专利名称：等离子体反应装置及采用该装置的等离子体反应方法
技术领域：
本发明涉及一种等离子体反应装置以及采用该装置的等离子体反应方 法，更具体地，本发明涉及一种产生旋转弧等离子体并利用旋转弧等离子 体进行燃料重整和持久性气体化学处理的等离子体反应装置，以及采用该 装置的等离子体反应方法。
背景技术：
通常，物质的状态分为三种，也就是固态、液态和气态。当向固体施 加能量时，固体变为液体，并且当进一步向液体施加能量时，液体变为气 体。当向气体施加更高的能量时，产生第四种物质状态一等离子体，其包 括具有电极性的电子和离子。实质上，等离子体以空气中的发光、极光和 离子层的形式可被观察到。在日常生活中，人工产生的等离子体包含在荧 光灯、汞灯和氖灯中。当具有高动能的气体在超高温度下碰撞时，具有负电荷的电子从原子 或分子中分离，由此形成等离子体。等离子体意思是被分成具有负电荷的 电子和具有正电荷的离子的气态。等离子体具有显著提高的电荷电离度。 等离子体通常包含大致等量的负电荷和正电荷，使得电荷大致等密度地分 布。因此，等离子体几乎处于电中性状态。等离子体分为高温等离子体和低温等离子体。高温等离子体具有像电 弧一样的高温。由于离子能量低而电子能量高，因此低温等离子体具有接 近室温的温度。通过加电的方法例如施加直流、超高频和电子束产生等离 子体，并采用磁场对其进行保持。等离子体产生技术和等离子体的实际应用根据产生等离子体的压力状 态而大大不同。由于等离子体在低压真空状态下稳定产生，因此以这种方 式产生的等离子体被用于半导体装置制造过程和新材料合成过程中的化学 反应、沉积和侵蚀。在大气压力状态下产生的等离子体被用于处理环境中 的有害气体或制造新的物质。采用等离子体的等离子体反应装置需要具有快速引发反应的可操作 性、高耐用性以及反应效率。在等离子体反应时，电极和炉子的形式和用 于反应的状态(例如电压和添加剂)是等离子体反应的关键因素。因此， 需要提出一种与所需性能相对应的所需构造的等离子体反应装置，并需要 提出一种用于优化反应状态的等离子体反应方法。发明内容技术问题本发明提供一种等离子体反应装置，其使原料能够在具有限制性容积 的等离子体反应空间内充分反应并且使高等离子体反应能够更快速地完 成，还提供了一种采用所述装置的等离子体反应方法，以及与等离子体反 应装置和采用该装置的等离子体反应方法相关的各种等离子体装置，其中 等离子体反应区得到扩大以在其放电之前暂时保持，由此排除了等离子体 反应区的不连续性。作为应用领域，本发明还提供了一种持久性气体的等离子体反应方法， 通过保持在炉子内形成的等离子体区处于更高温度下而有效地分解持久性 气体，从而提高电子的平均碰撞路径，并产生具有高反应性的原子团和离 子。作为另一应用领域，本发明还提供了一种等离子体反应器，其独立供 给高温还原环境气体、不干扰发动机的操作，以及在需要时通过作为等离 子体重整反应特性的即时反应快速供给环境气体，本发明还提供了一种用于采用等离子体反应器通过吸留催化剂降低NOx的装置。本发明还提供了一种等离子体反应器，其通过接收用于向发动机供给 燃料的存储装置中的燃料而实现构造的简化，以及通过有效混合被供给到 等离子体反应器的液体燃料和气体而显著提高燃料的重整性能，本发明还 提供一种采用等离子体反应器通过吸留催化剂降低NOx的装置。 有益效果如上所述，当持久性气体、烃类燃料和作为部分氧化条件的氧化剂流 入炉子内并且等离子体区保持在由燃料的氧化反应产生的热量所形成的更 高温度下时，电子的平均碰撞路径提高并在氧化反应中产生具有高反应性的原子团和离子，由此有效分解持久性气体。此外，在等离子体反应时产生的等离子体反应区通过在炉子内形成的 扩大部分并通过在扩大时形成的顶端部分得到保持，由此实现连续的等离子体反应o此外，原料流入具有旋涡结构的进料孔内并且原料在旋转流动中前进， 由此使原料能够在具有限定性容积的等离子体反应空间中充分反应并且能 够形成更快的高温等离子体反应。此外，在放电之前，等离子体反应区通过随着由炉子上部宽度的扩大 而形成的加宽区域腔室而被扩大，并且等离子体区得到暂时保持，由此消 除了等离子体反应区的不连续性。因而，上述效果实现了本发明的目的，那就是提高被供给的原料重整 反应时或有害物质的处理过程中的反应效率并提高最终产物的可靠性以及 对环境的有利程度。
图l是表示根据本发明第一实施方式的等离子体反应装置的竖剖视图。图2是表示通过图1所示的等离子体反应装置扩大的等离子体反应区 的竖剖视图。图3是表示在图1所示的等离子体反应装置中原料流入管可操作地与炉子相连的结构的横截面图。图4是表示根据本发明第二实施方式的等离子体反应装置的竖剖视图。 图5是表示通过图4所示的等离子体反应装置保留的等离子体反应区的竖剖视图。图6是表示图4所示的等离子体反应装置的横截面图。 图7是表示根据本发明第三实施方式的等离子体反应装置的竖剖视图。 图8是表示在图7所示的等离子体反应装置中在电极处形成流入路径 的结构的横截面图。图9是表示根据本发明第四实施方式的等离子体反应装置的竖剖视图。图10是表示根据本发明的用于降低NOx的装置的示意图。图11是在根据本发明第五实施方式的用于降低NOx的装置中的等离子体反应器的剖视图。图12是在图11所示的等离子体反应器中流体流动的剖视图。
具体实施方式
现在将参照示出本发明优选实施方式的附图对本发明进行更详尽和清 楚的描述。图l是表示根据本发明第一实施方式的等离子体反应装置的竖剖视图， 图2是表示通过图1所示的等离子体反应装置扩大的等离子体反应区的竖 剖视图，图3是表示在图1所示的等离子体反应装置中原料流入管可操作 地与炉子相连的结构的横截面图。等离子体反应装置包括炉子、原料流入管以及电极。炉子包括中空部分并包括在炉子上部形成的用于排出等离子体反应物的排料开口。用于 向炉子内部供给等离子体反应用原料的原料流入管可操作地与炉子的下部 相连，并且定位在炉子内的进料开口被形成为相对于炉子外圆周表面的法 线方向倾斜成预定角度，使得所供给的原料以旋转流动的方式在炉子内前 进。用于产生被供给到炉子内的原料进行等离子体反应所需的放电电压的 电极定位在炉子底板上并与炉子内壁间隔成预定距离。炉子的特征在于定 位在电极上方的部分的宽度扩大。因而，当供给到炉子内部的原料发生等 离子体反应时，炉子使等离子体反应区扩大，由此形成加宽区域腔室以暂 时保留等离子体反应区。采用等离子体反应装置的等离子体反应方法包括通过可操作地使原 料流入管与炉子相连来供给炉子内等离子体反应所需的原料，其中炉子包 括中空部分并包括在炉子上部形成的用于排出等离子体反应物的排料开 口，并且原料流入管包括定位在炉子内的进料开口，其被形成为相对于炉 子外圆周表面的法线方向倾斜成预定角度，使得所供给的原料以旋转流动 的方式在炉子内前进；通过在炉子内壁与电极之间的放电电压使所供给的原料发生等离子体反应，其中电极定位在炉子的底部并与炉子内壁间隔成预定距离；以及通过使在电极上方定位的部分的宽度扩大而在炉子内形成 加宽区域腔室，使得在供给到炉子内部的原料发生等离子体反应时等离子 体反应区扩大并暂时保留在加宽区域腔室中。如图1-3所示，等离子体反应装置50包括炉子10、电极30和原料流 入管20。炉子IO被形成为包括中空部以形成用于等离子体反应的空间。下文将对炉子的具体结构和形状进行描述。用于产生使供给到炉子10内的原料发生等离子体反应的放电电压的电 极30位于炉子10的底部并与炉子10的内壁间隔预定距离。电极30在形 状上具有以下特征。电极30包括圆锥形上部和呈圆柱形延伸的下部。因而，在电极30上， 大致中间部分的宽度与其它部分相比相对扩大。电极30的圆柱形延伸的下 部与电极30的上部相比在宽度上相对较窄。圆锥形顶点以及连接圆锥形和 圆柱形的部分为圆滑曲面。根据电极30的形状特征，反应室15形成在其中电极30位于炉子10 内的区段。在反应室15中，通过下文所述的从原料流入管20以及与原料 流入管20可操作地相连的原料流入室13流入的原料进行等离子体反应。 也就是说，原料流入室13和反应室15通过电极30的宽度扩大的中间部分 (相对于圆锥形的下部)分隔。原料流入室13延伸形成为窄圆柱形。由于 电极30的宽度扩大的部分与炉子10的内壁之间的间隔变得相对较窄，因 此流入炉子内的原料不会立即前进到反应室15。相反，在原料暂时保留在 容积相对较大的原料流入室13内并得到充分混合之后，原料才前进到反应 室15。也就是说，电极30的上述形状使得其中在炉子10内形成电极30 的区段能够分成原料流入室13和反应室15，使原料流入室13能够具有足 够的容积并且使从原料流入室13供给的原料能够限制性地前进到反应室 15内，从而充分混合原料。原料流入管20可操作地与炉子10的下部相连，以使用于等离子体反 应的原料流入炉子10内的原料流入室13。原料流入管的数量不受限制。位 于炉子上与原料流入管20相连的进料开口 (下文称为流入孔)被形成为相 对于炉子10的壁表面倾斜，也就是说，流入孔21具有旋涡形状。流入孔 21使原料可以在炉子内形成旋转流动并前进。这样使原料能够形成旋转流 动并在反应室15内前进。因而，原料在圆周方向上旋转同时向上移动而不 是沿炉子10的长度方向直接向上移动。原料的旋转前进提高了相同容积下的等离子体反应效率。根据本发明的第一实施方式，炉子10的结构和形状的理想方案如下 炉子10被形成为包括中空部分。炉子10的外观大致为圆柱形。如上所述，炉子10的下部与原料流入管20相连。炉子10的上部开放形成排料 开口 U。排料开口 11被形成为排出等离子体反应物。炉子10的上部宽度 扩大，由此在炉子10的上部形成加宽区域腔室17。加宽区域腔室17可以 位于电极30的顶端上方。也就是说，炉子10具有位于电极30上方的更宽 部分。根据以上描述，原料流入室13、反应室15和加宽区域腔室17从炉 子10的下部位置到上部位置依次形成。由于加宽区域腔室17比反应室15 扩大，因此当原料在反应室15内形成等离子体反应时，等离子体反应区通 过加宽区域腔室17得到扩大并得到暂时保留。随之增加了等离子体反应产 物保留的时间，由此有利于另外的高温反应并产生了排除等离子体不连续 形成的作用效果。在炉子10内划分加宽区域腔室17和反应室15的点，也 就是炉子10内部扩大的起始点可以形成为尖端19而不是圆滑曲面。为此， 位于炉子10内电极30上方的部分被形成以直角形状扩大。根据炉子10成 直角形状扩大的结构，提高了加宽区域腔室17中等离子体反应区的水平扩 展，并且由于尖端19的存在使得等离子体旋转，因此可以连续完成等离子 体反应。当通过加宽区域腔室17形成停留的等离子体时，穿过在反应室15与 电极30顶端的加宽区域腔室17之间形成的尖端19产生旋转等离子体。从 反应室15与加宽区域腔室17之间形成的尖端19到电极30的顶端的距离 是决定所形成的等离子体的热特性的因素。用于向加宽区域腔室17供给另外的原料的辅助原料流入管25与炉子 10可操作地相连，由此能够通过在加宽区域腔室17中增加的原料进行另外 的反应。当排料开口 11的直径被形成为小于炉子10中加宽区域腔室17的直径 时，等离子体反应物可以更多地在加宽区域腔室17中停留或停止。在第一 实施方式中，炉子的上部扩大一次，但其也可以按多个阶梯扩大和/或多次 扩大。这种修改落入本发明的范围内。对于反应器的形状，当在反应器后部以一个阶梯形状形成扩大区域时，在这种状态下形成的等离子体在连续排出和旋转的同时不会离开并会附着 在电极的顶端。在烃类燃料部分得到氧化的状态下，停留的等离子体因高 温以及具有高反应性的物质(例如电子和离子)的集中而变得持久，由此 提高分解气体和重整燃料的性能。图4是表示根据本发明第二实施方式的等离子体反应装置的竖剖视图， 图5是表示通过图4所示的等离子体反应装置保留的等离子体反应区的竖 剖视图，图6是表示图4所示的等离子体反应装置的横截面图。以下将详细描述本发明的第二实施方式。分解持久性气体的等离子体反应方法包括使持久性气体、烃类燃料 和氧化剂通过可操作地与炉子相连的原料流入管流入炉子内，使得当持久 性气体通过在安装于炉子上的电极与炉子内壁之间产生的放电电压进行等 离子体反应时，等离子体区域处于燃料的氧化反应产生的热量所导致的更 高温度的状态下并且在密度上更低；当定位在炉子中电极上方的区段的宽 度扩大而在炉子长度上形成直角阶梯时，通过使等离子体反应时产生的等 离子体反应区保留在扩大区段中而产生连续的等离子体反应；以及在炉子 的壁表面上形成多个流入孔并且流入孔与炉子内壁的法向倾斜成预定角 度，流入孔用于可操作地连接原料流入管和炉子内部。参照本发明的优选实施方式更清楚地描述具有上述特征的本发明。在描述本发明的优选实施方式之前，应该指出本发明涉及通过等离子 体反应分解持久性气体的方法并且持久性气体可以是引发全球变暖的常规 气体中的任何一种，例如CF4、 C2F6、 SF6和NF或者它们的混合物，但任 何其它持久性气体都落入本发明的范围内。将参照附图描述本发明的优选实施方式。根据本发明的第二实施方式，提出用于持久性气体等离子体反应的等 离子体反应装置50的所需组成和结构。用于使经受等离子体反应的持久性气体、烃类燃料和氧化剂流入的原 料流入管20与包括中空部分的炉子10相连。用于在电极30与炉子10的 内壁之间产生用于等离子体反应的放电电压的电极30安装在炉子10内。在可操作地将原料流入管20与炉子10相连的结构中，在炉子10的壁 表面上形成多个流入孔21，用于在原料流入管20与炉子10内部建立可操作的连接。流入孔21被形成为相对于炉子10内壁的法向倾斜成预定角度。 在炉子10的流入孔21与原料流入管20之间形成供流入炉子10内的气体 (持久性气体、燃料和氧化剂)暂时停留的空间21a。根据以上所述，流动穿过原料流入管20的气体暂时停留在空间21a内 并随后通过多个流入孔21在炉子10内均匀地分散。由于流入孔21被形成 为倾斜，因此流入的气体在炉子10内形成旋转流动并前进。如上所述，在炉子10内形成用于使等离子体反应时产生的等离子体反 应区保留的加宽区域腔室17。加宽区域腔室17随着在炉子10内位于电极 30上方的区段的宽度的扩大而形成。在炉子10内位于电极30上方的区段扩大，从而在炉子10的长度方向 上形成直角阶梯。因而，当在炉子10内形成扩大区段时，在起始点形成尖 端19。在具有上述结构的等离子体反应装置50中，持久性气体、烃类燃料和 氧化剂在部分氧化状态下首先通过原料流入管20流入炉子内。在第二实施方式中，CH4被用作燃料并且02被用作氧化剂。可以采用任何其它可燃气体作为燃料并且可以采用引发燃料氧化反应 的任何其它气体作为氧化剂。持久性气体、燃料和氧化剂可以依次或同时流入炉子10内。也就是说，在燃料和氧化剂流入炉子10内之后，持久性气体可以流入 炉子10内。或者燃料、氧化剂和持久性气体同时流入炉子10内。如上所述，当持久性气体、燃料和氧化剂流入炉子10内时，持久性气 体通过在安装于炉子10内的电极30与炉子10的内壁之间产生的放电电压 进行等离子体反应。随后，等离子体区处于由燃料氧化反应产生的热量所 导致的更高温度状态下，由此降低了等离子体区的密度。在扩大的等离子 体反应区中，电子的密度因电流变得更高而增大，并且持久性气体的分解 随着在电子碰撞和氧化反应过程中产生的具有高反应性的原子团的快速增 多而得到加速。另外，在氧化反应过程中产生具有高反应性的原子团和离 子，由此提高了反应性。因此，燃料和氧化剂提高了持久性气体等离子体反应的效率，由此提 高了持久性气体的可分解性。此外，在炉子10内形成的加宽区域腔室17使得持久性气体能够进行连续的等离子体反应。根据本发明的第二实施方式，在炉子10中形成的加宽区域腔室17使 通过炉子10内的持久性气体的等离子体反应产生的等离子体反应区扩大， 并且在加宽区域腔室17的起始点形成的尖端19保持等离子体反应区，使 得等离子体反应区保留在加宽区域腔室17中，而不是使其通过炉子10的 排料开口37直接排出。此外，由于流入炉子10内的持久性气体如上所述 在炉子10内形成旋转流动，因此等离子体反应区有可能更多地附着在加宽 区域腔室17的尖端19。如上所述，当等离子体反应区保留在炉子10内时，随后流入炉子10 内的持久性气体通过之前产生的等离子体反应区连续进行等离子体反应。 因此，形成连续的等离子体反应，由此防止由周期性且反复产生的等离子 体反应区形成不连续的等离子体反应而引发反应损失。图7是表示根据本发明第三实施方式的等离子体反应装置的竖剖视图， 图8是表示在图7所示的等离子体反应装置中在电极处形成流入路径的结 构的横截面图。以下对本发明第三实施方式进行描述。根据本发明第三实施方式的等离子体反应装置包括炉子；电极和吸 热槽。炉子包括与用于供给等离子体反应所需的原料的原料流入管相连的 下部侧、形成用于排出等离子体反应物的排料开口的上部、以及其中位于 电极上方的区段宽度扩大的中空部分，由此形成用于在供给到炉子内的原 料发生等离子体反应时暂时保留等离子体反应区的加宽区域腔室。电极向 炉子内突出，用于产生所供给的原料进行等离子体反应的放电电压。电极 被放入并连接在炉子的底部，与炉子的壁表面间隔成预定距离。吸热槽可 操作地与每个液态原料流入管以及液态原料供给管相连，所述液态原料流 入管用于使液态原料流入在炉子中形成的腔室内，所述液态原料供给管一 侧与炉子相连，用于将流入腔室内的液态原料供给到炉子内。吸热槽位于 加宽区域腔室内，使得流入腔室内的液态原料吸收腔室中的热量。将参照本发明的优选实施方式更清楚地描述具有上述特征的等离子体 反应装置。将参照附图详细描述根据本发明优选实施方式的等离子体反应装置。 在描述根据第三实施方式的等离子体反应装置之前，应该指出本发明涉及一种用于通过等离子体反应完成液态或气态原料的重整反应的装置或 一种用于通过等离子体反应处理各种有害物质原料例如废物和汽车废气的 装置，下文提及的原料包括对环境有害的化学成分和各种有害物质。如图7和8所示，根据第三实施方式的等离子体反应装置50基本上包 括炉子IO、电极30和吸热槽93。炉子IO包括用于向等离子体反应提供空间的中空部分并具有大致的圆 柱形。炉子10包括与用于接收等离子体反应所需的原料的原料流入管91 相连的下部侧，以及形成用于排出等离子体反应物的排料开口 92的上部。以下将更具体地描述炉子10的特征结构和形状。在炉子10的上部，随着位于电极30上方区段的宽度的扩大而形成加 宽区域腔室17。当加宽区域腔室17形成在炉子10内时，通过其中电极30 位于炉子10中的区段上的等离子体反应形成的等离子体反应区通过加宽区 域腔室17得到扩大并暂时保留在那里。因而，增加了等离子体反应产物停 留的时间，由此有利于在高温下发生另外的反应并产生了排除等离子体不 连续形成的作用效果。由于等离子体反应区得到保留，因此在加宽区域腔 室17中形成更高温度的区域。这样有利于液态原料吸收吸热槽93中的热 量，这一点将在后文进行描述。炉子10的上部弯曲，形成直角阶梯。在炉 子IO上部顶端形成的排料开口 92不在加宽区域腔室17的垂直延长线上定 位。根据上述结构，等离子体反应区更大地保留在加宽区域腔室17中。作 为所得到的作用效果，在加宽区域腔室17中形成更可靠的高温区域。电极30向炉子10内突出并产生用于使供给到炉子10内的原料发生等 离子体反应的放电电压。电极30与炉子10的内壁间隔成预定距离并穿过 与其相连的炉子10的底部。电极30与外部电源(未示出)相连以产生电 压。电极30在形状上具有以下特征电极30的上部具有圆锥形并且其下部具有延伸的圆柱形。因而，在电 极30中，与圆锥形底部相对应的大致中间部分的宽度与其它部分相比相对 扩大。以圆柱形延伸形成的下部与电极30的上部相比宽度相对较窄。圆锥 形的顶点以及连接圆锥形和圆柱形的部分在电极30上圆滑弯曲。根据上述 结构，电极30与炉子10的内壁之间的间隔根据电极30的高度方向而不同。 也就是说，电极30与炉子10的内壁之间的间隔绕电极30的中间部分较窄，并且该间隔绕电极30中间部分在上部和下部保持距炉子10的内壁相对加 宽的空间。因而，当原料流入位于炉子10中的电极30中间部分下方的区 段内时，由于在电极30的中间部分与炉子10的内壁之间的间隔较窄，因 此原料暂时得到保留，在炉子10的下部得到充分混合并前进，而不是直接 前进到电极30的上部。此外，电极包括用于另外供给液态原料的结构，这一点将在下文进行 描述。在电极30内形成具有预定空间的原料流入室35。用于使液态原料流入 原料流入室35内的辅助液态原料供给管31与电极30的底部相连。穿过电 极30的内壁形成用于将原料流入室35中的原料供给到炉子10内(优选供 给到电极的下部)的流入通路94。因而，液态原料被另外供给到炉子10 内，而无需将任何另外的管连接在炉子IO上。辅助气体供给管33可操作地与辅助液态原料供给管31相连。因而， 液态原料和用于将液态原料分隔成细粒的气体流入原料流入室35，由此使 液态原料能够在原料流入室35和炉子10内充分分散。吸热槽93安装在炉子10内，以位于加宽区域腔室17中。吸热槽93 外表为球形。在吸热槽93内形成具有预定空间的腔室55。吸热槽93与用 于使液态原料流入腔室55内的液态原料流入管51可操作地相连。吸热槽 93与用于将流入腔室55内的液态原料供给到炉子10内的液态原料供给管 57可操作地相连。也就是说，液态原料供给管57—侧与炉子IO可操作地 相连，另一侧与吸热槽93可操作地相连，由此使腔室55内的液态原料供 给到炉子10内。液态原料供给管57的一侧可以可操作地与炉子10的下部， 优选与位于电极30中间部分下方的区段相连，并且可以缠绕炉子10的外 圆周表面以充分吸收来自炉子10的热量。优选地，液态原料流入管51可 以可操作地与吸热槽93的上部相连并且可以垂直于炉子10的底部。该结 构使液态原料从上部垂直供给到下部，直到吸热槽93的腔室55。因而，供 给到腔室55内的液态原料更直接且更容易到达吸热槽93的底表面，与炉 子10内的高温等离子体反应区接触，由此提高吸热效率。液态原料流入管 51可以与炉子10的底部平行并且可以可操作地与吸热槽93的一侧相连。 该结构在多个液态原料流入管51可操作地与吸热槽93相连时是有利的。例如，当多种或多个液态原料流入管51可操作地与吸热槽93相连以相互 面对时，穿过每个液态原料流入管51供给到吸热槽93的腔室55内的液态 原料更有效地得到混合。第三实施方式表示可操作地与吸热槽93的上部相 连并垂直于炉子10的底部的单个液态原料流入管51。由于液态原料流入管 51可操作地与吸热槽相连并与炉子底部平行的结构被认为更容易由本领域 技术人员基于本发明的第三实施方式进行应用和实施，因此在图中并未提 出。第三实施方式表示液态原料流入管51可操作地与吸热槽93相连以将 液态原料供给到吸热槽93内。然而，液体原料也可以利用可操作地与吸热 槽93相连的喷射装置(未示出)喷入腔室55内。这种修改明显落入本发 明的范围内。气体供给管53可操作地与液态原料流入管51相连，由此使液态原料 和用于将液体原料分隔成细粒的气体流入腔室55内。当液体原料和气体(用 于将液态原料分隔成细粒)穿过气体供给管53流入腔室内时，液态原料更 有效地得到分散或活化。作为加热单元用于对流入腔室55内的液态原料强制加热的加热器59 安装在吸热槽93中。在起始点，当在炉子10的加宽区域腔室17中不完全 地形成高温环境时，也就是在等离子体反应装置50操作开始时，加热器59 强制加热流入腔室55内的液态原料或使其气化。加热器59与外部电源(未示出)电连接。加热器59位于吸热槽93中 并在吸热槽93的腔室55中突出。尽管加热器59可以安装在吸热槽93的 壁框架内，但其被安装成在腔室55中突出，使得原料直接接触腔室55中 的加热器59的表面并得到有效气化。当加热器59被安装时，用于电连接 的部件和部分需要涂敷绝缘材料以防止炉子10内发生电短路。根据如上所述的吸热槽93及其相应构造和结构，穿过液态原料流入管 流动的液态原料吸收腔室55中的热量并得到分散或活化以穿过液态原料供 给管57供给到炉子10内。因而，得到供给的液态原料更容易与其它原料 (例如气态原料)混合并在电极的整个表面上扩散，由此使等离子体反应 能够更有效地完成。图9是表示根据本发明第四实施方式的等离子体反应装置的竖剖视图。 在根据第四实施方式的等离子体反应装置中，在炉子10的外壁上形成混合槽70，并且原料流入管91和液态原料供给管57通过混合槽70可操作地与 炉子10相连。在混合槽70内形成预定容积的混合室75。因而，相应从原 料流入管91和液体原料供给管57前进的原料在形成于混合槽70内的混合 室75中得到混合并供给到炉子10内。也就是说，混合槽70可操作地与原 料流入管91、液体原料供给管57和炉子10相连。如上所述的混合槽70 的构造提高了通过原料流入管91和液态原料供给管57供给的原料的可混 合性。如果需要，可在混合槽70内安装另外的加热单元(未示出)。图lO是表示根据本发明的用于降低NOx的装置的示意图；图11是根 据本发明第五实施方式的用于降低NOx的装置中的等离子体反应器的剖视 图，图12是在图11所示的等离子体反应器中流体流动的剖视图。用于降 低NOx的装置使从使用存储装置中供给的烃类燃料的发动机中释放的废气 移动到吸留催化剂；将废气中的NOx吸收到吸留催化剂内，随后还原所去 除的NOx。用于降低NOx的装置包括等离子体反应器，其与废气从发动机 移动到吸留催化剂所经过的通路相连并通过等离子体反应将从存储装置部 分供给的烃类燃料重整成为来自等离子体反应器的高温还原环境气体。用于降低NOx的装置包括主体、电极、以及液态燃料喷射单元。主体 包括炉子和基底。炉子包括排料开口和中空部分。排料开口形成在炉子的 一侧。中空部分包括在构成炉子厚度的壁框架上形成的吸热通路，该吸热 通路使从气体流入开口流入的气体移动并吸热。基底构成炉子的底部并包 括混合室。混合室通过在炉子上形成的流入孔可操作地与吸热通路和炉子 的内部相连。电极与炉子的内壁间隔开，固定在基底上并在炉子中突出， 以形成用于在炉子中进行等离子体反应的放电电压。电极包括可操作地与 混合室相连的吸热室。液态燃料流入吸热室内。液态燃料喷射单元固定在 主体上并将液态燃料供给到电极的吸热室内。将参照优选实施方式更清楚地描述具有上述特征的用于降低NOx的装置。将参照附图详细描述根据本发明优选实施方式的用于降低NOx的装置。如图10到12所示，根据本发明的用于降低NOx的装置200使从发动 机220释放的废气移动到吸留催化剂30并去除废气中的NOx，所述发动机220采用从作为存储烃类燃料的存储装置的燃料箱21供给的烃类燃料。吸留催化剂30被称为贫NOx收集(LNT)催化剂。当所移动的废气 中的NOx得到吸收时，吸留催化剂30还原所去除的NOx。由于吸留催化 剂30的详细组分和作用众所周知，因此不对其进行描述。用于降低NOx的装置200包括等离子体反应器50。当通过吸留催化剂 30还原NOx时，等离子体反应器50喷射被供给到吸留催化剂30的高温还 原环境气体。等离子体反应器50与燃料箱210相连。等离子体反应器50 作为将从燃料箱210部分供给到等离子体反应器50的烃类燃料通过等离子 体反应重整成为高温还原环境气体的重整装置。在等离子体反应器50中，排料开口 62可以向着吸留催化剂30安装， 使得通过等离子体反应重整的还原环境气体从等离子体反应器50中排出并 被喷射到吸留催化剂30。等离子体反应器50的排料开口 62可以简单可操 作地与供废气移动经过的移动管40相连，如图所示。以下将描述用于从烃类燃料中产生高温还原环境气体的等离子体反应 器的特征构造。被用作根据本发明用于降低NOx的装置200中的重整装置的等离子体 反应器50基本上包括主体60、电极70和液态燃料喷射单元。 主体60包括炉子61和基底65。炉子61包括中空部分并大致为圆柱形。排料开口 62形成在炉子51的 一侧并在等离子体反应之后排出反应物。气体流入开口 63形成在炉子61 上并使气体可以流入炉子61内。吸热通路64形成在构成炉子61厚度的壁 框架内并使从气体流入开口 63流入的气体可以沿圆周方向移动并吸收热 量。吸热通路64沿炉子61的圆周方向大致被形成为线圈形。基底65构成炉子61的底部。在基底65中形成预定容积的混合室67。 混合室67可操作地与形成在炉子61壁框架上的吸热通路64相连并同时通 过在炉子61上形成的流入孔68可操作地与炉子61的内部相连。优选地， 流入孔68可以被形成为与炉子61内壁的法向倾斜成预定角度，也就是处 于旋涡结构。炉子61和基底65可以一体形成或者可以单独形成以相互连接。基底 65需要包括绝缘体(未示出)例如陶瓷以防止电流施加在下文进行描述的电极70的下部与炉子61之间。电极70在炉子61中产生等离子体反应所需的放电电压。为此，电极 70与炉子61的内壁间隔成预定距离并固定在基底65上以在炉子61中突 出。电极大体上为圆锥形。吸热室75形成在电极中。吸热室75可操作地 与混合室67相连。从液态燃料喷射单元中供给的液态燃料流入并暂时保留 在吸热室75中。液态燃料喷射单元与燃料箱210相连并将存储在燃料箱210中的液态 燃料供给到电极70的吸热室75内。液态燃料喷射单元固定在主体60上。 液态燃料喷射装置80或喷射器(未示出)可以被用作液态燃料喷射单元。 液态燃料喷射装置80通过从燃料箱210供给的气体与液态燃料一起形成的 移动力将液态燃料喷射到吸热室75内。喷射器(未示出)直接将液态燃料 喷射到电极70的吸热室75内。图11和12表示被用作液态燃料喷射单元的液态燃料喷射装置80。 也就是说，液态燃料喷射装置80包括可操作地与燃料箱210相连并供 给液态燃料的液态燃料供给管81以及独立于液态燃料供给管81可操作地 与外部气体供给源相连并供给气体的气体供给管82，由此使液态燃料和气 体可以同时流入。喷射液态燃料和气体的一侧面向电极的吸热室75。 以下将描述根据本发明的用于降低NOx的装置的操作实例。 发动机220操作过程中产生的废气通过移动管40移动到吸留催化剂 30。移动管40可操作地与等离子体反应器50的排料开口 62的侧面相连， 使得从等离子体反应器50中产生的高温还原环境气体移动到吸留催化剂 30并加速NOx在吸留催化剂30中的还原作用。将详细描述等离子体反应器50的作用。等离子体反应器50接收通过 液态燃料喷射装置80从燃料箱210中供给的烃类燃料并同时使包含02的 气体通过气体流入开口 63流入，所述02作为被供给的液态燃料(烃类燃 料)重整反应时所需的氧化剂。当温度充分升高并得到活化时，空气通过 吸热通路64移动到混合室67内。当通过液态燃料喷射装置80移动到电极 70的吸热室75内的液态燃料吸收吸热室75中的热量并得到气化和活化时， 液态燃料移动到混合室67内以与混合室67中的空气混合并随后通过流入 孔68流入炉子61内。根据以上所述，应该指出在被供给的空气和液态燃料在混合室67中充 分混合之后，它们流入炉子61内。此外，由于直接从吸热室75中喷射液 态燃料并且防止液态燃料与电极70的外表面直接接触，因此防止出现液态 燃料的受潮和焦化现象。此外，由于吸收吸热室75中热量的液态燃料立即 与混合室67中的空气混合，因此基本上防止了液态燃料在移动过程中被液 化。由于流入孔68和电极70的特征结构，通过流入孔68供给到炉子内的 液态燃料和空气的混合燃料以与容积相比相对较高的效率进行等离子体反 应。也就是说，根据本发明，由于电极70具有圆锥形并且流入孔68被形 成旋涡结构，因此通过流入孔68流入炉子内的混合燃料沿电极70的圆周 方向连续进行等离子体反应。在如上所述的等离子体反应器50中，通过对首先供给的液态燃料和作 为氧化剂的空气进行重整而产生的还原环境气体可以是烃(HC)、 一氧化 碳(CO)或氢气(H2)。在供给环境气体的状态下，将NOx还原为氮气(N2)。此外，当作为根据本发明的用于降低NOx的装置的示意图在图10中 示出的等离子体反应器50采用参照第一到第四实施方式描述的等离子体反 应装置50的构造时，可以获得与第五实施方式相同的效果。尽管已经参照本发明的示例性实施方式具体示出和描述了本发明，但 本领域普通技术人员将会认识到在不脱离由以下权利要求限定的本发明精 神和范围的前提下可以在形式和细节上对其做出多种改变。
权利要求
1.一种等离子体反应装置，包括炉子(10)，其为中空的并包括在炉子(10)的上部位置形成的排料开口(11)，该排料开口(11)用于排出等离子体反应物；原料流入管(20)，其可操作地与炉子(10)的下部相连使得等离子体反应所需的原料被供给到炉子(10)内，并且其包括位于炉子(10)内并被形成为与炉子(10)的外圆周表面的法向倾斜成预定角度使得供给的原料在炉子(10)内形成旋转流动并前进的进料开口；以及电极(30)，其被放置在炉子(10)的底部并与炉子(10)的内壁间隔成预定距离，从而产生被供给到炉子(10)内的原料等离子体反应所需的放电电压；并且其中炉子(10)包括位于电极(30)上方且宽度扩大的区段，从而形成加宽区域腔室(17)以在供给到炉子(10)内的原料进行等离子体反应时扩大等离子体反应区，使其暂时保留在加宽区域腔室(17)中。
2. 如权利要求1所述的等离子体反应装置，其特征在于，在炉子(10) 中位于电极(30)上方的所述区段得到扩大以形成直角阶梯，从而在炉子(10)内部扩大时的起始点处形成尖端(19)。
3. 如权利要求1所述的等离子体反应装置，其特征在于，所述电极(30) 具有圆锥形的上部和延伸圆柱形的下部，使得电极(30)中间部分的宽度 得到扩大。
4. 如权利要求1所述的等离子体反应装置，其特征在于,所述炉子(IO) 可操作地与辅助原料流入管(25)相连，使得另外的原料被供给到加宽区 域腔室(17)内进行反应。
5. —种采用等离子体反应装置的等离子体反应方法，包括 通过使原料流入管(20)可操作地与炉子(10)相连而将等离子体反应所需的原料供给到炉子(10)内，该炉子(10)为中空的并包括在炉子 (10)的上部位置形成的排料开口 (11)，该排料开口 (11)用于排出等离 子体反应物；通过位于炉子(10)上并被形成为与炉子(10)的外圆周表面的法向 倾斜成预定角度的进料开口使原料通过原料流入管(20)在炉子(10)内 形成旋转运动并前进；通过在电极(30)与炉子(10)的内壁之间产生的放电电压使被供给 的原料进行等离子体反应，电极(30)穿过炉子的底部放置并与炉子(10) 的内壁间隔成预定距离；以及通过使位于炉子中电极(30)上方的区段的宽度扩大而在炉子(10) 中形成加宽区域腔室(17)，使得在供给到炉子(10)内的原料发生等离子 体反应时等离子体反应区得到扩大以暂时保留在加宽区域腔室(17)中。
6. 如权利要求5所述的等离子体反应方法，其特征在于，位于炉子(IO) 中电极(30)上方的所述区段扩大形成直角阶梯，从而在炉子(10)内部 扩大的起始点处形成尖端(19)。
7. 如权利要求5所述的等离子体反应方法，其特征在于，所述电极GO) 具有圆锥形上部和延伸圆柱形下部，使得电极(30)中间部分的宽度得到 扩大。
8. 如权利要求5所述的等离子体反应方法，其特征在于，所述炉子(10) 可操作地与辅助原料流入管(25)相连，使得另外的原料被供给到加宽区 域腔室(17)内进行反应。
9. 一种持久性气体的等离子体反应方法，包括-在部分氧化状态下，持久性气体、烃类燃料和氧化剂通过可操作地与 炉子(10)相连的原料流入管(20)流入炉子(10)内并且持久性气体通 过在安装于炉子(10)上的电极(30)与炉子(10)的内壁之间产生的放 电电压进行等离子体反应，通过在原料氧化反应过程中产生的热量使等离子体区处于更高温度下，使得等离子体区的密度下降；以及使等离子体反应区保留在扩大区段(15)中，该扩大区段(15)是在 位于炉子(10)中电极(30)上方的区段的宽度扩大以形成与炉子(10) 的长度方向成直角的阶梯时形成的，以使得等离子体反应持续；以及其中多个流入孔(21)形成在炉子(10)的壁表面上并可操作地连接 原料流入管(20)和炉子(10)的内部，并且流入孔(21)被形成为与炉 子(10)的内壁的法向倾斜成预定角度。
10. 如权利要求9所述的持久性气体的等离子体反应方法，其特征在 于，使燃料和氧化剂首先流入炉子(10)内并随后使持久性气体流入炉子(10)内。
11. 如权利要求9所述的持久性气体的等离子体反应方法，其特征在 于，使燃料、氧化剂和持久性气体同时流入炉子(10)内。
12. 如权利要求9所述的持久性气体的等离子体反应方法，其特征在 于，所述燃料是甲烷(CH4)。
13. 如权利要求9所述的持久性气体的等离子体反应方法，其特征在 于，所述氧化剂是氧气(o2)。
14. 如权利要求9所述的持久性气体的等离子体反应方法，其特征在 于，所述持久性气体是CF4、 C2F6、 SF6和NF或它们的混合物中的任意一 种。
15. —种等离子体反应装置，包括中空的炉子(10)，其中用于接收等离子体反应所需的原料的原料流入 管(11)可操作地与炉子(10)的下部一侧相连，用于排出等离子体反应 物的排料开口 (17)形成在炉子(10)的上部位置，以及位于电极(30)上方的区段的宽度得到扩大以形成加宽区域腔室(15)，由此在供给到炉子 (10)内部的原料发生等离子体反应时扩大等离子体反应区以暂时保留在加宽区域腔室(15)中；电极(30)在炉子(10)内突出，与炉子(10)的壁表面间隔成预定 距离并穿过炉子(10)的底部放置并连接在炉子(10)的底部，由此产生 被供给的原料进行等离子体反应所需的放电电压；以及吸热槽(50)位于加宽区域腔室(15)中并分别可操作地与液态原料 流入管(51)和液态原料供给管(57)相连，由此使流过液态原料流入管(51)的液态原料吸收腔室(55)中的热量，其中液态原料流入管(51) 使液态原料可以流入内部形成的腔室(55)内，可操作地与炉子(10)相 连的液态原料供给管(57)将流入腔室(55)内的液态原料供给到炉子(10) 内。
16. 如权利要求15所述的等离子体反应装置，其特征在于，所述吸热 槽(50)包括用于对流入腔室(55)内的液态原料强制加热的加热单元。
17. 如权利要求16所述的等离子体反应装置，其特征在于，所述加热 单元是与外部电源电连接并安装成在吸热槽(50)的腔室(55)中突出的 加热器(59)。
18. 如权利要求15所述的等离子体反应装置，其特征在于，所述液态 原料流入管(51)可操作地与吸热槽(50)的上部相连并与炉子(10)的 底表面垂直。
19. 如权利要求15所述的等离子体反应装置，其特征在于，所述液态 原料流入管(51)可操作地与吸热槽(50)的一侧相连并相对于炉子(10) 的底表面水平。
20. 如权利要求15所述的等离子体反应装置，其特征在于，所述液态 原料供给管(57)的一侧可操作地与炉子(10)的下部相连。
21. 如权利要求15所述的等离子体反应装置，其特征在于，所述液态 原料供给管(57)的一侧绕炉子(10)的外圆周表面缠绕。
22. 如权利要求15所述的等离子体反应装置，其特征在于，所述液态 原料流入管(51)可操作地与气体供给管(53)相连，该气体供给管(53) 使用于将液态原料分隔成细粒的气体与液态原料一起流入腔室(55)内。
23. 如权利要求15所述的等离子体反应装置，其特征在于，所述吸热 槽(50)为球形。
24. 如权利要求15所述的等离子体反应装置，其特征在于，所述炉子 (10)包括上部，其弯曲形成直角阶梯，使得排料开口 (17)不位于垂直延长线上。
25. 如权利要求15所述的等离子体反应装置，其特征在于，所述电极 (30)具有圆锥形上部和延伸圆柱形下部，使得电极(30)中间部分的宽度得到扩大。
26. 如权利要求15所述的等离子体反应装置，其特征在于，预定空间 的原料流入室(35)位于电极(30)内，用于使液态原料流入原料流入室(35)内的辅助液态原料供给管(31)可操作地连接在电极(30)的底部， 并且穿过电极(30)的内壁形成用于使原料流入室(35)中的原料流入炉 子(10)内的流入通路(37)。
27. 如权利要求26所述的等离子体反应装置，其特征在于，所述辅助 液态原料供给管(31)可操作地与辅助气体供给管(33)相连，所述辅助 气体供给管(33)使用于将液态原料分隔成细粒的气体与液态原料一起流 入原料流入室(35)内。
28. 如权利要求15所述的等离子体反应装置，其特征在于，在炉子(10) 的外壁上形成混合槽(70)，原料流入管(11)和液态原料供给管(57)通 过混合槽(70)可操作地与炉子(10)相连，使得分别从原料流入管(11) 和液态原料供给管(57)前进的原料在形成于混合槽(70)中的混合室(75) 内混合并随后被供给到炉子(10)内。
29. —种等离子体反应器，包括主体(60)，其包括中空炉子(61)和构成炉子(61)底部的基底(65)， 其中排料开口 (62)形成在炉子(61)的一侧，吸热通路形成在具有炉子(61)厚度的壁框架内并使从气体流入开口 (63)流入的气体移动并吸收热量，以及形成在基底(65)内的混合室(67)，其可操作地与吸热通路(64)相 连并同时通过在炉子(61)上形成的流入孔(68)与炉子(61)的内部相 连；电极(70)，其与炉子(61)的内壁间隔开、固定在基底(65)上并在 炉子(61)中突出，以产生炉子(61)内等离子体反应所需的放电电压，其中在电极(70)内形成可操作地与混合室(67)相连的吸热室(75)， 并使液态燃料流入吸热室(75)内；以及固定在主体(60)上并向电极(70)的吸热室(75)供给液态燃料的 液态燃料喷射单元。
30. 如权利要求29所述的等离子体反应器，其特征在于，所述电极(70) 为圆锥形，并且流入孔(68)被形成为与炉子(61)的内壁的法向倾斜成 预定角度，使得通过混合室(67)中的气体和液态燃料混合物得到的混合 燃料沿电极(70)的外圆周表面形成旋转流动，以流入炉子(61)内并前 进。
31. 如权利要求29所述的等离子体反应器，其特征在于，所述液态燃 料喷射单元是通过被供给的气体与液态燃料一起产生的移动力将液态燃料 喷入吸热室(75)内的液态燃料喷射装置(80)。
32. 如权利要求29所述的等离子体反应器，其特征在于，所述液态燃 料喷射单元是直接将液态燃料喷入电极(70)的吸热室(75)内的喷射器。
33. —种用于利用等离子体反应器通过吸留催化剂降低NOx的装置， 其中，在从发动机(20)排出的废气移动到吸留催化剂(30)并且废气中 的NOx被吸入吸留催化剂(30)内之后，NOx被还原以得到去除，所述发 动机(20)采用从存储装置供给的烃类燃料，所述装置包括与废气从发动机(20)移动到吸留催化剂(30)所穿过的移动通路相 连的等离子体反应器(50)，该等离子体反应器(50)用于通过等离子体反 应将从存储装置部分供给的烃类燃料重整为高温还原环境气体，使得在 NOx在吸留催化剂(30)中还原时，供给从等离子体反应器(50)中产生 的还原环境气体。
34. 如权利要求33所述的用于降低NOx的装置，其特征在于，所述等 离子体反应器(50)采用如权利要求1-4、 15-28以及29-32中任意一项所 述的等离子体反应装置形成。
35. 如权利要求33所述的用于降低NOx的装置，其特征在于，所述等 离子体反应器(50)采用如权利要求5-8、以及9-14中任意一项所述的等 离子体反应方法形成。
全文摘要
本发明涉及一种等离子体反应装置及采用该装置的等离子体反应方法。更具体地，本发明涉及一种应用于通过产生旋转弧等离子体并利用所产生的旋转弧等离子体进行燃料重整、持久性气体化学处理的等离子体反应装置，用于通过吸留催化剂降低NOx的装置，及采用该装置的等离子体反应方法。为此，使反应原料流过成旋涡结构的流入孔，使得原料形成旋转流动并前进。因而，原料在有限容积的等离子体反应空间中充分反应，并更快速地完成高温等离子体反应。此外，通过随着炉子上部宽度的扩大而形成的加宽区域腔室使等离子体反应区在排料之前得到扩大，并且所产生的等离子体得到扩大并随着与电极间隔成预定距离的尖端在扩大端的形成而得到保留。因而，本发明涉及一种等离子体反应装置及采用该装置的等离子体反应方法，持久性气体的等离子体反应方法以及通过吸留催化剂降低NOx的装置，所有这些方案都能够消除等离子体反应区的不连续。
文档编号B01J19/08GK101282782SQ200680037559
公开日2008年10月8日 申请日期2006年10月9日 优先权日2005年10月10日
发明者宋永焄, 李大勋, 李载玉, 车旻锡, 金冠泰, 金释俊 申请人:韩国机械研究院