CN104838730A - 具有多种操作模式的等离子体电弧枪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多模式等离子体电弧枪，包括具有第一端和第二端的圆柱形容器；连接至或接近所述第一端的第一切向入口/出口；连接至或接近所述第二端的第二切向入口/出口；电极外壳，其连接至所述圆柱形容器的第一端以使得第一电极(a)与所述圆柱形容器的纵轴对齐，以及(b)延伸进入所述圆柱形容器；以及中空电极喷嘴，其连接至所述圆柱形容器的第二端以使得所述中空电极喷嘴的中心线与所述圆柱形容器的纵轴对齐。调节所述电极相对于所述中空电极的位置使得所述多模式等离子体电弧枪以完全短路电阻模式、埋弧模式、电解模式、辉光放电模式或等离子体电弧模式操作。

Description

具有多种操作模式的等离子体电弧枪

技术领域

本发明总地涉及固体氧化物电解池和等离子体电弧。更特别地，本发明涉及具有多种操作模式的等离子体枪。

背景技术

随着对可再生燃料、污染防治、清洁水以及更有效的处理方法的重视，辉光放电和等离子体系统的应用越来越多。辉光放电也被称为电等离子体、等离子体电解和高温电解。在液体辉光放电系统中，围绕定位在电解池内的阴极形成等离子体鞘层。

美国专利No.6,228,266公开了一种使用等离子体反应器的水处理装置和水处理方法。该装置包括具有污水入口和污水出口的外壳；填充外壳内部的多个珠子(例如，尼龙和其它塑料型的珠子)；一对电极，一个电极与外壳的底部接触，另一个电极与最上面的珠子的上部接触；以及通过电缆与电极连接以产生脉冲的脉冲发生器。‘266等离子体反应器的一些缺点在于需要极高压脉冲发生器(30KW至150KW)，以网格形状的并且完全从上到下操作反应器的多个不同的珠子。同样地，等离子体反应器不被设计为从大块液体中分离出气体，它也不能回收热量或产生氢。实际上，将空气加入等离子体反应器完全破坏了针对通过电解或等离子体或两者的结合产生氢的当前研究的唯一目的。如果等离子体反应器内产生任何的氢，那么加入空气将使得氢与氧反应并生成水。另外，也没有提到通过冷却阴极产生热的任何方式。同样，它没有提到将有机物制成珠子，也没有提到重新煮沸并浓缩液体(例如废酸、黑液等)的能力，也不能从黑液中回收腐蚀剂和硫化物。

如下是与‘266专利类似的现有技术的列表：

等离子体电弧枪通常被制造者、机械工厂、焊接工和半导体工厂用于切割、气刨、焊接、等离子喷涂和制造晶片。采用转移弧或非转移弧两种模式之一操作等离子体枪。在许多焊接商店可以见到的最普通的枪是转移弧等离子体枪。其操作与DC焊机的非常相似，都是接地夹具附接至工件。操作者，通常是焊接工，在等离子体枪处理时按下等离子体枪手柄上的触发器，这在中心定位的阴极和阳极喷嘴之间形成先导电弧。当操作者将等离子体枪先导电弧靠近工件时，电弧经由导电等离子体从阳极喷嘴转移至工件。由此命名为转移弧。非转移弧等离子体枪将电弧保持在枪内。十分简单地，电弧与阳极喷嘴保持附接。这需要冷却该阳极。普通的非转移弧等离子体枪具有30％的热损率。换句话说，总枪功率的30％以热的形式损失。

使用等离子体枪的主要缺陷在于诸如氩的惰性气体和氢的成本。已经进行多次尝试来通过使用来自电极的释放热由水产生蒸汽以在枪自身内部形成工作气体或等离子体气体。目的是提高枪的总效率并降低等离子体气体成本。然而，没有一个可以连续负荷运行的工作示例。例如，Multiplaz枪(美国专利No.6,087,616和6,156,994)是必须手动补水的小型手持枪。Multiplaz枪不是连续使用的等离子体枪。

其它现有技术的等离子体枪在下述专利中公开。

美国专利No.4,791,268公开了“一种包含可移动阴极和固定阳极的电弧等离子体枪，在阴极和阳极之间建立电流之后，可移动阴极和固定阳极自动地通过枪内气压的建立来分隔。气压吸引非转移先导电弧产生等离子体喷射。枪因此被接触启动，不是通过与外部工件接触，而是通过阴极和阳极的内接触。先导电弧一旦被吸引，枪可以以非转移模式使用，或者电弧可以很容易地转移至工件。在优选实施例中，阴极具有当供应足够的气压时在汽缸内部滑动地移动的活塞部件。在另一实施例中，枪是手持单元并且允许使用单个控制器控制电流和气流。”

典型地，并且如'268专利所公开的，等离子体枪气流在枪的上游设置压力调节器和流量调节器。除了转移弧和非转移弧，等离子体电弧枪可以由电弧启动方法限定。通过使用高压将电弧从中心的阴极电极跳转至防护喷嘴启动高压方法。反吹电弧启动方法与条焊(stick welding)类似。例如，与焊机接触接地的工件然后拉回电极以形成电弧类似，反吹枪使用切割气体将负(-)阴极电极从防护喷嘴推开。通常，在反吹枪中，弹簧或者压缩气体将阴极推向喷嘴以使得在不操作时重置为启动模式。

'268等离子体枪是使用接触启动方法的反吹型枪。同样地，通过按下按钮和/或触发器，允许电流流过枪，因此枪处于完全短路模式。紧接着，在反吹接触启动枪内流动的气体推动活塞以使阴极远离阳极移动，从而形成电弧。根据阴极可以从阳极推回的最大距离设置电压。不存在控制电压的部件。同样的，这种类型的枪仅能在等离子体电弧一种模式下操作。在'268等离子体枪中不可能有通过阳极喷嘴的回流材料。此外，也没有公开将该枪耦合至固体氧化物辉光放电单元。

美国专利No.4,463,245公开了“一种等离子体枪(40)，其包括具有上端(41B)的手柄(41)，上端(41B)容纳形成枪主体(43)的组件。主体(33)包含棒电极(10)，棒电极(10)的一端与环状尖端电极(13)配合以形成火花间隙。可电离的燃气通过手柄(41)内的管(44)送入火花间隙，来自管(44)的气体沿棒电极(10)轴向流动并且通过孔(16)径向转移，从而冲击并作为冷却剂用于环状尖端电极(13)的薄壁部分(14)。使用这种配置，在电极间间隙中通过电弧产生的热基本局限于电极(13)的环形尖端部分(13A)，环形尖端部分(13A)由于其通过螺纹固定至电极(13)的相邻部分(13B)而是可消耗并且可替换的，并且环形尖端部分(13A)与薄壁部分(14)成为一体。”同样的，其没有公开将该枪耦合至固体氧化物辉光放电单元。

如下是关于启动枪和操作模式的现有技术教导的列表。

高温蒸汽电解和辉光放电是目前被认为是氢经济的未来的两种技术。同样地，煤气化被认为是减少燃煤电厂的碳、二氧化硫和汞排放的一种技术选择。为了减少全球变暖，已经探索了诸如风力机、水力发电和生物质能的可再生技术。

水是我们最有价值的资源之一。在工业过程中使用大量的水，其最终结果是产生废水。水处理和废水处理与能源产量密切相关。

因此，需要存在一种可以以多种模式操作的等离子体电弧枪。

发明内容

本发明提供一种多模式等离子体电弧枪，其包括具有第一端和第二端的圆柱形容器、连接至或者接近所述第一端的第一切向入口/出口、连接至或者接近所述第二端的第二切向入口/出口、连接至圆柱形容器的第一端的电极外壳、以及连接至圆柱形容器的第二端的中空电极喷嘴，电极外壳连接至圆柱形容器的第一端以使得第一电极(a)与圆柱形容器的纵轴对齐，以及(b)延伸进入圆柱形容器，中空电极喷嘴连接至圆柱形容器的第二端以使得中空电极喷嘴的中心线与圆柱形容器的纵轴对齐。调节电极相对于中空电极的位置使得多模式等离子体电弧枪以完全短路电阻模式、埋弧模式、电解模式、辉光放电模式或等离子体电弧模式操作。

此外，本发明提供了包含等离子体电弧枪、泵/压缩器和三个三通阀的系统。多模式等离子体电弧枪包括具有第一端和第二端的圆柱形容器、连接至或者接近所述第一端的第一切向入口/出口、连接至或者接近所述第二端的第二切向入口/出口、连接至圆柱形容器的第一端的电极外壳、以及连接至圆柱形容器的第二端的中空电极喷嘴，电极外壳连接至圆柱形容器的第一端以使得第一电极(a)与圆柱形容器的纵轴对齐，以及(b)延伸进入圆柱形容器，中空电极喷嘴连接至圆柱形容器的第二端以使得中空电极喷嘴的中心线与圆柱形容器的纵轴对齐。调节电极相对于中空电极的位置使得多模式等离子体电弧枪以完全短路电阻模式、埋弧模式、电解模式、辉光放电模式或等离子体电弧模式操作。第一三通阀连接至第一切向入口/出口和泵/压缩器的排出口。第二三通阀连接至第二切向入口/出口和泵/压缩器的排出口。第三三通阀连接至中空电极喷嘴的外端和泵/压缩器的排出口。

本发明也提供了一种以五种操作模式操作等离子体电弧枪和等离子体电弧枪系统的方法。

下面参照附图详细描述本发明。

附图说明

通过以下结合附图的描述可以更好地理解本发明的上述和进一步的优势，其中：

图1是根据本发明的一个实施例的等离子体电弧枪的示意图；

图2是根据本发明的一个实施例的比较和对比固体氧化物单元和液体电解质单元的截面视图；

图3是示出根据本发明的一个实施例的辉光放电单元的操作曲线的图。

图4是根据本发明的一个实施例的辉光放电单元的截面视图；

图5是根据本发明的另一实施例的辉光放电单元的截面视图；

图6是根据本发明的另一实施例的固体氧化物等离子体电弧枪系统的截面视图。

图7是根据本发明的另一实施例的固体氧化物等离子体电弧枪系统的截面视图。

图8是根据本发明的另一实施例的固体氧化物转移弧等离子体枪的截面视图；

图9是根据本发明的另一实施例的固体氧化物非转移弧等离子体枪的截面视图；

图10是示出本发明的一个实施例处理的尾池水和固体分析的结果的表；

图11是根据本发明的另一实施例的多模式等离子体电弧枪的截面视图；

图12示出根据本发明的另一实施例的用于多模式等离子体电弧枪的第二电极；

图13A-13F是根据本发明的另一实施例的用于中空电极喷嘴的各种形状的截面视图；

图14是根据本发明的另一实施例的用于多模式等离子体电弧枪的阳极喷嘴法兰安装组件的截面视图；

图15是根据本发明的另一实施例的双第一电极配置的截面视图；

图16示出根据本发明的另一实施例的操作多模式等离子体电弧枪的第一电极位置；

图17是根据本发明的另一实施例的以五种不同模式操作多模式等离子体电弧枪的系统的方框图；

图18是根据本发明的另一实施例的具有各种附接设备的多模式等离子体电弧枪的简图；

图19是根据本发明的另一实施例的具有各种附接设备的多模式等离子体电弧枪的简图；

图20是根据本发明的另一实施例的用于连续馈送旋风反应器内的的电极的系统、方法和装置；

图21A示出根据本发明的另一实施例的微波顶部注入旋风反应器，而图21B示出微波侧面注入旋风器；

图22示出根据本发明的另一实施例的将微波和滤饼共同直接注入涡流等离子体的系统、方法和装置；

图23示出根据本发明的另一实施例的共同注入的微波和滤饼馈送入等离子体，然后流入旋风分离器，并且允许在注入旋风分离器之前预处理滤饼；

图24示出根据本发明的另一实施例的将来自枪100的等离子体直接注入旋风分离器的孔眼的系统、方法和装置；

图25示出根据本发明的另一实施例的可以通过切向入口将诸如滤饼或石油块的馈送材料注入旋风分离器；

图26示出根据本发明的另一实施例的用于连续操作等离子体枪的系统、方法和装置；

图27示出根据本发明的另一实施例的用于通过使用感应线圈加热阳极喷嘴以将额外的EMR和热添加至离开V3的气体流的部件；

图28示出根据本发明的另一实施例的串联以形成独特系统两个该独特系统用于以不同的模式操作两个相同的多模式等离子体枪的；

图29示出根据本发明的另一实施例的使用两个管道串联的另一配置，其可以基于应用和所需的最终产品以不同的模式操作；

图30示出根据本发明的另一实施例的用于燃烧和淬火多模式等离子体的产物的部件；

图31示出根据本发明的另一实施例的通过沿多模式枪的纵轴对齐的螺旋钻和针电极回流待处理的流动材料的部件；

图32A公开了根据本发明的另一实施例的与图1的枪类似的独特配置，其使用图14所示的可以被操作为回吹枪的电极和活塞配置；

图32B公开了根据本发明的另一实施例的由两个单独的电源供电的系统，其使用液压/气动口代替弹簧并且将电极活塞与电极棒电隔离；

图33B根据本发明的另一实施例允许利用交流电(“AC”)操作，通过将三个电极、电极棒、电极活塞和电极喷嘴分别于3线电源的L1、L2和L3电连接，3线电源与位于表面的AC电源电缆连接；

图35公开了根据本发明的另一实施例的使用多模式枪100作为串联电路中的电阻的液体电阻；

图36公开了根据本发明的另一实施例的用于提高采油率的独特系统、方法和装置；

图37公开了根据本发明的另一实施例的3相AC等离子体ArcWhirl井内工具，其也可以用于针对EOR或者等离子体钻井的井下蒸汽生成；

图38公开了根据本发明的另一实施例的使用与大枪并联的可变等离子体电阻(VPR)的新型材料处理系统；

图39公开了根据本发明的另一实施例的将碳电弧气刨枪改进并转换成枪的系统、方法和装置；

图40公开了根据本发明的另一实施例的使用柯恩达效应使等离子体缠绕石墨电极的独特系统、方法和装置；

图41公开了根据本发明的另一实施例的使用柯恩达效应将电弧转移至石墨电极从而保持和约束等离子体的另一系统、方法和装置。

具体实施方式

虽然下文详细描述了本发明的各个实施例的制造和使用，但是应当理解，本发明提供了可以包含在各种特定的上下文中的许多可用的发明构思。本文所讨论的特定实施例仅示出制造和使用本发明的特定方式并且不限制本发明的范围。

现在参照图1，图1示出了根据本发明的一个实施例的等离子体电弧枪100。等离子体电弧枪100是美国专利No.7,422,695(其全文通过引用包含于此)公开的设备的改良版本，其产生预料不到的结果。更特别地是，通过将放电蜗壳102附接至容器104底部、隔离涡旋探测器、用中空电极喷嘴106代替底电极，当放电等离子体108通过中空电极喷嘴106时可以保持电弧而不管有多少气体(例如空气)、流体(例如水)或蒸汽110被喷射进入等离子体电弧枪100。此外，当阀(未示出)连接至放电蜗壳102时，可以通过调节所述阀(未示出)来控制从中空电极喷嘴106排放的等离子体108的质量流量，同时使用线性致动器114调整第一电极112的位置。

结果，等离子体电弧枪100包括具有第一端116和第二端118的圆柱形容器104。切向入口120连接至或者接近第一端116，而切向出口136(放电蜗壳)连接至或者接近第二端118。电极外壳122连接至圆柱形容器104的第一端116以使第一电极112与圆柱形容器104的纵轴124对齐，延伸进入圆柱形容器104，并且可以沿纵轴124移动。此外，线性致动器114连接至第一电极112以如箭头126所示的沿圆柱形容器124的纵轴调节第一电极112在圆柱形容器104内的位置。中空电极喷嘴106连接至圆柱形容器104的第二端118以使中空电极喷嘴106的中心线与圆柱形容器104的纵轴124对齐。中空电极喷嘴106的中空部分128的形状可以是圆柱形或者圆锥形。此外，中空电极喷嘴106可以延伸至圆柱形容器104的第二端118或者如所示的延伸进入圆柱形容器104。如图1所示，切向入口120是附接至圆柱形容器104的第一端116的蜗壳，切向出口136是附接至圆柱形容器104的第二端118的蜗壳，电极外壳122连接至入口蜗壳120，以及中空电极喷嘴106(圆柱形配置)连接至放电蜗壳102。注意：等离子体电弧枪100并未等比例示出。

电源130电连接至等离子体电弧枪100以使第一电极112作为阴极而中空电极喷嘴106作为阳极。电源130的电压、功率和类型取决于等离子体电弧枪100的尺寸、配置和功能。气体(例如空气)、流体(例如水)或者蒸汽110被注入切向入口120以在圆柱形容器104内形成涡旋132并且作为排放物134通过切向出口136离开。涡旋132通过围绕圆柱形容器104的内部的气体(例如空气)、流体(例如水)或蒸汽的涡旋、涡流、气旋或旋流的角动量产生的惯性(与磁约束完全不同的惯性约束)将等离子体108限制在容器104内。在启动过程中，线性致动器114使第一电极112移动接触中空电极喷嘴106，然后将第一电极112拉回以产生电弧，电弧形成通过中空电极喷嘴106放电的等离子体108。在操作过程中，线性致动器114可以调节第一电极112的位置以改变等离子体108的放电或者用于第一电极112的扩展应用。

现在参照图2，图2示出根据本发明的一个实施例的将固体氧化物单元200和液体电解质单元250进行比较和对比的截面视图。使用液体电解质单元250进行实验。碳阴极202连接至线性致动器204以将阴极202提高或降低至碳阳极坩埚206内。测试中使用额定电流150安培以及开路电压(“OCV”)370VDC的ESAB ESP 150DC电源。为了在OCV操作，电源被“装饰”。

为了确定阴极202上的鞘层辉光放电长度并测量电流和电压，电源被打开然后线性致动器204用于将阴极202降低至水和碳酸氢钠的电解液中。虽然可以获得稳态辉光放电，但是电压和电流太不稳定而不能被记录。同样地，由于不稳定的电流，电源不断地浪涌和脉动。一旦阴极202被降低地太深，辉光放电就停止并且单元进入电解模式。此外，因为将十分迅速地发生沸腾并且电解液将泛起泡沫并且越过碳坩埚206的侧面，所以加入铸造砂以减少坩埚206中的泡沫。

8"直径的阳极坩埚206被装满砂并且将电解液加入坩埚。打开电源并且阴极202被降低进入砂和电解液。意想不到的是，辉光放电即刻形成，但是此时，它似乎从阴极202横向展开。产生大量的蒸汽以使得不能够看出辉光放电延伸通过砂的程度。

接下来，用通常可获得的干净的花大理石代替砂。当阴极202被降低进入大理石和碳酸氢钠/水溶液时，电解液开始缓慢沸腾。一旦电解液开始沸腾，可以在整个大理石中看到辉光放电蛛网，如在固体氧化物单元200中所示。虽然在比所公开和公布的电压低得多的电压下这是完全预料不到的，但是完全预料不到的是，DC电源不以任何方式浪涌、跳跃或者不稳定地操作。图3所示的是基于多次测试的根据本发明的针对辉光放电单元的操作曲线。数据与目前从当前公知的电等离子体、等离子体电解或辉光放电反应器得到的与辉光放电图和曲线相关的公开内容完全不同。辉光放电单元可以蒸发或浓缩液体，同时产生蒸汽。

现在参照图4，图4示出根据本发明的一个实施例的辉光放电单元400的截面视图。辉光放电单元400包括具有第一端404和第二端406的导电圆柱形容器402，以及至少一个入口408和一个出口410。中空电极412与圆柱形容器402的纵轴对齐并且至少从圆柱形容器402的第一端404延伸至第二端406。中空电极412也具有入口414和出口412。第一绝缘体418围绕中空电极412密封圆柱形容器402的第一端404并且在圆柱形容器402和中空电极412之间保持大致等距离的间隙420。第二绝缘体422围绕中空电极412密封圆柱形容器402的第二端406并且在圆柱形容器402和中空电极412之间保持大致等距离的间隙420。在间隙420内布置有非导电颗粒材料424，其中，非导电颗粒材料424(a)允许导电流体在圆柱形容器402和中空电极412之间流动，以及(b)防止在电辉光放电过程中在圆柱形容器402和中空电极412之间产生电弧。每当(a)辉光放电单元400连接至电源以使圆柱形容器402是阳极而中空电极412是阴极，以及(b)导电流体被注入间隙420时，产生电辉光放电。

容器402可以由不锈钢制成而中空电极可以由碳制成。非导电颗粒材料424可以是大理石、陶瓷珠、分子筛介质、砂、石灰岩、活性炭、沸石、锆、氧化铝、岩盐、坚果壳或木屑。电源可以在50至500V范围的直流、或者200至400V范围的直流下操作。在电辉光放电过程中，阴极412可以达到至少500℃、至少1000℃、或至少2000℃的温度。导电流体包括水、采出水、废水、尾矿池的水，或者其它合适的流体。导电流体可以通过将例如碳酸氢钠、苏打石、石灰、氯化钠、硫酸铵、硫酸钠或碳酸的电解质加入流体中制成。

现在参照图5，图5示出根据本发明的另一实施例的辉光放电单元500的截面视图。辉光放电单元500包括具有第一端404和封闭的第二端502的导电圆柱形容器402，接近第一端404的入口408、以及在封闭的第二端502中心的出口410。中空电极504与圆柱形容器的纵轴对齐并且至少从第一端404延伸进入圆柱形容器402。中空电极504具有入口414和出口416。第一绝缘体418围绕中空电极504密封圆柱形容器402的第一端404并且在圆柱形容器402和中空电极504之间保持大致等距离的间隙420。在间隙420内布置有非导电颗粒材料424，其中，非导电颗粒材料424(a)允许导电流体在圆柱形容器402和中空电极504之间流动，以及(b)防止在电辉光放电过程中在圆柱形容器402和中空电极504之间产生电弧。每当(a)辉光放电单元500连接至电源以使圆柱形容器402是阳极而中空电极504是阴极，以及(b)导电流体被注入间隙420时，产生电辉光放电。

如下示例将证明性能、实用性和完全非显而易见和预料不到的结果。

示例1-黑液

现在参照图6，图6示出根据本发明的另一实施例的固体氧化物等离子体电弧枪系统600的截面视图。等离子体电弧枪400经由引射器602连接至单元500。仍将单元500充满碳酸氢钠和水的溶液。泵经由三通阀604和引射器602连接至等离子体电弧枪100的第一蜗壳31。引射器602将真空施加于单元500。从等离子体电弧枪100发出的等离子体的体积急剧增加。因此，在单元500中产生不凝结气体B。当通过观察窗33观察时，等离子体电弧枪100中的电弧的颜色由于HiTemper^TM单元500产生的气体而改变。接下来，调节三通阀604以允许空气和水F流入等离子体电弧枪100的第一蜗壳31。额外的质量流量增加了等离子体电弧枪100产生的等离子体G。在等离子体G的尖端放置多片不锈钢圆条并且将其熔化以证明系统性能。同样地，将木头置于等离子体流G内会将木头炭化。此后，等离子体枪100发出的等离子体G直接进入旋风分离器610。等离子体电弧枪100通过第二蜗壳34排放的水和气体I经由阀606进入旋液分离器608。这允许气体和水的迅速混合和净化，从而减少任意有害污染物的排放。

从纸浆工厂获取的具有16％固态物的黑液样本被装入辉光放电单元500，其体积足够覆盖花大理石424。与其它辉光放电或电等离子体系统不同，固体氧化物辉光放电单元不需要电解液的预先加热。打开ESABESP 150电源并且手动记录电压和电流。简单地参照图3，一旦单元500的电源打开，电流表的限值在150处。ESAB电源-ESP150的名字由此得来。其额定电流150amps。电压在90和100VDC之间是稳定的。一旦发生沸腾，电压稳定地升至OCV(370VDC)而电流降至75安培。

辉光放电单元500工作直到电流几乎降为零。即使在低于10安培的非常低的电流下，电压似乎也被锁定在370VDC。允许单元500被冷却然后打开以检查大理石424。令人惊讶的是，在单元500中没有明显的液体剩余，但是所有的大理石424被黑色残渣涂覆或者焦化。具有黑色残渣的大理石424被运走用于分析。残渣在容器底部并且在运送过程中已经脱离大理石424。分析结果在下表列出，这证明了用于浓缩黑液并焦化有机物的新方法。对于16％的初始固态物浓度，固态物的浓度仅通过一次蒸发步骤就增加至94.26％。注意：硫(“S”)留在残留物中并且没有离开单元500。

固态物总含量％94.26

Ash％/ODS 83.64

ICP金属扫描：基于ODS报告结果

表-黑液结果

该结果可用于浓缩来自纸浆、纸和纤维工厂的黑液用于后续再苛化(recaustizing)。

如图3所示，如果所有的液体从单元500蒸发并且仅使用固态电解液操作，那么从阴极到阳极之间就会发生电弧。已经进行了测试，在该情况中一孔被从不锈钢容器402吹出。通过(1)监测单元中的液体水平并且不允许它变干，以及(2)监测电流(低电流＝低液体水平)可以很容易地防止电飞弧。如果电飞弧是期望的或者单元必须被设计为产生飞弧，那么容器402应当由碳构造。

示例2-附接至固体氧化物单元的等离子体枪

现在参照图7，图7示出根据本发明的另一实施例的固体氧化物等离子体电弧枪系统700的截面视图。等离子体电弧枪100通过引射器602连接至单元500。仍将单元500充满碳酸氢钠和水的溶液。泵23使碳酸氢钠和水的溶液从中空电极504的出口416再循环至单元500的入口408。泵22通过三通阀604和引射器602连接至等离子体电弧枪100的第一蜗壳31。空气压缩器21用于将空气和来自泵22的水引入三通阀604。打开泵22并且水F流入等离子体电弧枪100的第一蜗壳31并且通过全景观察窗33并且经由第二蜗壳34离开枪30。通过推动碳阴极棒(-NEG)32接触并完全短路至正的碳阳极(+POS)35来启动等离子体电弧枪100。非常少的等离子体G离开阳极35。然后，高温等离子体电解反应器(单元)500被启动以产生等离子体气体B。在沸腾的开始，电压再次攀升至OCV(370VDC)并且气体开始流至等离子体电弧枪100。引射器602将真空引入单元500。等离子体电弧枪100发出的等离子体G的体积急剧增加。因此，在单元500内产生不凝结气体B。当通过观察窗33观察时，等离子体电弧枪100中的电弧的颜色由于HiTemper^TM单元500产生的气体而改变。接下来，调节三通阀604以允许来自压缩器21的空气和来自泵22的水流入等离子体电弧枪100。额外的质量流量增加了从等离子体电弧枪100排出的等离子体G。在等离子体G的尖端放置多片不锈钢圆条并且将其熔化以证明系统性能。同样地，将木头置于等离子体流G内将木头炭化。等离子体电弧枪100通过第二蜗壳34放出的水和气体流入旋液分离器608。这允许气体和水的迅速混合和净化，从而减少任意有害污染物的排放。

然后，如图5所示，关闭系统并且将第二旋风分离器610附接至等离子体电弧枪100。再次打开固体氧化物等离子体电弧枪系统并且可以看到等离子体G在旋风分离器610内循环。在涡流等离子体G的孔眼或涡旋内是没有任何可见等离子体的中心孔。

将旋风分离器610移除以进行另一测试。为了确定图6所示的固体氧化物等离子体电弧枪系统的性能，关闭泵22并且仅靠压缩机21提供的空气和固体氧化物单元500产生的气体B来操作系统。然后，缓慢地关闭三通阀606以迫使所有的气体通过电弧以形成离开中空碳阳极35的大量等离子体G。

然后，缓慢关闭三通阀604以断开空气向等离子体电弧枪100的流动。所发生的是完全没有预料到的。来自观察窗33的光的强度急剧增加并且从等离子体电弧枪排放出明亮的等离子体。当使用焊接护罩观察时，电弧被吹出等离子体电弧枪100并且绕回阳极35周围。因此，固体氧化物等离子体电弧枪系统将产生适合于焊接、熔融、切割、喷涂和诸如热解、气化和水气变换反应的化学反应的气体和等离子体。

示例3-磷石膏池水

磷酸盐产业实际上在佛罗里达、路易斯安那和德克萨斯遗留下需要很多年才能清除的遗留物-石膏堆和池水。在每一堆垛的顶部是池塘。池水从池塘再次循环直到厂房并且与石膏成浆以形成堆垛并且允许石膏在池塘中沉积。循环继续进行并且石膏堆的高度增加。石膏作为矿石开采过程的副产品而产生。

对于每个石膏堆，有两个主要的环境问题。首先，池水的PH值非常低。不中和不能被排放。第二，磷石膏包含少量的氡。因此，不能被其它产业使用或者再利用。与诸如磷酸氢二氨(“DAP”)和磷酸氢一氨(“MAP”)的P₂O₅肥料的制造过程中产生的氨污染物结合的过量水必须在排放之前经过处理。过量池水包含大约2％的磷酸盐有用产品。

从休斯顿磷酸盐肥料公司获得池水的样本。池水被充入固体氧化物单元500。如图6所示地配置固体氧化物等离子体电弧枪系统。三通阀606被调节为仅使得空气流入等离子体电弧枪100，同时通过引射器602将单元500抽成真空。中空阳极35被阻挡以将流向旋液分离器608的气体I的流量最大化，旋液分离器608具有带有小的收集容器封闭的底部。将旋液分离器608浸入水槽中以冷却和回收可凝结气体。

尾池水结果在图10中公开。测试目的是证明固体氧化物辉光放电单元可以浓缩尾池水。现在开启浓缩循环，P₂O₅的百分数以系数4浓缩，最终在HiTemper^TM单元500的底部达到8.72％的浓度。图片中显示的初始样本是无色的、稍微浑浊的液体。从HiTemper单元500回收的底部沉积物或者浓缩物是具有沉淀物的暗绿色液体。沉淀物被过滤并且被称为固态物(保留在Whatmann#40滤纸上)。作为固体回收的SO₄的百分数在循环中从3.35％增加至13.6％，浓缩了4倍。然而，作为固体回收的Na的百分数在循环中从0.44％增加至13.67％，浓缩了31倍。

用于单元500的固体氧化物或者固体电解质424是花大理石(氧化钠)。花大理石由钠玻璃构成。不受理论约束，可以认为：磷酸结合高温辉光放电部分溶解大理石。由于由不锈钢容器402构牺牲阳极，铬酸盐和钼(Molydemun)循环并保留在溶液中。注意：由于单元的高度较短，由于使用引射器602将单元500抽真空而发生转移。在图10的首次运行中(HiTemper第一行)，额外消耗非常少量的氟。从一开始人们就关注，氟会额外消耗。同样的，大约38％的氨额外消耗。据信氨将闪光并且额外消耗。

已经公开了一种用于从尾池浓缩P₂O₅以用于后续恢复为有用的酸和肥料的方法。

现在，回到黑液样本，不受理论约束，人们认为黑液可以简单地使用CaO和石灰岩作为单元500内的固体氧化物电解质424来再苛化黑液。纸浆和纸的生产领域的技术人员真实地理解不必运行石灰窑的优势和成本节约。然而，如果浓缩的黑液必须被气化或者热氧化以去除所有的碳类，可以使用等离子体电弧枪100处理大理石424。返回参照图6，涂覆有浓缩黑液的大理石424或者仅浓缩黑液被注入等离子体电弧枪100和旋风分离器610之间。这会将黑液转化成绿色液体或者可能的白色液体。大理石424可以流入等离子体电弧枪喷嘴31并且在涡流石灰水中淬火并且经由蜗壳34被排放进入旋液分离器608以分离并回收白色液体和大理石424。石灰将与NaO反应以形成腐蚀剂和不可溶解的碳酸钙沉淀物。

示例4-用于EOR和工业蒸汽用户的蒸发、蒸气压缩和蒸汽形成

返回图4，几种油田废水在单元400中蒸发。为了增强蒸发，蒸气压缩器(未示出)的吸入侧可以连接至上出口410。蒸气压缩器的排放口将连接至416。不受理论约束，人们认为诸如公司制造的的合金作为管状阴极412可以禁受住单元的强效应，因此通过使蒸气压缩器的排放流动通过管状阴极412来实现一种具有过热器的新型蒸汽发生器。这种装置、方法和过程将广泛应用于整个上游油气产业以处理油田产成的水和压裂回流。

作为单元500内的阴极12，多种不同的不锈钢圆筒被测试。与鞘层辉光放电相比较，圆筒不被熔化。实际上，当圆筒被拔出时，可以在大理石与管接触的每一点处看到标记。

这提出了一种使用辉光放电处理金属的全新方法。

示例5-处理管、棒、杆、管道或线

有许多不同的公司应用辉光放电处理金属。然而，由于跳弧并且熔化待涂覆、处理或除垢的材料，许多公司已经非常糟糕地失败。不能控制电压的问题导致尖峰。通过将砂或者任意固体氧化物简单地添加至单元并且如图2所配置地将管阴极12与单元500馈通，可以以非常高的馈送率处理管、杆、管道、棒或线。

示例6-固体氧化物等离子体电弧枪

实际上需要一种非常简单的等离子体枪，这种等离子体枪可以使用例如直接从盥洗室冲出的污水的脏的或严重污染的水操作，脏的或严重污染的水可以包含卫生纸、卫生巾、排泄物、病原体、尿和药物。可以利用前述水操作的等离子体枪系统可以潜在地剧烈影响废水设施以及维持收集系统、抽水站和废水处理设施的预测成本。

将被污染的废水转化成气体并且使用这种气体作为等离子体气体也减轻了人们多种如下问题的日益关注-将被填埋的城市固体废弃物、剪草和树木修剪、医疗废物、化学废物、冶炼厂的水槽底部沉淀物、诸如钻屑的油田废物和典型的每天的生活垃圾。可以处理固体废弃物和液体的、或者可以加热过程流体同时气化生物质能或煤的、或者可以使用废水产生等离子体切割气体的简单的枪系统将在一夜之间改变许多产业。

一种特别的产业是金属产业。金属产业需要用于加热、熔化、焊接、切割和机械加工的大量的能量和外来气体。

现在转到图8和9，根据本发明的优选实施例公开了真正新型的等离子体枪800。首先，通过将等离子体电弧枪100耦合至单元500构造固体氧化物等离子体枪。等离子体电弧枪蜗壳31和电极32与引射器602和观察窗33分离。等离子体电弧枪蜗壳31和电极组件32附接至单元500容器402。用同轴式渐缩管33代替观察窗33。可以理解，电极32与蜗壳31和容器402电隔离。电极32连接至线性致动器(未示出)以触发电弧。

图8所示的固体氧化物转移弧等离子体枪800的连续操作现在将被披露为用于切割或熔化导电工件。流体流入泵的吸入侧并且进入单元500。泵被停止。打开第一电源PS1给单元500供能。一旦单元500进入辉光放电并产生气体，打开阀16以允许气体进入蜗壳31。蜗壳31使气体涡流。开关60被定位以使第二电源PS2连接至工件并且PS2的-负侧连接至PS1的-负侧，PS1的-负侧连接至单元500的中心阴极504。整个枪被降低以使导电喷嘴13-C接触并接地至工件。PS2现在被供能并且枪从工件提升。在阴极504和工件之间形成电弧。

如果电弧必须被定心以用于切割目的，那么就定心电弧，然后将PS2的-负引线附接至通向电极32的开关60的引线。虽然未示出用于该操作的一系列开关，但是可以理解，代替手动转换PS2的负引线，为了自动化，可以使用与60类似的电开关。如所示，+正引线将简单地通向工件。可以使用较小的电极32以使它能够滑动进入并通过中空阴极504以接触工件并触发电弧。导电喷嘴802将被替换为非导电防护喷嘴。该设置允许仅使用废水而不用其它气体地精确切割。

转到图9，固体氧化物非转移弧等离子体枪800主要用于熔化、气化和加热材料，同时使用被污染的流体作为等离子体气体。调节开关60以使PS2的+引线馈送到电极32。现在再次将电极32作为阳极操作。它必须与容器402电隔离。当通过打开阀16使气体开始流动时，蜗壳31使气体自旋或涡流。阳极32被降低以接触中心阴极504。在阴极32和阳极504之间形成电弧。阳极可以是中空的并且导线可以与阳极504馈通以用于等离子体喷射、焊接或者启动电弧。

整个枪被它自己的气体再生冷却，从而提高了效率。同样地，废流体用作等离子体气体，这减少了处置和处理成本。最后，等离子体可以用于气化煤、生物质能或者通过将自然气体与氢气和蒸汽等离子体蒸汽重组生成大量的合成气。

图8和9都清晰地展示了一种新型固体氧化物等离子体电弧枪，其将高温电解的效率与转移和非转移弧等离子体枪的性能结合。

示例7-多模式等离子体电弧枪

现在参照图11，图11示出了根据本发明的一个实施例的多模式等离子体电弧枪1100。多模式等离子体电弧枪1100是图1的等离子体电弧枪100的改进，其包含一部分图5所示的辉光放电单元500的属性。多模式等离子体电弧枪1100包括具有第一端116和第二端118的圆柱形容器104。切向入口120连接至或者接近第二端118，而切向出口136连接至或者接近第一端116。电极外壳122连接至圆柱形容器104的第一端116以使第一电极112与圆柱形容器104的纵轴124对齐，延伸进入圆柱形容器104，并且可以沿着纵轴124移动。此外，线性致动器114连接至第一电极112以如箭头126a所示地沿圆柱形容器124的纵轴调节第一电极112在圆柱形容器104内的位置。中空电极喷嘴106连接至圆柱形容器104的第二端118以使中空电极喷嘴106的中心线与圆柱形容器104的纵轴124对齐。在所示的实施例中，切向入口120是附接至圆柱形容器104的第二端118的蜗壳，切向出口136是附接至圆柱形容器104的第一端116的蜗壳，电极外壳122连接至出口蜗壳102，而中空电极喷嘴106(圆柱形配置)连接至入口蜗壳120。注意，多模式等离子体电弧枪1100并未等比例示出。

在圆柱形容器402和中空电极喷嘴106之间保持大致等距离的间隙420。在一些实施例中，可选择的非导电颗粒材料424布置在间隙420内，其中，非导电颗粒材料424允许导电流体在圆柱形容器402和中空电极喷嘴106之间流动。在其它实施例中，不使用非导电颗粒材料424。注意：使用非导电颗粒材料424通过增大流体的接触表面区域提高了设备的效率，但是并不需要这样。如果圆柱形容器402是金属的，那么非导电颗粒材料424可以防止在电辉光放电过程中在圆柱形容器402和中空电极喷嘴106之间产生电弧。如图13A-F和16所示，可以根据需要改变中空电极喷嘴106的中空部分128的形状以提供的期望的操作效果。可以使用其它的形状。

电源130电连接至多模式等离子体电弧枪1100以使第一电极112用作阴极而中空电极喷嘴106用作阳极。电源130的电压、功率和类型依赖于多模式等离子体电弧枪1100的尺寸、配置和功能。

在一些实施例中，沿纵轴124可以增加第二电极1102和第二线性致动器1110，诸如石墨电极，以完全短路至第一电极112(-)阴极。该配置允许电极112和1102的连续馈送以用于连续工作和/或增加阳极喷嘴106的寿命。类似于第一电极112，可以使用第二线性致动器1110使第二电极1102沿纵轴124在两个方向上移动，如箭头126b所示。此外，如图12所示，第二电极1102允许通过将第一电极112和第二电极1102完全短路然后将它们分离以吸引电弧从而以等离子体电弧模式操作。

现在参照图13A-13F，其示出中空电极喷嘴106的形状的各种示例。图13A示出直的中空电极喷嘴106a。图13B示出直的中空电极喷嘴法兰106b。图13C示出锥形中空电极喷嘴106c。图13D示出锥形中空电极喷嘴法兰106d。图13E示出中空电极喷嘴扩孔法兰106e。图13F示出中空电极喷嘴扩孔外锥形法兰106f。注意：图12示出中空电极喷嘴扩孔106。本领域技术人员可以理解，可以使用其它形状。图14示出使用法兰1402a、1402b作为耦合部件将(+)中空电极喷嘴106固定至等离子体电弧枪100或1100的蜗壳的方法。可以理解，任意类型的可以保持并固定(+)中空电极喷嘴106的耦合器都将满足本发明的需要。同样地，在(+)中空电极喷嘴106的两侧上使用耦合器或法兰允许其被反转(flipped)并用作突出的或渐缩管型的耦合喷嘴。

现在参照图15，其示出根据本发明的另一实施例的双第一电极1500的示意图。双第一电极1500是第一电极112和直径更大、但是更短的第三电极1502的组合，第三电极电连接至第一电极112或者电源130(与第一电极112极性相同)。第三电极1502可以独立于第一电极112沿箭头126c所示地向上或向下移动。此外，第三电极1502可以物理连接至第一电极112。第三电极1502提供额外的电极表面区域以提升整个过程。

现在参照图11和16，流体、悬浮液、液体/气体混合物或其它可泵送的材料1104被引入切向入口120以达到圆柱形容器104内的期望的流体水平1106，这可以根据所需的操作效果而改变。注意：在操作过程中，实际水平通常会波动。在起始过程中，线性致动器114使第一电极112移动以与中空电极喷嘴106或第二电极1102接触，然后使第一电极112留在那里(完全短路电阻加热模式1600)或者将第一电极112拉回一定的距离，但仍然保持在期望的流体水平1106以下。线性致动器114可以调节第一电极112的位置以在完全短路电阻模式1600、埋弧模式1602、电解模式1604或辉光放电模式1606操作多模式等离子体电弧枪1100。当流体1104根据这四种操作模式之一被加热时，气体或蒸汽1108将升高并通过切向出口136离开。通过允许流体1104流动通过中空电极喷嘴106并通过切向入口120再次进入圆柱形容器104可以使得流体1104再循环。注意：如所述以及如图1所示的，第五种操作模式是等离子电弧模式。

现在参照图17，其示出根据本发明的以五种操作模式操作等离子电弧枪100或1100的系统1700的示意图。系统1700包括等离子体电弧枪100或1100，三个三通阀1702a、1702b、1702c，以及泵和/或压缩器1704。第一三通阀1702a连接至位于等离子体电弧枪100或1100的第一端116的入口/出口(根据操作模式)，并且具有第一阀入口/出口(根据操作模式)1708a。第二三通阀1702b连接至位于等离子体电弧枪100或1100的第二端118的入口/出口(根据操作模式)，并且具有第二阀入口/出口(根据操作模式)1708b。第三三通阀1702c连接至中空电极喷嘴106的外端，并且具有第三阀入口/出口(根据操作模式)1708c。三通阀1702a、1702b、1702c中的每一个都连接至泵和/或压缩机1704的排放口1706。流体、悬浮液、液体/气体混合物或其它可泵送/可压缩材料1104进入泵和/或压缩机1704的吸入端1710。调节三通阀1702以在五个模式操作等离子体电弧枪100或1100，同时使用线性致动器114调节第一电极112。

操作模式1：等离子体电弧

a.来自泵/压缩器1704的压缩和/或加压流体1104流入三通阀1702a，然后进入等离子体电弧枪100或1100。

b.三通阀1702b完全打开以允许流体流出等离子体电弧枪100或1100并流向出口1708b。

c.三通阀1702c完全打开以流向出口1708c。

d.确保(-)第一电极112完全短路至(+)中空电极喷嘴106。

e.确保建立涡流辉光。

f.打开电源130。

g.使用线性致动器114拉回(-)第一电极112以建立电弧。

h.电弧从(-)转移至(+)。

i.流动通过(+)中空电极喷嘴106的涡流气体形成等离子体。

j.可以通过出口1708c排放非常少的等离子体。

k.可以调节三通阀1702b以增加/减少流动通过(+)中空电极喷嘴106和出口1708c的等离子体。

l.可以关闭三通阀1702b以使所有的流体流入(+)中空电极喷嘴106和出口1708c。

操作模式2：电阻加热

a.来自泵/压缩器1704的压缩和/或加压流体1104流入三通阀1702b，然后进入等离子体电弧枪100或1100。

b.三通阀1702a完全打开以允许流体流出等离子体电弧枪100或1100并流向出口1708a。

c.调节三通阀1702b以允许流体非常缓慢地流入等离子体电弧枪100或1100。

d.关闭三通阀1702c。

e.(-)第一电极112完全短路至(+)中空电极喷嘴106。

f.打开电源130。

g.开启电阻模式。

h.蒸气通过三通阀1702a和出口1708a放出。

操作模式3：埋弧

a.阀与上述操作模式2保持一致。

b.电源130仍然打开。

c.缓慢地从(+)中空电极喷嘴106中抽出(-)第一电极112。

d.系统从电阻加热模式转入埋弧模式。

e.可以打开三通阀1702c以允许来自泵/压缩器1704的加压流体流动通过(+)中空电极喷嘴106并进入等离子体电弧枪100或1100。

f.蒸气通过出口1708a从等离子体电弧枪100或1100放出。

操作模式4：电解

a.阀与上述操作模式2保持一致。

b.电源130仍然打开。

c.使用线性致动器114进一步缓慢地从(+)中空电极喷嘴106抽出(-)第一电极112。

d.系统从埋弧模式转入电解模式。

操作模式5：辉光放电

a.阀与上述操作模式2保持一致。

b.电源130仍然打开。

c.使用线性致动器114进一步缓慢地从(+)中空电极喷嘴106抽出(-)第一电极112。

d.监测电源130的电压。

e.当电压增加至开路电压(“OCV”)时，系统以辉光放电模式操作。

f.电流将减小。

g.可以调节三通阀1702b和三通阀1702c以允许加压流体通过三通阀1702b或者三通阀1702c进入等离子体电弧枪100或1100，和/或调节三通阀1702b和三通阀1702c从而使用泵/压缩器1704使流体再循环流动。

e.蒸气从等离子体电弧枪100或1100放出并离开出口1708a。

如图18和19所示，通过将各种设备1802附接至中空电极喷嘴106的外部或者三通阀1702c，等离子体电弧枪100或1100可以适用于许多应用。例如，附件1802的部分列表包括旋风分离器1802a(入口、涡旋收集器、上溢或下溢)、蜗壳1802b、泵/压缩器1802c、过滤网1802d、喷射器/引射器1802e、四通1802f、螺旋加料器1802g、阀1802h、三通1802i、电极&线性致动器1802j、波导1802k或者RF线圈1802l，它们可以单独地或者其任意组合地附接至(+)阳极喷嘴106。其它设备1802可以包括，但不限于容器、法兰、封盖、闸门、电极针、注射器、螺旋压力机、螺旋钻、活塞加料器、搅拌器、挤压机、T-燃油锅炉、焦炭塔、气化炉、管道、导管、管、浸没熔炼炉、回转炉、火箭喷嘴、热氧化器、旋风燃烧器、预燃室、冰状旋入汽缸、燃烧室、脉冲爆震发动机、燃烧排气管/烟囱、热氧化器、照明装置、水槽、原始污水管道、废水流入/流出管道/导管、厌氧消化池流入/流出管道、沉淀物挤压/离心入口/出口管道、可饮用水管道使用点或进入点、水存储槽、CNC切割/焊接台、直接接触热水器、湿氯气管线/管道、O&G水源、O&G产出水管道、船舶压载水管线、发动机燃料管线、泡沫浮选入口/出口、导管内扩展槽/容器、浸没槽/容器、多孔管、楔形丝网、井管滤网、过滤器、活性炭过滤器、陶瓷过滤器、催化裂化催化剂回收管线、医用真空抽吸泵、冷却塔管道、蒸汽分离器、过热器、锅炉水给水管道、RO注射管道、真空室入口/出口、灰水排放管道、船舶压载水入口/出口管道、舱底水入口/出口管道、盥洗室排放管道、研磨机/粉碎机/碎渣机排放管道、和/或厨房洗涤槽垃圾处理出口管道、用于氢气缓解的核反应堆安全壳(氢气点火器)、红外加热元件/管道、进料加热器、火炉和/或焦炭煅烧炉。可以理解，将设备1802附接至中空阳极喷嘴106的耦合部件可以选自本领域公知的任意类型的耦合设备，除了使用具有诸如清洁型夹具的快速连接器的旋风分离器以外，还包括法兰、快速连接器、焊接。

图19展示了一些设备1802如何连接至等离子体电弧枪100。系统1900是具有附接至中空阳极喷嘴106外部的旋风分离器1802a和附接至旋风分离器1802a的蜗壳1802b的等离子体电弧枪100或1100。系统1902是具有附接至中空阳极喷嘴106的外部的过滤网1802d的等离子体电弧枪100或1100。系统1904是具有附接至中空阳极喷嘴106的外部的喷射器/引射器1802e的等离子体电弧枪100或1100。系统1906是具有附接至中空阳极喷嘴106的外部的三通1802i和附接至三通1802i的螺旋给料器1802g的等离子体电弧枪100或1100。系统1908是具有附接至中空阳极喷嘴106的外部的三通1802i、以及附接至三通1802i的螺旋钻1914和旋风分离器1802a的等离子体电弧枪100或1100。系统1910是具有附接至中空阳极喷嘴106的外部的三通1802i和附接至三通1802i的具有线性致动器1802j的阳极电极的等离子体电弧枪100或1100。如同样在图12中所示的，具有线性致动器1802j的阳极电极1102与阳极喷嘴106结合形成止回阀以允许控制流体流入/流出(+)阳极喷嘴。

本发明的等离子体电弧枪100以五种模式被测试并且用耦合至(+)阳极喷嘴的各种附件操作。现在描述这些测试的结果。

蒸汽等离子体电弧模式

参照图17，三通阀1702a和11702b连接至图1所示的等离子体电弧枪100的切向入口118和切向出口136。在测试过程中，使用如图示附接的三通阀1702b，当阀1702b被完全闭合时，图1所示的等离子体108从等离子体电弧枪100排放，并且使用光学高温计测量。当图6和7所示的单元500产生气体时，等离子体108的温度被测量为在+3000℃(+5400℉)。如果仅仅使用空气，等离子体108被测量为在+2100℃(+3800℉)。利用附接至等离子体电弧枪100的陶瓷三通1802i操作系统。同样地，过滤网1802d附接至等离子体电弧枪100。在附接至等离子体电弧枪100之前，将制粒机产生的木材颗粒置于过滤网1802d中。蒸汽等离子体完全炭化木材颗粒。具有附接的过滤网1802d的等离子体电弧枪100特别地用于远程的和/或独立的水处理和黑水(未加工污水)应用。

电阻加热/完全短路模式

通过使用电源130将阴极112完全短路至阳极喷嘴106来在关闭状态下启动等离子体电弧枪100或1100。然后，通过缓慢运转泵1704来部分填充容器104。接下来，打开电源130以允许系统在电阻加热模式操作。这种系统的优势在于，如果水和/或废水中存在氯化钠，可以防止诸如氯气的气体形成。流体、水和/或废水被热处理，这通常被称为巴氏杀菌。

埋弧氧化和燃烧模式

如果系统要以埋弧模式操作，那么简单地将阴极112从阳极喷嘴106抽出。埋弧将立即形成。通过分解水将产生诸如氢气和氧气的不凝结气体。为了帮助在电弧周围形成气体涡旋，使用注射器(未示出)在泵和入口1702a或1702b之间加入气体，该气体例如但不限于甲烷、丁烷、丙烷、空气、氧气、氮气、氩气、氢气、二氧化碳、氩气、沼气和/或臭氧或者其任意组合。然而，众所周知，当被UV光照射时，过氧化氢会转换为氧气和水。因此，等离子体电弧枪100或1100会将过氧化氢转换为自由基和氧气以作为高级氧化系统来操作。

另一方面，本发明的埋弧模式非常适合浸没燃烧。众所周知，浸没燃烧对于加热流体是非常有效的。同样地，公知并可以理解的是，气体和冷凝物伴随重油从油气井产生。此外，含油砂泡沫浮选过程产生具有残留溶剂和沥青的尾渣和废水。遗留在产出水和/或泡沫浮选过程中的剩余矿物燃料可以有利地用于本发明。因为等离子体电弧枪100或1100是旋风分离器，那么轻烃将到达等离子体中心。结果，通过将空气喷射入等离子体电弧枪100或1100，其可以被操作为埋弧燃烧器。

例如，为了确保电弧不被熄灭，第二电极1102可以被增加至等离子体电弧枪100或1100，如系统1910中所示的(图19)。空气和/或空气/燃料混合物可以流入三通1802i并转化成旋转等离子体电弧火焰。待加热的流体将进入一个蜗壳，同时连同热燃烧气体离开另一蜗壳。另一方面，空气/燃料可以被加入进入等离子体电弧枪100或1100的流体。三通阀1702b将关闭。因此，燃烧气体和水的混合物将流动通过阳极喷嘴并离开三通1802i。蜗壳1802b或旋风分离器1802a可以代替三通1802i使用。如果使用旋风分离器1802a，那么等离子体电弧枪100或1100可以在将等离子体射进旋风分离器1802a内的水的涡流的涡旋中时被操作为枪。第二(+)电极1102的优势是确保电弧保持居中并且不会熄灭。来自三通1802i、蜗壳1802b或旋风分离器1802a的排出物将流入槽(未示出)或立管，从而允许热量完全混合并且从非凝结气体泡沫转移至水/流体。

电解模式

为了过渡至电解模式，电极112从阳极喷嘴106或阳极电极1102缩回预定距离。如图3所示，可以通过记录电源的电流和电压很容易地确定该距离。通过缓慢运转泵1704或使用变速驱动泵使液体流入等离子体电弧枪100或1100以维持常数液体水平，液体水平1106保持不变。

虽然未示出，如果容器由导电材料构造，接地夹具可以固定至容器104以保持容器104和阴极112之间的等距间隙420。然而，为了安全，在阳极喷嘴106和阴极112之间保持等距间隙420并且电隔离容器104。玻璃和/或陶瓷衬里容器和管道广泛用于许多产业。

如果氯化钠存在于或者被添加至水中，以电解模式操作允许氧化剂特别是次氯酸钠(漂白剂)的产生。漂白剂通常用于海上生产平台，用于消毒船翼水、可饮用水和未处理污水。尽管在(+)阳极喷嘴106和(-)阴极电极112之间和二者之间的等距间隙420中发生电解，但是本发明克服了与用于生产平台和船舶为压载水消毒的电解剂有关的问题。

通过安装两个或多个等离子体电弧枪100或1100，可以使一个电弧枪以埋弧燃烧模式操作，而另一电弧枪以电解模式操作。如图19所示，浸没等离子体电弧燃烧器1910将被配置为具有三通1802i和电极1802j，而空气喷射器将抽取等离子体电弧枪100或1100产生的氢气。使用燃烧模式的等离子体电弧枪100或1100的另一优势在于：等离子体电弧和电极产生的紫外(“UV”)光将除去水中的氯，从而摆脱向水中添加还原剂。

通过将等离子体电弧枪100或1100附接至普通的过滤容器可以构造简单而有效的未处理污水系统，其中，过滤网直接耦合至等离子体电弧枪100或1100。参照图19，在系统1902中，等离子体电弧枪100或1100耦合至过滤网1802d。然后将过滤网1802d插入普通的过滤容器直到过滤网1802d法兰。以电解模式操作等离子体电弧枪100或1100以允许未处理污水流动通过阳极喷嘴并进入过滤网。固体将被限制在过滤网中。

可以用多种方法清洗过滤网。首先简单地反冲洗过滤网。然后，通过将等离子体电弧枪100或1100简单地置于等离子体电弧模式并使用空气等离子体蒸汽重整固体或者焚烧固体而清洗过滤网。然而，可以使用允许反冲洗和辉光放电结合的第三种模式。

辉光放电模式

为了过渡至辉光放电模式，通过调节三通阀1702b而降低液体水平1106，直到等离子体电弧枪100或1100进入辉光放电。这很容易通过观察电压和电流来确定。当在辉光放电时，电源电压将处于或者接近开路电压。然而，为了迅速地从电解过渡至辉光放电，阴极电极被抽回直到电源处于OCV。这可以通过经由观察窗观察辉光放电或者观察电压表来确定。

该新的特征也允许故障安全操作。如果泵1704关闭或者流体停止流动，那么所有的水将通过等离子体电弧枪100或1100的阳极喷嘴106排出。电流动将会停止，因此该系统将不会产生诸如氢气的任何气体。

为了控制液体水平，使用变速驱动泵结合三通阀1702c来控制液体水平，从而保持并操作在辉光放电模式。另一故障安全特征，例如弹簧，可以被加入线性致动器以使系统故障时阴极完全缩回。

操作模式可以相反地从辉光放电模式至电解模式，再到电弧模式，然后到电阻加热模式。简单地从阴极112在容器104中的水平面1106之上开始，然后缓慢地降低阴极112以接触液体的表面，等离子体电弧枪100或1100将立即进入辉光放电模式。连续地降低阴极112将使系统转换至电解模式，再到电弧模式，然后到电阻加热模式。

现在操作等离子体电弧枪100或1100作为等离子体枪，水/液体流可以被倒转并排出，三通阀1702c被完全打开以允许等离子体从等离子体电弧枪100或1100排出。增加阳极电极1102将帮助保持电弧。然而，如果水中携带足量的气体并且形成气体涡旋，那么水/流体可以流动通过以等离子体电弧模式的等离子体电弧枪100或1100。

虽然这种配置不需要颗粒介质，但是可以理解，可以添加颗粒材料以提高性能。同样地，之前没有被公开的是该配置总是通过逆转通过系统的流动来净化容器并移除颗粒介质。参照图1，出口136用作入口而入口120用作出口。该配置可用于任何流体，不管其密度比流过系统的水和/或液体的密度更高或更低。如果材料密度大于液体的密度，颗粒材料将流过120。如果材料密度小于液体密度，那么它将流过喷嘴。

特别地，当前迫切需要解决的远程应用是可饮用水处理和黑水(未处理污水)处理。例如，可以在海上钻井装置、海上生产平台、船舶、船舱、营地、军事标杆/军营、沙漠和/或干旱环境中的小村庄、以及不具有集中的水和废水处理设施的一些发展中国家发现远程水和废水应用。另一远程应用是从风能和太阳能电场产生电。同样地，不在生产中的诸如搁浅气体的油气井可以被认为是远程应用。同样，在诸如飓风或海啸的自然灾害之后，诸如垃圾/废物回收、水处理和废水处理设施的基础服务可能会被破坏，因此，除了处理废物的积累，还迫切需要水消毒和未处理污水处理。

本发明的发明人使用ESAB EPW 360电源测试了这种配置。EPW 360是以18,000赫兹的频率操作的“斩波器”型DC电源。上述配置将电压保持在非常稳定的状态。使用阀调节排放物134。不管阀被打开，关闭或者调节，电压都保持非常稳定。同样地，EPW 360电流控制电位计被调节至小于30安培，而电极被置于保持80伏特。这等于大约2,400瓦特的额定功率。EPW 360在360VDC的开路电压的额定电流为360安培。在129,600瓦特DC的最大额定功率下，那么129,600÷2,400＝54。

结果，本发明的等离子体电弧枪100清晰地展示了：不需要诸如第二高频电源的额外的电控制器，额定功率降低了54倍。这在等离子体枪领域是闻所未闻的。例如，市售的Pyrogensis是在8-25kW(3：1的调低率)的范围内操作的25kw枪。此外，本发明的等离子体电弧枪100不需要任何冷却水。Pyrogensis枪需要用去离子水冷却。使用去离子(“DI”)水，因为DI水首先流入一个电极，然后进入枪的防护物或另一部分。结果，使用DI水以避免从阴极经由冷却介质向阳极导电。此外，排损是使用间接冷却等离子体枪的另一障碍。间接冷却等离子体枪可以将超过总输入功率的30％排放至冷却流体。

图1，6，7所示的等离子体电弧枪100是液体/气体分离器和极端蒸汽过热器，当等离子体电弧枪100耦合至辉光放电单元500和/或任意的蒸汽源时形成电离的蒸汽/氧气等离子体。如图6和7所示，可以很容易地通过操纵阀604和606来控制等离子体电弧枪100。此外，图1所示的等离子体电弧枪100与反吹枪类似。例如，通过调节线性致动器114，(-)负电极112将与(+)阳极喷嘴106完全短路并且关闭通过(+)阳极喷嘴106的流动。然而，通过增加排放物134的控制阀604，允许等离子体电弧枪100以电阻加热模式操作。

现在参照图20，其示出了用于在旋风反应器内连续馈送电极的系统、方法和装置。例如，电极馈送器A沿100的纵轴同轴并反向馈送第一电极。另一方面，电极可以如所示地通过电极馈送器B彼此垂直地馈送。可以理解，为了处理已经被预处理的馈送材料，可能需要仅一个多模式枪100，被预处理的馈送材料例如来自重油、沥青或石油焦炭汽化炉的淬火滤饼。同样地，来自延迟焦化装置的石油焦炭很容易使用本发明的系统、方法和装置进行等离子体蒸汽重整。

用于预处理来自含油砂气化炉的高水分滤饼的优选方法是使用电磁辐射(EMR)。特别地，优选的EMR在射频频谱内，而更特别的在微波范围内。特别地，理想的频率范围从915MHz到2.45GHz。

众所周知并很好理解的是，极性材料将吸收微波和例如等离子体的电离气体。图22公开了用于增强等离子体和/或耦和至等离子体和待处理材料的理想反应器。图21A公开了微波顶部注入旋风反应器，而图21B公开了微波侧面注入旋风器。

返回图6，用于本发明的理想的旋风分离器606在图20和图21公开。特别地，图21公开了组合4个入口/出口以稳定流体的旋转涡流的多入口或多出口旋风器。

此外，参照被披露为图1的第一端116和第二端118的切向入口蜗壳，图21A和21B公开了理想的涡流发生器，通常被称为涡旋发生器或旋风分离器。多个入口/出口允许稳定涡流而不形成通常在单入口旋风器中的压力梯度。此外，许多旋风器使用内蜗壳(involute)以增强物质的分离。然而，在壁流体弯曲界面处，内蜗壳馈送外壳容易腐蚀。另一方面，本发明使用彼此影响的流体喷射速度以防止壁腐蚀，同时也消除压力梯度。单入口旋风分离器产生压力梯度，密度较小的流体的甩尾离开并甩出180旋风分离器的入口。在许多应用中，压力梯度不会影响旋风器的操作。

然而，当稳定和定心电弧是关键的时候，产生压力梯度会使等离子体的涡流中心失稳。结果，电弧可能被熄灭，或者在更糟糕的情况下，电弧可能被推离阳极喷嘴并且转移至壁或容器。这可能使得反应器容器熔化。因此，如图20和21所示的，使用陶瓷电绝缘体。

当图21所示的多入口/出口陶瓷旋风器用作图6所示的旋风器601时，注入旋风器的等离子体可以增强并且与RF能量耦合。然而，关键的是，陶瓷对于915Mhz到2450Mhz(2.45GHz)的微波频率范围内的EMR是可渗透的或者是透明的。可以理解，微波可以直接被注入回旋流体的孔眼或者通过对微波透明的陶瓷的一侧。容器的壳应当由微波屏蔽或不透明材料构成。

图22公开了用于将微波和滤饼共同直接注入涡流等离子体的系统、方法和装置。微波在进入回旋流体的孔眼之前预处理材料。波导垂直于滤饼的轨迹引导微波。螺旋馈送器直接将材料推入等离子体的孔眼。

现在转到图23，共同注射的微波和滤饼可以被直接馈送入等离子体，然后流入旋风分离器并且允许在注入旋风分离器100之前预处理过滤焦炭。

图24公开了用于将来自枪100的等离子体直接注入旋风分离器的孔眼的系统、方法和装置。诸如滤饼的馈送材料首先使用射频范围，特别是微波频率范围内的EMR预处理，然后使用诸如螺旋馈送器的输送部件直接注入热电离等离子体气体流。淬火流体可以用于淬火等离子体和供给材料之间的反应。

现在转到图25，同时参照图21，诸如滤饼或石油块的馈送材料可以通过切向入口注入旋风分离器。同样地，馈送材料可以在注入等离子体之前使用微波预处理。

图26公开了用于连续操作等离子体枪的系统、方法和装置。通过安装第二阳极电极和线性致动器，电弧可以从100的第一电极转移至阳极喷嘴，然后到达阴极电极。这允许极高的调节比。

示例8-具有阳极电极、线性致动器的枪

如下具有预料不到的结果的示例将清晰地展示一种新型和非显而易见的多模式等离子体枪。如图1和图11所示的枪电连接至ESAB ESP 150等离子体电弧电源(“PS”)。ESP 150PS经过改进从而以与完全短路类似的负荷箱模式(load bank mode)操作。由于电弧在阳极喷嘴周围跳跃，所以图1所示的枪利用电压尖峰操作，这是典型的非转移弧枪。维持电弧所需的最小电流是50安培。

然而，如图11所示，当增加额外的阳极电极1102时，电流电位计被旋转至其最小位置，在该位置电流负载小于30安培。如果电焊工的头盔具有#13防护物，那么电弧被明显看到并且确实在碳气刨电极之间转移。电弧被保持在稳定状态。这再次允许不限流速的流体通过阳极喷嘴而不熄灭电弧。

示例9-用于锻烧和蒸汽重整石油焦炭的混和微波预处理枪

含油砂气化炉产生的含水量为85％的压榨滤饼形式的石油焦炭利用图6所示的的空气等离子体枪燃烧，空气等离子体枪使用图20和21所示的多入口/出口旋风器。焦炭在几秒钟内变红热，但是起热绝缘体的作用。然而，因为石油焦炭颗粒是由大块分裂得到的，所以颗粒与颗粒碰撞使大块粉碎。当暴露至空气等离子体时，较小的颗粒立即变红热。因此，这提出一种用于处理石油焦炭和滤饼的系统、方法和装置，其中，石油焦炭在精炼厂中由延迟焦化装置制造，而滤饼由气化含油砂沥青产生的淬火合成气制造。

接下来，将石油焦炭置于感应线圈内，感应线圈由Ambrel 50/30感应电源供电。EKOHEAT PS的额定值为：

最大功率(kW)50

频率(kHz)15-45

线电压(Vac)360-520，3ph

最大输入(kVA)58

上述频率范围内的RF不耦合至石油焦炭。石油焦炭对15-45kHz频率范围内的EMR是透明的。

然后，将来自同一批石油焦炭的包含钒和镍的样本置于在2.45GHz的频率操作的标准微波炉中。在给微波炉供能的几秒钟内，电弧和火花在炉内闪光，产生亮白色的闪光。炉被操作15秒。在打开门之后，石油焦炭波动并且闪烁着红热的点。

然后，将样本压碎再放回微波炉。当与第一样本相比较和对比时，接下来所发生的是完全预料不到的。石油焦炭开始变红热然后突然变成橙色火焰。几秒钟内，橙色火焰转变成蓝色火焰。

通过用覆盖样本以排除空气，实施了另一测试。将具有覆盖物的石油焦炭样本放回微波炉并且辐射15秒。观察到初始的橙色火焰仅持续了几秒钟就熄灭，并且石油焦炭在缺氧情况下开始变红热。

将样本从微波中取出并空气冷却2小时。然而，2小时之后，在压碎的石油焦炭样本中，颗粒仍然红热。

在注射至等离子枪之前进行的微波预处理过程步骤提出了一种用于锻烧、氧化和蒸汽重整的全新的系统、方法和装置。非常简单地通过将微波耦合至石油焦炭并允许任何微波泄露以辐射等离子体电弧允许一种高效的并且几乎不泄露的混合微波等离子体枪。在最简单的说明中，包含煤炭的任意类型的石油焦炭可以用作接受器以引发和维持等离子体。将蒸汽等离子体加入预处理的红热石油焦炭实现用于产生大量氢气和/或合成气的系统。

示例10-混合微波辉光放电蒸汽/氢气水气系统

如前面所公开的，仅使用微波将石油焦炭加热至红热。同样地，图4和5所公开的固体氧化物高温辉光放电单元可以产生大量的蒸汽/氢气。结果，这提出一种用于基于所需的最终产品处理石油焦炭的完全非显而易见的和独特的系统。

返回图22-26，当以辉光放电模式操作时，会产生蒸汽和氢气。蒸汽/H2混合物离开喷嘴V3并立即与被微波辐射的红热的焦炭接触。因此，这种新的过程是用于产生水气的独特的方式，例如：

H2O+C→H2+CO(AH＝+131kJ/mol)

如果需要蒸汽等离子体，那么多模式枪被转换至等离子体电弧模式。另一以辉光放电模式操作的多模式枪将被置于上游以产生蒸汽/H2用于以等离子体电弧模式操作的

图6公开了这种配置，其中100和旋风器610被图20至27所公开的配置中的任意一个代替。为了实施本发明，作为图6的改进，选自图18的附件设备将是微波波导、螺旋馈送器(螺旋钻)和旋风器。

图27公开了用于将额外的EMR和热增加至气体蒸汽的部件，通过加热具有感应线圈的阳极喷嘴，气体蒸汽离开V3。这可以保护阳极喷嘴并且简单地使用RF能量加热石墨喷嘴。

图28公开了串联以形成独特系统的两个该独特系统以不同的模式操作两个相同的多模式等离子体枪。

图29公开了使用两个管道串联的的另一配置，可以根据应用和所需的最终产品以不同的模式操作两个

图30公开了用于燃烧和淬灭多模式等离子体枪的产物的部件。通过将枪100附接至外围喷射的引射器/喷射器，当淬火流体流入第二压缩器和/或泵时，产物可以被淬灭。然而，通过使空气经由第二压缩器流入外围喷射引射器/喷射器，合成气可以被热氧化或者燃烧。极热的火焰将以非常高的速度离开外围喷射引射器，这可以用于冲击(thrust)、加热和旋转能量。

图31公开了用于通过沿多模式枪的纵轴对齐的螺旋钻和针电极逆流待处理的流动材料的部件。返回图11和示例8，额外的针电极允许高调节比。外围喷射引射器/喷射器允许基于所需方案快速淬火或热氧化。虽然未示出，但是如果以辉光放电单元(“GDC”)GDC模式操作，在将微波注入蒸汽等离子体或仅注入蒸汽之前，微波可以被再次引入针管以预处理诸如石油焦炭的材料。

示例11-反吹枪

图32A公开了与图1所示的枪类似的独特配置，其使用图15所示的可以被操作为反吹枪的电极和活塞配置。回吹等离子体枪是众所周知并且容易理解的。在活塞后面包含弹簧使得电极活塞与电极喷嘴接触，从而以完全短路模式操作。虽然未示出，可以使用线性致动器单独地控制电极棒。当需要以其它模式操作时，调节切向出口中的阀，这迫使电极活塞远离电极喷嘴。例如如果空气或蒸汽流入枪内，那么将在电极棒、电极喷嘴和电极等离子体之间形成等离子体电弧。

如前所述，反吹枪和所有其它等离子体枪的主要问题在于缺乏对等离子体气体的调节。在气体进入枪之前调节气体。然而，本发明的反吹枪在排放切向出口调节气体。结果，这引起高的调节率。同样地，电极活塞允许以前述任意模式操作-电阻加热、等离子体电弧、辉光放电、电解和埋弧。

现在参照图32B，通过用液压/气动口代替弹簧并且将电极活塞与电极棒电隔离，该系统可以用两个单独的电源供电。因此，这允许以单独的多模式操作相同的系统。例如，通过将图11所示的另一电极棒1102增加至电极喷嘴的排放口，然后电极喷嘴和电极活塞可以使用电解液以辉光放电模式操作，同时两个电极棒可以以等离子体电弧模式操作以将蒸汽/H2混合物转化成蒸汽/H2等离子体。这种配置不需要等距间隙之间有固体氧化物。

示例12-3相枪

到目前为止，本发明已经公开了使用DC电源的情况。然而，图33B所公开的发明允许以交流电(“AC”)操作，将三个电极、电极棒、电极活塞和电极喷嘴分别电连接至位于表面的AC源的3线电源线的L1、L2和L3。

示例13-多模式等离子体电阻

图34公开了使用多模式枪100作为串联电路内的电阻的新型和非显而易见的液体电阻。液体电阻是众所周知并且容易理解的。同样地，电阻式线型电阻是众所周知并且容易理解的。

线电阻通常产生废热。同样地，液体电阻产生蒸汽和/或热水作为废热。包含电阻的电源通常不被设计为使用废热。然而，本发明清晰地展示了多模式枪可以从电解液制造蒸汽/H2。同样地，当以辉光放电模式操作枪100时，它以非常容易预测的方式操作。例如，利用图4和5所示的枪100和设备操作ESAB ESP 150。当被操作为辉光放电单元(“GDC”)时，唯一必要的控制参数是泵或线性致动器或二者的组合。

参照图3所示的图，液体水平确定电流(安培)。同样地，用于图12所示的配置的电极深度将确定电流和电压。控制液体水平和电极深度将通过改变电压和电流精确控制电阻的改变。因此，使用本发明作为可变电阻，具有通过使用蒸汽/H2混合物作为单独的枪100中的等离子体气体以恢复热量的能力，或者用于通常的加热目的。

示例14-用于热、氢气和380VDC建筑物的可变等离子体电阻

本发明的可变等离子体电阻(“VPR”)的示例性应用是将3相AC改进为380VDC。现在转到图35，可变等离子体电阻可以与负载特别是380VDC负载并联配置。通过使水以低水位在VPR内流动，当在稳定状态下操作为GDC时，因为仅使用少量的电流，所以产生少量的热用于宾馆服务，同时为建筑物提供全电流负载。当需要更多的热量时，在VPR中增加水，从而增加蒸汽/H2产物，但是减小了380VDC建筑物的可用电流。

示例15-使用可变等离子体电阻加热器提高井内采油率

图36公开了用于提高采油率的独特系统、方法和装置。返回示例4，图4和5的GDC公开了用于产生蒸汽以提高采油率(“EOR”)的表面方法。该设备特别适合于使用DC电源的蒸汽的表面产物。由于电压降，从电源到枪的DC电引线被限制长度。

然而，当二极管(整流器)被本发明的GDC包封时，井内加热工具的直径应当足够小以插入井眼内。因此，可以使用从GE、Boret和Schlumberger获得的可广泛获得的井内电缆为集成整流可变电阻等离子体加热器提供AC电。同样地，通过选择合适的电解质用于构造，通过产生不凝结气体，可以产生氢气、蒸汽和CO2以用于维持构造内的压力。

示例16-等离子体模式的等离子体钻孔

图36所示的配置可以用于产生真正的井内等离子体电弧。首先，利用单独GDC在表面产生蒸汽，然后蒸汽将流入井内进入等离子体工具进行等离子体钻孔。这允许通过熔化构造并产生熔渣消除通常在钻探装置中发现的整个泥浆系统，这引起初始孔体积的90％的体积减小。在之前的测试中，本发明的发明人熔化钻屑并获得90％的体积减小。结果，熔化的熔渣将形成陶瓷型外壳。理想的设计可以是图32和33所示的反吹活塞或者气动/液压活塞。

图37公开了3相AC等离子体ArcWhirl井内工具，其也可以用于井内蒸汽生成以用于EOR或者用于等离子体钻井。图33B所示的可以利用3相AC电源操作。同样地，图11可以被配置为利用3相AC电源操作。

图38公开了新型材料处理系统，其使用与大的枪并联的可变等离子体电阻(VPR)。大部分DC电流将流入碳电极112和碳电极喷嘴(未示出)，同时，VPR-1至VPR-4与碳电极112并联，而喷嘴单独操作以产生蒸汽、氢气、消毒水、臭氧、空气等离子体、氧气等离子体和热水，它们将通过各自的出口被排放进大的枪。

示例17-用于将碳电弧气刨枪转换为等离子体枪/焊机的等离子体工具

图39公开了用于将碳电弧气刨枪改进并转换为枪的系统、方法和装置。具有等离子体改进工具的碳电弧气刨枪现在可以以多模式操作以用于碳电弧气刨、等离子体气刨、等离子体焊接、等离子体打标、等离子体喷涂、等离子体涂覆和等离子体切割应用。

现在转到图39，诸如N7500系统的碳电弧气刨枪通过枪头喷嘴耦合至的第一端116。结果，气刨枪成为用于100的电极外壳122和线性致动器114。

等离子体转换工具现在允许标准现成的碳电弧气刨枪被操作为非转移等离子体电弧枪、等离子体焊机、等离子体喷涂机、等离子体切割机和等离子体打标机。当附接至以辉光放电模式操作的相同的等离子体时，该系统可以利用蒸汽/氢气等离子体操作。这为切割铸件冒口、等离子体蒸汽/氢气切割厚钢板和铝板、蒸汽等离子体预热钢包、蒸汽等离子体热处理和蒸汽等离子体重组的成本降低开启了大门。

此外，等离子体气刨和焊接枪可以被操作为惰性蒸汽/氢气等离子体焊机。例如，碳电极将被钨电极代替。使用蒸汽/氢气气体压缩等离子体电弧。等离子体枪与所有其它等离子体枪的不同之处在于使用排放阀调节通过喷嘴的气体。这允许极高的调解率，同时也允许基于离开喷嘴的等离子体气体的速度焊接或切割。非常简单地，为了焊接，调节阀将被完全打开从而允许等离子体喷射低速离开喷嘴。为了等离子体切割，关闭调节阀以迫使通过喷嘴的所有气体产生极高速的等离子体喷射用于将熔渣分离并吹走。

示例柯恩达效应等离子体

图40公开了使用柯恩达效应使等离子体缠绕石墨电极的独特系统、方法和装置。柯恩达效应是流体喷射被附近的表面吸引的趋势。该原理后来以罗马尼亚空气动力学开拓者Henri Coandǎ的名字命名，Henri Coandǎ最先认识到该现象在飞机研发中的实际应用。双枪100将电弧耦合至石墨电极，从而允许具有极稳电压的24/7操作。等离子体缠绕石墨电极并且进入柯恩达等离子体间隙39108。待处理的材料直接送入等离子体间隙39108。

图41公开了使用柯恩达效应将电弧转移至石墨电极从而保持并约束等离子体的另一系统、方法和装置。虽然示出了两个枪，但是可以理解，柯恩达效应等离子体系统仅需要一个枪。枪自身附接至中心石墨电极，同时，等离子体缠绕电极。因此，这允许提供在枪内的一大的中心电极和多个较小电极以连续操作。

前述以优选的和可替代的实施例和变形对本发明的装置和方法的描述，以及针对本发明可以被有益地使用的过程的前述示例是示意性的并且不意于限制本发明。本发明很容易在本发明的整个范围内更进一步的变形和替代，如在下述权利要求中所列举的。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种多模式等离子体电弧枪，包括：

具有第一端和第二端的圆柱形容器；

连接至或接近所述第一端的第一切向入口/出口；

连接至或接近所述第二端的第二切向入口/出口；

电极外壳，其连接至所述圆柱形容器的第一端以使得第一电极(a)与所述圆柱形容器的纵轴对齐，以及(b)延伸进入所述圆柱形容器；

中空电极喷嘴，其连接至所述圆柱形容器的第二端以使得所述中空电极喷嘴的中心线与所述圆柱形容器的纵轴对齐；以及

其中，调节所述电极相对于所述中空电极喷嘴的位置使得所述多模式等离子体电弧枪以完全短路电阻模式、埋弧模式、电解模式、辉光放电模式或等离子体电弧模式操作。

2.根据权利要求1所述的多模式等离子体电弧枪，还包括布置在所述中空电极喷嘴和所述圆柱形容器之间的非导电颗粒材料。

3.根据权利要求2所述的多模式等离子体电弧枪，其中，所述非导电颗粒材料包括大理石、陶瓷珠、分子筛介质、砂、石灰岩、活性炭、沸石、锆、氧化铝、岩盐、坚果壳或木屑。

4.一种多模式等离子体电弧枪系统，包括：

等离子体电弧枪，包括：

具有第一端和第二端的圆柱形容器；

连接至或接近所述第一端的第一切向入口/出口；

连接至或接近所述第二端的第二切向入口/出口；

电极外壳，其连接至所述圆柱形容器的第一端以使得第一电极(a)与所述圆柱形容器的纵轴对齐，以及(b)延伸进入所述圆柱形容器；

中空电极喷嘴，其连接至所述圆柱形容器的第二端以使得所述中空电极喷嘴的中心线与所述圆柱形容器的纵轴对齐；以及

其中，调节所述电极相对于所述中空电极喷嘴的位置使得所述多模式等离子体电弧枪以完全短路电阻模式、埋弧模式、电解模式、辉光放电模式或等离子体电弧模式操作；

泵/压缩器；

第一三通阀，其连接至所述第一切向入口/出口和所述泵/压缩器的排放口；

第二三通阀，其连接至所述第二切向入口/出口和所述泵/压缩器的排放口；以及

第三三通阀，其连接至所述中空电极喷嘴的外端和所述泵/压缩器的排放口。

5.根据权利要求4所述的多模式等离子体电弧枪系统，还包括布置在所述中空电极喷嘴和所述圆柱形容器之间的非导电颗粒材料。

6.根据权利要求5所述的多模式等离子体电弧枪系统，其中，所述非导电颗粒材料包括大理石、陶瓷珠、分子筛介质、砂、石灰岩、活性炭、沸石、锆、氧化铝、岩盐、坚果壳或木屑。

7.根据权利要求4所述的多模式等离子体电弧枪，还包括线性致动器，所述线性致动器可操作地连接至所述第一电极以调节所述第一电极相对于所述中空电极喷嘴的位置。

8.根据权利要求4所述的多模式等离子体电弧枪，所述圆柱形电极的第一端的第一内直径大于所述圆柱形电极喷嘴的第二端的第二内直径。

9.根据权利要求8所述的多模式等离子体电弧枪，所述第一内直径和所述第二内直径形成扩孔。

10.根据权利要求8所述的多模式等离子体电弧枪，还包括在所述圆柱形电极内的第一锥形部分，所述第一锥形部分从所述第一内直径过渡至所述第二内直径。

11.根据权利要求8所述的多模式等离子体电弧枪，还包括在所述圆柱形电极内的第二锥形部分，所述第二锥形部分在所述圆柱形电极的第一端从所述第一内直径过渡至第三内直径，其中，所述第三内直径大于所述第一内直径。

12.根据权利要求4所述的多模式等离子体电弧枪，所述中空电极喷嘴具有外部法兰。

13.根据权利要求4所述的多模式等离子体电弧枪，在所述完全短路电阻模式，所述第一电极相对于所述中空电极喷嘴的位置包括所述第一电极与所述中空电极喷嘴接触。

14.根据权利要求4所述的多模式等离子体电弧枪，在所述埋弧模式，所述第一电极相对于所述中空电极喷嘴的位置包括所述第一电极延伸进入所述中空电极喷嘴并接近所述中空电极喷嘴的第二端。

15.根据权利要求4所述的多模式等离子体电弧枪，在所述电解模式，所述第一电极相对于所述中空电极喷嘴的位置包括所述第一电极延伸进入所述中空电极喷嘴并接近所述中空电极喷嘴的第一端。

16.根据权利要求4所述的多模式等离子体电弧枪，在所述辉光放电模式，所述第一电极相对于所述中空电极喷嘴的位置包括所述第一电极接近所述中空电极喷嘴的第一端。

17.根据权利要求4所述的多模式等离子体电弧枪，在所述等离子体电弧模式，所述第一电极相对于所述中空电极喷嘴的位置包括所述第一电极与所述中空电极喷嘴的第一端分离。

18.根据权利要求4所述的多模式等离子体电弧枪，还包括布置在所述第一电极的一部分的周围并具有与所述第一电极相同的极性的第三电极。

19.根据权利要求4所述的多模式等离子体电弧枪，还包括电连接至所述第一电极和所述中空电极喷嘴的电源。

20.一种多模式等离子体电弧枪，包括：

具有第一端和第二端的圆柱形容器；

连接至或接近所述第一端的第一切向入口/出口；

连接至或接近所述第二端的第二切向入口/出口；

电极外壳，其连接至所述圆柱形容器的第一端，所述电极外壳具有与所述圆柱形容器的纵轴对齐、延伸进入所述圆柱形容器、能够沿所述纵轴移动、并且与所述圆柱形容器电隔离的第一电极；

中空电极喷嘴，其连接至所述圆柱形容器的第二端以使得所述中空电极喷嘴的中心线与所述圆柱形容器的纵轴对齐，所述中空电极喷嘴具有布置在所述圆柱形容器内部的第一端和布置在所述圆柱形容器外部的第二端；以及

线性致动器，其可操作地连接至所述第一电极以调节所述第一电极相对于所述中空电极喷嘴的位置并且使所述多模式等离子体电弧枪基于所述第一电极相对于所述中空电极喷嘴的位置以完全短路电阻模式、埋弧模式、电解模式、辉光放电模式或等离子体电弧模式操作。

21.根据权利要求20所述的多模式等离子体电弧枪系统，还包括布置在所述中空电极喷嘴和所述圆柱形容器之间的非导电颗粒材料。

22.根据权利要求21所述的多模式等离子体电弧枪系统，其中，所述非导电颗粒材料包括大理石、陶瓷珠、分子筛介质、砂、石灰岩、活性炭、沸石、锆、氧化铝、岩盐、坚果壳或木屑。

23.根据权利要求20所述的多模式等离子体电弧枪，所述圆柱形电极的第一端的第一内直径大于所述圆柱形电极喷嘴的第二端的第二内直径。

24.根据权利要求23所述的多模式等离子体电弧枪，所述第一内直径和所述第二内直径形成扩孔。

25.根据权利要求23所述的多模式等离子体电弧枪，还包括在所述圆柱形电极内的第一锥形部分，所述第一锥形部分从所述第一内直径过渡至所述第二内直径。

26.根据权利要求23所述的多模式等离子体电弧枪，还包括在所述圆柱形电极内的第二锥形部分，所述第二锥形部分在所述圆柱形电极的第一端从所述第一内直径过渡至第三内直径，其中，所述第三内直径大于所述第一内直径。

27.根据权利要求20所述的多模式等离子体电弧枪，所述中空电极喷嘴具有外部法兰。

28.根据权利要求20所述的多模式等离子体电弧枪，在所述完全短路电阻模式，所述第一电极相对于所述中空电极喷嘴的位置包括所述第一电极与所述中空电极喷嘴接触。

29.根据权利要求20所述的多模式等离子体电弧枪，在所述埋弧模式，所述第一电极相对于所述中空电极喷嘴的位置包括所述第一电极延伸进入所述中空电极喷嘴并接近所述中空电极喷嘴的第二端。

30.根据权利要求20所述的多模式等离子体电弧枪，在所述电解模式，所述第一电极相对于所述中空电极喷嘴的位置包括所述第一电极延伸进入所述中空电极喷嘴并接近所述中空电极喷嘴的第一端。

31.根据权利要求20所述的多模式等离子体电弧枪，在所述辉光放电模式，所述第一电极相对于所述中空电极喷嘴的位置包括所述第一电极接近所述中空电极喷嘴的第一端。

32.根据权利要求20所述的多模式等离子体电弧枪，在所述等离子体电弧模式，所述第一电极相对于所述中空电极喷嘴的位置包括所述第一电极与所述中空电极喷嘴的第一端分离。

33.根据权利要求20所述的多模式等离子体电弧枪，还包括布置在所述圆柱形容器的外部并接近所述中空电极喷嘴的第二端的第二电极。

34.根据权利要求33所述的多模式等离子体电弧枪，所述第二电极与所述圆柱形容器的纵轴对齐，并且所述第二电极的尺寸被设置为使得所述第二电极通过所述中空电极喷嘴并接触所述第一电极。

35.根据权利要求20所述的多模式等离子体电弧枪，还包括布置在所述第一电极的一部分的周围并具有与所述第一电极相同的极性的第三电极。

36.根据权利要求20所述的多模式等离子体电弧枪，还包括电连接至所述第一电极和所述中空电极喷嘴的电源。

37.根据权利要求20所述的多模式等离子体电弧枪，还包括：

第一三通阀，其连接至所述第一切向入口/出口；以及

第二三通阀，其连接至所述第二切向入口/出口。

38.根据权利要求37所述的多模式等离子体电弧枪，还包括连接至所述中空电极喷嘴的第二端的第三三通阀。

39.根据权利要求37所述的多模式等离子体电弧枪，还包括具有连接至所述第一三通阀和所述第二三通阀的排放口的泵/压缩器。

40.根据权利要求20所述的多模式等离子体电弧枪，还包括旋风分离器、蜗壳、泵压缩器、过滤网、喷射器、引射器、四通接头、螺旋加料器、阀、三通、具有阳极电极的线性致动器、连接至所述中空电极喷嘴的第二端的波导或者RF线圈。

41.根据权利要求1所述的多模式等离子体电弧枪，所述圆柱形电极的第一端的第一内直径大于所述圆柱形电极喷嘴的第二端的第二内直径。

42.根据权利要求41所述的多模式等离子体电弧枪，所述第一内直径和所述第二内直径形成扩孔。

43.根据权利要求41所述的多模式等离子体电弧枪，还包括在所述圆柱形电极内的第一锥形部分，所述第一锥形部分从所述第一内直径过渡至所述第二内直径。

44.根据权利要求41所述的多模式等离子体电弧枪，还包括在所述圆柱形电极内的第二锥形部分，所述第二锥形部分在所述圆柱形电极的第一端从所述第一内直径过渡至第三内直径，其中，所述第三内直径大于所述第一内直径。

45.根据权利要求1所述的多模式等离子体电弧枪，所述中空电极喷嘴具有外部法兰。

46.根据权利要求1所述的多模式等离子体电弧枪，在所述完全短路电阻模式，所述第一电极相对于所述中空电极喷嘴的位置包括所述第一电极与所述中空电极喷嘴接触。

47.根据权利要求1所述的多模式等离子体电弧枪，在所述埋弧模式，所述第一电极相对于所述中空电极喷嘴的位置包括所述第一电极延伸进入所述中空电极喷嘴并接近所述中空电极喷嘴的第二端。

48.根据权利要求1所述的多模式等离子体电弧枪，在所述电解模式，所述第一电极相对于所述中空电极喷嘴的位置包括所述第一电极延伸进入所述中空电极喷嘴并接近所述中空电极喷嘴的第一端。

49.根据权利要求1所述的多模式等离子体电弧枪，在所述辉光放电模式，所述第一电极相对于所述中空电极喷嘴的位置包括所述第一电极接近所述中空电极喷嘴的第一端。

50.根据权利要求1所述的多模式等离子体电弧枪，在所述等离子体电弧模式，所述第一电极相对于所述中空电极喷嘴的位置包括所述第一电极与所述中空电极喷嘴的第一端分离。

51.根据权利要求1所述的多模式等离子体电弧枪，还包括布置在所述圆柱形容器的外部并接近所述中空电极喷嘴的第二端的第二电极。

52.根据权利要求51所述的多模式等离子体电弧枪，所述第二电极与所述圆柱形容器的纵轴对齐，所述第二电极的尺寸被设置为使得所述第二电极通过所述中空电极喷嘴并接触所述第一电极。

53.根据权利要求1所述的多模式等离子体电弧枪，还包括布置在所述第一电极的一部分的周围并具有与所述第一电极相同的极性的第三电极。

54.根据权利要求1所述的多模式等离子体电弧枪，还包括电连接至所述第一电极和所述中空电极喷嘴的电源。

55.根据权利要求1所述的多模式等离子体电弧枪，还包括：

第一三通阀，其连接至所述第一切向入口/出口；以及

第二三通阀，其连接至所述第二切向入口/出口。

56.根据权利要求55所述的多模式等离子体电弧枪，还包括连接至所述中空电极喷嘴的第二端的第三三通阀。

57.根据权利要求55所述的多模式等离子体电弧枪，还包括具有连接至所述第一三通阀和所述第二三通阀的排放口的泵/压缩器。

58.根据权利要求1所述的多模式等离子体电弧枪，还包括旋风分离器、蜗壳、泵压缩器、过滤网、喷射器、引射器、四通接头、螺旋加料器、阀、三通、具有阳极的线性致动器、连接至所述中空电极喷嘴的第二端的波导或者RF线圈。

59.根据权利要求1所述的多模式等离子体电弧枪，其中，所述第一电极包括电极活塞。

60.根据权利要求1所述的多模式等离子体电弧枪，其中，所述第一电极包括连接至所述电极外壳的气刨枪的气刨电极。

61.根据权利要求4所述的多模式等离子体电弧枪，其中，所述第一电极包括电极活塞。

62.一种多模式等离子体电弧枪反应器，包括：

反应器容器，其具有圆柱形内部以及与所述圆柱形内部的截面切向对齐的两个或多个入口；以及

两个或多个多模式等离子体电弧枪，每个多模式等离子体电弧枪包括：

具有第一端和第二端的圆柱形容器,

连接至或接近所述第一端的第一切向入口/出口,

连接至或接近所述第二端的第二切向入口/出口,

电极外壳，其连接至所述圆柱形容器的第一端以使得第一电极(a)与所述圆柱形容器的纵轴对齐，以及(b)延伸进入所述圆柱形容器；

中空电极喷嘴，其连接至所述圆柱形容器的第二端以使得所述中空电极喷嘴的中心线与所述圆柱形容器的纵轴对齐；以及

其中，调节所述电极相对于所述中空电极喷嘴的位置使得所述多模式等离子体电弧枪以完全短路电阻模式、埋弧模式、电解模式、辉光放电模式或等离子体电弧模式操作；以及

每个多模式等离子体电弧枪的中空电极喷嘴连接至所述反应器容器的两个或多个入口之一并且与其对齐。

63.根据权利要求62所述的多模式等离子体电弧枪反应器，其中，所述反应器容器对于电磁辐射是透明的，并且还包括耦合至所述反应器容器的一个或多个电磁辐射源以使所述电磁辐射指向所述反应器容器的圆柱形内部。

64.根据权利要求62所述的多模式等离子体电弧枪反应器，还包括旋风分离器、蜗壳、泵压缩器、过滤网、喷射器、引射器、四通接头、螺旋加料器、阀、三通、具有阳极的线性致动器、连接至所述中空电极喷嘴的第二端或者所述反应器容器的两个或多个入口之一的波导或者RF线圈。

Claims (6)

1.一种多模式等离子体电弧枪，包括：

具有第一端和第二端的圆柱形容器；

连接至或接近所述第一端的第一切向入口/出口；

连接至或接近所述第二端的第二切向入口/出口；

电极外壳，其连接至所述圆柱形容器的第一端以使得第一电极(a)与所述圆柱形容器的纵轴对齐，以及(b)延伸进入所述圆柱形容器；

中空电极喷嘴，其连接至所述圆柱形容器的第二端以使得所述中空电极喷嘴的中心线与所述圆柱形容器的纵轴对齐；以及

其中，调节所述电极相对于所述中空电极的位置使得所述多模式等离子体电弧枪以完全短路电阻模式、埋弧模式、电解模式、辉光放电模式或等离子体电弧模式操作。

2.根据权利要求1所述的多模式等离子体电弧枪，还包括布置在所述中空电极喷嘴和所述圆柱形容器之间的非导电颗粒材料。

3.根据权利要求1所述的多模式等离子体电弧枪，其中，所述非导电颗粒材料包括大理石、陶瓷珠、分子筛介质、砂、石灰岩、活性炭、沸石、锆、氧化铝、岩盐、坚果壳或木屑。

4.一种多模式等离子体电弧枪系统，包括：

等离子体电弧枪，包括：

具有第一端和第二端的圆柱形容器；

连接至或接近所述第一端的第一切向入口/出口；

连接至或接近所述第二端的第二切向入口/出口；

电极外壳，其连接至所述圆柱形容器的第一端以使得第一电极(a)与所述圆柱形容器的纵轴对齐，以及(b)延伸进入所述圆柱形容器；

中空电极喷嘴，其连接至所述圆柱形容器的第二端以使得所述中空电极喷嘴的中心线与所述圆柱形容器的纵轴对齐；以及

其中，调节所述电极相对于所述中空电极的位置使得所述多模式等离子体电弧枪以完全短路电阻模式、埋弧模式、电解模式、辉光放电模式或等离子体电弧模式操作；

泵/压缩器；

第一三通阀，其连接至所述第一切向入口/出口和所述泵/压缩器的排放口；

第二三通阀，其连接至所述第二切向入口/出口和所述泵/压缩器的排放口；以及

第三三通阀，其连接至所述中空电极喷嘴的外端和所述泵/压缩器的排放口。

5.根据权利要求3所述的多模式等离子体电弧枪系统，还包括布置在所述中空电极喷嘴和所述圆柱形容器之间的非导电颗粒材料。

6.根据权利要求3所述的多模式等离子体电弧枪系统，其中，所述非导电颗粒材料包括大理石、陶瓷珠、分子筛介质、砂、石灰岩、活性炭、沸石、锆、氧化铝、岩盐、坚果壳或木屑。