Мощный реактор с диэлектрическим барьерным разрядом и водяным охлаждением для исследований плазменной диссоциации и валоризации CO2.

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 7394 (2023) Цитировать эту статью

1428 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

С целью энергоэффективного использования и повышения ценности диоксида углерода в рамках исследований по декарбонизации и исследованиям водорода был спроектирован, построен и разработан новый реактор с диэлектрическим барьерным разрядом (DBD). Этот испытательный стенд с электродами с водяным охлаждением позволяет регулировать мощность плазмы в широком диапазоне от 20 Вт до 2 кВт на единицу. Реактор был спроектирован так, чтобы быть готовым к интеграции катализаторов и мембран с целью обеспечения широкого диапазона условий и процессов плазмы, включая низкие и умеренно высокие давления (0,05–2 бар). В этой статье представлены предварительные исследования высокоэндотермической диссоциации CO2 на O2 и CO в потоке смеси чистых, инертных и благородных газов. Эти первоначальные эксперименты проводились в геометрии с плазменным зазором 3 мм в камере объемом 40 см3, где технологическое давление варьировалось от нескольких 200 мбар до 1 бар, с использованием чистого CO2 и разбавления N2. Первоначальные результаты подтвердили хорошо известный компромисс между степенью конверсии (до 60%) и энергоэффективностью (до 35%) продуктов диссоциации, измеренными после реакторной системы. Улучшение скорости преобразования, энергоэффективности и кривой компромисса может быть дополнительно достигнуто путем настройки рабочих параметров плазмы (например, потока газа и геометрии системы). Было обнаружено, что сочетание мощного плазменного реактора с водяным охлаждением вместе с электронной и волновой диагностикой, оптической эмиссионной и масс-спектроскопией обеспечивает удобную экспериментальную основу для исследований по химическому хранению быстрых переходных процессов и скачков электрической энергии.

Крупномасштабное и энергоэффективное обращение с газами, необходимыми для энергетических циклов, связанных как с деятельностью человека, так и с природными процессами, от вулканических до природно-биологических, является исторической целью человеческих технологий, хотя и ставит ряд научных междисциплинарных задач. Действительно, химические газофазные превращения между H2, H2O, O2, CO2, CO, N2, NH3, CH4 и высшими углеводородами составляют большую часть энергетического обмена природных и техногенных процессов на поверхности Земли, а также выбросов парниковых газов в атмосферу. атмосфера.

Помимо технологической возможности вмешательства в столь масштабную планетарную систему, помимо повсеместного окислительного горения, получение практических знаний от фундаментальной науки до технологических деталей хранения и преобразования энергии является обязательной предпосылкой любого «экологического перехода», который не подразумевает резкое сокращение человеческого (жизни и) благополучия на земле.

Идея использования диссоциации плазмы CO2 для реализации крупномасштабного хранения энергии была разработана в конце 70-х годов главным образом группой Легасова1. В то время проблема заключалась в изобилии ядерной энергии в ночные часы, и было предложено, чтобы водород можно было производить путем плазменной диссоциации CO2, разделения CO/O2 и последующей реакции CO с водой в H2 (и CO2), как Альтернатива электролизу воды. Из-за чрезвычайно быстрого времени отклика плазменных энергетических систем та же концепция привлекательна для применения к переходным и скачкам возобновляемой энергии, для реализации схемы хранения энергии с замкнутым контуром «энергия в газ» в H2. Кроме того, одновременное присутствие на одном и том же заводе H2 и CO предполагает, что путь реакции «разомкнутого цикла» может стать удобным, исходя из доступности возобновляемых источников энергии и прогнозов, а также требований к сети и топливу для производства электрического топлива (известного как электронное топливо).

Действительно, в лабораторных масштабах эти ранние исследования обнаружили и сообщили о высокой эффективности использования энергии диссоциации: 80% для дозвукового и 90% для сверхзвукового потока, для оптимизации давления газа, плотности электронов и энергии электронов в микроволново-возбужденной плазме2. И наоборот, высокочастотная (ВЧ, в диапазоне 100 кГц) плазма диэлектрического барьерного разряда (DBD)3 более интересна, чем микроволновая (МВт) плазма4, с точки зрения практического применения этой концепции из-за нескольких преимуществ: низкая стоимость, высокая эффективность электрического драйвера (т.е. подключение к плазме), драйверы высокой средней мощности с недорогими компонентами, отказ от сетей согласования МВт и масштабирование до промышленных размеров (как в случае озонаторов5). В отличие от тлеющих разрядов постоянного тока6, плазма DBD легко стабилизируется при высоком давлении (т.е. атмосферном и выше7), поскольку она по своей сути предотвращает температурный разгон на поверхности электродов, инжектируя ограниченный заряд за цикл. На рис. 1 показана схема ДБР-плазмы, в которой пробой газа индуцируется переменным высоким напряжением, приложенным к газонаполненным диэлектрическим стенкам, поскольку заряды емкостно индуцируются на диэлектрической поверхности внутренних стенок и движутся вдоль внутренних поверхностей ( поверхностный разряд) и поперек зазора (газовый разряд).