CN112383997A - 一种大功率微波等离子体煤粉裂解装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及等离子体设备领域，是指一种大功率微波等离子体煤粉裂解装置，解决了现有技术中由等离子体尺寸小、功率低而引起的煤粉裂解问题。本发明包括煤粉研磨装置、煤粉输入装置、等离子体发生装置、裂解气体处理装置、微波腔；所述微波腔轴心位置与反应腔轴心重合；所述微波发生装置设置于微波腔周围；所述微波发生装置不少于三个；所述微波腔为空心圆柱形的多模腔。本发明通过将大功率的微波等离子体装置作为煤粉裂解反应装置，通过不同距离、高低错落的设置多个微波发生装置，并将电磁波均匀集中的束缚在石英管中心位置，实现大功率、大尺寸的煤粉等离子体激发；本发明结构简单、激发效率高、成本低廉，满足工业化大规模的要求。

Description

一种大功率微波等离子体煤粉裂解装置

技术领域

本发明涉及等离子体设备领域，特别是指一种大功率微波等离子体煤粉裂解装置。

背景技术

工业乙炔的主要生产工艺有电石法和烃类裂解法，其中电石法，即湿法碳化钙法生成乙炔会产生大量废水和电石渣，且耗能高、污染高；而由石油裂解烯烃得来乙炔，资源消耗大也不是长远之计。

在裂解法中，使用等离子体裂解煤粉在工业乙炔生产上的应用越来越广泛，离子体炬具有下列特点：1）等离子体具有极高的能量密度、温度和极快速的反应时间，可把各种有机物彻底分解为小分子可燃气，很小的占地面积就能做到大处理量，并且能实现快速启停；2）因为不存在燃料燃烧，热源的产生不需要氧化剂， 相比常规热处理过程产生的烟气量少得多，处理容易，费用低。但其存在高压不够、电流稳定性弱、电源控制系统复杂及大功率寿命有限的问题。

且在生产的过程中存在如下不足，造成产量化生产的拦阻：

1.大多数微波等离子体为波导压缩或波导的方式实现等离子体，等离子体直径小，在2450MHz下仅3-4cm直径，微波作用区域短，微波作用下最多5cm；

2.微波等离子体发生器由于在单模腔下形成等离子体，等离子区域面积小，能量利用率低；

3.微波等离子体发生器由于通气量也较低，无法通过自身气流给反应腔散热，因此需要较高的外部散热能力。该装置无法实现大规模气体处理，或大规模的等离子体处理应用。

亟待出现一种可解决上述问题的新型的煤粉裂解装置。

发明内容

本发明提出一种大功率微波等离子体煤粉裂解装置，解决了现有技术中由等离子体尺寸小、功率低而引起的煤粉裂解问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种大功率微波等离子体煤粉裂解装置，包括煤粉研磨装置、煤粉输入装置、等离子体发生装置、裂解气体处理装置；所述等离子体发生装置包括等离子体点火装置、微波发生装置、波导和用于气体激发为等离子体的反应腔，用于将煤粉通入反应腔的入气口； 还包括套设于反应腔外的微波腔；所述微波腔轴心位置与反应腔轴心重合；所述微波发生装置通过波导不同距离、高地错落地设置于微波腔周围；所述微波发生装置不少于三个；所述微波腔为空心圆柱形的多模腔；所述点火装置和入气口设置于反应腔下端；所述微波等离子体还包括助燃气体输入口。

进一步地，所述反应腔中心位置电磁波均匀集中分布；所述微波腔和波导位置通过有限元法进行仿真和优化。

进一步地，所述微波腔是用于集中微波能量的金属微波腔。

进一步地，所述反应腔为电磁损耗小、耐高温材质。

进一步地，所述反应腔为石英管，所述石英管外还套设有圆柱形金属管，所述金属管直径大于石英管直径，其高度与石英管高度一致。

优选地，所述反应腔可级联，具体的是石英管上端与另一石英管下端联接。

进一步地，所述微波发生器在石英管纵向截面位置均匀分布。

进一步地，所述微波发生装置和波导可为三组、四组、五组。

本发明公开的一种大功率微波等离子体煤粉裂解装置，通过将大功率的微波等离子体装置作为煤粉裂解反应装置，通过不同距离、高低错落的设置多个微波发生装置，并将电磁波均匀集中的束缚在石英管中心位置，实现大功率、大尺寸的煤粉等离子体激发；本发明结构简单、激发效率高、成本低廉，满足工业化大规模的要求；本发明可级联，实现功率的有效叠加。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1：本发明的系统模块示意图；

图2：四路微波源的结构示意图；

图3：四路微波源的仿真示意图；

图4：三路微波源的仿真示意图；

图5：五路微波源的仿真示意图；

图6：本发明的级联示意图；

其中：10、进料口；20、煤粉研磨装置；30、煤粉输入装置；40、等离子体发生装置；41、微波腔；42、波导；43、微波发生装置；44、入气口；45、等离子体点火装置；46、反应腔；47、助燃气体输入口；48、圆形金属管；50、裂解气体处理装置；60、无害排放口60。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1本发明的结构示意图所示，本发明公开的一种大功率微波等离子体煤粉裂解装置，包括煤粉研磨装置20、煤粉输入装置30、等离子体发生装置4140、裂解气体处理装置50；所述等离子体发生装置4140包括等离子体点火装置45、微波发生装置43、波导42和用于气体激发为等离子体的反应腔46，用于将煤粉通入反应腔46的入气口44； 还包括套设于反应腔46外的微波腔；所述微波腔轴心位置与反应腔46轴心重合；所述微波发生装置43通过波导42不同距离、高地错落地设置于微波腔周围；所述微波发生装置43不少于三个；所述微波腔为空心圆柱形的多模腔；所述点火装置和入气口44设置于反应腔46下端；所述微波等离子体还包括助燃气体输入口47。

进一步地，所述反应腔46中心位置电磁波均匀集中分布；所述微波腔和波导42位置通过有限元法进行仿真和优化。

仿真过程：

a.定义优化过程中的变量，如四个波导42Z轴坐标及金属圆柱腔体的半径，可通过改变这些数值优化电场分布；

b.构建几何模型 ：四个金属矩形BJ26波导42、金属圆柱腔体，金属管及石英管；

c.创建定义 ：赋予各个域和边界实际意义；

d.添加材料 ：赋予各腔体和边界不同的材料属性；

e.定义物理场: 添加四个微波源馈入端口；

f.设置参数化扫描：写入可优化变量的变化范围，经过comsol计算出所有排列组合，选出最优化电场分布时的参数值；

g.划分网格，运行分析，据电场分布图及S11数值得出最优结果。

进一步地，所述微波腔是用于集中微波能量的金属微波腔。进一步地，所述反应腔46为电磁损耗小、耐高温材质。进一步地，所述反应腔46为石英管，所述石英管外还套设有圆柱形金属管，所述金属管直径大于石英管直径，其高度与石英管高度一致。

优选地，所述反应腔46可级联，具体的是石英管上端与另一石英管下端联接。等离子体发生装置4140由多个腔体组成，矩形波导42输入微波进入微波腔，等离子体将被约束在石英管反应腔46内，由石英管与微波腔隔离，金属管隔离腔抑制了电磁波从石英管造成的开口向外辐射，集中微波能量，亦有利于等离子体炬的稳定，多模腔结构设计可实现微波能量高效率转化为微波等离子体，且实现了此装置的级联，利用石英管相接的方式级联两个装置，实现功率的有效叠加。

进一步地，所述微波发生器在石英管纵向截面位置均匀分布。

如图一本发明的系统模块示意图所示，在使用过程中，通过煤粉研磨装置20将煤块研磨成煤粉，煤粉通过风道进入等离子体发生装置4140。在2450MHz下，微波功率可达4-12kW，且采用了将微波能量馈入多模腔，通过计算设计实现在多模腔中对微波能量实现聚焦，通过点火装置，进而产生大功率的微波等离子体。处理反应区为石英管，与微波腔隔离，从助燃口向石英管内通入助燃气体氢气，氢等离子体在高温条件下的加热效率高，大大增加等离子体炬的温度，产生超高温热源。裂解反应在超高温反应环境下进行，产生乙炔、乙烯等多种气体和一些固体微粒，从出口排出。由于反应生成裂解气的温度超过1 500 K，为防止乙炔分解，对从出口排出的裂解气进行淬冷，再通过除尘技术进行气固分离。最后以提纯技术分离裂解气中的多种气体，得到纯度较大的乙炔。

其中等离子体发生装置4140可以为三组、四组、五组。等离子体电子密度、电子温度和气体温度都会随着微波输入功率的增大而增大。微波功率的增大可以加快等离子体中碰撞反应的进行，从而导致电子密度生成速度加快，同时又为气体的加热提供了更多的热源。故多路输入大大提高了反应腔46内等离子体火炬的质量。

四路微波源：

本发明由四个BJ26波导42、一个金属圆柱腔体、一个金属管及一个石英管组成。四个矩形波导42镶嵌在金属圆柱体壁，石英管穿过圆柱腔体中心，金属管罩于石英管外层，隔开圆柱腔体与石英管；采用基于有限元法的多物理场仿真软件COMSOL5.4进行几何建模、创建定义，赋予各个域和边界实际意义、设置材料属性、定义相关物理场及划分网格，进行仿真和数值分析。

设计四路的等离子体结构，微波由四个波导42端口以一定的功率输入，有效增大了微波功率，等离子体电子密度、电子温度和气体温度都会随着微波输入功率的增大而增大，同时加快等离子体中碰撞反应的进行，从而导致电子密度生成速度加快，同时又为气体的加热提供了更多的热源。

设置微波由四个波导42端口以一定的功率输入后，观察圆柱腔体内电场分布图，通过不断改变圆柱腔体的几何尺寸和四个波导42与圆柱腔体底部的相应位置：具体的是：

当四个微波源的坐标z=0，即四个并列时，四个微波源位于微波腔中部馈入微波，此时微波腔内电场分布无法集中于微波腔内的石英管中，故对四个微波源进行错落分布，实现圆心集中电场的目的。

当四个微波源中，三个微波源位于同一z平面、两个微波源位于同一z平面及无一微波源位于同一z平面的情况，分别把四个微波源的z轴坐标设为Z1、Z2、Z3、Z4，加入参数化扫描列表，给出Z坐标错落范围，经过不同的排列组合选出最优的电场分布可知，当四个微波源无一并列，有利于将电场集中于圆心处。

增大功率，再通过仿真四个微波源不同错落的距离，确定出如图的最佳电场分布；再进一步，当固定各微波源z轴坐标不变，仿真不同金属圆柱腔体半径下的电场图可知能达到的最大电场强度及最好聚焦效果。

进而不断优化电场聚焦效果，形成大功率的微波等离子体火炬，最终确定圆柱腔体半径为115mm，四个金属矩形BJ26波导42宽为84.6mm、高为43.2mm、深度距圆柱腔体最外圈距离为205mm，四个金属矩形波导42旋转90度依次分布于离圆柱腔体壁，其距顶部的距离分别为：18.4mm、33.4mm、28.4mm、23.4mm，高低交错。

如图2具体实施例一的仿真示意图所示，石英管内温度集中均一。

三路及五路微波源：

在四路微波源的基础上，分别为三路、五路微波源的等离子体发生器的结 构体，除波导42数量和位置发生改变外，装置其余部分的设计及尺寸均不变； 仿真优化过程与四路微波源的等离子体发生器的步骤相同，用comsol对这三路、 五路微波源的等离子体发生器进行优化仿真分析，分别确定好最佳优化参量后， 得到最佳电场分布图；三路微波源的等离子体发生器的最大电场为2.12*10³V/m, 五路微波源的等离子体发生器难以把最高电场能量聚集于圆心，而四路微波源 的等离子体发生器最大电场为2.49*10³V/m，且较为完美的在一定范围内集中了 电场能量。

等离子体电子密度、电子温度和气体温度都会随着微波输入功率的增大而增大。微波功率的增大可以加快等离子体中碰撞反应的进行，从而导致电子密度生成速度加快，同时又为气体的加热提供了更多的热源，多路输入大大提高了反应腔46内等离子体火炬的质量。

本发明公开的一种大功率微波等离子体煤粉裂解装置，通过不同距离、高低错落的设置多个微波发生装置43，并将电磁波均匀集中的束缚在石英管中心位置，实现大功率、大尺寸的煤粉等离子体激发；本发明结构简单、激发效率高、成本低廉，满足工业化大规模的要求；本发明可级联，实现功率的有效叠加。

当然，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员应该可以根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种大功率微波等离子体煤粉裂解装置，包括煤粉研磨装置、煤粉输入装置、等离子体发生装置、裂解气体处理装置；所述等离子体发生装置包括等离子体点火装置、微波发生装置、波导和用于气体激发为等离子体的反应腔，用于将煤粉通入反应腔的入气口；其特征在于：

还包括套设于反应腔外的微波腔；所述微波腔轴心位置与反应腔轴心重合；所述微波发生装置通过波导不同距离、高地错落地设置于微波腔周围；

所述微波发生装置不少于三个；

所述微波腔为空心圆柱形的多模腔；

所述点火装置和入气口设置于反应腔下端；

所述微波等离子体还包括助燃气体输入口。

2.根据权利要求1所述的一种大功率微波等离子体煤粉裂解装置，其特征在于：所述反应腔中心位置电磁波均匀集中分布。

3.根据权利要求2所述的一种大功率微波等离子体煤粉裂解装置，其特征在于：所述微波腔是用于集中微波能量的金属微波腔。

4.根据权利要求3所述的一种大功率微波等离子体煤粉裂解装置，其特征在于：所述反应腔为电磁损耗小、耐高温材质。

5.根据权利要求4所述的一种大功率微波等离子体煤粉裂解装置，其特征在于：所述反应腔为石英管，所述石英管外还套设有圆柱形金属管，所述金属管直径大于石英管直径，其高度与石英管高度一致。

6.根据权利要求5所述的一种大功率微波等离子体煤粉裂解装置，其特征在于：所述反应腔可级联，具体的是石英管上端与另一石英管下端联接。

7.根据权利要求1—6中任意一项所述的一种大功率微波等离子体煤粉裂解装置，其特征在于：所述微波发生器在石英管纵向截面位置均匀分布。

8.根据权利要求7所述的一种大功率微波等离子体煤粉裂解装置，其特征在于：所述微波发生装置和波导可为三组、四组、五组。

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