CN109569474B - 一种具有高运行稳定性的滑动弧等离子体反应器 - Google Patents
一种具有高运行稳定性的滑动弧等离子体反应器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种具有高运行稳定性的滑动弧等离子体反应器，包括顶盖、反应器阴极、反应器阳极、电磁铁和旋流器；阴极固定在顶盖下方，阳极由细长圆柱体、圆台、倒圆锥体从上至下一体形成，旋流器为风扇形，套在细长圆柱体上，外侧紧贴阴极，阴极外侧壁围有圆筒状电磁铁；电磁铁、阳极顶端、阴极依次串联组成旋转滑动弧发生电路；电磁铁的串联接入保证磁场与电流协同变化；通过电感或电容限流替代传统的电阻限流，能够较大地节省电路损耗；旋流器的使用能够较大地提升反应器流场的稳定性，在电极附近无积碳；在高频高压交流电的作用下，该反应器可以提供连续稳定的旋转滑动弧，可以保证反应气体的流量和停留时间，达到更高的反应效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种等离子体反应器，尤其涉及一种具有高运行稳定性的滑动弧等离子体反应器，可以用其进行有机物裂解、重整、合成气等反应。
背景技术
滑动弧放电(gliding arc discharge,GAD)等离子体是一种可以在常压下产生的周期性摆动的非平衡等离子体，由法国Czernichowski等人于1988年提出。最初的滑动弧反应器主要由2个分叉的刀片式电极组成，2个电极的喉部顶端布置喷嘴，高电压分别接在2个电极上从而击穿形成电弧，电弧在气流的作用下周期变化。
滑动弧放电由于在刺激化学反应方面具有独特优势，因此在被提出之后便立即成为了研究热点。20世纪90年代初期，滑动弧被Czernichowski等人成功应用于废气中有机污染物(庚烷、甲苯、丁酮、四氯乙烯)和H2S等的处理，以及天然气重整制取合成气，显示出良好的应用前景。此后，法国、美国、韩国、日本、中国、加拿大以及阿尔及利亚、喀麦隆等国家的学者相继展开了研究，将滑动弧技术逐步应用于燃料重整制取氢气或合成气、辅助燃烧、挥发性有机污染物处理、二恶英降解、无机污染物(H2S、N2O、CO2等)分解、材料表面改性、杀菌消毒以及种子处理等领域，并部分实现了工业应用。
尽管如此，传统的刀片滑动弧装置产生的电弧要经过击穿—拉长—消失—再击穿的循环过程，其周期与反应气体在等离子体区域的停留时间是相当的，电弧的这种变化使得反应过程中活性粒子分布不均，会对反应造成一定的不利影响，限制了反应效率的提升。另外，刀片滑动弧的反应区域较小，除影响反应效率外，也限制了参与反应的气体流量。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种具有高运行稳定性的滑动弧等离子体反应器。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种具有高运行稳定性的滑动弧等离子体反应器，包括顶盖、反应器阴极、反应器阳极、电磁铁和旋流器；
所述反应器阴极为圆筒状，固定在顶盖下方，与顶盖围成一个圆柱形的密封腔；所述反应器阴极的侧壁顶部开有通孔作为进气口，与气体管路相连；
所述反应器阳极由细长圆柱体、圆台、倒圆锥体从上至下一体形成，所述细长圆柱体穿过顶盖正中心的通孔固定在顶盖上；
所述旋流器为风扇形，套在细长圆柱体上，外侧紧贴反应器阴极；
所述反应器阴极外侧壁围有圆筒状电磁铁，电磁铁的磁感线方向平行于反应器阴极轴向；
所述电磁铁、反应器阳极顶端、反应器阴极依次串联组成旋转滑动弧发生电路，所述电磁铁磁场提供的洛伦兹力的方向与旋流器旋片驱动的气流旋转方向相同；所述旋转滑动弧发生电路两端接高频高压交流电，并使用电感或电容限流。
进一步地，所述顶盖为圆盘形，顶盖与反应器阴极之间垫有石墨垫片，通过石墨垫片将顶盖与反应器阴极密封连接；所述顶盖四周开有台阶孔，螺丝穿过台阶孔将其固定在反应器阴极上；所述顶盖为耐热绝缘材料。
进一步地，所述旋流器为绝缘材料时，内侧紧贴细长圆柱体；所述旋流器为导电材料时，内侧通过圆筒状绝缘垫片紧贴细长圆柱体。
进一步地，所述反应器阴极顶部具有凸圆，凸圆上开有螺纹孔，通过螺钉穿过螺纹孔固定顶盖；所述反应器阴极材料为耐热导体。
进一步地，所述反应器阳极的倒圆锥体锥角为20°-45°；所述反应器阳极材料为耐热导体且对耐热性的要求高于反应器阴极。
进一步地，所述反应器阳极与反应器阴极距离最近处间距为1-3mm，此处间距每1mm至少需要3kV的交流电峰值电压来保证电弧的产生。
进一步地，所述旋流器的旋片倾角应为45°-75°，叶片径向长度与叶片半径之比应为0.2-0.5。
进一步地，所述电磁铁的匝数满足：电磁铁应尽可能保证较强的磁场以获得更强的电弧驱动力，但除发热耗能方面的考虑外，电磁铁使用过程中的自感电动势不能超过电源电动势与维持反应器工作电动势之差。
进一步地，所述电磁铁的线圈绕在圆筒状绝缘垫片上。
进一步地，所述反应器阴极的进气口通入气体，进行有机物裂解、重整或合成气反应。
本发明的有益效果是：本发明提供一种具有高运行稳定性的滑动弧等离子体反应器，包括顶盖、反应器阴极、反应器阳极、电磁铁和旋流器；电磁铁的串联接入，能够保证磁场与电流的协同变化，通过电感或电容限流替代传统的电阻限流，能够较大地节省电路损耗；旋流器的使用能够较大地提升反应器流场的稳定性，可以使得反应器长时间运行时，在电极附近无积碳；在高频高压交流电的作用下，该反应器可以提供连续稳定的旋转滑动弧，可以保证反应气体的流量和停留时间，达到更高的反应效率。本发明反应器可用于进行有机物裂解、重整、合成气等反应。
附图说明
图1为反应器主体半剖正视图；
图2为反应器顶盖的俯视图；
图3为反应器阳极的正视图；
图4为反应器阴极的俯视图与正视图；
图5为旋流器的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1-5所示，本发明提供的一种具有高运行稳定性的滑动弧等离子体反应器，包括顶盖1、反应器阴极2、反应器阳极3、电磁铁4和旋流器5；
所述反应器阴极2为圆筒状，固定在顶盖1下方，与顶盖1围成一个圆柱形的密封腔；所述反应器阴极2的侧壁顶部开有第一通孔6(通孔可采用贯通直孔的形式)作为进气口，与气体管路相连；
所述反应器阳极3由细长圆柱体7、圆台8、倒圆锥体9从上至下一体形成，所述细长圆柱体7穿过顶盖1正中心的第二通孔10固定在顶盖1上；
所述旋流器5为风扇形，套在细长圆柱体7上，外侧紧贴反应器阴极2；
所述反应器阴极2的外侧壁围有圆筒状电磁铁4，电磁铁4的磁感线方向平行于反应器阴极2轴向；
所述电磁铁4、反应器阳极3顶端、反应器阴极2依次串联组成旋转滑动弧发生电路，所述电磁铁4磁场提供的洛伦兹力的方向与旋流器5旋片驱动的气流旋转方向相同；所述旋转滑动弧发生电路两端接高频高压交流电，并使用电感或电容限流；电磁铁4的串联接入，能够保证磁场与电流的协同变化，通过电感或电容限流替代传统的电阻限流，能够较大地节省电路损耗。
所述顶盖1为圆盘形，顶盖1与反应器阴极2之间垫有石墨垫片，通过石墨垫片将顶盖1与反应器阴极2密封连接；所述顶盖1四周开有台阶孔11，螺丝穿过台阶孔11将其固定在反应器阴极2上；所述顶盖1为耐热绝缘材料，如高铝陶瓷。
所述旋流器5为绝缘材料时，内侧紧贴细长圆柱体7；所述旋流器5为导电材料时，内侧通过第一圆筒状绝缘垫片12紧贴细长圆柱体7；出于对耐热性、强度以及经济性的考虑，旋流器5材质优选金属，如310s不锈钢，但与反应器阳极3间要用绝缘良好的耐温绝缘物隔开，如刚玉陶瓷。
所述反应器阴极2顶部具有凸圆，凸圆上开有螺纹孔，通过螺钉穿过螺纹孔固定顶盖1；所述反应器阴极2材料为耐热导体，可使用45号钢。
所述反应器阳极3的倒圆锥体锥角为20°-45°，以保证电弧稳定和节省空间；所述反应器阳极3材料为耐热导体且对耐热性的要求高于反应器阴极2，可使用310s不锈钢或钨。
所述反应器阳极3与反应器阴极2距离最近处13间距为1-3mm，此处间距每1mm至少需要3kV的交流电峰值电压来保证电弧的产生。
所述旋流器5应尽可能使流过其叶片的流体获得更高的旋流数以使电弧旋转速度更快，出于对工艺要求、旋片强度、叶片阻力的综合考虑，旋片倾角应为45°-75°，叶片径向长度与叶片半径之比应为0.2-0.5，此范围内旋流数约可达到0.8-3.4；该旋流器的使用，能够较大地提升反应器流场的稳定性，可以使得反应器长时间运行时，在电极附近无积碳。
所述电磁铁4的匝数满足：电磁铁4应尽可能保证较强的磁场以获得更强的电弧驱动力，但除发热耗能方面的考虑外，电磁铁4使用过程中的自感电动势不能超过电源电动势与维持反应器工作电动势之差。所述电磁铁4的线圈绕在第二圆筒状绝缘垫片14上。
所述反应器阴极2的进气口通入气体，进行有机物裂解、重整或合成气反应。
本发明反应器的工作原理：反应器工作时，电弧在反应器阳极3与反应器阴极2距离最小处13起弧，这一距离每增加1mm，则起弧电压需要增加至少3kV，比如，最小距离为3mm，则起弧电压至少为9kV。起弧后，所需的维持电压变小，约为起弧电压的1/10-1/5；电弧的阳极端可在通入气流的作用下移动至反应器阳极尖端，同时电弧的阴极端相应向下移动至与反应器阳极尖端水平或更低的位置，电弧在磁场和气流的共同作用下高速旋转；由于电流方向总是与电磁铁4的磁场方向同步，可保证磁场对电弧驱动力与气流方向的一致性。
实施例
本实施例中，顶盖1外径为100mm，中间开有内径为10mm的第二通孔10，以便反应器阳极3穿入并固定，顶盖1四周开有台阶孔11，台阶孔11内径为6mm，螺丝穿过台阶孔11将顶盖1固定在反应器阴极2上，顶盖1由耐温陶瓷制成。
反应器阳极3总长150mm；细长圆柱体7为螺纹杆，螺杆外径10mm，长60mm，装配时螺杆上套有内径10mm，外径14mm的刚玉陶瓷套筒，套筒外套旋流器5，套筒下方有外径为18mm的台阶可卡住旋流器5。倒圆锥体9的最粗外径为32mm，锥角为30°。反应器阳极3材质为310s不锈钢。
反应器阴极2内径为36mm，轴向长度153mm。反应器阴极2材质为310s不锈钢。
旋流器5为扇叶形状，旋流片径向长度20m，中间空洞内径为15mm，扇叶外径为36mm，叶片径向长度12mm。叶片数量为8片，叶片倾角50°，该叶片旋流数约为1.0。旋流器5材质为45钢。
气体从进气口通入后，将在旋流器5的作用下变为旋转气流，最终由反应器下部离开反应器。电磁铁4上的第一接线柱15接电源高压端，第二接线柱16接反应器阳极3，电流通过电磁铁4后与反应器阳极3相连，反应器阴极2上的第三接线柱17接地。通入交流电后，电弧将在反应器阳极3和反应器阴极2之间的距离最小处13产生(此处间距为2mm)并移动到阳极尖端18，在电磁铁及旋转气流协同驱动下稳定在阳极尖端18持续不断转动。
本反应器在改造前，使用切向进气方法产生旋流，反应器各绝缘部件采用四氟板且加热系统不完善，使用直流电源供电，电阻限流。两者的性能差别如下：
本技术领域的人员根据本发明所提供的文字描述、附图以及权利要求书能够很容易在不脱离权力要求书所限定的本发明的思想和范围条件下，可以做出多种变化和改动。凡是依据本发明的技术思想和实质对上述实施例进行的任何修改、等同变化，均属于本发明的权利要求所限定的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种具有高运行稳定性的滑动弧等离子体反应器，其特征在于，包括顶盖、反应器阴极、反应器阳极、电磁铁和旋流器；
所述反应器阴极为圆筒状，固定在顶盖下方，与顶盖围成一个圆柱形的密封腔；所述反应器阴极的侧壁顶部开有通孔作为进气口，与气体管路相连；
所述反应器阳极由细长圆柱体、圆台、倒圆锥体从上至下一体形成，所述细长圆柱体穿过顶盖正中心的通孔固定在顶盖上；
所述旋流器为风扇形，套在细长圆柱体上，外侧紧贴反应器阴极；所述旋流器的旋片倾角为45°-75°；
所述反应器阴极外侧壁围有圆筒状电磁铁，电磁铁的磁感线方向平行于反应器阴极轴向；
所述电磁铁、反应器阳极顶端、反应器阴极依次串联组成旋转滑动弧发生电路，所述电磁铁磁场提供的洛伦兹力的方向与旋流器旋片驱动的气流旋转方向相同；所述旋转滑动弧发生电路两端接高频高压交流电，并使用电感或电容限流。
2.根据权利要求1所述的一种具有高运行稳定性的滑动弧等离子体反应器，其特征在于，所述顶盖为圆盘形，顶盖与反应器阴极之间垫有石墨垫片，通过石墨垫片将顶盖与反应器阴极密封连接；所述顶盖四周开有台阶孔，螺丝穿过台阶孔将其固定在反应器阴极上；所述顶盖为耐热绝缘材料。
3.根据权利要求1所述的一种具有高运行稳定性的滑动弧等离子体反应器，其特征在于，所述旋流器为绝缘材料时，内侧紧贴细长圆柱体；所述旋流器为导电材料时，内侧通过圆筒状绝缘垫片紧贴细长圆柱体。
4.根据权利要求1所述的一种具有高运行稳定性的滑动弧等离子体反应器，其特征在于，所述反应器阴极顶部具有凸圆，凸圆上开有螺纹孔，通过螺钉穿过螺纹孔固定顶盖；所述反应器阴极材料为耐热导体。
5.根据权利要求1所述的一种具有高运行稳定性的滑动弧等离子体反应器，其特征在于，所述反应器阳极的倒圆锥体锥角为20°-45°；所述反应器阳极材料为耐热导体且对耐热性的要求高于反应器阴极。
6.根据权利要求1所述的一种具有高运行稳定性的滑动弧等离子体反应器，其特征在于，所述反应器阳极与反应器阴极距离最近处间距为1-3mm，此处间距每1mm至少需要3kV的交流电峰值电压来保证电弧的产生。
7.根据权利要求1所述的一种具有高运行稳定性的滑动弧等离子体反应器，其特征在于，旋流器的叶片径向长度与叶片半径之比应为0.2-0.5。
8.根据权利要求1所述的一种具有高运行稳定性的滑动弧等离子体反应器，其特征在于，所述电磁铁的匝数满足：电磁铁应尽可能保证较强的磁场以获得更强的电弧驱动力，但除发热耗能方面的考虑外，电磁铁使用过程中的自感电动势不能超过电源电动势与维持反应器工作电动势之差。
9.根据权利要求1所述的一种具有高运行稳定性的滑动弧等离子体反应器，其特征在于，所述电磁铁的线圈绕在圆筒状绝缘垫片上。
10.根据权利要求1所述的一种具有高运行稳定性的滑动弧等离子体反应器，其特征在于，所述反应器阴极的进气口通入气体，进行有机物裂解、重整或合成气反应。
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