CN106061090A - 一种二次耦合微波等离子体重整装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二次耦合微波等离子体重整装置，包括：腔体，其为圆柱形腔体；环形波导，其环绕在腔体中心位置，用于将腔体分隔为位于中心位置的圆柱谐振腔和外部的环形反应腔，环形波导上设置有多个圆周方向对称均匀分布的耦合窗；微波等离子体反应管，其设置在环形反应腔中心处，微波等离子体反应管内通有混合燃气；耦合装置，其为四分之一波长谐振腔耦合装置，设置在谐振腔内部；点火电极，其包括两根金属丝，连接高压电源，设置在微波等离子气体反应管的进气端口处，其中，微波能量能够通过所述耦合装置进入所述圆柱谐振腔内，再通过所述耦合窗耦合进入所述环形反应腔内，多端口同时耦合，耦合效率高，微波能量在反应腔内分布更均匀。
Description
技术领域
本发明涉及微波等离子体领域，特别涉及一种二次耦合微波等离子体重整装置。
背景技术
微波等离子体重整装置是利用微波激发可燃混合气体产生等离子体，通过等离子体促使可燃混合气体发生重整反应，产生富氢气体，具有反应产量高、无需催化剂等优点。等离子体重整反应的机理是利用等离子体中高能电子冲击等离子体中的中性粒子，使中性粒子发生裂解产生活性基(团)，这些活性基(团)在一定条件下，电子与新的原子核或正离子重新组合，形成新的分子或原子结构。常规化学反应很难实现或者需要昂贵重金属作为催化剂才能实现的反应，可以通过等离子体重整反应轻易实现。因此，等离子重整反应可以使汽油、乙醇等燃料转化为富氢可燃混合气用于改善发动机的燃烧。
低温等离子是一种非平衡态等离子体。在低温等离子体中电子温度远大于重粒子温度。这样的好处是一方面等离子体的整体温度不高，可以有效减少重整过程中的热辐射能量损耗，提高重整反应的经济型，另一方面电子由于具有较高的运动速度(低温等离子体中电子温度一般在1eV～10eV之间)，电子和重粒子的碰撞频率很高，有利于化学反应。
微波等离子体是一种理想的低温等离子体，通过微波加热等离子体可以让重整反应不间断的进行。但是，对于微波等离子体重整反应来说最关键的是设计微波等离子体反应腔，反应腔设计的好坏直接决定了重整反应的效率和经济性。在微波等离子体反应腔设计过程中，需要同时考虑混合气体的两种状态，一种是等离子体形成的初始状态，这个过程等离子体还没有形成可以认为是气体状态，另一种状态是混合气体已经充分电离，等离子体状态。由于等离子体在微波中可以看作磁流体，对反应腔的阻抗影响很大，简单通过对反应腔阻抗的匹配一般很难实现对两种不同状态的阻抗匹配。
发明内容
本发明设计开发了一种二次耦合反应腔结构，在反应过程中首先把微波能量耦合到环形反应腔内壁构成的圆柱谐振器内，然后再通过环形反应腔内壁的开孔把微波能量耦合到反应腔内，为等离子体重整反应腔提供能量，使得耦合效率更高、微波能量在反应腔内分布更均匀。
本发明的另一个目的是在环形反应腔内壁开狭缝，通过控制反应腔壁电流分布，控制反应腔内微波模式，从而，使得反应腔对反应腔内阻抗变化具有较高的容忍度、提高反应效率。
本发明提供的技术方案为：
一种二次耦合微波等离子体重整装置，包括：
腔体，其为圆柱形腔体；
环形波导，其环绕在所述腔体中心位置，用于将所述腔体分隔为位于中心位置的圆柱谐振腔和外部的环形反应腔，所述环形波导上设置有多个圆周方向对称均匀分布的耦合窗；
微波等离子体反应管，其设置在所述环形反应腔中心处，所述微波等离子体反应管内通有混合燃气；
耦合装置，其为四分之一波长谐振腔耦合装置，设置在所述谐振腔内部；
点火电极，其包括两根金属丝，连接高压电源，设置在所述微波等离子气体反应管的进气端口处，用于在等离子体反应管内产生形成等离子体所需的初始电荷；
其中，微波能量能够通过所述耦合装置进入所述圆柱谐振腔内，再通过所述耦合窗耦合进入所述环形反应腔内。
优选的是，所述耦合窗为矩形、圆形或椭圆形。
优选的是，所述环形波导上设置有多个小狭缝，用于对环形反应腔内的壁电流进行切割。
优选的是，所述环形反应腔一侧设置有进气口，所述进气口与所述耦合窗中的一个相对设置，所述微波等离子体反应管与所述进气口连通。
优选的是，所述微波等离子体反应管为石英管、陶瓷管或纤维管。
优选的是，所述微波等离子体反应管为圆形的多圈螺旋形管路或横截面为椭圆形的单圈环形管路。
优选的是，所述环形波导截面积为矩形。
优选的是，所述腔体材质为对微波吸收较少的金属。
一种二次耦合微波等离子体重整装置，包括：
腔体，其为圆柱形腔体；
环形波导，其环绕在所述腔体中心位置，用于将所述腔体分隔为位于中心位置的圆柱谐振腔和外部的环形反应腔，所述环形波导上设置有多个圆周方向对称均匀分布的耦合窗；
微波等离子体反应管，其设置在所述环形反应腔中心处，所述微波等离子体反应管内通有混合燃气；
耦合装置，其为探针耦合装置，设置在所述谐振腔内部；
点火电极，其包括两根金属丝，连接高压电源，用于在等离子体反应管内产生形成等离子体所需的初始电荷；
其中，微波能量能够通过所述耦合装置进入所述圆柱谐振腔内，再通过所述耦合窗耦合进入所述环形反应腔内。
优选的是，所述探针耦合装置采用圆盘状或实心喇叭口状探针。
本发明所述的有益效果
1、本发明提供的二次耦合微波等离子体重整装置与传统方式通过探针耦合把微波能量直接耦合到反应腔相比耦合效率更高，本发明重整装置首先把微波能量耦合到圆柱谐振腔，再通过圆柱谐振腔的多个耦合窗把微波能量耦合到反应腔，相当于多端口同时耦合，微波能量在反应腔内分布更均匀。
2、本发明提供的二次耦合方案相比于直接耦合对反应腔内阻抗变化容忍度更高，充分考虑了反应腔在点火前后的阻抗变化，多端口耦合使得反应腔即使阻抗严重失调，也能把微波能量尽可能多而且均匀的耦合到反应腔。
3、本发明提供的二次耦合微波等离子体重整装置，引入壁电流切割控制反应腔内的微波模式分布，不但可以有效的抑制反应腔等离子体状态下的杂模干扰，在反应腔内阻抗急剧变化时，如点火前后，还可以控制反应腔内的微波模式变化，使反应腔微波模式较稳定，顺利点火形成等离子体。
4、本发明提供的二次耦合微波等离子体重整装置，无论是用来耦合微波能量的大耦合窗还是切割壁电流的小狭缝都处在空心封闭腔体内部，不会造成微波辐射。
5、本发明提供的二次耦合微波等离子体重整装置结构紧凑体积小、而且安全高效。
附图说明
图1为本发明所述的二次耦合微波等离子体重整装置俯视图。
图2为本发明所述的二次耦合微波等离子体重整装置侧视图。
图3为本发明利用电磁仿真软件构建的二次耦合微波等离子体重整装置三维模型。
图4为本发明所述的螺旋形多圈等离子体反应管。
图5为本发明所述的横截面为椭圆形的等离子体反应管。
图6为本发明所述采取圆盘状探针耦合的二次耦合微波等离子体重整装置。
图7为本发明所述的采取喇叭口状探针耦合的二次耦合微波等离子体重整装置。
图8本发明所述的反应腔内可能出现的若干微波模式图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1所示，本发明提供的二次耦合微波等离子体重整装置，包括：微波等离子体反应腔1001、圆柱谐振腔1002、等离子体反应管1003、耦合装置1004以及点火电极1005等部分。
其中，重整装置的腔体为竖直放置的空心圆柱形腔体，在腔体中心位置，环绕有横截面为矩形的环形波导1007，环形波导1007把空心圆柱形腔体分为两部分，其中环形波导1007和圆柱形腔体外壁1006组成微波等离子体环形反应腔1001，环形波导1007本身在圆柱腔体中心位置又构成了一个较小的圆柱谐振腔1002，作为一种优选，重整装置的腔体选择对微波吸收较少的金属材料制作。
如图3所示，微波等离子体反应腔1001为环形腔体，即为环形反应腔，环形腔体两侧由法兰密封，要求环形腔体至少有一侧法兰1006-3是可拆卸的，这样可以方便更换等离子体反应管1003，在环形反应腔外壁1006上开有方便气体管路进出的出气端口1006-1和进气端口1006-2，等离子体反应管1003放置在微波等离子体反应腔1001中心位置，这样做的好处是既可以使等离子体反应管1003位于反应腔内场强较大位置，又可以保证等离子体反应管1003的长度，提高等离子体重整反应的效率，
如图4、5所示，等离子体反应管1003由耐高温透波材料制成(如石英、陶瓷等材料)，可以把等离子体反应管1003做成横截面为圆形的多圈螺旋形管路1003-1，也可以把反应管路做成横截面为椭圆形的单圈环形管路1003-2，在加工工艺允许的条件下优先选择横截面为椭圆形的单圈环形管路，这样可以有效提高反应管路内的反应气体体积，从而提高反应产量。
如图3所示，圆柱谐振腔1002位于重整装置的中心位置，圆柱谐振腔1002的外壁由环形波导1007构成。在环形波导1007上开有若干在圆周方向对称均匀分布的耦合窗1007-1，耦合窗一般是矩形狭缝，也可以是圆形、椭圆等对称结构，都能实现较好的耦合效果。耦合窗1007-1的数量和位置由微波等离子体反应腔1001内的微波模式分布决定。如果选用矩形耦合窗，耦合窗1007-1的高度一般为环形波导高度的一半，宽度为环形波导横截面的三到五倍，具体尺寸可通过电磁学原理估算并借助专业软件仿真优化。
同时，考虑到等离子体反应管1003中的气体在点火之前和点火后的一小段时间并非处在等离子体状态，微波等离子体反应腔1001在这段时间内阻抗变化很大，微波等离子体反应腔1001很难同时满足两种状态的阻抗匹配，阻抗变化太大同时又会造成反应腔微波模式的变化，如果在等离子体反应管1003内完全形成等离子体之前，微波等离子体反应腔1001内微波模式变化很大，反应腔内电场不稳定，而且大部分微波能量在耦合端口被反射回去，微波等离子体反应腔1001内可能很难形成等离子体。而微波等离子体反应腔1001内微波模式分布和反应腔壁电流分布息息相关，因此可以在微波等离子体反应腔1001内壁也就是环形波导1007上，再开有若干宽度很窄的小狭缝1007-2，对反应腔内壁壁电流进行切割，小狭缝1007-2的位置应该由等离子体状态下反应腔的壁电流分布决定。为了防止小狭缝1007-2在微波电场作用下放电，还可以在小狭缝1007-2位置填充绝缘材料。壁电流切割小狭缝1007-2的引入，不光可以在阻抗失调时控制反应腔的微波模式，而且在微波等离子体反应腔1001阻抗匹配良好时，还可以抑制反应腔内的杂模干扰。
耦合装置1004，耦合装置的作用是把传输线内的微波能量耦合到微波等离子体反应腔1001内，尽可能减少微波能量在耦合端口处的反射。当等离子体反应管1003内气体状态发生变化，微波等离子体反应腔1001阻抗失调时，一个好的耦合装置可以在很大程度上弥补阻抗变化对反应腔带来的影响，把尽可能多的微波能量耦合到反应腔。圆柱谐振腔1002的耦合装置1004可以是探针耦合，探针的形状可以是圆盘状也可以是实心喇叭口状，分别如图6、图7所示。为了更好的把微波能量耦合到圆柱谐振腔1002，也可以采用1/4波长谐振腔耦合装置，如图2所示。传输线1004-3内的微波能量经阻抗匹配装置1004-2传递到1/4波长谐振腔1004-1内，再经1/4波长谐振腔1004-1耦合孔耦合到圆柱谐振腔内1002，当圆柱谐振腔1002阻抗不完全匹配时，微波能量经由耦合孔反射进入1/4波长谐振腔1004-1，谐振后再次进入圆柱谐振腔1002。用1/4波长谐振腔1004-1作为耦合装置可以把尽可能多的微波能量耦合到圆柱谐振腔1002，本发明优选1/4波长谐振腔作为耦合装置。
点火电极1005，一般由两根金属丝组成，通过高压电源供电，其作用是在等离子体反应管1003内产生形成等离子体所需的初始电荷。点火电极1005一般放置在等离子体反应管1003进气端口1006-2内的某个位置，因此这也要求等离子反应管1003进气端口处在某个耦合窗1007-1的正对面，这样做的好处是可以保证点火电极1005附近微波场强1008较大，有利用等离子体的形成。
实施以二次耦合微波等离子体重整装置的工作过程为例，作进一步的说明，
磁控管或者固态源等其他微波发生装置产生的微波，经由传输线、耦合装置1004，把微波能量耦合到圆柱谐振腔1002内，微波在圆柱谐振腔1002内发生谐振，然后经由环形波导1007上的耦合窗1007-1把微波能量耦合到微波等离子体反应腔1001内。当等离子体反应管1003内气体处在等离子体状态时，反应腔内阻坑匹配良好，工作在预定微波模式，反应腔内发生重整反应，重整反应吸收大量微波能量。这种状态耦合装置1004耦合到圆柱谐振腔1002的微波能量经由环形波导1007上的耦合窗1007-1大部分都耦合到了微波等离子体反应腔1001内被重整反应吸收，耦合窗1007-1反射的微波极少，因此圆柱谐振腔1002内微波不工作在谐振模式，或者说谐振值很小。圆柱谐振腔1002所起的作用是把微波能量经由多个耦合端口1007-1均匀的耦合到微波等离子体反应腔1001内，为重整反应提供能量。而当微波等离子体重整装置工作在点火模式，等离子体反应管1003内还没有形成等离子体状态，反应腔内阻抗不匹配，耦合窗1007-1耦合到微波等离子体反应腔1001内的微波能量大部分又被反射出来，耦合装置1004耦合到圆柱谐振腔1002的微波大部分都停留在了圆柱谐振腔1002内，圆柱谐振腔1002谐振值较大，腔内电场强度得到增强，微波能量相当于在圆柱谐振腔1002内放大后再次耦合到反应腔1001内，实现尽可能多的把微波能量耦合到了反应腔。
如图8所示，在另一实施例中，微波等离子体反应腔1001在设计过程中需要同时满足两种工作状态，既能在点火状态顺利完成等离子体点火，在等离子体反应管1003内形成等离子体，又能在等离子体状态下持续电离反应气体，为重整反应腔1001提供能量。为了同时满足两个不同的工作状态，本文给出的解决方案是：让反应腔在点火状态和等离子体状态分别工作在不同的微波模式，反应腔内可能出现的若干模式图，对环形反应腔内可能出现的微波模式综合分析发现，TM模式下的微波只和反应腔的内外径之差相关，而且TM01模式下微波电场强度沿反应腔周向均匀分布，有利于微波等离子体反应腔1001顺利点火，因此点火状态下微波优先选择工作在TM01模式，当微波频率为2.45GHZ时工作在TM01模式的反应腔内外径之差为62mm。在等离子体状态下要求反应腔内微波场强分布尽可能较均匀，因此可以选择等离子体模式下微波工作在TE31模式或者TE41模式(TE41模式图和TE31模式图类似，TE31模式在周向有6各波峰，而TE41模式在周向有8个波峰)。微波等离子体反应腔1001中心线周长应该为波导波长的整数倍，计算可以得出2.45GHZ微波条件下TE31工作模式下反应腔内径应该为43.8mm。需要指出的反应腔内径尺寸是在非等离子体状态下的计算结果，其具体数值应该在等离子体状态下借助电磁仿真分析软件优化修正。
微波等离子体反应腔1001微波工作模式确定后随即可以确定耦合窗1007-1的数量和位置。耦合装置的具体数量应该和微波等离子体反应腔1001内的驻波数相对应，同时耦合窗应该处在反应腔对应模式场强最大位置附近，耦合窗的数量可以少于反应腔内驻波数，但耦合窗应该在反应腔内周向对称分布。
一种工作在TE31模式下的微波等离子体反应腔场强分布图，当耦合窗数量为三时，微波能量已经能较均匀的耦合到反应腔内。
当微波等离子体重整装置选用1/4波长谐振腔当作耦合装置1004时，由于谐振腔出射波为球面波，为了微波在圆柱谐振腔1002底部更好的反射，圆柱谐振腔1002底部法兰不应该设计成平面，应该是球冠状，球冠的圆心位置处在谐振腔出射孔位置。
本发明所述二次耦合微波等离子体重整装置，通过圆柱谐振腔的多个耦合端口把微波能量耦合到重整反应腔内不但可以保证在等离子体重整状态微波能量均匀的耦合到反应腔内，而且还同时考虑了在阻抗失调的点火状态，通过合理设计反应腔尺寸，让反应腔满足两种不同状态的工作要求，结合多端口耦合和壁电流切割，保证了重整装置顺利点火。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (10)
1.一种二次耦合微波等离子体重整装置，其特征在于，包括：
腔体，其为圆柱形腔体；
环形波导，其环绕在所述腔体中心位置，用于将所述腔体分隔为位于中心位置的圆柱谐振腔和外部的环形反应腔，所述环形波导上设置有多个圆周方向对称均匀分布的耦合窗；
微波等离子体反应管，其设置在所述环形反应腔中心处，所述微波等离子体反应管内通有混合燃气；
耦合装置，其为四分之一波长谐振腔耦合装置，设置在所述谐振腔内部；
点火电极，其包括两根金属丝，连接高压电源，设置在所述微波等离子气体反应管的进气端口处，用于在等离子体反应管内产生形成等离子体所需的初始电荷；
其中，微波能量能够通过所述耦合装置进入所述圆柱谐振腔内，再通过所述耦合窗耦合进入所述环形反应腔内。
2.根据权利要求1所述的二次耦合微波等离子体重整装置，其特征在于，所述耦合窗为矩形、圆形或椭圆形。
3.根据权利要求2所述的二次耦合微波等离子体重整装置，其特征在于，所述环形波导上设置有多个小狭缝，用于对环形反应腔内的壁电流进行切割。
4.根据权利要求3所述的二次耦合微波等离子体重整装置，其特征在于，所述环形反应腔一侧设置有进气口，所述进气口与所述耦合窗中的一个相对设置，所述微波等离子体反应管与所述进气口连通。
5.根据权利要求1所述的二次耦合微波等离子体重整装置，其特征在于，所述微波等离子体反应管为石英管、陶瓷管或纤维管。
6.根据权利要求5所述的二次耦合微波等离子体重整装置，其特征在于，所述微波等离子体反应管为圆形的多圈螺旋形管路或横截面为椭圆形的单圈环形管路。
7.根据权利要求1所述的二次耦合微波等离子体重整装置，其特征在于，所述环形波导截面积为矩形。
8.根据权利要求1所述的二次耦合微波等离子体重整装置，其特征在于，所述腔体材质为对微波吸收较少的金属。
9.一种二次耦合微波等离子体重整装置，其特征在于，包括：
腔体，其为圆柱形腔体；
环形波导，其环绕在所述腔体中心位置，用于将所述腔体分隔为位于中心位置的圆柱谐振腔和外部的环形反应腔，所述环形波导上设置有多个圆周方向对称均匀分布的耦合窗；
微波等离子体反应管，其设置在所述环形反应腔中心处，所述微波等离子体反应管内通有混合燃气；
耦合装置，其为探针耦合装置，设置在所述谐振腔内部；
点火电极，其包括两根金属丝，连接高压电源，用于在等离子体反应管内产生形成等离子体所需的初始电荷；
其中，微波能量能够通过所述耦合装置进入所述圆柱谐振腔内，再通过所述耦合窗耦合进入所述环形反应腔内。
10.根据权利要求9所述的二次耦合微波等离子体重整装置，其特征在于，所述探针耦合装置采用圆盘状或实心喇叭口状探针。
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