Kinetic simulaton of CO₂ conversion in low-pressure electrodeless plasma

Abstract

Kinetic model of processes in low-pressure inductively coupled plasma describing the carbon dioxide conversion is presented together with the modeling results. The model takes into account only direct electron impact dissociation of carbon dioxide and is valid at the lowest gas pressures and at a reduced electric field > 150 Td. The influence of the gas mixture composition and the plasma density on the electron distribution function has been studied. In the low power limit when e-e collisions don't play a significant role the EEDF is strongly non-Maxwellian, but with the plasma density increase, EEDF is approaching Maxwellian distribution. Nitrogen and argon were studied as additions to CO₂. The influence of the calculated distribution function on the energy efficiency of carbon dioxide conversion has been studied. It was concluded that the electron temperature is the key parameter for the energy efficiency, which increases by a factor of 6 with temperature change from 3 to 10 eV and at Tₑ = 10 eV reaches values of more than 6 %. Comparison of the calculation results with experimental data shows satisfactory agreement.

Представлено кінетичну модель процесів у індукційній плазмі низького тиску, що описує конверсію вуглекислого газу, та результати моделювання. Модель враховує лише дисоціацію вуглекислого газу електронним ударом і справедлива за найнижчих тисків газу та при зведеному електричному полі понад 150 Td. Досліджено вплив складу газової суміші та щільності плазми на функцію розподілу електронів. У випадку малої потужності, коли e-e-зіткнення не відіграють істотну роль, ФРЕЕ є сильно немаксвелівською, але із збільшенням щільності плазми ФРЕЕ наближається до максвелівського розподілу. Азот та аргон вивчалися як добавкидо СО₂. Досліджено вплив розрахованої функції розподілу на енергетичну ефективність конверсії вуглекислого газу. Зроблено висновок, що температура електронів є ключовим параметром для енергетичної ефективності, яка збільшується в 6 разів при зміні температури від 3 до 10 еВ та при Tₑ = 10 еВ досягає значень понад 6 %. Порівняння результатів розрахунку з експериментальними даними показує задовільну згоду.