CN107001033B - 一种精炼合成气的非平衡等离子体系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种精炼合成气的非平衡等离子体(NEP)系统和方法。根据本发明的一方面，提供了一种用于精炼合成气的非平衡等离子体系统，该系统包括具有中空腔的反应器，该反应器具有一个或多个入口岐管，其构造成推进轴对称旋转流动模式，合成气和一种或多种气化剂在反应器内进行加工，一个高压电极；以及一个接地电极，其中所述系统被配置为在所述高压电极和所述接地电极之间的引弧间隙上施加高电压电位产生能产生非平衡等离子体的电弧，所述系统被配置为使得合成气，一种或多种气化剂和产生等离子体的电弧在反应器中同时并入。在本发明的一个实施例中，非平衡等离子体系统包括形成单个入口岐管的两个偏心圆柱歧管，其中两个偏心圆柱歧管包括用于气化剂输入的第一偏心圆柱歧管和用于合成气输入的第二偏心圆柱歧管。本发明还包括一种用于精炼合成气的方法，其中本发明的非平衡等离子体系统将同时存在的同一区域中的合成气，空气和产生等离子体的电弧组合在一起。

Description

一种精炼合成气的非平衡等离子体系统和方法

技术领域

本发明涉及合成气的精炼领域，特别是，利用非平衡等离子体来精炼合成气的系统和方法。

背景技术

以含碳物为原料气化后所生产的合成气通常含有相当数量的焦油成分。焦油成分可包括苯，甲苯，萘，芘和茚等。这些焦油在商业的气化设施因可能堵塞并污染下游设备而引发关注。

焦油污染物的破坏和/或去除可能是困难的，因为去除策略的效率取决于工艺过程的参数以及反应的具体分子，文献记载了苯、甲苯、萘的模拟热转化过程，显示出为了得到较高程度的焦油转化率，必须达到相当程度的反应时间和温度(高达1250℃—大约1523K)。

一些研究已经研究了使用等离子体来裂解焦油。对能量转换过程来说，例如将烃转化为合成气，最佳效果是在采用“暖”滑动电弧等离子体的非热等离子(NTP)系统中获得的，其中气体温度在2000K-4000K的范围内。

通常是用萘或甲苯为材料，以各种放电(包括微波，电晕和滑动电弧放电)的方法研究焦油的等离子体重整。尽管这些研究显示出高的去除率，但它们的不良属性(比能量的高输入，输入气体不切合实际，低焦油浓度，低流速和低能效)使得它们在工业应用中是不受欢迎的。

非平衡等离子体系在本领域是已知的，包括美国专利8,603,403；8,110,155；7,867,457；8,618,436；5,960,026；6,924,608；和7,417,385，以及中国专利201722188和法国专利FR2775864。

所提供的背景信息用以反映申请人认为与本发明可能相关的信息。不一定意味着，也不应该理解为，任何前述信息构成了本发明的现有技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种精炼合成气的非平衡等离子体(NEP)系统及方法。本发明一方面，提供了一种用于精炼合成气的非平衡等离子体系统，该系统包括具有一个或多个入口岐管的反应器，所述入口岐管的构造能推进一种轴对称旋转的流动模式，合成气和一个或更多的气化剂经由入口岐管引入反应器内进行加工；一个高压电极；和一个接地电极，其中所述系统被配置为产生能产生非平衡等离子体的电弧，电弧由被施加在引弧间隙上的高电压电位产生，所述引弧间隙在所述高电压电极和所述接地电极之间，并且所述系统被配置为能使得合成气、一种或多种气化剂和产生等离子体的电弧在反应器中同时并入。

本发明又一方面，提供了一种非平衡等离子体系统，其包括具有第一末端和第二末端的中空腔；其中所述气体出口靠近所述第二末端；两个偏心圆柱歧管在靠近第一末端的腔体内形成单个入口岐管，两个偏心圆柱歧管包括用于气态过程添加剂输入的第一偏心圆柱歧管和用于合成气输入的第二偏心圆柱歧管；高压电极；和接地电极；其中所述系统被配置为能在所述中空室中形成螺旋气流模式；并且所述系统被配置为在位于所述高电压电极和所述接地电极之间的引弧间隙上施加高电压电位时产生非平衡等离子体放电。

本发明再一方面，提供了一种精炼合成气的方法，包括将合成气和气化剂输入到反应器中，形成轴对称旋转流动模式；其中所述反应器具有高压电极；和接地电极，并且被配置为在位于高压电极和接地电极之间的引弧间隙上施加高电压电位时产生电弧，所述非平衡等离子体由电弧产生；在引弧间隙之间施加高电压电位，从而产生非平衡等离子体。

附图说明

现在将仅通过示例的方式通过参考附图来描述本发明的实施例，其中：

图1示出了用于合成气精炼的非平衡等离子体(NEP)系统，其被配置为能使得合成气，一种或多种气化剂和产生等离子体的电弧在反应器中同时并入。特别地，图1示出了原始合成气(A)，非平衡等离子体(B)，气化剂(C)，混合点(D)，反应器容器(E)和精制合成气出口(F)。

图2示出了用于精炼合成气的非平衡等离子体系统的一个实施例的三维视图，详细描述了容纳接地电极223的反应器入口管222和焊炬的平截头体膨胀。

图3是图2所示出的非平衡等离子体系统实施例中合成气入口层面的水平横截面图，示出了反应器入口管222，反应室224和气体流225。

图4显示了一个实施例中合成气入口的简图，示出了具有不同直径的偏心圆柱体R21和R22。两个圆柱体直径中心之间的偏移由L30表示。

图5示出流过或围绕电极端的合成气的视图，其可以具有不同的几何形状，例如环，尖端，销，叉，线，线圈或叶片(空气箔)。

图6A-6F示出了一个实施例中在非平衡等离子体系统及其下游形成的高温燃烧区的剖面图。图6A-6F顺序地在焊炬的顶部开始，并且逐渐移动到焊炬的底部，显示每个增量层的截面温度曲线。可以注意到温度曲线从上到下是稳定的。

图7和8示出了一个实施例中非平衡等离子体系统的锥形第一端的三维视图，其详细说明了原料合成气入口端口206气化剂入口端口201，也可能进一步提供空气或添加剂入口(未示出)。图7中也示出了高温热电绝缘层211。

图9和图10公开了一个实施例中的非平衡等离子体系统的垂直截面，显示其温度曲线。

图11详细说明了一个实施例中非平衡等离子体系统高压电极体209和在反应室中显影的等离子弧221的大致位置的局部剖视图。还示出了等离子弧区域221.该区域是合成气-空气火焰稳定和持续的地方。

图12示出了图1至图4的非平衡等离子体系统的第一末端的详细横截面图，其详细描述了具有接地电极223的反应器的原始合成气进口206，电绝缘/垫圈211和截头锥形部分还示出了气体混合区域214下游的横截面积的逐渐增大。还示出了高压电极环204，反应器外壁216，气化剂入口端口201和两个偏心圆柱歧管(202和207)。高压电极环204，高压电极体209的延伸部，在正常工作运行条件下电弧能在所述高压电极环和高压电极体产生并附接；引弧间隙205；高温热电绝缘子208：陶瓷片背衬主绝缘体，用于隔绝热和电的绝缘体/垫圈211：同时用作气体的密封剂/垫圈的非导电绝缘体；所述高温热电绝缘子208和垫圈211通过轮缘210的绝缘螺栓结合在一起，所述轮缘210被示出。还示出了气体混合区域214，气体混合区域是空气，合成气和任选的任何添加剂以期望的亚化学计量体积混合在一起的体积。用于轮缘210的绝缘螺栓是将高压电极体209连接到接地电极223的截头锥形部分的紧固件。

图13是一个实施例中非平衡等离子体系统的截面图，其详细说明了气化剂入口201，支脚218，所述支脚可以是将电极体连接到高压电极环204的锥形或成角度的电极支座。引弧间隙205，原料合成气入口206和精炼气体出口212也被示出。图13A示出了高压电极环的放大视图。在一些实施例中，高压环204的脚部218成一定角度以便于获得与引弧间隙205的最佳距离。还示出了高压电极体209。高温热电绝缘体208。绝缘体是一个绝热的陶瓷件，位于气体混合区域214下游的高温阶段和反应入口管222上游的相对低温区之间。

图14A-F描绘了可以在本发明中使用的入口选项的各种配置，示出了合成气入口端口206和气化剂入口端口213。

图15示出了进入反应室的切向气体入口(T)的简化视图，其可以是气化剂入口端口201或原始合成气入口端口206。R1和R2是两个偏心圆柱的中心，其中包括入口岐管的壁。

图16A-D显示了可以在非平衡等离子体系统上应用的入口选项的各种配置。原始合成气入口206，气化剂入口213和气体混合区214被示出。

图17A-K表示用于非平衡等离子体系统的高压电极的说明性几何形状，其中17A是正方形；17B是圆形，17C是圆角的正方形，17D是抛物线，17E表示垂直向的矩形，17F表示垂直向的椭圆形或卵形，17G表示水平向的矩形形状，其间隙可以较小；17H表示水平向的椭圆形或卵形，17I和17J分别表示17C和17D的取向垂直延伸形式。图17K表示翼型形状，示出了流线型环以消除环后面的任何再循环区域。

图18和19示出了可以建立在非平衡等离子体系统的高压电极中的可选冷却路径，其中冷却剂气流215流经高压电极内壁219和高压电极外壁233之间的通道。图18还示出了内部空间217和支脚218，而图19示出了高压电极体209。

图20示出了一个实施例中的非平衡等离子体系统，其中的高电压包括了旋转电极228。该图还示出了高压电极体209，旋转轴203，用于旋转轴229的填充压盖密封件，所述填充压盖密封件提供电极体和通过端口201，206输送的工艺气体之间的机械密封。

图21A-C示出了旋转电极228的替代几何形状的旋转电极228的简化横截面。图21A示出了销几何形状。图21B和21C分别示出螺旋和三角形几何形状。

图22A-E表示可以与旋转设计一起使用的电极尖端的多种构造，图22A'-E'从顶部示出它们的视图。

图23示出了一个实施例中非平衡等离子体系统的部分横截面视图，其被配置为产生用于处理气体的较低压降，较低压降通过流动旁路通道220来实现。

图24A-B示出了一个实施例中的非平衡等离子体系统的局部视图，其中旋转销可控制地连接到接地马达234，提供扭矩以使轴203和高压电极230旋转。图24A示出了高压电极230经由磁耦合件226连接到旋转轴203。图24B示出了当电刷被旋转时，电线从高压电极230到旋转轴203在电线刷绕轴时的电压传递，其中电线刷为227。图24A-B示出了用于旋转轴229的旋转电极228和密封压盖密封件。

图25示出了一个实施例中的非平衡等离子体系统的局部视图，其中高压电极230是旋转金属叉的形状。在图25-A中，叉是直的，并且其与截头锥形部分223的距离增加了焊炬上电弧的进一步行进。在图25-B中，叉形高压电极230与内反应器壁/截头锥形部分223之间的距离保持恒定。

图26A-B示出了一个实施例中的非平衡等离子体系统的用于高压电极的旋转销的局部视图。还示出了接地马达234，所述接地马达提供使轴203和高压电极230旋转的扭矩。图26A示出了将电压从高压电极230传递到旋转轴203的方法中的行星齿轮231。图26B中的齿轮231可以被倾斜以获得更好的稳定性和更长的寿命。图26C示出了行星齿轮231的俯视图，其旋转轴203在中间，并且外部固定齿圈由在它们两者之间旋转的行星齿轮连接。

图27A示出了一个实施例中的非平衡等离子体系统的垂直运动环232的旋转轴203的局部视图，其可用于在高压电极旋转时调节高度。旋转电极为228。可以手动或自动进行高度调节(根据电压特性进行振荡或调整)，参见图27B。

图28示出了一个实施例中非平衡等离子体系统的局部视图，其具有非导电冷却剂流215的导管，所述导管沿着旋转电极228的旋转轴203的中心向下。

图29A-C示出了一个实施例，所述实施例可以使用内部的基于操作杆的简单机械系统来调节旋转电极228的角度。

图30A-B示出了一个实施例，所述实施例中的旋转电极228具有足够的柔性，能随着旋转速度的增加而扭曲其形状。

图31A-D示出了等离子体电弧产生点之后的横截面可能的构造。

图32示出了非平衡等离子体系统的简化几何形状，其由高压电极体209和高压电极端200组成。还示出了气化剂入口201，合成气入口206，反应器外壁216和接地电极223。

图33示出了一个实施例中具有2个单平面入口201和206的非平衡等离子体系统。入口在相同的平面中彼此成180度。

图34示出了一个实施例中具有四个入口201/206的非平衡等离子体系统，每个平面两个。这些实施例说明工程中与反应器一起工作的入口的数量是没有限制的。根据具体应用，入口可以是多平面的或单平面的。

图35A-B示出了2和3个单面入口构造的横截面图。图35A-B示出了合成气入口206和气化剂入口213。

图36示出了本发明的一个实施例，其包括围绕低电压内环电极223的高电压外环电极230和高电压旋转电极228。两个环形电极的“支脚”218彼此偏移并且涂覆有电绝缘层以保持它们之间的电位差。

具体实施方式

定义

除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。

如本文所用，术语“原料合成气”通常是指在气化过程中产生的未被处理的气体。

如本文所用，术语“焦油”是指通常定义为产物气体中下游的可冷凝烃组分的高分子量烃。

如本文所用，术语非平衡等离子体(NEP)或非热等离子体(NTP)或“低温等离子体”或“低压等离子体”是指对气体具有轻微热分量的等离子体；而它主要对气体/颗粒组分具有催化作用。在高电压电场中产生非平衡等离子体。此外，非平衡等离子体具有高得多的电子能量分布，其具有大约10,000开尔文的温度，而重颗粒的温度在300-4000开尔文的范围内。非平衡等离子体放电的一些实例包括：介质阻挡放电，脉冲电晕放电和滑动电弧放电。所有这些等离子体放电具有使得电子能量(温度)明显高于其他等离子体颗粒的能量(温度)的性质；因此，它是非平衡放电。

如本文所用，术语“气化剂”是指空气，氧气，富集空气，蒸汽，二氧化碳，臭氧，硫化氢，过氧化氢及其组合。

系统概述

本发明提供了一种精炼合成气的非平衡等离子体(NEP)系统及方法。根据实施例，非平衡等离子体系统包括具有中空腔的反应器，该中空腔具有一个或多个入口岐管，其构造能在输入气体中推进一种轴对称旋转流动模式。引入原始合成气和一种或多种气化剂通过一个或多个入口在反应器内进行加工。该系统还包括一个高压电极；和一个接地电极，并且被配置为在高电压电极和接地电极之间的引弧间隙上施加高电压电位时产生能产生非平衡等离子体的电弧。该系统还被配置为使得合成气，一种或多种气化剂和产生等离子体的电弧在反应器中同时并入。

本发明还提供了使用本发明的非平衡等离子体系统来精炼合成气的方法，其将同时存在在相同区域中的合成气，空气和等离子体电弧组合在一起。

根据实施例，非平衡等离子体系统包括两个偏心圆柱歧管，所述的两个偏心圆柱歧管形成用于合成气输入的单个入口岐管。该系统还包括一组相似的两个偏心圆柱歧管，在一个不同的平面中，形成用于空气进入反应器的入口岐管。

尽管大多数描述将涉及两个入口实施例，但是应当理解，该系统可被配置为包括两个以上的入口。在非平衡等离子体入口岐管包括多于两个入口的实施例中，考虑偏心或共心配置。

本发明提供了一种用于精炼原始合成气的非平衡等离子体(NEP)系统。非平衡等离子体系统构造成能推进反应器中的轴对称旋转流动模式，其中引入原料合成气和气化剂用于反应。原料合成气，气化剂和等离子体在反应器内同时或同步地聚集在一起。

通过非平衡等离子体系统的配置提供轴对称旋转流动模式。非平衡等离子体系统包括具有一个或多个入口岐管的反应器或反应器室，其被配置为促进轴对称旋转流动模式，合成气和一个或多个气化剂被引入其中在反应器内进行加工，一个高压电极；和一个接地电极。

在非平衡等离子体系统的操作期间，反应器内的温度分布和流场轴对称和/或均匀，从而避免或减少由于温度差导致的热应力和/或变形。

一些实施例中的非平衡等离子体系统，系统被配置为反应器壁温度低于其熔点，而较高温度的反应区位于反应器的核心。在一些实施例中，反应器壁由较低温的反应物流形成的薄膜保护，消除了使用其它冷却方案和/或流体来维持壁稳定性的需要。在一些实施例中，可以采用冷却反应器壁的替代方法。可选地，使用热电子冷却来最小化或消除外部冷却需求。

在一个实施例中，非平衡等离子体系统的入口专用并且包括由两个偏心圆柱歧管构成的原始合成气入口，和气化剂输入入口；在反应器中以亚化学计量比混合在一起。

根据实施例，非平衡等离子体系统被配置为以变化的工艺流速提供稳定的非平衡等离子产生电弧和/或长电极寿命。可选地，非平衡等离子体系统包括气体通道的低维护率和/或被设计成为具有低过程压降以实现可操作性，以及提高过程的效率。

根据一些实施例，该系统被配置为减少或消除较高过程气体压降，焊炬不稳定性以及较高流动时的电弧附着损失，以及整个运行期间不均匀的弧隙距离，从而将焊炬推向热力学极限。本领域技术人员将理解，接地电极和高压电极可以具有其尺寸和几何形状以产生引弧间隙。

非平衡等离子体系统包括具有一个或多个入口岐管的反应器或反应器室，其构造成促进轴对称旋转的流动模式，合成气和一个或多个气化剂被引入其中以在反应器内进行加工，一个高压电极；和一个接地电极。该系统构造成在高电压电极和接地电极之间的引弧间隙上施加高电压电压时产生能产生非平衡等离子体的电弧。可以在非平衡等离子体系统中使用各种配置的电极。在某些实施例中，高压电极被配置为避免电弧在没有气流的情况下形成时的停滞区域或区域。

在一个实施例中，非平衡等离子体系统还包括两个或更多个入口岐管，其中入口可以分布在一个或多个几何平面

任选地，接地电极是容器或其组件的反应器侧或外壁部分。在一些实施例中，它具有截头锥形部分，其是弧的连接点。

参考图12，合成气通过合成气入口端口206从上游过程进入反应器。合成气入口端口206与合成气偏心圆柱歧管202可操作地相关联。包括空气在内的气化剂通过气化剂入口端口进入反应器并且被引导通过相应的偏心圆柱歧管207。

参考图14和16，在一些实施例中，存在额外的空气或添加剂入口213。额外的空气或添加剂可用于优化该方法的化学和电化学特性。

在一个实施例中，非平衡等离子体系统被配置为不易于堵塞。可选地，这通过为合成气入口提供偏心入口来实现。

根据一些实施例，原始合成气被切向注入，以便在焊炬内部产生高回旋流。

参考图7，在一些实施例中，为了在腔室内产生旋流，合成气入口端口206必须被设计成将气体以从反应器容器的几何中心偏离的涡流模式引入。

参考图4，根据一些实施例，引入合成气的横截面包括两个具有两个不同直径的偏心圆柱R21，R22。直径之间的偏移由图4中的L30表示。入口H16，H18能平衡流场中的偏心度，并推进入口下游的轴对称流。空气使用相同的入口，并将空气切向注入到具有不同直径的偏心圆柱体R21，R22中。

在一些实施例中，非平衡等离子体系统被配置为使过程气体经历的压降最小化，任选地，这可以通过使合成气混合物自由流动并通过高压环而不被限制在高压环和焊炬之间(图5)。

参考图12和16，在一些实施例中，提供了一个或多个高温工艺空气入口201(图12)和213(图16)。已知将等离子体电弧上游的合成气和空气混合，导致由部分转化过程产生的自由基与由等离子体电弧产生的激发的分子和电子反应而产生损失。因此，在一些实施例中，非平衡等离子体系统配置成使得气化剂和原始合成气在主反应区214处接近等离子体电弧(图12)。

在一些实施例中，非平衡等离子体系统被配置为减少热损失和热应力。任选地，非平衡等离子体系统被配置为接收未被加热到高温的系统上游的合成气，从而避免热损失和对入口的巨大的热应力。

一些实施例中的非平衡等离子体系统，原料合成气在低得多的温度下进入，并且高温燃烧产物在反应器中心或接近反应器的中心处展开，远离壁和合成气入口(图6,9和10)。在这样的实施例中，可通过低温合成气的边界层保护反应器壁免受高温。该边界层最终与下游的燃烧产物混合，远离强烈的转化热。图10示出了高温燃烧区远离反应器壁，所述高温燃烧区在反应器内部而不是在反应器的上游。

在这种实施例中，系统不需要注入任何其它气流以避免高压和低压电极之间的绝缘环上的烟灰积聚，并且不排除无需加入冷空气。通过使用工艺空气作为合成气和绝缘件之间的屏蔽来防止烟灰积聚。本发明消除了将冷却空气注入到该过程中的应用，因为这样做可以稀释合成气流并导致能量损失并降低处理气体的较低热值(LHV)。消除了液体冷却剂的使用，因为它降低了系统温度，从而需要增加更多的工艺热量来保持温度，最终会降低系统的效率。在本发明的其他实施例中，例如图18和19所示的实施例中，如果需要，可以采用冷却剂流215。

在本发明的一个实施例中，处理空气推动原始合成气流离开绝缘件，绝缘件可以是例如Teflon^TM件。因此，为了保护电的绝缘体/垫圈211，在Teflon^TM和空气注入部分之间插入高温热电绝缘体208(图12)。

在本发明的另一个实施例中，接地电极223的截头锥形部分推进反应器内更好的流体分布。此外，创建再循环区域和合成气轴向速度的减速，降低了电弧被拉伸且较不稳定的区域的速度。在另一个实施例中，反应器的横截面的膨胀导致相同体积的长度与直径的长宽比小，这导致相同体积(停留时间)的较小横向表面积，因此热损失减少(图12)。

在本发明的另一个实施例中，工艺空气或气化剂通过接地的电极223的截头锥形部分引入(图12)。

电极

非平衡等离子体系统还包括一个高压电极；以及一个接地电极，其中所述系统被配置为在所述高电压电极和所述接地电极之间的引弧间隙上施加高电压电位时产生非平衡等离子体放电。

在一个实施例中，高压电极环204，提供形成等离子体电弧的电压/电流；经由支腿218与高压电极体209可操作地相关联，并且其尺寸设置成能提供引弧间隙，并且所述引弧间隙的位置在正常操作条件下可产生和附接电弧。反应器侧或外壁216用作接地(低电压)电极或电弧自身附着的区域，并且在所示实施例中是截头锥形部分223。

参考图12，在所示实施例中，引弧间隙205的临界距离是高压电极环204和反应器壁206之间的间隔，接地电极223的截头锥形部分，工艺气体流过所述截头锥形。在该实施例中，支脚218至高压环204的几何形状以及环和支腿的尺寸和几何形状可被调节以优化用于引弧205的间隙，以获得特定的工艺性能目标(图3和12)。

非平衡等离子体系的电极插件包括高导电性材料，例如石墨，碳钢或不锈钢。

在另一个实施例中，电极插件包括高热离子发射率材料，例如铪，锆，钨，钍，镧，锶或其合金。

在本发明的一个实施例中，利用旋转电极228，用于旋转轴203的填充压盖密封件229将工艺气体保持在反应室224中，并且防止它们进入高压电极体209。

在一个实施例中，电极被倒置，使得在焊炬内部不存在中空部分，并且电极内不会发生电弧(图11)。因此，需要较少的冷却，并且通过迫使其在合成气流中显影而有效地利用电弧。换句话说，本发明的焊炬设计中没有停滞的区域，并且电弧从高压环开始，然后通过合成气流向下游推动，从而提供有效的能量使用。合成气流，提供有效的能源使用。支脚218通过在电极内壁219之间保持期望的引弧间隙205来促进电弧形成。电极环的直径被设计成大于电极的圆柱形部分，使得电弧总是在环形成高压电极的截面，而不是圆柱形部分。电极的圆柱形部分和焊炬壁之间的间隙大约是环和焊炬壁之间的两倍。此外，电极的圆柱形部分涂覆有非导电材料的薄膜，以确保在环的上游没有发生电弧。

在一些实施例中，非平衡等离子体系统高压电极不是固体圆盘或圆柱形的。

在一些实施例中，高压电极被配置为避免以下中的一个或多个：

1、特别是在原始合成气含有高负荷的颗粒物质如烟灰，盐和飞灰的情况下，通过将整个流体挤压以通过狭窄的间隙。

2、通过狭窄的间隙的流动将轴向加速流动并部分地破坏涡流模式。

3、引弧间隙中的流速高于通过该间隙的火焰速度。当气体通过间隙挤压时，通过该间隙的气体的速度被加速，因此在这个空隙中维持火焰是很困难的。如果在圆盘的上游开发，这种流速加速可能会吹灭火焰。

4、可能导致圆盘熔化或被火焰反应性基团腐蚀。如果在圆盘的上游形成火焰，并且这种火焰通过产生较大的间隙而持续，则高温腐蚀性燃烧产生的自由基仍然必须被限制在窄的间隙内，火焰与圆盘相邻，可能导致圆盘熔化或被火焰反应性基团腐蚀。

在一些实施例中，高压电极被配置如下：

电极端200(图32)可以是旋转电极或固定电极，并且具有不同的几何形状，例如环，尖端，销，叉，线，线圈或叶片(空气箔)。

高压电极旋转是轴对称的，旋转电极228(图24,26,27,28,29,30)包括相同或不同长度的一个或多个几何形状。它们彼此轴向偏移。

电极端部200的直径大于高压电极体209的圆筒部(图32)。

电弧在引弧间隙205(图12)之后的等离子弧区域221(图11)处显影。电极体209的圆柱形部分和焊炬外壁216之间的间隙大小是电极端部200，外壁216和低压电极223的截头圆锥形部分之间的尺寸的大约的两倍(图12)。

高压电极体209的圆柱形部分涂覆有非导电材料的薄膜。

电极端200(图32)可以是方形，圆形，圆角的方形，抛物线形，垂直取向的矩形，垂直取向的椭圆形或卵形，水平取向的矩形，水平定向的椭圆形或卵形等。

在另一个实施例中，电极包括可选的冷却通道，其中冷却剂流215通过高压电极内壁219和高压电极外壁233之间的通道。

在需要液体冷却的本发明(图18和19)的实施例中，高压电极体209制造成双壁构造，其中在外壁223和内壁217之间存在冷却剂流215。

环

在本发明的另一个实施例中，高压电极环204(图12)可以具有不同的几何形状，针对特定工艺进行了优化。

图17A-K表示这些高压电极的说明性几何形状，其中17-A是正方形；17-B是圆形的，17-C是圆角的正方形，17-D是抛物线的，17-E表示垂直取向的矩形，17-F表示垂直取向的椭圆形或卵形，17-G表示水平定向矩形形状，其间隙可能较小；17-H表示水平取向的椭圆形或卵形，17-I和17-J表示17-C和17-D的取向垂直延伸版本。

图17-K表示一个翼型形状，显示出一条流线型环，以消除环后面的任何再循环区，这对于避免燃烧和高温气体的再循环在电极环附近产生是重要的，因其可能会侵蚀环。

旋转电极

虽然现有技术已经知道旋转电极，如专利US 6,924,608和US 7,417,385所示，它们与本发明不同，因为当前系统使用直流电源区别于Czernichowski等使用的三相交流电源，此外，目前的系统利用工艺气体流量来控制等离子体电弧的发展和定位，而所提及的专利使用机械旋转作为控制电弧的方法。

Albin Czernichowski的专利FR2775864A1还描述了一种用于使用旋转电极机械拉伸滑动弧的装置，但是在当前的系统中，电弧通过合成气流的动量来滑动/拉伸，而不是通过相对于彼此机械移动地电极。

本发明的旋转高压电极的目的是在每次电弧重新产生时避免在同一位置产生电弧。高压电极和接地焊炬体之间的距离/间隙总是恒定的。高压电极的旋转只是使电弧发生位置连续变化，均匀分布在接地体周围。

旋转尖端电极

通过使用系统中的旋转尖端电极来提供用于在高压电极和焊炬接地体之间具有一致间隔的新元件，这不会约束/阻塞合成气或空气或合成气-空气混合物的气流通过电弧发生间隙。

新元件包括旋转尖端电极的设计，其中高压电极将是轴向对准或轴向平行于焊炬中心线的小直径杆。该杆的端部通过独特的弯曲或多个曲线/弯曲或可变角度部件靠近焊炬接地体。杆的尖端处于与割炬本体的弧击/起始距离。

为了避免在同一位置触发电弧，每次启动器尝试重新产生电弧时，杆/销/尖端将以适当的速度旋转。通过这种旋转尖端元件，电弧启动点随机分布在焊炬的圆周上，因此电弧对称分布在焊炬孔内。

旋转电极可以包括一个或多个尖端，所述尖端具有相同或不同长度的。使用彼此轴向偏移的两个或更多个尖端，将增加第二个维度，其中电弧开始点可以沿此维度延伸。或者，对于连续扩展的电弧产生区域，包括一个或多于一个尖端的旋转电极也可以上下轴向地振动。这样一来，尖端正切向旋转并且轴向振动。因此，电弧点分布在气缸的横向上。

一个固定的尖端将导致多个电弧发生点集中在单个点附近，而施加旋转的尖端将导致发生点在圆周上扩展。使用多个彼此轴向偏移的旋转尖端将导致电弧发生点在气缸的圆周上扩展。

电极尖端的形状被锐化以受益于热离子冷却效应现象，从而增加电极的寿命和性能。其他形状，例如平滑的半球形端部，也是可以实现的。此外，可利用尖端提供热离子冷却。

如图36所示，可以利用包括旋转电极和固定电极组合的系统来在特定操作条件下优化系统的性能。

合成气转化和清洗方法

本发明还公开了一种使用非平衡等离子体进行合成气转化和清洗的方法。该方法的主要特点是使用前面公开的系统，并将合成气，空气和电极之间的等离子弧和组合在同一区域内，并且在同一位置共存。任选地，系统的电极通过流经电极的内壁219和外壁233之间的通道(图18)的冷却剂流体215来冷却。

使用本发明的非平衡等离子体系统来精炼合成气的方法包括以下步骤：

将合成气和气化剂输入到反应器中，使得存在轴对称旋转的流动模式；其中所述反应器具有高压电极和接地电极，

在引弧间隙之间施加高电压电位，从而在高压电极和接地电极之间的引弧间隙上施加高电压电位时产生能产生非平衡等离子体的电弧。

此外，通过非平衡等离子体精炼合成气的方法包括将合成气与一个或多个气化剂组合在等离子弧附近。

组合系统

任选地，在一些系统中，非平衡等离子体重新配制与热等离子体和/或催化重整过程相结合。

合适的热等离子体和催化剂是本领域已知的，并且包括在WO2008/138117中公开的那些。

控制系统

该系统还可以包括控制系统。适当的控制系统在本领域中是已知的，并且可以包括在WO2008/138117中公开的那些。

由此描述了本发明，显而易见的，它可以以许多方式进行变化。

这些变化不被认为是偏离本发明的精神和范围，并且本领域技术人员显而易见的所有这些修改被包括在所附权利要求的范围内。

Claims (11)

1.一种用于精炼合成气的非平衡等离子体系统，该系统包括：

反应器，其包括：

具有第一末端和第二末端的中空腔，其中气体出口靠近所述第二末端；

单个入口歧管，其被配置成将气体输入到靠近所述第一末端的中空腔内，所述单个入口歧管包括被配置为从气化剂入口端口接收气化剂输入的第一偏心圆柱歧管和用于合成气输入的第二偏心圆柱歧管，并且其中所述单个入口歧管被配置为能推进轴对称旋转流动模式，

一个高压电极；和

一个接地电极，其位于所述中空腔的侧壁，通过引弧间隙与所述高压电极隔开，

其中所述系统被配置成所述引弧间隙上施加高电压电位时产生能产生非平衡等离子体的电弧，并且其中所述单个入口歧管在所述电弧附近输入气体。

2.根据权利要求1所述的非平衡等离子体系统，其中所述气化剂选自空气、氧气、富集空气、蒸汽、二氧化碳、臭氧、硫化氢、过氧化氢或其组合。

3.根据权利要求1所述的非平衡等离子体系统，其中所述高压电极是中空的并且包括电极插件，以及用于使所述高压电极内部中的冷却流体循环以促进对流冷却的装置。

4.根据权利要求3所述的非平衡等离子体系统，其中所述电极插件由高导电材料制成，并且所述电极插件包括包含铪、锆、钨、钍、镧、锶或其合金的高热离子辐射率材料。

5.根据权利要求1所述的非平衡等离子体系统，其中，所述高压电极被构造为旋转电极或固定电极，并且其中所述高压电极包括环、尖端、销、叉、线、线圈或叶片。

6.根据权利要求5所述的非平衡等离子体系统，其中所述反应器具有截头锥形部分，并且其中所述接地电极位于所述截头锥形部分中。

7.根据权利要求1所述的非平衡等离子体系统，其中所述高压电极包括电极体和电极端，并且其中所述电极端的直径大于所述电极体。

8.根据权利要求7所述的非平衡等离子体系统，其中所述电极体涂覆有非导电材料的薄膜。

9.根据权利要求7所述的非平衡等离子体系统，其中所述电极端被配置为环状，并且其中所述电极端具有选自方形、圆形、具圆角的方形、抛物线形、垂直取向的矩形形状、垂直取向的椭圆形、水平取向的矩形形状、水平取向的椭圆形、卵形或翼形的形状。

10.根据权利要求7所述的非平衡等离子体系统，其中所述高压电极包括环形高压电极端，其中所述环形高压电极端的尺寸设置成能提供引弧间隙。

11.根据权利要求10所述的非平衡等离子体系统，其中所述环形高压电极端经由一个或多个支脚可操作地连接到所述电极体。

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