磁场辅助滑动弧放电等离子体转化生物质气化焦油的研究

As a typical non-thermal plasma, gliding arc discharge has been regarded as an efficient technique to convert the refractory biomass gasification tars, but still faces the problems of low stability and uneven distribution of reactive species, which restrict the improvement in the performance of tar conversion. The combination of gliding arc discharge and external magnetic field is proposed in this project to improve the discharge stability and chemical activity, thereby to enhance the performance of biomass gasification tar conversion. Based on the investigation on the discharge characteristics and reaction performance of tar conversion in the presence of external magnetic field, the effect of external magnetic field on gliding arc discharge will be analyzed in detail, and then the gliding arc discharge reactor with high stability and activity as well as the reaction conditions for converting biomass tar with high efficiency will be obtained. According to the simulation results, the reaction pathways of tar conversion will be analyzed and the key reactions with the corresponding plasma characteristic parameters will be determined. After that, the collaborative relationship between plasma characteristics, reaction condition parameters and the performance of converting biomass gasification tars will be established and the reaction mechanisms will be deeply understood. Finally, effective manipulation approaches will be proposed to enhance the conversion of biomass gasification tar. This research will provide theoretical and technical guidance for developing techniques to convert the biomass gasification tars with high efficiency and designing the highly active plasma sources.

滑动弧放电等离子体是一种处理难降解的生物质气化焦油的新形式，但目前仍存在稳定性不高、活性粒子分布不均匀等问题，制约了焦油降解转化性能的提升。本项目提出引入外部磁场来改善刀片式滑动弧放电等离子体放电稳定性和反应活性，进而提高焦油降解转化性能。通过研究外加磁场作用下滑动弧放电等离子体放电特性和焦油转化性能的变化规律，明确磁场对焦油转化过程的影响，获得产生稳定性高、活性粒子分布均匀的滑动弧放电等离子体及实现焦油高效转化的运行条件和参数匹配；通过化学反应动力学模拟，分析外加磁场作用下焦油转化的反应路径，确定关键反应步骤及对应的等离子体特性参数；结合实验和模拟研究结果，构建等离子体特性、反应条件参数与焦油转化性能的协同关联关系，深入理解磁场辅助滑动弧放电等离子体降解转化焦油的反应机制，提出有效调控措施来提高反应性能。研究结果可为获得高效转化生物质气化焦油的方法和设计高活性等离子源提供理论和技术指导。

为了提高滑动弧等离子体放电稳定性和反应活性，进而提升其在生物质焦油转化利用中的效果和效率，本项目滑在动弧等离子体中引入外部磁场并对其在生物质焦油转化过程中的放电特性和反应性能进行了研究，采用实验为主并结合理论分析的方法，考察了激励电源参数、磁场添加方式和强度、气体种类和浓度、催化剂载体和活性金属等运行条件参数的影响，并阐明反应机制，提出相应的性能调控方法。研究结果表明，在交流源激励下氮气滑动弧存在稳定滑动(A-G)和击穿伴随滑动(B-G)两种不同的放电模式，两者的电信号特征和电弧运动特征存在显著差异。气体成分及其体积分数对放电模式具有显著的影响；H2O的添加有利于电弧向A-G模式发展，而CO2和O2的添加则使滑动弧放电表现出以B-G为主的模式；稳定滑动模式下的发射光谱强度明显增强，这表明A-G模式有利于产生更多的活性粒子，促进化学反应的进行。在滑动弧放电等离子体中加入蜂窝状催化剂可以产生协同效应，对比堇青石，Al2O3和Ni/Al2O3催化剂，Ni/Al2O3的催化效果最好，相较于无催化剂时焦油模型化合物甲苯和萘的转化率的提高了31.8%和132.3%，H2和CO的产率提高了17.9%和32.1%。在直流源激励下，通过外加磁场可以改变电弧的发展速度及放电特性，添加强度为135mT的正向磁场有助于电弧连续稳定滑行且大幅度提升放电频率，进而扩大等离子体区域，对比无磁场时滑动弧平均放电功率增加20.4%，进而提高活性粒子分布均匀性及浓度。添加反向磁场电弧被束缚在电极最窄处，使得放电功率下降14.5%。磁场与电场和流场会形成多场耦合效应。在滑动弧转化生物质焦油中，添加正向磁场，焦油转化性能得到了提升，且随着磁场强度的增加，提升效果更为显著。此外，在相同比能下，增加反应气体的种类会降低甲苯的转化率。本项目加深了磁场添加下不同运行参数滑动弧的放电特性和及其用于生物质焦油转化过程特性与性能的理解和认识，可根据上述研究结果对滑动弧用于生物质焦油转化利用过程性能调控，为提高滑动弧生物质焦油转化过程的效率和效果提供有益参考。