煤的等离子体气化

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煤的等离子体气化
煤的等离子体气化
2．1 等离子体的特征
        人们对日常感受到的物质状态(固、液、气“三态”)十分熟悉，但对物质的第四态一—“等离子体”却比较陌生，这主要是由于在人类生存环境中，通常不具有等离子体产生的条件．从物质聚集的有序程度看，固体的有序程度大于液体，液体大于气体，作为物质第四态的等离子体在有序程度上不及气体。 物质四种状态的有序程度变化见图1。

图1 物质的四种状态变化示意图
    概括地讲，等离子体是通过一定的手段(如加热、放电、激光、微波放电等)使气体分子离解或电离产生的电子、离子、原子、分子或自由基等粒子所组成的集合体．无论气体是部分电离还是完全电离，等离子体中的正电荷总数和负电荷总数在数值上总是相等的，故称之为等离子体。等离子体的主要性质有以下两点：(1)等离子体是一种导电流体，在德拜半径外维持电中性；(2)等离子体带电粒子间存在库仑力，带电粒子群表现出集体效应。
    等离子体的状态主要取决于其组成粒子及粒子的密度和温度．粒子密度和温度是等离子体的两个基本参量，其它一些参量大多与粒子密度和温度有关，从微观角度看，温度实际上是物质内部微观粒子平均动能的量度．由于等离子体中各种粒子质量差异很大，达到热平衡态的时间也不相同，最先达到热平衡态的是质量最轻的带电粒子—电子．对等离子体中各种粒子的能量需要用不同的粒子温度来描述。
    按带电粒子温度的相对高低，可将等离子体分为：(1)高温等离子体：粒子温度数量级为106K ～108K，像太阳、核聚变和激光聚变都属于高温等离子体；(2)低温等离子体：粒子温度从室温到3X104K左右．按重粒子(分子、原子、离子)的温度高低，低温等离子体可进一步分为热等离子体和冷等离子体；热等离子体中重粒子的温度和轻粒子的温度处于同一能级，重粒子的温度为3X103K一3X104K，基本达到热力学平衡，如电弧等离子体、高频等离子体等；在冷等离子体中，电子温度(可高达1X104K以上)远大于离子温度(常温一500K)。辉光放电等离子体就属于冷等离子体。
    高温等离子体主要应用于核聚变领域中，以探索能够解决人类未来之能源问题的可能途径．属于低温等离子体的冷等离子体和热等离子体的应用领域较为广泛，在材料、信息、能源、化工、冶金、机械、军工和航天等领域均表现出显著的独特优势。冷等离子体的非平衡性对有机合成反应极为重要，一方面电子具有足够高的能量使反应物分子激发、离解或电离；另一方面反应体系又得以保持低温，乃至接近室温，反应容易实现，能耗也少，因此获得了非常广泛的应用．热等离子体的特点则使其在以下几个方面获得广泛的应用：等离子体喷涂技术、等离子体化学气相沉积技术、等离子体合成纳米级超细粉技术、垃圾和有害废物的等离子体处理技术、等离子体烧结陶瓷粉技术和等离子体冶金技术等。
2．2 等离子体化学化工技术的发展概况
    早在二百多年前，人们就知道在气体放电过程中会发生某些特殊化学反应。例如，1758年探测到空气的火花放电能生成臭氧，1785年利用气体放电制备了氧化氮，1859年用氮氢混合气体通过碳电极间电弧放电获得了氰化氢，1863年由氢气通过碳电极间放电合成了乙炔．从20世纪60年代开始，人们利用等离子体技术实现了许多前所未有的化学反应，形成了低温等离子体化学，并初步形成了等离子体化学化工体系，尤其在特种无机材料合成方面取得了令人瞩目的成就，促进了航空航天、纳米技术、军工、电子通讯等高新技术行业的迅猛发展．就等离子体化学化工技术而言，由于石油化工在二战后的飞速发展，形成了大规模的门类齐全的石油化学晶生产体系，基本满足了人们对有机化工产品的需求，这使得等离子体技术在有机合成中的应用进展异常缓慢，加上对其基础研究重视不够，最终限制了等离子体技术的发展．近年来，环境保护问题在世界范围内日益受到关注，绿色化工生产技术越来越受到重视．其中，等离子体化学化工技术和工艺方法以其独特的优势而在欧、美、日等发达国家和地区日益受到青睐，研究工作涉及到众多领域，包括利用空气微波等离子体或高频放电等离子体由甲烷合成C2烃、用微波等离子体从甲烷选择性合成乙炔、用介质阻挡放电使甲烷部分氧化制备甲醇、借助于辉光放电等离子体实现天然气和二氧化碳的重整”“、利用非平衡等离子体实现苯在水蒸气中的分解等。天津大学刘昌俊等则开展了甲烷和二氧化碳等离子体条件下的转化研究，发现产品气中H2／CO摩尔比在0．7～3．1之间变化，而甲烷和二氧化碳的转化率可分别高达64％和39％．这一技术将来若能够在工业化规模上实现应用，将在减少二氧化碳和甲烷等温室气体的排放方面作出贡