CN111491437A - 一种非射流常压大体积微波等离子体发生方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非射流常压大体积微波等离子体发生方法，属于微波等离子体技术领域，其特征在于，包括以下步骤：a、启动点火器，将产生的小型等离子体或化学火焰喷入锥形腔内；b、启动微波源，通过微波馈口向反应腔体内输入微波；c、关闭点火器，加大微波源的微波功率，锥形腔内的小型等离子体被放大，得到非射流、常压大功率和大体积微波等离子体。本发明能够实现对待处理气体的充分均匀加热，提高反应效率，且可在设定空间范围内均匀分布，能有效防止产生破坏性击穿放电，易于控制散热平衡，在尽量减少热耗散的情况下，保证整个发生器的温度合理、结构稳定，实现长期运行稳定性；整个操作过程简单、可靠，易于控制。

Description

一种非射流常压大体积微波等离子体发生方法

技术领域

本发明涉及到微波等离子体技术领域，尤其涉及一种非射流常压大体积微波等离子体发生方法。

背景技术

等离子体是物质存在的第四种状态，通常是指电离也有可能是部分电离的导电气体，其中包括六种典型粒子：即电子、正离子、负离子、激发态的原子或分子、基态的原子或分子以及光子。无论是部分电离还是完全电离；其中的负电荷总数等于正电荷总数，所以叫等离子体，在宏观尺度的时间和空间范围里整体上呈电中性。比较严格的定义是：等离子体是由电子、正离子和中性粒子组成的整体上呈电中性的物质集合。

等离子体按温度分为：高温等离子体和低温等离子体两大类。高温等离子体是温度在10⁸-10⁹K之间完全电离的等离子体：如太阳、恒星、核聚变等离子体。而低温等离子体又进一步地被划分为热等离子体和冷等离子体。热等离子体，存在的环境压力较高，在1个大气压及以上，温度范围为10³-10⁵K，而且电子温度与气体温度大致相等，因此又被称为“平衡等离子体”，如常压电弧放电等离子体、高频感应等离子体和燃烧等离子体；冷等离子体，通常存在于低压或常压下，虽然电子温度范围仍高达10³-10⁴K，但气体平均温度范围低至300-400K，电子温度远高于气体温度，因此又被称为“非平衡等离子体”，如低气压下的直流辉光放电或高频感应辉光放电等离子体。

等离子体具有独特的物理、化学性质：具有类似金属的导电性能，且整体呈电中性、可受磁场作用；温度高，粒子动能大；化学性质活泼，容易发生化学反应；独特的发光特性等。等离子体拥有这些特性的根本原因可以归结为电子和气体分子间的碰撞、激发、离解、电离产生带有未成对电子的化学活性物种或基团。正是由于其光学、电学、力学、热学、化学等方面独特的性质，等离子体技术才成为一门新兴技术而得到广泛的应用。由于含有足够数量的自由带电粒子，其行为明显地受到电磁力影响，而总体上又呈现出电中性的非凝聚系统。等离子体具有一切电磁特性，其行为在很多方面不同于一般固体、液体、气体。主要特性是：粒子之间存在着长程库仑力相互作用，其运动与电磁场运动紧密耦合存在着丰富的集体效应和集体运动模式。

通常高温等离子体并不包含在常规工业应用领域及相关的研究范围内，而低温等离子则在该领域具有更广泛的应用和应用价值。

在低温等离子范畴内，传统理论认为，化学反应需要的等离子体应该是电子温度远高于气体温度的非平衡态等离子，即低温冷等离子，认为这样可以把外加场的能量交给电子而不使反应气体平均能量升高，表现为低平均温度。但在实际的应用中，在冷等离子体中进行的化学反应的过程与相同温度下的传统反应是有很大区别的，而且并不一定是有利的。因为冷等离子体表现出的低温只是一个平均的概念，其内存在局部高温或者部分高温粒子，所以此时的低温恰好是温度极不均匀的一种表现；此时不均匀会使大部分反应物处于低温区，且远低于平均温度，可能会影响反应率及反应速度；而且局部的高温可能会导致部分反应物发生不可逆破坏，产生大量非预期的副产物，影响利用率和得率。

而热等离子体能够提供一个能量高度集中、温度很高且富含高活性粒子的反应环境。处于激发状态的大量高活性电子、离子、原子、分子可促使很多化学反应发生，不仅有助于大幅度提高反应速率，而且使一些常温下不可能发生的化学反应成为可能。而且理想中的热等离子体电子温度与气体温度大致相等，只要控制好气体温度并与化学反应需要的温度相适合，就能得到很好的反应效果。虽然热等离子体具备了促进化学反应的理论条件，但目前常见的常压热等离子装置通常只能产生高速射流状态的等离子体炬，如：直流等离子炬、高频等离子炬等类型。这些装置产生的等离子体受装置和物理条件限制：等离子体都产生并存在于能量密度极高的区域，呈高度集中的状态，等离子集中区域范围小且温度极高，为了防止上述等离子体扩散高温对装置的影响或者破坏，只能以射流的形式通入大量低温辅助气体对等离子体进行约束、并定向吹出，从而形成等离子体射流。为达到上述目的，若将待处理气体作为辅助气体通入等离子，其流量必然远大于等离子体流量，将有70％-90％的气体不会通过等离子体内部、不会受到充分加热或者等离子化；若以其它气体作为辅助气体将等离子吹出并送入待处理气体，将向整个处理体系中引入大量无用气体，效果会更差。因此在射流等离子体炬装置中，难以保证待处理气体充分通过等离子体存在的区域，难以保证待处理气体受到充分加热或者等离子体化，从而影响了实际的反应效果。而且集中高温还存在极大的散热困难的问题，容易导致构成装置的自身材料熔融、气化、等离子化，向反应体系中引入杂质，甚至损坏设备。

理论上微波也可以形成等离子体，根据帕邢定律以及帕邢曲线可知：常压气体需要很高的电场强度才能击穿形成等离子体；而微波作为一种电磁波可以在空间形成交变电场和磁场，只要单位空间中的微波功率，即微波功率密度，达到足够强度，空间交变电场就会达到足够强度，就能使常压气体击穿形成等离子体。但是，普通低微波功率密度的微波装置中电场强度较弱，而且其分布也是动态、不均匀地，难以形成等离子体，即使形成也会由于使微波功率密度分布产生巨大变化，使等离子体无法得到稳定的能量，能量的迁移以及等离子体、气体热对流都会使等离子体发生在微波装置内部四处漂移，极易漂散熄灭或者漂移到微波馈口附近，由于微波馈口与微波源之间的微波功率密度比腔体高很多，最终形成破坏性击穿放电。在这类装置中加大微波功率密度，理论上可使等离子体放大、稳定下来，但事实上由于此时微波馈口功率密度更高，再加上等离子体的体积变大更容易漂移到微波馈口附近，必然形成破坏性击穿放电。这样一来就无法在普通的微波装置中形成稳定的常压热等离子体。

现有技术中，能形成较为稳定的微波等离子体的装置，只有采用射流形式的微波等离子体炬，这类装置是将微波聚焦到一个极小的点状区域或很短的一段线状区域，并在该区域形成极高的微波功率密度，这个使常压气体发生击穿；但同时由于局部微波功率密度过高，只能在很小的区域形成一个温度极高的小体积等离子核心，并向周围空间扩散；为了防止上述高温扩散对装置的损坏，只能以射流的形式通入大量辅助气体对等离子体进行约束、并定向吹出，从而形成等离子体射流，即形成以高温等离子体为轴心、低温气体为轴套的复合射流，从该复合射流的横断面来计算，等离子体在复合射流中的占比仅为10％-30％。因此，采用射流形式的微波等离子体炬对通入的气体进行处理，只有很小一部分能被有效加热并等离子化，大量待处理气体不能通过等离子体区域，不能产生有效反应；而通过等离子体区域的气体可能因温度过高发生不利的副反应，使物料利用率、处理效率和处理效果都变得较差，难以投入实际应用。而且大量辅助气体的加入不仅加大了微波等离子体装置的处理负担，还增加了后序装置分离负担，同时还降低了反应效率。此外由于这类装置等离子体启动区域与后来连续工作区域是同一个区域，小功率运行时工作区域的微波功率密度就很高了，如果需要大功率等离子体装置，工作区域的微波功率密度、等离子体温度及浓度都会极高，此时受微波传输系统结构、以及散热的限制，可加载的微波功率较小、功率上限低，受到很大限制；此外如果微波功率过大、等离子体温度及浓度过高，辅助气体也难以可靠地约束等离子体并形成射流，最终可导致运行不稳定或装置损坏。因此这类装置在需要高效率、大产量、大功率的工业应用中也受到了很大的限制。

公开号为CN 105979693A，公开日为2016年09月28日的中国专利文献公开了一种大功率微波等离子体发生装置，其特征在于：由微波发生器，三端环形器，负载，三销钉调谐器，波导转同轴接头和炬管组成，微波发生器与三端环形器连接，三端环形器与负载、三销钉调谐器连接，三销钉调谐器与波导转同轴接头连接波导转同轴接头与炬管连接。

该专利文献公开的大功率微波等离子体发生装置，在微波的耦合位置上选择距离炬管上端面最少二分之一波长处，可以防止大功率下同轴微波传输接头过热的问题，在炬管外表面附加有散热片的结构，进一步解决了炬管工作时散热的问题，可承受千瓦级功率的，保证在大功率工作状态下等离子体发生装置工作状态良好。但是，需要大量辅助气体才能对等离子体进行有效约束和定向，大量待处理气体不能通过等离子体区域，不能产生有效反应；而通过等离子体区域的气体可能因温度过高发生不利的副反应，使物料利用率、处理效率和处理效果都变得较差。此外如果微波功率过大、等离子体温度及浓度过高，辅助气体也难以可靠地约束等离子体并形成射流，最终可导致运行不稳定或装置损坏。而且大量辅助气体的加入不仅加大了微波等离子体装置的处理负担，还增加了后序装置分离负担，同时还降低了反应效率。此外由于这类装置等离子体启动区域与后来连续工作区域是同一个区域，小功率运行时工作区域的微波功率密度就很高了，如果需要大功率等离子体装置，工作区域的微波功率密度、等离子体温度及浓度都会极高，此时受微波传输系统结构、以及散热的限制，可加载的微波功率较小、功率上限低，受到很大限制，对于工业应用所需要几十千瓦、百千瓦、千千瓦量级长时间连续应用依然无法满足。

发明内容

本发明为了克服上述现有技术的缺陷，提供一种非射流常压大体积微波等离子体发生方法，本发明能够形成体积较大而均匀的热等离子体，实现对待处理气体的充分均匀加热，提高反应效率，而且可在设定空间范围内均匀分布，能够有效防止产生破坏性击穿放电，易于控制散热平衡，在尽量减少热耗散的情况下，保证整个发生器的温度合理、结构稳定，实现长期运行稳定性；整个操作过程简单、可靠，易于控制。

本发明通过下述技术方案实现：

一种非射流常压大体积微波等离子体发生方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、启动点火器，将产生的小型等离子体或化学火焰从等离子体发生器的反应腔体上的点火通道喷入锥形腔内；

b、启动微波源，通过微波馈口向反应腔体内输入微波，微波作用于小型等离子体或化学火焰上，使小型等离子体或化学火焰上得到微波源提供的微波能量，转化成稳定的小型微波等离子体，并聚集在锥形腔的顶部；

c、关闭点火器，加大微波源的微波功率，锥形腔内的小型等离子体被放大，得到非射流、常压大功率和大体积微波等离子体。

还包括步骤d，通过向反应腔体通入气体并调节流量或调节微波功率大小或改变锥形腔的锥度，以使微波等离子体体积和温度可调。

所述等离子体发生器包括点火器和微波源，还包括反应腔体，反应腔体上开有气体通道Ⅰ和气体通道Ⅱ，反应腔体包括柱形腔和位于柱形腔上方的锥形腔，锥形腔与柱形腔连通，柱形腔上开有微波馈口，微波源与微波馈口连接，点火器连接在锥形腔上。

所述反应腔体为双层金属结构，包括内腔体和外腔体，内腔体和外腔体之间形成一个用于通入流体介质的夹层。

所述锥形腔的内腔体内壁上衬有隔热层，隔热层的厚度为5-200毫米。

所述隔热层为氧化铝隔热层、氧化锆隔热层、氧化硅隔热层、硅隔热层、石墨隔热层、氮化硅隔热层、氮化碳隔热层或氮化硼隔热层。

所述柱形腔内固定连接有透波隔板，透波隔板与柱形腔形成微波馈入区，微波馈口位于微波馈入区内。

所述透波隔板的上方设置有透波网孔板，透波网孔板固定在柱形腔的内腔体内壁上，透波网孔板和透波隔板均为水平布置。

所述微波源或柱形腔上设置有用于向微波馈入区通风或加压的微波保护进气口。

所述柱形腔上开有微波保护出气口，微波保护出气口位于微波馈入区，微波保护出气口上连接有出气调节阀。

所述点火器为高频等离子炬或化学火焰炬或微波等离子炬。

所述锥形腔的锥度为0.001:1-1000:1。

本发明的工作原理如下：

现有技术中，低微波功率密度的微波装置难以形成等离子体、等离子体易漂移漂散、易引起微波馈口击穿、无法保持等离子体稳定。射流形式的微波等离子体炬激发和存在等离子都在同一高微波功率密度区域、温度高、需要引入大量辅助气体进行约束定向、通入气体反应率低、功率小、难以工业化应用。与上述两者相比，本发明的微波等离子体可以稳定地存在于微波功率密度相对很低的反应腔内。

本发明独特地采用了这种带有锥形腔的反应腔体结构后，对反应腔体内微波功率密度分布并没有太大影响，并有效地将微波原理与温差条件下流体的浮力原理及其运动规律有机的结合在一起，即使是在微波功率密度较低的条件下形成体积较小的等离子体后，也会由于升温以及密度的变化在浮力的作用下，无需通入辅助气体高速射流进行约束控制，就能向上漂移并汇聚在锥形腔顶部，而不会四处移动，使等离子体存续的温度条件得以保持，更不至于漂散熄灭。

更重要的是由于锥形腔上小下大的结构，能在保持等离子体汇聚的同时，又不限制等离子体的体积发生变化，能随着输入微波功率密度加大让等离子体自由膨胀，这样就得到了大体积的等离子体；等离子体聚集在锥形腔中体积虽然会随微波功率密度增加而增加，但等离子体所占锥形空间投影面积按相应直径的平方倍扩张，因此等离子体在垂直方向的扩张较小，只要锥形腔尺寸与输入的总微波功率匹配，即足够大，等离子体就不会漂移到反应腔体的柱形腔中；再者，反应腔体的柱形腔内微波功率密度更低，无法提供足够的电场强度使等离子体存在于该区域。基于此，本发明的装置结构可在不加入辅助气体射流约束等离子体的情况下，简单、有效地控制等离子体稳定的存在，且不向微波馈入区、微波馈口扩散，不会引发破坏性击穿放电，保证装置的长期稳定运行。

同时，由于等离子体被有效地控制在锥形腔内，且对微波有良好的吸收作用，可受到微波整体、均匀地加载，并以较低地速度流动，因此等离子体温度较为均匀，经测试得知不同区域温差在平均温度的±50℃以内；此外由于不需要辅助气体对等离子体进行约束，不会有大量低温气体包围在等离子体外围，仅等离子体接触腔壁或隔热层的部分温度较低，但由于进行保温的作用温度不会太低，且从锥形腔的横截面看只是一个很细的环形区域，占比小于5％；因此等离子体存在的区域的等离子体占比高达95％以上。

本发明的有益效果主要表现在以下方面：

一、本发明，“a、启动点火器，将产生的小型等离子体或化学火焰从等离子体发生器的反应腔体上的点火通道喷入锥形腔内；b、启动微波源，通过微波馈口向反应腔体内输入微波，微波作用于小型等离子体或化学火焰上，使小型等离子体或化学火焰上得到微波源提供的微波能量，转化成稳定的小型微波等离子体，并聚集在锥形腔的顶部；c、关闭点火器，加大微波源的微波功率，锥形腔内的小型等离子体被放大，得到非射流、常压大功率和大体积微波等离子体”，通过将点火器产生的小型等离子体或化学火焰喷入反应腔体内，并向反应腔体内输入微波，锥形腔能利用冷热流体浮力差的原理和运动规律，无需通入辅助气体约束控制就能保持等离子体汇聚，同时又不限制等离子体的体积发生变化，能够随着输入微波功率加大让等离子体自由膨胀，这样就得到了稳定的常压非射流大体积微波等离子体，同时，由于等离子体被有效地控制在锥形腔内，且对微波有良好的吸收作用，可受到微波整体、均匀地加载，并以较低速度流动，因此等离子体温度较为均匀，经测试得知不同区域温差在平均温度的±50℃以内；此外由于不需要辅助气体对等离子体进行约束，不会有大量低温气体包围在等离子体外围，仅等离子体接触腔壁或隔热层的部分温度较低，但由于进行保温的作用温度不会太低，且从锥形腔的横截面看只是一个很细的环形区域，占比小于5％；因此等离子体存在的区域的等离子体占比高达95％以上。较现有射流微波等离子体炬技术仅10％-30％的等离子体占比而言，能够实现待处理气体最大比例地通过等离子体区域，实现对待处理气体的充分、均匀、有效地加热以及等离子化，从而提高处理或反应效率、提高单次反应率、减少后处理以及循环回收的负荷，最终实现节约能源、提高生产效率、降低生产成本；并有效防止产生破坏性击穿放电，保证整个发生器的长期运行稳定性；整个操作过程简单、可靠，易于控制。

二、本发明，等离子体发生器包括点火器和微波源，还包括反应腔体，反应腔体上开有气体通道Ⅰ和气体通道Ⅱ，反应腔体包括柱形腔和位于柱形腔上方的锥形腔，锥形腔与柱形腔连通，柱形腔上开有微波馈口，微波源与微波馈口连接，点火器连接在锥形腔上，通过独特的采用带有锥形腔的反应腔体结构，有效地将微波原理与温差条件下流体的浮力原理及其运动规律有机的结合在了一起，即使是在微波功率密度较低的条件下形成体积较小的等离子体后，也会由于升温以及密度的变化，在浮力的作用下无需通入辅助气体高速射流进行约束控制，就能向上漂移并汇聚在锥形腔顶部，而不会四处移动，使等离子体存续的温度条件得以保持，更不至于漂散熄灭；更重要的是由于锥形腔上小下大的结构，能在保持等离子体汇聚的同时，又不限制等离子体的体积发生变化，能随着输入微波功率密度加大让等离子体自由膨胀，这样就得到了大体积的等离子体；等离子体聚集在锥形腔中体积虽然会随微波功率密度增加而增加，但等离子体所占锥形空间投影面积按相应直径的平方倍扩张，因此等离子体在垂直方向的扩张较小，只要锥形腔尺寸与输入的总微波功率匹配，即锥形腔足够大，等离子体就不会漂移到反应腔体的柱形腔中；再者，反应腔体的柱形腔内微波功率密度更低，无法提供足够的电场强度使等离子体存在于该区域。基于此，本发明的装置结构可在不加入辅助气体射流约束等离子体的情况下，简单、有效地控制等离子体稳定的存在，且不向微波馈入区、微波馈口扩散，不会引发破坏性击穿放电，保证装置的长期稳定运行。可从气体通道Ⅰ通入、气体通道Ⅱ排出，也可以从气体通道Ⅱ通入、气体通道Ⅰ排出，使待处理气体低速、均匀地通过反应腔体内的等离子体区域。可以有三种技术手段，即：第一，在反应腔体结构特别是锥形腔不变，以及输入微波功率不变的情况下，调节通过等离子体区域的待处理气体流量，加大流量可使等离子体体积增大、温度降低，减小流量可使等离子体体积缩小、温度提高；第二，在反应腔体结构以及锥形腔锥度不变，且待处理气体流量不变的情况下，调节输入微波功率大小，加大微波功率可使等离子体体积增大、温度提高，减小微波功率可使等离子体体积缩小、温度降低；第三，在待处理气体流量不变的情况下，更换不同锥度的锥形腔，减小锥度可在输入微波功率变化时，降低等离子体体积增减幅度和速度、提高等离子体温度增减幅度和速度，加大锥度可在输入微波功率变化时，加大等离子体体积增减幅度和速度、减小等离子体温度增减幅度和速度。此外，可以综合性地采用上述三种技术手段，调节等离子体区域通过气体流量、调节输入微波功率、改变锥形腔锥度这三种手段，结合处理物料的需求，方便、有效地调节等离子体体积和温度，满足实际应用需要。此外，由于锥形腔不同于射流微波等离子体炬，是一个微波功率密度较低的系统，不受微波传输系统限制，可根据最大输入微波功率，加大加长锥形腔，或者缩小缩短锥形腔，可形成单台1kW-1000kW甚至更大微波功率的大体积微波等离子体装置。较现有技术而言，能够实现对待处理气体的充分均匀加热，提高反应效率，形成体积较大而均匀的热等离子体，能够有效防止产生破坏性击穿放电，保证整个发生器的长期运行稳定性。因此，本发明装置不仅调节手段丰富、易于控制、易于工程化，还可以满足大型工业生产需要。

三、本发明，反应腔体为双层金属结构，包括内腔体和外腔体，内腔体和外腔体之间形成一个用于通入流体介质的夹层，能够向夹层中通入与反应腔体不发生反应的气体或液体，如空气、氮气、水、导热油，以实现恒温调节，即温度低时气体或液体的流量为零，能够起到保温作用，温度高时加大气体或液体的流量，能够起到散热作用，从而能够有效避免腔壁金属温度过高而失去强度，可制造大型大功率装置，满足大型工业生产需要。

四、本发明，锥形腔的内腔体内壁上衬有隔热层，隔热层的厚度为5-200毫米，选择这种特定厚度的隔热层，主要是为了在减少等离子体能量耗散的同时，满足功率较小的小型等离子体装置可以采用较薄的隔热层，以减小装置体积、提高集成度、提高启动便利性；以及满足功率较大的大型等离子装置可以采用较大的厚度，以大大降低热量向外传导的速度，减少了需要靠散热带走的能量，减少了向反应腔体的双层金属结构通入流体的流量，更容易实现对反应腔体温度的控制；从而实现在尽量减少系统热耗散的同时，有效避免内腔体金属温度过高而失去强度。同时，由于金属强度得到了保证，整个反应腔的强度、密封性都可以得到有效地保证，使本发明发生器可以安全地适用于高温处理、易燃易爆物料处理、有毒有害物料处理、化工生产，具有广泛地应用前景。

五、本发明，隔热层为氧化铝隔热层、氧化锆隔热层、氧化硅隔热层、硅隔热层、石墨隔热层、氮化硅隔热层、氮化碳隔热层或氮化硼隔热层，采用这些隔热材料不仅耐高温，还能在高温条件下保持良好的物理稳定性和化学稳定性，不会发生破裂、脱落、分解，不会产生对待处理气体的污染，从而减少后序处理工艺、降低生产成本。

六、本发明，柱形腔内固定连接有透波隔板，透波隔板与柱形腔形成微波馈入区，微波馈口位于微波馈入区内，通过设置透波隔板隔离出一个相对密封的微波馈入区，能够有效防止等离子体扩散到微波馈入区内，进而避免等离子体在微波馈口附近引发破坏性击穿放电。

七、本发明，透波隔板的上方设置有透波网孔板，透波网孔板固定在柱形腔的内腔体内壁上，透波网孔板和透波隔板均为水平布置，当待处理气体从气体通道Ⅰ通入、气体通道Ⅱ排出时，能够使通入的待处理气体均匀分散，并以相对较低的流速继续向上运动；由于待处理流速较低，能够均匀地进入等离子体区域，且不会对等离子体产生较大的扰动，能够保证待处理气体等离子化的稳定性。

八、本发明，微波源或柱形腔上设置有用于向微波馈入区通风或加压的微波保护进气口，通过微波保护进气口向微波馈入区通入气体，通入的气体可对微波馈入区进行冷却，防止等离子体以及热辐射对微波馈入区的影响，确保微波馈入区的气体击穿强度较高，进而确保不会发生破坏性击穿放电，保证微波持续稳定的输入。

九、本发明，柱形腔上开有微波保护出气口，微波保护出气口位于微波馈入区内，微波保护出气口上连接有出气调节阀，气体从微波保护出气口排出时，通过调节或者关闭微波保护出气口的出气调节阀，就能够提高微波馈入区的气体压强，从而进一步提高微波馈入区的击穿强度。

十、本发明，锥形腔的锥度为0.001:1-1000:1，可以在待处理气体流量不变的情况下，满足更换不同锥度的锥形腔的需要，减小锥度可在输入微波功率变化时，降低等离子体体积增减幅度和速度、提高等离子体温度增减幅度和速度，加大锥度可在输入微波功率变化时，加大等离子体体积增减幅度和速度、减小等离子体温度增减幅度和速度，可以增加对等离子体的控制手段，满足实际应用需要。

附图说明

下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的具体说明，其中：

图1为本发明微波保护进气口设置在微波源上的等离子体发生器的结构示意图；

图2为本发明微波保护进气口设置在柱形腔上的等离子体发生器的结构示意图；

图中标记：1、点火器，2、锥形腔，3、微波源，4、微波馈口，5、气体通道Ⅰ，6、气体通道Ⅱ，7、柱形腔，8、内腔体，9、外腔体，10、夹层，11、隔热层，12、透波隔板，13、透波网孔板，14、微波保护进气口，15、微波保护出气口，16、出气调节阀，17、点火通道。

具体实施方式

实施例1

一种非射流常压大体积微波等离子体发生方法，包括以下步骤：

a、启动点火器1，将产生的小型等离子体或化学火焰从等离子体发生器的反应腔体上的点火通道17喷入锥形腔2内；

b、启动微波源3，通过微波馈口4向反应腔体内输入微波，微波作用于小型等离子体或化学火焰上，使小型等离子体或化学火焰上得到微波源提供的微波能量，转化成稳定的小型微波等离子体，并聚集在锥形腔2的顶部；

c、关闭点火器1，加大微波源3的微波功率，锥形腔2内的小型等离子体被放大，得到非射流、常压大功率和大体积微波等离子体。

本实施例为最基本的实施方式，“a、启动点火器，将产生的小型等离子体或化学火焰从等离子体发生器的反应腔体上的点火通道喷入锥形腔内；b、启动微波源，通过微波馈口向反应腔体内输入微波，微波作用于小型等离子体或化学火焰上，使小型等离子体或化学火焰上得到微波源提供的微波能量，转化成稳定的小型微波等离子体，并聚集在锥形腔的顶部；c、关闭点火器，加大微波源的微波功率，锥形腔内的小型等离子体被放大，得到非射流、常压大功率和大体积微波等离子体”，通过将点火器产生的小型等离子体或化学火焰喷入反应腔体内，并向反应腔体内输入微波，锥形腔能利用冷热流体浮力差的原理和运动规律，无需通入辅助气体约束控制就能保持等离子体汇聚，同时又不限制等离子体的体积发生变化，能够随着输入微波功率加大让等离子体自由膨胀，这样就得到了稳定的常压非射流大体积微波等离子体，同时，由于等离子体被有效地控制在锥形腔内，且对微波有良好的吸收作用，可受到微波整体、均匀地加载，并以较低速度流动，因此等离子体温度较为均匀，经测试得知不同区域温差在平均温度的±50℃以内；此外由于不需要辅助气体对等离子体进行约束，不会有大量低温气体包围在等离子体外围，仅等离子体接触腔壁或隔热层的部分温度较低，但由于进行保温的作用温度不会太低，且从锥形腔的横截面看只是一个很细的环形区域，占比小于5％；因此等离子体存在的区域的等离子体占比高达95％以上。较现有射流微波等离子体炬技术仅10％-30％的等离子体占比而言，能够实现待处理气体最大比例地通过等离子体区域，实现对待处理气体的充分、均匀、有效地加热以及等离子化，从而提高处理或反应效率、提高单次反应率、减少后处理以及循环回收的负荷，最终实现节约能源、提高生产效率、降低生产成本；并有效防止产生破坏性击穿放电，保证整个发生器的长期运行稳定性；整个操作过程简单、可靠，易于控制。

实施例2

一种非射流常压大体积微波等离子体发生方法，包括以下步骤：

a、启动点火器1，将产生的小型等离子体或化学火焰从等离子体发生器的反应腔体上的点火通道17喷入锥形腔2内；

b、启动微波源3，通过微波馈口4向反应腔体内输入微波，微波作用于小型等离子体或化学火焰上，使小型等离子体或化学火焰上得到微波源提供的微波能量，转化成稳定的小型微波等离子体，并聚集在锥形腔2的顶部；

c、关闭点火器1，加大微波源3的微波功率，锥形腔2内的小型等离子体被放大，得到非射流、常压大功率和大体积微波等离子体。

还包括步骤d，通过向反应腔体通入气体并调节流量或调节微波功率大小或改变锥形腔2的锥度，以使微波等离子体体积和温度可调。

所述等离子体发生器包括点火器1和微波源3，还包括反应腔体，反应腔体上开有气体通道Ⅰ5和气体通道Ⅱ6，反应腔体包括柱形腔7和位于柱形腔7上方的锥形腔2，锥形腔2与柱形腔7连通，柱形腔7上开有微波馈口4，微波源3与微波馈口4连接，点火器1连接在锥形腔2上。

本实施例为一较佳实施方式，等离子体发生器包括点火器和微波源，还包括反应腔体，反应腔体上开有气体通道Ⅰ和气体通道Ⅱ，反应腔体包括柱形腔和位于柱形腔上方的锥形腔，锥形腔与柱形腔连通，柱形腔上开有微波馈口，微波源与微波馈口连接，点火器连接在锥形腔上，通过独特的采用带有锥形腔的反应腔体结构，有效地将微波原理与温差条件下流体的浮力原理及其运动规律有机的结合在了一起，即使是在微波功率密度较低的条件下形成体积较小的等离子体后，也会由于升温以及密度的变化，在浮力的作用下无需通入辅助气体高速射流进行约束控制，就能向上漂移并汇聚在锥形腔顶部，而不会四处移动，使等离子体存续的温度条件得以保持，更不至于漂散熄灭；更重要的是由于锥形腔上小下大的结构，能在保持等离子体汇聚的同时，又不限制等离子体的体积发生变化，能随着输入微波功率密度加大让等离子体自由膨胀，这样就得到了大体积的等离子体；等离子体聚集在锥形腔中体积虽然会随微波功率密度增加而增加，但等离子体所占锥形空间投影面积按相应直径的平方倍扩张，因此等离子体在垂直方向的扩张较小，只要锥形腔尺寸与输入的总微波功率匹配，即锥形腔足够大，等离子体就不会漂移到反应腔体的柱形腔中；再者，反应腔体的柱形腔内微波功率密度更低，无法提供足够的电场强度使等离子体存在于该区域。基于此，本发明的装置结构可在不加入辅助气体射流约束等离子体的情况下，简单、有效地控制等离子体稳定的存在，且不向微波馈入区、微波馈口扩散，不会引发破坏性击穿放电，保证装置的长期稳定运行。可从气体通道Ⅰ通入、气体通道Ⅱ排出，也可以从气体通道Ⅱ通入、气体通道Ⅰ排出，使待处理气体低速、均匀地通过反应腔体内的等离子体区域。可以有三种技术手段，即：第一，在反应腔体结构特别是锥形腔不变，以及输入微波功率不变的情况下，调节通过等离子体区域的待处理气体流量，加大流量可使等离子体体积增大、温度降低，减小流量可使等离子体体积缩小、温度提高；第二，在反应腔体结构以及锥形腔锥度不变，且待处理气体流量不变的情况下，调节输入微波功率大小，加大微波功率可使等离子体体积增大、温度提高，减小微波功率可使等离子体体积缩小、温度降低；第三，在待处理气体流量不变的情况下，更换不同锥度的锥形腔，减小锥度可在输入微波功率变化时，降低等离子体体积增减幅度和速度、提高等离子体温度增减幅度和速度，加大锥度可在输入微波功率变化时，加大等离子体体积增减幅度和速度、减小等离子体温度增减幅度和速度。此外，可以综合性地采用上述三种技术手段，调节等离子体区域通过气体流量、调节输入微波功率、改变锥形腔锥度这三种手段，结合处理物料的需求，方便、有效地调节等离子体体积和温度，满足实际应用需要。此外，由于锥形腔不同于射流微波等离子体炬，是一个微波功率密度较低的系统，不受微波传输系统限制，可根据最大输入微波功率，加大加长锥形腔，或者缩小缩短锥形腔，可形成单台1kW-1000kW甚至更大微波功率的大体积微波等离子体装置。较现有技术而言，能够实现对待处理气体的充分均匀加热，提高反应效率，形成体积较大而均匀的热等离子体，能够有效防止产生破坏性击穿放电，保证整个发生器的长期运行稳定性。因此，本发明装置不仅调节手段丰富、易于控制、易于工程化，还可以满足大型工业生产需要。

实施例3

一种非射流常压大体积微波等离子体发生方法，包括以下步骤：

a、启动点火器1，将产生的小型等离子体或化学火焰从等离子体发生器的反应腔体上的点火通道17喷入锥形腔2内；

b、启动微波源3，通过微波馈口4向反应腔体内输入微波，微波作用于小型等离子体或化学火焰上，使小型等离子体或化学火焰上得到微波源提供的微波能量，转化成稳定的小型微波等离子体，并聚集在锥形腔2的顶部；

c、关闭点火器1，加大微波源3的微波功率，锥形腔2内的小型等离子体被放大，得到非射流、常压大功率和大体积微波等离子体。

还包括步骤d，通过向反应腔体通入气体并调节流量或调节微波功率大小或改变锥形腔2的锥度，以使微波等离子体体积和温度可调。

所述等离子体发生器包括点火器1和微波源3，还包括反应腔体，反应腔体上开有气体通道Ⅰ5和气体通道Ⅱ6，反应腔体包括柱形腔7和位于柱形腔7上方的锥形腔2，锥形腔2与柱形腔7连通，柱形腔7上开有微波馈口4，微波源3与微波馈口4连接，点火器1连接在锥形腔2上。

所述反应腔体为双层金属结构，包括内腔体8和外腔体9，内腔体8和外腔体9之间形成一个用于通入流体介质的夹层10。

所述锥形腔2的内腔体8内壁上衬有隔热层11，隔热层11的厚度为5毫米。

所述隔热层11为氧化铝隔热层、氧化锆隔热层、氧化硅隔热层、硅隔热层、石墨隔热层、氮化硅隔热层、氮化碳隔热层或氮化硼隔热层。

本实施例为又一较佳实施方式，反应腔体为双层金属结构，包括内腔体和外腔体，内腔体和外腔体之间形成一个用于通入流体介质的夹层，能够向夹层中通入与反应腔体不发生反应的气体或液体，如空气、氮气、水、导热油，以实现恒温调节，即温度低时气体或液体的流量为零，能够起到保温作用，温度高时加大气体或液体的流量，能够起到散热作用，从而能够有效避免腔壁金属温度过高而失去强度，可制造大型大功率装置，满足大型工业生产需要。

锥形腔的内腔体内壁上衬有隔热层，隔热层的厚度为5毫米，选择这种特定厚度的隔热层，主要是为了在减少等离子体能量耗散的同时，满足功率较小的小型等离子体装置可以采用较薄的隔热层，以减小装置体积、提高集成度、提高启动便利性；以及满足功率较大的大型等离子装置可以采用较大的厚度，以大大降低热量向外传导的速度，减少了需要靠散热带走的能量，减少了向反应腔体的双层金属结构通入流体的流量，更容易实现对反应腔体温度的控制；从而实现在尽量减少系统热耗散的同时，有效避免内腔体金属温度过高而失去强度。同时，由于金属强度得到了保证，整个反应腔的强度、密封性都可以得到有效地保证，使本发明发生器可以安全地适用于高温处理、易燃易爆物料处理、有毒有害物料处理、化工生产，具有广泛地应用前景。

隔热层为氧化铝隔热层、氧化锆隔热层、氧化硅隔热层、硅隔热层、石墨隔热层、氮化硅隔热层、氮化碳隔热层或氮化硼隔热层，采用这些隔热材料不仅耐高温，还能在高温条件下保持良好的物理稳定性和化学稳定性，不会发生破裂、脱落、分解，不会产生对待处理气体的污染，从而减少后序处理工艺、降低生产成本。

实施例4

一种非射流常压大体积微波等离子体发生方法，包括以下步骤：

a、启动点火器1，将产生的小型等离子体或化学火焰从等离子体发生器的反应腔体上的点火通道17喷入锥形腔2内；

b、启动微波源3，通过微波馈口4向反应腔体内输入微波，微波作用于小型等离子体或化学火焰上，使小型等离子体或化学火焰上得到微波源提供的微波能量，转化成稳定的小型微波等离子体，并聚集在锥形腔2的顶部；

c、关闭点火器1，加大微波源3的微波功率，锥形腔2内的小型等离子体被放大，得到非射流、常压大功率和大体积微波等离子体。

还包括步骤d，通过向反应腔体通入气体并调节流量或调节微波功率大小或改变锥形腔2的锥度，以使微波等离子体体积和温度可调。

所述等离子体发生器包括点火器1和微波源3，还包括反应腔体，反应腔体上开有气体通道Ⅰ5和气体通道Ⅱ6，反应腔体包括柱形腔7和位于柱形腔7上方的锥形腔2，锥形腔2与柱形腔7连通，柱形腔7上开有微波馈口4，微波源3与微波馈口4连接，点火器1连接在锥形腔2上。

所述反应腔体为双层金属结构，包括内腔体8和外腔体9，内腔体8和外腔体9之间形成一个用于通入流体介质的夹层10。

所述锥形腔2的内腔体8内壁上衬有隔热层11，隔热层11的厚度为80毫米。

所述隔热层11为氧化铝隔热层、氧化锆隔热层、氧化硅隔热层、硅隔热层、石墨隔热层、氮化硅隔热层、氮化碳隔热层或氮化硼隔热层。

所述柱形腔7内固定连接有透波隔板12，透波隔板12与柱形腔7形成微波馈入区，微波馈口4位于微波馈入区内。

所述透波隔板12的上方设置有透波网孔板13，透波网孔板13固定在柱形腔7的内腔体8内壁上，透波网孔板13和透波隔板12均为水平布置。

本实施例为又一较佳实施方式，柱形腔内固定连接有透波隔板，透波隔板与柱形腔形成微波馈入区，微波馈口位于微波馈入区内，通过设置透波隔板隔离出一个相对密封的微波馈入区，能够有效防止等离子体扩散到微波馈入区内，进而避免等离子体在微波馈口附近引发破坏性击穿放电。

透波隔板的上方设置有透波网孔板，透波网孔板固定在柱形腔的内腔体内壁上，透波网孔板和透波隔板均为水平布置，当待处理气体从气体通道Ⅰ通入、气体通道Ⅱ排出时，能够使通入的待处理气体均匀分散，并以相对较低的流速继续向上运动；由于待处理流速较低，能够均匀地进入等离子体区域，且不会对等离子体产生较大的扰动，能够保证待处理气体等离子化的稳定性。

实施例5

一种非射流常压大体积微波等离子体发生方法，包括以下步骤：

a、启动点火器1，将产生的小型等离子体或化学火焰从等离子体发生器的反应腔体上的点火通道17喷入锥形腔2内；

b、启动微波源3，通过微波馈口4向反应腔体内输入微波，微波作用于小型等离子体或化学火焰上，使小型等离子体或化学火焰上得到微波源提供的微波能量，转化成稳定的小型微波等离子体，并聚集在锥形腔2的顶部；

c、关闭点火器1，加大微波源3的微波功率，锥形腔2内的小型等离子体被放大，得到非射流、常压大功率和大体积微波等离子体。

还包括步骤d，通过向反应腔体通入气体并调节流量或调节微波功率大小或改变锥形腔2的锥度，以使微波等离子体体积和温度可调。

所述等离子体发生器包括点火器1和微波源3，还包括反应腔体，反应腔体上开有气体通道Ⅰ5和气体通道Ⅱ6，反应腔体包括柱形腔7和位于柱形腔7上方的锥形腔2，锥形腔2与柱形腔7连通，柱形腔7上开有微波馈口4，微波源3与微波馈口4连接，点火器1连接在锥形腔2上。

所述反应腔体为双层金属结构，包括内腔体8和外腔体9，内腔体8和外腔体9之间形成一个用于通入流体介质的夹层10。

所述锥形腔2的内腔体8内壁上衬有隔热层11，隔热层11的厚度为200毫米。

所述隔热层11为氧化铝隔热层、氧化锆隔热层、氧化硅隔热层、硅隔热层、石墨隔热层、氮化硅隔热层、氮化碳隔热层或氮化硼隔热层。

所述柱形腔7内固定连接有透波隔板12，透波隔板12与柱形腔7形成微波馈入区，微波馈口4位于微波馈入区内。

所述透波隔板12的上方设置有透波网孔板13，透波网孔板13固定在柱形腔7的内腔体8内壁上，透波网孔板13和透波隔板12均为水平布置。

所述微波源3或柱形腔7上设置有用于向微波馈入区通风或加压的微波保护进气口14。

所述柱形腔7上开有微波保护出气口15，微波保护出气口15位于微波馈入区，微波保护出气口15上连接有出气调节阀16。

所述点火器1为高频等离子炬或化学火焰炬或微波等离子炬。

所述锥形腔2的锥度为0.001:1-1000:1。

本实施例为最佳实施方式，微波源或柱形腔上设置有用于向微波馈入区通风或加压的微波保护进气口，通过微波保护进气口向微波馈入区通入气体，通入的气体可对微波馈入区进行冷却，防止等离子体以及热辐射对微波馈入区的影响，确保微波馈入区的气体击穿强度较高，进而确保不会发生破坏性击穿放电，保证微波持续稳定的输入。

柱形腔上开有微波保护出气口，微波保护出气口位于微波馈入区内，微波保护出气口上连接有出气调节阀，气体从微波保护出气口排出时，通过调节或者关闭微波保护出气口的出气调节阀，就能够提高微波馈入区的气体压强，从而进一步提高微波馈入区的击穿强度。

锥形腔的锥度为0.001:1-1000:1，可以在待处理气体流量不变的情况下，满足更换不同锥度的锥形腔的需要，减小锥度可在输入微波功率变化时，降低等离子体体积增减幅度和速度、提高等离子体温度增减幅度和速度，加大锥度可在输入微波功率变化时，加大等离子体体积增减幅度和速度、减小等离子体温度增减幅度和速度，可以增加对等离子体的控制手段，满足实际应用需要。

Claims (10)

1.一种非射流常压大体积微波等离子体发生方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、启动点火器(1)，将产生的小型等离子体或化学火焰从等离子体发生器的反应腔体上的点火通道(17)喷入锥形腔(2)内；

b、启动微波源(3)，通过微波馈口(4)向反应腔体内输入微波，微波作用于小型等离子体或化学火焰上，使小型等离子体或化学火焰上得到微波源提供的微波能量，转化成稳定的小型微波等离子体，并聚集在锥形腔(2)的顶部；

c、关闭点火器(1)，加大微波源(3)的微波功率，锥形腔(2)内的小型等离子体被放大，得到非射流、常压大功率和大体积微波等离子体。

2.根据权利要求1所述的一种非射流常压大体积微波等离子体发生方法，其特征在于：还包括步骤d，通过向反应腔体通入气体并调节流量或调节微波功率大小或改变锥形腔(2)的锥度，以使微波等离子体体积和温度可调。

3.根据权利要求1所述的一种非射流常压大体积微波等离子体发生方法，其特征在于：所述等离子体发生器包括点火器(1)和微波源(3)，还包括反应腔体，反应腔体上开有气体通道Ⅰ(5)和气体通道Ⅱ(6)，反应腔体包括柱形腔(7)和位于柱形腔(7)上方的锥形腔(2)，锥形腔(2)与柱形腔(7)连通，柱形腔(7)上开有微波馈口(4)，微波源(3)与微波馈口(4)连接，点火器(1)连接在锥形腔(2)上。

4.根据权利要求3所述的一种非射流常压大体积微波等离子体发生方法，其特征在于：所述反应腔体为双层金属结构，包括内腔体(8)和外腔体(9)，内腔体(8)和外腔体(9)之间形成一个用于通入流体介质的夹层(10)。

5.根据权利要求4所述的一种非射流常压大体积微波等离子体发生方法，其特征在于：所述锥形腔(2)的内腔体(8)内壁上衬有隔热层(11)，隔热层(11)的厚度为5-200毫米。

6.根据权利要求3所述的一种非射流常压大体积微波等离子体发生方法，其特征在于：所述柱形腔(7)内固定连接有透波隔板(12)，透波隔板(12)与柱形腔(7)形成微波馈入区，微波馈口(4)位于微波馈入区内。

7.根据权利要求6所述的一种非射流常压大体积微波等离子体发生方法，其特征在于：所述透波隔板(12)的上方设置有透波网孔板(13)，透波网孔板(13)固定在柱形腔(7)的内腔体(8)内壁上，透波网孔板(13)和透波隔板(12)均为水平布置。

8.根据权利要求6所述的一种非射流常压大体积微波等离子体发生方法，其特征在于：所述微波源(3)或柱形腔(7)上设置有用于向微波馈入区通风或加压的微波保护进气口(14)。

9.根据权利要求6所述的一种非射流常压大体积微波等离子体发生方法，其特征在于：所述柱形腔(7)上开有微波保护出气口(15)，微波保护出气口(15)位于微波馈入区，微波保护出气口(15)上连接有出气调节阀(16)。

10.根据权利要求3所述的一种非射流常压大体积微波等离子体发生方法，其特征在于：所述锥形腔(2)的锥度为0.001:1-1000:1。

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