CN107708283A - 一种微波等离子体的温度控制方法及设备 - Google Patents

一种微波等离子体的温度控制方法及设备 Download PDF

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    • H05H1/461—Microwave discharges

Abstract

本发明涉及微波等离子体领域，提供一种微波等离子体的温度控制方法及设备。其中微波等离子体的温度控制方法包括如下步骤：调节微波功率，在微波激发区产生微波等离子体；在微波激发区吹入工作气体，微波等离子体羽流伸出激发区；调整工作气体的组分配比，选择合适的温度区域；选择微波等离子体羽流的不同位置，调节温度区域。以解决现有技术中采用功率调节等离子体温度出现的不稳定情况。

Description

一种微波等离子体的温度控制方法及设备
技术领域
本发明涉及微波等离子体领域，具体涉及一种微波等离子体的温度控制方法及设备。
背景技术
微波等离子体的能力集中，反温度空间分布梯度较大，具有丰富的高能电子、带电粒子和活性自由基。近年来微波等离子体在材料合成、表面处理以及垃圾焚烧等方面均有广泛应用。微波等离子体的温度是影响等离子体化学反应的重要参数，通常微波等离子体的温度受微波功率影响较大。如申请公布号为CN104748122A、申请公布号为CN107185949A的中国专利所示。
采用微波等离子体作为加热源时，针对不同的反应，所需的温度范围不同，通常需要调整微波功率对微波等离子体的温度进行调整。但是通过微波功率对微波等离子体的温度进行调整时，微波等离子体的波动范围较大，不方便调节，影响微波等离子体输出温度的稳定性。
发明内容
本发明的目的是提供一种微波等离子体的温度控制方法，其具有方便调节微波等离子体的温度，且保持微波等离子体温度稳定性的特点。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种微波等离子体的温度控制方法，包括如下步骤：
调节微波源的微波功率，在微波激发区产生微波等离子体；
采用混合工作气体，向微波激发区吹入混合工作气体，使微波等离子体形成微波等离子体羽流。
采用微波等离子体进行温度调节时，根据实际工况预先选择合适的微波功率；选择混合工作气体，并调整流速形成微波等离子体羽流，使其伸出激发区，便于提供稳定的工作温度区域。之后可依据实际应用工况的温度，调节混合工作气体的配比，进一步对温度进行微调。以实现在微波功率一定时，通过调节混合工作气体的配比，即可实现微波等离子体的输出温度在一定范围内的微调。
按照如上方法调节温度，微波功率确定后，不需要再对功率进行较大调整。仅需要通过调节工作气体配比，即可对工作温度进行微调。
进一步地，工作气体为氮气、氦气、氩气、空气或者氧气中至少两种。
采用氮气、氦气、氩气、空气或者氧气作为工作气体时，产生的等离子体羽流长度和温度均有不同。通过调整不同类型气体的配合，可以对等离子体的温度进行微调。
优选地，当功率为800W，氮气和空气作为混合气体时，氮气占混合工作气体的体积百分比为X1，等离子羽流输出温度为Y1，X1与Y1之间的关系为Y1＝-21.9X1+6260，其中0＜X1＜100。
优选地，当功率为800W，氩气和空气作为混合气体时，氩气占混合工作气体的体积百分比为X2，等离子羽流输出温度为Y2，X2与Y2之间的关系为Y2＝-36.25X2+6548，其中0＜X2＜100。
优选地，当功率为800W，氩气和氮气作为混合气体时，氩气占混合工作气体的体积百分比为X3，等离子羽流输出温度为Y3，X3和Y3之间的关系为Y3＝-9.828X3+3909，其中0＜X3＜100。
进一步地，混合工作气体的流速为1-15L/min。
采用以上技术方案，调节工作气体的流速在该范围内，微波等离子体的输出温度更加稳定。
进一步地，微波等离子体羽流的长度为8-10cm。
采用以上技术方案，调节工作气体的流速，调节微波等离子体羽流的长度在该范围内，可保证微波等离子体在一定温度范围内恒定。
优选地，微波等离子体羽流距离微波激发区5-8cm为等离子体羽流的工作段。
采用以上技术方案，微波等离子体距离激发区太近，温度不稳定；若微波等离子体距离激发区太远，温度较低，且不稳定，不便作为稳定的热源。微波功率、工作气体流速和工作气体的组成确定之后，以上等离子体羽流的工作段为温度稳定的工作区，在相应功率下可保持稳定的工作温度。
优选地，作为微波源的器件选自速调管、行波管、磁控管、返波管或者回旋管。
本发明的另一目的在于提供一种微波等离子体的温度控制设备，其具有方便调节微波等离子体的工作温度区。
本发明的上述目的通过以下技术方案得以实现：一种微波等离子体的温度控制设备，用于实现上述的微波等离子体的温度控制方法，包括微波等离子体发生器，微波等离子体发生器的微波激发区一侧连接有混合气路系统，另一侧连接有贯穿微波等离子体发生器、并且与混合气路系统相通的等离子体放电管，还包括与微波等离子体发生器相连的驱动件，驱使微波等离子体发生器沿微波等离子体羽流长度方向移动。
采用以上技术方案，微波等离子体发生器用于产生微波等离子体羽流，混合气路系统用于气体混合，并且将混合之后的气体通入到微波等离子体羽流处；此外，为了方便调节微波等离子体羽流上的实际工作温度区，驱动件推动微波等离子体发生器运动，进而可以针对不同工况调节微波等离子体羽流的温度。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1、当微波功率确定时，可以通过调整微波激发区的工作气体的组分配比，以实现在特定微波功率下，仍可对微波等离子体的输出温度进行几百到几千温度区间的调整；
2、针对不同的工况，可选择不同的工作气体进行组合调配，实现微波等离子体输出温度的微调；
3、微波等离子体的温度控制设备用于特定工况时，可通过驱动件调整微波等离子体羽流的工作温度区间。
附图说明
图1为实施例一中微波等离子体的温度控制设备的结构示意图；
图2为实施例二中氮气-空气混合气与微波等离子体输出温度的变化曲线示意图；
图3为实施例三中氩气-空气混合气与微波等离子体输出温度的变化曲线示意图；
图4为实施例四中氩气-氮气混合气与微波等离子体输出温度的变化曲线示意图；
1、微波等离子体发生器；11、微波源；12、环形器；13、水负载；14、双定向耦合器；15、三销钉调节器；16、渐变波导；17、等离子体放电管；2、燃烧室；21、燃烧区；22、垃圾进料口；23、垃圾出料口；3、混合气路系统；31、气瓶；32、流量调节器；33、混气腔；34、载气管；4、冷却室；41、冷却水入口；42、冷却水出口；5、电机。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例一：一种微波等离子体的温度控制设备，结合图1，包括微波等离子体发生器1，与微波等离子体发生器1相连的燃烧室2，以及为微波等离子体提供气体的混合气路系统3，混合气路系统3与微波等离子体发生器1之间设置冷却室4。
微波等离子体发生器1包括微波源11，用于产生微波。与微波源11依次相连设置环形器12、双定向耦合器14、三销钉调节器15和渐变波导16，环形器12上方连接水负载13，用于吸收反射的微波。三销钉调节器15可达到阻抗匹配，使反射功率小于5％，避免微波反射功率对微波源11造成伤害。在渐变波导16的端部产生微波等离子体羽流的位置处连接等离子体放电管17，等离子体放电管17采用熔融石英玻璃管将等离子体羽流限制在等离子体放电管17内。
燃烧室2连接至渐变波导16的端部，燃烧室2包括燃烧区21，等离子体放电管17伸入燃烧室2，微波等离子体发生器1产生的等离子炬位于燃烧区21内。燃烧室2一端开设垃圾进料口22，另一端开设垃圾出料口23。垃圾持续从垃圾进料口22进入燃烧区21，在微波等离子体羽流的处理下裂解为气体，分解的气体从垃圾出料口23排出。
为了方便对微波等离子体的温度进行调整，混合气路系统3设置为多路气体可进行混合的形式。混合气路系统3包括多个不同种类的气瓶31，微波等离子体发生器1位于燃烧室2的上方设置混气腔33，气瓶31的出气口通过气体管路连接至混气腔33处，并且在气体管路上设置流量调节器32。氩气气瓶再分出一条支气路，支气路通过载气管34一直延伸至等离子体放电管17处。
为了降低等离子体羽流对渐变波导16的影响，在混气腔33和等离子体放电管17之间设置冷却室4，冷却室4一端开设冷却水入口41，另一端开设冷却水出口42。等离子体羽流产生过程中，在冷却室4中持续通入冷却水降温。
另外，为了获得稳定的温度输出，微波等离子体发生器1连接有电机5。电机5驱动微波等离子体发生器1移动，使得等离子体羽流靠近或者远离燃烧室2的燃烧区21。
实施例二：一种微波等离子体的温度控制方法，采用实施例一中的设备，包括如下步骤：
由理查德电子开发的SM1250型磁控管微波源产生微波，调节微波功率为800W，在微波激发区产生微波等离子体；
在微波激发区吹入氮气和空气混合气体作为混合工作气体，混合工作气体的流速为5L/min；微波等离子体羽流伸出激发区，长度约为10cm；
调整氮气占混合气体的体积百分数，记录为X1，并且在微波等离子体羽流的位置在5-8cm处，测得相应的等离子体羽流的温度为Y1，X1和Y1的关系如图2所示，符合Y1＝-21.9X1+6260，R2＝0.99。
由图2可以看出，当氮气占混合气体的体积百分数在0-100％之间变化时，微波等离子体的输出温度在6000-4000℃之间。在该条件下，若工作气体采用纯氮气，微波等离子体的输出温度在4000℃左右。此时，调整氮气和空气的体积比，即可对微波等离子体的输出温度进行微调，无需再对微波功率进行调节。
实施例三：一种微波等离子体的温度控制方法，采用实施例一中的设备，包括如下步骤：
由理查德电子开发的SM1250型磁控管微波源产生微波，调节微波功率为800W，在微波激发区产生微波等离子体；
在微波激发区吹入氩气和空气混合气体作为混合工作气体，混合工作气体的流速为5L/min；微波等离子体羽流的长度约为10cm；
调整氩气占混合气体的体积百分数，并标记为X2，在微波等离子体羽流的位置在5-8cm处，测得等离子体温度为Y2，X2和Y2的关系如图3所示，并且符合Y2＝-36.25X2+6548，R2＝0.99。
由图3可以看出，当氩气占空气的体积百分数在0-100％之间变化时，微波等离子体的输出温度对应在6300-3000℃之间。若工作气体为纯氩气，微波等离子体的输出温度为3000℃左右，调节氩气和空气的比例，即可对微波等离子体的输出温度进行微调，无需再对微波功率进行调节。
实施例四：一种微波等离子体的温度控制方法，采用实施例一中的设备，包括如下步骤：
由理查德电子开发的SM1250型磁控管微波源产生微波，调节微波功率为800W，在微波激发区产生微波等离子体；
在微波激发区吹入氩气和氮气混合气体作为混合工作气体，混合工作气体的流速为5L/min；微波等离子体羽流的长度约为10cm；
调整氩气占混合气体的体积百分数，并标记为X3，在微波等离子体羽流的位置在5-8cm处，测得等离子体温度为Y3，X3和Y3的关系如图4所示，并且符合Y3＝-9.828X3+3909，R2＝0.917。
由图4可以看出，当氩气占氮气的体积百分数在0-100％之间变化时，微波等离子体的输出温度在3800-3000℃之间。若工作气体为纯氩气，微波等离子体的输出温度在3000℃左右。与实施例二相比，氩气和氮气以不同的比例混合，可以调节微波等离子体的输出温度范围较小。
由以上数据可知，在一定微波功率下，可以调整不同气体的比例，对微波等离子体的输出温度进行调节。
应用例：
采用微波等离子体处理医用塑料垃圾，若采用常规的低温(1000℃)焚烧处理垃圾，会产生二噁英等有害物质。若采用电弧等方式进行高温(9000-10000℃)燃烧，能耗过大，并且还会产生大量的氮氧化物。
调整微波功率为800W，采用实施例二中氩气和空气的混合气体，调节等离子体输出温度在3500-5000℃之间。
预先对医用塑料垃圾进行微波干燥，去除水分；
之后对医用塑料垃圾进行分选除杂，去除医用塑料垃圾中的金属、玻璃、陶瓷等固体颗粒物，得到待处理医用塑料垃圾；
待处理医用塑料垃圾粉碎形成粒径为10cm左右的颗粒；
采用上述微波等离子体处理医用塑料垃圾，医用塑料垃圾的输入量为100kg/h。医用塑料垃圾经过微波等离子体的处理，尾气中未检测到二噁英和氮氧化物的二次污染物。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.一种微波等离子体的温度控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
调节微波源的微波功率，在微波激发区产生微波等离子体；
采用混合工作气体，向微波激发区吹入混合工作气体，使微波等离子体形成微波等离子体羽流。
2.根据权利要求1所述的微波等离子体的温度控制方法，其特征在于，工作气体为氮气、氦气、氩气、空气或者氧气中至少两种。
3.根据权利要求2所述的微波等离子体的温度控制方法，其特征在于，当功率为800W，氮气和空气作为混合气体时，氮气占混合工作气体的体积百分比为X1，等离子羽流输出温度为Y1，X1与Y1之间的关系为Y1＝-21.9X1+6260，其中0＜X1＜100。
4.根据权利要求2所述的微波等离子体的温度控制方法，其特征在于，当功率为800W，氩气和空气作为混合气体时，氩气占混合工作气体的体积百分比为X2，等离子羽流输出温度为Y2，X2与Y2之间的关系为Y2＝-36.25X2+6548，其中0＜X2＜100。
5.根据权利要求2所述的微波等离子体的温度控制方法，其特征在于，当功率为800W，氩气和氮气作为混合气体时，氩气占混合工作气体的体积百分比为X3，等离子羽流输出温度为Y3，X3和Y3之间的关系为Y3＝-9.828X3+3909，其中0＜X3＜100。
6.根据权利要求1-5任一项所述的微波等离子体的温度控制方法，其特征在于，混合工作气体的流速为1-15L/min。
7.根据权利要求6所述的微波等离子体的温度控制方法，其特征在于，微波等离子体羽流的长度为8-10cm。
8.根据权利要求7所述的微波等离子体的温度控制方法，其特征在于，微波等离子体羽流距离微波激发区5-8cm为等离子体羽流的工作段。
9.根据权利要求1-5任一项所述的微波等离子体的温度控制方法，其特征在于，作为微波源(11)的器件选自速调管、行波管、磁控管、返波管或者回旋管。
10.一种用于实现权利要求1-9任一项所述的微波等离子体的温度控制方法的微波等离子体的温度控制设备，其特征在于：包括微波等离子体发生器(1)，微波等离子体发生器(1)的微波激发区一侧连接有混合气路系统(3)，另一侧连接有贯穿微波等离子体发生器(1)、并且与混合气路系统(3)相通的等离子体放电管(17)，还包括与微波等离子体发生器(1)相连的驱动件(5)，驱使微波等离子体发生器(1)沿微波等离子体羽流长度方向移动。
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