CN104235859B - 微波气体裂解装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微波气体裂解装置，用于医疗垃圾处理，其包括一稳定电源、磁控管、激励腔、电磁铁、高稳信号源、四端环形器、波导转换器、等离子体发生器、气体流量调节器及吸收负载，稳定电源、磁控管、电磁铁及激励腔构成一微波能发生器，提供等离子产生所需的微波功率；高稳信号源用于提供稳定的2450MHz微波信号并通过四端环形器注入磁控管，磁控管的振荡频率被所注入信号频率控制，并输出微波能至所述等离子体发生器；波导转换器设置在所述四端环形器的第三端口与等离子体发生器之间，用于微波能输出功率的转换，气体流量调节器与所述等离子体发生器连接，用于调节进入等离子体发生器的气体流量；磁控管为一低外观品质因数的磁控管。

Description

微波气体裂解装置

技术领域

本发明涉及微波设备技术领域，具体而言涉及一种医疗垃圾微波处理设备的微波气体裂解装置，用于垃圾燃烧废气净化处理。

背景技术

目前国内外的研究发现，在治理环境污染问题方面，微波技术具有能耗低、反应时间短、操作简单、反应物产率增加、变废为宝等优点，引起各国科研机构和企业的研究热情。

微波等离子体炬是一种很重要的等离子体发生形式，用微波电磁能量产生等离子体，相比电极放电，不存在电极的蒸发污染问题，等离子体的生成空间不受电极间隙的限制，而且产生的等离子体和能量源分离，可以实现大气压开放式等离子体。这些优势使得微波等离子体在工业应用中越来越广泛。

等离子体火炬系统处理垃圾燃烧后的尾气，可对尾气中的二噁英等有害气体有效电离，消除减少废气中的有害气体成分，降低医疗废弃物焚烧对大气造成的二次污染。然而，微波等离子体技术和推广和应用，受到微波能发生器对微波等离子稳定工作的影响，效率和可靠性方面存在一定的问题。例如，等离子体火炬系统微波能不稳定，多数都需要借助三螺钉调配器调节等离子体发生器阻抗相位匹配，微波效率低；功率密度不集中，裂解气体相对单一，无法根据气体和气体量变化自主功率调节。

发明内容

本发明目的在于提供一种新型的微波气体裂解装置，解决垃圾焚烧产生的有害气体净化问题，采用注入锁频技术解决微波等离子体系统效率低、等离子火炬不稳定问题。

本发明的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现，从属权利要求以另选或有利的方式发展独立权利要求的技术特征。

为达成上述目的，本发明所采用的的技术方案如下：

一种微波气体裂解装置，包括一稳定电源、磁控管、激励腔、电磁铁、高稳信号源、四端环形器、波导转换器、等离子体发生器、气体流量调节器以及吸收负载，其中：

所述稳定电源作为一微波电源，与所述磁控管连接，所述磁控管以及电磁铁固定在所述激励腔上，所述稳定电源、磁控管、电磁铁及激励腔构成一微波能发生器，提供等离子产生所需要的微波功率；

所述四端环形器具有四个端口，第一端口与所述高稳信号源连接，第二端口与所述激励腔连接，第三端口经由所述波导转换器与所述等离子体发生器连接，第四端口与所述吸收负载连接；

所述吸收负载用于吸收反射功率；

所述高稳信号源用于提供稳定的2450MHz微波信号并通过所述四端环形器将2450MHz微波信号注入所述磁控管，该磁控管的振荡频率被所注入信号频率控制，并输出微波能至所述等离子体发生器；

所述波导转换器设置在所述四端环形器的第三端口与所述等离子体发生器之间，用于微波能输出功率的转换，即将磁控管输出的功率从TE10模式转换至等离子体发生器的工作模式TE11；

所述气体流量调节器与所述等离子体发生器连接，用于调节进入等离子体发生器的气体流量；

所述磁控管为一低外观品质因数的磁控管，其外观品质因数取值在100～120，且频率在2450MHz±2.5MHz，连续波输出功率≥15kW。

进一步的实施例中，所述四端环形器的第三端与所述波导转换器之间还设置有一定向耦合器，该定向耦合器还连接有一功率检测器，用于监测微波能发生器的输入功率和反射功率。

进一步的实施例中，所述高稳信号源为一个固态注入源，其注入功率≥200W，频率为2450MHz且功率稳定度为±1W。

进一步的实施例中，所述稳定电源的纹波系数≤1％。

进一步的实施例中，所述激励腔为标准BJ-22型激励腔。

由以上本发明的技术方案可知，本发明提出的微波气体裂解装置，与现有技术相比，其显著效果在于：

1、本发明的气体裂解装置采用注入锁频技术，实现微波能发生器稳定功率输出；

2、采用四端环形器设计，有效减弱反馈功率对微波能发生器产生影响，保障微波能发生器的稳定工作；

3、采用注入锁频技术和四端环形器作为微波等离子体火炬的功率源和输能系统，微波能利用效率高，等离子体火炬稳定，便于工业推广应用；

4、气体流量调节器可根据进气量自主调节微波功率，一方面提高微波能利用效率，另一方面利于等离子体火炬的稳定工作；

5、采用微波能进行气体裂解，可提高气体净化程度，有效控制垃圾焚烧造成的二次污染。

附图说明

图1为本发明一实施方式微波气体裂解装置的结构示意图。

图2为本发明另一实施方式的微波气体裂解装置的结构示意图。

图3为前述图1、图2实施例中激励腔、磁控管及电磁铁的安装示意图。

图4为图1或2实施例中磁控管的一个示例性结构示意图。

图5为图4实施例中腔体组合的结构示意图。

图6为图4实施例中腔体组合另一方向的结构示意图。

图7为图4实施例中输出窗组合的结构示意图。

图8为图4实施例中引线组合的结构示意图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

图1所示为本发明一实施方式微波气体裂解装置的结构示意，其中，一种微波气体裂解装置，包括一稳定电源101、磁控管102、激励腔103、电磁铁104、高稳信号源105、四端环形器106、波导转换器107、等离子体发生器108、气体流量调节器109以及吸收负载110。

本实施例中，前述稳定电源101作为一微波电源，与磁控管102连接，如图3所示，磁控管102以及电磁铁104固定在激励腔103上，稳定电源101、磁控管102、电磁铁103及激励腔104构成一微波能发生器，提供等离子产生所需要的微波功率。

激励腔103为标准BJ-22型激励腔。

本实施例中，所述稳定电源101为磁控管102的微波电源，其优选的纹波系数(即稳定度)≤1％。

前述四端环形器106具有四个端口，如图1所示，第一端与高稳信号源105连接，第二端与激励腔103连接，第三端经由波导转换器107与等离子体发生器108连接，第四端与吸收负载110连接。本实施例中，前述吸收负载用110于吸收反射功率。

高稳信号源105用于提供稳定的2450MHz微波信号并通过四端环形器106将2450MHz微波信号注入磁控管102，该磁控管102的振荡频率被所注入信号频率控制，并输出微波能至等离子体发生器108，以激发等离子体。

本实施例中，前述高稳信号源105所提供的稳定的2450MHz微波信号为一连续波，作为优选的实施方式，高稳信号源105为一个固态注入源，其注入功率≥200W，频率为2450MHz且功率稳定度为±1W。

如图1所示，前述微波能发生器(稳定电源101、磁控管102、激励腔103、电磁铁104)与高稳定信号源105、四端环形器106、吸收负载110构成一注入锁频磁控管。

波导转换器107设置在四端环形器106的第三端与等离子体发生器108之间，用于微波能输出功率的转换，即将磁控管102输出的功率从TE10模式转换至等离子体发生器108的工作模式TE11。

本实施例中，前述气体流量调节器109与等离子体发生器108连接，用于调节进入等离子体发生器的气体流量。

本实施例的磁控管102为一低外观品质因数的磁控管，其外观品质因数取值在100～120，且频率在2450MHz±2.5MHz，连续波输出功率≥15kW。如图4所示为低外观品质因数磁控管的一个示例，将在下面做具体说明。当然，本实施例所列出的该结构不致对本发明构成限制，本发明也可以采用现有市场上其他结构的磁控管，只要其外观品质因数、频段和输出功率满足前述条件即可。

前述磁控管102采用2450MHz的磁控管，例如：5KW/2450MHz注入锁频磁控管，15KW/2450MHz注入锁频磁控管，20KW/2450MHz注入锁频磁控管，30KW/2450MHz注入锁频磁控管。这些所选用的磁控管的功率不同，其对等离子体发生器所产生的等离子体的密度产生影响。

下述图4实施例中所示出的磁控管为15KW/2450MHz的磁控管。

如图2所示为本发明另一实施方式的微波气体裂解装置的结构示意，其中，微波气体裂解装置，包括一稳定电源201、磁控管202、激励腔203、电磁铁204、高稳信号源205、四端环形器206、波导转换器207、等离子体发生器208、气体流量调节器209以及吸收负载210。

参考图1所示的实施例及上述对各部件的说明，本实施例中的稳定电源201、磁控管202、激励腔203、电磁铁204、高稳信号源205、四端环形器206、波导转换器207、等离子体发生器208、气体流量调节器209以及吸收负载210，其作用、功能和连接方式与图1实施例相同。

较上述图1实施方式，本实施例中，所述四端环形器206的第三端与所述波导转换器207之间还设置有一定向耦合器211，该定向耦合器211还连接有一功率检测器212(市购)，用于监测前述微波能发生器的输入功率和反射功率。

如图4所示，磁控管(102、103)包括腔体组合1、输出窗组合2、引线组合3和散热器4。

如图5，结合图6所示，腔体组合1由以下部分组成：圆柱形腔体1a；位于圆柱形腔体内的并呈瓣状分布的多个腔体翼片1b(如图5、6)，腔体翼片的水路结构构成V型水路冷却结构；设置在圆柱形腔体外周的水冷套1c，水冷套内围绕所述圆柱形腔体设有带孔的隔水环1d；设置在圆柱形腔体内部两端、用于增加模式分割度的大、小隔型带(大隔型带1e、小隔型带1f)，大隔型带1e位于小隔型带1f的外周并具有一间隙(如图6)；插入所述水冷套内并用于冷却水注入和排出的水管1g；以及连接在腔体翼片上的输出天线1h。

所述输出窗组合2与腔体组合1的一端连接并形成密封结构，所述输出天线1h的另一端位于所述输出窗组合2的内部并且不接触输出窗组合2的内壁.

腔体组合1的另外一端与所述引线组合3焊接，所述引线组合3上远离腔体组合1的位置焊接有散热器4。

作为可选的实施方式，引线组合3与输出窗组合2分别用大电流钎焊焊接在腔体组合1的两端，经过排气后将排气管封离，并用高温锡焊将散热器4焊接在引线组合上。

如图5和图6所示，大、小隔型带表面镀银后与腔体2a焊接。输出天线2h通过银铜焊料与腔体1a焊接。隔水环1d焊接在腔体1a与水冷套1c之间，水冷套1c焊接在腔体1a外面，水管1g焊接在隔水环1d的孔内。

如图5和图6所示，作为可选的实施方式，所述腔体翼片1b在沿所述瓣状分布方向的内部形成有狭孔，所述腔体翼片之间的狭孔与所述水冷套构成水冷却通道用于对磁控管进行散热，且相邻腔体翼片1b之间的狭孔构成所述V型水路冷却结构。

如图6所示，结合图4和图5，所述水管1g包括进水管1g-1和出水管1g-2，进水管1g-1插入所述水冷套1c内并延伸穿过所述隔水环1d，所述出水管1g-2插入所述水冷套1c并向内延伸至不超过所述隔水环的位置。如此设计，可保证充分的冷却水循环，增强水冷的效果。

作为优选的实施方式，参考图5和图6所示，对于输出天线1h与大隔型带的间距1e，输出天线1h与大隔型带1e的间隙，该距离控制在0mm～0.4mm时，对外观品质因数(即Qe值)的影响较小，而且跳模的可能性比较小。

作为优选的实施方式，如图5所示，大隔型带1e与小隔型带1f之间的距离值控制在一定的范围内，对磁控管的性能有较大的影响，尤其是中心频率和易打火情况。经过大量的试验数据发现，大隔型带1e与小隔型带1f之间的间隙距离控制在0.7mm～0.8mm之间时，满足对磁控管的性能要求及外观品质因数的要求。

为增强微波能的输出效率，本实施例中采用轴向天线输出结构，作为优选的实施方式，所述输出天线的直径值在4.5mm～5.5mm，所述输出天线在伸出所述腔体的高度值在39mm～41mm。试验表明，利用该直径范围和高度范围的输出天线，可保证微波能的输出效率，并且对外观品质因数的影响较小。

如图7所示，本实施例中，所述输出窗组合2包括盖2a和输出窗2b，输出窗2b为陶瓷材料制作成一U形状结构，该U形结构的开口与盖2a连接，所述盖2a与一下级靴5连接形成密封结构，结合图1所述，所述输出天线1h的一端与腔体翼片1b连接，其另一端伸入该U形结构的开口内部。

如图8所示，本实施例中，所述引线组合3包括引线杆3a、屏蔽帽3b、灯丝3c、上级靴3d、扼流筒3e、支持筒3f、定位瓷3g、瓷筒3h、上盖3i以及排气管3j，其中：所述屏蔽帽3b、灯丝3c、上级靴3d、扼流筒3e、支持筒3f、定位瓷3g、瓷筒3h、上盖3i围绕所述引线杆3a设置并以该引线杆3a为中心线，所述灯丝3c位于两个屏蔽帽3b之间，所述一个屏蔽帽3b卡在所述上级靴3d上，上级靴3d的另一侧依次固定安装扼流筒3e、支持筒3f以及位于其内部的定位瓷3g，所述瓷筒3h与支持筒3f连接，所述上盖3i位于瓷筒3h的另一端，所述排气管3j伸出所述上盖3i。

作为可选的实施方式，上盖3i用银铜焊料焊接在瓷筒3h上端；排气管3j用银铜焊料焊在上盖3i的孔内；支持筒3f用银铜焊料焊在瓷筒3h的下端，其另一端用银铜焊料与上极靴3d焊接在一起；位于支持筒3f内部，灯丝3c用氩弧焊焊接在屏蔽帽3b内部，位于上极靴3d的下端。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (9)

1.一种微波气体裂解装置，其特征在于，包括一稳定电源、磁控管、激励腔、电磁铁、高稳信号源、四端环形器、波导转换器、等离子体发生器、气体流量调节器以及吸收负载，其中：

所述稳定电源作为一微波电源，与所述磁控管连接，所述磁控管以及电磁铁固定在所述激励腔上，所述稳定电源、磁控管、电磁铁及激励腔构成一微波能发生器，提供等离子产生所需要的微波功率；

所述四端环形器具有四个端口，第一端口与所述高稳信号源连接，第二端口与所述激励腔连接，第三端口经由所述波导转换器与所述等离子体发生器连接，第四端口与所述吸收负载连接；

所述吸收负载用于吸收反射功率；

所述高稳信号源用于提供稳定的2450MHz微波信号并通过所述四端环形器将2450MHz微波信号注入所述磁控管，该磁控管的振荡频率被所注入信号频率控制，并输出微波能至所述等离子体发生器；

所述波导转换器设置在所述四端环形器的第三端口与所述等离子体发生器之间，用于微波能输出功率的转换，即将磁控管输出的功率从TE10模式转换至等离子体发生器的工作模式TE11；

所述气体流量调节器与所述等离子体发生器连接，用于调节进入等离子体发生器的气体流量；

所述磁控管为一低外观品质因数的磁控管，其外观品质因数取值在100～120，且频率在2450MHz±2.5MHz，连续波输出功率≥15kW。

2.根据权利要求1所述的微波气体裂解装置，其特征在于，所述四端环形器的第三端与所述波导转换器之间还设置有一定向耦合器，该定向耦合器还连接有一功率检测器，用于监测微波能发生器的输入功率和反射功率。

3.根据权利要求1所述的微波气体裂解装置，其特征在于，所述高稳信号源为一个固态注入源，其注入功率≥200W，频率为2450MHz且功率稳定度为±1W。

4.根据权利要求1所述的微波气体裂解装置，其特征在于，所述稳定电源的纹波系数≤1％。

5.根据权利要求1所述的微波气体裂解装置，其特征在于，所述激励腔为标准BJ-22型激励腔。

6.根据权利要求1所述的微波气体裂解装置，其特征在于，所述磁控管包括腔体组合、输出窗组合、引线组合和散热器，其中：

所述腔体组合由以下部分组成：圆柱形腔体；位于圆柱形腔体内的并呈瓣状分布的多个腔体翼片，腔体翼片的水路结构构成V型水路冷却结构；设置在圆柱形腔体外周的水冷套，水冷套内围绕所述圆柱形腔体设有带孔的隔水环；设置在圆柱形腔体内部两端、用于增加模式分割度的大、小隔型带，大隔型带位于小隔型带的外周并具有一间隙；插入所述水冷套内并用于冷却水注入和排出的水管；以及连接在腔体翼片上的输出天线；

所述输出窗组合与腔体组合的一端连接并形成密封结构，所述输出天线的另一端位于所述输出窗组合的内部并且不接触输出窗组合的内壁；

腔体组合的另外一端与所述引线组合焊接，所述引线组合上远离腔体组合的位置焊接有散热器。

7.根据权利要求6所述的微波气体裂解装置，其特征在于，所述腔体翼片在沿所述瓣状分布方向的内部形成有狭孔，所述腔体翼片之间的狭孔与所述水冷套构成水冷却通道，且相邻腔体翼片之间的狭孔构成所述V型水路冷却结构；

所述水管包括进水管和出水管，进水管插入所述水冷套内并延伸穿过所述隔水环，所述出水管插入所述水冷套并向内延伸至不超过所述隔水环的位置；

所述输出窗组合包括盖和输出窗，输出窗为陶瓷材料制作成一U形状结构，该U形结构的开口与盖连接，所述盖与一下级靴连接形成密封结构，所述输出天线的一端与腔体翼片连接，其另一端伸入该U形结构的开口内部；

所述引线组合包括引线杆、屏蔽帽、灯丝、上级靴、扼流筒、支持筒、定位瓷、瓷筒、上盖以及排气管，其中：所述屏蔽帽、灯丝、上级靴、扼流筒、支持筒、定位瓷、瓷筒、上盖围绕所述引线杆设置并以该引线杆为中心线，所述灯丝位于两个屏蔽帽之间，所述一个屏蔽帽卡在所述上级靴上，上级靴的另一侧依次固定安装扼流筒、支持筒以及位于其内部的定位瓷，所述瓷筒与支持筒连接，所述上盖位于瓷筒的另一端，所述排气管用银铜焊料焊在上盖的孔内并伸出所述上盖。

8.根据权利要求6所述的微波气体裂解装置，其特征在于，所述大隔型带与小隔型带之间的距离值在0.7mm～0.8mm。

9.根据权利要求6所述的微波气体裂解装置，其特征在于，所述输出天线的直径值在4.5mm～5.5mm，所述输出天线在伸出所述腔体的高度值在39mm～41mm，所述输出天线与大隔型带的间距值为0mm～0.4mm。