CN114885486A - 一种微波等离子体射流装置、方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微波等离子体射流装置、方法及应用，包括矩形波导和圆波导，数个所述矩形波导与一个圆波导之间连通设置，所述微波发射装置设置在矩形波导的端口处；所述圆波导内设置有圆脊和石英管，所述石英管为空心通管，所述圆脊和石英管沿圆波导的长度方向布置，所述石英管的一端与通气装置连接，所述石英管的另一端穿出圆波导，所述通气装置用于向石英管内通入可击穿气体；所述圆脊用于压缩圆波导内的电场。目的在于压缩高电场强度，集中微波能量，击穿气体放电形成等离子体射流。

Description

一种微波等离子体射流装置、方法及应用

技术领域

本发明属于微波技术领域，具体涉及一种微波等离子体射流装置、方法及应用。

背景技术

近年来，微波等离子体广泛应用于有机污染物降解、危险固废和废水废气处理等领域。随着微波器件的可靠性及磁控管的能量转换效率的提高，工业上使用微波来激励和获得具有高密度激发态和活性粒子的等离子体，相比于其他传统的等离子体，微波等离子体有较高的电离和分解程度，能在高气压下维持等离子体，且无需电极，微波等离子体设备具有更长的使用寿命。

针对如何高效激发微波等离子体炬，张贵新等人通过优化喷嘴的方式使电磁场能量在喷嘴处集中来击穿电场，从而在常压下激发微波等离子炬，他们用仿真软件测试了不同的喷嘴直径、不同的喷嘴角度、不同的喷嘴气孔大小以及不同的喷嘴长度(相对于波导壁的距离)等因素对喷嘴处电场强度的影响。陈颖设计了一种新型大气压微波等离子体炬，通过仿真结果分析了探针长度、探针直径、耦合波导宽度以及高度等对中心电场分布及强度的影响。徐茂春设计的双气流稳定大气压微波等离子体炬，通过实验发现，波到截止面的位置和气流两个因素，对微波等离子体炬的稳定性影响很大。研究者们通过不断对激发因素进行优化，微波等离子体激发装置逐步完善，但由于喷嘴、探针等装置内部电场强度集中范围较小、且单端口输入的微波能量限制等因素，大多数微波等离子体体积小，射流直径小且长度仅30mm～40mm，所激发的等离子体气流量仅达到0.3～1L/min，很难实现微波能量高效率转化为微波等离子体，需要较高的外部散热能力，无法实现大规模的等离子体处理应用。

发明内容

为了解决现有微波等离子体激发装置射流直径小且高度低，无法实现大规模的等离子体处理应用的问题，提供了一种微波等离子体射流装置、方法及应用，通过双端口或多端口矩形波导馈入圆脊波导，有效提高了输入微波功率，并通过其内部圆脊压缩电场，加大电场强度集中范围，反应气体以旋流进气方式进入石英管，从而高效激发出大气流量、高长度且稳定的微波等离子射流。

本发明所采用的技术方案是：一种微波等离子体射流装置，包括矩形波导和圆波导，数个所述矩形波导与一个圆波导之间连通设置，所述微波发射装置设置在矩形波导的端口处；所述圆波导内设置有圆脊和石英管，所述石英管为空心通管，所述圆脊和石英管沿圆波导的长度方向布置，所述石英管的一端与通气装置连接，所述石英管的另一端穿出圆波导，所述通气装置用于向石英管内通入可击穿气体；所述圆脊用于压缩圆波导内的电场。

优选的，所述通气装置为旋流通气装置，所述旋流通气装置用于产生进入到石英管内部的旋流气体。

优选的，从所述旋流通气装置的出气口产生的旋流气体贴合石英管的内壁旋流行至石英管的另一端。

优选的，所述圆脊的截面为梯形，所述圆脊上较长的底面与圆波导的内壁连接；所述圆脊沿圆波导的轴向对称设置为两个，所述石英管设置在两个所述圆脊之间。

优选的，所述矩形波导为BJ26矩形波导，所述圆波导为BY25圆波导；所述矩形波导设置为两个，两个所述矩形波导分别位于圆波导的两端或者两侧；所述可击穿气体为空气或氩气。

优选的，所述石英管外部套设有冷却机构，所述冷却机构与石英管相贴合，所述冷却机构为冷却管，所述冷却管内通入冷却水。

优选的，所述冷却管为螺旋管，所述冷却管螺旋缠绕在石英管的外壁上；或，所述冷却管为直管，数根所述冷却管均匀分布贴合在石英管的外壁上，所述直管的长度方向与石英管的长度方向一致。

一种微波等离子体射流方法，包括数个矩形波导和圆波导，数个所述矩形波导与一个圆波导之间连通设置；所述圆波导内设置有圆脊和石英管，所述石英管的一端与通气装置连接；

微波发射装置发出的微波分别从数个矩形波导的口部进入，最终馈入圆波导内部，在圆波导内部通过圆脊压缩电场，加大电场强度集中范围，通过击穿石英管内部的气体形成等离子体矩，使得等离子体矩的射流高度达到300-400mm。

优选的，在圆波导的内部，石英管外套设冷却机构，所述冷却机构金属制成，通过冷却机构对石英管进行降温的同时，增加电场聚焦能量，扩大电场集中范围。

一种微波等离子体射流装置的应用，包括上述的基于圆脊波导的微波等离子体射流装置，所述基于圆脊波导的微波等离子体射流装置在处理危险固废、有机污染物降解和废水废气方面的应用。

本发明具有以下有益效果：

1)微波通过双端口矩形波导馈入圆脊波导，其内部以圆脊压缩电场，加大电场强度集中范围，反应气体以旋流进气方式进入石英管，激发等离子体射流，微波功率为2kW，射流高度400mm、最大气体流量可到37L/min，气体流量越大，一方面电场击穿的气体体积越大，产生的等离子体炬尺寸越大，处理固废、废气等更充分，稳定性高，效率高；另一方面，气流速度快，有利于石英管的散热，使得能量利用率达到88％；针对工业应用中等离子体效率低，处理量不足，处理量程短，放电不稳定，放电污染，气压水平要求严格等问题，提出了解决思路及方法；

2)本发明通过旋流通气装置，向石英管内部通入旋流气体，气流螺旋上升以防止热区问题(由于石英管内电场分布不同，导致石英管内不同区域的温度、热量也有所差异)，提高微波能量利用率，在石英管内生成等离子体；由于旋流气体紧贴石英管的内壁流动，从而可以用旋流反应气体分子流经石英管上下左右各个区域，缓解热区效应所带来的负面影响；

3)在石英管的外部套设了冷却机构，冷却机构为金属制成，并与石英管的外壁贴合，在冷却机构内通入冷却水，一方面金属可以提高冷却速度，从而对石英管进行整体降温散热，另一方面金属冷却机构可以进一步增加石英管内的电场强度，扩大电场集中范围，减小电场轴向分布的梯度值，进一步促进等离子体炬的激发。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明圆脊的结构示意图；

图3为本发明旋流气体的流线图；

图4为电场强度分布示意图；

图5为冷却管为螺旋管的结构示意图；

图6为加入螺旋管后的电场分布对比图；

图7为冷却管为直管的结构示意图；

图8为加入直管后的电场分布对比图；

图中：1-矩形波导；2-圆波导；3-圆脊；4-石英管；5-冷却管。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-4所示，本发明适用于工作在2.45GHz的微波频段，一种微波等离子体射流装置，包括矩形波导1和圆波导2，基于2.45GHz的微波频段，本发明中矩形波导1为BJ26矩形波导，所述圆波导2为BY25圆波导。

数个所述矩形波导1与一个圆波导2之间连通设置，矩形波导1的数量可以根据需要进行选择，本发明中矩形波导1采用两个或者四个，如图1为两个的实施例，两个矩形波导1分别设置在圆波导2的上下两端处，也可以沿圆波导2的轴线设置在圆波导2的两侧；图5为四个的实施例，四个矩形波导1沿圆波导2的轴线设置在圆波导2的周侧。

所述微波发射装置设置在矩形波导1的端口处；所述圆波导2内设置有圆脊3和石英管4，所述石英管4为空心通管，所述圆脊3和石英管4沿圆波导2的长度方向布置，所述石英管4的一端与通气装置连接，所述石英管4的另一端穿出圆波导2向外，与大气连通，所述通气装置用于向石英管4内通入可击穿气体，本实施例中，可击穿气体为空气或氩气；所述圆脊3用于压缩圆波导2内的电场，加大电场强度集中范围。

本发明中的通气装置采用旋流通气装置，所述旋流通气装置用于产生进入到石英管4内部的旋流气体，旋流通气装置中，气流从侧边径向流入石英管壁，在石英管中保持螺旋上升的气流。从所述旋流通气装置的出气口产生的旋流气体贴合石英管4的内壁旋流行至石英管4的另一端。如图3所示，为旋流气体的流线图，旋流通气装置通过进气口与圆波导2的轴线具有一定夹角，并朝向石英管4的内壁出气，多个(两个以上)进气口夹角相同，顺时针或逆时针布置，从而保证产生旋流气体。通过旋流进气的方式，气体上升速度慢，气体在石英管内得以充分吸收微波能量，进行气体击穿的化学反应、粒子碰撞，气流一直以螺旋方式上升，流动性强，冷热气流交互，规避了热区效应带来的不良反应。

如图2所示，为圆脊3的立体图，所述圆脊3的截面为梯形，所述圆脊3上较长的底面与圆波导2的内壁连接，也即圆波导2的内壁到圆脊3为坡度过渡；所述圆脊3沿圆波导2的轴向对称设置为两个，所述石英管4设置在两个所述圆脊3之间。通过圆脊3对电场进行压缩，增大电场强度集中范围，圆脊3缩短了电势差方向的距离来增加波导中的电场强度，本实施例中，当圆脊3与石英管4贴合的夹角为53°，圆脊3的高度d为20mm，厚度a为9mm时，端口传输效率高，此时电场强度集中于脊中心，最强电场强度达到1.54x10⁵V/m。如图4所示，为加了圆脊3后的电场强度分布示意图，主要区域集中在圆脊3的中间位置，在石英管腔体内激发出等离子射流，由于等离子体是良好的微波吸收体，因此双端输入的能量大多都会被等离子体所吸收。

所述矩形波导1设置为两个，两个所述矩形波导1分别位于圆波导2的两端或者两侧。本实施例中，仅展示了矩形波导1位于圆波导2的两端的示意图。

所述石英管4外部套设有冷却机构，所述冷却机构与石英管4相贴合，所述冷却机构为冷却管5，所述冷却管5内通入冷却水，通过流动的冷水进行降温。冷却管5可以为金属制成，通过在石英管4外套设金属冷却机构，一方面可以快速的降温，另一方面采用金属管，能够增加电场聚焦能量，扩大电场集中范围，减小电场径向分布的梯度值，进一步促进等离子体炬的激发。

本发明中，提供了两种冷却管5的结构，一种微冷却管5为螺旋管，所述冷却管5螺旋缠绕在石英管4的外壁上，如图5所示，图6为套设螺旋管后的电场对比图。

另一种为冷却管5为直管，如图7所示，数根所述冷却管5均匀分布贴合在石英管4的外壁上，所述直管的长度方向与石英管4的长度方向一致，图8为套设直管后的电场对比图。

基于上述装置，本发明还提供了一种微波等离子体射流方法，包括数个矩形波导1和圆波导2，数个所述矩形波导1与一个圆波导2之间连通设置；所述圆波导2内设置有圆脊3和石英管4，所述石英管4的一端与通气装置连接。

微波发射装置发出的微波分别从数个矩形波导1的端口处进入，本发明中以两个为例，最终馈入圆波导2内部，在圆波导2内部通过圆脊3压缩电场，加大电场强度集中范围，通过击穿石英管4内部的气体形成等离子体矩，使得等离子体矩的射流高度达到300-400mm。

在圆波导2的内部，石英管4外套设冷却机构，所述冷却机构金属制成，通过冷却机构对石英管4进行降温的同时，增加电场聚焦能量，扩大电场集中范围。

利用上述装置，本发明还提供了一种微波等离子体射流装置的应用，包括上述的基于圆脊波导的微波等离子体射流装置，所述基于圆脊波导的微波等离子体射流装置在处理危险固废、有机污染物降解和废水废气方面的应用。尤其在处理危险固废上，本发明装置具备激发出大尺寸、大功率、高气体处理量的微波等离子体炬，可推广至大型工业应用来处理危险固废。

本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本发明，而并非用作为本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围之内，对以上实施方式所作的适当改变和变化都落在本发明要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种微波等离子体射流装置，其特征在于：包括矩形波导(1)和圆波导(2)，数个所述矩形波导(1)与一个圆波导(2)之间连通设置，所述微波发射装置设置在矩形波导(1)的端口处；所述圆波导(2)内设置有圆脊(3)和石英管(4)，所述石英管(4)为空心通管，所述圆脊(3)和石英管(4)沿圆波导(2)的长度方向布置，所述石英管(4)的一端与通气装置连接，所述石英管(4)的另一端穿出圆波导(2)，所述通气装置用于向石英管(4)内通入可击穿气体；所述圆脊(3)用于压缩圆波导(2)内的电场。

2.根据权利要求1所述的微波等离子体射流装置，其特征在于：所述通气装置为旋流通气装置，所述旋流通气装置用于产生进入到石英管(4)内部的旋流气体。

3.根据权利要求2所述的微波等离子体射流装置，其特征在于：从所述旋流通气装置的出气口产生的旋流气体贴合石英管(4)的内壁旋流行至石英管(4)的另一端。

4.根据权利要求1所述的微波等离子体射流装置，其特征在于：所述圆脊(3)的截面为梯形，所述圆脊(3)上较长的底面与圆波导(2)的内壁连接；所述圆脊(3)沿圆波导(2)的轴向对称设置为两个，所述石英管(4)设置在两个所述圆脊(3)之间。

5.根据权利要求1所述的微波等离子体射流装置，其特征在于：所述矩形波导(1)为BJ26矩形波导，所述圆波导(2)为BY25圆波导；所述矩形波导(1)设置为两个，两个所述矩形波导(1)分别位于圆波导(2)的两端或者两侧；所述可击穿气体为空气或氩气。

6.根据权利要求1所述的微波等离子体射流装置，其特征在于：所述石英管(4)外部套设有冷却机构，所述冷却机构与石英管(4)相贴合，所述冷却机构为冷却管(5)，所述冷却管(5)内通入冷却水。

7.根据权利要求6所述的微波等离子体射流装置，其特征在于：所述冷却管(5)为金属管，所述冷却管(5)为螺旋管，所述冷却管(5)螺旋缠绕在石英管(4)的外壁上；或，所述冷却管(5)为直管，数根所述冷却管(5)均匀分布贴合在石英管(4)的外壁上，所述直管的长度方向与石英管(4)的长度方向一致。

8.一种微波等离子体射流方法，其特征在于：包括数个矩形波导(1)和圆波导(2)，数个所述矩形波导(1)与一个圆波导(2)之间连通设置；所述圆波导(2)内设置有圆脊(3)和石英管(4)，所述石英管(4)的一端与通气装置连接；

微波发射装置发出的微波分别从数个矩形波导(1)的口部进入，最终馈入圆波导(2)内部，在圆波导(2)内部通过圆脊(3)压缩电场，加大电场强度集中范围，通过击穿石英管(4)内部的气体形成等离子体矩，使得等离子体矩的射流高度达到300-400mm。

9.根据权利要求8所述的微波等离子体射流方法，其特征在于：在圆波导(2)的内部，石英管(4)外套设冷却机构，所述冷却机构金属制成，通过冷却机构对石英管(4)进行降温的同时，增加电场聚焦能量，扩大电场集中范围。

10.一种微波等离子体射流装置的应用，包括上述1-7任意一项权利要求所述的基于圆脊波导的微波等离子体射流装置，其特征在于：所述基于圆脊波导的微波等离子体射流装置在处理危险固废、有机污染物降解和废水废气方面的应用。

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