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。本实用新型专利技术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。
【技术实现步骤摘要】
一种基于大气压微波等离子体炬的气相反应缓冲室
本专利技术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专利技术，属于等离子体技术及环境化学应用领域。
技术介绍
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系统等优点，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，但这些公开专利技术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，并没有体现出我们专利技术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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术采用的技术方案为：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本文档来自技高网...
【技术保护点】
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）；/n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（12）构成波导端面的反射下，微波在矩形波导（11）内产生TE
【技术特征摘要】
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（12）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，固定在缓冲室法兰（13）和缓冲室封盖（23）之间；
所述的缓冲室外套管（21）的总长比外延管（26）或者放电管（14）在缓冲室内的延长长度多出3倍于放...
【专利技术属性】
技术研发人员：李容毅，
申请(专利权)人：李容毅，
类型：新型
国别省市：辽宁;21
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