CN216814191U - 一种大功率微波等离子废气处理装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种大功率微波等离子废气处理装置，包括：支撑架，其上端安装有尾气燃烧室；所述尾气燃烧室的下部从上往下依次布置有尾气进气管、等离子作用腔、冷却及送风装置以及自动点火装置；微波能发生器产生的微波能经微波传输系统、功率检测模块以及自动阻抗调配模块后，在所述等离子作用腔内形成高场强；温度检测模块，安装在尾气进气管及尾气燃烧室上，用于检测整个系统的温度；控制模块，与所述自动点火装置和温度检测模块信号连接。

Description

一种大功率微波等离子废气处理装置

技术领域

本实用新型涉及微波能应用技术领域，具体是一种大功率微波等离子废气处理装置。

背景技术

近年来，环境污染问题越来越严重，尤其是大气污染越来越严峻。化学工业生产排放的废气，如半导体行业的全氟化物气体，在大气中具有强烈的红外吸收能力，CF4吸收红外的能力是CO2的5700倍，因此会加重温室效应，使全球平均温度升高，成为气候异常的主要原因；其次，煤炉燃烧产生的烟气，包含硫化物和氮氧化物，刺激人呼吸系统，损害人的身体健康，而且还会产生酸雨，破坏地球生态环境，造成光化学污染等等。

化学工业中产生的废气通常包含氮氧化物、硫化物、有机物、粉尘等污染物，若要实现达标排放，则需进行尾气处理，否则会加重温室效应，使全球平均温度升高，成为气候异常的主要原因；其次，包含硫化物和氮氧化物，刺激人呼吸系统，损害人的身体健康，而且还会产生酸雨，破坏地球生态环境，造成光化学污染等等。

传统的废气处理工艺包括脱硫、脱销、除尘等，若要对废气中的有机物进行处理，通常需要使用燃烧炉对其进行高温裂解，由于裂解温度较高，造成燃烧炉所需的能耗较大。

实用新型内容

针对上述技术问题，本实用新型公开了一种大功率微波等离子废气处理装置，可以在燃烧法的基础上通过微波等离子体进行强化燃烧，无需辅助燃料，能够产生大量高能电子以及活性离子，从相对于废气构成热平衡等离子体，这样，就会造成C- C和C- H 等化学键的断裂，从而实现与废气中F、H 和CI 等原子的置换，进而得到对大气无害的水和CO2，具有流程短、操作简便的特点，且具有较好的节能性。

为了实现上述技术目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种大功率微波等离子废气处理装置，包括：

支撑架，其上端安装有尾气燃烧室；

所述尾气燃烧室的下部从上往下依次布置有尾气进气管、等离子作用腔、冷却及送风装置以及自动点火装置；

微波能发生器产生的微波能经微波传输系统、功率检测模块以及自动阻抗调配模块后，在所述等离子作用腔内形成高场强；

温度检测模块，安装在尾气进气管及尾气燃烧室上，用于检测整个系统的温度；

控制模块，与所述自动点火装置、微波能发生器以及温度检测模块信号连接。

所述自动点火装置包括点火支架、气缸和点火探针，其中，所述点火支架上固定所述气缸，气缸的活塞杆和点火探针连接，所述气缸与所述控制模块信号连接。

所述点火探针材质为不锈钢，探针末端为锥形。

所述的冷却及送风装置包括石英玻璃管、上水冷套组合、下水冷套组合、吹气结构以及O型圈，其中，上水冷套组合和下水冷套组合均安装在所述等离子作用腔上，石英玻璃管通过O型圈固定在下水冷套组合内，并穿过等离子作用腔及上水冷套组合；

吹气结构采用螺栓安装在下水冷套组合的下部，吹气结构的介质气孔为环状均匀分布，并向等离子体炬口倾斜，使介质气体在石英玻璃中心形成旋流，螺旋上升不接触石英玻璃管内壁，将激发气体聚集到石英玻璃中心。

所述的等离子作用腔上设置有吹气口，用于对等离子作用腔内部进行开机前的清扫。

所述的尾气进气管包括尾气进气管，所述尾气进气管的管壁上设有4个进气支路，4个进气支路沿切向设置在尾气进气管上，并下倾10°；4个进气支路两两相对设置；

尾气进气管采用双头螺柱安装在所述上水冷套组合上，尾气进气管上部穿入所述尾气燃烧室，与尾气燃烧室滑动配合。

所述微波能传输系统包括三端环形器、水负载及直波导E面波导，各个部件通过法兰连接，微波能传输系统一端与微波能发生系统连接，另一端与功率检测模块连接。

所述功率检测模块包括双定向耦合器，检测入射及反射功率，功率检测模块一端与微波能传输系统连接，另一端与自动阻抗调配模块连接。

所述的自动阻抗调配模块一端与功率检测模块连接，另一端与等离子作用腔连接。

所述的尾气燃烧室包括燃烧室壳体、蓄热体、隔温层以及锥形帽，其中，燃烧室壳体内放置隔温层，隔温层内放置蓄热体，锥形筒安装在燃烧室壳体上。

有益效果：

本实用新型一种大功率微波等离子废气处理装置，通过大功率微波等离子体火炬对化学工业废气中的有机物进行强化燃烧，利用微波等离子体中大量高能电子以及活性离子，造成C- C和C- H 等化学键的断裂，进而得到对大气无害的水和CO2，实现化学工业废气无害化处理。

附图说明

图1为本实用新型大功率微波等离子废气处理装置的结构示意图；

其中，1、微波能发生器；2、微波能传输系统；3、功率检测模块；4、自动阻抗调配模块；5、支撑架；6、自动点火装置；7、冷却及送风装置；8、等离子作用腔；9、尾气进气管；10、尾气燃烧室；11、温度检测模块。

图2为本实用新型尾气燃烧室的结构示意图；

其中，10-1、锥形帽；10-2、隔温层；10-3、蓄热体；10-4、燃烧室壳体。

具体实施方式

下面结合说明书附图以及具体实施例对本实用新型的技术方案作进一步详细说明。

1.1微波等离子体作用腔的设计机理

由气体放电理论可知，要使气体被激发电离，反应区的电场必须高于该气体被激发的阈值，目前使用最多的结构之一就是利用压缩波导耦合反应器来提高等离子腔内的电场强度。因此，微波等离子体作用腔的设计至关重要，它直接决定着是否能产生可击穿气体的强电场。由于等离子体谐振腔部分是封闭的，微波不能向外辐射，因此压缩波导使得微波功率集中于压缩波导处，入射波与反射波在距离短路面约四分之一波长处电场强度最大，在此处附近开孔并插入石英玻璃管容易使气体电离形成等离子体。为增强谐振腔的电场强度并集中于压缩段，设计时将该等离子体谐振腔波导窄边压缩为1/3 长，并通过电磁场仿真软件进行优化设计。

该等离子体作用腔侧边留有吹扫气路，主要是开机前对冷凝在等离子体谐振腔中的水汽进行吹扫，起保护作用。等离子体谐振腔与水冷及进风结构、应用设备的连接法兰为刀口法兰，通过紫铜垫的压实起到密封作用，防止了微波的泄漏。

1.2冷却及送风结构的设计机理

微波等离子体的温度较高，为保证设备长时间运行，需要对等离子体炬周围的材料进行水冷。微波等离子体形成过程中，介质气体的输送结构比较关键，气流的方向也就是等离子体炬的朝向，同时为使形成的等离子体不接触石英玻璃管内壁，可以将激发气体聚集到石英玻璃中心。

在水冷及送风结构的下半部分有两个O 型密封圈，用于固定石英玻璃管，这样可以根据设备需要调整火焰的方向，设计中希望得到向下的火焰；固定石英玻璃的外围通过水冷降低O 型圈附近不锈钢材料的温度，保证设备长时间运行过程中O 型圈可以稳定固定石英玻璃。

在水冷及送风结构的上方有四个沿逆时针方向与横纵两个切线方向有一定夹角的气孔，该气孔的设计可以使介质气体在石英玻璃中心形成旋流，使电磁场更好的击穿介质气体，同时获得的等离子体不接触石英玻璃壁。

为有效利用微波能并防止能量泄漏，水冷及送风结构的开口与高度通过圆波导截止波长及微波衰减量公式计算得来，同时KF 结构的设计将微波泄漏的可能降至更低。

1.3自动点火装置结构的设计机理

点火过程中点火探针的存在有利于谐振腔内的电场强度提高，这是因为表面等离激元的存在使电磁场被局限在金属表面很小的范围内并发生增强，因此点火时点火探针在谐振腔内的位置也很关键，通过电磁场仿真软件分析结果确定探针的位置；同时点火探针的粗细也决定着点火过程的难易，较细的探针更容易获得较强的电场强度，但由于等离子体温度较高，太细的探针在点火过程中由于等离子体的高温作用容易熔融；点火时，探针在谐振腔内停留的时间也很重要，时间过短，探针附近的强场强来不及激发气体形成等离子体，时间过长，探针容易烧毁。

该装置主要由点火支架、气缸、点火探针组成。通过电磁阀控制气缸的行程，从而控制点火过程。点火探针材质为不锈钢（熔点＞1400℃），虽然导电性没有铜（熔点约1050℃）材质好，但是比铜具有更高的熔点，这样在点火过程中避免了高温熔融探针的问题；同时为了更容易激发放电，探针末端可设为锥形。

1.4 尾气燃烧装置的设计机理

尾气燃烧室由尾气进气管、燃烧室壳体10-4、蓄热体10-3、隔温层10-2、锥形帽10-1组成。尾气进气管采用310S不锈钢管制作，工作温度可达1000℃以上，尾气进气管上设有4个进气支路，支路沿切向焊接在尾气进气管上，并下倾10°、两两相对；下部支路为尾气进口，上部支路为空气进口，气体从支路快速进入尾气进气管时，气流将会沿管壁形成旋转，最后在尾气进气管内螺旋上升，增加与等离子火焰的接触时间，使尾气充分燃烧完全。当氧气量不够时，可在上部支路进行空气的补充。

燃烧室采用不锈钢管制作而成，燃烧室内放置隔温层和蓄热体，隔温层具有良好的绝热性，可有效的阻碍蓄热体的散热。蓄热体有一定的耐火性，同时能良好的吸收、存储燃烧火焰的热量。进入燃烧室的火焰，在管径突然增大时，迅速膨胀变缓，充分与蓄热面接触，发生热量的交换，使燃烧室内的烟气温度恒定，可以减小物料在热解时出气不均匀，影响焚烧效果的问题。

锥形筒采用不锈钢304卷制而成，它具有把烟气进行压缩的作用，增加烟气在燃烧室的停留时间，使气体中的可燃部分，充分燃烧，并能减少热量随气流的快速散失，同时还可以方便后续管路的对接。

设计过程中使用流体力学仿真软件进行了仿真分析，高温的等离子体结合尾气进入尾气燃烧室后形成涡流逐渐上升，与助燃的空气可以充分混合燃烧，在进入扩展区域后还产生了一些回流，可令高温气体在尾气燃烧室中停留较长的时间，使污染物分解得更加完全。

2、产品结构

本实用新型提供了一种大功率微波等离子废气处理装置，其主要部件有：

微波能发生器1、微波能传输系统2、功率检测模块3、自动阻抗调配模块4、支撑架5、自动点火装置6、冷却及送风装置7、等离子作用腔8、尾气进气管9、尾气燃烧室10以及温度检测模块11。

微波能发生器1产生的微波能经微波传输系统2、功率检测模块3、自动阻抗调配模块4后，在等离子作用腔8内形成高场强，当功率检测模块3检测到微波入射功率达到设定值后，自动点火装置6动作，在等离子作用腔8内激发来自冷却及送风装置7螺旋上升的气体，形成等离子火焰；

功率检测模块3实时检测入反射的微波功率；

自动阻抗调配模块4自动调节使反射功率尽量小，等离子火焰温度、长度增加；

进入尾气进气管9对切向进入的废气进行氧化焚烧，焚烧产生的火焰及热烟气进入尾气燃烧室10，进行热交换后排出，尾气燃烧室10可以恒定烟气的温度，使废气充分氧化；

温度检测模块11检测整个系统的温度的反馈，来改变微波的功率；

支撑架5用于尾气燃烧室10的支撑。

所述微波能发生器包括微波电源柜和微波输出柜，单套微波能发生系统产生微波能功率为0-25kW，频率为915MHz，增大微波能功率，有利于提高废气的处理量及效果。

所述微波能传输系统包括三端环形器、水负载及直波导E面波导组成，各个部件通过法兰连接。微波能传输系统一端与微波能发生系统连接，另一端与功率检测模块连接。

所述功率检测模块包括双定向耦合器，检测入射及反射功率，功率检测模块一端与微波能传输系统连接，另一端与自动阻抗调配模块连接。

所述的自动阻抗调配模块可以自动调节体系阻抗，点火前使能量最大限度的耦合到矩形谐振腔内；点火后自动调节减少微波功率的反射。自动阻抗调配模块一端与功率检测模块连接，另一端与等离子作用腔连接。

所述的自动点火装置主要由点火支架、气缸、点火探针组成。自动点火装置采用螺栓固定在等离子作用腔上，点火探针材质为不锈钢（熔点＞1400℃），可避免了高温熔融探针的问题；探针末端可设为锥形，更容易激发放电。通过电磁阀控制气缸的动作，从而实现自动点火。

所述的冷却及送风装置主要有石英玻璃管、上水冷套组合、下水冷套组合、吹气结构、O型圈等组成。上、下水冷套组合均安装在等离子作用腔上，石英玻璃管通过O型圈固定在下水冷套组合内，并穿过作用腔及上水冷套组合。吹气结构采用螺栓安装在下水冷套组合的下部，吹气结构的介质气孔为环状均匀分布，并向等离子体炬口倾斜，可使介质气体在石英玻璃中心形成旋流，螺旋上升不接触石英玻璃管内壁，可以将激发气体聚集到石英玻璃中心。等离子体的温度较高，为保证设备长时间运行，需要对等离子体炬周围的材料进行水冷。

所述的等离子作用腔设备采用压缩标准BJ-9矩形波导窄边尺寸的方式来增强电场强度，使其能量足以激发气体产生等离子体火炬，设置有吹气口，可以对作用腔内部进行开机前的清扫，防止泄漏的气体的聚集。

所述的尾气进气管采用不锈钢310S制作，可以耐温1000℃，系统上设有4个进气支路，支路沿切向焊接在尾气进气管上，并下倾10°、两两相对；尾气从下支路进入，气流将会沿管壁形成旋转，最后在尾气进气管内螺旋上升，增加与等离子火焰的接触时间，使尾气充分燃烧完全。当氧气量不够时，可在上部支路进行空气的补充。尾气进气管采用双头螺柱安装在上水冷套组合上，上部穿入尾气燃烧室，与尾气燃烧室滑动配合。

所述的尾气燃烧室主要由燃烧室、蓄热体、隔温层、锥形帽组成。燃烧室采用不锈钢管制作而成，燃烧室内放置隔温层，隔温层具有良好的绝热性，可有效的阻碍蓄热体的散热。隔温层内放置蓄热体，蓄热体有一定的耐火性，同时能良好的吸收、存储燃烧火焰的热量。进入燃烧室的火焰，在管径突然增大时，迅速膨胀变缓，充分与蓄热面接触，发生热量的交换，使燃烧室内的烟气温度恒定，可以减小物料在热解时出气不均匀，影响焚烧效果的问题。锥形筒采用不锈钢304卷制而成，安装在燃烧室壳体上，它具有把烟气进行压缩的作用，增加烟气在燃烧室的停留时间，使气体中的可燃部分，充分燃烧，还可以方便后续管路的对接。

Claims (10)

1.一种大功率微波等离子废气处理装置，其特征在于，包括：

支撑架（5），其上端安装有尾气燃烧室（10）；

所述尾气燃烧室（10）的下部从上往下依次布置有尾气进气管（9）、等离子作用腔（8）、冷却及送风装置（7）以及自动点火装置（6）；

微波能发生器（1）产生的微波能经微波能传输系统（2）、功率检测模块（3）以及自动阻抗调配模块（4）后，在所述等离子作用腔（8）内形成高场强；

温度检测模块，安装在尾气进气管（9）及尾气燃烧室（10）上，用于检测整个系统的温度；

控制模块，与所述自动点火装置（6）、微波能发生器（1）以及温度检测模块信号连接。

2.根据权利要求1所述的大功率微波等离子废气处理装置，其特征在于，所述自动点火装置包括点火支架、气缸和点火探针，其中，所述点火支架上固定所述气缸，气缸的活塞杆和点火探针连接，所述气缸与所述控制模块信号连接。

3.根据权利要求2所述的大功率微波等离子废气处理装置，其特征在于，所述点火探针材质为不锈钢，探针末端为锥形。

4.根据权利要求1所述的大功率微波等离子废气处理装置，其特征在于，所述的冷却及送风装置（7）包括石英玻璃管、上水冷套组合、下水冷套组合、吹气结构以及O型圈，其中，上水冷套组合和下水冷套组合均安装在所述等离子作用腔上，石英玻璃管通过O型圈固定在下水冷套组合内，并穿过等离子作用腔及上水冷套组合；

吹气结构采用螺栓安装在下水冷套组合的下部，吹气结构的介质气孔为环状均匀分布，并向等离子体炬口倾斜，使介质气体在石英玻璃中心形成旋流，螺旋上升不接触石英玻璃管内壁，将激发气体聚集到石英玻璃中心。

5.根据权利要求1所述的大功率微波等离子废气处理装置，其特征在于，所述的等离子作用腔（8）上设置有吹气口，用于对等离子作用腔内部进行开机前的清扫。

6.根据权利要求4所述的大功率微波等离子废气处理装置，其特征在于，所述尾气进气管的管壁上设有4个进气支路，4个进气支路沿切向设置在尾气进气管上，并下倾10°；4个进气支路两两相对设置；

尾气进气管采用双头螺柱安装在所述上水冷套组合上，尾气进气管上部穿入所述尾气燃烧室（10），与尾气燃烧室（10）滑动配合。

7.根据权利要求1所述的大功率微波等离子废气处理装置，其特征在于，所述微波能传输系统包括三端环形器、水负载及直波导E面波导，各个部件通过法兰连接，微波能传输系统一端与微波能发生系统连接，另一端与功率检测模块连接。

8.根据权利要求1所述的大功率微波等离子废气处理装置，其特征在于，所述功率检测模块包括双定向耦合器，检测入射及反射功率，功率检测模块一端与微波能传输系统连接，另一端与自动阻抗调配模块连接。

9.根据权利要求1所述的大功率微波等离子废气处理装置，其特征在于，所述的自动阻抗调配模块一端与功率检测模块连接，另一端与等离子作用腔连接。

10.根据权利要求1所述的大功率微波等离子废气处理装置，其特征在于，所述的尾气燃烧室包括燃烧室壳体、蓄热体、隔温层以及锥形帽，其中，燃烧室壳体内放置隔温层，隔温层内放置蓄热体，锥形筒安装在燃烧室壳体上。

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