富氢等离子体重油转化体系中自由基诊断研究

Heavy oil conversion assisted by low temperature plasma technology offers advantages such as low cost, high efficiency and contamination-free, and results in the production of high quality light oil and high value-added gas products. When heavy oil is exposed to plasma, many of the chemical processes are regulated by the reactive species generated in the multiphase system. The quantitative and spatial-temporal studies of the reactive species are therefore of great importance for understanding the basic physical and chemical processes, and in turn will contribute to improving the conversion efficiency, production selectivity and cost control. In this project, spatial-temporal distribution and quantitative measurement of H, CH3, CH2 and CH radicals and basic plasma parameters will be determined by optical emission spectra (OES), cavity ring-down spectroscopy (CRDS) and two-photon absorption laser-induced fluorescence (TALIF) spectroscopy. Quantitative relationships between the reaction parameters, the free radicals and the conversion products will be studied. Main chemical pathways and the reaction mechanisms involved in the heavy oil conversion process will be analyzed. This research will shed light on further applications of atmospheric pressure non-thermal plasma in the field of petroleum refining.

低温等离子体重油加工技术具备低能耗、高效、无污染等特点，可获得高品质的轻质油和乙烯等高附加值气体产物。在该体系中，化学反应主要由自由基主导和调控，定量研究自由基的时空分布特性对于理解反应体系中基本物理化学过程、提高重油的转化率、控制目标产物的选择性和降低成本有着重要意义。本项目拟联合采用发射光谱、双光子激光诱导荧光光谱和光腔衰荡光谱等技术实现CH4等富氢等离子体重油转化体系中H、CH3、CH2、CH等自由基绝对浓度的高时空分辨测量，并获得等离子体物理特性参数。研究不同放电参数、气体流量以及反应时间对等离子体中自由基和基本物理参数的影响，优化产生的自由基浓度，建立等离子体重油加工体系中自由基浓度与反应参数、重油转化产物之间的定量关系。深入了解自由基参与的主要反应途径，讨论富氢等离子体对重油的作用机理，为等离子体技术在炼油领域的应用提供重要参考价值。

大气压条件下对等离子体中活性物质诊断研究对理解反应体系中微观物理化学反应过程至关重要。为了深入理解甲烷重油转化体系中活性粒子的物理化学过程及甲烷转化机理，本项目采用高时空分辨发射光谱（OES）、增强电子耦合器件（ICCD）、激光诱导荧光（LIF）等技术测量了反应体系中激发态和基态自由基的高时空分辨测量。①通过将负载与脉冲源一体化，实现高压输出，频率可调的微秒脉冲重油加氢用一体机；②对等离子体中活性自由基与等离子体物理参数进行诊断研究，发现在重力作用下等离子体子弹变成实心结构，解释了等离子体羽流向上弯曲的现象，并进一步研究了不同因素对等离子体子弹传播特性的影响规律；放电过程中电子密度的动态分布与两次放电相对应，最高峰值达5*1016 /cm3，电子激发温度、振动温度和转动温度在两电极间最高，沿等离子休羽流方向逐渐降低；③研究了等离子射流阵列的相互作用机制，明确了流体动力学和积累电荷对相邻射流的排斥作用，通过优化放电条件，获得均匀放电的一维Ar等离子体射流阵列；④对甲烷反应体系进行诊断研究，脉冲激励的针-板放电电子密度峰值为1.15×1017 cm-3，不同自由基动态分布不同： H自由基发展与施加电压同步，C2的峰值在1~1.5 s, C+几乎只出现于0~500 ns时段，CH几乎没有，与产物变化结果一致；⑤对甲烷等离子体重油转化进行研究，发展了四种放电形式进行重油转化（等离子体射流、射流阵列、火花放电和射频放电），对重油分别进行直接处理/雾化后处理。结果表明，火花和射频放电可以有效裂解重油，雾化得到的处理效果最佳。等离子体处理后生成轻质的气态产物，但部分重油会结焦，轻质组比重增大，处理过程中可能发生了单环、双环芳烃的开环反应。本项目的研究成果为理解脉冲等离子体中活性粒子的物理化学过程提供了重要参考价值，对甲烷重油转化体系中等离子体参数选择、活性粒子分布和产物的调控提供了较大的借鉴意义。