利用超音速热等离子射流裂解二氧化碳的方法及机理研究

Synthetic hydrocarbon fuels derived from CO2/H2O are enables a carbon-neutral energy cycle and well within the existing energy infrastructure. The greatest challenge concerning in this stratage is the CO2 conversion to CO because the inherent stability of the CO2 molecule. According to thermodynamics, more than 75% of CO2 conversion can be achieved at temperature more than 3500 K, the key problem is how to prevent the reverse reaction when the pyrolysis gas goes out of the reactor. Therefore, a special methods to achieve CO2 conversion to CO by supersonic thermal plasma jet is proposed. To avoid the inverse reaction, a quenching method of supersonic contracting nozzle combined proper water-cooled tube will be investigated according gasdynamics principle. A pre-research by experiments and FLUENT simulation basing on the ideal showed that CO2 conversion of 45-48 %, energy efficiency of 18-19 % have been achieved, quickly quenching in cooling rate of 10E7 K/s has been brougt about, which is contributed to the combining application of contracting nozzle. This project aims to probe the michanism of the process, and develop more effictive nozzle, such as Laval nozzle, to improve the CO2 conversion and energy efficiency of the process.

通过CO2/H2O合成碳烃燃料创建碳中性能源循环和现有的能源基础设施可持续利用，这一战略设想最大的挑战是如何有效地将化学稳定的CO2转化为CO。据热力学原理，温度3500K时CO2的转化可高达75%，关键的问题是裂解气从高温反应器流出时如何避免逆反应。为此，本项目提出一个建立在气体动力学原理基础上的超音速热等离子体转化CO2的特殊方法。此方法采用热等离子体实现CO2高温热裂解，用收缩型喷管将裂解气从等离子体状态快速导出实现第一步等熵急冷，然后高速流出气体再进一步与适当直径的冷却管进行强迫换热。根据这一思想开展的实验预研和 FLUENT模拟表明，CO2转化率达到45-48%，过程能量效率达到18-19%，快速冷却速率达到10E7K/s。验证了该思想的可行性。本项目的目的在于，理解这一过程的机理，并发展更有效的急冷喷管，例如拉法尔喷管，以便进一步提高CO2转化率和该过程的能量效率。

通过CO2/H2O合成碳烃燃料创建碳中性能源循环，这一战略设想最大的挑战是如何有效地将化学稳定的CO2转化为CO。据热力学原理，温度3500K时CO2的转化可高达75%，关键的问题是裂解气从高温反应器流出时如何避免逆反应。为此，本项目开展了对裂解气进行快速物理急冷和快速化学急冷的研究。物理急冷，用热等离子体热裂解CO2，再迫使裂解气以超音速方式流出等离子体反应器，使裂解气在超音速过程等熵急冷后，再与冷却管进行强迫换热。实验和数值模拟表明，CO2转化率达到45-48%，过程能量效率达到18-19%，急冷速率达到10E7K/s。化学急冷，选择一种可与高温裂解气进行强吸热化学反应的物质作用于裂解气，通过该反应快速消耗氧原子并快速降低其温度，同时还能获得同类产物，例如：CO2(裂解气）+C（固体颗粒）=2CO，或CO2+CH4=2CO+2H2。这一研究获得了突破性的结果，CO2转化率90%，能量效率75%，达到国内外同类研究的最高指标，同时使该类研究向工程应用迈出了关键性的一步，引起国内外同行的高度关注。目前，我国首钢、鞍钢均在开展利用CO合成蛋白质的工程化试验。长期来看，将炼钢过程的产生的CO2转化为CO是其CO的主要来源。因此，本项目的研究结果对此类项目将产生重要的支撑作用。