CN106276792A - 一种微波等离子体重整装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波等离子体重整装置，包括：反应腔；微波功率管，其设置在所述反应腔内，以在反应腔内形成微波电场；微波等离子体反应管，其设置在所述反应腔内，所述微波等离子体反应管呈空心圆环状，并且其截面为椭圆形，所述微波等离子体反应管上设置有进气端口和出气端口，并且所述进气端口和出气端口从所述反应腔内穿出到反应腔外部；电子发生装置，其包括放电电极，所述放电电极插入到所述微波等离子体反应管内，所述电子发生装置能够产生高频高压电场并通过所述放电电极进行放电。

Description

一种微波等离子体重整装置

技术领域

本发明涉及微波电磁感应技术领域，特别涉及一种微波等离子体重整装置。

背景技术

微波等离子体重整装置是利用微波激发可燃混合气体产生等离子体，通过等离子体促使可燃混合气体发生重整反应，产生富氢气体，具有反应产量高、无需催化剂等优点。微波等离子体重整反应的机理是通过微波电场促使可燃混合气体电离产生等离子体，利用等离子体中高能电子冲击等离子体中的中性粒子，使中性粒子发生裂解产生活性基(团)，这些活性基(团)在一定条件下重新组合形成新的分子或原子结构。常规化学反应很难实现或者需要昂贵重金属作为催化剂才能实现的反应，可以通过等离子体重整反应轻易实现。等离子重整反应可以使汽油、乙醇等燃料转化为富氢可燃气体，可以用来改善发动机的燃烧、制备用于燃料电池的富氢气体等，具有很广泛的应用前景。

然而现阶段，在重整反应过程对于等离子体温度的要求普遍存在矛盾。一方面，由于催化剂工作温度的要求、材料高温承受能力以及反应能耗的限制，反应过程中等离子体温度一般不能太高，通常低于1000摄氏度。另一方面，在不添加任何辅助装置的情况下，对于只依靠反应腔内微波电场来产生和维持等离子体的方式，微波等离子体中富氢气体反应产量又和等离子体温度直接相关。也就是说，虽然减小重整装置反应腔内微波电场强度，可以使反应腔内重粒子热运动速度减小，从而表征等离子体温度的重粒子温度也相应减小，保证了上述避免高温的要求。但是重整装置反应腔内微波电场强度的减少，又会使反应腔内等离子体中电子密度减少、电子温度下降，从而高能电子冲击重粒子的频率减小、富氢气体的产量也相应减小。

由此可见，在反应腔反应管路内可燃混合气体压强不变的前提下，改变反应腔内微波电场大小会直接影响等离子体的电子密度和电子温度，反应腔内等离子体温度和富氢气体产量也将相应受到影响。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中等离子体密度与等离子体温度的之间的矛盾，设计了一种微波等离子体重整装置，能够提高反应腔内局部高能电子密度，还可以降低反应腔内等离子体温度，提高了微波等离子体重整器的经济性。

本发明提供的技术方案为：

一种微波等离子体重整装置，包括：

反应腔；

微波功率管，其设置在所述反应腔内，以在反应腔内形成微波电场；

微波等离子体反应管，其设置在所述反应腔内，所述微波等离子体反应管呈空心圆环状，并且其截面为椭圆形，所述微波等离子体反应管上设置有进气端口和出气端口，并且所述进气端口和出气端口从所述反应腔内穿出到反应腔外部；

电子发生装置，其包括放电电极，所述放电电极插入到所述微波等离子体反应管内，所述电子发生装置能够产生高频高压电场并通过所述放电电极进行放电。

优选的是，所述反应腔包括内壁和外壁，通过所述内壁和外壁形成空心圆环柱状空腔，所述反应腔还包括可开启的上盖。

优选的是，所述微波等离子体反应管采用耐高温透波材料制成。

优选的是，所述耐高温透波材料为石英或陶瓷。

优选的是，所述微波功率管设置有多个，并且贴合在所述外壁的内侧。

优选的是，所述放电电极的放电端设置在所述反应腔内微波电场强度最大处。

优选的是，电子发生装置还包括：

电源；

升压器，其用于将电源电压进行升压；

电容，其与所述升压器连接，通过升压器输出端为所述电容充电；

第一电感，其两端分别与电容连接，以形成LC振荡电路；

第二电感，其与所述形成互感，所述第二电感的两端与放电电极连接。

优选的是，所述电容与第一电感之间串联有电子开关。

本发明的有益效果体现在以下几个方面：

1.微波等离子体反应腔和特斯拉线圈的结合使用，通过特斯拉线圈提供额外高能电子，提高了反应腔内等离子体活性，有效提高了重整反应富氢气体产量。

2.得益于特斯拉线圈的使用，特斯拉线圈可以充当反应腔的点火装置，为重整反应提供初始电荷，解决了微波等离子体反应腔微波电场场强太小难以点火问题，同时也降低了反应腔的设计难度。

3.特斯拉线圈的使用为降低反应腔内微波电场强度提供了可能，微波电场强度的降低不光减少了反应腔壁电流损耗，而且降低了等离子体温度，从而减少了重整装置热辐射能量损耗，提高了重整装置的经济性。

4.微波等离子体反应腔和特斯拉线圈的结合使用，可以使得重整反应控制更加灵活，合理的控制反应腔内微波电场强度和特斯拉线圈的放电场强，可以有效提高反应腔内氢气转化率。

附图说明

图1为本发明所述微波等离子体重整装置平面图。

图2为本发明所述微波等离子体重整装置立体图。

图3为本发明所述特斯拉线圈原理图。

图4为本发明所述特斯拉线圈高能电子发生装置原理图。

图5为本发明所述特斯拉线圈点火电极置于外环侧微波等离子体重整装置平面图。

图6为本发明所述反射销点火电极式微波等离子体重整装置平面图。

图7为本发明所述的微波等离子体反应管结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本发明提供的一种新型微波等离子体重整装置，包括：包括微波等离子体反应腔110、微波功率管120、微波等离子体反应管130和特斯拉线圈高能电子发生装置140。

如图1、图2所示，微波等离子体反应腔110为横截面为圆环形的圆柱体，包括外壁111、内壁112以及柱体一侧的端盖113。通过端盖113能够将微波等离子体反应腔110打开，以方便更换微波等离子体反应管130。为了减少微波等离子体反应腔110内壁电流在微波功率管120附近过大，微波功率管120应该放置在反应腔内周长较大的圆环形柱体外壁111内侧，即微波功率管120与外壁111的内侧贴合。微波功率管120一般有多个，多个微波功率管120组成微波功率合成系统放置于微波等离子体反应腔110内，用来产生呈现一定模态分布的微波电场121，微波功率管120的数量应该根据反应腔产生一定数量氢气的功率需求决定。通过对微波功率管120数量和位置的分析结合微波等离子体反应腔110壁电流分布原理，合理安置各微波功率管120在反应腔内位置，可以使微波功率管120在反应腔内部微波输出功率最大。作为一种优选，为了减少反应腔壁电流的能量消耗，环形柱体内部做镀铜处理。

微波等离子体反应管130放置在微波等离子体反应腔110中心位置，可燃混合气体从进气端口131进入微波等离子体反应管130，经过反应管两侧管路发生重整反应后，产生的富氢气体从出气端口132流出。作为一种优选选项，微波等离子体反应管130可以制成横截面为椭圆形的环形单圈管路，如图7所示。这样做的好处是一方面反应管路横截面较大、气体流量较大，于是可以提高反应产量，另一方面选取横截面为椭圆形的管路在微波等离子体反应腔110内时径向尺寸较小，可以充分利用反应腔场强较大区域，同时减少微波等离子体反应管130内等离子体对微波等离子体反应腔内模态的干扰。微波等离子体反应管130可以由石英管、陶瓷管等耐高温透波材料制成。

特斯拉线圈高能电子发生装置140是一种分布参数高频串联谐振变压器，可以获得百万伏以上的高频电压。如图3所示，特斯拉线圈主要由初级LC谐振回路、次级线圈和放电电极组成。工作原理如下：首先利用高压直流电对主电容C1进行充电，主电容C1和初级线圈L1共同构成初级LC谐振回路，当主电容C1电压达到放电阈值时，打火器S1火花间隙放电导通，于是主电容C1和初级线圈L1发生串联谐振，给次级线圈电路提供足够高的励磁功率。次级线圈电路由次级线圈L2和对地等效电容C2组成，两者可以在初级LC谐振回路的激励下发生串联谐振，其谐振频率需保证和初级线圈相同。在初级LC谐振回路的不断激励下，放电电极终端电压不断升高，直至达到气体的击穿电压。在特斯拉线圈设计过程中最重要的是让初级线圈和次级线圈产生共振，放电电极和放电电极尖端之间的气体共同构成了对地等效电容C2，通过放电尖端的距离可以估算对地等效电容C2的大小，然后通过公式：

$\sqrt{L1/C1}=\sqrt{L2/C2}$

合理的选择L1、C1、L2的大小，即可以保证初级线圈和次线圈发生共振，使得次级线圈放电电压达到最大。在初级线圈主电容C1的选择过程中，可以选择多个耐高压超级电容串联，该方案相比于选取传统电容器不光可以提高初级线圈的储电量、产生更多的高能粒子，而且还可以减少装置体积。

如图1、4所示，本发明对特斯拉线圈进行改进，从而可以让特斯拉线圈在特定区域产生符合要求的高能电子。特斯拉线圈高能电子发生装置140包括线圈部分141和放电电极142。首先为特斯拉线圈添加放电电极142，放电电极应该放置在微波等离子体反应腔110内微波电场121最大区域，同时伸入到微波等离子体反应管130内部中心位置，这样可以控制特斯拉线圈在指定区域放电，在微波电场作用下特斯拉线圈点火电极形成的等离子体体积也是最大。另一方面改特斯拉线圈打火器S1为电子开关145，这样通过控制电子开关145可以对特斯拉线圈的放电状态进行精确控制，使得微波等离子体重整装置重整反应效率达到最佳。用来给特斯拉线圈主电容C1充电的高压直流电电源143经升压器144升压后的直流电也可以是经全波整流后的高压交流电，最终特斯拉线圈高能电子发生装置如图4所示。

特斯拉线圈放电电极在反应腔内主要由三种布置方式，第一种是布置在反应腔圆环形柱体内侧，如图1所示；第二种放电电极布置在反应腔圆环形柱体外侧，如图5所示，这样做的好处是反应腔圆环形柱体外环侧壁电流相对内环侧较小，减少放电电极的存在对反应腔微波电场本身模态的影响；第三种布置方式如图6所示，放电电极以反射销的形式布置在反应腔上，放电电极由两根反射销组成，分别放置在圆环形柱体内环侧和外环侧，这样做的好处是放电电极以反射销的形式布置在反应腔内，即使特斯拉线圈不工作，反射销上也有一定的感应电场，不需要其他辅助设备进行点火，而且跟据反应腔内模态分布布置反射销，可以最大程度上减小放电电极对反应腔内微波模态的影响。

新型微波等离子体重整装置具体工作过程如下：

可燃混合气体从进气端口131进入微波等离子体反应腔110内，可燃混合气体经由微波等离子体反应管130环形通道两侧，绕反应腔半周持续发生重整反应后产生富氢气体后，从出气端口132流出。在反应的初始阶段微波等离子体反应管130内的可燃混合气体在特斯拉线圈高能点火装置140的放电电极142作用下完成点火。点火完成后可燃混合气体在多个微波功率管120产生的呈一定模态分布的微波电场121的作用下发生重整反应产生富氢气体，同时特斯拉线圈高能电子发生装置140在等离子体反应管130几个特定位置以一定频率持续放电，向反应管路持续释放大量高能电子，相比于反应管路中其他区域，其放电电极142周围区域电子温度更高、电子密度更大、高能电子和重粒子碰撞的频率更高，可以极大的提高重整反应富氢气体产量。

本发明所述新型微波等离子体重整装置，在传统微波等离子体重整装置的基础上添加特斯拉线圈，利用特斯拉线圈放电电压高、放电强度大为重整反应持续提供高能电子。特斯拉线圈的结合使用一方面可以使重整反应更加容易启动，并极大提高了制氢反应产量；另一方面降低了重整反应对微波等离子体反应腔内微波电场强度的要求，而且间接降低了反应腔内等离子体温度，提高了重整反应的经济性。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种微波等离子体重整装置，其特征在于，包括：

反应腔；

微波功率管，其设置在所述反应腔内，以在反应腔内形成微波电场；

微波等离子体反应管，其设置在所述反应腔内，所述微波等离子体反应管呈空心圆环状，并且其截面为椭圆形，所述微波等离子体反应管上设置有进气端口和出气端口，并且所述进气端口和出气端口从所述反应腔内穿出到反应腔外部；

电子发生装置，其包括放电电极，所述放电电极插入到所述微波等离子体反应管内，所述电子发生装置能够通过所述放电电极进行放电。

2.根据权利要求1所述的微波等离子体重整装置，其特征在于，所述反应腔包括内壁和外壁，通过所述内壁和外壁形成空心圆环柱状空腔，所述反应腔还包括可开启的上盖。

3.根据权利要求1所述的微波等离子体重整装置，其特征在于，所述微波等离子体反应管采用耐高温透波材料制成。

4.根据权利要求3所述的微波等离子体重整装置，其特征在于，所述耐高温透波材料为石英或陶瓷。

5.根据权利要求2所述的微波等离子体重整装置，其特征在于，所述微波功率管设置有多个，并且贴合在所述外壁的内侧。

6.根据权利要求1所述的微波等离子体重整装置，其特征在于，所述放电电极的放电端设置在所述反应腔内微波电场强度最大处。

7.根据权利要求1所述的微波等离子体重整装置，其特征在于，电子发生装置还包括：

电源；

升压器，其用于将电源电压进行升压；

电容，其与所述升压器连接，通过升压器输出端为所述电容充电；

第一电感，其两端分别与电容连接，以形成LC振荡电路；

第二电感，其与所述形成互感，所述第二电感的两端与放电电极连接。

8.根据权利要求7所述的微波等离子体重整装置，其特征在于，所述电容与第一电感之间串联有电子开关。