环的形式套设于介质阻挡套管表面。

3、在上述反应装置中，介质阻挡套管的表面以螺纹形式或者闭合圆环形式套设的金属丝构成介质阻挡套管的表面异型结构，该表面异型结构可在明显改善阻挡介质的电容率的同时使得微放电过程更加的均匀化，更加趋近于辉光放电的过程。包含该表面异型结构的介质阻挡放电反应装置应用于混合烃中h2s的选择性分解过程时，可在显著降低比能量密度的同时，明显提高混合气中h2s的转化率。

4、根据本发明的具体实施方案，所述金属丝可以包括316不锈钢丝、铝丝、铜丝、钨丝、银丝中的一种或两种以上的组合，优选包括铜丝和/或铝丝。在一些具体实施方案中，所述铝丝可以是高纯铝丝，所述铜丝可以是高纯铜丝，所述钨丝可以是高纯钨丝，所述银丝可以是高纯银丝。

5、根据本发明的具体实施方案，所述金属丝的直径一般控制为0.05-0.2mm、例如为0.08-0.12mm。

6、根据本发明的具体实施方案，当金属丝以螺纹形式缠绕于介质阻挡套管表面时，螺纹的螺距可以控制为1-10mm，例如为3-7mm。

7、根据本发明的具体实施方案，当金属丝以若干个闭合圆环的形式套设于介质阻挡套管表面时，各闭合圆环之间的距离一般相等。在一些具体实施方案中，相邻的闭合圆环之间的距离可以控制为1-10mm，例如可以为3-7mm。

8、根据本发明的具体实施方案，各闭合圆环的闭合处一般具有高度小于等于1mm的凸起。

9、根据本发明的具体实施方案，金属丝在介质阻挡套管表面的套设长度大于等于所述铝箔接地电极在反应管的外壁表面的包覆长度，更具体地，所述铝箔接地电极对反应管的包覆区域的正投影落在金属丝在介质阻挡套管表面的套设区域中。通过调整所述铝箔接地电极在反应管外壁表面的包覆长度，可以调整放电区长度。在一些具体实施方案中，所述铝箔接地电极在反应管外壁表面的包覆长度一般为1-12cm，例如为6-10cm；则金属丝在介质阻挡套管表面的套设长度可以根据上述包覆长度进行调整。

10、根据本发明的具体实施方案，所述金属丝一般是紧贴于所述介质阻挡套管的外表面。则当金属丝是闭合圆环形式分布时，闭合圆环的内径一般等于介质阻挡套管的外径。

11、根据本发明的具体实施方案，所述反应管的内壁到介质阻挡套管外壁的距离一般控制为1-10mm，优选为1-3mm、更优选为1.9mm。

12、根据本发明的具体实施方案，所述介质阻挡套管的长度为10-40cm、具体可以为25-30cm、更具体可以为28cm，所述介质阻挡套管的壁厚一般为0.1-5mm、具体为0.8-1.2mm、更具体为1mm。

13、在一些具体实施方案中，所述介质阻挡套管的材质可以是石英、陶瓷等。

14、在一些具体实施方案中，所述介质阻挡套管的外径可以为5mm，所述介质阻挡套管的内径可以为3mm。

15、根据本发明的具体实施方案，所述反应套管、介质阻挡层套管和高压电极一般为同轴设置，并且介质阻挡套管与高压电极的表面相接触。

16、根据本发明的具体实施方案，所述反应套管的材质可以是石英、陶瓷等。

17、根据本发明的具体实施方案，所述电源发生系统可以包括等离子体电源发生器。

18、根据本发明的具体实施方案，所述介质阻挡放电反应装置还可以包括产物检测系统，该产物检测系统与所述反应管的气体出口连接。

19、根据本发明的具体实施方案，所述产物检测系统具体包括气体在线检测仪(例如硫化氢在线检测仪)和气相色谱仪，气体在线检测仪和气相色谱仪分别与所述反应管的气体出口连接。在一些具体实施方案中，气体在线检测仪和气相色谱仪的气体出口可以分别连接有尾气吸收装置，例如尾气瓶，用于吸收处理产物检测系统排出的尾气。

20、本发明还提供了一种混合烃中硫化氢的分解方法，该方法是在上述反应装置介质阻挡放电反应装置中进行的，该方法包括：原料气由气体进口通入反应管中，在一定等离子体放电条件下进行硫化氢分解反应，反应后的气体由气体出口排出反应管；所述等离子体放电条件为：放电电压12.0-23.0kv；放电频率8.0-12.0khz；所述原料气包括h2、c1-c5烃类气体中的一种或两种以上的组合以及硫化氢。

21、在上述分解方法中，通过在介质阻挡套管表面构建异型结构改变了介质阻挡放电分解硫化氢反应的发生位点，该分解反应主要发生在表面异型结构与介质阻挡层的交界处。

22、根据本发明的具体实施方案，所述原料气包括h2、ch4、c2烃类气体、c3烃类气体、c4烃类气体、c5烃类气体中的一种或两种以上的组合以及硫化氢。其中，烃类气体可以包括饱和的烷烃气体，也可以包括不饱和的烯烃气体、炔烃气体。在具体实施方案中，优选甲烷、乙烷、丙烷等烷烃气体，以减少副反应的发生。

23、本发明通过计算及实验研究发现，硫化氢分解所需的能量要低于甲烷等烃类，因此通过对放电过程进行精细的调控及优化可以实现硫化氢的选择性高效分解。例如，通过调整放电电压、放电频率以及反应套管的内壁到介质阻挡套管外壁之间的距离能够直接影响等离子体放电过程；通过调整原料气流速和铝箔接地电极对反应管的包覆长度可以影响气体在等离子体场内的停留时间，即与高能粒子的接触时间，进而影响硫化氢分解效果。

24、在上述分解方法中，所述放电电压可进一步控制为15.0-20.0kv；放电频率可进一步控制为9.0-11.0khz。

25、在上述分解方法中，所述原料气的流速一般控制为10-200ml min-1，例如为80-120ml min-1。

26、在上述分解方法中，硫化氢在原料气中的含量一般控制为1-10000ppm，例如为500-2500ppm。

27、根据本发明的具体实施方案，在原料气中，h2的体积含量一般为0-5％，(除氢气和硫化氢以外)余量为c1-c5烃类气体。

28、根据本发明的具体实施方案，乙烷的体积含量可以控制为2％，丙烷的体积含量可以控制为0.5％。

29、根据本发明的具体实施方案，甲烷作为平衡气。甲烷的体积含量一般为90％以上、如92.45％。

30、根据本发明的具体实施方案，c1-c5烃类气体的总体积含量可以控制为94.95％。

31、上述分解方法在促进硫化氢分解的同时还能有效抑制烃类气体的转化，具有较高的选择性。在一些具体实施方案中，所述方法的硫化氢分解率可以达到65.9％以上，并且，c1-c5烃类气体的转化率可以控制为3％以内。

32、本发明的有益效果：

33、本发明提供的反应装置通过在介质阻挡套管表面构建异型结构，能够改变介质阻挡放电分解硫化氢反应的发生位点，进而提升介质阻挡放电分解h2s反应效率、最高可达71.5％以上。相比于未构建异型结构的反应装置，本发明提供的反应装置的硫化氢转化率可同比提高15％以上。