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CN113401868B - 利用大气压微波等离子体炬分解硫化氢制取氢气和硫的装置 - Google Patents

利用大气压微波等离子体炬分解硫化氢制取氢气和硫的装置 Download PDF

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Abstract

一种利用大气压微波等离子体炬分解硫化氢制取氢气和硫的装置，属于新能源技术领域。包括大气压微波等离子体发生器、化学反应缓冲室、分解产物收集装置。硫化氢气体混入等离子体载气并以涡旋气流的方式流过大气压微波等离子体发生器的放电管；大气压微波等离子体发生器的放电管延伸入与之相接的化学反应缓冲室，产生的等离子体喷射入具有冷却功能的化学反应缓冲室；从化学反应缓冲室另一端排出的气体通过分解产物收集装置。本发明采用大气压微波等离子体炬对硫化氢进行分解制取氢气和硫，通过对等离子体射流进行直接萃冷的方法能够有效抑制分解反应物的逆向复合反应，显著提高H2S的转化率，在制氢效率方面与传统方法相比氢气的产出率得到进一步的提高。

Description

利用大气压微波等离子体炬分解硫化氢制取氢气和硫的装置
技术领域
本发明属于新能源技术领域，涉及一种对工业排放的尾气再利用制氢以及固态硫的技术，具体涉及一种利用大气压微波等离子体炬分解硫化氢制取硫和氢气的装置。
背景技术
随着科技的进步，氢气逐渐地成为一些新技术的燃料，氢气的需求量会越来越大。然而从全球范围来看，氢气的生产还主要依赖于天然气的水蒸气重整，急需新的制取氢气的方法来满足市场的需求。因此将硫化氢直接分解制取氢气和硫磺，既符合当前氢能源发展的需要还可以解决工业排放的硫化氢所带来的污染问题，而通过各种方法直接分解硫化氢是当前关注的热点。根据相关报道当前所采用的方法主要有：热分解法(直接热分解、催化热分解、超绝热分解)、电化学分解、光催化分解、等离子体法等。由于硫化氢的热分解受到热力学平衡的限制，即使在高温下转化率也很低；电化学方法和光催化法面临着效率低、结构复杂等问题。与以上提及的方法相比，等离子体方法响应迅速、能量效率高、气体流量和组成成份的可调节范围大，符合多种生产条件下对硫化氢分解的要求。目前多种放电方法，例如，电晕放电、辉光放电、介质阻挡放电、滑动弧放电、射频等离子体以及微波等离子体等，已在硫化氢分解制取氢气和硫磺的应用中进行了实践应用，而其中随着近些年微波技术的发展，大气压下微波等离子体处理技术引起了工业上的重视。大气压微波等离子体具有能量转化效率高，电子和活性粒子密度高，是在大气压条件下能够保持稳定放电状态的一种放电形式；另外，大气压微波等离子体炬的工作气体的流量大，因此，实验装置可以放大到工业应用的实际工况；还有，大气压微波等离子体炬的运行和维护成本较低。例如，董永治等在太阳能学报中发表的“微波等离子体方法分解H2S制氢”(第18卷，第2期，1997年4月)中提出的应用微波等离子体直接分解H2S制氢的方法。
本发明在这里采用了大气压微波等离子体炬对硫化氢进行分解制取氢气和硫，通过对等离子体射流进行直接萃冷的方法有效抑制了分解反应物的逆向复合反应，大大提高了转化率。而冷却的方式不同得到的制氢和硫的转化效果会有很大的差别，不同于已经报道的有关大气压微波等离子体射流分解硫化氢气体的研究(武汉工程大学硕士学位论文，作者徐尧，2013年4月)中通过化学反应腔室管壁的传统冷却方式，本发明提出了一种在反应缓冲室内余辉直接冷却法的方法，使得硫化氢分解制氢的转化率在大气流通量(几十升每分钟)和更接近工况(采用氮气作为稀释气体)的条件下得到显著提高。
发明内容
本发明针对上述问题提供了一种利用大气压微波等离子体炬，并结合在反应缓冲室内余辉区直接冷却的方法通过分解H2S气体制备氢气和硫的装置。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案：
一种利用大气压微波等离子体炬分解硫化氢制取氢气和硫的装置，所述的装置主要包括大气压微波等离子体发生器1、化学反应缓冲室2、分解产物收集装置3。硫化氢气体混入等离子体载气并以涡旋气流的方式流过大气压微波等离子体发生器1的放电管212；大气压微波等离子体发生器1的放电管212延伸入与之相接的化学反应缓冲室2，产生的等离子体喷射入具有冷却功能的化学反应缓冲室2；从化学反应缓冲室2另一端排出的气体通过分解产物收集装置3。具体如下：
所述的大气压微波等离子体发生器1采用的是专利CN207070436U提出的一种双腔激励的大气压微波等离子体炬，具体结构和工作原理参照该专利。所述大气压微波等离子体发生器1包括波导管法兰接口11、放电管212、微波等离子体耦合波导管12、工作气体注入单元13，所述微波等离子体耦合波导管12通过波导管法兰接口11设于石英玻璃管21底部，放电管212从石英玻璃管21底部深入化学反应缓冲室2，微波等离子体耦合波导管12下方设有工作气体注入单元13。所述大气压微波等离子体发生器1与气体混合容器43连通，气体混合容器43通过第一气体流量控制器41、第二气体流量控制器42分别与第一工作气体411、第二工作气体422连通。
所述的化学反应缓冲室2由一个与放电管212同轴的石英玻璃管21以及套在石英管外壁的金属网或者金属筒22组成，其中，内管为放电管212，石英玻璃管为外管21。所述石英玻璃管21的一端通过在大气压微波等离子体发生器1的微波等离子体耦合波导管12的法兰接口11上的卡槽垂直固定在上面，使得大气压微波等离子体发生器1的放电管212深入到化学反应缓冲室2内一定的深度，等离子体放电的载气以涡旋气流的方式流过等离子体放电管212；从石英玻璃管21的另一端沿着化学反应缓冲室2的轴向内部伸入圆柱形的冷却棒23，直到冷却棒23的端面离放电管212端口的距离为放电管212外直径的1-3倍的长度，石英玻璃管21的这个端面通过一个连接法兰24接入气体排放管25，排放管25连接到分解产物收集装置3。所述的冷却棒23是金属材质的中空金属管，通过与之相通的入水管和出水管在金属管的内部有冷却水流动(入水管为一个伸入到冷却棒23的中空金属管内部的细金属管，而出水管则是把注入到冷却棒23内部的水在冷却棒23内部流动后引出的出口)，从而使得冷却水在冷却棒23内部流动时对冷却棒23整体进行有效的冷却。冷却棒23的出水和入水管通过连接法兰24上的密封口引出到化学反应缓冲室2的外面。
所述的分解产物收集装置3包括依次相连的过滤袋31、碱性溶液池32、装有干燥剂的管路33以及气体分离装置34。由化学反应缓冲室2分解排出后的气体经由气体排放管25连接到分解产物收集装置3的过滤袋31，通过过滤袋31回收气体中的固态粉末硫，然后再经过下一级的碱性溶液池32吸收未反应的硫化氢，接着使气体通过装有干燥剂的管路33把气体的中的水蒸气吸收掉，最后通过气体分离装置34把气体中的氢气成份分离出储存备用。
通入大气压微波等离子体发生器1的第一工作气体411和第二工作气体422分别经过第一气体流量控制器41和第二气体流量控制器42连接到气体混合容器43的入口，气体混合容器43的出口与大气压微波等离子体发生器1的工作气体注入单元13的进气口相连，工作气体注入单元13的出气端与放电管212的进气端相连，最终第一工作气体411和第二工作气体422的混合气体经过气体注入单元13以涡旋气流的方式进入到放电管212中，在微波的激励下在放电管212中激发等离子体放电，并以一定的输入功率维持等离子体放电状态。在第一工作气体411和第二工作气体422的混合流动气体的带动下，在放电管212的出口端形成向外喷射的等离子体炬，从而将涡旋气流引入到化学反应缓冲室2。
进一步的，所述的第一工作气体411为H2S气体或者H2S与其它气体的混合气体；第二工作气体422为等离子体载气(等离子体载气可为氮气或者氩气或者两者的混合气体，硫化氢气体混入载气并以涡旋气流的方式流过大气压微波等离子体发生器1的放电管212)；第一气体流量控制器41和第二气体流量控制器42分别用来调节第一工作气体411、第二工作气体422的流速和两者的配比。
进一步的，所述的外管21直径为放电管212直径的2-4倍，长度为3个自身管径以上。
进一步的，所述的冷却棒23与放电管212相对的端面形状为平面、半圆型、半椭圆、或者锥形。
进一步的，所述的冷却棒23的直径为等离子体放电管212直径的0.6-2倍。
进一步的，所述的微波等离子体发生器1放电采用的微波频率为2.45GHz或者915MHz工业频率。所述的大气压微波等离子体发生器1的微波频率为2.45GHz，所采用波导为矩形波导，采用的波导管型号是WR340时等离子体放电管212的内直径取值区间为1.6-2.6cm，采用的波导管型号是WR430时等离子体放电管212的内直径取值区间为2.6-4.6cm。所述的大气压微波等离子体发生器1的微波频率也可以是915MHz，相应的所采用波导为矩形波导，波导管型号是WR975等离子体放电管212的内直径取值在7.6-8.6cm区间。
本发明的有益效果：本发明采用大气压微波等离子体炬对硫化氢进行分解制取氢气和硫，通过对等离子体射流进行直接萃冷的方法有效抑制了分解反应物的逆向复合反应，能够显著提高H2S的转化率，在制氢效率方面与传统方法相比氢气的产出率得到进一步的提高。
附图说明
图1是利用大气压微波等离子体炬分解硫化氢制取氢气和硫的装置的系统结构框图。
图2是利用大气压微波等离子体炬分解硫化氢制取氢气和硫的装置中的化学反应缓冲室的结构示意图。
图中：1大气压微波等离子体发生器；2化学反应缓冲室；3分解产物收集装置；
11波导管法兰接口；212放电管；12微波等离子体耦合波导管；13工作气体注入单元；21石英玻璃管；22金属网或金属筒；23冷却棒；24连接法兰；25气体排放管；31过滤袋；32碱性溶液池；33装有干燥剂的管路；34气体分离装置；41第一气体流量控制器；42第二气体流量控制器；43气体混合容器；411第一工作气体；422第二工作气体。
具体实施方式
以下结合具体实施实施对本发明做进一步说明。
一种利用大气压微波等离子体炬分解硫化氢制取氢气和硫的装置，所述的装置主要包括大气压微波等离子体发生器1、化学反应缓冲室2、分解产物收集装置3。所述的等离子体载气可为氮气或者氩气或者两者的混合气体，硫化氢气体混入载气并以涡旋气流的方式流过大气压微波等离子体发生器1的放电管212；大气压微波等离子体发生器1的放电管212延伸入与之相接的化学反应缓冲室2，产生的等离子体喷射入具有冷却功能的化学反应缓冲室2；从化学反应缓冲室2另一端排出的气体通过分解产物收集装置3。
大气压微波等离子体发生器1主要负责在大气压下使第一、第二工作气体411、412在放电管212中产生等离子体放电，在微波功率的耦合下维持稳定的等离子体放电状态，并在流动气体带动下在微波等离子体耦合波导管12的放电管212下游形成等离子体炬。
大气压微波等离子体发生器1(其具体结构和工作原理参照专利CN207070436U提出的一种双腔激励的大气压微波等离子体炬)，主要包括微波电源、磁控管、环形器、定向耦合器、微波等离子体耦合波导管12、放电管212以及工作气体注入单元13。微波电源通过设置工作参数来调节磁控管输出的微波功率，磁控管产生的微波通过环形器单向传输到定向耦合器，最后将能量注入到微波等离子体耦合波导管12的放电管212中，第一工作气体411可以是存H2S气体，第二工作气体422采用氮气作为载气，两者经过第一、第二气体流量控制器41、42以硫化氢在气体中占10％的比例进行混合，并设定气体的总流量为15升/分钟，由工作气体注入单元13以涡旋气流的方式由放电管212上游入口注入到放电管212中。
具体使用时，先将第二工作气体422由工作气体注入单元13注入到微波等离子体发生器1的放电管212中，然后打开微波电源进行点火，通过微波电源的控制面板调节输出功率。磁控管产生的微波通过环形器传输到定向耦合器，最后经过截面渐变型波导管将能量注入到微波等离子体耦合波导管12中，使第二工作气体422载气在放电管212中激发等离子体放电，在微波功率的耦合输入下维持等离子体放电状态，在流动气流的带动下在放电管212下游形成等离子体炬，待放电稳定后打开第一气体流量控制器41通入第一工作气体411。调节第一气体流量控制器来改变混入载气中的H2S的比例，在大气压微波等离子体放电稳定的工作条件下进行H2S的分解和氢气及硫的制备工作。由化学反应缓冲室2排出的尾气通过排放管25连接到分解产物收集装置3中，通过其中的过滤袋31把尾气中的固态粉末硫回收，再通入碱性溶液池32把未反应的硫化氢吸收掉，接着使气体通过干燥剂33把气体的中的水蒸气吸收掉，最后由气体分离装置34把尾气中的氢气成分分离出储存备用。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种利用大气压微波等离子体炬分解硫化氢制取氢气和硫的装置，其特征在于，所述的装置包括大气压微波等离子体发生器(1)、化学反应缓冲室(2)、分解产物收集装置(3)；
所述的大气压微波等离子体发生器(1)包括波导管法兰接口(11)、放电管(212)、微波等离子体耦合波导管(12)、工作气体注入单元(13)；所述微波等离子体耦合波导管(12)通过波导管法兰接口(11)设于石英玻璃管(21)底部，放电管(212)从石英玻璃管(21)底部深伸入化学反应缓冲室(2)，微波等离子体耦合波导管(12)下方设有工作气体注入单元(13)；大气压微波等离子体发生器(1)与气体混合容器(43)连通，气体混合容器(43)通过第一气体流量控制器(41)、第二气体流量控制器(42)分别与第一工作气体(411)、第二工作气体(422)连通；
所述的化学反应缓冲室(2)由一个与放电管(212)同轴的石英玻璃管(21)以及套在石英管外壁的金属网或者金属筒(22)组成，其中，内管为放电管(212)，石英玻璃管为外管(21)；所述石英玻璃管(21)的一端与微波等离子体耦合波导管(12)的法兰接口(11)连接，使放电管(212) 深伸化学反应缓冲室(2)内，等离子体放电的载气以涡旋气流的方式流过等离子体放电管(212)；从所述石英玻璃管(21)的另一端沿着化学反应缓冲室(2)的轴向内部伸入圆柱形的冷却棒(23)，且冷却棒(23)的端面通过气体排放管(25)与分解产物收集装置(3)连通；
所述的分解产物收集装置(3)包括依次相连的过滤袋(31)、碱性溶液池(32)、装有干燥剂的管路(33)以及气体分离装置(34)；由化学反应缓冲室(2)分解排出后的气体经由气体排放管(25)连接到分解产物收集装置(3)的过滤袋(31)，通过过滤袋(31)回收气体中的固态粉末硫，再经过下一级的碱性溶液池(32)吸收未反应的硫化氢，使气体通过装有干燥剂的管路(33)，最后通过气体分离装置(34)把气体中的氢气成分分离出储存备用；
通入大气压微波等离子体发生器 (1)的第一工作气体(411)和第二工作气体(422)分别经过第一气体流量控制器(41)和第二气体流量控制器(42)连接到气体混合容器(43)的入口，气体混合容器(43)的出口与大气压微波等离子体发生器(1)的工作气体注入单元(13)的进气口相连，工作气体注入单元(13)的出气端与放电管(212)的进气端相连，最终第一工作气体(411)和第二工作气体(422)的混合气体经过气体注入单元(13)以涡旋气流的方式进入到放电管(212)中，在微波的激励下在放电管(212)中激发等离子体放电，并维持等离子体放电状态；在第一工作气体(411)和第二工作气体(422)的混合流动气体的带动下，在放电管(212)的出口端形成向外喷射的等离子体炬，将涡旋气流引入到化学反应缓冲室(2)。
2.根据权利要求1所述的一种利用大气压微波等离子体炬分解硫化氢制取氢气和硫的装置，其特征在于，所述的第一工作气体(411)为H2S气体或者H2S与其它气体的混合气体、第二工作气体(422)为载气。
3.根据权利要求1所述的一种利用大气压微波等离子体炬分解硫化氢制取氢气和硫的装置，其特征在于，所述的大气压微波等离子体发生器(1)的微波频率为2.45 GHz，所采用波导为矩形波导；采用的波导管型号是WR340时等离子体放电管(212)的内直径取值区间为1.6-2.6 cm，采用的波导管型号是WR430时等离子体放电管(212)的内直径取值区间为2.6-4.6 cm。
4.根据权利要求1所述的一种利用大气压微波等离子体炬分解硫化氢制取氢气和硫的装置，其特征在于，所述的大气压微波等离子体发生器(1)的微波频率为915 MHz，所采用波导为矩形波导；波导管型号是WR975等离子体放电管(212)的内直径取值在7.6-8.6 cm区间。
5.根据权利要求1所述的一种利用大气压微波等离子体炬分解硫化氢制取氢气和硫的装置，其特征在于，所述的外管(21)直径为放电管(212)直径的2-4倍，长度为3个自身管径以上。
6.根据权利要求1所述的一种利用大气压微波等离子体炬分解硫化氢制取氢气和硫的装置，其特征在于，所述的冷却棒(23)为金属材质的中空金属管，通过与之相通的入水管和出水管在金属管的内部有冷却水流动，对冷却棒(23)进行冷却。
7.根据权利要求1所述的一种利用大气压微波等离子体炬分解硫化氢制取氢气和硫的装置，其特征在于，所述的冷却棒(23)的直径为等离子体放电管(212)直径的0.6-2倍。
8.根据权利要求1所述的一种利用大气压微波等离子体炬分解硫化氢制取氢气和硫的装置，其特征在于，所述冷却棒(23)的端面离放电管(212)端口的距离为放电管(212)外直径的1-3倍的长度。
9.根据权利要求1所述的一种利用大气压微波等离子体炬分解硫化氢制取氢气和硫的装置，其特征在于，所述的冷却棒(23)与放电管(212)相对的端面形状为平面、半圆型、半椭圆、或者锥形。
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