CN105682334B - 一种电弧等离子体反应器装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种电弧等离子体反应器装置，所述反应器的内部设有反应内腔；在所述反应器的一端安装至少一个原料喷嘴，另一端设为产物出口；在靠近原料喷嘴一端的反应器上设有n支电弧等离子体炬，所述n支电弧等离子体炬与反应内腔联通；n≥3，所述n支电弧等离子体炬同向旋转布置在反应内腔的同一横截面上，且每支电弧等离子体炬的中心轴线与反应内腔的中心轴线之间的夹角为α，所述n支电弧等离子体炬的中心轴线在反应内腔的横截面上投影后在反应内腔的横截面上存在一个公共切圆，所述公共切圆位于所述反应内腔内。所述反应器装置能使电弧等离子体与反应物料快速混合均匀，并提高反应区温度的均匀性。

Description

一种电弧等离子体反应器装置

技术领域

本发明涉及反应器技术领域，尤其涉及一种电弧等离子体反应器装置。

背景技术

电弧等离子体具有能量集中、参数梯度大的特点，具有对物料的加热速度快、达到化学平衡时间短、反应速度快等优点。

然而由于等离子体能量高度集中，体积小，反应物料难以在短时间内与等离子体混合均匀，造成反应区温度不均匀、产品不均匀、能耗高等缺点。

此外，由于电弧的自收缩特性，使等离子体功率以及等离子体的体积并不能按比例增加。例如：增加电弧电流，等离子体的体积增加很少；提高等离子体电弧电压，通常需要增加气流量，等离子体射流速度会提高，等离子体射流截面增加也很小。因而难以满足大规模工业生产。

现有技术中，专利文件UK2145310、UK2145589、UK2145591、US3989512A、US3931542A、US5406046A、US7030336B1、UA77739C2、JP225100-91等都公开了使用多电极或多电弧等离子体炬扩大等离子体面积，但或由于电弧不稳定，或仍存在混合不均匀等问题，限制了其的应用发展。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种电弧等离子体反应器装置。所述等离子体反应器装置能使电弧等离子体与反应物料快速混合均匀，并提高反应区温度的均匀性，从而提高产品均匀性和能效性，并且可以通过增加电弧等离子体炬的数量和每支电弧等离子体炬的功率增大反应器规模。

本发明提出的一种电弧等离子体反应器装置，所述反应器的内部设有反应内腔；在所述反应器的一端安装至少一个原料喷嘴，另一端设为产物出口；在靠近所述原料喷嘴一端的反应器上设有n支电弧等离子体炬，n支电弧等离子体炬与反应内腔联通，n≥3；所述n支电弧等离子体炬同向旋转布置在反应内腔的同一横截面上，且每支电弧等离子体炬的中心轴线与反应内腔的中心轴线之间的夹角为α，所述n支电弧等离子体炬的中心轴线在反应内腔的横截面上投影后在反应内腔的横截面上存在一个公共切圆，所述公共切圆位于所述反应内腔中。

优选地，α为45°～105°。

优选地，所述反应内腔的横截面为圆形或正多边形；优选地，所述公共切圆的直径为所述反应内腔最小横截面圆直径或多边形对角线的0～1/3。

优选地，所述n支电弧等离子体炬为转移弧等离子体炬时，n≥4且为偶数，任意相邻两支转移弧等离子体炬的极性相反，n支转移弧等离子体炬产生的电弧在所述公共切圆周围联通。

优选地，所述n支电弧等离子体炬为转移弧等离子体炬时，在所述原料喷嘴中心安装一个电弧电极；n≥3，所述n支转移弧等离子体炬的极性都相同，且与所述原料喷嘴中心的电弧电极的极性相反，所述电弧电极产生的电弧与所述n支极性相反的转移弧等离子体炬产生的电弧在所述公共切圆内联通；或者n≥4且为偶数，所述n支转移弧等离子体炬中任意相邻两支电弧等离子体炬的极性相反，n支转移弧等离子体炬产生的电弧在所述公共切圆周围联通，并与所述电弧电极产生的电弧在切圆内联通。

优选地，在所述电弧等离子体炬下方的反应器上安装有多个保护气体喷嘴，其喷出的保护气体在反应内腔的壁面上形成隔离层，进而对反应内腔内壁进行保护，且所述隔离层具有向所述产物出口方向流动的轴向分量；优选地，所述保护气体为所述反应器装置的反应产物中一种或几种，或者为惰性气体，或者为有利于增强所述反应器装置反应的气体。

优选地，所述原料喷嘴为圆形喷嘴或者为围绕反应内腔中心轴线的圆周均匀分布的多个喷嘴组合；优选地，原料喷嘴喷出的原料覆盖区域为圆形，其直径为所述公共切圆直径的0.5-2倍。

优选地，所述反应内腔的横截面为圆形时，在所述反应内腔壁面上周向均匀设有凸起结构；优选地，所述凸起结构布置在所述公共切圆所在的平面上。

优选地，所述转移弧等离子体炬的电弧电流为100～1000A，所述每支转移弧等离子体炬喷管内的弧电压大于相应电弧等离子体炬总弧电压的1/2，优选地，每支转移弧等离子体炬喷管内的弧电压大于相应电弧等离子体炬总弧电压的2/3。

优选地，在所述n支电弧等离子炬上方或者下方的反应器上还设有m支电弧等离子体炬，所述m支电弧等离子体炬在反应内腔轴向上设置至少一层，每层电弧等离子体炬都同向旋转布置在反应内腔的同一横截面上，且都存在一个公共切圆，同时每层电弧等离子体炬的旋转方向都与所述n支电弧等离子炬的旋转方向相同。其中，所述每层电弧等离子体炬的数目、公共切圆直径和α角都可以不同。

本发明提出的一种电弧等离子体反应器装置，通过特定位置设定的n支电弧等离子体炬，其产生的高速等离子体射流在公共切圆附近形成高速旋转流动的高温气体涡旋区，涡旋方向与多支等离子体射流一致。高速旋转流动的高温气体区域向下游流动，并扩展充满反应器截面，保持除了反应器壁附近外的大部分横断面区域的温度均匀。

其中，由于高温气体涡旋区的存在，在原料喷嘴喷出的原料进入高温气体区域时，可被高速旋转的高温气体卷席，与高温气体迅速混合均匀，并在反应器截面内迅速扩散，从而分布均匀，并向反应器下方快速流动，在此过程中反应物料被加热，产生物理或/和化学反应，在反应器下方流出反应器。

此外由于电弧等离子体射流速度可达每秒数百米甚至千米以上，涡旋旋转线速度极高，而反应器直径只有十厘米量级，高温区本身能迅速扩散均匀，物料进入旋转高温气体区域，与高温气体的混合均匀所需时间只需毫秒量级，因此非常有利于高温气体对产品的加热均匀性，有利于提高产品分布均匀性和降低能耗。

因此，与现有的电弧等离子体反应器装置相比，本发明提出的一种电弧等离子体反应器装置具有以下优点：能使电弧等离子体与反应物料快速混合均匀，并提高反应区温度的均匀性，从而提高产品均匀性和提高能效，并且可以通过增加电弧等离子炬的数量和每支电弧等离子体炬的功率从而增大反应器规模。

附图说明

图1为本发明提出的一种电弧等离子体反应器装置的纵剖面示意图；

图2为图1的电弧等离子体炬布置俯视图；

图3为电弧通路及高温气体漩涡示意图。

图4为本发明提出的一种电弧等离子体反应器装置另一种实施例中反应内腔壁面的凸起结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，图1为本发明提出的一种电弧等离子体反应器装置的纵剖面示意图。图2为图1的电弧等离子体炬布置的俯视图。图3为电弧通路及高温气体漩涡示意图。图4为本发明提出的一种电弧等离子体反应器装置另一种实施例中反应内腔壁面的凸起结构示意图。

参照图1-4，本发明提出的一种电弧等离子体反应器装置，反应器2的内部具有反应内腔；在反应器2的一端安装至少一个原料喷嘴1，另一端设为产物出口7；在靠近原料喷嘴1一端的反应器2上设有n支电弧等离子体炬3，n支电弧等离子体炬3与所述反应内腔联通，n≥3；n支电弧等离子体炬3同向旋转布置在反应内腔的同一横截面上，且每支电弧等离子体炬的中心轴线与反应内腔的中心轴线之间的夹角为α，所述n支电弧等离子体炬的中心轴线在反应内腔的横截面上投影后在反应内腔的横截面上存在一个公共切圆，所述公共切圆位于所述反应内腔内。

在本发明技术方案中，反应器2可以竖直放置，也可以水平放置或者倒置。

参照图1，在本发明的一个优选技术方案中，反应器2竖直放置，原料喷嘴1位于反应器2顶部且联通至反应内腔，产物出口7位于反应器2底部，反应内腔的横截面为旋转对称结构，优选为圆形或正多边形。

n支电弧等离子体炬3位于原料喷嘴1下方的反应器2上并联通至反应内腔，且n支电弧等离子体炬3喷管的出口端面都与反应内腔的壁面平齐。n支电弧等离子体炬3都旋转对称布置在反应内腔的同一横截面上，且每支电弧等离子体炬的中心轴线与所述反应内腔的中心轴线的夹角为α。

参照图2，n支电弧等离子体炬3的中心轴线在反应内腔的横断面上投影后向反应内腔中延伸，在反应内腔的横断面上有一个公共切圆。n支电弧等离子体炬3的中心轴线在反应内腔的横断面上投影后与所述公共切圆半径所在直线之间存在夹角β，其中所述公共切圆下游至产物出口为反应段。

参照图3，通过上述结构设定的n支电弧等离子体炬3，其喷出的等离子体炬高温气体射流可汇聚于所述公共切圆的周围，由此产生高速旋转流动的高温气体涡旋区6，其涡旋旋转方向与n支电弧等离子体炬高温气体射流一致。由于电弧等离子体炬高温气体射流的宽度，高温气体涡旋区6的直径大于所述公共切圆的直径，与此同时，高温气体涡旋区6向下游流动过程中径向扩展，均匀充满反应内腔横断面，保持除了反应器壁附近外的大部分横断面区域温度均匀。

在上述技术方案中，电弧等离子体炬所使用的工质气体根据反应要求可为惰性气体、还原性气体或氧化性气体，甚至可以是反应原料气体。

在上述技术方案中，在未注入原料的情况下，高温气体涡旋区6的平均温度高于3000K，对于双原子分子产生的高温气体射流，高温气体涡旋区6的平均温度为3000K-8000K，对于单原子分子产生的高温气体射流，高温气体涡旋区6的平均温度为5000K-13000K，采用转移弧等离子体炬时高温气体涡旋区6的平均温度高于采用非转移弧等离子体炬。

在本发明的一个优选技术方案中，α为45°～105°。其中，角度过大，例如大于105°，涡旋区容易产生向上流动分量，虽然有利于物料与高温气体混合，但混合时间可能过长，物料注入有利于抑制涡旋向上流动；角度过小，例如小于45°，则涡旋的旋流数减小，涡旋向下流动快，不利于反应区横断面内的温度均匀和反应原料扩散及与高温气体的混合。

在本发明另一个优选的技术方案中，所述公共切圆的直径为反应内腔最小截面直径的0～1/3，优选为所述反应段所在反应内腔最小截面直径的0～1/3。所述公共切圆直径过小，形成的高温气体径向扩散慢；所述公共切圆直径过大，则高温气体扩散快，有可能碰壁，烧坏反应器。

所述电弧等离子体炬优选为转移弧等离子体炬，其比非转移弧等离子体炬能耗低、电极材料消耗少、等离子体炬结构简单等优势。

在本发明所述电弧等离子体反应器装置中，当n支电弧等离子体炬为非转移弧等离子体炬时，电弧不受反应物料影响，容易控制。

当n支电弧等离子体炬3为转移弧等离子体炬时，为了形成稳定涡旋，至少采用2对阴极转移弧和阳极转移弧等离子体炬，即n≥4，且为偶数。相邻转移弧等离子体炬的极性相反，使得相邻转移弧等离子体炬中的电弧电极3-1产生的电弧之间的斥力维持电弧在各自平衡位置的动态稳定，再借助于等离子体射流惯性，克服电弧之间的洛伦兹力作用，从而维持从转移弧等离子体炬发出的电弧稳定地汇聚于所述公共切圆的周围，同时相邻电弧之间在所述公共切圆的周围相互联通，但不会形成闭合的环路。

在上述技术方案中，维持上述至少2对转移弧等离子体炬电弧稳定的电源联结方式是：将n支转移弧等离子体炬3中阳极炬和阴极炬的电弧电极3-1分别联接到n/2支直流电源的正极和另外n/2支直流电源负极，所述n支直流电源的另一极都联接到公共点，并接地；其中1支电源为电压控制型电源，其余(n-1)支电源为电流控制型电源；由此使汇聚在所述公共切圆区电弧电流的代数和为零，并控制所述公共切圆区等离子体炬的电位接近地电位，防止电弧与反应器壁击穿，烧损反应器壁。

当n支电弧等离子体炬3为转移弧等离子体炬时，对于上述方案还存在一个变形方案，通过在反应器顶端的原料喷嘴1中心安装一个电弧电极3-0，n支转移弧等离子体炬为至少2对阴极和阳极转移弧等离子体炬，n为≥4的偶数，且相邻每支转移弧等离子体炬极性相反，n支转移弧等离子体炬3的电弧电极3-1产生的电弧在所述公共切圆周围联通，并与所述电弧电极3-0产生的电弧在公共切圆内联通，以此维持电弧稳定。

对于上述变形方案的一种特殊情况，n支转移弧等离子体炬3的极性全部相同，且与原料喷嘴1中心的电弧电极3-0的极性相反，n为≥3的任意自然数，原料喷嘴1中心的电弧电极3-0所产生的电弧与n支电弧等离子体炬3的电弧电极3-1产生的转移弧等离子体炬在公共切圆下方联通，通过依靠等离子体炬射流的惯性，克服相邻电弧之间的洛伦兹力作用，维持转移弧等离子体炬射流中心的电弧在各自平衡位置的稳定。

在上述变形方案中，维持上述电弧稳定的电源联结方式是：其中任意1支转移弧等离子体炬3的电弧电极3-1或原料喷嘴1中心安装的电弧电极3-0连接到电压控制型电源的正极或负极，其余的电弧电极连接到电流控制型电源的正极或负极。优选所述原料喷嘴1中心安装的电弧电极3-0联接到1支电压控制型电源的正极或负极，所述n支转移弧等离子体炬3的阳极炬和阴极炬的电弧电极3-1分别联接到n/2支电流控制型电源的正极和另外n/2支电流控制型电源的负极，所述(n+1)支电源的另一极都联接到公共点、并接地。

在上述所有方案中，当采用转移弧等离子体炬时，为了保证涡旋区电弧稳定，每支转移弧等离子体炬的电弧电流控制为100～1000A，优选为150～800A，所述电弧电流过低则电弧处于V-I特性下降区，难以控制稳定运行，所述电弧电流过高则由于电弧间相互洛仑兹力作用过强，难以控制涡旋区域大小或电弧的稳定。控制电弧稳定的一个有利的方法是等离子体炬喷管内部的弧压降大于每支等离子体炬全部电弧电压的1/2，则每支转移弧等离子体炬的总弧电压的相对波动较小。

对于n支转移弧等离子体炬3中，n为偶数且n≥4时，可以通过增加电弧等离子体炬的对数，增加反应器规模。优选为电弧等离子体炬3的对数为大于2的奇数。对于电弧等离子体炬对数大于2时，可以让任意一支非电压控制的电弧等离子炬停止工作，其所产生的等离子体炬停止工作减少的能量供应可由其他电弧等离子体炬分摊；对于电弧等离子体炬对数n为大于2的奇数时，可以让任意位于对角的两支非电压控制的等离子炬停止工作，其所产生的等离子体炬停止工作减少的能量供应可由其他电弧等离子体炬分摊。

对于反应物料需要充分加热和进一步提高均匀性时，在所述n支电弧等离子炬上方或者下方的反应器上还设有m支电弧等离子体炬，所述m支电弧等离子体炬在反应内腔轴向上设置至少一层，每层电弧等离子体炬都同向旋转布置在反应内腔的同一横截面上，且都存在一个公共切圆，同时每层电弧等离子体炬的旋转方向都与所述n支电弧等离子体炬的旋转方向相同。每层电弧等离子体炬的数目n、公共切圆直径和α角可以不同。多层布置的电弧等离子体炬也可以通过增加等离子体炬数量从而增大反应器的功率和扩大反应器规模。

在上述所有技术方案中，所述反应器装置的工作过程包括，将待加工原料从原料喷嘴1以分散的方式喷出，下行进入高温气体涡旋区6，被其中的高温涡旋气体卷吸，迅速与高温气体混合，混合时间在毫秒量级或更小，而后在所述所述公共切圆附近及其下游的反应段被迅速均匀加热，产生物理和/或化学反应。反应生成物向下游快速流动流出产物出口7，物料在反应器反应段内停留时间为10毫秒量级，然后在反应器出口处进行必要的后处理，如冷却、分离等。

其中，原料喷嘴1可以为圆形喷嘴，也可以是多个喷嘴组合，其通过围绕反应内腔中心轴线的圆周均匀分布形成。原料喷嘴1喷出的原料覆盖区域近似为圆形，要求在所述公共切圆区域的分散物料刚好覆盖所述公共切圆，一般为公共切圆直径的0.5-2倍，以此保证被加工原料能完全进入高温气体涡旋区。

所述待加工原料可以为气体、物化液体、粉末状固体。固体粉末可以用气体输送，也可以采用其他分散方式送入高温涡旋气体区域，从而有利于固体粉末与高温气体均匀混合和加热。液体可采用机械雾化、气动雾化或其他方式雾化进行输送。

在本发明中，为了保证待加工原料与高温气体快速混合均匀，需要高温气体涡旋的速度足够高，要求等离子体炬3的出口射流的速度大于300m/sec。

工作过程中，高温气体涡旋区6的部分物料可能未充分加热和反应就逃离高温区，因此反应内腔的横截面可采用正多边形，或者如图4所示，在截面为圆形的反应内腔内壁四周添加凸起结构8，使未充分加热的物料重新进入高温区。

在具体工作过程中，对于未反应的物料或反应产物容易在反应器壁沉积的情况，可在离子体炬和产物出口之间且靠近所述等离子体炬一端的反应器上安装多个保护气体喷嘴4，其喷出的保护气体5在反应内腔内壁形成隔离层对反应内腔内壁进行保护。其中，保护气体5可采用反应产物中一种或几种，或反应后的固体粉末或不参与反应的固体粉末，或者采用一些不影响反应的气体，如惰性气体，或者有利于增强反应的气体，或有利于对反应器壁保护的气体，例如原料中有碳存在时，为了防止反应器的器壁结焦，可采用氧气等。这些保护措施除了对反应内腔内壁进行保护，还有利于对反应器壁的隔热和提高反应区温度的均匀性。当采用上述促使保护反应器壁时，反应器内腔器壁不宜使用凸起结构8。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种电弧等离子体反应器装置，所述反应器的内部设有反应内腔；在所述反应器的一端安装至少一个原料喷嘴，另一端设为产物出口；其特征在于，在靠近原料喷嘴一端的反应器上设有n支电弧等离子体炬，n支电弧等离子体炬与反应内腔联通，n≥3；所述n支电弧等离子体炬同向旋转布置在反应内腔的同一横截面上，且每支电弧等离子体炬的中心轴线与反应内腔的中心轴线之间的夹角为α，所述n支电弧等离子体炬的中心轴线在反应内腔的横截面上投影后在反应内腔的横截面上存在一个公共切圆，所述公共切圆位于所述反应内腔内；其中α为45°～105°；所述反应内腔的横截面为圆形时，在所述反应内腔壁面上周向均匀设有凸起结构。

2.根据权利要求1所述的电弧等离子体反应器装置，其特征在于，所述反应内腔的横截面为圆形或正多边形。

3.根据权利要求1所述的电弧等离子体反应器装置，其特征在于，所述公共切圆的直径为所述反应内腔最小横截面圆直径或多边形对角线的0～1/3。

4.根据权利要求1-3任一项所述的电弧等离子体反应器装置，其特征在于，所述n支电弧等离子体炬为转移弧等离子体炬时，n≥4且为偶数，任意相邻两支转移弧等离子体炬的极性相反，n支转移弧等离子体炬产生的电弧在所述公共切圆周围联通。

5.根据权利要求1-3任一项所述的电弧等离子体反应器装置，其特征在于，所述n支电弧等离子体炬为转移弧等离子体炬时，在所述原料喷嘴中心安装一个电弧电极；n≥3，所述n支转移弧等离子体炬的极性都相同，且与所述原料喷嘴中心的电弧电极的极性相反，所述电弧电极产生的电弧与所述n支转移弧等离子体炬产生的电弧在所述公共切圆内联通；或者n≥4且为偶数，所述n支转移弧等离子体炬中任意相邻两支等离子体炬的极性相反，n支转移弧等离子体炬产生的电弧在所述公共切圆周围联通，并与所述电弧电极产生的电弧在公共切圆内联通。

6.根据权利要求1-3任一项所述的电弧等离子体反应器装置，其特征在于，在所述电弧等离子体炬下方的反应器上安装有多个保护气体喷嘴，其喷出的保护气体在反应内腔的壁面上形成隔离层。

7.根据权利要求6所述的电弧等离子体反应器装置，其特征在于，所述保护气体为所述反应器装置的反应产物中一种或几种，或者为惰性气体，或者为有利于增强所述反应器装置反应的气体。

8.根据权利要求1-3任一项所述的电弧等离子体反应器装置，其特征在于，所述原料喷嘴为圆形喷嘴或者为围绕反应内腔中心轴线的圆周均匀分布的多个喷嘴组合。

9.根据权利要求8所述的电弧等离子体反应器装置，其特征在于，原料喷嘴喷出的原料覆盖区域为圆形，其直径为所述公共切圆直径的0.5-2倍。

10.根据权利要求4所述的电弧等离子体反应器装置，其特征在于，转移弧等离子体炬的电弧电流为100～1000A，每支转移弧等离子体炬喷管内的弧电压大于相应每支电弧等离子体炬总弧电压的1/2。

11.根据权利要求5所述的电弧等离子体反应器装置，其特征在于，转移弧等离子体炬的电弧电流为100～1000A，每支转移弧等离子体炬喷管内的弧电压大于相应每支电弧等离子体炬总弧电压的1/2。

12.根据权利要求1-3任一项所述的电弧等离子体反应器装置，其特征在于，在所述n支电弧等离子体炬上方或者下方的反应器上还设有m支电弧等离子体炬，所述m支电弧等离子体炬在反应内腔轴向上设置至少一层，每层电弧等离子体炬都同向旋转布置在反应内腔的同一横截面上，且都存在一个公共切圆。