通過(guò)非等溫反應(yīng)等離子體助劑處理兩相碎片狀或粉狀材料的方法和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明包括一種通過(guò)在接近于或高于大氣壓的壓力下的非等溫反應(yīng)等離子體流 來(lái)處理兩相碎片狀或粉狀材料的方法，即包括攜帶固相或液相片斷的流體（優(yōu)選為氣體） 流的方法，以及用于實(shí)現(xiàn)該方法的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 在20世紀(jì)下半葉，在制作能夠處理攜帶固相碎片的流體流的反應(yīng)器中投入了大 量的努力。最有效的反應(yīng)器很可能是基于氣旋原理的能夠在小容量紊流狀態(tài)中獲得高強(qiáng)度 熱交換的水動(dòng)力反應(yīng)器。毫無(wú)疑問(wèn)，最有效的應(yīng)用是TorftechLtd. (Newbury,K)在1998 年研發(fā)的TorbedOReactor(參見(jiàn)www.torftech,com)。該方法尤其用于木材廢料的干燥 以制造便攜式有效的燃料。
[0003] 理論上，強(qiáng)化該處理的唯一方法是使用等離子體形式的反映流。為此，等離子體反 應(yīng)器已吸引了相當(dāng)大的注意力，尤其是與通過(guò)等離子體化學(xué)轉(zhuǎn)化材料的技術(shù)相關(guān)的等離子 體反應(yīng)器，以及尤其與有機(jī)物燃燒、生物質(zhì)回收利用、產(chǎn)品和廢物的破壞和處理以及化學(xué)品 的生產(chǎn)相關(guān)的等離子體反應(yīng)器。
[0004] 尤其最廣泛應(yīng)用于工業(yè)和等離子體輔助燃燒以及生物的、家庭的、醫(yī)療的、工業(yè)的 和其他廢物的破壞或轉(zhuǎn)化的最著名的等離子體方法和裝置利用直流電、交流電、高頻、微波 誘導(dǎo)等溫等離子體的反應(yīng)。
[0005] 術(shù)語(yǔ)"等溫"指的是等離子體中不同組分的溫度，尤其是重粒子（分子、原子、原子 團(tuán)、離子和電子實(shí)際上相等。按照定義，當(dāng)在其體積中的每個(gè)點(diǎn)滿(mǎn)足條件I=T1時(shí)， 等離子體等溫。
[0006] 上述是等離子體的一般情況。這意味著等離子體中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)是例如由著名 的阿倫尼烏斯方程（Arrheniusequation)描述的局部熱力學(xué)平衡的關(guān)系。等溫等離子體 的組分的濃度由同樣著名的薩哈方程（Sahaequation)描述。
[0007] 現(xiàn)有技術(shù)引導(dǎo)理所當(dāng)然地認(rèn)為等離子體技術(shù)比傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)化材料的方法更有效 的用戶(hù)設(shè)計(jì)主要在大氣壓力下，諸如直流、交流、射頻或微波弧發(fā)生器，使用等溫等離子 體（即，在熱力學(xué)平衡狀態(tài)中）的反應(yīng)器。產(chǎn)生和使用的等離子體的溫度根據(jù)生成條件 大約為6000-15000K。很明顯，這種等尚子體對(duì)破壞（分解）有機(jī)分子是有效的。它們 對(duì)破壞非有機(jī)分子也是有效的。連同等尚子淬火過(guò)程（快速冷卻，其防止許多有害分子 狀態(tài)尤其是二惡英和呋喃的復(fù)合），這些技術(shù)已經(jīng)證明其本身與傳統(tǒng)的熱化學(xué)技術(shù)相比 是有利的（例如，參見(jiàn)Khacef(A.)，Cormier(J. -M.)，Pouvesle(J. -M. )，J.Phys.D:Appl. PHYS. 35,p. 1491-1498, 2002.ZhukovM.F.Is.S. 0.ANUSSR,Ser.Techn.Nauk, 1970,V2 (58) P12 - 18;BurovI.S.，ErmolaevaE.M.，MosseA.L.，MinskITMO1975,p. 71 - 78 ;另請(qǐng)參 見(jiàn)www.europlasma,com)〇
[0008] 使用在旋風(fēng)分離器中由高頻或微波電流源產(chǎn)生的一種或多種熱等離子體的具 有不同幾何尺寸和形狀的反應(yīng)器已經(jīng)在屬于FORETPLASMALABS、LLC、TheWoodlands、Texas(US)的發(fā)明（例如參見(jiàn)美國(guó)專(zhuān)利7.622. 693B2,優(yōu)先權(quán)日：2009. 11.24)中被提出。
[0009] 煙臺(tái)龍巖電力技術(shù)有限公司在制作用于燃燒發(fā)電廠鍋爐中的煤塵的等溫等離子 體燃燒器（在熱力學(xué)平衡中）中已經(jīng)投入了大量的努力（例如參見(jiàn)優(yōu)先權(quán)日為2012. 02. 02 的申請(qǐng)?zhí)枮?012002563的專(zhuān)利）。
[0010] 然而，描繪等溫等離子體的高水平的溫度（6000 - 12000K)是多余的。不可避免 的，如果我們使用等溫等離子體，尤其在大氣壓力下，當(dāng)溫度水平（T=T1=TJ決定對(duì)等離 子的導(dǎo)電性必要的電子的濃度時(shí)，后者提供電弧和由此產(chǎn)生的等離子體射流的能量平衡。 然而，這種水平的溫度對(duì)實(shí)現(xiàn)僅需要在1000K-3000K范圍內(nèi)的溫度的等離子體化學(xué)反應(yīng)是 過(guò)度的。涉及的溫度（6000 - 12000K)導(dǎo)致巨大的能量消耗和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，這就陷入了對(duì)使 用等溫等離子體反應(yīng)器的恰當(dāng)理由的懷疑中。
[0011] 另外，顯然地，鑒于其高溫，熱等離子體可能受限的空間的維度必定較小，甚至在 上文提到的"FORETPLASMALABS"發(fā)明的情況中。這大大減小了這種等離子體與待被處理 的介質(zhì)的接觸表面，使反應(yīng)相對(duì)低效并減少了它們的能量效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 因此，必要的解決方案是使用非等溫等離子體。的確，如果產(chǎn)生和加速等離子體 中的電子并引起激發(fā)和電離該電子的反應(yīng)的電場(chǎng)的幅值足夠高，則等離子體變?yōu)榉堑葴兀?即：
[0013] TjT1 (1)
[0014] 至于關(guān)系（1)的發(fā)生，根據(jù)弗里德曼（等離子體化學(xué)劍橋大學(xué)出版社2008)，電場(chǎng) E的幅值必須滿(mǎn)足下列類(lèi)型的條件（弱電離等離子體的情況）：
[0015]E>k.T1.ne.Q/e (2)
[0016]其中：
[0017] e是電子電荷（e=I. 6X10 19C);
[0018] k 是波爾茲曼常數(shù)（k = I. 4X 10 19J/K);
[0019] T1是等離子體中重組分（分子、原子團(tuán)、原子、離子）的溫度（K);
[0020] Q是等離子體中電子和中性組分之間的彈性碰撞的橫截面（m2);
[0021] ne是自由電子的濃度（m3)。
[0022] 如果，例如，I\~2000K、ne~10+19m3、Q~10lsm2，
[0023]則我們有E>104V/m。
[0024] 在這種情況下，電子的溫度可以由下列關(guān)系（例如參見(jiàn) H.Hingana.^ContributiondI^etudedesproprietesdespIasmasddeux temperatures〃Doctoralthesis.Univ.PaulSabatier，Toulouse，2010. 12)石角定：
[0025]Te~[eV/n/niik].[E/j] (3)
[0026]其中：
[0027]me是電子質(zhì)量（9. 1X10 31kg);
[0028]Hi1是等離子體中中性重組分的（平均）質(zhì)量；
[0029] j是電流密度（A/m2)。
[0030] 等離子體反應(yīng)器中的非等溫狀態(tài)的等離子體的實(shí)際應(yīng)用有技術(shù)優(yōu)勢(shì)。的確，在這 種情況中具有大的動(dòng)能的電子有助于在破壞有機(jī)分子或?qū)⒎肿愚D(zhuǎn)化成可重復(fù)使用的組分 中極其有效的活躍的分子狀態(tài)和原子團(tuán)的形成。
[0031] 在非等溫等離子體中，重組分的溫度水平（T1)可以為大約1000-3000K，其足夠高 以在沒(méi)有形成有害的化學(xué)成分的情況下實(shí)現(xiàn)所期望的化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)電子的溫度通常為大 約6000-15000K，這提供足夠的電流以支持等離子體射流的放電機(jī)制和能量平衡。
[0032] 非等溫等離子體發(fā)生器（參見(jiàn)公式（1)和（2))已經(jīng)被提出并被專(zhuān)利保護(hù)并應(yīng) 用于工業(yè)中（例如參見(jiàn)EngelshtV.S.,SaichenkoA.N.,OkopnikG.M.,MusinN.U.XI VsesoyuznayaKonf.Pogeneratoramnizkotemperaturnoyplazmi,Novosibirsk, 1989 ； P255；DesiatkovG.A. ,EnguelshtV.S. ,SaichenkoA.N.,MusinN.U. ,andal.Plasma JetsintheDevelopmentofNewMaterialsTechnology.Proc.OftheInternational Workshop3-9September,Frunze,USSREd. 0.P.Solonenko,A.I.Fedorchenko.VSP,Utrech t, (NL),Tokyo(Japan),pp499 - 509;另請(qǐng)參見(jiàn)www.glidarc.com)。它們基于高壓電弧由 在電極彼此最接近的地方放電引發(fā)的在具有不同幾何形狀的兩個(gè)電極之間滑動(dòng)的原理的 應(yīng)用，所述電弧由于磁場(chǎng)產(chǎn)生的電磁力而沿這些電極被推進(jìn)，其中，由于電流穿過(guò)電極并且 電流在幾乎與電極的軸垂直的方向上穿過(guò)所述電弧而形成所述磁場(chǎng)。還可以由推進(jìn)氣體的 縱向流的動(dòng)壓力激勵(lì)電弧的運(yùn)動(dòng)，這有助于在電極的下游形成等離子體的射流。當(dāng)電弧滑 動(dòng)時(shí)，其長(zhǎng)度和電阻增加，電流強(qiáng)度減弱。出現(xiàn)電流變得太弱而不能支持放電的能量平衡且 電弧消失的時(shí)刻。然后，在電極的基底開(kāi)始新的放電，并重復(fù)該過(guò)程。因此，我們具有電弧 沿電極的不斷的"來(lái)回"運(yùn)動(dòng)。當(dāng)電弧運(yùn)動(dòng)時(shí)，電弧在其自身周?chē)a(chǎn)生"等離子體云"，所述 "等離子體云"的性能，尤其是壽命取決于發(fā)生放電的氣體的性質(zhì)、氣體的水動(dòng)力流的存在、 電極之間的電壓的幅值、電極之間產(chǎn)生的電流的頻率以及電極的不同幾何形狀。這種等離 子體云可以保證在其壽命期間沒(méi)有電流時(shí)存在電流傳導(dǎo)區(qū)。因此，能夠不僅用直流而且用 交流提供電弧，例如用50Hz的頻率，只要等離子體云的持續(xù)時(shí)間大于分離電極之間的電壓 曲流的間歇。
[0033] 已經(jīng)使用直流和50Hz頻率的單相和三相交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生滑動(dòng)電弧。在后者中，三 電極和六電極的解決方案已經(jīng)被提出且已進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用。三電極和六電極的使用（參見(jiàn) EngelshtV.S. ,GurovichV.Ts. ,DesyatkovG.A. ,MusinN.U. ,SaitchenkoA.N.，氣流中 高電壓低電流電弧的試驗(yàn)研究和應(yīng)用，20thICPIG.-Barga. 1991-P. 978-979)以盡可能使 在反應(yīng)器中產(chǎn)生的等離子體區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化為目的而被提出，鑒于這種等離子體未處于熱力學(xué)平 衡，因此含有大濃度的處于亞穩(wěn)狀態(tài)的分子和原子團(tuán)。不僅是這些粒子的動(dòng)能（熱效應(yīng)） 還有它們的勢(shì)能（非熱效應(yīng)）使得能夠?qū)崿F(xiàn)所需的等離子體化學(xué)反應(yīng)。
[0034] 兩種溫度的非熱等離子體的深入研究適用于滑動(dòng)電弧，尤其是在大氣壓力下，可 以從A.A.Fridman的著作中找到（例如參見(jiàn)等離子體化學(xué)劍橋大學(xué)出版社，2008pp205)。
[0035] 然而，尤其在A. A. Fridman的出版物中提到的方法和裝置具有一些缺點(diǎn)（不穩(wěn)定 性、空間不均勻性、有限的維度），這使得這些方法和裝置難以應(yīng)用在實(shí)踐中且不能在分散 流反應(yīng)器中使用，為了處理碎片的特定部分或它們的完整體積，所述分散流反應(yīng)器需要與 活躍的等離子體介質(zhì)延長(zhǎng)時(shí)間接觸。延長(zhǎng)時(shí)間接觸意思是極其大的接觸表面以及因此，尤 其是，用于反應(yīng)器的大的等離子體的射流和能夠產(chǎn)生所需的反應(yīng)的幾何結(jié)構(gòu)。
[0036]Desyatkov等作者已經(jīng)提出電弧一到達(dá)電極的末端就在空間中固定電弧的位置的 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)。然后，當(dāng)電流線一方面承受推進(jìn)氣體的流動(dòng)曳力和電磁力且另一方面承受趨 于將其位置保持在空間的最多電離區(qū)域的電弧的水動(dòng)阻力時(shí)，電流線彎曲。
[0037] 然而，使用的等離子體仍不穩(wěn)定。這種不穩(wěn)定主要是由于推進(jìn)氣體的流動(dòng)的紊流 性質(zhì)。等離子體射流的維度減少且不允許處理如上所限定的碎片流。
[0038]P.Koulik、A.Saychenko的名稱(chēng)為用于產(chǎn)生非等溫等離子體射流的方法和裝置的 發(fā)明（專(zhuān)利？1?10/01928，？(：17^1? 2011/000277(102011/13852541)，優(yōu)先權(quán)日為 2010.05.05) 部分解決了該問(wèn)題，允許產(chǎn)生的等離子體的體積和其與被處理的介質(zhì)的接觸面增加。然而， 被提出的解決方案，產(chǎn)生等離子體射流的處理的"層流化"不充分。
[0039] 在前述內(nèi)容中，本發(fā)明的一個(gè)目的是開(kāi)發(fā)具有比現(xiàn)有反應(yīng)器更大的接觸面的等離 子體反應(yīng)器。該目的僅可以通過(guò)在接近于或高于大氣壓力的壓力下產(chǎn)生和使用一個(gè)（或多 個(gè)）穩(wěn)定的非等溫等離子體的射流來(lái)實(shí)現(xiàn)，高于大氣壓力的壓力是有用的，甚至對(duì)于在密 閉（dense)的環(huán)境中工作是不可缺少的，諸如等離子體化學(xué)反應(yīng)器，例如，尤其是用于轉(zhuǎn)化 生物質(zhì)或燃?xì)鉁u輪的燃燒室的反應(yīng)器等。
[0040] 有利的是將這種反應(yīng)器用于固體碎片或由粉化產(chǎn)生的粒子之間的等離子體化學(xué) 反應(yīng)的工業(yè)性能，其中，其通過(guò)在有限尺寸的等離子體化學(xué)反應(yīng)器的空間中的流體流和廣 泛的活躍的等離子體區(qū)來(lái)進(jìn)行。
[0041] 有利的是使用能夠在反應(yīng)器中產(chǎn)生非等溫等離子體的廣泛區(qū)域的滾銑過(guò)程 (generationprocess)，所述滾銑過(guò)程在預(yù)期的等離子體化學(xué)處理的整個(gè)持續(xù)時(shí)間中隨時(shí) 間呈準(zhǔn)穩(wěn)定態(tài)。術(shù)語(yǔ)準(zhǔn)穩(wěn)定態(tài)意味著等離子體的平均參數(shù)在長(zhǎng)于電流的產(chǎn)生周期的整個(gè) 周期內(nèi)隨時(shí)間恒定，但在小于供應(yīng)等離子體的電流的產(chǎn)生周期的整個(gè)時(shí)間周期內(nèi)大體上可 變。這意味著在非等溫等離子體中，重粒子（分子、原子團(tuán)、原子、離子）的溫度相對(duì)較低 (例如，1