用于向等离子体羽流或气态流内喷射待混合/转化的液体物料的设备的制作方法

专利名称：用于向等离子体羽流或气态流内喷射待混合/转化的液体物料的设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及朝向等离子体焰炬的羽流(火舌)喷射液体的液体喷射系统的技术领 域。
背景技术：
对于将在火炬内转化的液体，可提及的示例为生物油，或者来自废水处理厂的浆 料，或者源自粉化的固体的“灰浆”或微粒，这些微粒与液体混合以便喷射到等离子体焰炬 的羽流内。通过等离子体气化液体物料(尤其是对生物油)的方法中所遇到的主要问题是如 何更好地使用等离子体焰炬来实现转化。对于生物油，这通过闪速热解实现，闪速热解是一种热化学方法(在T 500°C的 温度下)，在该热化学方法中在不进行脱氧(dioxygene)化学计量的情况下将生物物质(生 物材料)快速加热。在热的作用下，该生物物质分解并导致形成气态永久物、可凝结的蒸 气、悬浮微粒和碳残留物。在挥发性成分和悬浮微粒冷却并凝结后，通常获得深棕色液体 生物油。然后通过喷入等离子体焰炬而将其气化。生物油的该预处理使得生物物质可被喷射入等离子体焰炬的羽流，以便气化。没 有该预处理步骤，生物物质将实际上是异质的、难以分散(至少需要预先进行高成本的破 碎)并且因为是固体而难以在压力下喷射。此外就将生物物质运送到气化厂的成本而言， 闪速热解型的预转化已被证明是有利的。为了适当地通过等离子体焰炬将液体尤其是生物油转化成合成气体，需要在影响 反应的不同参数之间寻求平衡，所述参数尤其是液体在等离子体羽流中的存留时间、等离 子体羽流的温度、反应物和等离子体介质之间的交换表面以及该介质的组成。生物油的不良气化不仅导致不良的物质生产率、妨碍方法收益性，而且导致品质 差的合成气体，即，该气体由于焦油的存在(可允许的阈值接近0. Img/Nm3)而不具有用于 随后作为生物-燃料合成物中的介质的足够高的纯净程度。焦油的存在在不同的相关应用 中产生许多问题，尤其是在使用FiSCher-Tr0pSCh(费托)型方法合成燃料期间，在该方法 中，在热和催化作用下，通过焦化形成炭黑和重碳氢化合物的沉积物。这显著减少了用于 Fischer-Tropsch合成法的催化剂的使用寿命。此外，由等离子体焰炬产生的等离子体羽流的主要特征是高温(5000-7000K)、高 流量(800-1200m · s—1)和高粘度。在这些特征下，试图放入羽流的微粒具有使羽流反弹的趋势。因此对于液体喷射装置存在使液体在等离子体羽流的中心分散和/或转化最优 化的实际工业需求。目前针对喷射液体以便通过等离子体羽流将其分散/转化而提出的技术可分为 四个大的类别。
第一类别集合了这样的喷射方法，所述喷射方法基于在将液体喷射入等离子体羽 流之前预先将该液体雾化。这种解决方案增强了反应物与等离子体介质之间的交换表面， 如专利FR 2565992中所述。这种方法通过这样的设备实现，该设备允许借助于载体气体围 绕热气体流同心地引入雾化的物质。使等离子体气体在等离子体发生器中进行旋转移动， 以便通过同心流在雾化的物质中获得湍流，该热气体流将混合物加热。难以使雾化的液体 具有足够速度的事实通过增加载体气体以及通过在待转化的物质和热气体流之间建立湍 流来弥补，该载体气体被赋予进入等离子体羽流所必需的速度。然而，该方法不允许进入等 离子体羽流的深处，并且气化反应在周围进行，从而未能利用可在等离子体羽流的深处获 得的高温的益处。此外，等离子体羽流被冷的补充气体削弱，这造成能量收益方面的损失， 应当知道，通常要求不可忽略的载体气体品质以便精细地对液体分馏(fractiormer)。另 外，在液体较粘稠并含有微粒且容易焦化的情况下，与较小直径的喷射器一起使用的雾化 系统因可预见的设备的堵塞而受到限制。第二类别涉及基于强制混合的喷射方法。在这种情况下，可设计多种构型。例如， 等离子体可通过穿有喷射孔的通道，所述喷射孔因此强制喷射液体进入等离子体羽流。多 种文献提及了这种技术，例如文献FR1509436或US 5906757。在所引用的第一份文献中，强 制等离子体射流在设有直径增大部分的管内循环，由此使得等离子体射流在该增大部分中 减压，并因此在等离子体中形成湍流区域。液体被喷射入该区域，并形成围绕等离子体羽流 的湍流环或柱。在第二份文献中，等离子体在设有至少一个径向布置的喷射器的管内循环， 这使得液体可被以切向分量喷射入等离子体。这种解决方案在停留时间方面是有利的，因 为液体在等离子体羽流的周缘被喷射，在该部位等离子体的流速不高(约为100m/S，与可 超过500m/s的等离子体羽流的主流速度相比)。然而，这这种解决方案会因与通道壁的热 传递而造成能量损失。此外，这种解决方案未强制液体深入等离子体羽流，从而不能享有源 自温度效应以及源自等离子体羽流的中心反应品种成分的益处。第三类别集合了使用多个等离子体焰炬的喷射方法。文献CA 2205578提及了这 种方法的一个实施例。这种方法的原理是将反应物射流限制在至少两个等离子体射流的合 流中，所述等离子体射流的合流点处在反应物的喷射轴线上。这种解决方案使得液体能直 接喷射到等离子体羽流的深处。在这种情况下，可享有温度的益处，因为在等离子体羽流的 中心的高温收益占主流。这种解决方案会导致能量损失的问题。焰炬流事实上是集中的，与非集中式等离子体焰炬构型相比，它未留下任何将待 转化液体的喷射最优化的自由度。此外，射流未被分馏，因此待转化液体与等离子体介质之间的热交换不是最佳的。再一个问题是，在一个点上的液体的射流未最佳地使用等离子体。实际上，未使用 整个等离子体体积。另一个问题来自于在等离子体的中心进行喷射的事实这使得留存时间过短，因 为该处的等离子体流速很高。另外，由于使用多个等离子体焰炬，所以对它们中一个进行维 护都需要停止全体焰炬。因使用多个焰炬而产生的另一问题是必须为每个焰炬都设置电源，这由此增加了 能量损耗。为补偿这些热损耗，必须针对给定的流量增加焰炬的数目，这在热方面不是太好。最后，使用多个焰炬容易导致不稳定性，这难以通过中央喷射系统吸纳。最后的类别集合了这样的喷射方法，该喷射方法使用位于等离子体焰炬内的中间 件。为此，在热气体流动路径中插置一设备，以便使该热气体流成形，并将流体物质送到喷 嘴，由此建立其方向与热气体流的方向相似的流体物质流，如专利FR 2614751中所述的。 在这种设备的情况下，流体被直接喷射到热气体流的中心，待转化的微粒由此被热气体流 捕获并被赋予高的粘性。这种方法使得能受益于等离子体羽流的温度和存留时间，因为有 可能以反向流喷射等离子体流。然而，该部件由于高温(引起热损失)而应当针对其机械 阻力进行冷却，这这种冷却也冷却并扰乱了等离子体。此外，由于喷嘴处的温度，在启动阶 段和停止阶段中，可能出现堵塞的危险。可以看出，用于在等离子体羽流的中心分散/转化液体的大多数液体喷射方法仅 有利于下列参数之一在等离子体羽流中的存留时间，等离子体羽流的温度的使用，反应物 与等离子体介质之间的交换表面以及介质的组成。第一类别依赖于反应物与等离子体介质 之间的交换表面，第二类别依赖于存留时间，第三类别依赖于温度的使用，最后的类别取决 于两个参数存留时间和温度的使用。因此，已有的解决方案均不能同时满足下列要求-使液体在等离子体羽流中的存留时间最优；-最佳使用等离子体羽流的温度；-最大程度地发展反应物与等离子体介质之间的交换表面；-良好地将介质的组成用于转化。因此，问题是执行液体喷射以使其在等离子体羽流的中心分散/转化，以便实现 液体在等离子体羽流中的存留时间、等离子体羽流的温度、反应物与等离子体介质之间的 交换表面以及介质的组成之间的较好平衡。

发明内容
本发明首先涉及一种将液体物质(材料)喷射到等离子体焰炬中的设备，该设 备包括1)组或N部分喷射器Gi (i = 1，...N)，所述喷射器布置在等离子体流动 区域的周围，或远离等离子体流动区域，或在该流动区域之外，每个组或部分均包括至少 ni(i ^ 2)个喷射器，所述喷射器例如设置在该轴线或等离子体流动区域的两侧，或者在基 本垂直于等离子体流动轴线的平面中，从而有可向等离子体中沿至少部分地与等离子体的 流动方向相反的方向喷射所述液体物质。在大多数情况下，N小于等于15或20。同一个喷射器组Gi中的所述ni个喷射器可设置在等离子体流动区域的周围，其 中彼此相差360° /(ni)的角度。它们优选设置成使喷射入等离子体中的液体射流汇聚。 它们不与羽流或者等离子体流动区域直接接触。至少一个喷射器可以包括螺旋形的内部轮廓，以使流体具有旋转运动分量，该旋 转运动分量可促进液体撞击到等离子体羽流的中心时分散。至少一个喷射器可包括用于使所喷射的液体分馏的压电装置。根据本发明的设备可以包括沿等离子体流动轴线设置的N个喷射器组(N> 1)，不 同喷射器组的喷射器包括相对于等离子体流动轴线的不同入射角。这种布置尤其允许待处理的液体物料更好地在等离子体中分配。优选的是，喷射器组离等离子体羽流的基部越远， 它相对于等离子体流动轴线的入射角就越小。根据本发明的设备还可以包括用于在喷射器的至少一部分中例如在振荡(随时 间可变的)压力下喷射液体射流或脉冲式液体射流列的装置。有利地，一个或更多个喷射器也可均包括蒸气喷射喷嘴，以用于与液体射流同时 地喷射蒸气射流。根据本发明的设备还可包括用以对待转化的液体物料加压的装置。某些射流的压 力可以改变，尤其是在某些射流构型中，以便允许调节其精度被改变的射流的喷射角。有利地，可以设置用于分离待转化液体中的重有机成分与该液体中的轻相的装置。用于制备待喷射液体的装置也可包括用于在喷射之前使水相气化的装置。根据本发明的设备还可包括光学装置，该光学装置用于控制待转化的物料的喷射 量，并可选地用于使待转化的物料的喷射量适应所述等离子体羽流的变化。更一般地，可将该装置设置成使得待转化的液体物料(装料)的喷射能符合等离 子体羽流的变化。本发明还涉及一种向等离子体焰炬的羽流中喷射液体物质的方法，其中，经由N 个1)喷射器组Gi (i = L...N)喷射液体，所述喷射器组布置在等离子体流动区域的 周围或者远离等离子体羽流的流动区域，每个组都包括至少ni(ni >2)个喷射器，所述喷 射器例如布置在等离子体流动区域或轴线的两侧或者该区域的外侧，并且/或者处在一基 本垂直于等离子体流动轴线的平面中，将所述液体物质的至少一部分沿着一至少部分地与 等离子体的流动方向相反的方向喷射到该等离子体中。再一次地，同一喷射器组中的η个喷射器可以布置在等离子体流动区域的周围， 其中彼此相距360° /n的角度。它们优选布置成当喷射入等离子体中时形成液体射流的汇
聚ο根据本发明的设备和方法特别适用于生物油类的液体、或者来自费用处理厂的浆 料，或者固体颗粒和液体的混合物。由等离子体散发的热量的一部分可通过喷射器的支承件回收，然后通过传导传递 给经过所述喷射器的液体。可以有利地在至少一部分喷射器中喷射液体射流或脉冲式液体射流序列，例如， 在周期性(振荡)变化的压力下喷射。根据另一有利的实施形式，可以在至少一部分液体射流中与液体射流同时喷射蒸 气射流。该液体可预先分离成第一部分和第二部分，该第一部分可在较低的温度下(约 80 150°C )气化，该第二部分较重并将以液体形式喷射到等离子体中。也可在待喷射的液体中添加水，以便优化待处理的液体的转化反应。根据另一特别有利的实施形式，在等离子体羽流的外部形成蒸气层。同一喷射器组中的η个喷射器的液体射流优选在等离子体中汇聚，所述射流的汇 聚区域有利地基本位于等离子体的流动轴线上。等离子体中的至少一个射流的喷射角度可以例如通过该射流中的流体压力的变 动来改变。
7
可对各种不同的参数进行控制，例如-液体射流的喷射量，例如使用光学型装置；-和/或焰炬出口处的等离子体的量；-和/或等离子体羽流的脉冲，如有必要，相对于喷射到等离子体羽流中的液体的 脉冲。为了能够使用与一个或多个测量结果对应的数据调节该系统的参数，可能希望能 在需要时调节物料的成分和/或等离子体的运行条件。例如，可能希望调节等离子体羽流 的脉冲与喷射脉冲的周期之间的相位差。


图IA是根据本发明的设备的一示例性实施方式的细节图；图IB是根据本发明的设备的一示例性实施方式的细节图；图2A至4是用在本发明的设备中的喷射器轮廓的示例；图5和6示出液体射流经过等离子体羽流时(液体射流移动过量时)以及当液体 射流的运动量不足以使之进入等离子体羽流时遇到的问题；图7示出对射流的最大分馏的冲击，该射流在将被冲击之前以几乎90°汇聚；图8A和8B示出对非正交式汇聚的射流的冲击，其引起液体片层的形成；图9示出沿等离子体焰炬的轴线包括多个喷射器部分的构型；图IOA至IOC示出用以使等离子体羽流出现饱和的危险最小的液体射流序列的脉 冲式喷射；图11示出三对喷射器沿等离子体焰炬的轴线以及沿两个彼此垂直的轴线的组装 的可能的定位；图12示出相对于等离子体羽流的流动轴线XX’在壁处的热交换系数的曲线以及 等离子体羽流和该壁的一部分；图13示意性地示出喷射器以及蒸气喷射喷嘴的定位；图14示出等离子体羽流的边界处的富水的边界层的形成，其用于避免形成炭黑；图15示出水-生物油型系统的相位示意图；图16示出反应器的光学界面，其运行通过光学测量诊断喷射；图17示出在沿等离子体流动轴线的同一平面中的三对喷射器组件的详细分布；图18示出等离子体羽流的基础体积的示意图，其用于评估羽流被待转化的液体 物料占用的比率；图19示出通过两个液体射流的汇聚实现的液体片层的形成；图20示出液体片层相对于角β以及射流的入射角(θ )的半径(r)的演变；图21通过焰炬的电极处的连续瞬时电压示出等离子体焰炬内的电弧的波动；图22示意性示出三个液体喷射器在围绕等离子体羽流的圆形截面上的分布。
具体实施例方式下面将结合图IA所示的视图说明本发明的一种实施方式。图IB包括这种设备，它具有将进一步说明的附加外围装置。
在图IA中，标号30、31表示电极，在它们之间产生放电。同时，等离子体化的气体 经过这些电极会导致等离子体羽流3的形成。所述电极的供电装置由标号32表示。在电极的输出端设有形成支承件2的系统，以用于定位并保持用于喷射待处理液 体的喷射器。在布置于该支承件内的一空腔2’中，等离子体羽流基本沿轴线B流动，该轴 线在下面称为等离子体流动轴线。在一个示例中，空腔2’基本为柱形形状，轴线B是该空 腔的柱形对称轴线。然而，也可为该空腔选择其它形式。在该支承件2中设有至少两个喷射器，从而形成由这两个喷射器构成的组。更一般地，在该支承件中设置有N (N ^ 1，但一般N < 15或< 20)组喷射器Gi，每 个组Gi都包括至少两个喷射器，更一般地，包括ni(ni ^ 2)个喷射器。这N组喷射器沿等 离子体流动轴线设置。下面将更详细地说明这些喷射器的布置。图IA中示意性示出4个喷射器，它们的标号分别为lb、Id、lb’、Id’。这些喷射器 分成两个组Gl和G2，每个组具有两个液体喷射器。在该附图中，还区分了另外4个将在下 面说明的喷射器或喷嘴1&、1(3、1&’、1(’，它们用于单独喷射蒸气，它们中的每个都与喷射器 IbUdUbMd'中的一个相配合。液体喷射器让、1(1、113’、1(1’指向将形成等离子体羽流3的区域，以便沿方向4(见 图7、8、9、10A-C、14、17中的箭头A)喷射具有运动分量的液体，该方向A与等离子体的流动 方向B(见上述附图中的箭头B)相反。在此喷射器以两个一组或成对布置，每对或这些喷 射器的出口孔口(供待处理的物质喷向等离子体的孔口)形成基本垂直于等离子体的流动 轴线或方向B的轴线1-1’ (见图7)，每对中的两个喷射器设置成在支承件2的周围基本沿 直径相对，并且指向形成等离子体3的区域。当一个喷射器组Gi包括3个喷射器-更一般地包括ni个喷射器-时，这些喷 射器或它们的孔口基本设置在与等离子体流动轴线垂直的同一平面(在图7中该平面标 记为I-I’，其垂直于图纸的平面并垂直于轴线B)中。于是，它们优选相对于彼此基本以 120° -更一般的以360° /n-设置(例如见图22，其示出喷射器支承件2的示意性截面， 该截面垂直于等离子体流动轴线B，其中一组3个喷射器lb、lb’、lb”在同一平面中基本相 互成120° )。在支承件2的周围(见图1A、1B、7、8、10A_10C的喷射器)，同一喷射器组-当ni
=2时这些喷射器设置成相对于等离子体流动轴线基本沿直径相对-的喷射器出口处的液 体发射轴线或者该组喷射器的输出轴线相对于等离子体流动轴线B的角度基本彼此相等 (绝对值)。图9、11、17、18示出一种更复杂的结构，其中，该设备包括沿轴线B设置的3对或3 组Gl、G2、G3喷射器lb、lb’、Id、Id’、lf、lf ’，所述喷射器位于3个不同但垂直于轴线B的 轴线上。另外，同一组喷射器(这些喷射器位于等离子体流动区域的周围，但沿等离子体流 动轴线处于同一位置，即，基本在垂直于该流动轴线的同一轴线上)的发射或输出轴线相 对于等离子体流动轴线B的角度在绝对值上基本相等。这样，在图17中，每个喷射器lb、 lb’(组Gl)的轴线相对于轴线B的角度为π/2，每个喷射器Id、Id’(组G2)的轴线相对 于轴线B的角度为π/4，每个喷射器If、If’(组G3)的轴线相对于轴线B的角度为π/6。更一般的，无论一个相同组Gi中的喷射器ni (这些喷射器因而设置在垂直于等离
9子体流动方向B的同一平面中)的数目如何-由(位于该同一平面内的)这些喷射器的输出或发射轴线与等离子体传播轴线 形成的角彼此相等或基本相等；-或者，由该组中的喷射器的进入等离子体的射流的入射方向与等离子体传播轴 线形成的角彼此相等或基本相等。为了方便，图17中的喷射器示出为在同一平面内(该图的平面)，然而，它们实际 优选按图11所示布置，即，沿交替地相互正交并且正交于等离子体流动方向的轴线布置。 因此在图11中可以辨别出3个喷射器组Gl、G2、G3，等离子体流动轴线和发射轴线之间的 所有角度都基本等于90° ；由喷射器和等离子体流动轴线上的汇聚点形成的锥形的顶点处 的角度因此基本等于180°。在图9、17、18所示的实施方式中，可以看到，一个喷射器组的喷射器离等离子体 羽流3的基部33越远，该组的喷射器与该轴线形成的入射角就越小(在图17中，从喷射器 lb、lb’的角度π/2变化到喷射器Id、Id’的角度π/4，然后变化到离等离子体的基部最远 的喷射器lf、lf’的角度η/6)。如将进一步说明的，这种布置使得等离子体中的占用率最 优，同时减少了等离子体饱和的危险。因此，无论数目如何，同一组中的喷射器都能通过它们在支承件2中的定位以及 它们的定向，而迫使射流(连续的或不连续的)汇聚，从而使得各射流相互倚靠，以用于在 等离子体羽流的传播轴线处分馏。通过喷射器的这种定向，从射流汇聚而产生的运动量大部分在等离子体羽流的流 动方向B的反方向A上出现。这可确保待转化物质在羽流中的停留时间增加，由此通过等 离子体羽流进行最佳二次分馏。由于以在与等离子体传播方向相反的方向上驱动物质的运 动量喷射物质，因此相比于沿与等离子体相同的方向进行的喷射，需要额外的时间来用于 使物质由该等离子驱动。此外，由等离子体羽流引起的二次分馏是羽流和待转化流体之间 的相对速度的函数液体和等离子体流的相反的方向确保该相对速度最优。如可从图5_10C、13、14、17、18看出的，喷射器不接触(或紧邻)羽流。因此焦化 (由喷射器处的温度引起的现象)的危险降到最小，并且喷射器堵塞的危险也降到最小。此 外，冷却喷射器的必要性较小，这有利于热收益，对于液体来说，液体以较高速度流动(参 见下面的示例性实施例)确保温度限制，这在某些情况下使得能避免特定冷却。这种冷却 可通过待转化的物料以及有利地通过出自管线41 (图1B)上游的不可焦化部分确保。这种 关于热传递的有益效果通过这样的事实加强，即，在本发明中，等离子体羽流3不再被紧贴 的壁引导。空腔2’的壁以及喷射器的支承件2较远离等离子体羽流，或者对羽流不具有约 束作用，因此热损耗可被限制，这可增加能量收益。以一般的方式，喷射器进入等离子体羽流的距离(例如可约为羽流直径的10倍 (或更多))可确保射流进入羽流之前的飞行时间-这补足了射流的加热，并能可选地气化 一部分轻的物质(它们可能停留在所喷射的液体射流中)_这不必对等离子体羽流中心盛 行的高温进行转换。这使得射流在羽流中心的存在时间最佳，并将等离子体羽流特定地用 于特别难以转化的物质。按照上述方式布置的喷射器允许根据各射流可获得的运动量将液体物料喷射入 等离子体羽流3 (或者密集的热流)，以使之完全穿过该羽流直至等离子体流动轴线，以及使得射流基本在该轴线上汇聚并且当它们相会时彼此倚靠，这增加了它们的分馏。这避免 了图5所示的状况，其中射流仅部分地穿过等离子体羽流并可显著雾化地到达该轴线，或 甚至射流不进入等离子体的状况(图6)。在图6所示的情况中，液体射流10通过与等离子 体3的边缘的简单接触而被打破。图17中示出三个点A1、A2、A3(所有这三个点都位于等 离子体流动轴线B上)，其中来自不同喷射器组的射流在这些点处汇合。这种分馏，在射流基本在等离子体流动轴线上汇聚后，使得当射流冲击时(最大 分馏的情况，其中在汇聚之前对汇聚的冲击是基本垂直的，如图7所示)分散最优，或者汇 聚不正交时大大减少(如图8A、8B所示的流动的情况，其中射流10、10’相对于等离子体流 动轴线较少地倾斜，与图7所示的构型相比所示喷射器在该轴线上处于更下游)。在第一种 情况(图7)中，有利于初级分馏；而在第二种情况中，物质在等离子体羽流3内的存留时间 增加，并且待转化液体与等离子体羽流3之间的交换表面(液体从一个柱形区段10、10’到 一片层13，图8B)增加。在通过由等离子体3的流动引起的剪力强制分馏之前，优选谋求实现同一喷射器 组的喷射器，或位于同一平面的喷射器，或位于与等离子体流动轴线垂直的同一轴线上的 喷射器，的射流10、10’的汇聚。汇聚是指在射流10、10’分馏之前在它们之间冲击。这种 汇聚状况在图7中示出，图6示出射流不进入等离子体羽流的问题。图7、8A和8B示出了 如何克服液体射流部分越过或不进入等离子体羽流的危险。图8B和19更详细地示出通过 两个射流10、10’的汇聚进行的液体片层13的形成。位于等离子体流动轴线上的汇聚区域或点形成锥形的顶点，该锥形的母线由汇聚 区域或点与各喷射器的输出孔口的假想连接线形成，所述喷射器的射流在该区域或点汇 聚，由此是同一喷射器组的各个喷射器。该锥形的顶点处的半角等于在各液体喷射器的喷 射方向与等离子体流之间形成的角，或者等于入射射流在汇聚点处的方向与等离子体流动 轴线形成的角。因此，在图17中，喷射器组ld、ld’与这两个喷射器的射流的汇聚点A2—起形成 一锥形，该锥形的顶点精确地位于该点A2。连接该点与这两个喷射器之一的输出孔口的直 线Δ 2、Δ ’ 2均形成对应锥形的母线。同样地，还是在该图17中，喷射器组lf、lf’与这两个喷射器的射流的汇聚点A3 一起形成一锥形，该锥形的顶点是该点A3。连接该点A3与这两个喷射器之一的输出孔口的 直线Δ 3、Δ ’ 3均形成对应锥形的母线。至少两个射流的汇聚，以及可选地液体片层的形成，使得可以实现交换表面以及 在等离子体羽流中的存留时间最优。因此汇聚的射流直接在等离子体内雾化，这得益于射流之间的冲击、由等离子体 的流动引起的剪力效应，并得益于较高的温度(等离子体中心的温度)以及反应物类别。射流的汇聚解决了如何使进入等离子体羽流的中心的液体的运动量优的问题。 实际上，只需为射流提供足以使之进入羽流的运动量，而不存在射流以超量-即使是有限 的-的极限运动量(它至少在量级上几乎等于等离子体羽流的运动量)穿过羽流的危险。 这由此获得了附加的自由度和双倍的分馏水平(即源自等离子体(液体与羽流间的速度 差)的分馏以及源自冲击的分馏)，而且允许实现等离子体的高温与液体在羽流内的存留 时间之间的折衷。
进入等离子体羽流并且未被分馏的连续射流10的长度h(图5)为-一方面，(在量级上)是液体射流10的运动量与等离子体羽流3的运动量之间 的比值(q)的平方根的函数；优选q大于1，更优选大于2，_另一方面，是喷射角(θ，该角是等离子体流动轴线与射流方向之间的角)的函 数，-而且是缩短的距离(射流进入羽流之前的长度X与喷射射流的喷射器的直径 (d)之间的比值)的函数。根据流动特征，可以找到使得射流在分馏之前长度最大(hmax)的最佳角度 (Θ*)。在其中流体动力学优先于热效应(假设射流在在羽流内被分馏之前是液体状态) 的流动状态中，未分馏的射流的长度可以通过下列表达式逼近 在该表达式中，χ和d对于已知构型是固定的。因此，存在至多(在其中喷射角不取决于运动量的情况下，这是其中喷射器的出 口无轮廓的情况)两个用于使喷射最优的自由度(Θ和q)。参数θ的变动范围小于参数 q的变动范围。喷射器的多重性(图IA和IB中的两个喷射器截面或组，图22中的三个，但一个 或多个喷射器组中也可以更多)使得可增加交换面积以及更好地利用等离子体羽流的体 积，避免待处理的物料饱和。为此，谋求保证最大的羽流占用率或饱和率，以避免阻塞(饱 和)而不会过大地减少等离子体羽流的物料占用率(否则对一千克待转化液体物料的处理 将过于昂贵)。总体上，谋求_喷射可允许的最大量的物料，这要考虑到等离子体羽流3的功率以及物料的变 换焓；-使带液体物料的羽流局部饱和的危险最小，由此试图保证羽流内的液体物料的 良好分布(参见图9，其中灰色色块示出羽流体积中液体物料的含量)；因此，在射流汇聚 处，物料含量很高(尤其是在最接近等离子体的基部33的第一汇聚处，见图17和18以及 下面的实施例)，并倾向于或多或少地因转化而在新喷射的紧上游减小。分布的品质不能预 先假设为最佳的，但仍可逼近先验值(见下面的实施例)，并可通过适当的诊断例如借助于 图1中的装置5和6控制喷射品质而调整到后验值。饱和率可以随着羽流的性质以及待处理物料的物理化学特性(挥发性，表面张 力……)变化。作为示例，局部物料含量小于(相对于包含液体体积的羽流区段的基础 体积的液体体积(参见该示例性实施例中限定的SVi)可预防羽流饱和的危险(由液体占 有的体积以及当液体气化时由其蒸气占有的体积之间存在至少1000倍的系数)。为使等离子体阻塞的危险最小，因此可以设计下列构型-喷射器组的分布根据等离子体羽流的不同纵向位置(见图9、10A_C、17、18中的 结构)和/或具有不同入射轴线或喷射角(见同样的图，其中所有喷射器组具有各组彼此 不同的喷射角)，-和/或喷射脉冲式液体射流序列，喷射器组或部分之间潜在地相移(对于脉冲 喷射)，以便分配等离子体的物料含量(或允许转化的热气流)。图10A-10C示出该状况， 其中仅示出2个喷射器lb、lb’，首先每个喷射器发送一种物质射流，该物质3’将起初在定
12位于等离子体3前部(图10A)的区域(确定位置)，然后沿等离子体流动方向被带动，而 喷射器不再发送物质(图10B)；当每个喷射器均发送新的物质射流3”时，该射流被首先定 位在等离子体前部(图10C)的区域，位于由第一次射流喷射的物质3’所位于的区域的上 游。将液体射流脉冲的末尾与下一脉冲的开头分开的持续时间优选至多为等离子体的基础 体积的位移时间；换句话说，谋求向等离子体中喷射这样的液体体积，该体积允许等离子体 中的喷射区域的足够的更新，以便接收新的喷射脉冲。这特别适于不同喷射器部分之间的交替喷射，气体流的流速通常非常高(对于等 离子体羽流的情况)。根据可与前述实施方式结合的另一个实施形式，可设置用于喷射蒸气的装置，如 图1A、13和14中所示，其中，蒸气喷射器或喷嘴ld、ld’设置成每个都沿一方向喷射蒸气射 流100、100’，该方向与液体物料喷射器lb、lb’的喷射方向10、10’形成角度Ψ。这种蒸气 喷射使得可以带来额外的自由度，以用于形成液体射流和等离子体羽流之间的喷射角。如 可从图13和14中有效看出的，蒸气100、100’使得液体的初始路径根据蒸气射流的运动量 与待转化的液体物料射流的运动量之间的比例而或多或少地偏转。在本例中，位于等离子 体流动轴线B上的汇聚点或区域AO形成一锥形的顶点，该锥形的母线则由朝向该汇聚点入 射的入射射流的方向Dl和D2形成。所喷射的液体可以有利地是待转化的液体的容易挥发(在例如约80至150°C之间 的温度下)的部分(即，先验地不必喷射到等离子体中来气化或转化的部分)。这种部分在 特性上(由于由轻的元素构成)较少地出现焦化现象。为了以蒸气的形式喷射该易挥发的 部分，可以进行预先分层，以允许从通常容易转化的可气化含水部分分离待转化液体的有 机部分，该有机部分难以挥发并且相当难以转化，因此必须进行等离子体处理。下面将与物 料制备装置一起说明用于进行所述分层的装置。这种可气化的含水部分的量也可以可选地通过喷射附加的水来调节，以便在缺乏 氧和氢的情况下保证生物油的完全气化，尤其是由于生物油中的特定组成。作为示例，对于具有中值化学式(CHuOu)的生物油，每摩尔生物油需要0. 3摩尔 水的等效量，以用于根据下列公式完全气化CHli9O0,7+0· 3H20 — 1. 25H2+C0 (反应 1)在该反应中，尽管不足量的水也会引起反应，但失去平衡的反应将导致形成炭黑。如上所述的分馏喷射(向等离子体中以蒸气形式喷射可挥发部分，以液体形式喷 射等离子体非气化部分)不仅允许调节水的量，而且允许将等离子体区域中心留给最难转 化的物料占用，以便完全破坏该物料的结构，并且其最可能通过其它化合物进行的稀释不 必需要非常高的温度。换句话说，仅将必须在等离子体中转化的物质喷射到等离子体中，可 在等离子体外气化的部分有利地以其它方式使用。此外，除了改变液体射流的喷射角以及调节化学计量的组成的效果外，蒸气喷射 可选地允许在液体物料进入等离子体之前预先加热该液体物料。这也使等离子体3出口处 的炭黑(来自液体物料的不良气化的固体相)可以最少。实际上，由于水蒸气相对于等离 子体羽流3的运动的运动量不足以使之进入该等离子体羽流，因此其如图14所示地进行反 复的循环，水蒸气的驱动运动由等离子体3引起，由此在等离子体羽流的边界上形成富含 水的蒸气层11、11’。标号110、110’表示在喷射蒸气之后积聚在等离子体两侧的循环的蒸气云，它们将形成层11、11’。炭黑的形成非常快速(形成速度低于千分之一秒)，其涉及生 长和聚合现象，因此有利的是利用富含水蒸气的这些区域11、11’遮盖等离子体羽流，以便 限制炭黑的形成，在气化方面，炭黑在达到处分尺寸(可能超过一微米)时比较难以气化。为将炭黑的形成减到最少，也可作用于引入焰炬的等离子体化气体的组成。该等 离子体化气体的组成可至少在等离子体形成电极(图1A)的喷射点处控制。液体喷射器lb、lb’、ld、ld’可例如具有带轮廓的出口，其最大直径或尺寸Φ的孔 口 12不仅可以抑制因所喷射的液体中存在微粒而不合时宜地堵塞，而且可以保证在其端 部处等离子体羽流内的流量令人满意的分布。作为示例，图2Α和2Β中示意性地示出这种 喷射器的剖视图和正面视图。孔口 12不相对于由喷射器的延伸轴线DD’限定的方向对称。 该孔口将液体引向或偏转向轴线DD’的一侧。根据施加在出口上游的流体的压力，所述轮廓可选地允许在有限的范围δ α内 施加可变的喷射角α+ S α，该限制由该轮廓以及该流动施加，如图3Α和3Β所示在这些 图中，对应于第一运动量ql的第一压力允许获得等于α的喷射角(图3Α)；而对应于第二 运动量q2 > ql的第二压力允许获得等于α + δ α的喷射角(图3Β)。该轮廓还允许简单 地借助于压力调节待转化液体的喷射角，而不依靠难以在具有大的温度和密封性限制的方 法中实施的移动部分。这些出口的内壁也可包括螺旋形螺纹120，如图4所示，从而使流体的旋转运动量 产生脉动，其结果是允许增加液体在等离子体羽流3内的分级。这种方案允许连续或不连 续地喷射射流。根据另一实施例，可为上述类型或甚至是壁纸出口的喷射器可以设置有压电元 件，以使喷射器振动并将液体分级。这种方案允许喷射不连续的射流序列。更一般的，可通 过使用合适的相位调整来促进分级，该相位调整在由等离子体焰炬中的电弧的运动引起的 等离子体羽流的脉冲与待转化的液体射流的压力脉冲之间进行。在图1中以标号4g、4g’示出的、用于向待转化的物料施压的装置可确保喷射的速 率，并由此确保待喷射液体的运动量。如下面将进一步说明的，该装置允许调节压力，并可 例如通过微处理器型的装置7a(图1B)控制。整体上，除了分级之前的占有率和射流长度外，还可特别地考虑下列因素以便使 喷射最优-射流在其与另一射流汇聚之前的行进时间(该时间分解为进入羽流之前的飞行 时间以及在羽流内的行进持续时间)。该时间可使得液体的温度升高，以及由此通过引起的 粘性的降低来在射流冲击时增强分级。-射流破碎成液滴的时间；-对射流冲击后源自分级的液滴(或者实际上不再由于剪切而受到进一步分级而 处于平衡的液滴)来说，达到与等离子体羽流的流动速度平衡的时间；-液滴蒸发时间(至少对于易挥发的部分来说)；-液体在等离子体羽流内的存留时间(不计算冲击前的飞行时间)。下表I给出了这些时间的量级，应当理解，它们不完全对应于其贡献可相对于物 料的转化平衡的现象。化学转化时间在等离子体介质中是未知的，因此未给定数值。本发明使得液体物料能被最优地喷射，由此使得物理现象(尤其是分级和气化)最优。表 I 用于液体物料的转化的最重要的参数是碎裂时间、液滴气化的特征时间以及(冲 击之后的)存留时间。与其它现象相比，用于液滴平衡的时间较长，但也不必不惜任何代价谋求达到该 平衡(达到流体动态平衡实际上只是表示已经使用了羽流的所有剪力潜能，当达到该平衡 时等离子体/液体的相对速度为零)。与冲击之后的存留时间相比，冲击之前在羽流内的飞行时间是不可忽略的。该分析显示优选在等离子体流的尽可能的上游(等离子体不饱和)并且尽可能 地沿该等离子体流的纵向对称轴线(轴线B)进行液体的碎裂，该方法使得细小液滴在等离 子体羽流内的存留时间最长。形成喷射器的支承件2的装置或设备有助于该喷射器的适当定位和保持。该装置 与焰炬相接合。该喷射器的支承件可包括用于接纳N(N彡1)个喷射器组Gi (i = 1，...，N)的装 置，每个组均包括如上安放的ni(ni ^ 2)个喷射器。两个不同的喷射器组Gi和Gj (i Φ j) 可包括数量彼此不同的ni个和nj个喷射器。由于喷射器支承件围绕等离子体羽流，所以 它是环形的并且可分成区段(2a，2b，2c)，以便获得相对于不同喷射平面之间的角度自由度 (一个含有两个喷射器的组相对于来自所述喷射器的两个射流的汇聚点形成一个平面(喷 射平面))，如可从图11中看出的，其中，这样的平面交替地相互垂直。图11中的每个喷射 器组均包括两个喷射器。这两个喷射器也限定了一垂直于等离子体流动轴线B的轴线、以 及与汇聚点形成的平面。为使喷射器能在最佳状态下运行，尤其是关于温度和喷射角，该支承件使得能维 持待喷射液体的温度，以用于尤其控制其速度以及完成预热，该预热可在可选的物料制备 步骤期间在上游进行，如下面将说明的。由于液体在喷射前达到接近转化温度的温度，所以 在等离子体羽流内的存留时间最优，因为不是(或很少地)将液体加热，而是在液体碎裂之 后将其快速转化。支承件和/或喷射器的材料可以为任何耐高温型材料，该材料同时允许足够的热 传递，以使该热传递能确保待喷射液体的预热，而不会引起对于喷射器来说过高或会导致 待喷射的物料焦化的表面温度。如图12所示，显而易见，可在喷射器的支承件2处实现热流的显著增加，等离子体 羽流3的断裂区域用于促进大多数对流交换。在该图中，标号2a、2b、2c表示喷射器的支承 件2的三个区段。在焰炬运行过程中，这三个区段围绕等离子体羽流3设置。区段2c对应 于等离子体羽流3的末端，该区段是热交换系数最大的区段，如图12的上部所示。
因此，可将喷射器支承件2的一部分用于回收来自等离子体羽流3的部分热量。所 回收的热量则可通过传导传递到流过喷射器的液体。这种液体的预热装置使得其粘度可以 降低，由此更有流动性并能更好地在等离子体中分馏。可选地，在交换系数的峰值处热应力 过高的情况下，可将区段2c移动到等离子体流的下游。应当注意，可根据出口的带轮廓部分以及相对于上面已经说明的蒸气的喷射来相 对于所施加的运动量适度地调节喷射角。图IA中的设备可包括各种额外的外围装置。所述装置在图IB中示意性示出。可设置装置4以用于制备液体物料以及使待通过喷射器喷射入等离子体羽流3中 的液体加压或升高温度。可选地，可设置装置5、5a、5b以实现对喷射量的控制。可使用装置6来跟踪等离子体焰炬的脉冲，喷射器组与该脉冲相关联。可使用数据处理装置7a、7b，所述数据处理装置使用与在系统上进行的各种测量 结果相对应的数据，例如调节装置5a、5b、6提供的数据，以便根据需要调节物料的组成和/ 或等离子体运行条件。例如，这些装置可用于调节，例如最小化，等离子体羽流3的脉冲周 期和喷射的脉冲周期间的相位差。根据一个示例性实施方式，物料制备(设置压力和温度)装置4可例如包括-储备原料液体物料的储存器4，_储水器4b (该水可以是来自废水处理的含有有机残留物的水)，-用于分层或调节水含量的储存器4c(可从化学计量的观点完成转化反应)。可选地，可使用沉淀器4d，以便粗略地分离来自原料液体分层的物相，如果可进行 分层的话。实际上，这种在多种工艺中都有害的分层现象(对于例如生物油来说，存在相图， 像其他特定碳氢成分一样，参见图15)在本发明中可以有利地用于从容易转化的轻物相中 分离难以转化的重的有机化合物，而不会增加成本。一旦分离，可有利地在等离子体焰炬的 出口处(尽可能地接近基部33，见图17和18)向等离子体羽流的中心喷射该重的物相，以 便更好地受益于分馏的最佳区域，而较轻(且理论上容易转化)的物相可被在蒸气喷射喷 嘴(例如图12中的喷嘴la、la’)处喷射入等离子体羽流的尾部中，从而也可形成相对于待 转化的液体物料的喷射角的附加自由度。可使用过滤器(在此为两个)或分离装置(例如离心型的)41、41’来细化源自沉 淀器的物相的分离。可使用泵4k’在用于实现澄清的装置4d中使不希望的物相(例如含水物相的分 离区域中的有机物相)再循环。可使用装置4h来测量用于分层的储存器4c的出口的水含量。实际上，为控制分 层现象，可实现对水含量的测量(例如通过Karl Fischer型的测量)。此外，可以通过借助于装置4i测量基本构成来了解待转化的物料中的碳、氧、和 氢的含量，该装置4i位于有机液体物料向缓冲体积4c的引入点的上游。从而，可了解待添加的水的量，以便确保完全气化(例如上述反应1所需要的)。可在位于喷射管线上的缓冲储存器4f的上方设置供给加压气体(例如氮气、C02、 甲烷或水蒸气)的装置4e，以便在需要时将该气体溶解在液体物料中。
16
所述位于喷射器出口处的气体可以开始解吸并允许调节介质的组成(尤其是氧 化物)。在反应器中心具体说是等离子体羽流中心的这种气体溶解及随后的快速解吸(由 于温度梯度以及大的压力)有利于希望的分馏现象。可在待转化的液体内引导气体滴的形 成，这些气体滴在温度作用下的微爆裂倾向于使所喷射的液体局部分馏。待溶解的液体可以具有与待转化的液体相比较小的质量(与使用介质气体的雾 化不同)。它引导待转化的液体的分馏，但也允许为其转化提供补充反应物。为待转化的物料加压的装置4g、4g’可确保其喷射速度，并由此确保其运动量。所 述装置允许调节压力，以便根据周期性和适于等离子体羽流流的信号(例如根据时间变化 的正弦压力)维持连续的或可变的压力；尤其是提供了使喷射器压力振荡以适应等离子体 羽流的波动的可能性，如例如示波器6a所示。所述装置4g、4g’由微处理器7a控制。用于分布裂开的固体以及表面活性剂的系统4j可选地允许原位形成浆液型的物 料。同样可选地，可以使用热交换器4m来在含水相被喷射之前将该含水相气化，以用 于例如通过图IA中的喷嘴la、la’、lC、lC’形成单独喷射的蒸气相，如上面已经说明的。为 加热该含水相，可以回收来自反应器冷却系统以及等离子体焰炬的电极的热量。可使用装置4p、4o来通过测量物相的密度控制良好的分离(通过沉淀)，该装置位 于用于分层的沉淀器4d处。装置4i、4h、4o、4p提供对处理器型装置7的测量，以便管理待喷射液体的制备。导管40、41分别用于喷射液体相以及可选的分离的蒸气相，所述导管可例如通过 加热条或热气体而被加热，该热气体在焰炬3的出口收集并喷射入围绕所述导管的双重套 中。根据本发明的设备可包括用于检查喷射质量的装置5。这种装置的一个示例是光学诊断组件5a，该组件可通过分析经由一个或多个观察 窗51、53的图像来诊断分馏的质量，所述观察窗在图16中精确示出。所述组件可例如包括高清晰度的摄像机5b以及脉冲激光器5b’，以便照亮并观察 羽流内的液体物料的液滴的位置或运动。可选地，可使用与摄像机5a相关联并适于等离子 体化气体的特性的过滤器系统55，以便克服等离子体的固有发射率，并分辨由激光束照亮 的液体的液滴。可使用中性扫描气体(图16中为氮气)以便避免在观察窗51上沉积炭黑。这种装置的第二示例是诊断组件5c，该组件位于反应器的出口(或反应器内部的 不同点处，如果气体在反应器中的存留时间过长的话)，并用于跟踪永久气体的成分。根据 通过这种测量获得的数据，可针对喷射性能水平(例如通过跟踪转化率或羽流内的分馏水 平)来减少第一量级。与此平行地，可为该测量关联PID型测量(借助于能量接近10. 6eV的UV灯进行的 图像_电离检测)，以便不被冷却的气体矩阵干扰，从而提供焦油或生物油含量或者未完全 转化的有机物料的评估线。该设备之后是热淬火和过滤器系统(是常规的，并且未示出)， 以用于固定转化物的动能，允许冷却气体流，并消除在使待分析的气流被引入例如气相色 谱仪5c以及PID中之前出现碳痕迹的可能性。根据诊断装置的结果，可以集成自己的调节系统的处理器装置7a致动喷射和物 料制备系统的控制要素(喷射角度、运动量、水含量等)，以适应这些要素。
此外，可以设置使待转化的液体物料的喷射适应于等离子体羽流的可能改变，尤 其是焰炬的脉冲变动的设备。实际上，源自非转移型弧式等离子体焰炬的羽流可以因所产生的不稳定性而出现 脉冲，尤其是在焰炬头部内的电弧中断或再生时。这种变化(尤其是温度上的)是比较有 周期性的，并且可通过连续记录电极端子30、31(图1A)处的电压而直接跟踪，如图21所 示。由于对于给定的焰炬和给定的运行条件而言，来自焰炬的羽流的脉冲的周期性相对恒 定，所以不必(并且在因脉冲频率而不可能的时刻)使喷射实时地适应脉冲。然而，可以控 制周期的不偏离性以及脉冲与液体射流(如果它们是脉冲式的)的喷射的良好的同步性， 以便尤其用于-限制等离子体羽流与待转化的物料发生阻塞的危险；-受益于在给定的时间段内具有可能最好的效率(以及由此最热)的等离子体羽 流。在观察到周期性出现偏差(可通过快速捕集式示波器6测量，图1B)的情况下，可 调节喷射参数，以便稳定选定的周期性。为此，诊断系统还连接到处理器7a，该处理器有规律地比较喷射指令与等离子体 羽流的脉冲之间的周期性和相位参数。根据本发明的设备的运行如下所述。等离子体焰炬产生等离子体羽流3，液体喷射器向其中喷射待转化的物料。物料制备装置供应适合于喷射器的物料。喷射质量诊断装置可以检查射流的分馏，以及监测永久气体的成分。此外，控制装置监测焰炬脉冲。诊断装置、控制装置和物料制备装置将它们采集的信息发送给数据处理装置7a、 7b。继而，数据处理装置可控制物料制备装置，以便使物料的成分与所采集的信息相 适应。数据处理装置还可相对于等离子体的脉冲来控制喷射器的脉冲，例如用于相对于 该等离子体的脉冲进行重新调节。下面将说明根据本发明的喷射系统的示例性实施例。该示例使用2MW电功率的非转移电弧式等离子体焰炬，其用于通过较好地将生物 油喷射入等离子体羽流来实现生物油的最佳转化。选择下列运行数据-焰炬喷口的直径60mm，-等离子体羽流的长度300mm(假定该羽流的温度和流动速度在该区域中是恒定 的，以便简化计算)，_羽流的形状锥形，-羽流的温度7000K，-羽流的密度3.49 · 10_2kg/m3，-生物油的密度1200kg/m3，-等离子体焰炬的热收益90%，
-待转化液体物料的转化焓1lMJ/kg (假定该物料的成分CxHyOz是理想的，从而不 必喷射附加水)。鉴于这些数据，处理系统的最大能力(Qmax)接近600kg/h。可选择适当数量的6 个喷射器，以确保在等离子体羽流内的该分布，喷射器的轴线如图11所示是交替的。在图 17中，对于其中喷射器位于同一平面(该图的平面)的布置，为喷射器的定位和角度给定不 同的标记，尤其是-R和L分别是从等离子体流动轴线上测量的基部处的等离子体的半径，以及从该 基部测量的等离子体羽流的长度，_ri表示在等离子体流动轴线上测量的、当射流汇聚时液体的分馏区域或片层的 长度，-两个射流的每个汇聚区域在等离子体流动轴线上的位置标为xi，-Hi表示穿过射流汇聚点的流动轴线的各垂线与表示等离子体羽流的三角形的其 中一个长边的交点的、位于与等离子体流动轴线垂直且位于附图平面内的轴线上的位置，-x'i(H'i)表示各射流与表示等离子体羽流的三角形的邻边相交的交点的正交投 影在等离子体流动轴线(位于与该流动轴线垂直并位于附图平面中的轴线上)上的位置。就图17和18(其中等离子体羽流被示出为三角形)中的标记而言，可以具有 Xl= JUL—(其中 土 = 2或3)，Hi，= tan θ i · xi，一tan θ i · xi (其中 i = 2 或 3)，Hi = R-R/L · xi(其中 i = l，2 或 3)，图17中给出了 Hi的值。在无任何干扰的情况下，两个射流的汇聚使得能够形成流体片层，它的长度尤其 取决于射流的入射角。通常，可以根据角度β来估计比例βΓ/(Φ/2)2，如图19中所限定的， 其中Φ是对应喷射器的喷射直径。通过根据射流的入射角θ来推断r (射流10、10’的汇聚点与片层外周的流动点R 之间的距离)的最大值，并考虑到片层13的厚度e为比汇聚的液体射流10、10’的半径小 的量级，可以首先逼近下列源自射流汇聚的片层长度的最大值(由于等离子体羽流实际上 倾向于减少这些流体片层的形成) (Oi是通过喷射器i喷射的射流的直径)。如图18所限定的基础体积δ Vi则允许为包含喷射点的基础体积而限定液体物料 (Ti)的占有率。假设δ Vi是包含定位点Xi的基础体积，则该基础体积的值具有下列表达式SVi = 1/3 · π · [ri+(x' i_xi)] · (Hi，2+Hi，· Hi+Hi2)。设喷射器i的射流的运动量与等离子体羽流的运动量的比值为qi，喷射器i的液体的流量为Qi，则可设定下列规则-如果Xi增大，则-大于1，以确保θi和Φ i都减小，但均保持可执行该方法的参数；-Qi，它也是运行参数，减小，但Σ Qi < Qmax，- τ i可以是可变的，甚至倾向于减小，但保持小于1%，_qi，它也是运行参数，选定为液体的羽流。通过遵循该构造规律，可以得到表II所示的实施例，其中可在运行期间，借助于 运行参数9 1、(^和91谋求使ε (被液体物质占有的羽流的两个占用区域之间的距离，见 图18)最小以及调节τ i (对于喷射质量的诊断数据)表II 更一般的，与该示例不同，无论所选择的构型如何(从而无论喷射器组的数量以 及每个喷射器组中喷射器的数量如何)，对于其中第一组更靠近等离子体的基部33的两个 喷射器组来说，第一组具有参数τ 、θ 1、cDl、ql和Q1，第二组具有参数τ2、Θ2、Φ2、92 和Q2，可以使得- θ 1 > θ 2，以及 ΦΙ > Φ2 ；-Ql > Q2，但Σ Qi < Qmax(Qmax =总流量(根据等离子体羽流中可获得的热能 以及物料的转化焓(每质量单位的物料的转化能量)限定，在此约为6001/h)，τ 和τ 2 < 1% )；-ql 和 q2 均大于 1。总体上，形成本发明的设备可确保物料的最佳的转化可能，运行寻求下列之间的 最佳折衷_待转化液体的最优分馏，其使得液体和等离子体羽流间的交换面可以最佳；-物料在羽流内的存留时间尽可能地长；-最大程度地使用等离子体羽流内的最高温度；-最大程度地使用等离子体羽流内的活性物含量；应当知道，物料的转化本身就是上述参数的增长函数(转化=f(t，S^/&_W3m， T0，Comp))ο本发明适用于转化诸如生物油的液体、来自废水处理厂的浆料、源自固体雾化的 “浆液”或颗粒，这些颗粒与液体混合以便喷射入等离子体焰炬中。本发明还适用于生物油型液体，或者更一般地潜在地含有细小颗粒的液体，甚至 更一般的由于其物理化学特性(尤其是粘度)而较难雾化的液体，的转化和/或喷射。生物油气化方法可用于提供适于生产合成燃料的气体。如引言部分已经说明的，可通过闪速热解获得生物油，闪速热解是一种热化学方 法(在T 500°C的温度下)，其中在无氧的情况下将生物量快速加热。在热效应下，生物 量降解并导致形成永久气体、可凝结的蒸气、气溶胶和碳残留物。在易挥发的成分和气溶胶冷却并凝结后，通常获得深栗色液体生物油。根据本发明，然后通过喷射入等离子体焰炬 来将该生物油气化，这样可限制或避免焦油的出现(低于0. lmg/Nm3的极限值)。本发明还可有利地应用于需要使用等离子体羽流或火焰或较热的流体的方法，或 者产生不利于将物料与等离子体混合(或与火焰或热流体混合，或产生大的运动量)的大 运动量的方法。根据本发明的系统也可承受待转化液体的密度的变动。然而，对于其它系统来说， 如果液体的密度有变动，就必须进行可能非常麻烦的调节。
权利要求
一种向等离子体焰炬中喷射液体物质的设备，该设备包括N(N＞1)个喷射器组Gi(i＝1，...N)，所述组在等离子体流动区域(3)的周围沿等离子体流动轴线布置，每个组Gi均包括至少ni(ni≥2)个喷射器(1b、1b’、1d、1d’、1f、1f’)，所述喷射器设置成使得每个喷射器均沿至少部分地与等离子体流动方向相反的方向(10、10’)向等离子体中喷射所述液体物质，同一喷射器组Gi中的所述ni个喷射器相对于彼此以360°/(ni)的角度间隔围绕所述等离子体流动区域设置，以使得向等离子体喷射液体射流的ni个喷射器均形成一锥形的母线，该锥形的顶点基本位于等离子体流上。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述喷射器距离所述等离子羽流(3)的基 部(33)越远，所述喷射器的发射轴线相对于所述等离子体流动轴线的入射角就越小。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，至少一个喷射器包括用于使所喷射的 液体分馏的压电装置。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其特征在于，至少一个喷射器包括螺旋形 的内轮廓(120)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，该设备还包括用于在至少一 部分所述喷射器中喷射脉冲式液体射流序列的装置。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其特征在于，至少一部分所述喷射器还都 包括用于与液体射流同时喷射蒸气射流的蒸气喷射喷嘴(la、la’、lC、lC’)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的设备，其特征在于，该设备还包括用以向待转化 的液体物料加压的装置(4g、4g’)。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的设备，其特征在于，该设备还包括分离装置，该 分离装置一方面用于分离待转化的液体中的重有机化合物，另一方面用于分离该同一液体 中的轻相。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的设备，其特征在于，该设备还包括用于在喷射前 使水相气化的装置(4m，)。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的设备，其特征在于，该设备还包括光学装置，该 光学装置用于控制待转化的物料的喷射量，并可选地用于使待转化的物料的喷射量适应所 述等离子体羽流的变化。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的设备，其特征在于，该设备还包括用于使待转 化的液体物料的喷射适应所述等离子体羽流的变化的装置(6，7)。
12.—种向等离子体焰炬中喷射液体物质的方法，其中，通过N(N> 1)个喷射器组 Gi (i = 1，...N)喷射液体，所述喷射器组布置在等离子体流动区域(3)的周围，每个组Gi 均包括至少ni(ni彡2)个喷射器(lb、lb’、ld、ld’、lf、lf’)，所述喷射器设置成使得每个 喷射器均沿至少部分地与等离子体流动方向(B)相反的方向(A)向等离子体中喷射所述液 体物质的至少一部分，同一喷射器组中的所述ni个喷射器相对于彼此以360° /(ni)的角 度间隔围绕所述等离子体流动区域设置，以使得所述喷射器向等离子体喷射的液体射流均 形成一锥形的母线，该锥形的顶点基本位于等离子体流上。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，该液体是生物油、或固体颗粒和液体的 混合物、或来自废水处理厂的浆料。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，通过喷射器的支承件回收由等离子体散发的部分热量，然后通过传导将该热量传递到经过所述喷射器的液体。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其特征在于，在至少一部分所述喷射 器中喷射脉冲式的液体射流序列。
16.根据权利要求12至15中任一项所述的方法，其特征在于，在至少一部分液体射流 中，与液体射流同时喷射蒸气射流。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，预先将液体分离成第一部分和第二部 分，该第一部分能在低于等离子体的中值温度的温度下气化，该第二部分将以液体形式喷 射到等离子体中。
18.根据权利要求12至17中任一项所述的方法，其特征在于，向待喷射的液体中添加水。
19.根据权利要求12至18中任一项所述的方法，其特征在于，在所述等离子体羽流的 外部形成蒸气层(Iuir)0
20.根据权利要求12至19中任一项所述的方法，其特征在于，使同一喷射器组中的η 个喷射器的液体射流在等离子体中汇聚。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述射流的汇聚区域基本位于所述等 离子体(3)的流动轴线上。
22.根据权利要求12至21中任一项所述的方法，其特征在于，改变至少一个射流喷射 到等离子体中的喷射角。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，通过改变至少一个射流中的液体的压 力来改变该射流的喷射角。
24.根据权利要求12至23中任一项所述的方法，其特征在于，向至少一个液体射流施 加旋转运动量。
25.根据权利要求12至23中任一项的方法，其特征在于，利用不同喷射器组的喷射器 喷射液体，所述不同喷射器组包括相对于所述等离子体流动轴线的不同入射角。
全文摘要
本发明涉及一种用于向等离子体焰炬喷射液体材料的设备，该设备包括N(N≥1)个布置在等离子体流动区域(3)的周围的喷射器组，每喷射器组包括至少n(n≥2)个布置在等离子体流轴线两侧的喷射器(1b，1b’，1d，1d’，1f，1f’)，以便沿至少部分地与等离子体流动方向相反的方向(10，10’)向所述等离子体喷射所述液体材料。
文档编号H05H1/42GK101897241SQ200880120556
公开日2010年11月24日 申请日期2008年10月9日 优先权日2007年10月12日
发明者大卫·格纳杜, 帕特里克·格拉蒙迪, 梅莉尔·布罗捷 申请人:原子能和替代能源委员会