[發明專利]一種基于大氣壓微波等離子體炬的氣相反應緩沖室

在審

• 申請號: 202010109956.0
• 申請日: 2020-02-23
• 公開（公告）號: CN111203164A
• 公開（公告）日: 2020-05-29
• 發明（設計）人: 李容毅;韓滌非;陳芳;趙紀軍;周思
• 申請（專利權）人: 李容毅
• 主分類號: B01J19/12
• 分類號: B01J19/12
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 李曉亮

一種基于大氣壓微波等離子體炬的氣相反應緩沖室，屬于等離子體技術及環境化學應用領域。包括氣體注入部件、緩沖室、氣壓表、排氣泵，其中緩沖室設于氣體注入部件上方，緩沖室頂部與氣壓表、排氣泵連接。氣體注入部件包括矩形波導、可移動金屬擋板、緩沖室法蘭、放電管，工作氣體通入放電管內形成渦旋氣流場，在微波電場的誘導下放電管內工作氣體產生電離形成微波等離子體放電。所述緩沖室內保持一定的工作氣壓，使等離子體炬保持穩定的放電形態。本發明能夠增大等離子體和氣體的相互作用區域內的等離子體密度和電子溫度，有助于進一步提高等離子體氣相反應的化學反應速率，同時使得通入到放電管內的氣體能夠完全充分地參與等離子體化學反應。

技術領域

本發明涉及一種基于大氣壓微波等離子體炬的氣相反應緩沖室的發明，屬于等離子體技術及環境化學應用領域。

背景技術

大氣壓微波等離子體炬產生的無電極污染等離子體的氣體溫度通常在3000～6000K的范圍內，電子密度在10¹⁴cm^-3以上，由此獲得的高活性等離子體氛圍非常適合于化學氣相反應，較高的能量密度也保證了在很大的氣體通量(100m³/h)下等離子體能夠保持穩定的放電狀態。另外，考慮到微波等離子體的能量利用率高(達到60％以上)以及在常壓下工作不需要真空系統等優點，從應用的實效性以及經濟性上來看，不僅在氣體改性方面，例如，全氟化物溫室氣體的去除、CO₂氣體轉化成合成氣、以及碳氫化合物制氫等，而且在等離子體輔助燃燒和化學氣相沉積合成先進材料等領域具有廣闊的應用前景。正如專利CN207070436U 提出的一種雙腔激勵的微波等離子體炬，公開了通過采用壓縮波導截面、單模駐波激發、渦旋氣流場控制、以及雙腔耦合協同作用產生等離子體的一種技術手段，并在實驗上已經實現了在直徑為3厘米的放電管內獲得后放電余輝延展空間超過40厘米長的穩定的大氣壓微波等離子體炬。

在科學研究和工業生產中，常利用在大氣壓微波等離子體炬產生的等離子體氛圍中的氣相反應來開展一些實際應用，例如全氟化物溫室氣體的去除、CO₂氣體轉化成合成氣、以及碳氫化合物制氫等。根據大氣壓微波等離子體炬的特點，反應前驅物的引入通常在等離子體激發區和等離子體余輝區中完成，例如，專利CN207307576U公開了一種在大氣壓微波等離子體炬余輝區中混入工業尾氣來實現降解從而減少排放的一個應用，相比較而言，反應物前驅物預混到載氣中在等離子體激發區被電離、激發和分解會更加有助于化學氣相反應的進行，這主要是因為在等離子體激發區內的活性粒子種類以及高能量的載能粒子數密度比等離子體余輝區內的更多，因此在一些氣相化學反應中前驅物質往往預先混入載氣通過微波耦合激發區放電產生等離子體而不是在等離子體余輝區中加入。與此同時，這對等離子體炬放電穩定性控制的要求大為提高，因為在大氣壓下把具有活性的前驅反應物氣體混入載氣時往往會對放電的穩定性產生很大的影響。而大氣壓微波等離子體炬是通過渦旋氣流場來穩定等離子體放電的，工作氣體在注入到放電管時會形成一個氣體絕緣層把放電管中心等離子體的高溫區和放電管壁隔離，這樣自然的就會在放電管內形成一個沒有等離子體填充的空間區域，相應地注入到放電管的混合氣體中就會有一部分經過這個區域而沒有參與等離子體氣相化學反應直接排出放電管，從而限制了反應效率的提高，例如，在應用大氣壓微波等離子體炬去除工業尾氣的降解率以及在氣體改性應用中的轉化率就是受限于氣體絕緣層的存在。我們就此提出的一種方案解決了目前面臨的這一技術難題。我們的方案就是在大氣壓微波等離子體炬的出口處附加一個反應緩沖室，使得在延伸進入反應緩沖室的放電管出口處形成一個等離子體膨脹區域并完全覆蓋放電管的出口，流出放電管的氣體在這個區域能夠和等離子體充分混合而發生物理化學反應；另外，反應緩沖室的外壁采用了具有一定壁厚的圓柱形金屬筒構成一個波導結構，使得其中激發的電磁模式的電場強度在伸入到緩沖室的放電管的軸向上得到增強，從而增加了混合區域中的電子密度以及電子溫度，大大提高化學反應的速率，以及在一些應用中與之對應的降解率或者轉化率等技術指標。雖然在很多采用等離子體技術的實際應用中都會有一個反應緩沖室，但這些公開發明中的緩沖室僅起到把進行氣相化學反應的混合氣體和外界隔離的作用而存在，并沒有體現出我們發明中所述的能夠提高反應效率的作用和應用功能。