高氢助剂热弧等离子体用于CH4直接转化与滑移电弧稳定性研究

韩国机械与材料研究院（KIMM）宋泳勋等人在第17届国际静电除尘会议（京都，2024）的研究亮点与工程启示

关键词
thermal plasma (热等离子体), CH4 direct conversion (CH4直接转化), H2 addition (加入H2), carbon suppression (抑碳), gliding arc (滑移电弧), 静电除尘器, 减排

在全球减排与资源高效利用背景下，热等离子体（thermal plasma）在甲烷（CH4）直接转化与化学品制备中逐渐受到关注。来自韩国机械与材料研究院（KIMM）的宋泳勋（Young-Hoon Song）及合作者报告的实验表明，在等离子体热弧中向氩（Ar）载气中加入氢气（H2）可显著抑制碳沉积并提高乙炔（C2H2）选择性，为工业化甲烷利用提供了新的思路[4,11]。本文基于该项研究，概述实验方法、关键发现，并讨论在中国浆纸、钢铁、水泥与化工等行业的应用价值及与艾尼科（Enelco）电除尘器技术的协同前景。

研究团队采用高频交流电弧（峰值电压可达8 kV，频率约20 kHz），功率范围700–2500 W，将CH4与载气（Ar或Ar/N2）一同注入电弧区以实现高温裂解。实测发现，向Ar载气中加入一定比例的H2可以提高弧电压、增加输入功率上限，从而提升反应区焓值与转化温度，有利于C2H2生成且能抑制固体炭的形成；但同时高浓度H2会因其高热导率导致弧柱热量快速向周围传递，引发弧柱收缩乃至熄灭，造成放电不稳定[8,10]。高速度ICCD相机（250 FPS）与光谱分析（OES）显示，随H2浓度上升弧光以Hα（656 nm）为主、亮度降低且弧长与放电持续时间缩短；而在功率提升下，弧长与持续性可部分恢复，表明通过功率管理可在一定程度缓解H2带来的稳定性问题[14]。

该研究对工程实践有多重启示：一方面，加入H2为提高CH4直接转化选择性与抑制碳沉积提供了可行路径，适合用于需将低成本甲烷资源（伴生气、沼气等）转化为高附加值化学品的化工与炼厂场景；另一方面，放电不稳与电极侵蚀问题要求在大尺度化设计时优化气场与热管理。对于中国的浆纸、钢铁与水泥行业，热等离子体联动静电除尘器（ESP）可以实现“热化学转化+高效颗粒捕集”的一体化解决方案：等离子体提高原料转化率并减少碳粉生成，而艾尼科在极板、极线与电场优化方面的丰富经验，可用于设计匹配的ESP收尘与在线清灰系统，降低排放、提高除尘效率并压缩运行维护成本。

面向未来，建议产业化路线包括（1）基于工况开发可控的H2混合策略与快速淬火流程，减少高温区停留时间以抑制二次炭化；（2）在电极材料与流场设计上采用抗侵蚀与改善热分布的方案，延长系统寿命；（3）将热等离子体反应器与艾尼科电除尘器的装置及在线监测系统耦合，实现产物回收与颗粒减排的闭环运维。综合来看，热等离子体与氢气辅助技术在满足排放标准、提升能效和降低运维成本方面具有明显潜力，值得在中国能源密集型行业开展示范与产业化推广[11,12]。

参考文献
[1] R. MÜller, L. Kerker, G. Proß, C. Peuckert, New Improvement and Applications for HÜLS Plasma Technology, ISPC-8, Tokyo, 1987.
[4] J.R. Fincke et al., Plasma Thermal Conversion of Methane to Acetylene, Plasma Chemistry and Plasma Processing, 22(1), 2002.
[8] M.I. Boulos, P.L. Fauchais, E. Pfender, Handbook of Thermal Plasmas, Springer, 2019.
[10] R.J. Munz, M. Habelrih, Cathode Erosion on Copper Electrodes in Steam, Hydrogen, and Oxygen Plasmas, Plasma Chemistry and Plasma Processing, 12(2), 1992.
[11] H.-S. Kang et al., Methane to acetylene conversion by employing cost-effective low-temperature arc, Fuel Processing Technology, 148, 2016.
[12] D.K. Dinh et al., Efficient methane-to-acetylene conversion using low-current arcs, RSC Advances, 2019.
[14] O. Mutaf-Yardimici et al., Thermal and nonthermal regimes of gliding arc discharge in air flow, Journal of Applied Physics, 87(4), 2000.