CN101998747B - 一种低温等离子体装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及等离子体技术以及化工合成领域，具体为一种适合碳氢化合物高温热裂解以及利用碳氢化合物高温气体进行化工合成的低温等离子体装置。该装置将行波态微波波导/同轴转换结构与直流高压等离子体放电结构实现有机的结合，直流等离子体的悬浮阴极同时也构成了波导同轴转换的内导体，直流等离子体的接地空心阳极作为波导同轴转换的外导体，通过这一复合结构将微波高效率地作用在直流等离子体上，使常规的柱状等离子体变成丝状等离子体。利用这种复合结构所构成的等离子体装置具有电极寿命长、能量利用率高、工作稳定性高、适用范围广的特点，可以解决现有技术中存在的能量利用率低、电极烧蚀严重或者稳定性差等问题。
Description
技术领域
本发明涉及等离子体技术以及化工合成领域，具体为一种适合碳氢化合物高温热裂解以及利用碳氢化合物高温气体进行化工合成的低温等离子体装置。
背景技术
等离子体由于具有高的能量密度、含有大量高能量的电子、离子和中性粒子，在等离子体化学合成(如等离子体裂解天然气制乙炔、等离子体裂解烃类化合物制氢气与碳黑、等离子体裂解煤制乙炔、等离子体脂合成气等)、有毒有害废弃物的处理方面具有广泛的应用前景。现有等离子体装置普遍采用的低电压大电流直流电弧等离子体技术，这种等离子体由于存在电能利用率低、电极烧蚀严重等缺点，难以充分发挥等离子体在化工合成领域的应用。目前只有美国国际专用产品公司(International Special Products，Inc-ISP)位于德国Marl的HUELS工厂有实际的工业应用。但是，等离子体的能量利用率只有80％，阳极寿命只有140小时。
在中国发明专利(公开号CN1613838)中披露了一种低温等离子体裂解天然气制乙炔装置与工艺，在该过程中提出了利用微波复合直流低温等离子体的激励方法。该方案实际上只是分别将微波放电结构与常规直流等离子体放电结构机械地串联在一起，等离子体的初始激发是通过微波等离子体结构实现，实际上微波等离子体是作为直流等离子体的引发源，微波所产生的活性等离子体进入常规直流高压等离子体放电腔，通过常规的高压直流电加强等离子体。该方法所存在的缺点主要是：(1)采用的微波谐振腔结构，在实际应用过程中存在调节过程复杂、设备制造要求高的缺点；(2)该方案中阴极接地而阳极悬浮的结构，由于阳极同时也是等离子体化工合成反应的腔体，所处的环境温度比较高，在化工合成过程中一旦产生具有导电性的粉尘(如：利用等离子体进行乙炔、碳黑、煤热解过程中，容易产生炭黑或者复合氧化物与碳黑的复合物)，这些粉尘会在高温阳极与外壳之间的绝缘体上沉积，从而引起阳极与外壳之间的电击穿，使装置不能稳定运行；(3)由于微波等离子体的电离度相对比较低，而且等离子体再从微波波导同轴转换结构中传递到支流高压放电结构的过程中已经有相当一部分电离气体被复合，所以直流高压等离子体的初始工作电压非常高，一旦直流等离子体的高电压引起微波等离子体结构所产生的活性气体的进一步击穿，必然会产生等离子体电流的快速增长，很容易导致直流等离子体电源的损坏，这就需要在直流电源于等离子体反应腔体之间串接一个大容量的电赶来一直等离子体电流的快速增长，从而增加设备的总体造价。总之，目前等离子体的激励方案由于存在能量利用率低、电极烧蚀严重或者稳定性差等原因，阻碍等离子体技术在化工合成领域的推广使用。
发明内容
本发明的目的是针对中国发明专利(公开号CN1613838)所披露的技术方案中存在的能量利用率低、电极烧蚀严重或者稳定性差等问题，提出一种低温等离子体装置，该装置采用新型微波复合直流等离子体放电结构，使该方案具有操作简单、稳定性高的特点。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种低温等离子体装置，该装置为直流高压等离子体放电结构与行波态微波波导同轴转换结构耦合在一起，通过微波的作用使柱状等离子体裂解成丝状等离子体。
所述的低温等离子体装置，直流等离子体放电结构设有空心阳极、悬浮阴极和辅助接地电极，接地空心阳极和悬浮阴极分别充当行波态微波波导同轴转换结构的外、内导体，直流等离子体的接地空心阳极内腔为阳极腔，阳极腔为三段直径不同的圆管连接而成，阳极腔上段是微波馈入结构区域，阳极腔的中间段是微波同轴转换结构区域，阳极腔的下段是等离子体反应腔体，悬浮阴极伸至阳极腔内的微波馈入腔体和微波同轴腔体，在阳极腔中间段的微波同轴腔体与下段的等离子体反应腔体相连处设置可移动辅助接地电极。
所述的低温等离子体装置，在直流等离子体的接地空心阳极上段的直径方向开有两个孔：孔I和孔II，孔I和孔II分别安装所使用微波传输波导，孔I安装微波短路活塞端的传输波导，孔II安装与微波源相连的传输波导，在微波短路活塞端的传输波导内装有微波短路活塞，与微波源相连的传输波导连接微波源，形成微波馈入结构。
所述的低温等离子体装置，在阳极腔中间段外侧设有气体通道，气体通道通过阳极腔内壁的至少一组环状切向气体入口与阳极腔连通。
所述的低温等离子体装置，阳极腔的下段采用内层、中间层和外层由内到外依次设置的三层结构，内层采用具有耐高温导电材料制成的耐高温层(石墨或者导电碳化硅材料)，中间层为隔热材料制成的隔热层(空气、惰性气体、空心氧化铝、氧化锆或者两者的复合物制成)，外层为普通导电材料制成。
所述的低温等离子体装置，微波波导同轴转换结构是通过位于直流等离子体阳极腔的上端盖中心孔处设置门扭块。
所述的低温等离子体装置，悬浮阴极与阳极腔上端的密封端盖之间的通过抗流结构连接，抗流结构是通过悬浮阴极与门扭块之间形成的管状电容，以及悬浮阴极与阳极腔上端的密封端盖之间形成的平板电容组成。
所述的低温等离子体装置，在悬浮阴极与门扭块之间形成间隙，在此间隙中填入绝缘介质，在阳极腔上端的密封端盖的外侧设置导电圆板，该导电圆板与悬浮阴极相连，同时该导电圆板与阳极腔密封端盖形成间隙，该间隙内也填充绝缘介质；在导电圆板外侧设置绝缘盖帽，在悬浮阴极与门扭块之间设有绝缘介质管。
所述的低温等离子体装置，该装置的工作气体为氢气、氮气、氩气、甲烷或乙烷；或者，它们中的任何两种或多种的混合气体；或者，这些气体与水蒸汽、氧气或二氧化碳的混合气体。
所述的低温等离子体装置，该装置的工作气体的组成是体积百分比的范围在10％～100％之间氢气的复合气体(氢气的最佳体积百分比为10％～50％)，微波的工作频率为2450MHZ或915MHZ。
本发明中，低温等离子体的温度在1350℃～1600℃范围内。
本发明的有益效果是：
1、本发明直接将微波与直流等离子体结构耦合在同一个结构中，直流等离子体的接地空心阳极和悬浮阴极同时也分别充当行波态微波波导同轴转换结构的外、内导体。微波的工作模式采用行波态工作，不需要采用谐振腔结构中的调谐结构，从而简化了整个等离子体的装置。
2、本发明将直流等离子体的阳极接地，避免了由于阳极腔下端温度高，在实际应用过程中，由于导电粉尘的沉积产生悬浮阳极与外壳之间的电击穿，从而影响装置运行稳定性的问题，整个装置的可靠性更高。
3、本发明直流等离子体阳极腔的高温段采用多层复合结构，进一步降低高温区由于传热导致等离子体电能利用率降低的可能性，装置具有电能利用率高的优点。
4、本发明由于等离子体的激发不需要依赖于微波能量，所以可以有更多的微波能量用于裂化直流等离子体柱，使等离子体在更大的功率条件下也能够保持丝状等离子体的特性。
5、利用本发明提出的方案所产生的等离子体保持了中国发明专利(公开号CN1613838)中所产生的丝状等离子体的特性，丝状等离子体结构的保持，改变了等离子体阳极的烧蚀模式，由原来常规直流等离子体的点烧蚀变成面烧蚀。同时，由于丝状等离子体根部的能量密度与柱状等离子体根部的能量密度相比大幅降低，所以丝状等离子体的烧蚀速度也大幅度降低，从而大幅度提高了直流等离子体阳极的使用寿命。
附图说明
图1是微波复合常规直流等离子体放电结构的总体示意图。
图2是微波波导同轴转换结构示意图。
图3是抗流结构示意图。
图4是阳极腔结构示意图。
图5等离子体阳极腔内表面形貌。
图中，1(抗流结构导电圆板)绝缘盖帽；2导电圆板；3绝缘介质I；4绝缘介质II；5(悬浮阴极与门扭块之间的)绝缘介质管；6门扭块；7上端盖；8微波短路活塞；9气体密封介质；10与微波源相连的传输波导；11微波短路活塞端的传输波导；12悬浮阴极；13阳极腔；14内层；15中间层；16水冷入口；17水冷出口；18气体通道；19辅助接地电极；50密封端盖；51空心阳极；52环状切向气体入口；53外层；54孔I；55孔II。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施进行进一步具体的说明，实施例中所列出的数据仅仅是为了说明，不对本方案构成任何限制。
如图1-图4所示，本发明直流等离子体装置将常规直流高压等离子体放电结构与行波态微波波导同轴转换结构耦合在一起，通过微波的作用使常规柱状等离子体裂解成丝状等离子体。常规直流等离子体放电结构设有空心阳极51、悬浮阴极12和辅助接地电极19，接地空心阳极51和悬浮阴极12分别充当行波态微波波导同轴转换结构的外、内导体，直流等离子体的接地空心阳极51内腔为阳极腔13，悬浮阴极12伸至阳极腔13内。阳极腔13是一个三段直径不同的圆管连接而成，阳极腔13上段直径最大的部分是微波馈入结构区域(即微波馈入腔体，直径为D1，高度为L2)，阳极腔13的中间段是微波同轴转换结构区域(即微波同轴腔体，直径为D2，长度取微波工作波长的四分之一的整数倍)，阳极腔13的下段是等离子体反应腔体(直径为D3，长度根据实际应用过程的需要取任意值)，悬浮阴极12伸至阳极腔13内的微波馈入腔体和微波同轴腔体。在阳极腔13中间段的微波同轴腔体与下段的等离子体反应腔体相连处设置可移动辅助接地电极19，通过该电极可以进行初始等离子体激发。在直流等离子体的接地空心阳极51上段的直径方向开有两个孔：孔I54和孔II55，孔I54和孔II55分别安装所使用微波传输波导，孔I54安装微波短路活塞端的传输波导11，孔II55安装与微波源相连的传输波导10，在微波短路活塞端的传输波导11内装有微波短路活塞8，与微波源相连的传输波导10连接微波源，形成微波馈入结构。
本发明中，在阳极腔13中间段外侧设有气体通道18，气体通道18通过阳极腔13内壁的环状切向气体入口52与阳极腔13连通。
如图1、2所示，微波波导同轴转换结构是通过位于直流等离子体阳极腔13的上端盖7中心孔处设置门扭块6，该门扭块6的尺寸(直径为d1，高度为L1)与微波的工作频率相匹配(d1与微波工作频率相匹配，L1根据具体的等离子体工况条件下进行适当调整，以满足微波波导同轴转换的效果最佳)，实现微波波导同轴的转换。在门扭块6底部与阳极腔13上段(微波馈入腔体)的底部之间装有气体密封介质9，气体密封介质9的作用是阻止反应气体对外部环境的泄漏。
如图1、3所示，为了同时满足悬浮阴极与空心阳极之间的直流绝缘要求和防止微波通过绝缘介质向周围环境泄漏，特别设计了具有直流绝缘与防止微波泄漏双重功能的微波抗流结构，悬浮阴极12与阳极腔上端的密封端盖50之间的连接通过具有绝缘性能的抗流结构实现。抗流结构是通过悬浮阴极12与门扭块6之间形成的管状电容，以及悬浮阴极12与阳极腔上端的密封端盖50之间形成的平板电容组成。在悬浮阴极12与门扭块6之间形成一定宽度的间隙，在此间隙中填入绝缘介质II4。在阳极腔上端的密封端盖50的外侧设置导电圆板2，该导电圆板2与悬浮阴极12相连，同时该导电圆板2与阳极腔密封端盖50之间也存留一定宽度的间隙，该间隙内也填充绝缘介质I3。为了防止导电圆板2与密封端盖50之间发生漏电，在导电圆板2外侧设置抗流结构导电圆板绝缘盖帽1。另外，在悬浮阴极12与门扭块6之间设有绝缘介质管5。
如图4所示，直流等离子体阳极腔13是一个三段直径不同的圆管连接而成，阳极腔13上段直径最大的部分是微波馈入结构区域，阳极腔13的中间段是微波同轴转换结构区域，阳极腔13的下段是等离子体反应腔体。
本发明中，阳极腔的下段采用内层14、中间层15和外层53由内到外依次设置的三层结构，内层14采用具有耐高温导电材料制成的耐高温层，中间层15为隔热材料制成的隔热层，外层53为普通导电材料制成。外层53为水冷层，其上分别设有水冷入口16和水冷出口17。
本发明的具体工作过程是：
首先，少量等离子体工作气体从位于阳极腔13外侧的气体通道18进入，再经阳极腔13内壁的环状切向气体入口52进入等离子体阳极腔13内，移动辅助接地电极19使其与悬浮阴极12相接触，接通直流等离子体的电源，并控制电流的大小。然后，逐渐移动辅助接地电极19，使其与悬浮阴极12之间的距离逐渐增大，直到辅助接地电极19全部退出阳极内腔，在此过程中等离子体电源的输出电压逐渐增大，等离子体在气流的作用下滑向下段直径比较小的等离子体反应腔体内，再施加微波，并调节微波短路活塞8使微波耦合到所产生的等离子体中。最后，根据实际的使用要求通入所需要处理气体的数量以及调节等离子体的直流功率。微波功率的大小根据整个等离子体的总功率、工作气体的流量与组成灵活调整。
实施例1
微波工作频率为915MHZ，阳极腔的尺寸为：阳极腔上段直径D1＝270mm，阳极腔中间段直径D2＝160mm，阳极腔下段直径D3＝40mm，门扭块尺寸为：
绝缘介质采用聚四氟乙烯，阳极腔的隔热层采用空心氧化铝，工作气体组成为H2流量200立方米/小时+甲烷流量100立方米/小时，直流功率为700千瓦，微波功率为8千瓦，工作温度为1350℃。装置的电能利用率为90％，阳极的烧蚀率为30毫克/小时。
实施例2
微波工作频率为2450MHZ，阳极腔的尺寸为：阳极腔上段直径D1＝100mm，阳极腔中间段直径D2＝60mm，阳极腔下段直径D3＝20mm，门扭块尺寸为：
绝缘介质采用聚四氟乙烯，阳极腔的隔热层采用空心氧化铝，工作气体组成为H2流量200立方米/小时+甲烷流量为100立方米/小时，直流功率为300千瓦，微波功率为6千瓦，工作温度为1500℃。装置的电能利用率为90％，阳极的烧蚀率为20毫克/小时，200小时使用后的阳极表面如图5所示。
结果表明，本发明提出的微波复合直流等离子体结构是直接将微波直接馈入到直流高压等离子体的接地空心阳极腔中，直流等离子体阳极腔也是等离子体化工合成的反应腔，在直流等离子体阳极腔中，通过波导同轴转换结构将微波能量馈入到等离子体中，阳极腔同时也是微波同轴转换结构的外导体，直流等离子体的悬浮阴极同时也充当微波同轴转换结构的内导体，等离子体工作气体通过接地空心阳极腔从切向旋转进入阳极腔中。本发明将常规直流高压等离子体放电结构与行波态微波波导同轴转换结构耦合在一起，通过微波的作用使常规柱状等离子体裂解成丝状等离子体。
Claims (8)
1.一种低温等离子体装置，其特征在于，该装置为直流高压等离子体放电结构与行波态微波波导同轴转换结构耦合在一起，通过微波的作用使柱状等离子体裂解成丝状等离子体；
直流高压等离子体放电结构设有空心阳极、悬浮阴极和辅助接地电极，空心阳极和悬浮阴极分别充当行波态微波波导同轴转换结构的外、内导体，直流高压等离子体放电结构的空心阳极内腔为阳极腔，阳极腔为三段直径不同的圆管连接而成，阳极腔上段是微波馈入结构区域，阳极腔的中间段是微波同轴转换结构区域，阳极腔的下段是等离子体反应腔体，悬浮阴极伸至阳极腔内上段的微波馈入腔体和阳极腔中间段的微波同轴腔体，在阳极腔中间段的微波同轴腔体与下段的等离子体反应腔体相连处设置可移动辅助接地电极；
在直流高压等离子体放电结构的空心阳极上段的直径方向开有两个孔：孔I和孔II，孔I和孔II分别安装所使用微波传输波导，孔I安装微波短路活塞端的传输波导，孔II安装与微波源相连的传输波导，在微波短路活塞端的传输波导内装有微波短路活塞，与微波源相连的传输波导连接微波源，形成微波馈入结构。
2.按照权利要求1所述的低温等离子体装置，其特征在于，在阳极腔中间段外侧设有气体通道，气体通道通过阳极腔内壁的至少一组环状切向气体入口与阳极腔连通。
3.按照权利要求1所述的低温等离子体装置，其特征在于，阳极腔的下段采用内层、中间层和外层由内到外依次设置的三层结构，内层采用具有耐高温导电材料制成的耐高温层，中间层为隔热材料制成的隔热层，外层为普通导电材料制成。
4.按照权利要求1所述的低温等离子体装置，其特征在于，微波波导同轴转换结构是通过位于阳极腔的上端盖中心孔处设置门扭块，实现微波波导同轴转换。
5.按照权利要求4所述的低温等离子体装置，其特征在于，悬浮阴极与阳极腔上端的密封端盖之间通过抗流结构连接，抗流结构是通过悬浮阴极与门扭块之间形成的管状电容，以及悬浮阴极与阳极腔上端的密封端盖之间形成的平板电容组成。
6.按照权利要求5所述的低温等离子体装置，其特征在于，在悬浮阴极与门扭块之间形成间隙，在此间隙中填入绝缘介质，在阳极腔上端的密封端盖的外侧设置导电圆板，该导电圆板与悬浮阴极相连，同时该导电圆板与阳极腔密封端盖形成间隙，该间隙内也填充绝缘介质；在导电圆板外侧设置绝缘盖帽，在悬浮阴极与门扭块之间设有绝缘介质管。
7.按照权利要求1所述的低温等离子体装置，其特征在于，该装置的工作气体为氢气、氮气、氩气、甲烷或乙烷；或者，它们中的任何两种或多种的混合气体；或者，这些气体与水蒸汽、氧气或二氧化碳的混合气体。
8.按照权利要求7所述的低温等离子体装置，其特征在于，该装置的工作气体的组成是体积百分比的范围在10％～100％之间氢气的复合气体，微波的工作频率为2450MHZ或915MHZ。
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