一种多模块等离子体单元联合转化温室气体的装置

本发明属于温室气体转化，具体涉及一种多模块等离子体单元联合转化温室气体的装置。

背景技术：

1、当前，基于各种工业生产特点对应开发的碳捕集利用与封存技术(ccus)已经成为碳减排技术的重要发展方向。当前，研究内容多集中在末端降碳，针对以工业直排尾气为代表的碳排放源进行分离脱碳，相关碳捕集工艺和产业日趋成熟。然而二氧化碳极强的化学稳定性导致在温和条件下活化转化困难，以热催化、光催化、电催化和生物发酵技术分别存在流程复杂，材料成本高，反应通量小，过程不可控等弱点，难以在工业上直接对接。当前，捕集后的碳资源多以填埋矿化的方式进行消纳，导致当前工业清洁化生产中需要额外支出封存费用，影响整体技术经济性和发展前景。采用低温放电等离子体技术可突破传统热力学平衡限制，能耗较低，可实现co2原位转化利用。目前，等离子体碳转化路线多采用低温等离子体技术引发co2激发、解离和电离，通过co2+h2、co2+ch4重整路线实现近室温下制备合成气和液态化学品。尽管放电等离子体技术具备优势，然而仍面临以下难题：①单一等离子体单元难以满足多种类型原料的处理和产物定向生产需要，同时等离子体产物组成较为复杂，需进行分离纯化；②缺乏基于特定场景需求的等离子体co2转化系统的集成化、功能化与模块化技术。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出一种多模块等离子体单元联合转化温室气体的装置，通过将具有大通量处理和高转化率的暖等离子体单元和易与催化剂耦合的冷等离子体单元串联结合，在宽通量范围下同时实现反应物的高效转化和碳资源的高值化利用。同时在转化单元间集成分离循环单元，实现反应过程中初级产物和终产物的分离纯化，同时使反应单元间的反应热得到循环利用。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种多模块等离子体单元联合转化温室气体的装置，包括等离子体电源单元、供气单元、暖等离子体重整单元、分离循环单元和冷等离子体加氢单元；

4、所述的等离子体电源单元包括多种等离子体电源、信号发生器和高压传输线；所述信号发生器上等离子体电源，通过高压传输线将对应的高压脉冲信号传递至等离子体反应器；

5、所述的供气单元包括外部气源接口、球阀、流量控制器、混合均流罐、不锈钢管路、除盐水储罐和加热气化管路；所述外部气源接口与高压钢瓶，小型储气装置或输气管道直连，通过球阀控制富氢原料气(管道天然气、发酵沼气)和富碳原料气(工业废气、捕集后co2)输送至气体流量控制装置，经过混合均流罐混匀后通入暖等离子体单元进样口；

6、所述的暖等离子体重整单元包括金属腔体框架、进气口、换热夹层、可变式高压电极、石墨电极、绝缘贴附层、电磁线圈、线圈电源、等离子体电源、扰流风机、聚集型出气口、循环水冷液出口和循环水冷液进口组成；

7、分离循环单元包括分为物料循环和热循环部分；物料循环部分由不锈钢管路、真空泵、袋式除尘器、脱炔烃塔、脱轻烃塔、变压吸附单元、小型气体储存罐构成，热循环部分由换热器、换热管路和换热液组成；

8、冷等离子体重整单元包括等离子体单元、不锈钢管路、进料均流器、阵列型介质阻挡反应器、袋式除尘器、气液分离器和液体储运罐；

9、进一步地，所述的一种多模块等离子体单元联合转化温室气体的装置，所述的等离子体电源用于在暖等离子体重整和冷等离子体加氢单元中激励低温等离子体的产生，为直流电源、高频交流源、微秒脉冲电源、纳秒脉冲电源中的一种。

10、进一步地，所述的一种多模块等离子体单元联合转化温室气体的装置，所述原料经过暖等离子体重整单元反应后生成合成气和少量低碳烃类，经过物料分离循环装置提升重整后合成气含量占比，并作为冷等离子体加氢单元的原料，在等离子体催化协同环境下反应生成液体燃料，经过初级纯化后储存或运输。

11、进一步地，所述的一种多模块等离子体单元联合转化温室气体的装置，在冷/暖等离子体单元间引入热交换系统，采用高压绝缘油作为换热液，收集反应器内部的耗散热能进行再利用，同时确保暖等离子体的绝缘安全。

12、进一步地，所述的一种多模块等离子体单元联合转化温室气体的装置，所述的暖等离子体重整单元由金属腔体外框架、进气口、聚集型出气口、水冷夹层、循换热液出口、循环换热液进口、绝缘贴附层、扰流风机组合形成暖等离子体重整腔体，由石墨电极、高压电极、电磁线圈、线圈电源、等离子体电源构成放电发生结构。所述金属腔体外框架、高压电极材质均为不锈钢，绝缘贴附层为聚四氟乙烯材料。所述腔体内高压、低压均通过陶瓷套管套件引出与外部链接，绝缘层与金属间采用浇筑进行密封贴合，金属框架和各出口采用法兰件进行密封链接，实现紧固和气密。

13、进一步地，所述的一种多模块等离子体单元联合转化温室气体的装置，所述的高压电极结构分为枝干型、倒锥形和多针刀版型三种结构，材质均由不锈钢或钨钢合金构成，电极后端通过绝缘套管联通至腔体外，先后与外电机和等离子体电源高压输出链接。在等离子体电源高压输出时，放电通道在高压电极和石墨电极间产生。通过外电机牵引高压电极和外磁场作用于放电区域，拉伸等离子体放电通道区域，扰流风机强化传热传质。

14、进一步地，所述的一种多模块等离子体单元联合转化温室气体的装置，真空泵对暖等离子体重整产物进行快速抽离，依此通过袋式除尘器、脱炔烃塔、脱轻烃塔和变压吸附单元依此去除碳颗粒、炔烃、轻烃和二氧化碳，提升合成气浓度。

15、进一步地，所述的一种多模块等离子体单元联合转化温室气体的装置，采用壳式换热器或管式换热器中的一种实现暖等离子体腔体和冷等离子体进料均流器间的热交换，采用高压绝缘油为换热液。

16、进一步地，所述的一种多模块等离子体单元联合转化温室气体的装置，冷等离子体加氢单元由同轴型介质阻挡放电反应器阵列组合构成，其中单个介质阻挡放电反应器由石英管、四氟紧固件、不锈钢管路、直通卡套、不锈钢高压内电极、紫铜网状外电极、全氟密封圈、不锈钢卡箍，导线组合连接。内外电极并联后与电源和地线联通，进料和出料口则分别与均流进样器和袋式除尘器连接。

17、进一步地，所述的一种多模块等离子体单元联合转化温室气体的装置，冷等离子体加氢采用催化剂的负载金属为镍、铜、钴、镁中的至少一种。

18、进一步地，所述的一种多模块等离子体单元联合转化温室气体的装置，冷等离子体加氢采用催化剂的载体为泡沫镍、泡沫铜、分子筛、氧化铝中的至少一种。

19、进一步地，所述的一种多模块等离子体单元联合转化温室气体的装置，冷等离子体加氢产物经过颗粒物捕集和气液分离后，气态产物进入均流器循环反应，液态产物分离进入小型储运罐封存。

20、本发明的有益效果在于：

21、已报道的等离子体温室气体转化系统往往只关注单一的电极结构或者等离子体放电形式下的转化效果，反应也较为固定不能适应多种场景的应用。同时，在单一的等离子体转化单元中，很难实现转化率、处理通量和选择性间的平衡关系，本发明通过联合多种等离子体转化单元模块的技术优势，先通过暖等离子体重整单元实现反应物的大处理通量和高转化率，然后通入易于催化剂耦合协同的冷等离子体单元实现目标产物的定向生产，在转化率、处理通量和选择性三个方面都达到较为理想的指标。针对传统等离子体反应过程中产物复杂和反应热耗散的问题，本发明提出的分离循环单元可以有效实现产物纯化和热利用效率。