CN111203164A - 一种基于大气压微波等离子体炬的气相反应缓冲室 - Google Patents
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Abstract
一种基于大气压微波等离子体炬的气相反应缓冲室，属于等离子体技术及环境化学应用领域。包括气体注入部件、缓冲室、气压表、排气泵，其中缓冲室设于气体注入部件上方，缓冲室顶部与气压表、排气泵连接。气体注入部件包括矩形波导、可移动金属挡板、缓冲室法兰、放电管，工作气体通入放电管内形成涡旋气流场，在微波电场的诱导下放电管内工作气体产生电离形成微波等离子体放电。所述缓冲室内保持一定的工作气压，使等离子体炬保持稳定的放电形态。本发明能够增大等离子体和气体的相互作用区域内的等离子体密度和电子温度，有助于进一步提高等离子体气相反应的化学反应速率，同时使得通入到放电管内的气体能够完全充分地参与等离子体化学反应。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于大气压微波等离子体炬的气相反应缓冲室的发明，属于等离子体技术及环境化学应用领域。
背景技术
大气压微波等离子体炬产生的无电极污染等离子体的气体温度通常在3000～6000K的范围内，电子密度在1014cm-3以上，由此获得的高活性等离子体氛围非常适合于化学气相反应，较高的能量密度也保证了在很大的气体通量(>100m3/h)下等离子体能够保持稳定的放电状态。另外，考虑到微波等离子体的能量利用率高(达到60％以上)以及在常压下工作不需要真空***等优点，从应用的实效性以及经济性上来看，不仅在气体改性方面，例如，全氟化物温室气体的去除、CO2气体转化成合成气、以及碳氢化合物制氢等，而且在等离子体辅助燃烧和化学气相沉积合成先进材料等领域具有广阔的应用前景。正如专利CN207070436U 提出的一种双腔激励的微波等离子体炬，公开了通过采用压缩波导截面、单模驻波激发、涡旋气流场控制、以及双腔耦合协同作用产生等离子体的一种技术手段，并在实验上已经实现了在直径为3厘米的放电管内获得后放电余辉延展空间超过40厘米长的稳定的大气压微波等离子体炬。
在科学研究和工业生产中，常利用在大气压微波等离子体炬产生的等离子体氛围中的气相反应来开展一些实际应用，例如全氟化物温室气体的去除、CO2气体转化成合成气、以及碳氢化合物制氢等。根据大气压微波等离子体炬的特点，反应前驱物的引入通常在等离子体激发区和等离子体余辉区中完成，例如，专利CN207307576U公开了一种在大气压微波等离子体炬余辉区中混入工业尾气来实现降解从而减少排放的一个应用，相比较而言，反应物前驱物预混到载气中在等离子体激发区被电离、激发和分解会更加有助于化学气相反应的进行，这主要是因为在等离子体激发区内的活性粒子种类以及高能量的载能粒子数密度比等离子体余辉区内的更多，因此在一些气相化学反应中前驱物质往往预先混入载气通过微波耦合激发区放电产生等离子体而不是在等离子体余辉区中加入。与此同时，这对等离子体炬放电稳定性控制的要求大为提高，因为在大气压下把具有活性的前驱反应物气体混入载气时往往会对放电的稳定性产生很大的影响。而大气压微波等离子体炬是通过涡旋气流场来稳定等离子体放电的，工作气体在注入到放电管时会形成一个气体绝缘层把放电管中心等离子体的高温区和放电管壁隔离，这样自然的就会在放电管内形成一个没有等离子体填充的空间区域，相应地注入到放电管的混合气体中就会有一部分经过这个区域而没有参与等离子体气相化学反应直接排出放电管，从而限制了反应效率的提高，例如，在应用大气压微波等离子体炬去除工业尾气的降解率以及在气体改性应用中的转化率就是受限于气体绝缘层的存在。我们就此提出的一种方案解决了目前面临的这一技术难题。我们的方案就是在大气压微波等离子体炬的出口处附加一个反应缓冲室，使得在延伸进入反应缓冲室的放电管出口处形成一个等离子体膨胀区域并完全覆盖放电管的出口，流出放电管的气体在这个区域能够和等离子体充分混合而发生物理化学反应；另外，反应缓冲室的外壁采用了具有一定壁厚的圆柱形金属筒构成一个波导结构，使得其中激发的电磁模式的电场强度在伸入到缓冲室的放电管的轴向上得到增强，从而增加了混合区域中的电子密度以及电子温度，大大提高化学反应的速率，以及在一些应用中与之对应的降解率或者转化率等技术指标。虽然在很多采用等离子体技术的实际应用中都会有一个反应缓冲室，但这些公开发明中的缓冲室仅起到把进行气相化学反应的混合气体和外界隔离的作用而存在，并没有体现出我们发明中所述的能够提高反应效率的作用和应用功能。
利用大气压微波等离子体炬进行的工业尾气处理应用是通过等离子体气相化学反应来实现的一个典型实例，所达到的降解率是首要考虑的技术指标，同时能量效率也是衡量这个技术的另一个指标，实验证明通过气体缓冲室的优化设计在达到排放要求的降解率的前提条件下提高能量效率具有非常大的提升空间。例如在全氟化物气体的去除方面，除了根据实际情况合理设置大气压微波等离子体炬本身的工作条件外，引入和大气压等离子体炬对接的气体缓冲室，通过对气体缓冲室的结构的合理设计和具体的参数的优化，在实际工况的条件下去除率已经达到了99％。在具体应用中得到的实验数据在本说明书的具体实施例中展示。
发明内容
本发明提出的是基于上述分析针对现有的大气压微波等离子体炬在化学气相反应的实际应用中存在的在技术问题，为了提高反应效率而提出的一种性能得到提高的解决方法。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于大气压微波等离子体炬的气相反应缓冲室，所述的气相反应缓冲室包括气体注入部件1、缓冲室2、气压表3、排气泵4，其中，缓冲室2设于气体注入部件1上方，缓冲室2顶部与气压表3、排气泵4连接。所述气体注入部件1包括矩形波导11、可移动金属挡板12、缓冲室法兰13、放电管14。所述缓冲室2包括外套管21、金属圆筒22、缓冲室封盖 23、排气口24、气压测量口25、外延管26。
所述的可移动金属挡板12设于矩形波导11一端，微波发生器产生的微波被传输器件引入到矩形波导11，在可移动金属挡板2构成波导端面的反射下，微波在矩形波导11内产生TE01驻波模，波导内的电场垂直于矩形波导11的宽面。在与电场强度最大值位置对应的一对波导宽壁面上开孔，安装垂直穿过矩形波导11宽面的放电管14，放电管14位于大气压微波等离子体炬波导激发区内，工作气体通过气体注入部件1通入到放电管14内形成了在径向上分布的涡旋气流场，在微波电场的诱导下通入放电管14内的工作气体产生电离形成大气压下的微波等离子体放电。
所述的缓冲室2的一个端面通过缓冲室法兰13与矩形波导11宽壁面垂直对接，这样垂直于矩形波导11的放电管14通过放电管安装孔132伸入到缓冲室2内一定的深度距离，从而把放电管14内产生的微波等离子体炬引入到气体缓冲室2；也可以通过在放电管14的端部嵌套一个内径略大于放电管外径的外延管26，使这段外接的外延管26伸入到缓冲室2。所述的气体缓冲室外套管21的另一端通过缓冲室封盖23上的排气口24与排气泵4的入口连接，所述缓冲室封盖23上的气压测量口25外接一个气压表3用于监测缓冲室内的气体压力，从而通过在线控制总的气体流量来保持缓冲室2内一个合适的工作气压，这可以通过调节和设置输入气体的流量和排出气体的流量来控制缓冲室2内的气体压力。
所述的金属圆筒22构成缓冲室2的最外层，固定在在缓冲室法兰13和缓冲室封盖23之间。
所述的气体缓冲室外套管21的总长比外延管26或者放电管14在气体缓冲室内的延长长度多出3倍于放电管直径D1的距离，而外套管21内径D2大于放电管14外径D1的2倍大小以上；所述的伸入气体缓冲室的放电管14的长度设为1～5个放电管14直径D1的距离；所述放电管14外径D1的取值在矩形波导11宽度的0.05-0.38倍的范围；所述的金属圆筒22 的直径D3的取值范围在大于气体缓冲室外套管21的外直径而又小于22.98×109/f厘米的计算值的区间，其中f是微波频率，例如，对于2.45GHz频率的微波来说这个计算值为9.38厘米，放电管14的外径D1为0.5到3.4厘米，而对于915MHz频率的微波来说这个计算值则为25.11厘米，放电管14的外径D1为1.2到9.2厘米。
所述的缓冲室外套管21管壁的材质可以是绝缘耐热的材质。
所述的放电管14的材质采用石英管或者是陶瓷管等耐热绝缘材料，外延管26的材质采用陶瓷材料或者石英材料等耐热绝缘材料，外延管26与放电管14的材质可相同也可不同，当外延管26与放电管14采用相同的材质时，只要采用一根长度合适的完整的通管即可；当外延管26和放电管14采用不同的材质时，外延管26和放电管14在缓冲室2和等离子体炬波导接口处对接，如果放电管14采用石英管而伸入到缓冲室内的外延管26采用陶瓷管，需要陶瓷管的内径略大于石英管的外径，使得两者套接在一起形成紧密对接。
所述的气体缓冲室2的结构参数的具体值的确定还要考虑工作气体总流量的条件，要保证缓冲室2中的工作气压保持在0.6-1.2个大气压的范围内，使得等离子体炬保持稳定的放电形态，消除因为引入了气体缓冲室而对等离子体炬放电稳定性的扰动。
所述的气体缓冲室法兰(13)和缓冲室封盖23的材质均为金属。
进一步的，由于等离子体炬放电产生大量的热量，在气体缓冲室封盖23可加冷却水套，在气体排放和气体压力测量前进行冷却有效保护排气泵4或者气压表3。
本发明的有益效果为：
(1)在气体缓冲室内引入等离子体炬放电管的延长管，通过对气体缓冲室参数的设置和调整来优化气体缓冲室内气流场的分布，从而增加在延长管端部形成的扩展了的等离子体和气体的相互作用区域，提高了等离子体气相反应的化学反应速率。
(2)在于气体缓冲室的外套管采用金属管壁时构成了一个圆柱形谐振腔，微波通过气体缓冲室与等离子体炬波导管相连接的部分耦合到气体缓冲室建立一种电磁模式，在该模式下电场沿着放电管的延长管的轴向场强得到增加，从而增大了等离子体和气体的相互作用区域内的等离子体密度和电子温度，有助于进一步提高了等离子体气相反应的化学反应速率。
附图说明
图1为应用本发明所述反应缓冲室降解CF4实验测量得到的降解率(DRE)随微波功率的变化曲线图；
图2为应用本发明所述反应缓冲室降解SF6实验测量得到的降解率(DRE)随微波功率的变化曲线图；
图3为气体缓冲室结构示意图；
图4为缓冲室封盖结构示意图；
图5为缓冲室法兰结构示意图；
图中：1气体注入部件；2缓冲室；3气压表；4排气泵；11矩形波导；12可移动金属挡板；13缓冲室法兰；14放电管；21外套管；22金属圆筒；23缓冲室封盖；24排气口；25 气压测量口；26外延管；41排气泵出口；131外套管安装槽1；132放电管安装孔，231外套管安装槽。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。这些实施例仅用于说明本发明而不限于本发明的应用范围。此外，在阅读了本发明所述的内容后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请权利要求书所限定的范围。本发明提出的气体缓冲室的结构不仅用于全氟化物气体的去除和降解，同样的结构适用于采用大气压等离子体技术对其他的工业排放尾气进行处理的应用。
随着工业的发展，全氟化物气体以其低毒性和稳定的化学性质被广泛应用于半导体行业和电力行业中。CF4和SF6是典型的全氟化物气体，它们具有较强的红外吸收能力，全球变暖潜势力指数GWP100分别为6500和8000，同时它们在大气中自然分解很慢导致的存在时间比较长。CF4气体是半导体工业中完成刻蚀工艺和化学气相沉积加工过程的重要原料气体，而SF6由于具有优异的绝缘性和良好的灭弧性能，在电力行业中广泛应用于气体绝缘开关 GIS，SF6负荷开关设备，SF6绝缘输电管线GIL，变压器等中高压设备，同时由于我国电力行业的高速发展，在全球同行业也中所占的比重最大，SF6的排放量也越来越多。这样就造成了CF4和SF6气体在大气中增长速度越来越快，因此CF4和SF6对温室效应的影响已经不容小觑。“***气候变化纲要公约京都协议书”已经就防止温室气体对气候和经济问题的不利影响达成了共识，控制全氟化气体的排放是亟需解决的一个重要环境问题。
目前，减少全氟化物气体排放的方法有：寻找可替代的化合物，优化工艺，回收及循环利用，以及去除消减。考虑到经济性和工艺的成熟度，去除消减是工业中控制排放的一种首选方案。而等离子体技术在废气去除方面的应用与传统的燃烧分解方法相比被认为是一种比较有前景的方法。其中，由于微波等离子体的产生不需要电极同时放电过程一直保持着可控的稳定状态，使得大气压微波等离子体炬在工业尾气的处理和气体改性的实际应用中的放电条件能够得到优化同时发生过程调控成为可能，从而在提高去除率和能量效率方面能够有很大的提升空间，这点在CF4和SF6等典型温室气体的降解方面的突出效果得到验证。下面两个实施例就是在应用大气压微波等离子体炬并结合我们提出的化学气相反应缓冲室来开展的两个应用效果。
一种基于大气压微波等离子体炬的气相反应缓冲室，其大气压微波等离子体炬的具体结构和工作原理参照专利CN207070436U提出的一种双腔激励的大气压微波等离子体炬，所述的气相反应缓冲室包括气体注入部件1、缓冲室2、气压表3、排气泵4。所述气体注入部件 1包括矩形波导11、可移动金属挡板12、缓冲室法兰13、放电管14，所述缓冲室2包括外套管21、金属圆筒22、缓冲室封盖23、排气口24、气压测量口25、外延管26。所述的缓冲室2设于气体注入部件1上方，缓冲室2顶部与气压表3、排气泵4连接。
所述的可移动金属挡板12设于矩形波导11一端，微波发生器产生的微波被传输器件引入到矩形波导11，在可移动金属挡板2构成波导端面的反射下，微波在矩形波导11内产生 TE01驻波模，波导内的电场垂直于矩形波导11的宽面。在与电场强度最大值位置对应的一对波导宽壁面上开孔，安装垂直穿过矩形波导11宽面的放电管14，放电管14位于大气压微波等离子体炬波导激发区内，工作气体通过气体注入部件1通入到放电管14内形成了在径向上分布的涡旋气流场，在微波电场的诱导下通入放电管14内的工作气体产生电离形成大气压下的微波等离子体放电。
所述的缓冲室2的一个端面通过缓冲室法兰13与矩形波导11宽壁面的垂直对接，这样垂直于矩形波导11的放电管14通过放电管安装孔132伸入到缓冲室2内一定的深度距离，从而把放电管14内产生的微波等离子体炬引入到气体缓冲室2；也可以通过在放电管14的端部嵌套一个内径略大于放电管外径的外延管26，使这段外接的外延管26伸入到缓冲室2。所述的气体缓冲室外套管21的另一端通过缓冲室封盖23上的排气口24与排气泵4的入口连接，所述缓冲室封盖23上的气压测量口25外接一个气压表3用于监测缓冲室内的气体压力，从而通过在线控制总的气体流量来保持缓冲室2内一个合适的工作气压，这可以通过调节和设置输入气体的流量和排出气体的流量来控制缓冲室2内的气体压力。
所述的金属圆筒22构成缓冲室2的最外层，固定在在缓冲室法兰13和缓冲室封盖23之间。
所述的气体缓冲室外套管21的总长比外延管26或者放电管14在气体缓冲室内的延长长度多出3倍于放电管直径D1的距离，而外套管21内径D2大于放电管14外径D1的2倍大小以上；所述的伸入气体缓冲室的放电管14的长度设为1～5个放电管14直径D1的距离；所述的金属圆筒22的直径D3的取值范围在大于气体缓冲室外套管21的外直径而又小于22.98×109/f厘米的计算值的区间，其中f是微波频。对于2.45GHz频率的微波来说22.98×109/f 计算值为9.38厘米，放电管14的外径D1为0.5到3.4厘米，而对于915MHz频率的微波来说22.98×109/f计算值则为25.11厘米，放电管14的外径D1为1.2到9.2厘米。
所述的缓冲室外套管21管壁的材质是绝缘耐热的材质，具体为石英玻璃或者陶瓷材料。
所述的放电管14的材质采用石英管或者是陶瓷管等耐热绝缘材料，外延管26的材质采用陶瓷材料或者石英材料等耐热绝缘材料。
所述的气体缓冲室2的容积在工作气体总流量的条件要保证缓冲室2中的工作气压保持在0.6-1.2个大气压的范围内，使得等离子体炬保持稳定的放电形态，消除因为引入了气体缓冲室而对等离子体炬放电稳定性的扰动。
所述的气体缓冲室法兰13和缓冲室封盖23的材质为铝、铝合金、铜或者不锈钢等金属。
实施例1
应用专利CN207070436U提出的一种双腔激励的大气压微波等离子体炬以及本发明所述的气相反应缓冲室进行CF4降解的实验结果。在氮气为背景气体的条件下，开启微波等离子体炬，设置气体流量15升/分和微波功率1000W，使得等离子体放电保持稳定，在等离子体载气中混入CF4气体，气体的浓度从最小值到设定值逐渐增加，保持放电稳定。测量得到了在CF4混入氮气载气的比率分别是3000ppm和4000ppm，气体总流量是15升/分的条件下，降解率DRE值随着微波功率的变化趋势，其中的DRE的定义方法如下：
其中Cbefore和Cafter分别代表从FTIR光谱图中获得的等离子去除前后的CF4的浓度。图1展示的是CF4浓度分别为3000ppm和4000ppm时，应用专利CN207070436U提出的一种双腔激励的大气压微波等离子体炬以及本发明所述的气相反应缓冲室降解CF4的测量得到的DRE 值随微波功率从1200W增加到2000W时的变化趋势。
实施例2
应用专利CN207070436U提出的一种双腔激励的大气压微波等离子体炬以及本发明所述的气相反应缓冲室进行SF6降解的实验数据。在氮气为背景气体的条件下，开启微波等离子体炬，在保持总气流流量15升/分不变的条件下逐渐的从氮气切换到氧气，最终在纯氧气载气条件下放电。设置气体流量15升/分和微波功率1000W，使得等离子体放电保持稳定，在等离子体载气中混入SF6气体，气体的浓度从小到设定值逐渐增加，保持放电稳定。测量得到了在SF6混入氧气载气的比率分别是10000ppm，20000ppm，30000ppm，和4000ppm，气体总流量是15升/分的条件下，降解率DRE值随着微波功率的变化趋势，其中的DRE的定义方法如实施例1中的公式。图2展示的是SF6浓度分别为1000,2000,3000,4000ppm时，应用专利CN207070436U提出的一种双腔激励的大气压微波等离子体炬以及本发明所述的气相反应缓冲室降解CF6的测量得到的DRE值随微波功率从1200W增加到2400W时的变化趋势。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于大气压微波等离子体炬的气相反应缓冲室，其特征在于，包括气体注入部件(1)、缓冲室(2)、气压表(3)、排气泵(4)，其中，缓冲室(2)设于气体注入部件(1)上方，缓冲室(2)顶部与气压表(3)、排气泵(4)连接；所述气体注入部件(1)包括矩形波导(11)、可移动金属挡板(12)、缓冲室法兰(13)、放电管(14)；所述缓冲室(2)包括外套管(21)、金属圆筒(22)、缓冲室封盖(23)、排气口(24)、气压测量口(25)、外延管(26)；
所述的可移动金属挡板(12)设于矩形波导(11)一端，微波发生器产生的微波被传输器件引入到矩形波导(11)，在可移动金属挡板(2)构成波导端面的反射下，微波在矩形波导(11)内产生TE01驻波模，波导内的电场垂直于矩形波导(11)的宽面；在与电场强度最大值位置对应的一对波导宽壁面上开孔，安装垂直穿过矩形波导(11)宽面的放电管(14)，放电管(14)位于大气压微波等离子体炬波导激发区内，工作气体通过气体注入部件(1)通入放电管(14)内形成在径向上分布的涡旋气流场，在微波电场的诱导下通入放电管(14)内的工作气体产生电离形成大气压下的微波等离子体放电；
所述的缓冲室(2)的一个端面通过缓冲室法兰(13)与矩形波导(11)宽壁面垂直对接，放电管(14)通过放电管安装孔(132)伸入缓冲室(2)内，将放电管(14)内产生的微波等离子体炬引入到气体缓冲室(2)，或通过在放电管(14)的端部嵌套一个内径大于放电管外径的外延管(26)，使这段外接的外延管(26)伸入缓冲室(2)内；所述的气体缓冲室外套管(21)的另一端通过缓冲室封盖(23)上的排气口(24)与排气泵(4)的入口连接；所述缓冲室封盖(23)上的气压测量口(25)外接一个气压表(3)，用于监测缓冲室内的气体压力，通过调节和设置输入气体的流量和排出气体的流量控制缓冲室(2)内的气体压力，使等离子体炬保持稳定的放电形态；
所述的金属圆筒(22)构成缓冲室(2)的最外层，固定在在缓冲室法兰(13)和缓冲室封盖(23)之间；
所述的气体缓冲室外套管(21)的总长比外延管(26)或者放电管(14)在气体缓冲室内的延长长度多出3倍于放电管直径D1的距离，而外套管(21)内径D2大于放电管(14)外径D1的2倍大小以上；所述的伸入气体缓冲室的放电管(14)的长度设为1～5个放电管(14)直径D1的距离；所述放电管(14)外径D1的取值在矩形波导(11)宽度的0.05-0.38倍的范围内；所述的金属圆筒(22)的直径D3的取值范围在大于气体缓冲室外套管(21)的外直径而又小于22.98×109/f厘米的计算值的区间，其中f是微波频率。
2.一种基于大气压微波等离子体炬的气相反应缓冲室，其特征在于，所述的气体缓冲室(2)内的工作气压保持在0.6-1.2个大气压的范围。
3.一种基于大气压微波等离子体炬的气相反应缓冲室，其特征在于，所述的放电管(14)的材质采用石英管或者是陶瓷管耐热绝缘材料，外延管(26)的材质采用陶瓷材料或者石英材料耐热绝缘材料，外延管(26)与放电管(14)的材质可相同也可不同：当外延管(26)与放电管(14)采用相同的材质时，只要采用一根长度合适的完整的通管即可；当外延管(26)和放电管(14)采用不同的材质时，外延管(26)和放电管(14)在缓冲室(2)和等离子体炬波导接口处对接，如果放电管(14)采用石英管而伸入到缓冲室内的外延管(26)采用陶瓷管，需要陶瓷管的内径大于石英管的外径，使两者套接在一起形成紧密对接；所述放电管(14)或外延管(26)伸入到缓冲室(2)的端口形状可以是与管垂直齐整切断形成的开口也可以是具有扩口或收口形状的开口。
4.一种基于大气压微波等离子体炬的气相反应缓冲室，其特征在于，所述的缓冲室外套管(21)管壁的材质为绝缘耐热的材质。
5.一种基于大气压微波等离子体炬的气相反应缓冲室，其特征在于，所述的气体缓冲室法兰(13)和缓冲室封盖(23)的材质均为金属。
6.一种基于大气压微波等离子体炬的气相反应缓冲室，其特征在于，由于等离子体炬放电产生大量的热量，在气体缓冲室封盖(23)可加冷却水套，在气体排放和气体压力测量前进行冷却，保护排气泵(4)、气压表(3)。
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