CN105027685B - 通过非等温反应等离子体助剂处理两相碎片状或粉状材料的方法和装置 - Google Patents

通过非等温反应等离子体助剂处理两相碎片状或粉状材料的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开在反应器中实现的用于通过支持气体的等离子体处理携带碎片状材料或粉状元素的方法和装置，其中主要元件由电脉冲源供应的中间温度等离子体(PIT)发生器，所述电脉冲源的电流的幅值有限且产生频率、脉冲的持续时间和脉冲间的时间跨度的持续时间以这种方式被确定以产生大范围的非热等离子体(PIT)，等离子体和装载有待被处理的材料碎片或粉状元素(5)的运载气体助剂(4)沿与反应器的轴线同轴的相对于垂直于反应器的轴线的平面分别呈控制的角度α和β的螺旋轨迹运动，角度α和β能够根据待被处理的材料的性能和反应器的工艺参数和尺寸以给定方式改变。通过在反应器中组织有机材料的碎片或粉状元素上的等离子化学反应的影响，本发明的用途为给定属性和尺寸的发电厂的锅炉中的可燃粉末的燃烧和固体或气体可燃产品的产生。

Description

通过非等温反应等离子体助剂处理两相碎片状或粉状材料的 方法和装置
技术领域
本发明包括一种通过在接近于或高于大气压的压力下的非等温反应等离子体流来处理两相碎片状或粉状材料的方法，即包括携带固相或液相片断的流体(优选为气体)流的方法，以及用于实现该方法的装置。
背景技术
在20世纪下半叶，在制作能够处理携带固相碎片的流体流的反应器中投入了大量的努力。最有效的反应器很可能是基于气旋原理的能够在小容量紊流状态中获得高强度热交换的水动力反应器。毫无疑问，最有效的应用是Torftech Ltd.(Newbury,K)在1998年研发的(参见www.torftech.com)。该方法尤其用于木材废料的干燥以制造便携式有效的燃料。
理论上，强化该处理的唯一方法是使用等离子体形式的反映流。为此，等离子体反应器已吸引了相当大的注意力，尤其是与通过等离子体化学转化材料的技术相关的等离子体反应器，以及尤其与有机物燃烧、生物质回收利用、产品和废物的破坏和处理以及化学品的生产相关的等离子体反应器。
尤其最广泛应用于工业和等离子体辅助燃烧以及生物的、家庭的、医疗的、工业的和其他废物的破坏或转化的最著名的等离子体方法和装置利用直流电、交流电、高频、微波诱导等温等离子体的反应。
术语“等温”指的是等离子体中不同组分的温度，尤其是重粒子(分子、原子、原子团、离子)Tl和电子Te实际上相等。按照定义，当在其体积中的每个点满足条件Te＝Tl时，等离子体等温。
上述是等离子体的一般情况。这意味着等离子体中发生的化学反应是例如由著名的阿伦尼乌斯方程(Arrhenius equation)描述的局部热力学平衡的关系。等温等离子体的组分的浓度由同样著名的萨哈方程(Saha equation)描述。
现有技术引导理所当然地认为等离子体技术比传统的转化材料的方法更有效的用户设计主要在大气压力下，诸如直流、交流、射频或微波弧发生器，使用等温等离子体(即，在热力学平衡状态中)的反应器。产生和使用的等离子体的温度根据生成条件大约为6000-15000K。很明显，这种等离子体对破坏(分解)有机分子是有效的。它们对破坏非有机分子也是有效的。连同等离子淬火过程(快速冷却，其防止许多有害分子状态尤其是二恶英和呋喃的复合)，这些技术已经证明其本身与传统的热化学技术相比是有利的(例如，参见Khacef(A.),Cormier(J.-M.),Pouvesle(J.-M.),J.Phys.D:Appl.PHYS.35,p.1491-1498,2002.Zhukov M.F.Is.S.O.AN USSR,Ser.Techn.Nauk,1970,V2(58)P 12–18；Burov I.S.,Ermolaeva E.M.,Mosse A.L.,Minsk ITMO 1975,p.71–78；另请参见www.europlasma.com)。
使用在旋风分离器中由高频或微波电流源产生的一种或多种热等离子体的具有不同几何尺寸和形状的反应器已经在属于FORET PLASMA LABS、LLC、The Woodlands、Texas(US)的发明(例如参见美国专利7.622.693B2，优先权日：2009.11.24)中被提出。
烟台龙岩电力技术有限公司在制作用于燃烧发电厂锅炉中的煤尘的等温等离子体燃烧器(在热力学平衡中)中已经投入了大量的努力(例如参见优先权日为2012.02.02的申请号为2012002563的专利)。
然而，描绘等温等离子体的高水平的温度(6000–12000K)是多余的。不可避免的，如果我们使用等温等离子体，尤其在大气压力下，当温度水平(T＝Tl＝Te)决定对等离子的导电性必要的电子的浓度时，后者提供电弧和由此产生的等离子体射流的能量平衡。然而，这种水平的温度对实现仅需要在1000K-3000K范围内的温度的等离子体化学反应是过度的。涉及的温度(6000–12000K)导致巨大的能量消耗和复杂的结构，这就陷入了对使用等温等离子体反应器的恰当理由的怀疑中。
另外，显然地，鉴于其高温，热等离子体可能受限的空间的维度必定较小，甚至在上文提到的“FORET PLASMA LABS”发明的情况中。这大大减小了这种等离子体与待被处理的介质的接触表面，使反应相对低效并减少了它们的能量效率。
发明内容
因此，必要的解决方案是使用非等温等离子体。的确，如果产生和加速等离子体中的电子并引起激发和电离该电子的反应的电场的幅值足够高，则等离子体变为非等温，即：
Te>Tl (1)
至于关系(1)的发生，根据弗里德曼(等离子体化学剑桥大学出版社2008)，电场E的幅值必须满足下列类型的条件(弱电离等离子体的情况)：
E>k.Tl.ne.Q/e (2)
其中：
e是电子电荷(e＝1.6×10-19C)；
k是波尔兹曼常数(k＝1.4×10-19J/K)；
Tl是等离子体中重组分(分子、原子团、原子、离子)的温度(K)；
Q是等离子体中电子和中性组分之间的弹性碰撞的横截面(m2)；
ne是自由电子的浓度(m-3)。
如果，例如，Tl～2000K、ne～10+19m-3、Q～10-18m2，
则我们有E>104V/m。
在这种情况下，电子的温度可以由下列关系(例如参见H.Hingana."Contributionàl’étude des propriétés des plasmasàdeux temperatures"Doctoralthesis.Univ.Paul Sabatier，Toulouse，2010.12)确定：
Te～[e4me/ne 2mlk].[E/j] (3)
其中：
me是电子质量(9.1×10-31kg)；
ml是等离子体中中性重组分的(平均)质量；
j是电流密度(A/m2)。
等离子体反应器中的非等温状态的等离子体的实际应用有技术优势。的确，在这种情况中具有大的动能的电子有助于在破坏有机分子或将分子转化成可重复使用的组分中极其有效的活跃的分子状态和原子团的形成。
在非等温等离子体中，重组分的温度水平(Tl)可以为大约1000-3000K，其足够高以在没有形成有害的化学成分的情况下实现所期望的化学反应，同时电子的温度通常为大约6000-15000K，这提供足够的电流以支持等离子体射流的放电机制和能量平衡。
非等温等离子体发生器(参见公式(1)和(2))已经被提出并被专利保护并应用于工业中(例如参见Engelsht V.S.,Saichenko A.N.,Okopnik G.M.,Musin N.U.XIVsesoyuznaya Konf.Po generatoram nizkotemperaturnoy plazmi,Novosibirsk,1989；P255；Desiatkov G.A.,Enguelsht V.S.,Saichenko A.N.,Musin N.U.,and al.PlasmaJets in the Development of New Materials Technology.Proc.Of the InternationalWorkshop 3-9September,Frunze,USSR Ed.O.P.Solonenko,A.I.Fedorchenko.VSP,Utrecht,(NL),Tokyo(Japan),pp 499–509；另请参见www.glidarc.com)。它们基于高压电弧由在电极彼此最接近的地方放电引发的在具有不同几何形状的两个电极之间滑动的原理的应用，所述电弧由于磁场产生的电磁力而沿这些电极被推进，其中，由于电流穿过电极并且电流在几乎与电极的轴垂直的方向上穿过所述电弧而形成所述磁场。还可以由推进气体的纵向流的动压力激励电弧的运动，这有助于在电极的下游形成等离子体的射流。当电弧滑动时，其长度和电阻增加，电流强度减弱。出现电流变得太弱而不能支持放电的能量平衡且电弧消失的时刻。然后，在电极的基底开始新的放电，并重复该过程。因此，我们具有电弧沿电极的不断的“来回”运动。当电弧运动时，电弧在其自身周围产生“等离子体云”，所述“等离子体云”的性能，尤其是寿命取决于发生放电的气体的性质、气体的水动力流的存在、电极之间的电压的幅值、电极之间产生的电流的频率以及电极的不同几何形状。这种等离子体云可以保证在其寿命期间没有电流时存在电流传导区。因此，能够不仅用直流而且用交流提供电弧，例如用50Hz的频率，只要等离子体云的持续时间大于分离电极之间的电压曲流的间歇。
已经使用直流和50Hz频率的单相和三相交流发电机产生滑动电弧。在后者中，三电极和六电极的解决方案已经被提出且已进行工业应用。三电极和六电极的使用(参见Engelsht V.S.,Gurovich V.Ts.,Desyatkov G.A.,Musin N.U.,Saitchenko A.N.，气流中高电压低电流电弧的试验研究和应用，20th ICPIG.-Barga.1991-P.978-979)以尽可能使在反应器中产生的等离子体区标准化为目的而被提出，鉴于这种等离子体未处于热力学平衡，因此含有大浓度的处于亚稳状态的分子和原子团。不仅是这些粒子的动能(热效应)还有它们的势能(非热效应)使得能够实现所需的等离子体化学反应。
两种温度的非热等离子体的深入研究适用于滑动电弧，尤其是在大气压力下，可以从A.A.Fridman的著作中找到(例如参见等离子体化学剑桥大学出版社，2008pp 205)。
然而，尤其在A.A.Fridman的出版物中提到的方法和装置具有一些缺点(不稳定性、空间不均匀性、有限的维度)，这使得这些方法和装置难以应用在实践中且不能在分散流反应器中使用，为了处理碎片的特定部分或它们的完整体积，所述分散流反应器需要与活跃的等离子体介质延长时间接触。延长时间接触意思是极其大的接触表面以及因此，尤其是，用于反应器的大的等离子体的射流和能够产生所需的反应的几何结构。
Desyatkov等作者已经提出电弧一到达电极的末端就在空间中固定电弧的位置的反应器结构。然后，当电流线一方面承受推进气体的流动曳力和电磁力且另一方面承受趋于将其位置保持在空间的最多电离区域的电弧的水动阻力时，电流线弯曲。
然而，使用的等离子体仍不稳定。这种不稳定主要是由于推进气体的流动的紊流性质。等离子体射流的维度减少且不允许处理如上所限定的碎片流。
P.Koulik、A.Saychenko的名称为用于产生非等温等离子体射流的方法和装置的发明(专利FR10/01928,PCT/FR2011/000277(WO2011/138525A1)，优先权日为2010.05.05)部分解决了该问题，允许产生的等离子体的体积和其与被处理的介质的接触面增加。然而，被提出的解决方案，产生等离子体射流的处理的“层流化”不充分。
在前述内容中，本发明的一个目的是开发具有比现有反应器更大的接触面的等离子体反应器。该目的仅可以通过在接近于或高于大气压力的压力下产生和使用一个(或多个)稳定的非等温等离子体的射流来实现，高于大气压力的压力是有用的，甚至对于在密闭(dense)的环境中工作是不可缺少的，诸如等离子体化学反应器，例如，尤其是用于转化生物质或燃气涡轮的燃烧室的反应器等。
有利的是将这种反应器用于固体碎片或由粉化产生的粒子之间的等离子体化学反应的工业性能，其中，其通过在有限尺寸的等离子体化学反应器的空间中的流体流和广泛的活跃的等离子体区来进行。
有利的是使用能够在反应器中产生非等温等离子体的广泛区域的滚铣过程(generation process)，所述滚铣过程在预期的等离子体化学处理的整个持续时间中随时间呈准稳定态。术语准稳定态意味着等离子体的平均参数在长于电流的产生周期的整个周期内随时间恒定，但在小于供应等离子体的电流的产生周期的整个时间周期内大体上可变。这意味着在非等温等离子体中，重粒子(分子、原子团、原子、离子)的温度相对较低(例如，1000K-3000K)，同时电子的温度非常高(或10000K-15000K)。这种等离子体实际上对于接近于或高于大气压力的压力特别有利。很明显，所需的压力越高，这种等离子体的产生越成问题。实际上，能够在具有开路电压例如10-30kV并且高达100bar的压力下产生这种等离子体。这种等离子体可以被称为“中间温度的等离子体”或PIT。该术语尤其被A.Fridman使用(例如参见等离子体化学剑桥大学出版社2008)。
在本发明中，我们采用了如上述限定的PIT这个名字。
有利的是使用采用了一个或多个细长形状的等离子体的射流且其长径比明显大于装置且能够形成为螺旋的反应器。
更有利的是为此目的使用采用一个或多个用这种方式生成的非等温等离子体的射流以增加长度同时限制与包含流体和碎片的周围气体介质的能量交换。特别地，有利的是促使等离子体射流沿着与反应器同轴的螺旋传播。
有利的是，同时在等离子体生成的时刻和地点利用等离子的层流性特性，例如使用如P.Koulik、A.Saychenko的名称为产生非等温等离子体射流的方法和装置的发明(专利FR10/01928,PCT/FR2011/000277(WO 2011/138525A1),优先权日：2010.05.05)中所保护的PIT发生器，在等离子体射流中引起紊流以增强等离子体中的粒子和等离子体传播的反应介质中的粒子之间的热能交换。
为了优化等离子体射流的参数(重粒子温度、电子温度、等离子体射流维度、形成产品的等离子体的流速、紊流程度)，尤其是使其在反应器中形成为螺旋，有利的是使用在具有例如1-1000ms之间的脉冲持续时间、1-1000ms之间的脉冲之间的停顿、例如0.1-30kV之间的开路电压幅值和例如0.1-30A之间的电流幅值的高频(例如，1kHz-100MHz之间)下产生的双极脉冲供应电流源。
一个很大的优势是能够提供根据原料气体的构成、由粉化产生的碎片或粒子的材料、被处理产品的形式、性质和构成以及碎片状或粉状粒子的尺寸可变的控制处理的任何技术。
附图说明
在本发明所附的附图、示图和说明中示出了本发明的其他目的、特征和优势，其中：
·图1是示出如何用电感器限制放置在等离子体产生变压器的初级绕组或次级绕组中的等离子体中的电流来将电流供应至本发明所要求的等离子管的示图。
·图2示出了在相对于垂直于反应器的轴线的平面呈角度β处使用碎片状的流射流和在相对于垂直于反应器的轴线的平面呈角度α处使用非等温等离子体流的圆锥形反应器的结构，其中，等离子体由高压电弧发生器在处于包含限制电流和控制变频的双极脉冲的交流电状态的三电极之间形成的。
图2a是使用单个等离子体射流发生器的反应器的纵切面。
图2b是使用两个非等温等离子体发生器的反应器的径切面。
·图3示出了能够在等离子体和碎片状或粉状的产品朝向彼此流动且被用于生产燃料气体(氢气、合成气)的情况中实现本发明的密封的、圆柱形的反应器的结构。
·图4示出了例如在待被处理的材料是碎片状的且被蜗杆推动进入反应器以及未处理材料的剩余碎片返回至反应器入口的情况中用于生产沼气的圆柱形的、密封的反应器的结构。
·图5a是示出例如本发明申请应用到PIT等离子体辅助锅炉燃烧器的在α＝β＝90°的特定极限情况中的同轴反应器的示图。
图5b示出了图5a的同轴反应器的立面图。
·图6是示出例如生物质被转化为可燃产品的应用的在α～β～0°的特定极限情况中的反应器的示图。
具体实施方式
该方法在于下列原则：
本发明提出使用在气体流中的两相交流电的高压放电来生成非等温等离子体射流的方法作为基础，其中，放电是由击穿等离子体引发，由电磁力和由气体流施加在放电上的曳力推动，且位于电极的末端。该方法与P.Koulik,A.Saychenko的名称为产生非等温等离子体射流的方法和装置的发明(专利FR10/01928)中描述的方法相似。然而，本发明提出的结构并没有提供等离子体射流之间的必要接触，从而两者之间所需的反应可实现且最优。
通过增加反应流的温度和速度来优化该方法几乎没有用处，因为所述材料在热流动时的特定强度会抵抗消融后的处理，例如，著名的水动力现象，当进入地球大气层的致密层时，其用于空间容器的热保护。
因此，找到增加等离子体流和被处理材料之间的接触面的尺寸的方法是必要的。这仅可以通过在最大可能的体积中优化等离子体产生方法同时集中在最小可能的体积中形成等离子体的区域来实现。
这种射流中的等离子体处于公式(1)-(3)限定的非热能状态(PIT)，这在原则上给予本发明一些优势。
本发明允许使用基于等离子体中的粒子和与等离子体接触的介质中的粒子的激发态的优化使用的这些优势。
等离子体是由电极周围的气体流中的(不稳定的)电流的通道产生的，其中，在电极之间建立了大的电位差(例如，～10-100kV)。考虑到温度和由此的导电性开始升高，电流的强度一增加，电场就减弱。该阶段对应于由电子激发且在电场中加速的大量分子和原子团的初期等离子体的形成。如果保持电压，则电流将迅速增加，等离子体将升温并达到热状态。为了生成对产生所保护的反应器必要的等离子体射流，本发明的主旨包括：
1)允许电流增加以积累对按预期发生等离子体化学反应足够的能量密度(在该序列中，电子的温度Te由关系(3)确定)；
2)在等离子体升温并达到热状态之前中断电流。实际上，这对应于在3-30A之间中断电流限定值；
3)该中断持续少于弛豫时间τ的时间长度。在此期间，等离子体继续存在。被激发的粒子和产生的原子团保持活性并在与待处理的材料的交互作用中失去活化能。另一方面，电流一中断，等离子体的温度和其导电性就降低。
4)为了保持这种亚稳状态，必须重复点1)-3)描述的过程，即，在介质再次变为非导电之前，新的电流脉冲必须发送。
这相当于用电流脉冲供应电极之间的放电。这些脉冲的参数为：
·电流幅值和电压幅值分别为I和U；
·产生频率ν1＝1/τ1(该产生可以高频双极正弦波的形式方便地实现)；
·脉冲的持续时间τ2＝ψ/U.I.，其中，ψ是等离子体射流中含有的能量的量(典型地，ψ～103J)；
·脉冲频率ν3＝1/τ3，其中，τ3≤τ＝kTl/Pσi
其中
σi是电子与等离子体中的粒子的非弹性交互作用的横截面(σi～10-20m2，(例如参见B.Smirnov“等离子体处理和等离子体动力学”Wiley-VCH Verlag GmbH 2Co KGaA2007))；
P是压强(P～105Pa)；
k是波尔兹曼常数(k＝1.38×10-23J/K)；
Tl是等离子体中重粒子的平均温度(Tl～2×103K)。
一般而言，本发明要求的方法的特征在于推动进入其螺旋运动的中间温度的PIT非热等离子体的射流由双极脉冲交流电压和电流供应，每个脉冲包括在例如50Hz-100MHz之间的频率ν1产生的具有例如0.1-100kV之间的各个幅值U和例如0.1-30A之间的各个幅值I的波包，值U、I和ν1足以通过短路火花引发等离子体，且值U、I和ν1的持续时间τ2，例如在1-1000ms之间，足够长以达到在1000≤Tl≤6000K的范围内且低于在频率ν1产生的(处于热力学平衡中的)等温静态等离子体的温度的给定温度Tl，在例如1-1000ms之间的小于等离子体弛豫时间的中间失效时间τ3重复脉冲，所述等离子体弛豫时间等于电子与等离子体中产生的粒子的重组的最大持续时间，特征脉冲产生时间符合下列关系：
τ1(＝1/ν1)，该产生能够通过低频或高频的、正弦的、方形的、锯齿状等的双极波的形式有利地获得；
τ2＝ψ/U.I.
其中，ψ＝npl(kTl)Wpl是体积为Wpl且分子密度为npl的等离子体的射流所含有的能量的量(典型地，在大气压下，ψ～103J)；
τ3≤τ～(kTl)-1.5(ml)0.5Pσp，
其中
σp是电子与等离子体中的离子重新结合的平均横截面(σp～10-20m2)(例如参见B.Smirnov“等离子体处理和等离子体动力学”Wiley‐VCH Verlag GmbH 2Co KGaA 2007)；
P是压强(P≥105Pa)，
k是波尔兹曼常数(k＝1.38×10-23J/K)，
Tl是等离子体中重粒子的平均温度(T～2×103K)，
这种供应模式是可实现的，尤其当ν1＝50Hz,τ1＝τ2＝τ3＝0.02s时。
图1示出了放电供应脉冲的性质。
经验表明，例如对于空气，产生脉冲的最优参数大约为：
τ1～10-7s(ν1～13MHz)
τ2～3.10-2s
τ3≤τ～2.10-2s。
我们发现P.Koulik,A.Saychenko的名称为产生非等温等离子体射流的方法和装置的发明(专利FR10/01928)中使用的网络频率(τ2～τ3～10-2s)，尽管已经令人满意，但考虑到本发明的给定条件可被优化：应用提到的发明获得的等离子体射流的长度是～1.5m，对应发电功率为～100kW，然而应用本发明获得的等离子体射流的长度可以达到3m及更多。形成的等离子体的区域的直径可以达到0.2-0.3m。
如本发明所述的利用脉冲供应等离子体发生器的想法使得能够获得大的等离子体区域(如上所述)，一方面，足以使其能够被用于等离子体流上和携带待被处理的材料的片断或粉化的元素的气体流上，另一方面，用于携带待处理的材料的碎片或粉状元素的气体流上，同轴螺旋轨迹相对于垂直于圆柱形反应器或圆锥形反应器的轴线的平面分别呈角度α和β，这使其能够有效地执行新的高强度的等离子体化学反应(考虑到具有非常高的能量密度的非热等离子体的使用)，以及同时使反应器更紧凑且因此显著改善其能量效率，尤其通过减少热损失。
提到的角度必须基于下列关系来选择：
角度α必须满足关系：
α＝arc sin(Y/jΛ) (4)
其中
Λ<kp(U.I)0.3De 0.2Vs 0.3 (5)
在这些公式中(参见图2)
Y是反应器的长度(m)；
Λ是等离子管沿螺旋轨迹产生的等离子体射流的长度(m)；
j是并行操作的等离子管的数量；
U是等离子管中电极之间施加的电压的幅值(V)；
I是两电极之间传递的电流强度的幅值(A)；
De是等离子体行进螺旋的直径(m)；
Vs是等离子管的进气速度(m/s)；
kp是经验系数(kp～6.31×10-2m0.5J-0.3s0.3)。
最大角度β必须满足下列关系所表述的条件：
β＝arc sin(U.c.δ.ΔTf/i.Y.Qp) (6)
其中
U是片断流的进入速度(m/s)；
c是待被处理的碎片材料或粉状元素的热容量(J/m3degree)；
δ是粉状元素的材料的碎片的处理深度(m)；
ΔTf是被处理的碎片的部分(δ)的温度的增加；
i是装载有同时被引入到反应器中的碎片的流的射流的数量(degrees)；
Qp是由等离子体传递到被处理的碎片的能量流的密度(W/m2)，
Qp～(1/3)(kT)0.5m-0.5E/l.σ (7)
其中
k是波尔兹曼常数(1.38×10-23J/K)；
T是等离子体的平均温度(K)；
m是等离子体粒子的平均分子质量(kg)；
E是等离子体中的粒子提供的平均能量(实际上，E～1eV＝1.6×10-19J)；
l是碎片或粉状元素的平均尺寸(m)；
σ是等离子体粒子的扩散横截面(对于空气，σ～10-19m2)。
实际上，在许多情况中，我们有Qp～3.75×102μ-0.5/l (8)
其中，μ是等离子体粒子的平均摩尔质量(kg/摩尔)；
关系(4)和(5)表示相应于等离子体射流的产生参数的等离子体射流的长度至少包含在长度为Y的反应器中的情况。
关系(6-8)表示待被处理的材料的碎片在反应器中花费的时间至少等于能量来自等离子体的和被传递到碎片(粉状元素)的预期反应的必要时间的情况。
等离子体和在角度为α和β的相互独立且原则上彼此不同的螺旋形同轴轨迹中待被处理的碎片(粉状元素)的运动使其能够一方面使反应器的尺寸(尤其是反应器的长度)最小化，且另一方面加强等离子体和待被处理的碎片(粉状元素)流之间的能量交换。
实践经验表明：等离子体沿螺旋形轨迹运动是可能的，而且如果沿着等离子体传输的流的速度Vs大于1m/s，则实际上对于高达30kV的电极间的这种电压在轨迹的连续变化间没有短路。这可以由下列事实解释：由放电形成的螺旋形通道的导电性在本发明施加的等离子体弛豫条件中的电脉冲之间的中断期间保持高水平，并且在任何情况中保持远远高于等离子体集中的螺旋通道周围的外周区域的导电性。
根据公式(4)和(5)，我们发现角度α越小，等离子管的功率、引入等离子体管的气体的速度和包含电极的圆柱状物的直径越大。
根据公式(6)-(8),我们发现角度β越大，则碎片的尺寸I越小，等离子体的能量交换越大。
特别地，对强大的气流中携带的细粉尘的处理，例如在对锅炉燃烧器中的煤炭、褐煤或泥煤粉尘的处理的情况中，角度β等于90°。此外，如果等离子体管的功率高，则我们将有α～β～90°。在这种情况中，根据本发明的反应器为一种装置，在该装置中等离子体射流和携带碎片(粉尘颗粒、粉状元素)的气体射流共轴，且不需要气旋时，两种射流变为共线(参见图5)。
在需要被处理的碎片与等离子体流延伸接触的用相对低功率的等离子体管进行大碎片的处理的另一特定情况中，角度α和β接近0°且根据本发明的反应器为如图6所示的等离子体旋风分离器。这种旋风分离器有利于处理生物质并将它们转化为中间燃料，例如，诸如烤木，或转化为生物气，例如，诸如合成气。
一般而言，概括的说，我们可以看出：根据在例如外形可以是圆柱形的或圆锥形的反应器中处理碎片状材料或粉状元素的方法，本发明的目的由于在接近于或高于大气压力的压力下非等温等离子体的射流的产生而实现，通过设置在与反应器同轴的螺旋运动中的旋转反应流和装载有碎片状材料或粉状元素的支持气体的流来实现，其特征在于：旋转流包括一种或多种在所谓的中间温度(PIT)的准稳定态的非热反应等离子体的持续射流(j)，所述等离子体由交流电供应的且在等于或高于大气压力的压力下操作的PIT等离子体管产生，PIT等离子体在沿相对于垂直于反应器的对称轴的平面呈角度α的直径为De的螺旋形轨迹的紊流运动中行进，以及在于碎片材料的流由一种或多种支持气体的射流按照相对于垂直于反应器的对称轴的平面呈角度β的直径为D的螺旋形轨迹来推动，角度α和β在下列充分反应的条件下根据进入碎片材料或粉状元素的流速G、推进剂的速度U、等离子体射流的速度Vs、进入的材料碎片的平均特性尺寸I、反应区的长度Y来选择：
α(±10％)＝arc sin(Y/jΛ)
β(±15％)＝arc sin U.c.δ.ΔTf/i Y.Qp
其中
Λ是在中间温度的非热等离子体(PIT)的射流的长度(用m表示)，由经验式Λ＝kp(U I)0.3De0.2Vs 0.3)给出；
Qp是由等离子体给予碎片的能量流的密度(用W/m2表示)，由公式Qp＝(1/3)(kTl)0.5.ml-0.5.E/l.σ给出；
以及其中
c是碎片状或粉状的材料的比热容(J/m3.K)；
δ是作用在材料的碎片上的处理深度(m)；
ΔTf确定温度范围e，在该温度范围e中发生处理(K)；
U和I分别是由等离子体射流发生器给出的电极处的电压在一段时间内的平均幅值(用V表示)并且I是通过电极的相应的电流强度在一段时间内的平均幅值(用A表示)；
Tl是等离子体中重粒子的平均温度(实际上为2000K)；
Te是在中间温度的等离子体(PIT)中的电子的温度(K)；
ml是等离子体中重粒子的平均质量(kg)；
E(～kTl)是当与中间温度的非热等离子体的射流的分子I碰撞时传递给材料的碎片或粉状元素的等离子体化学能的量(J)；
σ是等离子体的粒子中关于等离子体间的弹性碰撞的横截面(实际上，σ～10- 19m2)；
k是波尔兹曼常数(1.38×10-23J/K)；
kp是是经验系数(kp～6.31×10-2ml0.5J-0.3s0.3)。
根据本发明进行的性能测试表明基于进行的性能测试确定的如使用关系[3]-[7]估算的角度α和β的公差范围(精确度)分别是α为(±10％)，β为(±15％)。
应该注意的是，旨在加强能量交换的所有措施，尤其在等离子体射流和待被处理的固体碎片之间，碰到了固体产品的热处理的根本障碍：被处理对象(碎片)内部温度的增加受制于导热系数的物理定律：“热波”的级数由下列关系确定：
Δx＝(Δτλ/ρc)0.5
其中
λ、ρ和c分别为热传导系数、材料的密度和热容；
Δτ是热波的穿透时间；
Δx是热波的穿透深度。
作为第一近似值，我们有Δx＝λΔT/Q，其中，Q是传递到被处理主体的热量的密度。对于给定方法，ΔT是固定的。热交换(Q)的强度越大，穿透深度越小。为了克服这种影响，在处理期间，有必要当处理(例如，机械地)进行时去除已经处理的产品层。一种可能性是组织碎片的处理，从而在处理期间碎片互相碰撞，外层破碎并从还没有被处理的主体脱落。在反应器壁上添加尖锐的突起可能是有效的。另一种解决方案是用下列方法组织处理：碎片在反应器中被快速处理(Δτ)，然后被传送到从被处理的外壳破坏和分离碎片的压碎机，然后再返回至反应器。在这种情况中，所述压碎机集成在本发明保护的反应器中。用这种方式能够大幅增加处理的速度。
例如，在烤木粉的生产中，估算和初步试验已示出如本发明所保护的反应器中的木材废料的处理速度与在“”型设备(参见www.torftech.com)中热处理的生产速度相比可以增加100倍。
应该注意的是，本发明允许选择在所保护的反应器中制造的产品。特别地，本发明使该反应器能够产生具有固定的最大尺寸l0的被处理碎片。这可通过选择被处理产品疏散管的直径d。
根据前述权利要求的装置，其特征在于建造用于在反应器中制作的产品的外流管(9),从而其内径d根据下列公式受限于权利要求3的由装载有碎片或粉状元素(5)的运载气体的流形成的螺旋(8)的直径D、由权利要求1限定的角度β、在反应器中待产生的粒子的所需尺寸l0和被处理的碎片或粉状元素的材料的密度ρc以及运载气体的密度ρg：
d≤[4D2l0/(tgβ)2(ρg/ρc)]1/3。
该选择是基于下列关系做出的：
l0>(tgβ)2(ρg/ρc)d3/4D2 (9)
其中
ρg和ρc分别为进入外流管的流量的气相和固相的密度；
D为碎片状材料的流中第一转弯的直径(参见图2)。
关系(9)基于在其圆周运动后作用在出射粒子上的离心力相等的条件而得出，当尺寸为l的粒子随着冲进反应器的外流管的气体流携带的粒子的水动阻力在其圆周运动中靠近反应器的轴时，该力增加。重要的是要注意出射粒子的尺寸l取决于角度β和由此如关系(6)-(8)所示的本发明所保护的反应器的参数。
总之，本发明要求保护一种装置，其特征在于建造用于在反应器中制作的产品的外流管(9),从而其内径d根据下列公式受限于由装载有碎片或粉状元素(5)的运载气体的流形成的螺旋(8)的直径D、角度β、在反应器中待产生的粒子的所需尺寸l0和被处理的碎片或粉状元素的材料的密度ρc以及运载气体的密度ρg：
d≤[4D2l0/(tgβ)2(ρg/ρc)]1/3。
图1示出了提供本发明所要求保护的等离子体发生器的方法。一般而言，如图1a所示，等离子发生器由具有幅值I的电流和具有幅值U的电压的脉冲包供应。电流由尤其为正弦形式的高频双极波ν1＝1/τ1生成。波包形成。它们的持续时间为τ2。选择该持续时间，从而电流的幅值不超过对应于温度和由此给定的PIT等离子体的导电率的电流强度值I。实践中，3<I<30A，这符合经验建议τ2＝ψ/U.I。其中，ψ是等离子体射流体积中包含的能量，即等离子体体积所需要的产品热含量。典型地，ψ～103J。
脉冲之间的中间失效时间τ3至多等于如上在本发明含有电脉冲的参数的分析的说明段落中所说的等离子体的弛豫时间。
图1b通过示例的方式示出了用频率为50Hz的常规交流电供应PIT等离子体的方法的具体情况。在该情况中，τ1＝τ2＝0.02s，τ3＝0。尤其用于P.Koulik,A.Saychenko的名称为用于产生非等温等离子体射流的方法和装置的发明(专利FR10/01928,PCT/FR2011/000277(WO2011/138525A1)，优先权日为2010.05.05)中的该产生方法是可应用的且在实践中非常易于用包含升压器和限制与电极连接的初级或次级电路的电感器系统(图1示出电感器用于次级电路中的具体情况)的电流源来实现。然而，如果我们参考上述条件，则该产生方法对于获取PIT等离子体的合适的和所需的参数并不是最佳的。本发明提出的条件能够使该提供的方法最优化并因此产生新的等离子体介质，有利于实现本发明的目的。
图2示出了用于实现本发明所限定的在大气压下通过反应等离子流处理碎片状材料的方法的装置。
如图2a示出了反应器的中心部件是产生中间温度的非热等离子体射流的PIT等离子体发生器(1)，如图1所示，所述非热等离子体射流是高压脉冲放电的结果。该装置的特征在于等离子体射流是由被组织为正弦的、锯齿状的、方形的或其他形式的高频双极波的数据包中的具有可控的、给定的幅值U和I的电压和电流脉冲产生，设定电压和电流的持续时间和频率从而维持放电处于非平稳状态以产生非热力学平衡的等离子体状态。在例如由来自通过升压器的电源的三相交流电供应的脉冲产生装置(10)中实现该组织。在该装置中限制电流的幅值的装置(例如，放置在发电机变压器的初级(2)或次级(2’)电路中的镇流电感器)的存在、脉冲包的重复频率和重复时间(例如，晶体闸流管系统(3))能够调节温度Tl和Te的水平。等离子体(分子、原子团、原子、粒子)中重组分的温度Tl因此可以例如在1000-6000K之间变化，且电子的温度从10000-20000K变化。在这些范围的温度变化因此能够在反应器中进行宽频谱的等离子体化学反应。
也是这些措施使其有可能具有非常长的等离子体的射流(包括对于功率从10-100kW和气体速度介于1-10m/s之间为0.5-5m之间)，这是本发明实现不可或缺的且独有的条件，因为等离子体在此情况中能够被组织为具有数个转弯(7)的漩涡或气旋的形式，其中，所述漩涡或气旋提供尤其与已经在本发明讨论中的反应器中被处理的碎片状的或粉状的物质(8)的大体积能量交换。显然，两种流(7)和(8)交换后，这两种流在距其形成的位置一定距离处混合。
可以生产具有两个、三个或六个电极的产生装置。
图2a示出了具有三个电极(11)的发生器的使用。该类型的一个、两个或多个等离子体发生器可以被安装在反应器的壁中。
图2b为如图2a所示的反应器的横截面AA，示出了两个等离子体发生器同时使用。
在使用例如具有被引入到每个电极电路的次级中的电感器(2’)的限制构成的PIT等离子体中的电流的系统的情况中，该供应模式可以提供无限数量的等离子体管。
图2a的示图示出了等离子体发生器1和用于装载有待被处理的碎片5的支持气体4的流的进气管被固定在反应器上，以分别产生与根据关系(4)、(5)和(6)-(8)分别垂直于反应器的轴的平面的角度α和β，这使等离子体7和碎片状材料或粉状元素8的流能够被组织在彼此独立的至少两种螺旋射流中，但在距其形成的位置一定距离处彼此混合。这种几何结构和直径D和De和等离子体运动速度Vs以及碎片运动速度U的选择使得在反应器中能够发生强烈的热交换和完全的等离子体化学反应，而这是本发明优化的目的。
选择外流管9的直径d从而排出气体仅含有根据方程式9尺寸小于给定尺寸l0的固体粒子。
反应器12可以是如图2a所示的圆锥形或圆柱形。
可包含尺寸大于l0的固体粒子的残余气体通过导管13离开反应器。
图2所示的装置如下所述操作：当由发生器10供应电脉冲的等离子管1开始放电时，脉冲以装置如电感器2限制电流的幅值和装置3形成双极电流脉冲为条件，PIT等离子体弧由电磁力和电极11周围的气体流的曳力来稳定并在直径为De的螺旋轨迹后与相对于垂直于反应器的轴的平面6呈角度α进入反应器。当等离子体区域的导电率在任何时候都远远高于邻近区域的导电率时，由此产生的PIT等离子体射流7位于沿螺旋的转弯处。然后，装载有待处理的材料的碎片或粉状元素5的气体射流8沿着直径为D的螺旋轨迹被注入反应器中，所述螺旋轨迹与垂直于反应器的轴的平面呈角度β。流的各个速度Vs和U不同，这有助于在流量之间产生强烈的能量交换。选择角度α和β从而等离子体区域完全包含在反应器的体积中，预期的等离子体化学过程在碎片或粉状元素在反应器的内部沿它们的螺旋轨迹运动期间彻底发生。满足条件(5)-(8)。组织和选择出现的水动力流和排出剩余物质的包的导管(9)的直径d，从而必要时仅通过导管(9)排出尺寸小于给定尺寸l0的残余粒子。其他较大的残渣留在反应器中直到其处理与对出厂产品的要求是兼容的或其通过导管(13)被除去。
图3示出了本发明的变形实施例，根据该实施例，圆柱形几何形状的反应器在不接触任何氧化气氛尤其是环境空气的情况下用于生产燃料产品的密封外壳。待被处理的产品通过导管(4)以装载有待被处理的材料的碎片或粉状元件(5)的气体的形式引入到反应器中。以导管(4)的轴和垂直于反应器的轴的沿着螺旋轨迹(7)的平面之间的角度β引入携带碎片(5)的气体。以等离子管(1)的轴和垂直于反应器的轴的沿着螺旋轨迹(8)的平面之间的角度α引入由配备有电极(11)的等离子管(1)生成的等离子体。图3示出了对应于两股流朝向彼此流动的情况的反应器的变形。等离子管(1)和导管(4)安装在球形接头(26)上以能够改变、调节、优化和控制等离子体流的攻角α和装载有待被处理的碎片的气体射流角度β。在离心力和水动力的作用下，待被处理的碎片沿反应器的壁传送。为了加速该处理过程，这些壁设置有可为尖锐的突起(31)，用于打碎碎片或释放形成在表面上的易碎层(例如，在木材碎片的干燥情况中)。为了增加作用在被处理的碎片上的离心力，反应器的外壁可采取设置有齿轮系统(30)并由电动机(29)旋转的旋转滚筒的形式。滚筒由密封轴承(28)支撑。等离子体通过来自反应器的腔体的流体用气体供应。借助于导管(19)和(20)和压缩机(或风扇)(18)。
被处理的满足条件(9)的粒子通过导管(9)排出。不满足条件(9)的粒子(17)通过歧管(12)和容器(13)排出，其中，粒子被从所述歧管(12)和容器(13)通过导管(23)带到装载有待被处理的碎片或粉状元件的气流的入口(27)，在入口(27)处装载有待被处理的碎片或粉状元件的初始气流借助于导管(22)和碎片定量给料装置(21)引入。
导管(16)用于排出在反应器中产生的气体的一部分并通过风扇(15)将其送入反应器中成为回旋流(25)，这会加强装载有待被处理的材料的碎片或粉状元件的气体的气旋运动。图3仅示出了一个等离子管。实际上，为了产生大体积、高功率、高效统一的反应介质，可以使用无限数量的等离子体管。
图4示出了本发明在待被处理的材料为高度凝聚或非常大的碎片5的形式的情况中的另一实施例。产品通过料斗40从进气导管4引入到反应器中并借助于如由电动机驱动的蜗杆和齿轮系统30的机械装置进入反应器内。由此在旋转运动8中被引入的碎片分布在反应器的外围区域36中。等离子体由设置有电极11的等离子管1产生。外围气体通过导管33进入而携带的等离子体进入反应区域35，放置在导管33的轨道中的(蜂巢状的)格栅32的存在引起所述导管33旋转。当反应器启动时，外围气体(例如空气38)通过安装有阀的导管39进入。当反应器正常运行时，阀39关闭，反应器由反应器中通过包括导管43、流量控制阀39’、冷却剂42和压缩机41的气体回收系统产生的气体供应。如图4所示，该气体的一部分通过导管54直接引入到反应器中。
所产生的气体通过导管23排出。剩余的碎片17通过导管9被带回到反应器入口。挡板37防止剩余的未被处理的碎片在反应器中聚集并形成堵塞物。
反应器由支架34固定。
在考虑本发明的需求的情况中，考虑到所使用的待被处理的材料的碎片的机械推进方法，角度α在20°和60°之间变化而角度β几乎等于90°。
图5实现并示出本发明的另一实施例。在该情况中，待被处理的碎片或粉状元素5的尺寸非常小，这意味着角度α和β几乎等于90°。这是用于涡轮机或生物质转化反应器的锅炉燃烧器或燃烧室的情况，例如，待被处理的材料流由装载有煤、褐煤或干燥的磨过的泥煤粉或木炭粉或烤木粉或简单的燃料气等的流代表。本发明为此情况所提出的反应器是PIT等离子体燃烧器，经验表明所述PIT等离子体燃烧器与燃料或柴油或天然气燃烧器相比是有利的。
在图5a中，提出的燃烧器通过支架34固定到锅炉(燃烧室、反应器)的壁中。它基本上由如图2、图3和图4的应用描述的设置有电极11的PIT等离子管1构成。碎片5通过气体流4进入与由例如气体流46供应的等离子管1同轴的圆柱形导管中。由例如气体流43供应的例如通过蜂巢状格栅32的中间导管放置在等离子管通道和用于例如装载有燃料尘的气体流的进气导管之间，被设计为形成在供应等离子管的流和在区域(36)-(55)中携带燃料尘的气体流之间的气体的速度变化图。该中间流避免流4和鉴于PIT等离子体射流的催化性能将释放太强烈和太集中的燃烧热的等离子体射流的(意外的)紊流混合。格栅32改变中间流的速度，从而渐进地发生混合以及释放的燃烧热通过大体积的锅炉扩散。等离子体射流的结构包括初始区域35和具有中间流(35)-(36)的混合区域。同轴的气体流的速度变化图在区域(36)-(55)中被改变。粉尘仅与中间流区域(55)-(45)中的活性等离子体粒子接触。粉尘在空气中的燃烧前沿仅在扩展区域(45)-(44)中发展，在所述扩展区域(45)-(44)中燃料粒子逐渐消失，转化为CO2和H2O。
图5a中提出的解决方法在下列事实中与现有的解决方案不同：等离子体在大空间中发展，等离子体处于高激发态(PIT)，这使等离子体能够例如在大体积的锅炉中有效燃烧，热损失非常低且燃烧器的效率接近85-90％。
当支架34将等离子管1固定到高压容器的壁上时，可以使用本发明的实施例。在该情况中，重要的是能够点燃高压PIT等离子体射流。为此，如图5b所示，PIT等离子管的电极11设置有使短路距离55能够根据容器中的压力水平而变化的可调节的销54。
图6示出了本发明的应用的另一种极限情况。在该情况中被处理的碎片的尺寸非常大。这相当于本发明提出的角度α和β都接近0°的情况。
反应器腔47的外周部分具有圆环面的形状。碎片5例如通过设置有蜗杆49的导管48机械地而被切向引入到该腔中。待被处理的材料流沿几乎圆形的路径51移动到反应器腔中。如图2、图3和图4所述的具有电极11的PIT型等离子管1被固定在反应器的主体中，从而产生的等离子体7的射流的轴正切于圆环面的轴。来自导管4的支持气体8的射流和催化剂气体的射流53(例如，水蒸气52)也被切向地注入。在图6所示的情况中，四个射流在环形腔中聚集并混合。在本发明的条件9下产生的气体和固体粒子13通过外流管9被排出。
用产生的气体的闭合循环来密封的该类型的装置可以被用于例如烤木粉的生产，这之后可被压缩为准备传送至其使用位置的焙球，例如用于锅炉或燃气涡轮燃烧室中燃烧。
该装置可在大气压和高压(<100bar)下操作。
图5b示出了使用3个电极的案例。但提出的技术方案对包含2个或6个电极的PIT等离子管有效。
本发明的应用示例。
示例1
空气基非热等离子体反应器可应用作发电厂中的锅炉燃烧器(参见图1中的示图)
·实验位置：Frunze(Bishkek,Khirghiztan)燃煤发电站；
·锅炉类型：BKZ-160.100F
·等离子管中的空气流速：～0.1m3/s
·中间流中的空气流速：～0.3m3/s
·携带碎片的气流速度：～1m3/s
·碎片的性质：粉状煤粉
·粒径：10-100μm之间
·功率：50kW
·压强：1bar
·电极电压：U＝10kV
·最大电流：30A
·三相交流电的频率：50Hz
·电极数量：6
·等离子体射流长度：～2m
·稳定装置：蜂巢状分配器格栅
·由于采取措施使等离子体射流稳定，所以等离子体射流得以保持其性能。
·等离子体燃烧器中粉煤的最大吞吐量：1吨/小时
·粉煤的特征：
o HP＝16.7mJ/kg
o含灰量：35％
o挥发物含量：28-38％
·锅炉上的燃料油燃烧器的数量：8(4个阶段中的2个阶段)
·安装以取代燃料油燃烧器的等离子体燃烧器的数量：2
·安装水平：第二
·实验持续时间：～10天×8小时
·实验结果：
o没有等离子体燃烧器时使用的燃料油的总数：500kg/h
o有等离子体燃烧器时使用的燃料油的总数：350kg/h
o节省1个PIT燃烧器节省75kg/h的燃料油或€70/h。
示例2
具有等于或高于大气压的压力的复杂组成的气体基非热等离子体反应器可应用于烤木粉的生产。
·反应器类型：参见图6简图
·密封结构
·电功率：100kW
·电极处的电压的幅值：U＝10kV
·电流幅值：10A
·频率和周期：
oν1＝13.6MHz
oτ2～3×10-2s
oτ3～3×10-2s
·电极数量：6
·反应器的内径：1m
·包含电极的圆柱状物的直径：0.15m
·与反应器的轴相切的圆的直径：0.8m
·与待被处理的碎片的进入轴相切的圆的直径：0.7m
·与水蒸气进气道的轴相切的圆的直径：0.9m
·反应器的出口管(9)的直径：16mm
·碎片的性质：碎片形式的冷杉木和松木废料
·碎片的特性尺寸：0.01-0.1m之间
·碎片吞吐率：1T/h
·烤木粉的生产率：0.2T/h
·消耗功率(主要用于包含在木材废料中的水分的蒸发)：～90kW
·热效率：～0.9
·生产的烤木颗粒的尺寸：0.005-0.02mm之间
·根据公式[8]计算的直径为16mm的出口管中产生和选择的碎片的尺寸：0.01mm(金属钉形式的3mm的突起设置在反应器的壁中。压碎机安装在被处理碎片返回通道中)。
示例3
用于将木材废料转化为合成气的PIT等离子体反应器。
·反应器类型：参见图3示图
·密封结构
·电功率：90kW
·压强：1.1bar
·电极处的电压的幅值：U＝12kV
·电流幅值：5A
·根据本发明的特征频率和周期：
oν1＝13.6MHz
oτ2＝2×10-2s
oτ3＝4×10-2s
·等离子管中的电极数量：3
·反应器的内径：1m
·包含电极的圆柱状物的直径：0.2m
·等离子体射流螺旋中的转弯直径：0.8m
·待被处理的碎片的螺旋中的转弯直径：0.8m
·等离子体和携带碎片的气体的逆向流动
·进入反应器的碎片的特性尺寸：～0.01m
·根据本发明的建议计算的并在反应器上实现的反应器的参数：
o使用公式[3]和[4]计算的角度α：～30°
o使用公式[5]和[6]计算的角度β：～20°
·碎片吞吐率：1T/h
·合成气形成温度：～900℃
·产生的合成气(CO+H2):～0.2kg/s。
从这些示例中得出的结论：
1.本发明的实施能够获得根据本发明中的公式(1)-(3)的大约数米的非等温等离子体射流的长度和体积，这能够使等离子体在方便地与装载有待被处理的碎片状或粉状的材料的运载气体流混合的螺旋中移动。
2.如根据本发明中给出的建议计算的等离子体射流和装载有待被处理的材料碎片的运载气体流的进入角度能够实现本发明的目的。
3.在为了从装载有待被处理的材料碎片的运载气体的射流产生固体燃料粒子的目的而实现所述方法和相应装置的情况中，本发明能够通过遵循确定的建议产生具有所需粒度的粉末。
4.为此目的设计的且如本发明建议提供的PIT等离子管已经证明在实践中实施的不同实施例中是有效的，尤其是作为等离子体辅助燃烧器，这能够方便地被用于供电厂锅炉。
5.如在这些示例中使用的所要求保护的方法及其实现装置能够实现本发明的目的。具体地，提供的示例显示它们可被用于不同的实施例中，尤其是生产诸如烤木粉和诸如合成气的燃料气的燃料粉，但不限于此。

Claims (15)

1.一种用于在反应器中处理碎片状或粉状材料的方法，其通过设置为以与所述反应器同轴的螺旋运动装载有碎片状材料或粉状元素的支持气体流和旋转反应流来实现，其特征在于：旋转流包括一种或多种在所谓的中间温度等离子体PIT的准稳定态的非热反应等离子体的持续射流(j)，其由交流电供应且在等于或高于大气压力的压力下操作的中间温度等离子体PIT等离子管产生，中间温度等离子体PIT在沿相对于垂直于所述反应器的对称轴的平面呈角度α的直径为De的螺旋轨迹或轨道线的紊流运动中行进，以及所述碎片状材料流由一种或多种支持气体的射流(i)按照相对于垂直于所述反应器的对称轴的平面呈角度β的直径为D的螺旋轨迹来推动，角度α和β在下列充分反应的条件下根据进入碎片状材料的速度U1或粉状元素的流速G、推进剂的速度U2、等离子体射流的速度Vs、进入的材料的碎片的平均特性尺寸l、反应区的反应器长度Y来选择：
α(±10％)＝arc sin(Y/jΛ)
β(±15％)＝arc sin U1.c.δ.ΔTf/i Y.Qp
其中
i是装载有同时被引入到反应器中的碎片的流的射流的数量；
j是中间温度等离子体PIT的射流的数量或并行操作的等离子管的数量；
U1是所述碎片状材料的进入速度，单位用m/s表示；
Λ是在中间温度等离子体PIT的射流的长度，用m表示，由经验式Λ＝kp(U3I)0.3De0.2Vs 0.3给出；
Y是所述反应器的长度，单位用m表示；
Qp是由所述等离子体给予所述碎片的能量流的密度，用W/m2表示，由公式Qp＝(1/3)(kTl)0.5.ml -0.5.E/l.σ给出；
c是所述碎片状或粉状的材料的比热容，单位用J/m3.K表示；
De是等离子体行进螺旋的平均直径，即圆锥形反应器直径的最大值和最小值之和的一半，单位用m表示；
Vs是等离子管的进气速度，单位用m/s；
δ是作用在所述材料的碎片上的处理深度，单位用m表示；
ΔTf确定被处理碎片的部分δ的温度的增加，单位用摄氏度表示，即进入材料的初始温度和处理结束时的温度之差，确定温度的增加的过程在非稳态热处理的预处理步骤中完成；
U3是由等离子体射流发生器给出的电极处的电压在一段时间内的平均幅值，单位用V表示；
I是通过所述电极的相应的电流强度在一段时间内的平均幅值，单位用A表示；
Tl是所述等离子体中重粒子的平均温度，即2000K；
ml是所述等离子体中重粒子的平均质量，单位用kg表示；
E是当与中间温度的非热等离子体的射流的分子I碰撞时传递给材料的碎片或粉状元素的等离子体化学能的量，单位用J表示，E～kTl；
Te是在中间温度等离子体PIT中的电子的温度，单位用K表示；
l是碎片或粉状元素的平均尺寸，单位用m表示；
σ是所述等离子体中的粒子关于所述粒子间的弹性碰撞的横截面，σ～10-19m2；
k是波尔兹曼常数，k＝1.38×10-23J/K；
kp是经验系数，kp～6.31×10-2ml 0.5J-0.3s0.3。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述反应器为圆柱形或圆锥形。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：推动进入所述中间温度等离子体PIT的射流的螺旋运动在中间温度处所述中间温度等离子体PIT的射流由双极脉冲交流电压和电流供应，每个脉冲包括具有0.1-100kV之间的各个幅值U和0.1-30A之间的各个幅值I的在50Hz-100MHz之间的频率ν1产生的波包，所述值U、I和ν1足以通过短路火花引发所述等离子体，且在1-1000ms之间的所述值U、I和ν1的持续时间τ2足够长以达到在1000≤Tl≤6000K的范围内且低于在所述频率ν1产生的处于热力学平衡中的等温静态等离子体的温度的给定温度Tl，在1-1000ms之间的小于等离子体弛豫时间的中间失效时间τ3重复所述脉冲，所述等离子体弛豫时间等于电子与所述等离子体中产生的离子的重组的最大持续时间，特征脉冲产生时间符合下列关系：
τ1，这种产生能够通过高频的、正弦的、方形的、锯齿状的双极波的形式获得，τ1＝1/ν1；
τ2＝ψ/U.I.
其中，ψ＝npl(kTl)Wpl是体积为Wpl且分子密度为npl的所述等离子体的射流所含有的能量的量，在大气压下，ψ～103J；
τ3≤τ～(kTl)-1.5(ml)0.5Pσp，
其中
σp是电子与所述等离子体中的离子重新结合的平均横截面，σp～10-20m2；
P是压强，P≥105Pa，
k是波尔兹曼常数，k＝1.38×10-23J/K，
Tl是所述等离子体中重粒子的平均温度，Tl～2×103K。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：当ν1＝50Hz,τ1＝τ2＝τ3＝0.02s时实现供应模式。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：由所述方法产生的固体粒子被限制在所述反应器中并被处理直到所述固体粒子小于选择的极限尺寸l0，在这种情况中，所述固体粒子被自动地选择并通过直径为d的轴向导管排出，所述反应器的参数选择受限于下列公式：
l0＝(tgβ)2(ρg/ρc)d3/4D2；
其中
ρg和ρc分别为所述反应器中存在的碎片材料的气相和固相的平均密度；
D为待处理的材料的碎片被引入所述反应器中的螺旋的直径。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述气体推进剂和/或所述等离子体支持气体由所述处理产生的气体的部分或全部构成，在所述气体推进剂和/或所述等离子体在反应器中形成后被返回到所述反应器入口，如果需要则冷却所述气体推进剂和/或所述等离子体且所述气体推进剂和/或所述等离子体的通道通过压缩系统。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述角度α和β相等，且来自所述中间温度等离子体PIT等离子管的等离子体流和携带待被处理的碎片的气体流同轴，并且具有相同的传播方向。
8.一种用于实现根据权利要求1所述的方法的装置，其特征在于：反应气体的旋转流由设置有电极(11)的一个或多个中间温度等离子体PIT等离子管(1)产生，等离子管通过固定装置(26)被固定到所述反应器上，从而所述等离子体管产生的等离子体(7)的射流如权利要求1限定的指向相对于垂直于所述反应器的轴的平面的角度α以及从而装载有设置在螺旋运动(8)中的碎片状材料或粉状元素(5)的支持气体的流通过固定装置(26’)固定的导管(4)如权利要求1限定的指向相对于垂直于所述反应器的轴的平面的角度β，其中，角度α和β在下列充分反应的条件下根据进入碎片状材料的速度U1或粉状元素的流速G、推进剂的速度U2、等离子体射流的速度Vs、进入的材料的碎片的平均特性尺寸l、反应区的反应器长度Y来选择：
α(±10％)＝arc sin(Y/jΛ)
β(±15％)＝arc sin U1.c.δ.ΔTf/i Y.Qp
其中
i是装载有同时被引入到反应器中的碎片的流的射流的数量；
j是中间温度等离子体PIT的射流的数量或并行操作的等离子管的数量；
U1是所述碎片状材料的进入速度，单位用m/s表示；
Λ是中间温度等离子体PIT的射流的长度，单位用m表示，由经验式Λ＝kp(U3I)0.3De0.2Vs 0.3给出；
Y是所述反应器的长度，单位用m表示；
Qp是由所述等离子体给予所述碎片的能量流的密度，单位用W/m2表示，由公式Qp＝(1/3)(kTl)0.5.ml -0.5.E/l.σ给出；
c是所述碎片状或粉状的材料的比热容，单位用J/m3.K表示；
De是等离子体行进螺旋的平均直径，即圆锥形反应器直径的最大值和最小值之和的一半，单位用m表示；
Vs是等离子管的进气速度，单位用m/s表示；
δ是作用在所述材料的碎片上的处理深度，单位用m表示；
ΔTf确定被处理碎片的部分δ的温度的增加，单位用摄氏度表示，即进入材料的初始温度和处理结束时的温度之差，确定温度的增加的过程在非稳态热处理的预处理步骤中完成；
U3是由等离子体射流发生器给出的电极处的电压在一段时间内的平均幅值，单位用V表示；
I是通过所述电极的相应的电流强度在一段时间内的平均幅值，单位用A表示；
Tl是所述等离子体中重粒子的平均温度，即2000K；
ml是所述等离子体中重粒子的平均质量，单位用kg表示；
E是当与中间温度的非热等离子体的射流的分子I碰撞时传递给材料的碎片或粉状元素的等离子体化学能的量，单位用J表示E～kTl；
Te是中间温度等离子体PIT中的电子的温度，单位用K表示；
l是碎片或粉状元素的平均尺寸，单位用m表示；
σ是所述等离子体中的粒子关于所述粒子间的弹性碰撞的横截面即，σ～10-19m2；
k是波尔兹曼常数，k＝1.38×10-23J/K；
kp是经验系数，kp～6.31×10-2ml 0.5J-0.3s0.3。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：所述中间温度等离子体PIT等离子管由包含限制电流幅值的装置和能够形成电脉冲的晶体管系统(3)以及测量所提到的参数以使所述参数最优化的装置供应，其中数量可为2、3或6的所述PIT等离子管的电极可设置有销(54)，所述电极之间的最小距离可通过旋转所述电极来改变，以能够在不同压力产生短路火花。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于：限制电流幅值的装置为放置在升压器的初级电路或次级电路中的每个电源相上的电感器(2)，其中，这种类型的供应能够供应无限数量的等离子管。
11.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：建造用于在所述反应器中产生的产品的外流管(9),从而所述外流管(9)的内径d根据下列公式受限于由装载有碎片或粉状元素(5)的运载气体的流形成的螺旋(8)的直径D、根据权利要求1限定的角度β、在所述反应器中待产生的粒子的所需尺寸l0和被处理的碎片或粉状元素的材料的密度ρc以及运载气体的密度ρg：d≤[4D2l0/(tgβ)2(ρg/ρc)]1/3。
12.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：所述碎片(5)的推进力通过蜗杆的装置(30或49)机械地实现，并且组织被处理的碎片(5)的前进，从而在所述碎片(5)的运动中，由于所述反应器的内壁上的突起(31)的存在或安装在将未充分处理的碎片返回至所述反应器入口的导管中的压碎机，所述碎片彼此碰撞并压碎。
13.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：所述反应器设置有能够使气体产品返回到所述反应器入口的导管(23)、(43)和设备压缩机(41)、热交换器或散热器(42)、阀门(39’)以及设计和建造来收集和返回至所述反应器入口并退回未被完全处理的任何固体产品的导管和积累容器(9’、23、27)。
14.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：所述装置旨在处理由运载气体的流运送的细粉尘，在所述装置中，角度α和β等于90°且所述等离子管(1)被同轴导管(43)包围，使由所述等离子管(1)产生的等离子体流结构化且与装载有粒子(5)的运载气体(4)的流或任何对在所述反应器中发生待被组织的等离子体化学反应必要的气体流混合。
15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于：所述装置旨在处理由运载空气的流运送的细粉尘作为发电厂锅炉中或生物质转化反应器中的等离子体辅助燃烧器的应用。
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