[發明專利]一種低溫等離子體裝置

有效

• 申請號: 200910013250.8
• 申請日: 2009-08-19
• 公開（公告）號: CN101998747A
• 公開（公告）日: 2011-03-30
• 發明（設計）人: 楊永進;張勁松;孫家言;孫博
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: H05H1/30
• 分類號: H05H1/30;B01J19/12
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 張志偉

技術領域

本發明涉及等離子體技術以及化工合成領域，具體為一種適合碳氫化合物高溫熱裂解以及利用碳氫化合物高溫氣體進行化工合成的低溫等離子體裝置。

背景技術

等離子體由于具有高的能量密度、含有大量高能量的電子、離子和中性粒子，在等離子體化學合成(如等離子體裂解天然氣制乙炔、等離子體裂解烴類化合物制氫氣與碳黑、等離子體裂解煤制乙炔、等離子體脂合成氣等)、有毒有害廢棄物的處理方面具有廣泛的應用前景。現有等離子體裝置普遍采用的低電壓大電流直流電弧等離子體技術，這種等離子體由于存在電能利用率低、電極燒蝕嚴重等缺點，難以充分發揮等離子體在化工合成領域的應用。目前只有美國國際專用產品公司(International?Special?Products，Inc-ISP)位于德國Marl的HUELS工廠有實際的工業應用。但是，等離子體的能量利用率只有80％，陽極壽命只有140小時。

在中國發明專利(公開號CN1613838)中披露了一種低溫等離子體裂解天然氣制乙炔裝置與工藝，在該過程中提出了利用微波復合直流低溫等離子體的激勵方法。該方案實際上只是分別將微波放電結構與常規直流等離子體放電結構機械地串聯在一起，等離子體的初始激發是通過微波等離子體結構實現，實際上微波等離子體是作為直流等離子體的引發源，微波所產生的活性等離子體進入常規直流高壓等離子體放電腔，通過常規的高壓直流電加強等離子體。該方法所存在的缺點主要是：(1)采用的微波諧振腔結構，在實際應用過程中存在調節過程復雜、設備制造要求高的缺點；(2)該方案中陰極接地而陽極懸浮的結構，由于陽極同時也是等離子體化工合成反應的腔體，所處的環境溫度比較高，在化工合成過程中一旦產生具有導電性的粉塵(如：利用等離子體進行乙炔、碳黑、煤熱解過程中，容易產生炭黑或者復合氧化物與碳黑的復合物)，這些粉塵會在高溫陽極與外殼之間的絕緣體上沉積，從而引起陽極與外殼之間的電擊穿，使裝置不能穩定運行；(3)由于微波等離子體的電離度相對比較低，而且等離子體再從微波波導同軸轉換結構中傳遞到支流高壓放電結構的過程中已經有相當一部分電離氣體被復合，所以直流高壓等離子體的初始工作電壓非常高，一旦直流等離子體的高電壓引起微波等離子體結構所產生的活性氣體的進一步擊穿，必然會產生等離子體電流的快速增長，很容易導致直流等離子體電源的損壞，這就需要在直流電源于等離子體反應腔體之間串接一個大容量的電趕來一直等離子體電流的快速增長，從而增加設備的總體造價。總之，目前等離子體的激勵方案由于存在能量利用率低、電極燒蝕嚴重或者穩定性差等原因，阻礙等離子體技術在化工合成領域的推廣使用。

發明內容

本發明的目的是針對中國發明專利(公開號CN1613838)所披露的技術方案中存在的能量利用率低、電極燒蝕嚴重或者穩定性差等問題，提出一種低溫等離子體裝置，該裝置采用新型微波復合直流等離子體放電結構，使該方案具有操作簡單、穩定性高的特點。

為了實現上述目的，本發明的技術方案是：

一種低溫等離子體裝置，該裝置為直流高壓等離子體放電結構與行波態微波波導同軸轉換結構耦合在一起，通過微波的作用使柱狀等離子體裂解成絲狀等離子體。

所述的低溫等離子體裝置，直流等離子體放電結構設有空心陽極、懸浮陰極和輔助接地電極，接地空心陽極和懸浮陰極分別充當行波態微波波導同軸轉換結構的外、內導體，直流等離子體的接地空心陽極內腔為陽極腔，陽極腔為三段直徑不同的圓管連接而成，陽極腔上段是微波饋入結構區域，陽極腔的中間段是微波同軸轉換結構區域，陽極腔的下段是等離子體反應腔體，懸浮陰極伸至陽極腔內的微波饋入腔體和微波同軸腔體，在陽極腔中間段的微波同軸腔體與下段的等離子體反應腔體相連處設置可移動輔助接地電極。

所述的低溫等離子體裝置，在直流等離子體的接地空心陽極上段的直徑方向開有兩個孔：孔I和孔II，孔I和孔II分別安裝所使用微波傳輸波導，孔I安裝微波短路活塞端的傳輸波導，孔II安裝與微波源相連的傳輸波導，在微波短路活塞端的傳輸波導內裝有微波短路活塞，與微波源相連的傳輸波導連接微波源，形成微波饋入結構。

所述的低溫等離子體裝置，在陽極腔中間段外側設有氣體通道，氣體通道通過陽極腔內壁的至少一組環狀切向氣體入口與陽極腔連通。

所述的低溫等離子體裝置，陽極腔的下段采用內層、中間層和外層由內到外依次設置的三層結構，內層采用具有耐高溫導電材料制成的耐高溫層(石墨或者導電碳化硅材料)，中間層為隔熱材料制成的隔熱層(空氣、惰性氣體、空心氧化鋁、氧化鋯或者兩者的復合物制成)，外層為普通導電材料制成。