CN1103232A - 电气放电处理粒料用的反应器和方法 - Google Patents

Abstract

借助等离子体的作用处理物料的一种反应器和 方法。配置多个电极构件使其形成与电极间空间有 关的反应区。电极间空间经过调节(例如通过预电 离)，然后在整个反应区中产生一系列间歇电气放 电。在最佳实施中，令反应区在远小于待处理的物料 在反应区中的停留时间的时间间隔内经受按一定顺 序的一系列间歇电气放电。

Description

本发明总的说来涉及物料通过与等离子体相互反应进行的处理，更具体地说，涉及通过间歇放电进行这种处理用的一种反应器和方法。

从等离子体获得的能量，其能级较高，在多种粒料的处理中具有一定的利用价值，这是大家所公认的。一般产生等离子体的周知方法是将电流转换成这种或那种的高温流体，借助于这些高温流体的高温和高热函与原料相互反应以提高反应速度，使反应速度比低温下的反应速度还高。传统上产生低温等离子体的方法，例如等离子体枪（等离子体发生器），其本身大多数都是尚未证实可以在工业上处理成吨的大量粒料的。

1982年11月30日颁发给本发明人之一的Jozef  K.  Tylko的美国专利4，361，441论述了用低温等离子体处理粒料所遇到的困难，这里也把该专利包括进来，以供参考。这里所包括的该专利，其中所述的“低温等离子体”一词是指离子温度低于100，000°K的任何等离子体。此外，本说明书中所使用的“粒料”一词包括固体粒料和流体（气体或液体）以及它们的组合物或混合物。

如上述专利所述的那样，低温等离子体技术在工业上的应用已沿着两条不同的路线发展。第一条路线（不利用电弧放电的容积来载送原料）主要是利用电弧在阳极上的撞击点，在这方面与电弧炉很相似。第二条路线与本发明更密切相关，其目的是在所产生的等离子体的整个体积中，在处理“进行的过程中”处理粒料。为达到此目的，须要将等离子体扩展开来，这就要扩大其原有的体积。这是本共同发明人之一的Jozef  K.  Tylko研究出来的。

上述专利中论述了扩展等离子体的两种截然不同的方法。应该指出的是，这两种方法都要扩大等离子体的体积，同时保持已扩大了的等离子体的体积。这些方法与理解本发明内容关系更密切的资料起初是在英国专利1，390，351-3中公开的。该方法是以等离子体枪作为阴极令其沿着圆形轨道且与垂直线成一个小角度地作圆周运动，将电弧投射到下游的一个环形电极上。由于电弧放电是在圆周运动的过程中进行的，因而形成了一个截头锥形的等离子体区。这种方法过去作为研究多种反应的试验室等离子体炉发挥过很好的作用。然而，由于等离子体枪需要作圆周运动因而在机械上有一定的局限性，大大限制了这种方法在工业上的应用。

上述专利的方法谈到了上述等离子体枪回转技术的种种局限性。这种工艺的电弧放电是在静止的电极构件之间产生的，至少其中一个构件呈环形。如该专利所述的那样，系统的基本要求是在各电极构件之间的反应区中产生并维持扩展了的等离子体。上述专利早期的工艺还须要使用等离子体发生器，后来的工艺采用简单的电极构件作为中心阴极，阳极仍然采用由许多阳极环节构成的环形构件。Steven  Anthony  Vrchota在1991年4月为部分满足考取明尼苏达大学理科硕士应达到的要求而撰写的题为“应用持续震激波反应器回收电弧炉炉尘中的金属”的论文中论述了这种系统。

上述专利的方法可以提高待处理物料的加料量，同时利用这类等离子体中起码某些物料显然反常的性能。结论是，等离子体区中存在密集的粒料悬浮体时增加了能促使等离子体与固体之间快速相互反应的有效的能通量密度。值得注意的是，这些相互反应不一定非要纯粹的热力反应不可，而上述专利的方法确实利用了非热力（异常）现象。

上面说过，现有技术这些方法的难点在于维持形成等离子体的电弧放电。通常，随着引入扩展等离子体中的物料量的增加，熄弧的可能性也增加。熄弧使处理过程停下来，还伴随着种种问题。上述专利解决这个难题的方法是在放电环绕环形电极构件（阳极）周边进行的同时，利用在阴极与阳极构件之间迅速波动的电位差。然而，在工业上极其重要的原料加料过程中维持等离子体的存在仍然是个问题。须要制定最低能量的调度方式，而且加料量大仍然是个问题，其中并不是所有的粒料都能处理到。

总之，上述专利的方法通过借助于非机械装置使电弧回转，解决了现有技术中机械方面的局限性，从而使“回转”速度远大于机械装置所可能达到的水平。此外，通过所加电能的快速变化使电弧产生脉动创造了在提高维持电弧放电能力的同时，利用能增强等离子体对处理中物料的作用的非热力现象的条件。然而，显然须要维持电弧放电转绕环形电极构件作圆周运动，大大限制了该方法在工业上的应用。此外，加料量仍然是个问题。在操作的过程中要制定最低能量的调度方式。结果，粒料不能均匀得到处理。

本发明具有上述专利的优点，同时无须维持回转电弧放电。本发明在彼此间隔一段距离配置的电极构件所界定的处理或反应区中应用了一系列间歇的电气放电，处理区中含有大量待处理的粒料，放电即作用于“飞行”中的这些粒料。这里有一点要说明，即这些放电过程时间上可以分先后，但在空间上则不然，而且可以在时间和空间上重合，可以同时进行。这样就无须维持有次序的回转放电。

如上述专利中所述的那样，利用上述专利方法中首先考虑到的非热力现象时，在处理区中存在密集的粒料悬浮体会增加有效的能通量密度。尤其是认为，这些非热力现象是许多“微型场”形成的结果，极高的局部电位差和其它有关的波动异常现象是在这些微型场中发生的。这些局部高电位差和有关的异常现象看来对处理中的粒料有显著的影响，例如，使电气和机械应力作用到粒料上，促进分裂和引起极化，促进电离过程以及与固态效应相互作用等。这种特性的效果基本上最主要的是它是非热力的，而且存在于等离子体的微观机理中。如上述专利所述的那样，注意到这些现象，但由于形成和维持足够稳定的等离子体的作法在实用中更为经济因而迄今依赖这种作法。

可以看出，这里所介绍的模式是高度简化了的，但确是说明了认为在本发明中起作用的基本机理，同时说明了本发明与现有技术的主要区别，即须要在现有技术中形成并维持稳定的经扩展的等离子体。在本发明的一个基本最佳实施例中，配备了一个具有由间隔一定间距配置的电极构件所界定的反应区的反应器。处理区以任何要求的方式预先电离，而且在整个处理区中进行间歇电气放电。间歇电气放电是按所要求的顺序和时间间隔进行的，该时间间隔小于，而且最好是远小于待处理的物料通过处理区的时间。在一个特佳实施例中，且在电极取任何布局的情况下，可以令一个或多个电极构件交替起阳极或阴极的作用。就是说，按照本发明，电极构件工作时极性可以改变。这种变化着的极性本身不仅是本发明的一个重要特点，而且也突出了本发明与现有技术的根本区别。就是说，上述现有技术用以在电极之间的空间形成并维持经扩展的等离子体的装置，为达到维持经扩展等离子体的目的必须保持其极性。

除了反应器外，本发明还提供电气放电处理物料的一种方法，该方法包括下列步骤：安置多个电极构件，使其形成所要求的电极之间的一个或多个空间;调节该电极间空间，例如按任何所要求的方式预先使该空间电离;将待处理的粒料引入该电极间空间;在所述各电极构件之间按所要求的顺序产生多个间歇的电气放电。按照这种方法，在小于待处理的粒料在电极间空间内停留的时间的时间间隔内，基本上整个电极间空都经受过间歇电气放电。

在一个特殊最佳实施例中，由一个中心阴极和多个成圈配置在纵向上偏离中心阴极的阳极形成锥形处理区。虽然表面上与上述专利中所公开的实施例类似，但结构却不相同。特别是，电弧放电无须围绕环形阳极电极构件“作圆周运动”。相反，按照本发明，一系列间歇的电气放电可以按次序沿环形地配置的阳极构件移动。此外，任何或所有这些环形地配置的电极构件可以起阴极的作用，这是本发明与上述专利明显的不同点。

根据具体的应用情况，可以采用任何数量的不同电极布局形式。此外，本发明可以在玻璃生产或化合物的合成或其它化学或物理反应中供处理废料（固体、液体或气体或它们的混合体）之用。本反应器可以在一系列不同的压力（从低于高于大气压）和不同的体系（还原、氧化或中性）下工作。

图1    是本发明的反应器的示意正视图;

图2    是本发明值得推荐的电极布局方式及其控制的示意图;

图3    是本发明值得推荐的控制电路的原理图;

图4    是图3电路的一部分的修改方案的示意图;

图5A～5F是在彼此间隔一段间距配置的电极构件所界定整个处理区中间歇放电顺序的示意图;

图6    是图3的电源开关在部分操作顺序中通/断状态的一览表。

图1    是本发明反应器的示意图，反应器上装的许多元件都是现有技术所周知的，本发明在这里的实施即可以应用这种反应器。在图1的反应器中，原料投放器10通过静电充电探头11与模件头12相连接，模件头12还接收形成等离子体用的气体、冷却剂和起动电极的电源。模件头12的下游处有反应室13和电极组件部分14。图1反应器的其余部分视具体用途而定，而且是在例如准备用反应器来回收能量时使用的，它包括一个在电极部分14正下方的燃烧室15，份量受控的空气即在例如16处通入燃烧室15中，使反应器室13中分离出来的碳燃烧起来。侧面管道17将所产生的热气体带走，供固体残留物通过冷却室18送到集料部分19时产生蒸汽和发电之用。

图1中所示的反应器总的说来与上述专利图3中所示的类似，其用途也同样如上述专利中所述的那样广。

现在参看图2，图中示出了一个轴向电极构件20和多个电极构件21-26，前者可以装在图1反应器的模件头12中，后者可环形地围绕图1反应器电极组件部分14的纵向中心轴线配置。在图2所示的实施例中，有六个电极构件21-26，按照本发明，这些电极构件可以是简单的杆形构件，例如石墨或金属制成的，一系列脉冲放电即作用到这些电极构件上，这稍后即将说明。同样，按照本发明，电极20可以是与电极21-26类似的杆形构件。各电极20-26由通过开关控制器29控制的有关开关30连接到基极电流源27和脉冲电流源28上。下面参看图3和图4说明一下开关30的构成。开关30中装有许多控制端（图2中用端子31表示），通过这些端子即可将基极电流源27和脉冲电流源28所产生的电压可选择地加在两个或多个电极20-26之间，这方面下面将更详细地说明。端子31可表示具体应用所需要的一个或多个端子，这里用“端子”表示。开关控制器29的端子31与开关30有关的端子31相连接。为简明起见，图中没有示出这些接线，但这些都在本技术领域普通所熟知的技巧范围内。

如上所述，图3的中心电极20系相对于电极21-26轴向配置的，电极20-26的布局形成与电极间空间大致上吻合的处理区或反应区。本技术领域的行家们不难理解，电极20-26，尤其是电极21-26可以按任何要求的布局或配置方式配置，使它们本身之间或它们本身与电极20之间形成任何要求的电极间空间（成任何处理/反应区）。在名称方面，在这里所讨论的实施例中，电极20可以叫做阴极，电极21-26可以起阳极的作用，或部起阳极的作用，这下面即将说明。在本发明的某些实施例中，各电极确实可以部分作为阳极或阴极。此外，这里虽然示出了六个电极21-26，但根据所要求的用途也可以配备任何数目结构和电气连接方式类似的是电极。这些局部作为阳极或阴极连接的电极在本说明书中有时候叫做极性可变的电极。

工作时，与电极构件20有关的开关30系通过其有关的端子31和开关控制器29控制得使其将基极电流源27的负端与电极构件20连接起来。同时，与电极构件21-26（一般说来全部电极构件21-26）有关的一个或多个开关30通过其有关的控制端31和开关控制器29有选择地被控制，使其将基极电流源27的正端与从电极构件21-26中选取的一个电极构件相连接。基极电流源27的输出按周知的方式选择和控制得使其产生基极电流从而将电极间空间预电离。当然，通过任何周知方式进行预电离来调节电极间空间是属于本发明的范围内。这种（通过例如预电离进行的）调节使所选取的各电极构件之间的电气放电可以在实用的电位压下进行。这些放电是通过有选择地将脉冲电流源28的脉冲按下面即将更详细说明的方式加到电极构件20-26两端进行的。本技术领域的行家们都知道，顺次在各电极20-26进行的放电是会通过保持电离能级“调节”电极间空间，而且可以使基极电流在连续操作过程中中断的。

进行电气放电时，电极构件20-26的任何一个都可用作阴极。因此显然有选择地控制开关30可以控制电气放电，从而使这些放电扩散到整个电极间空间。这方面将参照图5予以说明。如上所述，这些放电与待处理的粒料在处理区中的相互反应，特别是微型场在该处理区中的作用，使与等离子体的相互反应无须按现的技术的方式那样形成和维持已扩展的等离子体。

图3示出了值得推荐的控制电路，特别是图2的开关30的一个最佳实施例。在某些附图中，同样的元件用同样的编号表示。在所示的实施例中，开关30由一个或多个栅控截止硅可控整流器（GTO）构成。不言而喻，其它半导体电源开关也可用以实施本发明，包括双极结型晶体管、MOSFET技术和其它硅可控整流器，来提供电流脉冲。在图3的实施例中。适当的开关控制电路（在29处表示）如上所述且如图4中就开关30进行的说明一样按周知的方式与GPO控制电极相连接。在论述本发明的过程中，在控制电路29将适当的控制信号加到GTO的控制电极以达成我们所说的各种不同的硅可控整流器“导通”或“截止”状态。与各电极20-26有关的开关30由三个GTO构成，分别以C（阴极）、P（脉冲）和B（基极电流）表示。脉冲电流源28的正输出端接各个标有“P”的GTO，基极电流源27的正输出端经提高电流分配作用的磁耦合电感线圈接各个标有“B”的GTO，这一切都是本技术领域的行家们所熟知的。

工作时，假设电极的布局取图2所示的那种“锥形”布局，与电极20有关的开关30系控制得使电极20起阴极的作用。即与电极20有关的“C”GTO导通，相应的“B”和“P”GTO截止。与电极21-26有关的各“C”GTO截止。与电极21-26有关的各“B”GTO可能导通，于是电流会在“阴极”电极20与“阳极”电极21-26之间流通。该电流系选取得得以预电离电极间空间并创造出电极20与电极21-26之间在有效电位差下产生电弧放电所需要的条件。上面说过，预电离可以按周知的方式作为另一个选择工序或附加工序进行。

在电极间空间妥善调节的情况下（例如通过上述经基极电流源27进行的预电离），脉冲电流源28的输出会加到与电极21-26有关的各“P”GTO上。在开关控制器29的控制下，其中一个GTO可能导通，从而使与其有关的电极21-26与阴极电极20之间产生电弧放电。显然，用开关控制器29可以（在电极21-26与电极20之间）形成顺序合乎要求的一系列脉冲，下面即将更详细地介绍。

图3和图4中，各端子35是与各电极20-26结合在一起显示出来的。端子35可与检流器36一起使用来检测各个或任何用作阳极的电极20-26之间的相对电流。该电流和有关的电压表示附近处理中的原料正在加到有关的电极上。这个信息可利用来选择点火次序或其它与个别电极影响区域或场内的相对装料条件有关的适当动作。与各电极20-26有关的各端子35之间的接线用与检流器36有关的端子35表示。为简明起见，图3中没有示出具体的接线。

现在参看图4，图中示出了图3所示实施例的某些部分修改方案，特别是与各电极20-26有关的开关30的修改方案。如图4所示，“C”GTO  40  对应于图3开关30的“C”GTO，“B”和“P”GTO41和42则分别对应于“B”和“P”GTO。端子43和44可以接于如图3中27处所示的基极电流源的负输出端和正输出端，同时端子43还接于如图3中28处所示的脉冲电流源负输出端。图4中的端子45可接于如图3中28处所示的脉冲电流源的正输出端。电极46可表示图3中20-26的任何一个电极构件。

至此，图4所述的各元件直接对应于图3中所示的各元件，检流器36经端子35的接线和GTO经开关控制器29的控制也是如此，如图4的修改方案中，端子50适宜与相当于图3中28处所示的那一种的附加脉冲电流源的负输出端，端子51则适宜接脉冲电流源的正输出端。端子50也可以接到与图3中27处所示的那一种类似的基极电流源的负输出端，第二基极电流源的负输出端则按本技术领域行家们都知道的方式接于阴极电极20。端子50处设有第二“C”GTO    52，端子51处则设有另一个“P”GTO    53。GTO    52和53的作用与GTO  40和41相当，但分别接第二或另一个脉冲电流源和基极电流源，以提供作为第一套脉冲的辅助脉冲（例如与它们叠加在一起）或作为独立脉冲的第二套脉冲。

现在参看图5A-5F，图中示意出了一系列环形地配置的电极，这个配置方式与图2电极构件21-26的配置方式相当。图5A-5F中，各电极构件21-26之间延伸的虚线表示上述控制系统、特别是图3的控制系统所产生的间歇电气放电。假设电极间空间经过妥善调节（预电离），各个和任何电极21-26可选作阴极，其它电极选作阳极。例如，图5A中，电极构件23起阴极的作用，电极构件21、26和25则依次起阳极的作用。就是说，间歇电气放电首先（通过脉冲电流源28）在电极（阴极）23与电极（阳极）21之间产生。脉冲电流源28的下一个脉冲是在开关控制器29的控制下加到作为阴极的电极23与作为阳极的电极26之间。同样，下一个脉冲加到作为阴极的电极23与作为阳极的电极25之间。这之后，开关控制器29工作时可以选用电极构件22作为阳极，选用电极构件24-26作为阳极，在这些电极之间进行周期性的间歇电气放电，如图5B中所示。主要的一点是，各图5A-5F中所示的顺序性点火并不是同时发生的，但可以略有重叠。此外，通过按图5A-5F所选取的顺序有选择地切换阴极和阳极电极，整个电极间空间就都经受了电气放电。这样，按照本发明，电极间空间中的粒料都经受电气放电。当然，任何点火顺序都可以采用，包括由多个脉冲和基极电流源产生的多重放电，如上面就图4进行的说明那样。此外，在本发明的反应器内可以采用电极20（作为阴极或阳极），同时可以通过使一个或多个电极移动来改变电极间空间。电极的布局确实不难根据具体用途和该用途的要求改变成任何要求的布局。电极布局和点火顺序和时间控制应选择得使基本上全部电极间空间在小于，而且最好远小于待处理的粒料在电极间空间内预期的停留时间的时间的隔内都经受过间歇电气放电。这可通过在小于且最好远小于待处理的粒料通过电极间空间的反应器通过时间的时间间隔按所选取的顺序进行的间歇电气放电来实现。

图6的一览表表示在图5A所示点火顺序下的导通/不导通情况（导通=X，截止=0）。表中，第一行表示各电极构件，第二行表示与各电极有关的各“C”、“B”和“P”GTO。表中的第3-5行分别表示脉冲电流源28提供的第一、第二和第三脉冲。从表中可以看出，与电极23有关的“C”GTO在整个三个脉冲下都是导通的，而与其它电极有关的“C”GTO则是截止。与电极23有关的“P”GTO截止，与其它电极有关的“B”GTO则导通。这样，通过基极电流源27就在电极23的阴极和作为阳极的其它电极之间产生基极电流。同时，在电流脉冲源28的第一脉冲的情况下，与电极21有关的“P”GTO导通，从而往电极构件21与23之间加上了一个电位，以产生图5A中那些电极构件之间的虚线表示的间歇电气放电。在电流脉冲源28的第二脉冲下，与电极构件21有关的“P”GTO截止，与电极构件26有关的“P”GTO导通。这样，放电就加到电极构件23与26之间，如图5A中那些电极构件之间的虚线所示。底下的一行示出了各GTO在顺序中的第三脉冲下的状态，这使电极构件23的阴极与阳极25之间产生电气放电。这之后，任何电极构件21-26都可用作阴极，这时与其有关的“C”GTO导通，与其有关的“P”GTO截止。在想使其作为阳极工作的电极，其“P”GTO在电流脉冲源28的一个脉冲下同时导通时，其它电极构件的“C”和“B”GTO处于相反的情况。在所示的实施例中，电极构件20可用作阴极或阳极，这视乎其有关的“C”、“B”和“P”GTO的状态而定。

从上述说明可知，每一个电极20-26都可交替地用作阴极或阳极，因而其极性是可变的。此外，放电可以采用其中一个电极作为阴极按任何要求的顺序进行，同样各电极选作阴极的顺序也可以是任何所要求的顺序。上面说过，各电极可以按任何要求的配置方式配置，可以按周知的方式使其移动，以便在工作过程中或开始时改变其布局。举例说，考虑到中心电极20时，上述电极布局形成的电极间空间实质上是锥形的。本发明也可以采用其它非锥形的布局。此外，我们观察到，谐振现象，无论是自然产生的还是感应产生的，因与所载的粒料相互作用而提高了其处理质量。此外，各处理区可以与电极布局相同或不同的不同处理区“堆置”（多个处理区在粒料通路中顺次安置）。为了使本发明的反应器平稳定运行，可以按本技术领域行家们周知的方式配备电源可调节的电磁线圈。最后，待处理的粒料和制造等离子体和/或稳定化用的气体可以按周知的方式，例如按上述专利的教导，引入反应区中。因此不言而喻，任何与通过应用间歇电气放电借助等离子体的作用处理粒料的作法一致的电极布局都属于本发明在所附权利要求书中所述的范围内。

Claims (11)

1、对各电极构件间隔一段间距配置的那种通过电气放电处理粒料的反应器进行了改良，其特征在于包括增设了下列装置：

预电离装置，用以预电离处理区；和

间歇放电装置，用以在整个所述处理区中进行间歇电气放电。

2、一种通过电气放电处理粒料的反应器，其特征在于包括：

多个彼此间隔一段间距离配置的电极构件，形成形状合乎要求的电极间空间;

预电离装置，用以预电离电极间空间;

粒料引入装置，用以将待处理的粒料引入电极间空间;和

间歇放电发生装置，用以在整个所述电极间空间内产生间歇电气放电。

3、如权利要求2所述的反应器，其特征在于，所述预电离装置包括用以在所述电极间空间产生基极电流的装置。

4、一种在经调节的处理区中通过电气放电处理粒料的反应器，包括：

粒料通入装置，用以将待处理的粒料通入处理区中;和

电气放电装置，用以在远小于粒料通过所述处理区的通过时间的时间间隔内使整个所述处理区经受按一定顺序进行的一系列间歇电气放电。

5、如权利要求4所述的反应器，其特征在于，所述电气放电装置包括多个彼此间隔一段距离配置的电极构件和用以在各所述电极构件之间有选择地施加非正弦形脉冲的装置。

6、如权利要求5所述的反应器，其特征在于，它还包括基极电流发生装置，用以在所述各电极构件之间有选择地产生基极电流。

7、如权利要求6所述的反应器，其特征在于，它还包括用以检测所述基极电流的装置和用以根据所述基极电流检测装置选择被施以所述脉冲的各电极构件。

8、用电气放电处理粒料的一种方法，包括下列步骤：

配置多个电极构件，使其形成合乎要求的电极间空间;

将待处理的粒料引入所述电极间空间;和

在所述各电极构件之间按所要求的顺序产生多个间歇电气放电。

9、如权利要求8所述的方法，它还包括在起码一些电极构件之间产生基极电流的步骤。

10、如权利要求9所述的方法，其特征在于，它还包括检测基极电流和根据检测出的基极电流确定所述所要求的顺序的步骤。

11、用电气放电处理粒料的一种方法，包括下列步骤：

安置多个电极构件，使其形成合乎要求的电极间空间;

预电离电极间空间;

令待处理的粒料通过电极间空间;和

在远小于待处理的粒料在电极间空间内的预期停留时间的时间间隔内令基本上整个电极间空间都经受间歇电气放电。

Images