直流电弧等离子体催化剂改性装置的制作方法

本发明涉及催化剂处理设备，具体地指一种直流电弧等离子体催化剂改性装置。

背景技术

在化学反应里能改变反应物化学反应速率(提高或降低)而不改变化学平衡，且本身的质量和化学性质在化学反应前后都没有发生改变的物质叫催化剂(固体催化剂也叫触媒)。据统计，约有90％以上的工业生产过程中，如：化工、石化、生化、环保等，都会用到催化剂。

催化剂的改性则是提高催化剂活性能有效路径，改性的目的是通过在制备过程中引入助剂改变催化剂的某一物化性质，进而促进其性能的发挥。等离子改性工艺是利用具有一定能量分布的电子、离子和中性粒子的等离子体与材料表面撞击，将能量传递给材料表面的分子和原子，产生一系列物理和化学过程，一些粒子还会注入到材料表面引起碰撞、散射、激发、重排、异构、缺陷、晶化及非晶化，从而改变材料的表面性能，赋予基体材料本身所不具备的特殊的力学、物理或化学性能。

目前，等离子体催化剂改性工艺中，采用直流电弧放电的等离子体改性装置因为结构简单、适用性强、造价便宜等逐渐受到关注。然而目前使用的直流电弧等离子体催化剂改性装置封闭的结构，一方面很容易造成催化剂在出气端的堵塞，从而限制了直流电弧等离子体改性时间；另一方面也只能采取间断停机换催化剂填料的方法进行物料更换，降低了改性的效率和安全性的同时也增加了成本；与此同时，现有的直流电弧等离子体装置中，等离子体反应气也是载气，气体种类和流量流速的改变不仅会改变等离子体性状，还会会影响电弧状态进而整个等离子体发生装置的工作条件，而稳定电弧运行条件下难以解决的温度问题，使得直流电弧放电的等离子体改性技术在对催化剂表面进行处理的同时，也会造成催化剂部分物化性质发生改变。

技术实现要素：

本发明的目的就是要提供一种直流电弧等离子体催化剂改性装置，该装置不易堵塞、能够实现催化剂的连续进料、长时间连续处理，并且能对处理温度及气流流速进行有效调控。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种直流电弧等离子体催化剂改性装置，包括等离子体发生器，所述等离子体发生器顶部连有反应腔，所述反应腔顶部连有腔盖；所述等离子体发生器上设有一级主进气口和用于输送冷却气和平衡气的二级进气口；所述反应腔包括顶端的反应腔顶部、中部的反应腔喉部及底端的反应腔底部，所述反应腔横断面从顶端和底端向中部逐渐缩小，所述反应腔喉部设有催化剂进料口，所述反应腔顶部连有测温机构；所述腔盖上设有出气口和改性催化剂出料口。

本发明装置采用两级进气结构并结合放缩喷管状反应腔，利用直流电弧将由一级主进气口进入的反应气等离子体化并对反应腔中的催化剂进行改性处理，本装置不易堵塞、能够实现催化剂的连续进料、长时间连续处理，并且能对处理温度进行有效控制。其中，两级进气结构的设置，一方面将等离子体反应气与二级进气进气分离，在不影响等离子体发生器运行条件的情况下，能够通过改变二级进气气体流速、流量进而调控反应腔内温度场和流场；另一方面，可调整一级进气口进入的反应气以实现不同工况等离子体处理的情况下，二级进气作为补偿气对反应腔中气氛进行补偿，从而保持反应腔中的温度场和流场；与此同时，二级进气还能对电弧发生处进行冷却。反应腔采用放缩喷管结构，反应腔底部区域为一级和二级进气结构出气混合区，使得两部分气体充分混合，对等离子体态的反应气进行流速、温度以及比例的调控；反应腔喉部区域为流速最大区域，将携带由催化剂进料口进入的催化剂进入反应腔上部改性区，并且避免催化剂掉入等离子体发生区及反应腔底部出气混合区；所述反应腔顶部区域为改性区，渐阔喷管的结构能够降低流速，通过两级进气结构的协同调控及在催化剂颗粒自身重力的作用下，将催化剂限制在改性区并与等离子体化反应气充分混合，实现改性。测温机构设置于反应腔顶部，即：改性区，一方面远离等离子体发生区，使得温度测量干扰减少，另一方面其实测温度即为催化剂改性区实际温度，相较于其它区域更能表征催化剂改性实验条件。腔盖组件能够进一步约束催化剂，并与两级进气结构及催化剂进料口配合实现催化剂进出反应腔的控制，从而实现连续进料、长时间连续处理等不同催化剂处理方式。

进一步地，所述等离子体发生器包括固定座，阴极及阳极管，所述固定座包括底部的一级进气腔和顶部的二级进气腔，所述一级主进气口设于所述一级进气腔上，所述二级进气口设于所述二级进气腔上；所述阴极固定在所述一级进气腔内，所述阳极管固定在所述二级进气腔内，所述阴极顶部伸入所述阳极管底部，且所述阳极管底部与所述一级进气腔相通，所述阳极管顶部与所述反应腔底部相通，所述二级进气腔与所述反应腔底部相通。

进一步地，所述阳极管呈渐缩喷管状，横断面从两端向中间逐渐缩小。所述阳极管底部为电弧发生区，设置成渐缩喷管的结构，一方面能够配合阴极结构，形成很好的电弧接点，另一方面进一步加快气流的流速，促进电弧的拉出，从而形成有效的等离子体；所述阳极顶部设置为渐阔管的结构，一方面能初步降低等离子体射流流速，另一方面也避免电弧的长接触可能造成的断弧等扰动，以保证等离子体发生组件的稳定性。

进一步地，所述固定座与所述反应腔间连有压板，所述压板将所述阳极管压紧固定于所述固定座上，所述压板上开有用于连通所述阳极管和所述反应腔的一级出气口，所述压板上还开有用于连通所述二级进气腔和所述反应腔的二级出气口。压板压连阳极管的方式能够为电弧运行过程中阳极受热形变留有余量；二级出气口处由于等离子体射流流速快，造成局部的低压区，进而将二级进气腔进去的气流带入反应腔中，起到自动补偿的作用。

进一步地，所述一级进气腔内设有稳流机构。稳流机构能够使得从一级主进气口进入的反应气气流均匀、稳定。

进一步地，所述腔盖成半球形，所述改性催化剂出料口位于所述腔盖顶部中心处，所述出气口垂直于所述腔盖的圆弧切线方向且位于所述催化剂出料口下方。出气口设置于流速较低的腔盖上，一方面能够使得反应腔内气体排出，从而实现直流电弧等离子体的长时间连续处理，另一方面也能够排出部分容易造成堵塞的轻质催化剂颗粒，进而保护等离子体发生器；催化剂出料口正对等离子体射流，为流速最快区域，可以配合两级进气结构实现等离子体改性处理时间控制及物料选出，与此同时，还能够在反应腔出气管路堵塞时打开实现泄压，从而保证系统安全。

进一步地，所述阴极顶部裸露，底部包裹绝缘层，所述固定座底部卡有卡套，所述阴极底部与所述卡套间连有紧固件。阴极通过卡套和紧固件连接，可以方便快捷地进行调整和维护。

进一步地，所述阴极底端连有阴极接线端子。

更进一步地，所述压板上连有阳极接线端子。

附图说明

图1为一种直流电弧等离子体催化剂改性装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明，便于更清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图1所示的一种直流电弧等离子体催化剂改性装置，包括等离子体发生器1，等离子体发生器1顶部通过紧固螺栓连有反应腔2，反应腔2顶部通过紧固螺栓连有腔盖3。等离子体发生器1上设有一级主进气口1.1和用于输送冷却气和平衡气的二级进气口1.2；反应腔2包括顶端的反应腔顶部2.1、中部的反应腔喉部2.2及底端的反应腔底部2.3，反应腔2横断面从顶端和底端向中部逐渐缩小，反应腔喉部2.2设有催化剂进料口2.21，反应腔2顶部连有测温机构4；腔盖3成半球形，腔盖3上设有两个出气口3.1和改性催化剂出料口3.2，改性催化剂出料口3.2位于腔盖3顶部中心处，可采用电动出料口，出气口3.1垂直于腔盖3的圆弧切线方向且位于催化剂出料口3.2下方。

上述方案中，等离子体发生器1包括固定座1.3，阴极1.4及阳极管1.5，固定座1.3包括底部的一级进气腔1.31和顶部的二级进气腔1.32，一级主进气口1.1设于一级进气腔1.31上，二级进气口1.2设于二级进气腔1.32上；阴极1.4阴极1.4顶部裸露，底部包裹绝缘层1.41，阴极1.41底端连有阴极接线端子1.42，固定座1.3底部卡有卡套7，阴极1.4底部与卡套7间连有紧固件8，进而将阴极1.4固定在一级进气腔1.31内，阳极管1.5呈渐缩喷管状，横断面从两端向中间逐渐缩小，固定座1.3与反应腔2间连有压板5，压板5将阳极管1.5压紧固定于固定座1.3上，进而将阳极管1.5固定在二级进气腔1.32内，阴极1.4顶部伸入阳极管1.5底部，且阳极管1.5底部与一级进气腔1.31相通，压板5上开有用于连通阳极管1.5顶部和反应腔2底部的一级出气口5.1，压板5上还开有用于连通二级进气腔1.32和反应腔2底部的二级出气口，并且压板5上连有阳极接线端子1.51。一级进气腔1.31内设有稳流机构6。

上述直流电弧等离子体催化剂改性装置的工作过程如下：首先打开二级进气口1.2进气，然后打开一级主进气口1.1进气，接着接通等离子体发生器1，待调节一级主进气口1.1进气流量达到10～100nm³/h后打开催化剂进料口2.21，将0.1～10g催化剂(tio2、al2o3、石墨等粉末或颗粒)，利用等离子体发生器1的直流电弧放电对催化剂进行活化处理，处理时间达到设定时间后关闭等离子体发生器1电源，保持气体流量，待反应腔内温度降低到100℃以下后打开改性催化剂出料口3.2，收集催化剂，完成催化剂的改性过程；最后，增加一级主进气口1.1和二级进气口1.2的进气流量对装置进行吹扫后关闭一级主进气口1.1、二级进气口1.2及改性催化剂出料口3.2。