CN116568781A - 用于处理气体的方法和反应器 - Google Patents

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Abstract

气体的等离子体加工方法包括：在用于等离子体加工的腔体内供应气体，供应具有预定频率和功率的微波以生成气体的等离子体，并借助于与腔体直接连通的波导来在气体中传播微波，从而为腔体(2)内的气体提供等离子体裂解加工操作。

Description

用于处理气体的方法和反应器
本发明涉及用于处理气体的方法、反应器和装备，该类型的气体例如适合于从生物质或废料的热破坏中裂解热解气体。
已知使用热解工艺对生物质(换言之，有机材料)进行热化学分解是借助于施加热(通常在150至1000℃的温度范围内)并且基本上没有任何氧化剂(通常为氧气)。
在实践中，当在氧气的存在下加热材料时，进行燃烧，该燃烧生成热并产生氧化的气态化合物，但是，通过在没有氧气的条件下进行相同的加热，材料经受原化学键的断裂，形成更简单的分子。
热解产物是焦炭的固体残余物、液体和气体。根据该工艺的参数，诸如例如最终温度、压力和催化剂的存在，在不同聚集状态下出口处的组分的比率可以显著变化。
存在不同类型的热解，其在工艺条件下有所不同，并且其旨在获得特定的产物。
在大规模进行的主要热解工艺中，工业裂解和废料热处理尤为突出。
将认识到，生物质气化期间生成的热解气体目前被认为是替代的能源气体，其对于用于化学合成的天然气体和作为用于生成热能的燃料在经济上是有利的。然而，必须观察到，热解气体的直接使用由于其组成中存在芳族物质而变得复杂。为此，开发有效且经济可行的热解气体的裂解工艺尤为重要。
因此，认识到需要用于处理热解气体的系统，该系统允许热解气体的裂解和焦油物质的解离，以便以经济的方式将粗气体转化为生态燃料。此外，认识到需要将焦油物质转化为气态同时保持气体能量值的转化系统。
此外，不仅热解气体而且废气通常包含焦油剂，这些焦油剂必须被破坏，从而确保废气的排放对人类和环境是安全的。
已知有用于将焦油物质从气体中去除的三种主要系统。
第一系统涉及在用溶剂洗涤气体期间的物理去除。在该系统中，残余在气体中的焦油物质的纯度标准是露点。
第二个系统是高温下的破坏。通常，焦油物质在氧气注入期间经受裂解。然而，不利地，烃的破坏也在氧气注入期间发生。
第三个系统是焦油物质的催化转化，通常在高温(从400至900℃)下已产生气体后立即使用基于镍的催化剂对粗气体进行催化转化。然而，用于产生气态燃料的热解气体的催化转化系统的现有技术的主要缺点是最终产物的高成本。
已经进行了各种尝试来解决为处理热解气体或废气提供有效的和生态的系统的问题。此外，由于需要限制处理的能量成本和操作成本并且以及减少促进增加处理气体的系统的成本和复杂性的额外部件的数量，该问题具有明显的困难。
可以注意到，在本上下文中，术语“裂解”旨在理解为意指用于解离烃化合物的化学工艺，经由该工艺通过使重烃分子断裂来获得轻烃。将认识到，烃包括例如链烷烃、环烷烃或芳香烃。
还可以注意到，术语“焦油物质”(或焦油)旨在理解为意指具有高分子质量和低氧化水平的有机化合物，诸如例如，重分子链烷烃。
用于处理气体的系统的一些实例描述于Jamróz P.et al.:“Microwave plasmaapplication in decomposition and steam reforming of model tar compounds”,FUELPROCESSING TECHNOLOGY,vol.169,第1-14页,2017年9月19日中，或Eliott RodrigoMonteiro et al.:“Tar Reforming under Microwave Plasma Torch”,ENERGY&FUELS,vol.27,no.2,第1174-1181页,2013年2月21日中，或KR20120103018或WO2016/093492中。
本发明所解决的技术问题是提供一种方法、等离子体化学反应器和包括这样的反应器的装备，其在结构上和功能上被配置为至少部分地克服参考所引用的现有技术提出的一个或多个缺点。
本发明借助于根据所附权利要求的一个或多个特征构造的方法、等离子体化学反应器和装备来解决此问题。
根据本发明的方面，此问题通过气体的等离子体加工方法来解决。优选地，所述气体包括热解气体。
可以注意到，在本上下文中，术语“等离子体”优选地旨在理解为意指电离气体，其由一组电子和离子构成，并且其通常是中性的(因此其总电荷为零)。如此，等离子体被认为是物质的第四种状态。
根据本发明气体的等离子体加工方法包括：在用于等离子体加工的腔体内供应气体，供应具有预定频率和功率的微波以生成气体的等离子体，并优选地借助于与腔体直接连通的波导来在气体中传播微波，从而为腔体内的气体提供等离子体裂解加工操作。将认识到，在一个方面，微波通过波导经由气体传播到腔体，而没有遇到任何障碍。
可以注意到，在本上下文中，术语“微波”旨在理解为意指具有优选地在1mm(300Ghz)和1mm(300MHz)之间的波长(频率)的电磁波。
还可以注意到，术语“波导”旨在理解为意指电磁波的传输装置，其优选地具有线性结构，其在线性结构的两端之间的路径内输送电磁波并且在适用的情况下将电磁波限制在线性结构内，从而允许电磁波通过线性结构的引导传播。
有利地，该气体在加工腔体内供应等离子体的生成，而没有添加旨在维持腔体内的等离子体生成的额外气体。以这种方式，技术工艺更有效，并且所需的设备被简化。
根据另一有利方面，提供了通过使用等离子体的催化特性来加速加工腔体中等离子体裂解的化学反应。以这种方式，化学反应被加速而无需额外的能量消耗。
在一个方面，还提供了用于在电磁谐振器(电磁谐振腔)内将微波和气体输送通过加工腔体。在这些条件下，电磁谐振器被配置为集中微波，从而在电磁谐振器内生成气体的等离子体。
更具体地，提供了从波导排出的气体和微波在加工管道中被接收并且优选地在电磁谐振器内被输送，以便将微波集中在电磁谐振器中，从而在电磁谐振器内生成气体的等离子体。该提供允许等离子体以快速和安全的方式达到处理气体和更具体地相关裂解所需的温度。事实上，由于电磁谐振器，可以破坏危险分子(长分子和/或芳族分子和/或有毒分子)并将它们转化为有用分子，而不会由此影响气体中已经存在的有用分子以产生合成气体。
可以注意到，优选的是，仅在气体和微波离开波导或者换言之超过波导之后，才在电磁谐振器中接收气体和微波。
因此，在一些实施方式中，相对于气体的流动的方向和微波通过波导向加工管道传播，电磁谐振器沿着加工管道布置，优选地在波导的下游。
进一步优选的是，电磁谐振器沿着加工管道与波导间隔开。
优选地，根据本发明的气体是烃的气体摻和物。将认识到，等离子体/化学方法预设了电场和磁场的综合使用，以产生试剂的热化学相互作用。
该气体可以是通过生物质或有机废料的热破坏工艺(例如，热解和/或气化工艺)供应的热解气体。热解和/或气化步骤之后，热解气体的裂解步骤在等离子体化学反应器中进行。必须观察到等离子体化学反应器中的裂解是在高温下进行的，对于等离子体的温度，该高温可能达到例如6000K。以这种方式，可以获得焦油物质和水的几乎完全分解。
必须观察到，在一个方面，本发明涉及用于用等离子体加工气体的等离子体化学反应器。有利地，等离子体化学反应器允许进行根据本发明的气体的等离子体加工方法。
在反应器中提供等离子体加工的腔体，该等离子体加工的腔体被配置为在腔体内接收气体。
还提供了电磁波源，其被配置为供应具有预定频率和功率的微波以在腔体内生成气体的等离子体。
在一个方面，使用具有操作频率在300MHz和4GHz之间的电磁能量源来产生和维持由微波引起的等离子体，优选地没有任何电极，从而限制气体的污染。优选地，电磁波源的操作频率在915MHz和2.45GHz之间。甚至更优选地，操作频率基本上包括915MHz和/或2.45GHz。
有利地，该源具有宽范围的操作功率水平(从几瓦到大约一千千瓦)，在例如1×10-2Pa至105Pa可变化的压力下保持低于热炬所需的高功率。
根据另一个有利方面，反应器包括与加工腔体直接连通的波导。波导被配置为接收来自电磁波源的微波并通过气体在腔体中以引导的方式传播微波，从而为腔体内的气体有利地提供等离子体裂解加工操作。
必须观察到，在一个方面，对于加工腔体和波导的内部体积不具有间断性。换言之，优选去除波导和加工腔体之间的任何物理分离元件，使得波导与加工腔体流体连通。以这种方式，微波可以直接击打气体，促进达到适合处加工气体的等离子体的温度。
在优选的实例中，波导在用于发射微波的主方向上开展，以下也称为第一轴线，并且对于该主方向的截面优选地保持恒定。有利地，截面的面积和/或型式保持恒定。根据另一方面，等离子体加工的腔体包括入口管道和优选地加工管道，入口管道被配置为向波导输送气体，加工管道被配置为从波导接收气体和微波，从而为加工管道内的气体提供等离子体裂解加工操作。
有利地，波导允许经由波导壁上的“反射”来限制电磁场。将认识到，波导可以包括中空线性结构，该中空线性结构具有例如矩形截面。必须观察到，在没有波导的物理约束下，波幅根据平方反比定律减小同时它们在三维空间中扩展。在本上下文中，波导是引导微波的结构，具有最小的能量损失，限制了优选在单个方向上的能量传输。
在一方面，还提供了沿着等离子体加工管道的电磁谐振器。将认识到，电磁谐振器被配置为沿着加工管道接收气体和微波并将微波集中在电磁谐振器内，以生成通过电磁谐振器的气体的等离子体。
在一些实施方式中，电磁谐振器呈加工管道加宽的形式，并且更具体地，呈沿着加工管道的纵向范围径向扩展的形式。这种形式允许被气体吸收的微波的能量最大化。
电磁谐振器的尺寸，例如，其沿着加工管道的直径或纵向范围，可以根据工艺参数(诸如气体的浓度、量和压力，微波的频率和功率等)来确定。
一旦确定，电磁谐振器的尺寸优选地是固定的和不可变的。因此，在一些实施方式中，不可能经由可移动装置诸如可移动活塞来改变电磁谐振器的尺寸。
在优选实施方式中，波导和/或加工腔体和/或加工管道和/或电磁谐振器由金属优选不锈钢制成。
以这种方式，本发明提供了用于裂解气体的等离子体加工系统。申请人进行的研究结果表明，该等离子体系统允许气体被处理，显著降低了焦油物质解离的能量成本和操作成本。
必须观察到，本发明确保了气体的强电离，这是由于有效的微波连接，其允许在等离子体的中心达到高温，以及而且，没有加热整个体积的气体，不像在加热期间借助于电阻器发生的那样，因此在能量方面对于由微波诱导的等离子体是不利的。与借助于通常用于加热与热表面接触的气体的电阻器的加热不同，微波等离子体反应器中的加热取决于位于等离子体内并导致等离子体电离的电磁场的分布。在这些条件下，微波等离子体中的温度可以达到2000至6000K。
在一个方面，本发明涉及一种用于生物质的热解和/或气化的装备，包括热解器和/或气化器，其被配置为供应由生物质的热解或气化以及等离子体化学反应器生成的热解气体。在该装备中，反应器被配置为接收热解气体并为热解气体提供等离子体裂解加工操作。以这种方式，该装备有利地允许将粗气体经济地转化为生态燃料。
将认识到，使用微波等离子体技术处理热解气体允许消除焦油物质并获得简单的烃化合物，而没有生成额外的废物，并同时尊重环境。此外，裂解产生的氢气可以被认为是工业的其他有价值的产物。
此外，焦油物质的等离子体化学裂解可以进一步增加气体的能量值，并防止管的堵塞和腐蚀。此外，焦油物质的等离子体化学裂解防止了对技术设备元件的损坏。
将认识到，在一些实施方式中，气体包括废气，诸如例如内燃机的废气。在本上下文中，本发明可用于破坏废气中的焦油剂。因此，本发明提供了利用微波处理配备有内燃机诸如例如柴油发动机的工业装备和/或机动车辆的废气的方法和等离子体裂解反应器。
本发明的特征和优点将从以下详细描述的其优选的非限制性实施方式中得到更好的理解，其参考附图以非限制性实例的方式进行说明，其中：
-图1是根据本发明的等离子体化学反应器的透视图；
-图2和图3分别是图1的反应器的前视图和侧视图；
-图4是图3的反应器的沿着线IV-IV的透视截面图；
-图5是根据本发明的反应器的连接示图；
-图6是根据本发明的装备的示图；
-图7和图8分别是根据数值模拟的图1的反应器内电场(V/m)标准分布模型的前视图和透视图；
-图9图示了根据数值模拟的图1的反应器内等离子体的温度分布剖面(K)；
-图10图示了根据数值模拟，等离子体的温度(℃)沿着图1的反应器的轴线根据反应器自身的功率(kW)而变化。
在图中，通常分别用1和100表示用于处理气体的等离子体的化学反应器和包括反应器1的用于生物质热解和/或气化的装备。
将认识到，优选地，气体是气体摻和物，以及甚至更优选地，包括热解气体。有利地，气体的等离子体加工包括气体的裂解处理。
反应器1包括用于等离子体加工的腔体2，该腔体被配置为在腔体2内接收气体。将认识到，腔体2优选地被限制在适合于承受高温诸如等离子体炬的温度的管内。
还提供了电磁波源(未示出)，其被配置为供应具有预定频率和功率的微波以在腔体2内生成气体的等离子体。将认识到，相对于其他类型的等离子体，诸如例如，在射频等离子体(RF)或直流等离子体(DC)中，微波等离子体中的电子密度更高。
必须观察到，电磁波的源可以包括电源、磁控管和优选的环行器，以保护磁控管免受反射功率的影响。
在反应器1中还设置有直接与腔体2连通的波导6。换言之，由波导6限定的内部体积有利地与由腔体2限定的内部体积连通，优选地没有任何物理分离元件。波导6被配置为接收来自电磁波源的微波并通过气体在腔体2中以引导的方式传播微波，从而为腔体2内的气体提供等离子体裂解处理。
在一个方面，如图4所示出的，相对于腔体2和波导6的内部体积不具有任何间断性。以这种方式，可以在两个体积之间生成共同的交叉区，在该交叉区中气体被微波直接击打。
根据另一有利的方面，腔体2具有入口管道3和加工管道4，该入口管道被配置为向波导6输送气体，该加工管道被配置为从波导6接收气体和微波，以便为加工管道4内的气体提供等离子体裂解处理。
在优选的实施方式中，波导6具有中空线性结构，其沿着第一轴线X从第一端部5进(in)向第二端部50延伸。在一个方面，第一端部5进指向电磁波源。有利地，第一端部5进用对由源发射的电磁波透明的材料封闭，以便接收由源发射的电磁波。根据另一有利的方面，第一端部5进用玻璃和/或石英封闭。
优选地，电磁波源位于波导6的第一端部5进处或与波导6的第一端部5进相邻。然而，将第二端部50指向源的相对侧。优选地，第二端部50是封闭的，并且对波导6内传播的电磁波是不透明的。
将认识到，优选地，入口管道3在第一部分36处接合在波导6中并通过第一部分36与波导6直接连通，如图4所示出的。类似地，加工管道4在第二部分46处接合在波导6中并通过第二部分46与波导6直接连通。
在本上下文中，根据反应器内电场的数值模拟，波导6被配置为从源向腔体2输送微波，优选地通过第一部分36和/或第二部分46，如图7和图8所示。腔体2进而被配置为接收来自波导6的微波并通过腔体2内的气体输送微波。
必须观察到，在一个方面，微波通过气体由波导6传播到腔体2，而没有遇到任何障碍。
有利地，微波在波导6和腔体2内传输，使得能量被传输到供应等离子体的气体的电子。
在这些条件下，电磁场加速电子。在与重粒子的碰撞期间，电子的运动能量被转化为热量。如果碰撞足够频繁，电子速度的分布实际上是各向同性，并且可以使用电子速度的麦克斯韦(Maxwell)分布函数来计算激发和电离工艺的特性，而不考虑方向速度(质量通量的速度)。
根据另一有利的方面，入口管道3在波导6的相对侧包括入口开口3进。类似地，加工管道4在波导6的相对侧包括出口开口4出(out)。
在本上下文中，腔体2被配置为生成通过加工管道4的等离子体射流，换言之等离子体炬。必须观察到等离子体直接在气体(例如，热解气体)中生成，因此，气体分子经受电离。有利地，除了用于生成或维持等离子体的气体(例如，热解气体)之外，不提供供应额外的气体(例如氩气)。该气体供应系统允许提高工艺的效率。
在优选的实施方式中，波导6的中空线性结构具有矩形截面。将认识到，波导6的尺寸和电磁波的操作频率被选择为使得电磁波在波导6内以基本模式(换言之，以最低临界频率的模式)传播，该基本模式优选地对应于横向电模式TE1.0。
在一个方面，腔体2和/或入口管道3和/或加工管道4具有沿着第二轴线Y展开的中空线性结构。将认识到，第一轴线X和第二轴线Y相对于彼此是横向的。优选地，第一轴线X和第二轴线Y彼此垂直。在一个方面，腔体2和/或入口管道3和/或加工管道4的中空线性结构具有圆形截面。
如图2所示，波导6的线性结构可以沿着第一轴线X延伸第一长度L1，并且沿着第二轴线Y延伸第二长度L2。此外，如图3所示，波导6的截面可以以相对于由第一轴线X和第二轴先Y限定的平面以垂直方向延伸第三长度L3。将认识到，第一长度、第二长度和第三长度L1、L2、L3取决于参数，诸如例如反应器中气体的流速和压力。在一些实施方式中，作为非限制性实例，第一长度L1(例如，780mm)是第二长度L2的三倍至十倍，优选地是第二长度L2(例如，124mm)的六倍至七倍，第二长度又可以是第三长度L3的三分之一至三分之二，以及优选地基本上是第三长度L3(例如，248mm)的一半。
必须观察到，有利地，腔体2的入口管道3和加工管道4在波导6的内部体积中直接打开，而不会中断波导6的内部体积与入口管道3以及加工管道4之间的连续性。
在一个方面，反应器1包括沿着加工管道4的电磁谐振器7。电磁谐振器7被配置为沿着加工管道4接收气体和微波并将微波集中在电磁谐振器7内，从而生成通过电磁谐振器7的气体的等离子体。
根据另一有利的方面，电磁谐振器7具有沿着加工管道4的第二轴线Y展开的中空圆柱形结构。优选地，中空圆柱形结构具有的截面大于加工管道4的截面。
在优选的实例中，可以限定加工管道4的第一直径D1和电磁谐振器7的第二直径D2。优选地，第二直径D2大于第一直径D1，并且在一些实施方式中，可以是第一直径D1的两倍。
更一般地，根据本发明的方面，谐振器7呈加工管道4和/或腔体2加宽的形式。
在一些实施方式中，电磁谐振器7沿着加工管道4与波导6间隔开第一距离W1，该第一距离优选地大于第一直径D1。第一距离W1例如在第一直径D1的两倍至十倍之间，并且在优选的实例中在第一直径D1的四倍至七倍之间。
仍然在一些实施方式中，电磁谐振器7沿着加工管道4的纵向范围延伸第二距离W2，该第二距离优选地小于第一距离W1。例如，第一距离W1是第二距离W2的两倍至十倍之间，在优选的实例中，它是第二距离W2的四倍至八倍之间。
进一步优选的是，第二距离W2小于或近似等于谐振器的第二直径D2。
以这种方式，当通过加工管道4从波导6排出的微波接近电磁谐振器7时，其浓度越来越大，导致电磁谐振器7中心处的等离子体的温度局部升高，如根据申请人进行的数值模拟的图9中的温度分布剖面所示。
必须观察到，在电磁谐振器7的区域中，等离子体达到最高温度，这使得等离子体加工和裂解可以经由反应器1进行。以这种方式，可以破坏危险分子(长分子和/或芳族分子和/或有毒分子)并将它们转化为有用分子，而没有进一步影响气体中已经存在的有用分子从而产生合成气体。
有利地，谐振器7的中空圆柱形结构具有根据工艺参数(诸如例如，气体的浓度、气体的量和压力、微波的频率和功率等)而变化的可调节直径。
必须观察到，当气体被直接供应到等离子体炬时，所有气体都通过解离化学反应所需的高温区域，而气体的温度没有显著升高。这允许减少用于处理气体的能量消耗，同时保持其效率。
在反应器1的操作期间，气体掺和物以给定的体积流量(例如，0.05m3/s)从入口管道3的入口开口3进来引入反应器，并从加工管道4的出口开口4出排出反应器。在一个方面，入口管道3中的气体入流具有高温(例如，700至900℃)。
将认识到，当气体从入口开口3进流向出口开口4出、还通过第一部分36和第二部分46流过腔体2时，气体的速度增加。速度的增加是由于温度随着更接近谐振器7而进一步增加这一事实。
如图9的实例中的温度分布剖面所示，等离子体的温度从腔体2的壁向腔体2的第二轴线Y径向增加。此外，当电磁波接近谐振器7时，温度更高，如图10的实例所示，等离子体中心处的温度(℃)沿着加工管道4的轴线从入口开口3进向谐振器7逐渐升高。因此，由于电磁波的累积，在谐振器7的中心处和出口开口4出附近达到最高温度。
将认识到，最高温度还取决于反应器的操作功率P，例如，如图10所示，反应器的四个功率水平等于75kW、100kW、150kW或175kW。在一个方面，反应器1的操作功率P可以变化，例如，在3kW至175kW之间。等离子体中心处的最高温度(例如，在2000至6000℃之间或优选地在2500至400℃之间)允许引入反应器1的气体的热裂解和等离子体裂解。
必须观察到，有利地，由微波引起的等离子体不需要固定的压力，并且在不同的压力范围下也是稳定的。根据另一有利的方面，气体的裂解可以在低压(例如，10至80毫巴)下或大气压下进行。将认识到，压力还取决于向反应器供应的气体的量。此外，在气相中裂解期间压力的增加有利地减少了蒸气、原料和裂解产物的体积，并且这允许增加装备的生产率或增加原料在反应区中的时间长度。同时，压力显著影响裂解产物的组成，因为压力增加了二次反应(诸如不饱和烃的聚合和氢化、芳香烃的缩合等)的速率，减少了气体的产生。
在一个方面，旨于引入反应器1的气体摻和物包括一种或多种组分。在本上下文中，加热气体所有组分的能量消耗以kJ优选地使用以下公式计算：
QiH＝ViciΔti
其中Vi是气体各组分以m3的体积；Ci为1000℃温度下各组分以kJ/(m3×C)的热容量；以及Δti是气体温度以摄氏度(或开尔文)的增加。
此外，焦油物质解离的能量消耗以kJ优选地使用以下公式计算：
其中(-ΔHi)是物质解离的能量消耗，其等于物质本身的比生成焓，用相反的符号表示。
有利地是，可以使用等离子体的催化特性来获得能量消耗的额外降低。事实上，将认识到对于相同的温度，等离子体中的化学反应比其他方式发生得更快。因此，可以降低温度以获得相同的化学反应，同时降低能量消耗。
申请人获得的实验结果表明，在出口处100℃的气体处理温度下，可以获得气体中基本100％的焦油物质转化率。
在一个方面，本发明涉及用于生物质热解和/或气化的装备100，如图6所示。将认识到，装备100包括热解器和/或气化器13以及反应器1，该热解器和/或气化器被配置为供应由生物质的热解和/或气化生成的热解气体，该反应器可以根据图5的示图连接。在本上下文中，反应器1被配置为接收由生物质的热解和/或气化生成的热解气体并为热解气体提供等离子体裂解加工操作。将认识到，反应器1以微波等离子体过滤器的方式运行，该微波等离子体过滤器被配置为从热解气体中去除焦油物质。焦油物质的有效转化是通过等离子体中的高峰值温度和通过由等离子体生成的高湍流二者来促进的。
装备的操作最初提供了生物质的热化学降解或分解步骤，而没有任何氧气或部分存在氧气。降解步骤包括生物质的热解和/或气化。该步骤生成热解气体。然后，提供了用于裂解热解气体的等离子体加工步骤。等离子体加工的步骤提供了：在等离子体加工的腔体2内供应热解气体，供应具有预定频率和功率的微波以生成热解气体的等离子体，并借助于波导6在热解气体中传播微波，以便通过使重链烷烃分子断裂来在腔体2内提供热解气体的等离子体裂解处理。
在优选的实施方式中，装备100包括热解气体分配器12，其通过提供热解气体来供应反应器1的入口管道3。优选地，分配器12包括热解器或气化器13和旋风分离器14。将认识到，热解器或气化器13被配置为供应旋风分离器14，该旋风分离器又被配置为供应热解气体至反应器1。
在一个方面，热解气体分配器12借助于接合在入口管道3中的供应管16可操作地连接到反应器1。
有利地，在装备100中设置有流量计8，该流量计被配置为测量向反应器1引入的气体流量的流速。在一方面，流量计8被布置在供应管16的区域中。
优选地提供了排放装置15，其被配置为接收从反应器1排放的气体。在一个方面，排放装置15包括冷却装置，该冷却装置被配置为冷却从反应器1排放的气体。将认识到，排放装置15借助于排放管17可操作地连接到反应器1，该排放管可操作地连接到加工管道4的出口开口4出。
将认识到，反应器1可以通过对预先存在的装备提供最小修改而安设在预先存在的裂解装备中，如图6的实例所示。有利地，反应器1可以安装在装备的预先存在的裂解室18的上游。裂解室18不再用于等离子体加工，可以用于提供排放管17从反应器1向排放装置15通过裂解室18的通道。
根据另一有利的方面，提供了温度传感器9，该温度传感器被配置为测量从反应器1排放的气体的温度。在一方面，温度传感器9被布置在排放管17的区域中。
优选地，装备100还包括至少一个截止阀10，该截止阀被配置为调节或拦截向反应器1引入的气体流。将认识到，截止阀10有利地布置在供应管16的区域中，优选地在流量计8的上游。
有利地，还提供了至少一个收集阀11，该收集阀被配置为收集被引入反应器1或从反应器1排放的一部分气体。在一些优选的实施方式中，提供了收集阀11和额外的收集阀11’，该收集阀被配置为在供应管16区域(优选地在流量计8的下游)中收集一部分气体，该额外的收集阀被配置为在排放管17区域(优选地在温度传感器9的下游)中收集一部分气体。以这种方式，可以在等离子体裂解加工操作之前和之后对热解气体进行采样，从而允许快速修改等离子体炬的参数(能量消耗、流量、气体组成等)，从而使系统动态地适应气体等离子体加工的要求。
在一个方面，所提出的技术另外用于木材废物的处理。事实上，必须观察到，木材废物的热解生成大量焦油物质(粉状碳)，而有毒气体裂解后产生的热解气体可以用于能源目的，而无需对焦油物质进行任何额外的净化。
如果木材包含40％至60％之间的足够湿度水平，其表面处理从热解(碳化)和挥发性化合物的生成物释放开始。在经受等离子体裂解的状态下，热解气体中所含有的化合物通过等离子体放电体积中的转化反应而分解。这些化合物产生大量的氢气摻和物，而木材的组分在有机化合物(酸、碳水化合物、酚等)的水性溶液中和在油性可燃液体中分层。含油液体的热含量达到24×103kJ/kg，其显著超过了木材的燃烧热(14×103kJ/kg)。将认识到，如果处理过程进一步继续，这些组分很容易转变成气态，随后转化并产生几乎纯的一氧化碳和氢气。
由此，本发明解决了所提出的问题，实现了许多优点，包括：
·由于高比功率的紧凑性和低重量，
·高效率的热解等离子体转化，
·成本最低，
·快速响应时间为几分之一秒的级别，
·与多种燃料包括重烃或粗烃以及具有高含量硫的“脏”烃的兼容性，
·以不同的压力范围和稳定的方式生成等离子体，
·在基本上100％的气体上具有高质量的裂解，
·裂解粉状碳，从而消除了对粉状碳的任何过滤器的需要。

Claims (33)

1.一种用于气体的等离子体加工方法，包括：
·在用于等离子体加工的腔体(2)内供应气体，
·供应具有预定频率和功率的微波以生成所述气体的等离子体，
·借助于与所述腔体(2)直接连通的波导(6)在所述气体中传播所述微波，从而为所述腔体(2)内的气体提供等离子体裂解加工操作，对于所述腔体(2)和所述波导(6)的内部体积不具有任何间断性，
·在所述腔体(2)的加工管道(4)中接收来自所述波导(6)的气体和微波，
·在沿着所述加工管道(4)布置的电磁谐振器(7)内输送所述气体和所述微波，所述电磁谐振器(7)呈所述加工管道(4)加宽的形式，以及
·集中所述微波，以在所述电磁谐振器(7)内生成所述气体的等离子体。
2.根据权利要求1所述的方法，包括仅在所述气体和所述微波已经从所述波导(6)排放之后才在所述电磁谐振器(7)中接收所述气体和所述微波。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，相对于所述气体的流动的方向和所述微波通过所述波导(6)向所述加工管道(4)传播方向，所述电磁谐振器(7)沿着所述加工管道(4)布置在所述波导(6)的下游。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，沿着所述加工管道(4)的所述电磁谐振器(7)与所述波导(6)间隔开第一距离(W1)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述微波通过所述气体从所述波导(6)传播到所述腔体(2)，而没有遇到任何障碍。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述腔体(2)内的等离子体的生成是由所述气体供给的，没有添加被引入到所述腔体(2)中以维持所述腔体(2)内等离子体生成的任何额外的气体。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述气体包括热解气体。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述等离子体裂解包括将所述等离子体加热到2500℃至4000℃之间的温度。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述等离子体裂解在大气压下进行。
10.一种等离子体化学反应器(1)，用于进行根据前述权利要求中任一项所述的用于气体的等离子体加工方法，所述等离子体化学反应器包括
·等离子体加工的腔体(2)，所述腔体被配置为在所述腔体(2)内接收所述气体，
·电磁波源，所述电磁波源被配置为供应具有预定频率和功率的微波以在所述腔体(2)内生成所述气体的等离子体，
·波导(6)，所述波导直接与所述腔体(2)连通，对于所述腔体(2)和所述波导(6)的内部体积不具有间断性，所述波导(6)被配置为接收来自所述电磁波源的所述微波并通过所述气体在所述腔体(2)中以引导的方式传播所述微波，从而为所述腔体(2)内的气体提供等离子体裂解加工操作，所述腔体(2)包括入口管道(3)和加工管道(4)，所述入口管道被配置为向所述波导(6)输送所述气体，所述加工管道配置为接收来自所述波导(6)的所述气体和所述微波，从而为所述加工管道(4)内的气体提供所述等离子体裂解加工操作，以及
·电磁谐振器(7)，所述电磁谐振器沿着所述加工管道(4)布置，所述电磁谐振器(7)被配置为沿着所述加工管道(4)接收所述气体和所述微波并将所述微波集中在所述电磁谐振器(7)内，以生成通过所述电磁谐振器(7)的气体的等离子体，所述电磁谐振器(7)呈所述加工管道(4)加宽的形式。
11.根据权利要求10所述的反应器(1)，其中，相对于所述气体的流动的方向和所述微波通过所述波导(6)向所述加工管道(4)的传播方向，所述电磁谐振器(7)沿着所述加工管道(4)布置在所述波导(6)的下游。
12.根据权利要求10或11所述的反应器(1)，其中，沿着所述加工管道(4)的所述电磁谐振器(7)与所述波导(6)间隔开第一距离(W1)。
13.根据权利要求12所述的反应器(1)，其中，所述加工管道(4)具有第一直径(D1)，所述第一距离(W1)大于所述第一直径(D1)。
14.根据权利要求13所述的反应器(1)，其中，所述第一距离(W1)是所述第一直径(D1)的两倍至十倍之间。
15.根据权利要求13所述的反应器(1)，其中，所述第一距离(W1)是所述第一直径(D1)的四倍至七倍之间。
16.根据权利要求12至15中任一项所述的反应器(1)，其中，所述电磁谐振器(7)沿着所述加工管道(4)的纵向范围延伸第二距离(W2)，所述第二距离小于所述第一距离(W1)。
17.根据权利要求16所述的反应器(1)，其中，所述第一距离(W1)是所述第二距离(W2)的两倍至十倍之间。
18.根据权利要求16所述的反应器(1)，其中，所述第一距离(W1)是所述第二距离(W2)的四倍至八倍之间。
19.根据权利要求10至18中任一项所述的反应器(1)，其中，所述波导(6)具有沿着第一轴线(X)延伸的中空线性结构。
20.根据权利要求19所述的反应器(1)，所述波导(6)的中空线性结构具有矩形截面。
21.根据权利要求10至20中任一项所述的反应器(1)，其中，所述腔体(2)和/或所述入口管道(3)和/或所述加工管道(4)具有沿着第二轴线(Y)延伸的中空线性结构。
22.根据当从属于权利要求19或20时的权利要求21所述的反应器(1)，其中，所述第二轴线(Y)垂直于所述第一轴线(X)。
23.根据权利要求21或22所述的反应器(1)，所述腔体(2)和/或所述入口管道(3)和/或所述加工管道(4)的中空线性结构具有圆形截面。
24.根据权利要求22所述的反应器(1)，其中，所述波导(6)的线性结构沿着所述第一轴线(X)延伸第一长度(L1)，并且沿着所述第二轴线(Y)延伸第二长度(L2)，所述第一长度(L1)是所述第二长度(L2)的三倍至十倍。
25.根据权利要求24所述的反应器(1)，其中，所述第一长度(L1)是所述第二长度(L2)的六倍至七倍。
26.根据权利要求24或25所述的反应器(1)，其中，所述波导(6)的截面以垂直于由所述第一轴线(X)和所述第二轴线(Y)限定的平面的方向延伸第三长度(L3)，所述第二长度(L2)是所述第三长度(L3)的三分之一至三分之二。
27.根据权利要求26所述的反应器(1)，其中，所述第二长度(L2)基本上是所述第三长度(L3)的一半。
28.根据权利要求10至27中任一项所述的反应器(1)，其中，所述电磁谐振器(7)具有沿着所述加工管道(4)的所述第二轴线(Y)延伸的中空圆柱形结构，所述中空圆柱形结构具有的截面大于所述加工管道(4)的截面。
29.根据权利要求28所述的反应器(1)，其中，所述加工管道(4)具有第一直径(D1)，所述电磁谐振器(7)具有的第二直径(D2)大于所述第一直径(D1)。
30.根据权利要求29所述的反应器(1)，其中，所述第二直径(D2)小于所述第一直径(D1)的两倍。
31.根据权利要求28至30中任一项所述的反应器(1)，其中，所述电磁谐振器(7)具有第二直径(D2)，并且沿着所述加工管道(4)的纵向范围延伸第二距离(W2)，所述第二距离小于或近似等于所述第二直径(D2)。
32.根据权利要求10至31中任一项所述的反应器(1)，其中，所述电磁谐振器(7)不具有移动部件。
33.用于生物质的热解和/或气化的装备(100)，包括热解器和/或气化器(13)，所述热解器和/或气化器被配置为供应由所述生物质的热解和/或气化生成的热解气体，并且还包括根据权利要求10至32中任一项所述的反应器(1)，所述反应器(1)被配置为接收所述热解气体并为所述热解气体提供等离子体裂解加工操作。
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