CN108834296A - 一种微波等离子装置 - Google Patents

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Abstract

一种微波等离子装置，其包括壳，所述壳至少分成上游壳和下游壳，其特征在于，还包括放电管、漩涡气体供应装置、等离子电极、燃料喷枪、波导和微波源，所述放电管设置在上游壳和下游壳之间，并与上游壳内腔和下游壳内腔形成流体通道，所述微波源通过波导给放电管提供微波辐射；漩涡气体供应装置连通于上游壳内腔，用于给上游壳内腔提供气体，所述等子电极设置于上游壳内用于对漩涡气体供应装置所提供的气体进行电离以将气体生成包含自由基的等离子流，燃料喷枪连通于下游壳内腔，等离子流与燃料喷枪喷出的燃料在下游壳内腔进行反应以产生高温火焰并从下游壳内腔喷出。本发明提供的微波等离子装置能够产生高温大容量的等离子火焰，且不需要很高功率的供电电源。

Description

一种微波等离子装置
技术领域
本发明涉及一种微波等离子装置，尤其涉及一种生成大容量高温等离子火焰的微波等离子装置。
背景技术
等离子火矩是在两电极之间产生等离子弧的装置，主根据直流弧火矩、感应弧火矩和高频电容性火矩。直流弧火矩通过在两电极之间施加直流电场，其缺点是使用寿命短，必须经常替换，且其工作电流通常在50-10000A的范围内，其必需非常大供电功率。感应弧火矩和高频电容性火矩的热效率较低，通常只有40-50%。传统的这些等离子火矩具有的容量低且花费高。
发明内容
为克服现有技术存在的缺点，本发明的发明目的是提供一种微波等离子装置，其能够产生高温大容量的等离子火焰，且不需要很高功率的供电电源。
为实现所述发明目的，本发明提供一种微波等离子装置，其包括壳，所述壳至少分成上游壳和下游壳，其特征在于，还包括放电管、漩涡气体供应装置、等离子电极、燃料喷枪、波导和微波源，所述放电管设置在上游壳和下游壳之间，并与上游壳内腔和下游壳同腔形成流体通道，所述微波源通过波导给放电管提供微波辐射；漩涡气体供应装置连通于上游壳内腔，用于给上游壳内腔提供气体，所述等子电极设置于上游壳内用于对漩涡气体供应装置所提供的气体进行电离以将气体生成包含自由基的等离子流，燃料喷枪连通于下游壳内腔，等离子流与燃料喷枪喷出的燃料在下游壳内腔进行反应以产生高温火焰并从下游壳内腔喷出。
优选地，上游壳和下游由不锈钢制备或者包覆了合金以屏隔离微波的影响。
优选地，微波源包括磁控管、微波输出检测器、灯丝电源、高电压源和控制器，其中，高电压源用于给磁控管的阳极提供高频能源，灯丝电源用于给所述磁控管的灯丝提供电压，磁控管用于产生微波，所述微波输出检测器用于检测从磁控管输出的微波值并提供给控制器，控制器根据微波输出检测器的检测结果控制给磁控管的阳极提供能源的高电压源的输出值。
优选地，高电压源包括初级整流滤波电路、开关电路、升压变压器、次级整流滤波电路和比较器，其中，初级整流滤波电路有于将交流电进行整流及滤波以得到直流电并提供给开关电路，所述开关电路根据比较器提供的控制信号将初级整流滤波电路提供的直流电转换脉冲交流电；所述升压变压器用于将开关电路提供的电能进行升压，所述次级整流滤波电路用于将升压变压器提供的电压进行整流滤波并提供的磁控管的阳极，所述比较器用于将微波输出检测器提供的信号与控制器提供的参考信号进行比较，根据比较结果控制开关电路的工作状态，进而控制高电压源的输出值。
优选地，高电压源还包括阳极电流检测电路和纹波成份检测电路，所述阳极电流检测电路用于检测提供给磁控管阳极的电流值并提供给纹波成份检测电路，纹波成份检测电路用于检测提供给磁控管阳极的电压中的纹波值，所述比较器还将纹波成份检测电路提供的信号与控制器提供的参考信号进行比较，根据比较结果控制开关电路的工作状态，进而控制高电压源的输出值。
优选地，高电压源包括初级整流滤波电路、开关电路、升压变压器、阳极电流检测电路、纹波成份检测电路、次级整流滤波电路和比较器，其中，初级整流滤波电路有于将交流电进行整流及滤波以得到直流电并提供给开关电路，所述开关电路根据比较器提供的控制信号将初级整流滤波电路提供的直流电转换脉冲交流电；所述升压变压器用于将开关电路提供的电能进行升压，所述次级整流滤波电路用于将升压变压器提供的电压进行整流滤波并提供的磁控管的阳极，所述阳极电流检测电路用于检测提供给磁控管阳极的电流值并提供给纹波成份检测电路，纹波成份检测电路用于检测提供给磁控管阳极的电压中的纹波值， 纹波成份检测器输出的信号值与微波成输出检测器输出的信号值进行相加得到和值，所述比较器还将和值与控制器提供的参考信号进行比较，根据比较结果控制开关电路的工作状态，进而控制高电压源的输出值。
优选地，所述波导至少包括梯形波导。
优选地，所述漩涡气体供应装置连接于上游壳内腔的气流通道向下倾斜。
优选地，燃料喷枪为多个，所述多个燃料喷枪关于下游壳内腔的轴线呈等角分布。
与现有技术相比，本发明提供的微波等离子装置能够产生高温大容量的等离子火焰，且不需要很高功率的供电电源。
附图说明
图1是本发明提供的微波等离子装置的组成框图；
图2是本发明提供的微波等离子装置中的等离子火焰产生装置的截面示意图；
图3是图1中提供的微波等离子装置的微波源的组成框图；
图4是本发明提供的等离子电源的电路图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语 “相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是电连接，也可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1是本发明提供的微波等离子装置的组成框图，如图1所示，根据本发明一个实施例提供的微波等离子装置包括等离子体产生器600、微波辐射装置300和点燃装置700，所述等离子产生装置600用产生等离子体，并将等离体流送入微波辐射装置300，所述微波辐射装置300用于对等离子流进行微波辐射以对等离体流进行升温，并将升温后的等离子体排入到点燃装置700，所述点燃装置700用于使升温后的等离体流与燃料进行混合并点燃燃料以产生高温大容时火焰。根据本发明一个实施例，等离子体产生器600用于对从气体供应该装置400提供的气体进行电离以产生包括自由基的等离子流，所述气体供应装置优选漩涡气体供应装置以使进入到等离子产生器中的气体呈漩涡状流入到微波辐射装置300。所述气体为空气体，氧气等。当气体包含氧气时，等离子流中至少包含氧的自由基。
根据本发明一个实施例，微波等离子装置还包括微波供应装置100,所述微波供应该装置包括控制器101，磁控管电压源和磁控管104，所述磁控管电压源根据控制器101的提供的控制信号给磁控管101提供阳极电压和灯丝电压以使磁控管104产生微波，磁控管104经微波匹配装置200给微波辐射装置300提供微波。根据本发明一个实施例，微波供应装置100还包括隔离器103,其设置于磁控管104和微波匹配装置200之间，以对磁控管进行保护。根据本发明一个实施例，微波供应装置100还包括微波输出检测器102，其用于检测输出的微波的电压幅值，并将检测结果提供的控制器101,控制器101根据微波输出检测器102提供的检测信号控制磁控管电源输出值，以给磁控管104提供一个稳定的供电值，从而产生稳定的微波。
图2是本发明提供的微波等离子装置中的火焰产生装置的截面示意图，如图2所示，根据本发明一个实施例，火焰产生装置包括等离子体产生器600、微波辐射装置300和点燃装置700，等离子体产生器600设置在气流的上游，其包括上游壳601和等离子电极对，所述上游壳优选具有圆柱形空腔613的圆筒，沿其壁设置有多个气流通道612，所述气流通道612与圆筒的轴线呈一定角度布置并通管路与气体供应装置连接。管路中设置有控制阀，用于控制供气状况。即，所述漩涡气体供应装置连接于上游壳内腔的气流通道，气流通道向下倾斜。等离子电极对包括第一等离子电极614和第二等离子电极605，它们通过固定装置固定于上游壳601的顶部，由等离子电源供电，等离子电源为直流高压电源、交流高压电源或者高压脉冲电源，本发明中优选图4所示的等离子电源。给所述等子电极施加电能以对漩涡气体供应装置所提供的气体进行电离，将气体生成包含自由基的等离子流，所述自由基能够加快与燃料的反应速度。上游壳的长度约20-40cm,直径根据微波源的频率确定，微波源的频率为2.45GHz时，上游壳的内径应与放电管的直径相适应，约30mm左右。
微波辐射装置300包括由石英等制备的放电管301和波导所述波导包括依次相连梯形波导303和矩形波导302（86mm宽、43mm高），所述梯形波导303连接于微波匹配装置200，梯形波导303高度逐渐缩小并与矩形波导在高度上自由连接。放电管301设置于矩形波导的中心位置，且放电管301的轴线垂直于梯形波导板的上表面。波导用于将微波源产生的微波向放电管301辐射，放电管连通于等离子产生器，且放电管301与等离子产生器的上游壳共轴，且气流相通。微波源的频率为2.45GHz时，放电管的长度约20-40cm,内径约30mm左右，且放电管的至少部分嵌入到上游壳内。
点燃装置700包括下游壳701，其设置在微波辐射装置的下游，其内部空腔702为圆柱形，与放电管301共轴，且气流相通。在下游壳701的侧壁上设置有燃料供应口，燃料供应口优选设置了燃料喷枪703，所述燃料喷枪703将碳氢燃料的粉末或者液雾喷入到下游壳701的内腔702内，在内腔702内与升温的包括自由基的等离子体流相遇从而点燃产生高温大容量的等离子火焰从下游壳701下端的出口喷出，所喷出的等离子火焰的中心温度约在1400-2400摄氏度。图2中虽然只示出了在下游壳701的侧壁上设置有一个燃料供应口的情形，但燃料供应口并不限于一个，下游壳701的侧壁上可以设置多个燃料供应口，每个燃料供应口中设置一个燃料喷枪703。燃料喷枪为多个时，所述多个燃料喷枪关于下游壳内腔的轴线呈等角分布。
根据本发明一个实施例，上游壳和下游壳由不锈钢制备或者包覆了合金以屏隔离微波的影响。
将本发明提供的等离子微波产生装置设置于废物处理装置中可以对废物进行处理，所述废物主要是固态废物。
图3是图1中提供的微波等离子装置的微波源的组成框图，如图3所示，微波源包括磁控管104、微波输出检测器102、灯丝电源112、高电压源和控制器101，其中，高电压源用于给磁控管104的阳极提供高频能源，灯丝电源112用于给所述磁控管104的灯丝提供电压，磁控管104用于产生微波，所述微波输出检测器102用于检测从磁控管104输出的微波值并提供给控制器101，控制器101根据微波输出检测器102的检测结果控制给磁控管104的阳极提供能源的高电压源的输出值。根据一个实施例，高电压源包括初级整流滤波电路105、开关电路106、升压变压器107、次级整流滤波电路108和比较器111，其中，初级整流滤波电路105有于将交流电进行整流及滤波以得到直流电并提供给开关电路106，所述开关电路106根据比较器111提供的控制信号将初级整流滤波电路105提供的直流电转换方波交流电；所述升压变压器107用于将开关电路106提供的电能进行升压，所述次级整流滤波电路108用于将升压变压器107提供的电压进行整流滤波并提供的磁控管104的阳极，所述比较器111用于将微波输出检测器提供的信号与控制器110提供的参考信号进行比较，根据比较结果控制开关电路106的工作状态，进而控制高电压源的输出值，使高电压源的输出稳定。
根据本发明一个实施例，高电压源还包括阳极电流检测电路109和纹波成份检测电路110，所述阳极电流检测电路109用于检测提供给磁控管104阳极的电流值并提供给纹波成份检测电路110，纹波成份检测电路110用于检测提供给磁控管104阳极的电压中的纹波值，所述比较器111还将纹波成份检测电路提供的信号与控制器101提供的参考信号进行比较，根据比较结果控制开关电路106的工作状态，进而控制高电压源的输出值，使高电压源的输出稳定。
根据本发明一个实施例， 纹波成份检测器110输出的信号值与微波成输出检测器102输出的信号值进行相加得到和值，所述比较器111还将和值与控制器101提供的参考信号进行比较，根据比较结果控制开关电路的工作状态，进而控制高电压源的输出值。
根据本发明一个实施例，阳极电流检测器109和微波输出检测器102的检测结果还提供给控制器101，控制器101根据检测结果确定提供给比较器111的参考电压值。
发明中用于给等离子电极604和605提供电源的等离子电源优选图4所示的等离子电源，下面详细说明。
图4是本发明提供的等离电源的电路图，如图4所示，所述等离子电源包括：控制器611、整流器D601、电开关S6和变压器T1，其中，所述整流器D601用于将交流电转换为脉动直流电；变压器包T2包括第一初级线圈L65、第二初级线圈L64和次级线圈L66，控制器611控制电开关S5以将脉动直流电施加于第一初级线圈上，并从次级线圈输出施加于等离子电极上交流电。等离子电源还包括输入电压检测器612、输出电压检测器和输出信号周期检测电路，所述输出信号周期检测电路包括过零检测电路613、比较器608、移位寄存器609、锁存器607、时钟信号产生器606、第一与门605、第二与门610和反相器614，电压检测器612用于检测输入到整流器D601的电压，其第一输入端经电感L61连接于电开关S1和电开关S2相连接的中间节点，第二输入端连接于电开关S3和电开关S4相连接的中间节点，输出端连接于比较器608的反相端；过零检测电路613的两信号入端连接于第二初级线圈，用于检测输出电压的周期以产生周期与输出电压的周期相一致的方波；所述反相器614的输入端连接于过零检测器613的信号输出端，输出端分别连接于第一与门605的第一输入端和第二与门610的第一输入端；时钟信号产生器606的信号输出端分别连接于第一与门605的第二信号输入端和移位寄存器609的时钟端；比较器609的反相端连接于电压检测器612的信号输出端，同相端连接于第二初级线圈，第二初级线圈为输出电压检测器；比较器608的输出端连接于移位寄存器609的信号输入端；移位寄存器609的信号输出端连接于锁存器607的信号输入端，锁存器607优选D触发器；D触发器的信号输出端连接于第二与门610的第二信号输入端，第二与门610的信号输出端经驱动器S5提供给控制器611，控制器611根据输入的信号控制电开关S6的工作状态。
等离子电源还包括第二变压器T2，其包括初级线圈L62和次级线圈L63，第二变压器T2的初级线圈与第一变压器T1的第一初级线圈相并联，第二变压器T2的初级线圈的同相端与第一变压器T1的第一初级线圈反相端之间设置相串联的电容C612和二极管D612。第二变压器的次级线圈与第一变压器的次线线圈相串联后给向外提供电能。第二变压器T2的初级线圈的同相端经电阻R61向控制器611提供信号，以检测输入到变电压T1和T2的电压值。
本发明提供的等离子电源，由于采用了输出信号周期检测电路，控制器611根据输出信号周期检测电路提供的信号控制电开关S6的通断时间，从而稳定了等离子电源的输出，进一步提高了等离子电源的稳定性，从而提高了等离子产生器的工作稳定性。
本发明中，由于先将与燃料进行反应的气体进行电离产生自由基，而后再进行微波辐射升温，从而使包含自由基的等离子流与燃料进行反应放出大量的热量，因此不需要给等离子电极对施加大功率的电源，且热效率显著提高。
以上结合附图，详细说明了本发明的工作原理。但是本领域的普通技术人员应当明白，说明书仅是用于解释权利要求书。但本发明的保护范围并不局限于说明书。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明批露的技术范围内，可轻易想到的变化或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种微波等离子装置，其包括壳，所述壳至少分成上游壳和下游壳，其特征在于，还包括放电管、漩涡气体供应装置、等离子电极、燃料喷枪、波导和微波源，所述放电管设置在上游壳和下游壳之间，并与上游壳内腔和下游壳同腔形成流体通道，所述微波源通过波导给放电管提供微波辐射；漩涡气体供应装置连通于上游壳内腔，用于给上游壳内腔提供气体，所述等子电极设置于上游壳内用于对漩涡气体供应装置所提供的气体进行电离以将气体生成包含自由基的等离子流，燃料喷枪连通于下游壳内腔，等离子流与燃料喷枪喷出的燃料在下游壳内腔进行反应以产生高温火焰并从下游壳内腔喷出。
2.根据权利要求1所述的微波等离子装置，其特征在于，上游壳和下游由不锈钢制备或者包覆了合金以屏隔离微波的影响。
3.根据权利要求1所述的微波等离子装置，其特征在于，微波源包括磁控管、微波输出检测器、灯丝电源、高电压源和控制器，其中，高电压源用于给磁控管的阳极提供高频能源，灯丝电源用于给所述磁控管的灯丝提供电压，磁控管用于产生微波，所述微波输出检测器用于检测从磁控管输出的微波值并提供给控制器，控制器根据微波输出检测器的检测结果控制给磁控管的阳极提供能源的高电压源的输出值。
4.根据权利要求3所述的微波等离子装置，其特征在于，高电压源包括初级整流滤波电路、开关电路、升压变压器、次级整流滤波电路和比较器，其中，初级整流滤波电路有于将交流电进行整流及滤波以得到直流电并提供给开关电路，所述开关电路根据比较器提供的控制信号将初级整流滤波电路提供的直流电转换脉冲交流电；所述升压变压器用于将开关电路提供的电能进行升压，所述次级整流滤波电路用于将升压变压器提供的电压进行整流滤波并提供的磁控管的阳极，所述比较器用于将微波输出检测器提供的信号与控制器提供的参考信号进行比较，根据比较结果控制开关电路的工作状态，进而控制高电压源的输出值。
5.根据权利要求3所述的微波等离子装置，其特征在于，还包括阳极电流检测电路和纹波成份检测电路，所述阳极电流检测电路用于检测提供给磁控管阳极的电流值并提供给纹波成份检测电路，纹波成份检测电路用于检测提供给磁控管阳极的电压中的纹波值，所述比较器还将纹波成份检测电路提供的信号与控制器提供的参考信号进行比较，根据比较结果控制开关电路的工作状态，进而控制高电压源的输出值。
6.根据权利要求3所述的微波等离子装置，其特征在于，高电压源包括初级整流滤波电路、开关电路、升压变压器、阳极电流检测电路、纹波成份检测电路、次级整流滤波电路和比较器，其中，初级整流滤波电路有于将交流电进行整流及滤波以得到直流电并提供给开关电路，所述开关电路根据比较器提供的控制信号将初级整流滤波电路提供的直流电转换脉冲交流电；所述升压变压器用于将开关电路提供的电能进行升压，所述次级整流滤波电路用于将升压变压器提供的电压进行整流滤波并提供的磁控管的阳极，所述阳极电流检测电路用于检测提供给磁控管阳极的电流值并提供给纹波成份检测电路，纹波成份检测电路用于检测提供给磁控管阳极的电压中的纹波值， 纹波成份检测器输出的信号值与微波成输出检测器输出的信号值进行相加得到和值，所述比较器还将和值与控制器提供的参考信号进行比较，根据比较结果控制开关电路的工作状态，进而控制高电压源的输出值。
7.根据权利要求4-6任一所述的微波等离子装置，其特征在于，所述波导至少包括梯形波导。
8.根据权利要求7所述的微波等离子装置，其特征在于，所述漩涡气体供应装置连接于上游壳内腔的气流通道向下倾斜。
9.根据权利要求8所述的微波等离子装置，其特征在于，燃料喷枪为多个，所述多个燃料喷枪关于下游壳内腔的轴线呈等角分布。
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