本发明涉及一种用等离子体制取高温、 富含活性粒子水蒸汽的方法及装置， 特别是 用于煤、 生物质及垃圾的气化转化过程使用的提高气化 强度的高温高活性水蒸汽制备技 术。

背景技术

水蒸汽热等离子体用于煤、 生物质及垃圾的气化转化可大大提高气化强度 ， 可以调 节合成气中有效气体 H2的比例， 使合成气可以满足不同使用要求。 因此基于热等离子 体的水蒸汽气化技术在世界范围内得到重视。 传统的水蒸汽等离子体气化方法， 使用水 蒸汽作为等离子体的工作气， 由于水蒸汽具有氧化性， 这在一定程度上加快了电极的损 耗， 縮短电极的使用寿命； 这一因素制约了等离子体气化技术的发展。

专利申请 01129931.2公开了氢气、 CH4及水蒸汽作为工作气体的等离子体热解气化 制取合成气的方法，由于水蒸汽具有氧化性,� �得等离子发生器的电极损耗加快，使用寿命 縮短。

发明内容

本发明的目的是提供一种用等离子体制取高温 、富含活性粒子水蒸汽的方法及装置， 采用非氧化性气体作为等离子发生器的工作气 体， 生成的高温等离子体再加热水蒸汽制 取高温、 富含高活性粒子水蒸汽， 避免了水蒸汽与电极的接触， 延长电极的使用寿命。

本发明的技术方案： 本发明的用等离子体制取高温、 富含活性粒子水蒸汽的方法， 步骤包括：

1 )制备水蒸汽及通过等离子发生器将工作气体� �离成高温等离子体工质，工作气体 选用非氧化性气体中的一种或几种；

2) 将高温等离子体工质喷射入高温水蒸汽发生器 形成高温电离环境， 同时将水蒸 汽通过旋转导向叶片高速送入高温水蒸汽发生 器， 与高温等离子体工质强烈混合， 水蒸 汽被加热、 活化， 形成具有活性粒子的水蒸汽。

所述的步骤 1 )工作气体通过等离子发生器被电离成高温等� �子体的温度为 3000K〜 12000Κ。 所述的工作气体优选氮气。

所述的步骤 2) 高温等离子体工质喷入高温水蒸汽发生器的速 度为 30〜100m/s， 水 蒸汽喷入高温水蒸汽发生器的速度为 5〜30m/s _; 通过调节高温等离子体工质与水蒸汽进 入高温水蒸汽发生器的质量流量比例， 使高温水蒸汽发生器中加热后的水蒸汽达到出 口 处的温度为 1000K〜4000K。

所述的用等离子体制取高温、 富含活性粒子水蒸汽的方法， 在高温水蒸汽发生器的 壳体上间隔设置 1〜4级水蒸汽进入的环形狭口，部分水蒸汽通� ��压力输送装置由环形狭 口进入高温水蒸汽发生器， 在高温水蒸汽发生器壁上形成保护高温水蒸汽 发生器壁面的 低温水膜。

所述的送入高温水蒸汽发生器的水蒸汽优选饱 和水蒸汽。

本发明的用等离子体制取高温、富含活性粒子 水蒸汽的装置包括等离子发生器和高 温水蒸汽发生器， 其高温水蒸汽发生器的一端中部设有高温等离 子体进入口与等离子发 生器出口连通， 等离子发生器有非氧化性气体进口， 在高温等离子体进入口的周围是环 形水蒸汽进口， 环形水蒸汽进口内安装旋转导向叶片。

所述的高温水蒸汽发生器的壳体是逐级变大的 台阶状， 分 1〜4级台阶， 每级台阶 处的相邻两段壳体间有水蒸汽进入的环形狭口 ， 环形狭口与水蒸汽压力输送装置连接。

所述的高温水蒸汽发生器的壳体上逐级变大的 台阶每级长度范围 300〜800mm。 所述的环形狭口的径向宽度为 3-15mm。

本发明的优点：

本发明工作气体选用非氧化性气体， 对等离子发生器电极无腐蚀作用， 加上水蒸汽 通过单独进口进入， 不与等离子发生器的电极接触， 使电极寿命长。

本发明水蒸汽通过环形水蒸汽进口导向叶片进 口高速旋转喷入高温水蒸汽发生器中 的等离子体高温区域， 与高温等离子体强烈、 迅速混合， 水蒸汽被加热、 活化， 富含大 量活性粒子。 通过调节等离子体与水蒸汽的进口质量流量比 例， 使加热后的水蒸汽温度 为 1000K〜4000K， 满足气化需要。 水蒸汽通过高温水蒸汽发生器壳体上的环形狭 口进 入， 在高温水蒸汽发生器壁面处形成低温水膜， 保护壁面。

附图说明

图 1为用等离子体制取高温、 富含活性粒子水蒸汽的装置的结构示意图。 图 2是图 1的 A-A剖视图。

图 3是图 1的 B-B剖视图。

具体实施方式

如图 1、 图 2、 图 3: 本发明的用等离子体制取高温、 富含活性粒子水蒸汽的装置包 括等离子发生器 1和高温水蒸汽发生器 2， 其高温水蒸汽发生器 2的一端中部设有高温 等离子体进入口 4与等离子发生器 1出口 lb连通，等离子发生器 1有非氧化性气体进口 la, 在高温等离子体进入口 4的周围是环形水蒸汽进口 3d， 环形水蒸汽进口 3d内安装 旋转导向叶片 7。环形水蒸汽进口 3d通过环腔和管口 3d 1与水蒸汽压力输送装置 3连接。 6是环形水蒸汽进口 3d内的多孔板。 5是高温水蒸汽发生器 2的高温、 富含活性粒子水 蒸汽出口。

进一步地， 所述的高温水蒸汽发生器 2的壳体是逐级变大的台阶状， 分 1〜4级台 阶， 以 3级为例， 高温水蒸汽发生器 2的壳体包括 2a、 2b、 2c, 每级台阶处的相邻两段 壳体间有水蒸汽进入的环形狭口 3a、 3b、 3c, 环形狭口 3a、 3b、 3c通过各自的带环腔的 管口 3al、 3bl、 3cl与水蒸汽压力输送装置 3连接。

所述的高温水蒸汽发生器的壳体上逐级变大的 台阶每节长度范围 300〜800mm。 壳 体为耐火材料。

所述的环形狭口的径向宽度为 3-15mm。

本发明的用等离子体制取高温、 富含活性粒子水蒸汽的方法， 步骤包括：

1 )制备水蒸汽及通过等离子发生器将工作气体� �离成高温等离子体工质，工作气体 选用非氧化性气体中的一种或几种；

2) 将高温等离子体工质喷射入高温水蒸汽发生器 形成高温电离环境， 同时将水蒸 汽通过旋转导向叶片高速送入高温水蒸汽发生 器， 与高温等离子体工质强烈混合， 水蒸 汽被加热、 活化， 形成具有活性粒子的水蒸汽。

所述的步骤 1 )工作气体通过等离子发生器被电离成高温等� �子体的温度为 3000K〜 12000Κ。

所述的水蒸汽包括不饱和水蒸汽、 饱和水蒸汽及过热水蒸汽以及水蒸汽与空气或 / 和氧气混合物， 优选饱和水蒸汽。

常用非氧化性气体有 Ar， N2， H2， C02,CH4等， 优选氮气。 进一步地， 步骤 2)高温等离子体工质喷入高温水蒸汽发生器的� ��度为 30〜100m/s， 水蒸汽喷入高温水蒸汽发生器的速度为 5〜30m/s _; 通过调节高温等离子体工质与水蒸汽 进入高温水蒸汽发生器的质量流量比例， 使在高温水蒸汽发生器中加热后的水蒸汽达到 出口处的温度为 1000K〜4000K。

进一步地， 在高温水蒸汽发生器的壳体上间隔设置 1〜4级水蒸汽进入的环形狭口， 部分水蒸汽通过压力输送装置由环形狭口进入 高温水蒸汽发生器， 在高温水蒸汽发生器 壁上形成保护高温水蒸汽发生器壁面的低温水 膜。

所述的高温水蒸汽发生器的壳体上逐级变大的 台阶每节长度范围 300〜800mm.所 述的环形狭口的径向宽度为 3-15mm。

实施一：

工作气体 N2通过等离子发生器 1被电离形成约 3000K的高温等离子体， 以 30m/s 的速度喷入高温水蒸汽发生器 2， 形成 3000K高温电离区域； 饱和水蒸汽一部分通过具 有导向叶片的环形水蒸汽进口 3d形成 lOm/s的高速旋转气流喷入高温水蒸汽发生器 2， 与高温等离子体强烈、 迅速混合； 另一部分水蒸汽通过环形狭口 3a、 3b、 3c以 5m/s的 速度进入高温水蒸汽发生器 2， 在高温水蒸汽发生器 2的内壁形成低温水膜壁， 起到保 护壁面的作用。 由于高温等离子体存在大量被电离的活性粒子 ， 当饱和蒸汽与其接触并 混合后， 水蒸汽被加热电离成富含大量活性粒子 （活性 H20、 活性 H、 活性 0、 HO—， H -， 0 ⁺² ) 的高温水蒸汽， 反应后的水蒸汽在出口 5处温度达到 1500K, 可以直接进入气 化装置参与气化反应。

实施二：

工作气体 C02通过等离子发生器 1被电离形成约 5000K的高温等离子体， 以 70m/s 的速度喷入高温水蒸汽发生器 2， 形成 5000K高温电离区域； 饱和水蒸汽一部分通过具 有导向叶片的环形水蒸汽进口 3d形成 15m/s的高速旋转气流喷入高温水蒸汽发生器 2， 与高温等离子体强烈、 迅速混合； 另一部分水蒸汽通过环形狭口 3a、 3b、 3c以 7m/s的 速度进入高温水蒸汽发生器 2， 在高温水蒸汽发生器 2的内壁形成低温水膜壁， 起到保 护壁面的作用。 由于高温等离子体存在大量被电离的活性粒子 ， 当饱和蒸汽与其接触并 混合后， 水蒸汽被加热电离成富含大量活性粒子 （活性 H20、 活性 H、 活性 0、 H0—， H -， 0 ⁺² ) 的高温水蒸汽， 反应后的水蒸汽在出口 5处温度达到 2400K, 可以直接进入气 化装置参与气化反应。

实施三：

工作气体 Ar通过等离子发生器 1被电离形成约 12000K的高温等离子体，以 lOOm/s 的速度喷入高温水蒸汽发生器 2，形成 10000K高温电离区域；饱和水蒸汽一部分通过具 有导向叶片的环形水蒸汽进口 3d形成 30m/s的高速旋转气流喷入高温水蒸汽发生器 2， 与高温等离子体强烈、 迅速混合； 另一部分水蒸汽通过环形间距 10mm狭口 3a、 3b、 3c 以 lOm/s的速度进入高温水蒸汽发生器 2， 在高温水蒸汽发生器 2的内壁形成低温水膜 壁， 起到保护壁面的作用。 由于高温等离子体存在大量被电离的活性粒子 ， 当饱和蒸汽 与其接触并混合后， 水蒸汽被加热电离成富含大量活性粒子 （活性 H20、 活性 H、 活性 0、 HO , H-， 0 ⁺² ) 的高温水蒸汽， 反应后的水蒸汽在出口 5处温度达到 3000K, 可以 直接进入气化装置参与气化反应。

本发明的核心是水蒸汽通过单独进口进入高温 水蒸汽发生器， 不与等离子发生器的 电极接触。 因此， 凡是采样非氧化性气体作为电离介质， 水蒸汽通过单独进口进入高温 水蒸汽发生器的， 均属于本发明的保护范围。