CN103648635A - 气体转化系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种利用微波等离子体的气体转化系统(1)。所述系统(1)包括：用于在其中输送微波的微波导波管(24)；穿过该微波导波管(24)并配置为在其中输送微波的气流管(26)；用于控制微波导波管(24)的温度的第一温控装置(241)；布置在气流管(26)附近并配置为测量气流管(26)或微波导波管(24)的温度的温度传感器(29)；位于气流管(26)附近并配置为在系统运转过程中引燃气流管(26)中的等离子体从而使等离子体转化流过气流管(26)的气体的引燃器(28)；以及，位于气流管(26)附近并配置为监测等离子体的等离子体检测器(30)。

Description

气体转化系统
技术领域
本发明涉及气体转化系统，尤其涉及使用多个利用微波等离子体的气体转化装置转化气体的系统。
背景技术
近年来，微波技术被用于产生各种等离子体。在某些应用中，使用等离子体进行气体转化所需的转化能力很高，需要大功率微波发生器。由于存在以下的一种或多种缺点，现有的微波技术不适合，或者效率很低。首先，现有的系统没有适当的规模可变性，这里，规模可变性指系统以柔和的方式处理不同气体转化能力的能力或扩大/减小规模以适应气体转化能力的变化的能力。例如，根据具体应用，所需的气体转化能力可能变化很大。其次，磁控管的规格成本随输出功率的提高而急剧增加。例如，10千瓦磁控管的价格比10个1千瓦磁控管的价格要高得多。第三，对于配置有较高功率的磁控管的系统，一旦磁控管或等离子体供应装置出现问题，就可能需要停运整个系统。因此，需要一种规模可变性高、系统停机时间短、价格比现有的气体转化系统低廉、并且不降低气体转化能力的气体转化系统。
发明内容
在本发明所披露的一种实施方式中提供了一种利用微波等离子体的气体转化系统，包括：微波导波管，用于在其中传送微波；气流管，穿过微波导波管，并配置为输送微波穿过该气流管；第一温控装置，用于控制微波导波管的温度；温度传感器，布置在气流管附近，并配置为测量微波导波管的温度；引燃器，位于气流管附近，并配置为在系统工作过程中点燃气流管内的等离子体使得等离子体转化流过气流管的气体；以及，等离子体检测器，位于气流管附近，并配置为监测等离子体。
在本发明所披露的一种实施方式中提供了一种气体转化系统，包括：用于提供气体的入口气体歧管（manifold）；以及，连接至入口气体歧管并配置为从入口气体歧管接收气体的多个气体转化装置。多个气体转化装置中的每一个包括：微波导波管，用于在其中传送微波；气流管，穿过微波导波管，并配置为输送微波穿过该气流管；第一温控装置，用于控制微波导波管的温度；温度传感器，布置在气流管附近，并配置为测量微波导波管的温度；引燃器，位于气流管附近，并配置为在系统工作过程中点燃气流管内的等离子体使得等离子体转化流过气流管的气体；以及，等离子体检测器，位于气流管附近，并配置为监测等离子体。该气体转化系统还包括出口气体歧管，其连接至所述多个气体转化装置并配置为从所述多个气体转化装置接收气体。
附图说明
图1是根据本发明的一种实施方式实现的气体转化系统的示意图。
图2A-2C是图1所示的气体转化系统的一部分的其它实施方式的截面示意图。
图3A-3B是根据本发明实现的一种集成气体转化系统的不同实施方式的示意图。
图4是根据本发明的另一种实施方式实现的集成气体转化系统的示意图。
图5是图1所示的根据本发明实现的气体转化系统的一部分的另一种实施方式的截面示意图。
图6是图1所示的根据本发明实现的气体转化系统的一部分的另一种实施方式的截面示意图。
图7A-7D是图1所示的根据本发明实现的气流管的其它实施方式的俯视图。
图8A-8B是图4所示的根据本发明实现的集成气体转化系统的其它实施方式的透视图。
图9A-9B是图4所示的根据本发明实现的集成气体转化系统的其它实施方式的透视图。
具体实施方式
图1是根据本发明的一种实施方式实现的用于产生微波等离子体和转化气体的气体转化系统的示意图。如图所示，气体转化系统1可包括：能够透过微波的气流管26，例如由玻璃、陶瓷或任何其它介电材料制成，优选由石英制成；用于向气流管26提供微波的微波提供装置11；以及，用于从微波提供装置11向气流管26输送微波的波导管24，其中，气流管26从气源（例如烟道气）接收气体和/或气体混合物。
微波提供装置11向气流管26提供微波，并且可包括：用于产生微波的微波发生器12；用于向微波发生器12供电的电源13；以及，隔离器15，具有用于消除向微波发生器12传播的反射微波的假负载16和用于把反射微波导向假负载16的循环管18。
在一种实施方式中，微波提供装置11还包括：用于测量微波功率的耦合器20；位于假负载16上、用于测量将在假负载16上消除的反射微波功率的耦合器17；以及，用于减少从气流管26反射的微波的调谐器22。图1所示的微波提供装置11的部件是公知的，在此列出仅是为了示意性目的。而且，微波提供装置11可更换为能够向气流管26提供微波的某种系统，这种更换不会偏离本发明的精神。可以在隔离器15和调谐器22之间安装一个移相器。
气体转化系统1可包括：高压火花引燃器28，布置在气流管26上，用于轻松引燃气流管26中的等离子体；顶盖27，具有用于接收气体并把气体输入气流管26的进气口271；以及，滑动短回路35，用于调节驻波位置以形成高效等离子体。顶盖27优选由金属材料制成，以避免通过气流管26的顶端泄漏微波。由于进气口271配置为侧向注入，因此，气流管26内的气流可以产生涡旋运动。进气口271可配置为顶端注入，从而产生直流（不具有涡旋运动），也可配置为按一定角度注入。
气体转化系统1可用于烟道气处理。更具体地说，它可利用等离子体101把烟道气中的CO2转化为CO和O2。气体转化系统1可包括用于把烟道气分离为CO2和其它成分的入口气体分离器41。入口气体分离器41可使用现有方法，例如吸收法、低温法、或膜法。入口气体分离器41通过进气口271向气流管26提供CO2。从气流管26排出的转化气体提供给出口气体分离器42，用于把转化气体分离为CO、O2和CO2。出口气体分离器42可使用现有方法，例如吸收法、变压吸附法、或膜法。由出口气体分离器42分离出的CO2可循环至进气口271，进行进一步转化。因此，气体分离器42和气体管线421构成一个气体循环系统。
图2A是图1所示的气体转化系统的一部分的另一种实施方式的截面示意图。如图所示，温控装置241和261分别安装到波导管24和气流管26上，以便分别控制波导管24和气流管26的温度。温控装置241和261中的每一个可为水冷却系统、使用其它致冷剂的冷却系统、或使用热水、燃油或燃气等加热介质的加热器。温控装置241和261的介质的流动以箭头242和262示出。波导管24和气流管26的温度可通过调节介质流量并使用温度计29感测波导管或气流管的温度来控制。
图2B是图1所示的气体转化系统的一部分的另一种实施方式的截面示意图。如图所示，空气冷却装置（例如散热器）243和263分别安装到波导管24和气流管26上，以便分别控制波导管24和气流管26的温度。冷却气流以箭头244示出。波导管24和气流管26的温度可通过调节气流量并使用温度计29感测温度来控制。
图2C是图1所示的气体转化系统的一部分的另一种实施方式的截面示意图。如图所示，换热器264安装在气流管26的下游，以便把流出反应器区的气体的温度控制在预定水平。反应器区可使用隔热材料265隔热，以便把反应区中的气体温度保持在较高水平，从而提高反应器的转化效率。换热器264可为使用致冷剂（例如水）的快速气体冷却装置。
图3A-3B是根据本发明实现的一种集成气体转化系统的不同实施方式的示意图。图3A示出了一种具有四个气体转化系统1a-1d的集成气体转化系统，其中，四个气体转化系统1a-1d中的每一个与图1所示的系统1类似。烟道气被提供至由控制器61控制的入口气体歧管51。提供至四个气体转化系统1a-1d中的每一个系统的烟道气由气体分离器分离，并利用等离子体转化，然后被送至出口气体歧管52。由于每个气体转化系统1a-1d具有与图1所示的系统1相似的机构和功能，因此气体分离和CO2循环在气体转化系统1a-1d内完成。当某个气体转化系统不能工作时（即，等离子体意外熄灭），控制器61控制从入口气体歧管51的配气，使气体不提供至发生故障的气体转化系统。另外，控制器61可根据正在工作的气体转化系统的数目控制提供给气体转化系统的气流量。另外，还有一个用于监测每个反应器区中的等离子体的检测器，如图5所示。
图3B示出了具有四个气体转化装置2a-2d的另一种集成气体转化系统。每个气体转化系统2a-2d具有与图1所示的气体转化装置2相似的机构和功能。图1所示的气体转化装置2不包含任何入口/出口气体分离器或气体循环系统。烟道气被提供至入口气体分离器41，分离出的CO2被提供至由控制器61控制的入口气体歧管51。提供至四个气体转化系统2a-2d的CO2被等离子体转化，随后被送至出口气体歧管52。在出口气体歧管52处收集的转化气体被提供至出口气体分离器42。由于每个气体转化系统2a-2d不包含图1所示的任何气体分离器或气体循环系统，因此气体分离和CO2循环在气体转化装置2a-2d之外进行。当某个气体转化系统不能工作时（即，等离子体意外熄灭），控制器61控制从入口气体歧管51的配气，使气体不提供至发生故障的气体转化系统。另外，控制器61可根据正在工作的气体转化系统的数目控制提供给气体转化系统的气流量。另外，还有一个用于监测每个反应器区中的等离子体的检测器，如图5所示。
基于图3B所示的实施方式，可以通过把出口气体分离器42和CO2循环系统移至气体转化系统2a-2d之内而配置为另一种集成气体转化系统。或者，可通过仅把出口气体分离器42移至每个气体转化系统2a-2d之内而配置为另一种集成气体转化系统。
图4示出了包含四个气体转化系统3a-3d的另一种集成气体转化系统。每个气体转化系统3a-3d与图1所示的气体转化装置2相似，不同之处是，每个气体转化系统3a-3d不包含隔离器15、耦合器20、调谐器22和滑动短回路35。每个气体转化系统3a-3d经过了全面优化，以实现最佳等离子体产生效果，因此这些元件不是系统正确运转所必须的。烟道气被提供至入口气体分离器41，分离出的CO2被提供至由控制器61控制的入口气体歧管51。分离出的CO2分别被提供至具有四个气流管26a-26d的四个气体转化系统3a-3d，随后被等离子体转化，然后被送至出口气体歧管52。在出口气体歧管52处收集的转化气体被提供至出口气体分离器42。由于每个气体转化系统不具有任何气体分离或CO2循环系统，因此气体分离和CO2循环在气体转化系统3a-3d之外进行。当某个气体转化系统不能工作时（即，等离子体意外熄灭），控制器61控制从入口气体歧管51的配气，使气体不提供至发生故障的气体转化系统。另外，控制器61可根据正在工作的气体转化系统的数目控制提供给气体转化系统的气流量。另外，还有一个用于监测每个反应器区中的等离子体的检测器，如图5所示。
图5是图1所示的根据本发明实现的气体转化系统的一部分的另一种实施方式的截面示意图。如图所示，等离子体检测器30安装至波导管24上，以监测等离子体，从而监测气体转化系统1是否正确运转。等离子体检测器30可为检测等离子体的光发射的光学传感器或检测因等离子体产生而导致的温度升高的温度传感器。等离子体检测器30也可安装在气流管26上。
图6是图1所示的根据本发明实现的气体转化系统1的一部分的另一种实施方式的截面示意图。网板32（优选为接地金属网板）安装在气流管26的底部，用于提高气流和等离子体的稳定性，并避免通过气流管26的底部泄漏微波。网板26的网眼尺寸比微波提供装置11产生的微波的波长小得多。优选把网板32安装在距波导管24的底面一定距离的位置，以具有足够的等离子体体积，并避免气流管26内发生闪弧。
图7A-7D是图1所示的根据本发明实现的气流管26的其它实施方式的俯视图。如图所示，气流管266-269的截面形状可以是圆形、椭圆形、方形、矩形六边形。对本领域普通技术人员显而易见的是，还可采用其它适当的几何形状。
图8A是图4所示的根据本发明实现的集成气体转化系统的另一种实施方式的透视图。如图所示，集成气体转化模块4包括多个（例如五十个）气体转化系统3。它包含由控制器（未示出）控制的入口气体歧管51a和出口气体歧管52a。每个气体转化系统3以可滑动的方式安装，因此在需要维护时能够很方便地对其进行操作。
图8B是图4所示的根据本发明实现的集成气体转化系统的另一种实施方式的透视图。如图所示，集成气体转化系统5包括多个（例如一百九十二个）气体转化模块4。它包含由控制器（未示出）控制的入口气体歧管51b和出口气体歧管52b。每个气体转化模块4以可滑动的方式安装，因此在需要维护时能够很方便地对其进行操作。烟道气提供至入口气体分离器（未示出），分离出的CO2提供至入口气体歧管51b然后通过气体转化模块4上的入口气体歧管51a提供至每个气体转化系统3。由等离子体转化的气体通过气体转化模块4上的出口气体歧管52a收集至出口气体歧管52b，然后输送至出口气体分离器（未示出）。入口气体分离器之前和出口气体分离器之后的操作（包括CO2循环）与图4所示的系统相同，为了简便起见，在此不再重复说明。
图9A是图4所示的根据本发明实现的集成气体转化系统的另一种实施方式的透视图。如图所示，集成气体转化模块400包括多个（例如六十个）气体转化系统3。它包含由控制器（未示出）控制的入口气体歧管51a和出口气体歧管52a。每个气体转化系统3沿径向布置，使气体管道集中在中心，以便于布管，并为操作员提供进行维护的足够空间。
图9B是图4所示的根据本发明实现的集成气体转化系统的另一种实施方式的透视图。如图所示，集成气体转化系统500包括多个（例如二十个）气体转化模块400。它包含由控制器（未示出）控制的入口气体歧管51b和出口气体歧管52b。烟道气提供至入口气体分离器（未示出），分离出的CO2提供至入口气体歧管51b然后通过气体转化模块400上的入口气体歧管51a提供至每个气体转化系统3。由等离子体转化的气体通过气体转化模块400上的出口气体歧管52a而收集至出口气体歧管52b，然后输送至出口气体分离器（未示出）。入口气体分离器之前和出口气体分离器之后的操作（包括CO2循环）与图4所示的系统相同，为了简便起见，在此不再重复说明。
应说明的是，图3A、图3B和图4所示的集成气体转化系统仅具有四个气体转化系统。还应说明的是，图8A所示的集成气体转化模块和图8B所示的集成气体转化系统分别有五十个气体转化系统和一百九十二个气体转化模块。但是，对本领域普通技术人员显而易见的是，该模块或系统可包含任何其它适当数量的气体转化模块或系统。同样，图9A和9B所示的集成气体转化模块可具有其它适当数量的气体转化系统和模块。
微波发生器12a（特别是磁控管）的价格随其功率输出的提高而剧烈增加。例如，10个市售微波炉的磁控管的价格比输出功率为这种微波炉的10倍的大功率磁控管的价格要低得多。因此，利用图3A-8B所示的多个气体转化系统，设计者可构建成本低但不降低总转化能力的气体转化系统。而且，通过控制配气，还能够建立在发生故障时系统停机时间较短的系统。
当然，应理解的是，上面所做的说明仅涉及本发明的示例性实施方式，可以在不脱离权利要求中所述的本发明的精神和范围的前提下对这些实施方式做出各种修改。

Claims (17)

1.一种利用微波等离子体的气体转化系统，包括：
微波导波管，用于在其中传送微波；
气流管，穿过微波导波管，并配置为输送微波穿过该气流管；
第一温控装置，用于控制微波导波管的温度；
温度传感器，布置在气流管附近，并配置为测量微波导波管的温度；
引燃器，位于气流管附近，并配置为在系统工作过程中点燃气流管内的等离子体使得等离子体转化流过气流管的气体；以及
等离子体检测器，位于气流管附近，并配置为监测等离子体。
2.如权利要求1所述的气体转化系统，还包括：
进气口，布置在气流管上，并配置为接收气体。
3.如权利要求1所述的气体转化系统，还包括：
第二温控装置，用于控制气流管的温度。
4.如权利要求3所述的气体转化系统，其中，第二温控装置包括使用致冷剂的冷却系统。
5.如权利要求1所述的气体转化系统，其中，所述气体包含二氧化碳，所述等离子体适合于把二氧化碳转化为一氧化碳和氧气。
6.如权利要求1所述的气体转化系统，还包括：
接地金属网板，布置在气流管的底部，并配置为防止通过气流管泄漏微波。
7.如权利要求1所述的气体转化系统，还包括：
入口气体分离器，位于气流管的上游，并配置为把气体中包含的二氧化碳与气体的其它成分分离开来；
出口气体分离器，位于气流管的下游，并配置为分离包含在被等离子体转化的气体中的二氧化碳；以及
气体管路，用于把被出口气体分离器分离的二氧化碳导向气流管的进气口，从而形成气体循环系统。
8.如权利要求1所述的气体转化系统，其中，气流管配置为使气体进行涡旋运动。
9.如权利要求1所述的气体转化系统，其中，气流管由石英材料制成。
10.如权利要求1所述的气体转化系统，其中，第一温控装置包括使用致冷剂的冷却系统。
11.如权利要求1所述的气体转化系统，其中，等离子体检测器是用于感测等离子体的光发射的光学传感器。
12.如权利要求1所述的气体转化系统，其中，引燃器是高压火花引燃器。
13.如权利要求1所述的气体转化系统，还包括：
温度传感器，布置在气流管附近，并配置为测量气流管的温度。
14.一种气体转化系统，包括：
用于提供气体的入口气体歧管；
与入口气体歧管联接并配置为从该入口气体歧管接收气体的多个气体转化装置，其中的每个气体转化装置包括：
微波导波管，用于在其中传送微波；
气流管，穿过微波导波管，并配置为输送微波穿过该气流管；
第一温控装置，用于控制微波导波管的温度；
温度传感器，布置在气流管附近，并配置为测量微波导波管的温度；
引燃器，位于气流管附近，并配置为在系统工作过程中点燃气流管内的等离子体使得等离子体转化流过气流管的气体；以及
等离子体检测器，位于气流管附近，并配置为监测等离子体；以及
连接至所述多个气体转化装置并配置为从所述多个气体转化装置接收气体的出口气体歧管。
15.如权利要求14所述的气体转化系统，其中，所述多个气体转化装置中的每一个还包括：
入口气体分离器；
出口气体分离器；以及
气体管路，该气体管路用于把被出口气体分离器分离的二氧化碳导向气流管的进气口，从而形成气体循环系统。
16.如权利要求14所述的气体转化系统，还包括：
入口气体分离器，布置在入口气体歧管的上游；
出口气体分离器，布置在出口气体歧管的下游；以及
气体管路，用于把被出口气体分离器分离的二氧化碳导向入口气体歧管，从而形成气体循环系统的。
17.如权利要求14所述的气体转化系统，其中，所述多个气体转化装置中的每一个还包括用于控制气流管的温度的第二温控装置。
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