專利名稱：用等離子體制取高溫、富含活性粒子水蒸汽的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用等離子體制取高溫、富含活性粒子水蒸汽的方法及裝置，特別 是用于煤、生物質(zhì)及垃圾的氣化轉(zhuǎn)化過程使用的提高氣化強(qiáng)度的高溫高活性水蒸汽制備技 術(shù)。
背景技術(shù)：
水蒸汽熱等離子體用于煤、生物質(zhì)及垃圾的氣化轉(zhuǎn)化可大大提高氣化強(qiáng)度，可以 調(diào)節(jié)合成氣中有效氣體H2的比例，使合成氣可以滿足不同使用要求。因此基于熱等離子體 的水蒸汽氣化技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到重視。傳統(tǒng)的水蒸汽等離子體氣化方法，使用水蒸汽 作為等離子體的工作氣，由于水蒸汽具有氧化性，這在一定程度上加快了電極的損耗，縮短 電極的使用壽命；這一因素制約了等離子體氣化技術(shù)的發(fā)展。專利申請01U9931. 2公開了氫氣、CH4及水蒸汽作為工作氣體的等離子體熱解氣 化制取合成氣的方法，由于水蒸汽具有氧化性，使得等離子發(fā)生器的電極損耗加快，使用壽 命縮短。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用等離子體制取高溫、富含活性粒子水蒸汽的方法及裝 置，采用非氧化性氣體作為等離子發(fā)生器的工作氣體，生成的高溫等離子體再加熱水蒸汽 制取高溫、富含高活性粒子水蒸汽，避免了水蒸汽與電極的接觸，延長電極的使用壽命。本發(fā)明的技術(shù)方案本發(fā)明的用等離子體制取高溫、富含活性粒子水蒸汽的方法， 步驟包括1)制備水蒸汽及通過等離子發(fā)生器將工作氣體電離成高溫等離子體工質(zhì)，工作氣 體選用非氧化性氣體中的一種或幾種；2)將高溫等離子體工質(zhì)噴射入高溫水蒸汽發(fā)生器形成高溫電離環(huán)境，同時將水蒸 汽通過旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向葉片高速送入高溫水蒸汽發(fā)生器，與高溫等離子體工質(zhì)強(qiáng)烈混合，水蒸汽 被加熱、活化，形成具有活性粒子的水蒸汽。所述的步驟1)工作氣體通過等離子發(fā)生器被電離成高溫等離子體的溫度為 3000K 12000K。所述的工作氣體優(yōu)選氮?dú)?。所述的步驟幻高溫等離子體工質(zhì)噴入高溫水蒸汽發(fā)生器的速度為30 100m/S， 水蒸汽噴入高溫水蒸汽發(fā)生器的速度為5 30m/s ；通過調(diào)節(jié)高溫等離子體工質(zhì)與水蒸汽 進(jìn)入高溫水蒸汽發(fā)生器的質(zhì)量流量比例，使高溫水蒸汽發(fā)生器中加熱后的水蒸汽達(dá)到出口 處的溫度為1000K 4000K。所述的用等離子體制取高溫、富含活性粒子水蒸汽的方法，在高溫水蒸汽發(fā)生器 的殼體上間隔設(shè)置1 4級水蒸汽進(jìn)入的環(huán)形狹口，部分水蒸汽通過壓力輸送裝置由環(huán)形 狹口進(jìn)入高溫水蒸汽發(fā)生器，在高溫水蒸汽發(fā)生器壁上形成保護(hù)高溫水蒸汽發(fā)生器壁面的低溫水膜。所述的送入高溫水蒸汽發(fā)生器的水蒸汽優(yōu)選飽和水蒸汽。本發(fā)明的用等離子體制取高溫、富含活性粒子水蒸汽的裝置包括等離子發(fā)生器和 高溫水蒸汽發(fā)生器，其高溫水蒸汽發(fā)生器的一端中部設(shè)有高溫等離子體進(jìn)入口與等離子發(fā) 生器出口連通，等離子發(fā)生器有非氧化性氣體進(jìn)口，在高溫等離子體進(jìn)入口的周圍是環(huán)形 水蒸汽進(jìn)口，環(huán)形水蒸汽進(jìn)口內(nèi)安裝旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向葉片。所述的高溫水蒸汽發(fā)生器的殼體是逐級變大的臺階狀，分1 4級臺階，每級臺階 處的相鄰兩段殼體間有水蒸汽進(jìn)入的環(huán)形狹口，環(huán)形狹口與水蒸汽壓力輸送裝置連接。所述的高溫水蒸汽發(fā)生器的殼體上逐級變大的臺階每級長度范圍300 800mm。所述的環(huán)形狹口的徑向?qū)挾葹?_15mm。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明工作氣體選用非氧化性氣體，對等離子發(fā)生器電極無腐蝕作用，加上水蒸 汽通過單獨(dú)進(jìn)口進(jìn)入，不與等離子發(fā)生器的電極接觸，使電極壽命長。本發(fā)明水蒸汽通過環(huán)形水蒸汽進(jìn)口導(dǎo)向葉片進(jìn)口高速旋轉(zhuǎn)噴入高溫水蒸汽發(fā)生 器中的等離子體高溫區(qū)域，與高溫等離子體強(qiáng)烈、迅速混合，水蒸汽被加熱、活化，富含大 量活性粒子。通過調(diào)節(jié)等離子體與水蒸汽的進(jìn)口質(zhì)量流量比例，使加熱后的水蒸汽溫度為 1000K 4000K，滿足氣化需要。水蒸汽通過高溫水蒸汽發(fā)生器殼體上的環(huán)形狹口進(jìn)入，在 高溫水蒸汽發(fā)生器壁面處形成低溫水膜，保護(hù)壁面。


圖1為用等離子體制取高溫、富含活性粒子水蒸汽的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖1的A-A剖視圖。圖3是圖1的B-B剖視圖。
具體實(shí)施例方式如圖1、圖2、圖3 本發(fā)明的用等離子體制取高溫、富含活性粒子水蒸汽的裝置包 括等離子發(fā)生器1和高溫水蒸汽發(fā)生器2，其高溫水蒸汽發(fā)生器2的一端中部設(shè)有高溫等離 子體進(jìn)入口 4與等離子發(fā)生器1出口 Ib連通，等離子發(fā)生器1有非氧化性氣體進(jìn)口 la，在 高溫等離子體進(jìn)入口 4的周圍是環(huán)形水蒸汽進(jìn)口 3d，環(huán)形水蒸汽進(jìn)口 3d內(nèi)安裝旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向葉 片7。環(huán)形水蒸汽進(jìn)口 3d通過環(huán)腔和管口 3dl與水蒸汽壓力輸送裝置3連接。6是環(huán)形水 蒸汽進(jìn)口 3d內(nèi)的多孔板。5是高溫水蒸汽發(fā)生器2的高溫、富含活性粒子水蒸汽出口。進(jìn)一步地，所述的高溫水蒸汽發(fā)生器2的殼體是逐級變大的臺階狀，分1 4級 臺階，以3級為例，高溫水蒸汽發(fā)生器2的殼體包括2a、2b、2c，每級臺階處的相鄰兩段殼體 間有水蒸汽進(jìn)入的環(huán)形狹口 3a、;3b、3C，環(huán)形狹口 3a、3b、3c通過各自的帶環(huán)腔的管口 3al、 3bl、3cl與水蒸汽壓力輸送裝置3連接。所述的高溫水蒸汽發(fā)生器的殼體上逐級變大的臺階每節(jié)長度范圍300 800mm。 殼體為耐火材料。所述的環(huán)形狹口的徑向?qū)挾葹?_15mm。本發(fā)明的用等離子體制取高溫、富含活性粒子水蒸汽的方法，步驟包括
1)制備水蒸汽及通過等離子發(fā)生器將工作氣體電離成高溫等離子體工質(zhì)，工作氣 體選用非氧化性氣體中的一種或幾種；2)將高溫等離子體工質(zhì)噴射入高溫水蒸汽發(fā)生器形成高溫電離環(huán)境，同時將水蒸 汽通過旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向葉片高速送入高溫水蒸汽發(fā)生器，與高溫等離子體工質(zhì)強(qiáng)烈混合，水蒸汽 被加熱、活化，形成具有活性粒子的水蒸汽。所述的步驟1)工作氣體通過等離子發(fā)生器被電離成高溫等離子體的溫度為 3000K 12000K。所述的水蒸汽包括不飽和水蒸汽、飽和水蒸汽及過熱水蒸汽以及水蒸汽與空氣或 /和氧氣混合物，優(yōu)選飽和水蒸汽。常用非氧化性氣體有Ar，N2, H2，C02, CH4等，優(yōu)選氮?dú)?。進(jìn)一步地，步驟2~)高溫等離子體工質(zhì)噴入高溫水蒸汽發(fā)生器的速度為30 IOOm/ s，水蒸汽噴入高溫水蒸汽發(fā)生器的速度為5 30m/s ；通過調(diào)節(jié)高溫等離子體工質(zhì)與水蒸 汽進(jìn)入高溫水蒸汽發(fā)生器的質(zhì)量流量比例，使在高溫水蒸汽發(fā)生器中加熱后的水蒸汽達(dá)到 出口處的溫度為1000K 4000K。進(jìn)一步地，在高溫水蒸汽發(fā)生器的殼體上間隔設(shè)置1 4級水蒸汽進(jìn)入的環(huán)形狹 口，部分水蒸汽通過壓力輸送裝置由環(huán)形狹口進(jìn)入高溫水蒸汽發(fā)生器，在高溫水蒸汽發(fā)生 器壁上形成保護(hù)高溫水蒸汽發(fā)生器壁面的低溫水膜。所述的高溫水蒸汽發(fā)生器的殼體上逐級變大的臺階每節(jié)長度范圍300 800mm. 所述的環(huán)形狹口的徑向?qū)挾葹?-15mm。實(shí)施一工作氣體N2通過等離子發(fā)生器1被電離形成約3000K的高溫等離子體，以30m/s 的速度噴入高溫水蒸汽發(fā)生器2，形成3000K高溫電離區(qū)域；飽和水蒸汽一部分通過具有導(dǎo) 向葉片的環(huán)形水蒸汽進(jìn)口 3d形成10m/S的高速旋轉(zhuǎn)氣流噴入高溫水蒸汽發(fā)生器2，與高溫 等離子體強(qiáng)烈、迅速混合；另一部分水蒸汽通過環(huán)形狹口 3a、3b、3c以5m/s的速度進(jìn)入高溫 水蒸汽發(fā)生器2，在高溫水蒸汽發(fā)生器2的內(nèi)壁形成低溫水膜壁，起到保護(hù)壁面的作用。由 于高溫等離子體存在大量被電離的活性粒子，當(dāng)飽和蒸汽與其接觸并混合后，水蒸汽被加 熱電離成富含大量活性粒子(活性H20、活性H、活性O(shè)、HO", H_，O+2)的高溫水蒸汽，反應(yīng)后 的水蒸汽在出口 5處溫度達(dá)到1500K，可以直接進(jìn)入氣化裝置參與氣化反應(yīng)。實(shí)施二工作氣體C02通過等離子發(fā)生器1被電離形成約5000K的高溫等離子體，以70m/s 的速度噴入高溫水蒸汽發(fā)生器2，形成5000K高溫電離區(qū)域；飽和水蒸汽一部分通過具有導(dǎo) 向葉片的環(huán)形水蒸汽進(jìn)口 3d形成15m/s的高速旋轉(zhuǎn)氣流噴入高溫水蒸汽發(fā)生器2，與高溫 等離子體強(qiáng)烈、迅速混合；另一部分水蒸汽通過環(huán)形狹口 3a、3b、3c以7m/s的速度進(jìn)入高溫 水蒸汽發(fā)生器2，在高溫水蒸汽發(fā)生器2的內(nèi)壁形成低溫水膜壁，起到保護(hù)壁面的作用。由 于高溫等離子體存在大量被電離的活性粒子，當(dāng)飽和蒸汽與其接觸并混合后，水蒸汽被加 熱電離成富含大量活性粒子(活性H20、活性H、活性O(shè)、HO", H_，O+2)的高溫水蒸汽，反應(yīng)后 的水蒸汽在出口 5處溫度達(dá)到MOOK，可以直接進(jìn)入氣化裝置參與氣化反應(yīng)。實(shí)施三工作氣體Ar通過等離子發(fā)生器1被電離形成約12000K的高溫等離子體，以IOOm/s的速度噴入高溫水蒸汽發(fā)生器2，形成10000K高溫電離區(qū)域；飽和水蒸汽一部分通過具有 導(dǎo)向葉片的環(huán)形水蒸汽進(jìn)口 3d形成30m/s的高速旋轉(zhuǎn)氣流噴入高溫水蒸汽發(fā)生器2，與高 溫等離子體強(qiáng)烈、迅速混合；另一部分水蒸汽通過環(huán)形間距IOmm狹口 3a、3b、3c以10m/S的 速度進(jìn)入高溫水蒸汽發(fā)生器2，在高溫水蒸汽發(fā)生器2的內(nèi)壁形成低溫水膜壁，起到保護(hù)壁 面的作用。由于高溫等離子體存在大量被電離的活性粒子，當(dāng)飽和蒸汽與其接觸并混合后， 水蒸汽被加熱電離成富含大量活性粒子(活性H20、活性H、活性0、Η0_，Η_，(Τ2)的高溫水蒸 汽，反應(yīng)后的水蒸汽在出口 5處溫度達(dá)到3000Κ，可以直接進(jìn)入氣化裝置參與氣化反應(yīng)。

本發(fā)明的核心是水蒸汽通過單獨(dú)進(jìn)口進(jìn)入高溫水蒸汽發(fā)生器，不與等離子發(fā)生器 的電極接觸。因此，凡是采樣非氧化性氣體作為電離介質(zhì)，水蒸汽通過單獨(dú)進(jìn)口進(jìn)入高溫水 蒸汽發(fā)生器的，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種用等離子體制取高溫、富含活性粒子水蒸汽的方法，步驟包括1)制備水蒸汽及通過等離子發(fā)生器將工作氣體電離成高溫等離子體工質(zhì)，工作氣體選 用非氧化性氣體中的一種或幾種；2)將高溫等離子體工質(zhì)噴射入高溫水蒸汽發(fā)生器形成高溫電離環(huán)境，同時將水蒸汽通 過旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向葉片高速送入高溫水蒸汽發(fā)生器，與高溫等離子體工質(zhì)強(qiáng)烈混合，水蒸汽被加 熱、活化，形成具有活性粒子的水蒸汽。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用等離子體制取高溫、富含活性粒子水蒸汽的方法，其特 征在于步驟1)工作氣體通過等離子發(fā)生器被電離成高溫等離子體的溫度為3000K 12000K。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用等離子體制取高溫、富含活性粒子水蒸汽的方法，其特 征在于工作氣體選用氮?dú)狻?br> 4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用等離子體制取高溫、富含活性粒子水蒸汽的方法，其特 征在于步驟2、高溫等離子體工質(zhì)噴入高溫水蒸汽發(fā)生器的速度為30 100m/S，水蒸汽 噴入高溫水蒸汽發(fā)生器的速度為5 30m/s ；通過調(diào)節(jié)高溫等離子體工質(zhì)與水蒸汽進(jìn)入高 溫水蒸汽發(fā)生器的質(zhì)量流量比例，使高溫水蒸汽發(fā)生器中加熱后的水蒸汽達(dá)到出口處的溫 度為 1000K 4000K。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用等離子體制取高溫、富含活性粒子水蒸汽的方法，其特 征在于在高溫水蒸汽發(fā)生器的殼體上間隔設(shè)置1 4級水蒸汽進(jìn)入的環(huán)形狹口，部分水蒸 汽通過壓力輸送裝置由環(huán)形狹口進(jìn)入高溫水蒸汽發(fā)生器，在高溫水蒸汽發(fā)生器壁上形成保 護(hù)高溫水蒸汽發(fā)生器壁面的低溫水膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用等離子體制取高溫、富含活性粒子水蒸汽的方法，其特 征在于送入高溫水蒸汽發(fā)生器的水蒸汽是飽和水蒸汽。
7.一種用等離子體制取高溫、富含活性粒子水蒸汽的裝置，包括等離子發(fā)生器(1)和 高溫水蒸汽發(fā)生器O)，其特征在于高溫水蒸汽發(fā)生器( 的一端中部設(shè)有高溫等離子體 進(jìn)入口(4)與等離子發(fā)生器(1)的出口(Ib)連通，等離子發(fā)生器(1)有電離介質(zhì)氣體進(jìn)口 (Ia)，在高溫等離子體進(jìn)入口(4)的周圍是環(huán)形水蒸汽進(jìn)口(3d)，環(huán)形水蒸汽進(jìn)口(3d)內(nèi) 安裝旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向葉片(7)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用等離子體制取高溫、富含活性粒子水蒸汽的裝置，其特征 在于高溫水蒸汽發(fā)生器O)的殼體是逐級變大的臺階狀，分1 4級臺階，每級臺階處的 相鄰兩段殼體間有水蒸汽進(jìn)入的環(huán)形狹口，環(huán)形狹口與水蒸汽壓力輸送裝置連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用等離子體制取高溫、富含活性粒子水蒸汽的裝置，其特征 在于所述的高溫水蒸汽發(fā)生器的殼體上逐級變大的臺階每級長度范圍300 800mm。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用等離子體制取高溫、富含活性粒子水蒸汽的裝置，其特征 在于所述的環(huán)形狹口的徑向?qū)挾葹?-15mm。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用等離子體制取高溫、富含活性粒子水蒸汽的方法及裝置，裝置包括等離子發(fā)生器和高溫水蒸汽發(fā)生器，高溫水蒸汽發(fā)生器的一端中部設(shè)有高溫等離子體進(jìn)入口與等離子發(fā)生器1出口連通，等離子發(fā)生器有非氧化性氣體進(jìn)口，在高溫等離子體進(jìn)入口的周圍是環(huán)形水蒸汽進(jìn)口，環(huán)形水蒸汽進(jìn)口內(nèi)安裝旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向葉片。高溫水蒸汽發(fā)生器的殼體是逐級變大的臺階狀，分1～4級臺階，每級臺階處的相鄰兩段殼體間有水蒸汽進(jìn)入的環(huán)形狹口，環(huán)形狹口與水蒸汽壓力輸送裝置連接。方法是制備的水蒸汽及通過等離子發(fā)生器被電離成高溫等離子體工質(zhì)通過各自的入口噴射入高溫水蒸汽發(fā)生器，高溫水蒸汽與高溫等離子體強(qiáng)烈混合，水蒸汽被加熱、活化，形成具有活性粒子的水蒸汽。
文檔編號B01J19/08GK102125818SQ20101061785
公開日2011年7月20日 申請日期2010年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月31日
發(fā)明者張巖豐, 曹民俠, 李宏, 陳義龍 申請人:武漢凱迪工程技術(shù)研究總院有限公司