一种热处理废气电浆重组发电方法及电浆重组反应器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种热处理废气的处理方法，具体涉及一种热处理废气电浆重组发电的方法，和电浆重组反应器。
【背景技术】
[0002]热处理就是将钢铁或其他金属材料在固体状态下，加热至一定温度再予以冷却，以改变其物理和机械性质。而热处理的方法很多，通常以淬火、退火、回火三种为代表，主要是把金属或钢铁材料的常温组织，经由加热、冷却、浸浴等过程，改变为加工上需要的物理和机械性质，而处理的环境条件，主要由热处理炉内气体气氛与温度来控制，为求产品的稳定，处理期间必须将调好组成的气体，不间断的送入炉内，使其达到制程气氛的稳定，用量极大且成本极高，而其使用后的气体，虽然仍具有可燃性，因考虑对厂房的人员安全与环境的保护，至今无适当回收与储存方式，故需全数点火烧掉，也无形中造成了相当的燃料浪费。在环保意识抬头的今日，大量的热处理废气，能够藉由电浆重组技术将其转换成燃气发电机可用之燃料，本技术兼顾环保与节能，是未来节能产业技术发展的趋势，也能替未来的环境尽最大保护之力。
[0003]般来说，电浆广泛存在于自然界中，一般物质在标准的常温常压状态下，有固体、液体、气体等三态，若对于一气体分子加热至高温或与任一高能量粒子互相碰撞，造成气体的离子化、解离化、激发化并释放出能量，气体分子中的电子脱离原子核的束缚而自由活动，形成自由电子，形成一正负电荷、中性分子及自由基组成的集合体，即称为电浆，亦称为物质的第四态。电浆主要是经由碰撞来产生的，电子受到电场的加速而获得高能量，此电子在放电区内与气体分子互相碰撞，因电子质量远小于气体分子质量，故电楽内部属于非弹性碰撞，依原子的观点来看，内能的增加会使原子内的电子进行跃迀，能量若够大，电子由原子核中的束缚脱离出来，让原子形成电子与离子，碰撞中产生的电子继续与其他气体分子进行碰撞，如此的碰撞不断进行，造成系统内的气体分子崩溃。在压力低的环境下，平均自由径的数值较大，电子有较长的加速距离，并获得较大的能量。因此，欲提高电子动能，可增加电场强度或是提高平均自由径，故一般电浆会在高电压或低气压的环境下操作，先将设备腔体以帮浦抽气抽至一定的真空值，通入反应气体，并对反应气体进行放电至气体解离。而三种典型的电浆产生方式包括:以直流电源在两电极板间进行放电、以微波或射频源使气体分子电离、以金属丝加热后放出电子使气体电离。
[0004]电浆中激发后所生成的活性物种，降低了反应的活化能来增加反应速率，有别于其他化学反应因活化能过高而难以发生反应，藉由气体分子的解离与离子化来产生多样的活性自由基。其中电浆牵涉到许多不同的反应，当反应性气体在电浆放电区产生的多种活性物种等，与反应性气体发生碰撞并产生反应，最后在后辉光放电区结合成稳定分子，经由附着、重组反应把失去的电子平衡于离子化反应及去附着反应。
[0005]基于上述电浆之原理，在工业上的应用有表面清洁修饰、镀膜与表面改质、气体重组反应及环境污染物处理等，而其中最常见于气体重组反应的电浆类型如下: (I)介电质放电(Dielectric-barrier discharge):此放电系统在两同心圆玻璃管中进行气体放电，介电质放电原理大致相同，但种类繁多，简单来说可透过金属电极板将放电产生的热散发掉，主要运用于臭氧的生产;还可让放电发生在两介电质间，可防止放电电浆直接与电极板直接接触，故可通入腐蚀性气体且具有高纯度电浆等特性;若在介电质两边同时产生两种不同电浆。典型的介电质材料为石英、玻璃、陶瓷或是高分子材料等，并在两电极间产生许多微放电丝，这些放电丝随机分布在反应器中且时间仅有数微秒，类似高压的辉光放电。
[0006](2)电晕放电(Corona discharge):当一端电极(点状或线状电极)，与另一电极(板状或圆柱形电极)距离一定的距离以上，施于高电压将点状或线状电极附近形成强电场，在电极附近的气体分子中的电子受到一高能量撞击而游离，产生正电荷、负电荷等，此种现象称为电晕放电。电晕放电会依放电电极为带正负电来分类为正电晕及负电晕。电晕放电设备大多为两不对称性电极，点对面、线对面等，操作不当易产生电弧。
[0007](3)电弧(Arc)放电:其重要特色为高电流相对于低电压，温度高，可达到局部热平衡。当电压提升至电流密度大于3.2 A/cm时，电极间会发生电子的热发射与场发射，让电浆内的电子来源不单是二次电子，当电流密度高于10 A/cm时，即为一种高能量的电浆。
[0008](4)微波(Microwave)放电系统:主要是频率介在300 MHz?300 GHz间的电磁波，以固定频率的磁控管(magnetron)为主，就工业上规格2.45 GHz来说，从数百瓦到10 kW都有提供。隔绝器(isolator)是保护微波源不受到反射波的影响或破坏。方向耦合器则是整合电磁波能量及微波源的行进方向，并侦测微波入射及反射功率。匹配器(matching box)是用来调节电浆源输入的阻抗值，已得到最大的输入功率值。
[O009 ] (5)射频(r a d i ο f r e q u e n c y)放电系统:在直流电楽源中的电极给予一层绝缘物质，由于电荷的累积让表面电位下降，直到电流无法构成回路而无法继续作业，在应用上而受到限制。若使用交流电源时，电源是以正负相交的方式输入，故输入负电压所累积的正电荷可由正电压的电子来相互平衡，一般来说，射频功率以使用13.56 MHz或其倍频之频率。而常见的为电容耦合式射频电浆源，是在两平行电极板上施于射频电压加速电子，游离气体而产生电浆。腔体中的电子受到电场加速而获得能量(离子质量远大于电子质量，几乎感受不到电场的变化)，向腔体内部四处扩散，在扩散过程中也会与其他粒子进行碰撞，另外，较高能量的电子与中性气体分子进行碰撞发生游离反应，此反应会反覆的持续发生来产生更多的离子与电子等，以维持电浆状态。
[0010]在各种电浆重组反应中，最常见的反应气体为甲烷，其为天然气主要的成分，可直接供应于工业、家用及发电的燃料来源;在发电燃料上，甲烷可减缓能源短缺，减少燃煤发电，并降低燃煤发电对环境污染;且甲烷的氢碳比(Η/C)为4，已大于煤炭的0.5及石油的2，此数据已说明甲烷经过燃烧所产生出的产物，其产物的含碳气体必少于石油及煤炭，未来，甲烷将成为能源的主要供应来源。
[0011]而随着对环保意识的重视，天然气的需求明显较以往增加，天然气作为燃料的经济效益也渐渐大于工业用燃料，若要进一步增进能源效应，可将天然气进一步重组制成甲烷，再进行相关应用，可大幅增进总热值，而此部分亦可配合电浆重组技术，再将甲烷转制成氢气，以提升总热值。整体而言，烷气的电浆重组产氢主要是利用电浆中的电子与活性物种等具有高能量粒子来进行碰撞，让烷气得以与高能量粒子相互碰撞裂解断键，产生甲烷及氢气。而反应器操作时，通常以N2、Ar等常用之载流气体作为引燃电浆之气体，主要原因是开始反应时先藉由N2SAr原子核内电子来传递能量并进行碰撞。
[0012]在电浆重组甲烷转制氢气方面，现有技术平台多利