介質阻擋放電等離子體與柴油反應的實驗探究

姬士昌，郭明，郭緒強

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介質阻擋放電等離子體與柴油反應的實驗探究

姬士昌，郭明，郭緒強

（中國石油大學（北京）重質油國家重點實驗室，北京102249）

采用空氣大氣壓介質阻擋放電（DBD）等離子體對柴油進行了處理。探究了不同的放電特性下經空氣DBD等離子體處理后柴油的性質變化，其粘度升高，色澤變暗。隨著放電頻率以及放電間隙的增加，柴油的粘度呈現先增加后降低的趨勢，色譜-質譜聯用分析發現，處理后柴油樣品中短鏈正構烷烴向長鏈正構烷烴轉化并生成一定量的氣體。實驗結果表明，經等離子體處理后柴油中長鏈烴類發生斷鍵，部分自由基結合生成小分子氣態烴類，剩余的自由基進行重組生成更長鏈的烴分子。

介質阻擋放電；粘度；柴油

隨著全球人口的不斷增加，全球范圍內的石化資源消耗量也逐年增加。就我國而言，在過去的二十年中，我國的石油消費量從1.9億t迅猛增加到了5.5億t，然而石油產量卻基本維持不變，因此石油的對外依存度逐年上升，截至2015年，石油的對外依存度已經達到60.6%。1997年，我國的石油產量約為1.5億t，而2015年的石油產量僅為2.2億t左右。而且，在產出的原油中，近28%的原油屬于重油，在世界范圍內，重油的比例則達到了70%[3]。如此高的比例說明將重油作為可利用能源是大勢所趨，所以，近年來，油品輕質化成為行業內的熱點話題。但是，由于重油具有粘度大，分子量高，組分復雜等特點[4]，所以其在加工利用時，無論是在技術方面還是經濟方面都面臨著諸多嚴峻挑戰。

傳統的油品加工方式主要分為加氫和脫碳兩種。加氫即在熱和催化劑的作用下將重油中的大分子斷裂為飽和烴自由基和芳香性自由基，并在此時向其提供活性氫，使活性氫轉移到自由基上從而阻止大分子相互縮合進行反應，并將石油中的硫、氮等有害雜質轉換為硫化氫、氨等除去。脫碳主要包括減粘裂化技術，焦化技術，溶劑脫瀝青技術和催化裂化技術[5]。但是，無論是加氫還是脫碳，都存在著目前尚未解決的技術難題，影響著處理效果和經濟效應。比如，加氫技術需要氫源和高溫高壓的反應條件，這兩個要求都使投資成本大大增加，而脫碳則面臨著結焦的問題。所以，開發一種新的方式來處理加工油品顯得十分迫切且必要。

本文所采用的等離子體方式是近年來發展迅速的一項新興產業。等離子體是物質的“第四態”，是失去部分電子的原子或原子團經電離后產生的離子化氣態物質[6]。由于等離子體內部具有大量處于激發態的粒子[7]，所以它具有非常高的能量密度，為反應物中的大分子斷裂及重組提供可能。因此，人們也開始將其試驗在油品加工[8]及化工生產[9]中，利用其良好的斷鍵作用獲得理想的目標產物，國內的研究人士也已積累了一定的研究成果。呂一軍等人[10]考慮到傳統制氫途徑的諸多弊端，采用等離子體技術轉化醇醚燃料制氫，獲得了較為理想的成果。其中，乙醇在最佳的實驗條件下的轉化率可達到66.2%，H2的收率可達到31.4%。陳思樂等人[11]總結介紹了近年來等離子體處理柴油機尾氣的相關近況，提及可以利用等離子體良好的氧化性將柴油中的CO、HC等轉化為CO2和H2O除去。其中，蔡憶昔等人[12]應用介質阻擋放電的方式對柴油尾氣中的芳香烴進行了處理，雖然不同的芳香烴處理效果不盡相同，但芳香烴的最高轉化率可到78.63%。李軒等人[13]在實驗室中考察了利用等離子體處理煤焦油制乙炔的可行性，結果表明實驗中獲得的煤焦油轉化率最高為86.3%，氣態產品總收率為51.7%，其中乙炔占24.6%，且副產被稱為“石化工業之母”的乙烯，最高可為7.9%。氫等離子體甚至可以改善反應中的結焦問題，證明等離子體是一種清潔高效，操作簡單的生產技術。

基于以上，本文設計了實驗室中的等離子處理柴油的一系列實驗，研究了在空氣氣氛下柴油樣品經DBD等離子體處理后的性質變化，分析了柴油樣品中正構烷烴的組成變化并探究了反應發生的機理，得出的規律和結論可為未來的工業放大提供經驗和參考。而之所以選擇柴油，是因為它是原油的下游產品，兩者具有一定的相似性，且其組分較為簡單，流動性更好，更有利于實驗的定性分析，能為未來進行重油的處理與分析提供更好的依據和突破點。研究結果表明，等離子體可以促進鏈狀烴分子的裂解，并產生自由基重組，是一種十分有前景的油品加工處理方法。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

空氣常壓DBD等離子體發生器由高壓電源、反應器、蠕動泵等部分組成。高壓電源由信號發生器、放大器和變壓器組成。電源的工作頻率在15~45 kHz范圍內連續可調，脈沖頻率在0~1 kHz范圍內連續可調，最大功率輸出點在10 kHz左右，放電電壓可達30 kV。反應器電極為圓形不銹鋼平板電極，上極接高壓電源，下極接地。蠕動泵為時間、流速可調節的數顯式蠕動泵。

如圖1所示，220 V民用交流電經過低溫等離子體實驗電源處理，等離子體電源的高壓輸出端將高壓輸入到DBD 等離子體反應裝置，通過反應裝置放電并形成等離子體。反應器置于等離子體發生器的兩電極之間，調節放電參量對反應器內的油樣進行改性處理，對處理過后的油樣進行檢測。

圖1 等離子體反應實驗裝置圖

1.2 DBD處理柴油的實驗探究

1.2.1 循環流動體系中柴油的DBD等離子體處理

反應器為定制石英反應器。所用柴油樣品為燕山石化生產線分離的減粘裂化柴油。將油品放入三口燒瓶中，三口燒瓶的兩端通過乳膠管與反應器相連，利用蠕動泵帶動整個體系的油品在反應器與三口燒瓶中循環流動，可利用蠕動泵調節循環流速。其中三口燒瓶中的空氣可隨柴油在整個體系中循環流動，以氣泡的形式進入反應器，滿足DBD等離子體產生的介質要求。分別改變放電電壓、放電時間、柴油循環轉速、放電脈沖頻率等實驗條件，油樣取50 mL，放電間隙為1 mm。電源頻率在10 kHz附近波動，采用烏氏粘度計測量處理后油樣在40 ℃時的運動粘度。

由圖2(A-C)可知隨著放電電壓、放電時間以及蠕動泵循環轉速的增加，柴油的運動粘度雖然中間有略微的起伏波動，但總體呈現出增加的趨勢，而且升高的幅度是逐漸增大的；由圖2(D)可知，隨著電源放電脈沖頻率的增加，柴油的運動粘度呈現出先增加后減小的趨勢，整體表現為波峰的形狀。

（A）???????（B）

（C）???????（D）

圖2 循環體系中不同實驗條件下柴油的粘度變化曲線

Fig.2 Viscosity curve of diesel fuel under different experimental conditions in the circulation system

1.2.2 空氣靜止體系中柴油的DBD等離子體處理

取25 mL的柴油放入培養皿當中，以空氣作為介質進行DBD等離子體放電。實驗過程中，先將油樣倒入培養皿中，用電子天平稱重，然后將培養皿置于兩電極之間，確保培養皿處于水平位置，再調節上電極板到油面的距離，即放電間隙的大小，確保上電極的石英玻璃平面保持水平狀態且與油面平行。實驗后對反應油樣進行稱重，并與反應前進行對比，得到的實驗結果如表1所示。用烏氏粘度計對柴油的運動粘度進行測量，所得結果如圖3所示。

表1 實驗過程前后油樣質量變化

（A）???????（B）

（C）???????（D）

圖3 敞開體系中不同實驗條件下柴油的粘度變化曲線

Fig.3 Viscosity curve of diesel fuel under different experimental conditions in an open system

由圖3（A-B）可得，空氣靜止體系中，柴油的運動粘度隨著放電電壓以及放電時間的增加而增大，這與循環系統中柴油的粘度變化趨勢是一致的。而隨著放電間隙以及脈沖頻率的增加，柴油的運動粘度呈現先增加后減小的趨勢。當放電間距越小時，在電極之間越易形成等離子體通道，等離子體放電反應也越明顯。當電極間隙增大時，擊穿電壓增加，放電形式發生改變，等離子體放電變得較難發生而且極不均勻穩定，而當放電間隙過小時，放電時油樣受熱會生成部分蒸汽，產生一定的鼓泡現象，這會使器壁沾染過多的柴油甚至發生油面與反應器上極板粘連現象，使試驗變得不準確，綜合考慮以上因素本實驗選擇了4 mm的放電間隙。在循環體系以及空氣體系中隨著脈沖頻率的增加柴油的運動粘度都出現先增加后減小的趨勢，從而可以在其中找到一個最佳的頻率工作點，使得油樣的粘度變化最大。

當反應器通電時，油面與上玻璃片之間有明顯的肉眼可見的紫色光暈產生，并有吱吱的放電聲音，隨著通電電壓的增大，紫色光暈愈發強烈而且分散較均勻，當繼續增大電壓時放電變得不均勻，有肉眼可見的紫色電流細絲擊穿反應器，反應器周圍出現明顯的臭氧生成的氣味，繼續加大放電電壓會有肉眼可見的白煙生成，并在電極的上玻璃板上產生黃褐色的膠狀沉積物質。由表1可知，反應前后柴油樣品的質量出現了一定量的減小，這其中有一部分轉移到了電極的上極板上，還有一部分通過氣相色譜檢測發現以氣體的形式逸出。

1.2.3 GC-MS聯用譜圖分析

本實驗運用三重四級桿串聯質譜（Bruker SCIONTQ）對DBD等離子體處理后的柴油樣品進行檢測分析，所得結果如圖4示。

由圖4可以看出DBD等離子體處理前后柴油樣品中正構烷烴組成的變化。計算中采用歸一法對整個樣品中各種物質所占的比例來進行確定，由表2可以看出，DBD等離子體處理之后的柴油里，正構烷烴有明顯的鏈增長趨勢，即短鏈烷烴有向長鏈烷烴轉化的趨勢，經過計算可知，處理之前的油樣中，正構烷烴占32.93%，處理之后的正構烷烴所占比例變大，變為44.02%。

圖4 未處理柴油樣品與處理后的柴油樣品的譜圖對比

而對DBD反應時反應器內部上方的氣體運用氣相色譜儀（Agilent 7890A GC）進行色譜分析檢測發現，反應器內部的氣體為C1-C5等烴類物質，主要為烷烴，包含少量的烯烴以及極少量的氫氣。由此我們可以得出，DBD等離子體放電使柴油中的長鏈烴類發生斷鍵，其中的自由基反應并進行重組，小的自由基組合生成較輕的烴類氣體逸出，剩余液體中的較大自由基進行重組生成了較長鏈的烴類物質，最后的結果使得柴油樣品中的短鏈烴類含量減小，長鏈烴類含量增大。

表2 正構烴類在整個樣品中所占的比例

2 結果分析

在油品粘度較低，主要成分為短鏈烴類物質時，經過DBD等離子體處理后，輕質油品的粘度變大了，主要是其中的短鏈烴類斷裂，其中的自由基進行重組，產生了更長鏈的烴類物質，同時有部分的氣態烴類生成，也加重了剩余的液相油品的粘度。其主要反應機理可歸結為：

柴油的DBD等離子體反應過程可以分為三個階段：①鏈的引發②鏈的增長③鏈的終止。鏈的引發源自電子與柴油中烴類分子的碰撞，這個過程產生了大量的處于激發態的粒子，如正負離子、自由基等高化學活性的粒子。這些粒子互相碰撞并在電場下加速獲得能量，產生了鏈的引發，擴大了反應的規模。長鏈的烴類分子與電子或者處于激發態的高能粒子碰撞，產生C-C鍵以及C-H鍵的斷裂，

同時空氣DBD處理時等離子體中富含激發態氧原子，氧離子以及高能電子等粒子，具有極強的氧化性，故柴油組份易發生低溫氧化反應。如下所示：

而由圖2.2 D與圖2.3 D可知，在空氣敞開體系中經DBD等離子體處理后柴油的粘度變化大于在循環流動體系中柴油經 DBD等離子體處理后的粘度變化。R. K. Janev 等[14]探究了乙烷與丙烷在電子作用下的分解，其主要的反應如下。

這也與本實驗所反映的實驗現象是吻合的。楊恩翠等[15]研究了甲烷在等離子體作用下偶聯生成碳二烴的過程，而生成的碳二烴則有很大可能繼續反應生成更大分子量的烴類，這也解釋了柴油經DBD等離子體處理后粘度變大，膠質含量增加的原因。

3 結論

空氣DBD等離子體中包含了大量的高能粒子，這些高能粒子與柴油中烴類反應，使之發生斷鍵、重組。產生的甲基、乙基、氫離子等較小的粒子互相組合生成了短鏈的氣態烴類從液體柴油中逸出，而剩余的較長鏈自由基則在氧粒子的參與下發生縮聚反應，使液相柴油的膠質含量增加，粘度進一步升高。故總的來說，空氣DBD等離子體與柴油反應主要發生了兩類反應：一是高能粒子與柴油分子反應，使之發生裂解，自由基重組生成小分子氣態烴類逸出，二是較長鏈自由基與烴分子發生聚合與氧化反應，減小了柴油的氫碳原子比，同時引入氧原子，使柴油中含氧的官能團增加，增加了油樣粘度，降低了柴油的品質。影響柴油裂解的因素有很多，如放電間隙，放電功率等，下一步是在此實驗基礎上探究DBD等離子體對柴油的實驗規律，確定實驗條件和方法來提高柴油組分經DBD等離子體處理后的定向轉化能力。

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Study on Treatment of Diesel by Dielectric Barrier Discharge Plasma

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（State Key Laboratory of Heavy Oil, China University of Petroleum, Beijing102249，China）

Diesel was treated by dielectric barrier discharge (DBD) plasma with air, and the properties of treated diesel were researched under different conditions of DBD plasma. The results show the viscosity of diesel increases and color darkens. And, with the increase of pulse frequency and discharge gap, the viscosity of diesel climbs up at first and then decreases. GC-MS indicates that short-chain alkanes are transformed into long chain alkanes and some gas is produced meanwhile. All the above results demonstrate that bond cleavage of short-chain alkanes happens after diesel is treated, forming some gaseous hydrocarbons via partial free radical binding, while producing longer chains via others free radical regrouping.

DBD; Viscosity; Diesel

TE62

A

1671-0460（2017）08-1505-04

2017-01-09

姬士昌，男，河北省石家莊市人，碩士研究生，研究方向：等離子體重油減粘。E-mail：jisc@foxmail.com。

郭緒強（1963-），男，教授，研究方向：流體相平衡。E-mail：guoxq@cup.edu.cn。