TW202333855A - 固體電漿反應器以及固定床反應器之操作方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提出一種固體電漿反應器以及一種操作固定床反應器之方法。該反應器及該方法能夠熱解各種塑膠餾分或有機固體。此外，可在不使用化石燃料的情況下極為高效地燃燒例如石灰。

Description

固體電漿反應器以及固定床反應器之操作方法
發明領域
本發明係有關於一種固體電漿反應器，以及本發明之反應器的所選應用。本發明之固體電漿反應器所提供之技術不限於所主張之例示性應用，而是能夠為應對時代之全球性挑戰作出貢獻。這有助於經濟之去化石化以及建立物質循環。術語「去化石化」係指生產經濟中愈來愈少使用化石燃料及原料，以最終減少CO 2排放。
配合本發明，使用術語「氣體放電」；既包括輝光放電，又包括電弧。
發明背景
DE 36 31 015 A1揭露過一種產生含一氧化碳-氫氣之乾淨氣體的方法。其中，透過將約1000℃之氣態熱氧化劑吹入氣化器來在氣化器中產生原料氣體。在此氣化器中，將例如木料或煤炭與氧化劑一起轉化成溫度為約440℃之原料氣體。隨後，在另一反應器室中藉由電漿產生器為此原料氣體進一步提供能量，隨後，在多個淨化步驟中進一步淨化氣體。此方法或此設備在設備工程上較為複雜，且需要大量的熱能及電能。
US 2004/0168905 A1揭露一種電漿產生器，用於在添加含H 2氣體的情況下由NO x產生NH 3。
EP 2 597 137 B1揭露用於生物質熱解氣化之方法及裝置。在此過程中，使用兩個相連的爐具。
CN 101 468 788 A描述燃燒石灰之裝置及方法。
發明概要
本發明之目的在於提供一種能夠高效且經濟地將固體轉化為產物氣體之反應器，其中在某些應用中，除該產物氣體外還會產生非氣態的固體產物，如生石灰。
本發明用以達成上述目的之解決方案為一種反應器，包括反應器室、具有兩個電極之至少一個電漿產生器、至少一個進氣口、至少一個用於該產物流之出氣口及至少一個再循環管線，其中該至少一個電漿產生器之兩個電極佈置在該進氣口與該反應器室之間，使得穿過該進氣口流入該反應器室之氣體流過該等電極或環繞該等電極流動。
本發明之反應器能夠實現極為高效的過程轉化，在該等過程中，一或多個氣相反應或者一或多個固相反應同時進行。
藉由存在於電漿產生器之電極之間的輝光放電或非熱電弧為流入反應器室之氣體或氣體混合物供應所需的能量。本發明之電漿產生器的進氣口及電極之佈置方案使得穿過進氣口流入反應器室之氣體在電漿產生器之電極之間的中間空隙內流動。由此，氣體與在電極間進行的氣體放電接觸。該氣體放電使得至少一部分氣體進入電漿態。
至少一部分氣體作為溫度極高(電子溫度高於10000 K，離子溫度高於1000 K)的非熱電漿離開電漿產生器並且直接流入反應器室。
由於非熱電漿之溫度極高，故反應器室中之反應及轉化過程以極為可靠且迅速的方式進行。
在穿過進氣口流入反應器室之氣體流過電漿產生器(亦稱作電漿)之反應區之後，期望的產物氣體便已存在。該產物氣體之一部分可透過產物流之出氣口排出。
留在反應器室中之產物氣體部分自反應器室中之固體旁邊流過，或者在該固體為散積物的情況下流過該固體。在此過程中，氣體將熱量傳遞至固體。固體因熱輸入而分解並且產生氣態分子，該等分子與產物氣體一起穿過再循環管線回到進氣口。
(透過熱輻射及熱傳導)自溫度極高的非熱電漿至反應器容器中之固體的熱傳遞以較高的效率實施，並且可靠且快速地使得固體上升至較高的溫度。透過產物流之出氣口排出的產物氣體部分同樣透過熱輻射將熱量傳遞至反應器室中之固體。透過高溫下的高能量輸入，不同的固體皆可在本發明之反應器中可靠地分解成氣態分子。
可藉由電漿之電功率或所輸送氣體之體積流量來控制對工作氣體之比能量輸入。對再循環率進行調整，以得到產物氣體之期望濃度。
在某些應用中，例如在將石灰石轉化成生石灰時，期望的轉化需要極高的溫度。在某些情形下，高溫使得有害物質可靠地轉化成無害/無毒的化合物。在每種情況下，反應皆得到強化及加速。特別是由此拓展了本發明之反應器的可能的應用範圍。
換言之：電漿產生器所需的電能直接且幾近無損耗地傳遞至氣體。若為本發明之固體電漿反應器供應可再生電流，則反應器之操作不會引起CO 2排放。
本發明之反應器的另一優點在於，可極為快速地將其功率控制在一較大的範圍內(例如額定功率的20%至100%)，而不會對產物氣體或固體產物(如生石灰)之品質產生不利影響。由此，可在電網中可用的再生電流過量的情況下以較低的成本購入，由此改善本發明之反應器的經濟效益。此外，由此可避免用於可再生發電之設備(如光伏、風能交換器)斷開。
反應器室中之熱氣/電漿的熱能又極為高效且快速地傳遞至反應器室中之固體。不僅透過熱傳導，而且主要透過熱輻射來實施熱傳遞。藉此，固體在極高的溫度下(高於1000℃)視具體應用而近似無殘留地分解成其成分，或者轉化為某個產物(如生石灰)。
透過較高的分解溫度，固體中有問題的化合物，如有毒物質，被極為可靠地分解。固體之例如含鹵素(存在PVC中)的雜質亦不會產生問題，因為本發明之反應器中未使用任何催化劑，此外，在進一步處理產物氣體之後續過程步驟中，同樣無需任何催化劑。
雜質固體亦在該反應器中可靠地分解。基於較高的分解溫度，固體中含有的有毒/有害化合物轉化成無害的化合物。用來形成固體之化合物分解成極小的分子甚至原子，隨後，與反應器室中之氣體一起形成新的化合物。
亦即，除了高能效外，本發明之固體反應器的操作本身同樣安全，因為該固體反應器不受所輸送之固體影響，不提供任何有毒的有機副產物。
在本發明之另一有利技術方案中，該再循環管線將反應器室與進氣口連接在一起。亦即，穿過該進氣口流入該反應器之氣流的一部分事先便存在於反應器室中。可透過反應器室中之再循環氣體與輸往反應器之另一氣體之比來控制反應器室內部發生之反應。
視具體應用，與再循環氣體相比，新輸送氣體之份額可為0%至50%。回輸的氣體可穿過風扇或壓縮機在再循環管線或進氣口中運動。
為提升產物氣體之品質，根據本發明，再循環管線及/或產物氣體管線中可佈置有分離器。藉此，例如可將揮發性金屬或其他干擾性氣態組分分離出來。由此，不僅進一步提升產物氣體之品質，還能防止損傷下游設備。
此外，在許多情況下有利地，可在再循環管線中設置熱交換器，從而將再循環管線中之氣體的熱能的一部分傳遞至液態或氣態的熱載體。可在其他位置，例如本發明之反應器的下游過程中利用該等熱量。由此提高整個過程之效率。
這是可能的，原因在於電漿過程中之廢熱發生在較高的溫度水平。由此，例如可利用伴生廢熱對自產物氣體回收CO 2之吸收設備進行再生。
在本發明之反應器的某些應用中，對用於重整電漿中之氣體的高能量電子之需求如此之大，以至於所產生之廢熱超過反應器中所需。在該等情形下，可透過熱交換器將廢熱導出並且在其他位置加以利用。
亦可在再循環管線中，較佳在熱交換器下游設置一控制元件，如滑塊或流量控制閥，以對穿過再循環管線之氣體的流率進行主動控制。
一般而言，在進氣口及/或再循環管線中佈置有風扇或噴射泵，該風扇/該噴射泵將新引入該過程之氣體以及流過再循環管線之氣體吸入並且送入反應器。
為更好地控制反應器之操作，作為風扇或噴射泵中之補充或替代方案，進氣口及/或再循環管線中可設有可控的翻蓋或可控的流量閥。
為使得熱傳遞以及由此引起之固體的分解或轉化以儘可能快速且高效的方式進行，在本發明之一種較佳技術方案中，該反應器室中設有格柵或轉管。固體放置在該格柵或該轉管上，由此，反應器室中之熱氣/電漿可很好地流過或流向該固體。由此，強化了分解且使其更高效。
此外，根據本發明，產物流之出氣口佈置在電漿產生器與格柵之間。
再循環管線又如此地佈置，使得穿過反應器室流入再循環管線之氣體先自反應器室中之固體旁邊經過，以及/或者至少部分地流過固體。此點使自熱氣至固體之熱傳遞得到強化及加速，由此，固體加速分解成原子或小/短分子。該等原子或分子又透過循環進入電漿反應器之反應區。亦即，再循環氣體富含熱解產物。在反應區內將熱解產物轉化為期望的產物氣體。
若固體放置在反應器室中之格柵或轉管上，則特別有利地，再循環管線之出口與進氣口或電漿產生器佈置在格柵或轉管之不同側，使得氣體在進入再循環管線之前必須流過固體。
尤佳地，該電漿產生器包括銷狀電極及與該銷狀電極同軸佈置之環形電極。銷狀電極與環形電極之間不產生任何氣體放電。
電極之幾何形狀及其佈置方案確保穿過進氣口流入反應器室之所有氣體混合物皆穿過電漿反應器之反應區。
較佳採用直流輝光放電或直流非熱電弧。為此所需的極高的直流電壓可藉由為電漿產生器提供直流電壓之電路來實現。針對此點之專利申請由同一申請人在同一天呈交(官方文件號PCT/EP2022/053608)。藉此，透過引用將該申請之揭露內容納入本專利申請之內容。
不過，亦可在電漿產生器之電極間施加交流電壓。
與電極之供電方式無關地，在電極間產生細棒形的非熱氣體放電。為使得自棒形的氣體放電至經由環形電極之整個橫截面流入反應器室之氣體的能量傳輸最佳化，根據本發明，藉由磁體(電磁體或永久磁體)使電弧或輝光放電發生運動，從而以圓周運動環繞銷狀電極移動。由此，與氣體流過圓環之流動相結合，形成對流過環形電極之氣體的極佳能量傳輸。透過均勻的能量輸入，每次流動皆能在電漿中實現大量的化學過程轉化。
作為利用磁體之解決方案的替代或補充，亦可在電極上游設置用於流入的氣體之導引元件。該導引元件例如可構建為蜂窩狀結構，該結構用作流動整流器及防焰網(Flammsieb)。另一方面，該導引元件之通道亦可定向成流入反應器室中之氣體形成旋流。藉此，同樣可使得氣體放電發生運動。
為使得在反應器室中進行之過程能夠持續進行，在另一有利技術方案中，反應器室中設有用於將固體引入之閘門。該閘門較佳為氣密的閘門，使得在將固體送入反應器室期間，無任何氣體可透過該閘門逸出至周圍環境。
方法請求項10及之後的請求項係針對本發明之反應器的特別有利的例示性應用。 應用I ：基於電漿的塑膠熱解
本發明之在固體電漿反應器中製造合成氣體之方法包括以下方法步驟：
將有機固體氣化及/或熱解，並且用二氧化碳及/或水蒸氣重整所產生之氣體。
可將聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、酚醛樹脂、聚醯胺、聚碳酸酯、聚胺酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯酸酯、聚酯、聚氯乙烯、纖維素、木料、生物性殘餘物或上述組分之混合物用作有機固體。
在一種較佳實施方式中，將該合成氣體之一分流(二氧化碳(CO 2)及一氧化碳(CO))作為產物氣體自反應器移出。
在本發明之反應器中，首先透過非熱電漿之熱量將有機的殘餘物，如廢棄塑膠氣化。在同一反應器中以水蒸氣或CO 2重整該熱解氣體，以製成合成氣體。
該電漿為非熱電漿，且透過電漿產生器之環形電極與銷狀電極之間的直流電壓或交流電壓生成。
在此過程中，進行以下反應：
將由有機成分形成之固定床/固體氣化，或透過加熱與其他氣體成分反應。
作為固體之聚乙烯(重複單元CH 2)可能發生的反應例如為：
將生成的氣體與CO 2及/或水蒸氣混合。導引該氣體混合物穿過電漿。在此過程中，可能發生的反應為例如：
在電漿下游將生成的氣體之一小部分作為產物氣體自反應器容器(經由出氣口6)移出。大部分生成的氣體在反應器容器中循環，以將熱量傳遞至固定床/固體15。此點較佳藉由再循環管線7實施。
兩個反應在反應器容器中同時進行。即固體熱解及重整。該二過程皆為吸熱的。為此所需的能量由電漿產生器以極高的溫度水平輸送給氣體，且無明顯的傳輸損耗，因此，即使極為穩定的化合物亦能容易地熱解。
在該應用情形中，本發明之電漿反應器的優點在於：
電漿中的溫度較高，使得有機原子(如有毒物質)能夠極為可靠地分解。如此便能將大量的甚至不同的含碳起始材料幾近無殘留地熱解。
如鹵素(例如來自PVC)等雜質不會產生問題，因為未使用任何催化劑。該等雜質僅對所製成氣體之成分或氣體製備有影響。
在一個反應器容器中進行兩個過程之轉化可實現過程之間的能量交換，因此，電漿產生器僅需供應該二過程之整體平衡所需的反應焓。如此便能節省熱解、氣化或熱分解所需的額外熱能。 應用2 ：生石灰及一氧化碳之製造
在本發明之在固體電漿反應器中製造生石灰之方法中，將石灰(CaCO 3)用作固體。該方法包括以下方法步驟：
透過電漿之高溫將石灰(CaCO 3)分解成氧化鈣(CaO)及二氧化碳(CO 2)，以及， 透過電漿將二氧化碳(CO 2)分解成一氧化碳(CO)及氧氣(O 2)。
在另一有利技術方案中，可使用脫氧劑，以及/或者將所產生一氧化碳(CO)之一分流作為產物氣體自反應器移出。
在該應用中，在製造生石灰的同時避免對環境之碳排放。最後一態樣至關重要，因為傳統的生石灰製造在全球CO 2排放中占相當大的部分。目前，生石灰係由石灰製成。為此，需在高溫(超過900℃)下燃燒石灰(CaCO 3)。在此過程中，產生兩處CO 2排放：為產生所需高溫，燃燒化石燃料。此外，石灰燃燒時釋放CO 2。
在本發明之生石灰製造中不釋放CO 2，而是僅生成所需的生石灰以及一氧化碳及氧氣；至少存在對一氧化碳之需求，由此，可透過銷售一氧化碳獲得可觀的收益。
將石灰(CaCO 3)用作固體反應物。石灰透過電漿所釋放之熱量分解成氧化鈣(生石灰或水泥)及二氧化碳(CO 2)。循環之後，將二氧化碳(CO 2)分成一氧化碳(CO)及氧氣(O 2)。
反應方程式如下：
石灰之熱分解：
CO 2之分解：
氣體之大部分作為循環流進行循環，以傳輸熱量。
為提高效率，使用脫氧劑。可透過不同的過程提取氧氣，例如透過擴散膜、以電化學的方式透過吸附或透過固體離子導體來實施。
該等離子導體可視具體技術設在本發明之反應器的反應器室中或外部。為此，較佳使用陶瓷膜，其可在高溫下選擇性地導引氧離子。
在本發明之電漿反應器中無需任何化石原料來燃燒石灰。電漿以電氣方式提供熱能。將在此過程中產生的CO 2直接在反應器中分解，使得除生石灰外還產生一氧化碳(CO)作為第二產物。一氧化碳為未來的化學工業的寶貴碳源。銷售一氧化碳獲得收益，其對能源邊際成本作出貢獻。
在該過程中，未將二氧化碳(CO2)釋放至環境。此點為應對氣候變化作出重要貢獻。
在同一過程後，可以類似方式燃燒不同的金屬碳酸鹽。除一氧化碳及氧氣外還產生金屬氧化物。
可在同一反應器中或反應器外部之循環氣流中提取氣體中之氧氣。
可在高溫下或將氣體冷卻後以前述方式提取氧氣。
在一個尤佳技術變體中，直接在該反應器之反應室中而不是在獨立的空穴中製造電漿。藉此改善自氣體至固體之熱傳遞。由此，效率及轉化率提高。
本發明之其他優點與有益技術方案可從下列附圖、附圖描述及申請專利範圍中獲得。在本發明範圍內，附圖、附圖描述及申請專利範圍所揭露之全部特徵既可單獨應用，亦可任意組合應用。
實施例描述
圖1以高度簡化的方式示出本發明之電漿反應器1。該電漿反應器包括反應器容器3，該反應器容器具有進氣口5、用於產物流之出氣口6及再循環管線7。
在反應器容器3內部的反應器室12中設有電漿產生器之一部分，即銷狀電極9及環形電極11。在氣體放電中，銷狀電極9通常為構建為陰極，而環形電極11較佳構建為陽極。
所需的電路裝在圖3至圖5所示的外部殼體中。
進氣口5佈置成流入的氣體穿過環形電極11上方之(圓柱形的)空穴17並且經過銷狀電極9流向環形電極11。
空穴17中設有用於流入的氣體混合物之導引元件21，該導引元件例如可實施為開孔的陶瓷發泡體。該導引元件用作流動整流器，且防止自反應器室12至空穴17及進氣口5之熱輸入。但導引元件21亦可構建為蜂窩狀結構，該結構使得氣體形成旋流。
在銷狀電極9頂端與原本的環形電極11之間產生電弧或輝光放電，下文中稱作氣體放電13。流入的氣體透過氣體放電至少部分地轉化成非熱電漿，在此過程中達到極高的溫度(電子溫度高於10000 K，離子溫度高於1000 K)。
隨後，該電漿進入原本的反應器室12。電漿在該處透過輻射及熱傳導將熱量傳遞至反應器室12中的另一氣體成分以及反應器室12下部中的固體15，該固體大多以散積物的形式存在。
極高的電子溫度使得反應器室中之固體15極佳地、快速地完全熱解。該溫度同樣確保對固體之極佳的熱傳遞(主要透過氣體輻射)。
該固體例如可指廢棄塑膠之粒料或碎料，例如聚丙烯、聚苯乙烯、酚醛樹脂、聚醯胺、聚碳酸酯、聚胺酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯酸酯、聚酯、聚氯乙烯、纖維素或木料。
固體15連同相應的雜質或有害物質在極高的溫度下可靠地分解成其化學成分。高溫導致有毒或有害物質分解成可用的化合物。固體之分子通常裂解成揮發性分子。以該方式由固體得到的氣態初始產物與透過氣體入口流入之氣態組分在電漿反應器之反應區內化合成期望的新化合物，即產物氣體。
反應器室中之氣體的一部分經由再循環管線7被運輸至氣體入口5，由此，可控制氣體在反應器室12中之停留時間以及透過電漿13輸送至氣體之能量。
空穴17之邊界上佈置有磁體39。該等磁體可實施為永久磁體或電磁體。其產生之磁力線以虛線示出。基於該等磁力線，輝光放電13環繞銷狀電極9實施圓周運動，由此覆蓋環形電極11與銷狀電極9之間的整個圓環形面。由此，強化對流過該圓環形面之氣體的激勵。在第一種近似情況中，反應區內產生之電漿透過放電通道在銷狀電極9與環形電極11之間以50 Hz至數kHz快速旋轉而呈圓盤形，且佔據較大的體積。
圖2示出本發明之反應器之略微放大的細節。
導引元件21亦可類似觸媒轉化器具有蜂窩狀結構(未示出)。氣體透過該等相互平行且與銷狀電極9之縱軸平行延伸的通道自17流入反應器室12。導引元件21之實施方式同樣防止對空穴17之熱輸入且用作整流器。
不過，導引元件21之未示出的通道亦可佈置及成型成使得氣體形成旋流。在此情形下，氣體在流過導引元件21以及輝光放電13之後，以旋流進入反應器室3。由此，進一步改善電漿或高熱氣體在反應器室中之分佈。由此，在某些情形下可省去磁體39。
圖3、圖4及圖5示出本發明之不同配置的反應器1的簡化剖面圖。該等剖面圖中之大部分部件已描述過。因此，不再對其進行說明。
電漿產生器23之電路透過方塊41示意性地示出，該電路為電極9、11供應高壓(直流電壓或交流電壓)，以開始或保持輝光放電。如前所述，該電路之細節參閱發明人之同一天呈交德國專利與商標局之專利申請。
在圖3至圖5中，反應器室12佈置在電漿產生器23側面。電漿產生器23與反應器容器3之間設有中間件43，進氣口5及用於產物氣體之出口6連接該中間件。
在圖3及圖5所示實施例中，反應器室12中設有格柵25。固體15放在格柵25上。圖3及圖5之實施例的區別主要在於格柵25相對於中間件43之佈置方案。格柵15上堆放有固體15。再循環管線7在反應器容器3之上端處分岔。
圖4示出具有傾斜的格柵之配置方案。固體15佈置在反應器容器3之底部，且再循環管線7佈置在反應器容器3之圖4中的右端。
圖5所示實施例大體相當於圖3所示實施例。區別主要在於格柵15之位置。
圖6示出本發明之反應器1之另一實施例。該反應器被整合至用於基於CO 2作為氣態起始材料，以及聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、酚醛樹脂、聚醯胺、聚碳酸酯、聚胺酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯酸酯、聚酯、聚氯乙烯、纖維素、木料或含有該等物質中的一或多種之混合物作為固體15來產生一氧化碳CO或合成氣體之設備。
反應器容器3上設有閘門27，以便將固體15傳送至反應器容器3。該閘門27較佳為氣密的，且能夠藉由輸送裝置29將固體自儲存容器31持續地或週期性地輸送至反應器容器3。
為清楚起見，閘門27及輸送裝置29未在其他圖中示出。
在該實施例中，反應器1包括兩個電漿產生器23。該二電漿產生器23插入反應器室12之頂部。進氣口5為電漿產生器23供氣。
進氣口5中佈置有風扇33，該風扇決定透過進氣口5流入反應器室12之體積流量。
再循環管線7在風扇33上游與進氣口5連通。因此，風扇33亦吸入流過再循環管線7之氣體並將其與進氣口5中之氣體(在此即CO 2)一起輸送至反應器室12。
再循環管線7中亦可佈置有風扇或抽吸式噴射泵(未示出)。進氣口5及/或再循環管線7中亦可佈置有流量閥(未示出)。二者皆用於控制進氣口5及再循環管線7中之體積流量，進而實現更好的過程控制。
再循環管線7中佈置有第一分離器35及熱交換器37。例如可用第一分離器35將揮發性金屬、鹵素或其他非期望的物質自氣體中分離出來。藉由熱交換器37將再循環管線7中之氣體冷卻，而在此過程中得到的熱量隨後藉由熱交換器37被用於後續過程步驟的一個步驟中，例如氣體吸收劑之再生或固體反應物之乾燥。
用於產物流之出氣口6與另一分離器45連通，在該分離器中將例如鹵酸及水自產物氣體中分離出來，使得產物氣體在應用情形中僅含有CO 2及CO。隨後，將產物氣體之氣體成分CO 2與CO分離。
可將一部分CO 2輸送至進氣口5。另一部分CO 2可用於其他過程，或暫存在較深的地層中；該過程同樣被稱作碳捕獲與封存(CCS)。
圖7示出分離CO 2時，本發明之輝光放電-電漿產生器之效率及轉化。其中，使用圖2所示的電極配置。環形電極11之內直徑為22毫米。銷狀電極9之頂端(不同於圖2所示)收尾於環形電極11上沿上方約三毫米處。在該配置下便能得到圖7所示結果。
可看出，透過該電極配置及放電性質，可在實現超過40%之高效率的同時實現28%之轉化。此點可透過對電漿之均勻的能量輸入及所應用之電極配置來實現。
下面結合所選的兩種應用，即塑膠熱解及生石灰之製造，對本發明之反應器的優點進行說明。
1:電漿反應器,反應器 3:反應器容器 5:進氣口 6:用於產物氣體之出口,出氣口 7:再循環管線 9:銷狀電極,電極 11:環形電極,電極 12:反應器室 13:氣體放電,電漿,輝光放電 15:固體 17:空穴 19:環形電極11之圓柱形區段 21:導引元件 23:電漿產生器 25:格柵 27:閘門 29:螺旋輸送器,輸送裝置 31:儲存容器 33:風扇 35:第一分離器 37:熱交換器 39:磁體 41:殼體,方塊 43:中間件 45:第二分離器,分離器
其中： 圖1為本發明之反應器的簡化示意圖； 圖2為圖1中之環形電極、銷狀電極及導引元件之相關細節； 圖3、圖4及圖5為本發明之反應器的不同配置； 圖6顯示本發明之反應器整合至製造CO及CO 2之製程；以及 圖7為分離CO 2時，圖8所示配置之效率及轉化。
1:電漿反應器
3:反應器容器
5:進氣口
6:用於產物氣體之出口，出氣口
7:再循環管線
9:銷狀電極
11:環形電極
12:反應器室
13:氣體放電，電漿，輝光放電
15:固體
21:導引元件
33:風扇
39:磁體

Claims (20)

  1. 一種固體電漿反應器，包括反應器室(12)、具有兩個電極(9，11)之至少一個電漿產生器(23)、至少一個進氣口(5)、用於該產物流之出氣口(6)及再循環管線(7)，其中該至少一個電漿產生器(23)佈置在該進氣口(5)與該反應器室(12)之間，使得穿過該進氣口(5)流入該反應器室(12)之氣體或氣體混合物流過該電漿產生器。
  2. 如請求項1之固體電漿反應器，其特徵在於，該電漿產生器(23)之進氣口(5)與環形電極(11)之間佈置有空穴(17)及可選的導引元件(21)，該導引元件導引穿過該進氣口(5)流入該反應器室(12)之氣體或氣體混合物穿過電漿之反應區，隨後直接導引至該反應器室(12)中之固體上。
  3. 如請求項1或2之固體電漿反應器，其特徵在於，該再循環管線(7)流過分離器(35)及/或熱交換器(37)。
  4. 如前述請求項中任一項之固體電漿反應器，其特徵在於，該反應器室(12)中設有格柵(25)或轉管。
  5. 如前述請求項中任一項之反應器，其特徵在於，該產物流之該出氣口(6)佈置在電漿產生器與格柵或固體之間。
  6. 如前述請求項中任一項之固體電漿反應器，其特徵在於，該再循環管線(7)經佈置成穿過該反應器室(12)流入該再循環管線(7)之氣體(先)自該反應器室(12)中之固體(15)旁邊經過，以及/或者流過該固體(15)。
  7. 如前述請求項中任一項之固體電漿反應器，其特徵在於，該電漿產生器(23)包括銷狀電極(9)及環形電極(11)。
  8. 如前述請求項中任一項之固體電漿反應器，其特徵在於，該電漿產生器(23)藉由直流電壓產生非熱氣體放電(13)。
  9. 如前述請求項中任一項之固體電漿反應器，其特徵在於，該電漿產生器(23)包括永久磁體或磁線圈(39)，該等永久磁體或磁線圈使該銷狀電極(9)與該環形電極(11)之間的電弧或輝光放電(13)發生運動。
  10. 如前述請求項中任一項之固體電漿反應器，其特徵在於，該等電極(9，11)上游設有用於流入氣體之導引元件(21)，其中該導引元件(21)對穿過該進氣口(5)流入該電漿產生器(23)之氣體進行定向以及/或者使其形成旋流。
  11. 如前述請求項中任一項之固體電漿反應器，其特徵在於，該固體電漿反應器包括將固體(15)持續地或間歇地引入該反應器室(12)之閘門(27)。
  12. 一種在固體電漿反應器(1)中製造合成氣體之方法，包括該等方法步驟： 將有機固體(15)氣化及/或熱解，以及 用二氧化碳(CO 2)及/或水蒸氣(H 2O)重整所產生之該氣體。
  13. 如請求項12之方法，其特徵在於，該有機固體含有以下組分：聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、酚醛樹脂、聚醯胺、聚碳酸酯、聚胺酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯酸酯、聚酯、聚氯乙烯、纖維素、木料、生物性殘餘物，或該等組分之混合物。
  14. 如請求項12或13之方法，其特徵在於，將該合成氣體之一分流(二氧化碳(CO 2)及一氧化碳(CO))作為產物氣體自該反應器(1)移出。
  15. 一種在固體電漿反應器(1)中製造金屬氧化物(M xO y)之方法，其中將同一金屬之碳酸鹽(M x(CO 3) y)用作固體，該方法包括該等方法步驟： 透過該電漿之高溫將金屬碳酸鹽(M x(CO 3) y)分解成其氧化物(M xO y)及二氧化碳(CO 2)，以及 透過該電漿(13)將該二氧化碳(CO 2)分解成一氧化碳(CO)及氧氣(O 2)。
  16. 如請求項15之方法，特別是在固體電漿反應器(1)中製造生石灰(CaO)，其中將石灰(CaCO 3)用作固體，該方法包括該等方法步驟： 透過該電漿之高溫將石灰(CaCO 3)分解成氧化鈣(CaO)及二氧化碳(CO 2)，以及 透過該電漿(13)將二氧化碳(CO 2)分解成一氧化碳(CO)及氧氣(O 2)。
  17. 如請求項15之方法，其特徵在於，使用脫氧劑。
  18. 如請求項15至17中任一項之方法，其特徵在於，將一氧化碳(CO)之一分流作為產物氣體自該反應器(1)移出。
  19. 如前述方法請求項中任一項之方法，其特徵在於，使用如請求項1至11中任一項之反應器(1)來實施該方法。
  20. 如前述方法請求項中任一項之方法，其特徵在於，直接在該反應器(1)之反應室(12)中而不是在獨立的空穴中生成該電漿。
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