等離子體炬的設(shè)計(jì)的制作方法
【專利摘要】用于改善等離子體炬的性能的設(shè)計(jì)改進(jìn)。使用本文說(shuō)明的各種改進(jìn)中的一個(gè)或多個(gè)能夠改善炬、反應(yīng)器和制造工藝的效率和效果。還說(shuō)明了炬和氫氣等離子體氣體、天然氣給料的使用以及炭黑生產(chǎn)。
【專利說(shuō)明】等離子體炬的設(shè)計(jì)
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的引用
[0002]本申請(qǐng)要求2014年I月31日遞交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)N0.61/934，184的優(yōu)先權(quán)，其公開通過(guò)引用明確地并入于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明總體上屬于利用電能來(lái)影響化學(xué)變化的方法和設(shè)備的技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0004]許多年來(lái)有很多可以使用和一直使用的工藝用來(lái)生產(chǎn)炭黑。許多年來(lái)用于生產(chǎn)該炭黑的能源已大部分緊密地連接到用于將含有碳?xì)浠衔锏牟牧限D(zhuǎn)化成炭黑的原材料。剩余的煉油和天然氣一直是用于生產(chǎn)炭黑的資源。在諸如炭黑生產(chǎn)等的化學(xué)工藝中，能源隨時(shí)間進(jìn)化，例如，從簡(jiǎn)單的火焰、進(jìn)化到油爐、進(jìn)化到等離子體。如在所有的制造中，不斷在尋找更有效率和有效的方式來(lái)生產(chǎn)這些產(chǎn)品。改變能源的流量和其它條件、改變?cè)牧系牧髁亢推渌鼦l件、增加生產(chǎn)的速度、增加產(chǎn)量、減少制造設(shè)備磨耗特性等均一直是并且繼續(xù)是許多年來(lái)該尋找的一部分。
[0005]本文說(shuō)明的系統(tǒng)應(yīng)對(duì)了上述挑戰(zhàn)，并且還獲得了更有效率的和有效的制造工藝。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]所述的等離子體炬包括至少兩個(gè)一個(gè)套在另一個(gè)內(nèi)部且同軸排列的筒狀的石墨電極;根據(jù)上述方案I的等離子體炬，其中內(nèi)電極是中空的;根據(jù)上述等離子體炬，其中內(nèi)電極為實(shí)心筒狀;上述等離子體炬能夠使用按體積計(jì)H2為至少大約60 %的等離子體氣體;上述等離子體炬能夠使用包含至少存在lOppm、即百萬(wàn)分之十的如下成分中的至少一種的等離子體氣體:CO、C2H2、HCN、CH4、C2H6、N2、多環(huán)芳香族烴、單環(huán)芳香族烴和/或Ar氣體;根據(jù)上述等離子體炬，其中同心的所述電極之間的間隙不小于大約4mm且不大于大約20mm;上述等離子體炬包含末端，其中所述末端的間隙距離、電極厚度和/或表面積在損耗期間保持大致恒定;上述等離子體炬還包含位于電極之間的至少一個(gè)環(huán)形區(qū)域，特別地，所述環(huán)形區(qū)域適用于供等離子體氣體流動(dòng);上述等離子體炬還包含位于電極之間的上環(huán)形區(qū)域和下環(huán)形區(qū)域，其中所述上環(huán)形區(qū)域比所述下環(huán)形區(qū)域?qū)?；上述等離子體炬還包含電源，所述電源能夠供給大約300V至大約1500V的工作電壓和高至大約4500V的開路電壓；根據(jù)上述等離子體炬，其中至少一個(gè)電極具有末端，并且所述炬還包含磁場(chǎng)產(chǎn)生部件，所述磁場(chǎng)產(chǎn)生部件能夠在該電極的末端處提供軸向分量為大約1mT至大約10mT的磁場(chǎng);上述等離子體炬包含上負(fù)極和下負(fù)極以及上正極和下正極，其中所述上負(fù)極與所述下負(fù)極連接以形成一個(gè)導(dǎo)電電極，所述上正極與所述下正極連接以形成一個(gè)導(dǎo)電電極，這些連接中的每一者均形成在導(dǎo)電電極交接處;根據(jù)上述等離子體炬，其中使用錐螺紋來(lái)連接上電極和下電極;上述等離子體炬包含位于電極之間的環(huán)形區(qū)域，其中所述下電極的環(huán)形區(qū)域比所述上電極的環(huán)形區(qū)域窄；根據(jù)上述等離子體炬，其中所述下電極被認(rèn)為是能夠被消耗;根據(jù)上述等離子體炬，其中上電極安裝有多個(gè)能夠被消耗的電極;上述等離子體炬具有環(huán)厚度，其中所述下電極的環(huán)厚度彼此相差10%以內(nèi)；上述等離子體炬包括電極末端區(qū)域，其中當(dāng)將外電極的表面積與內(nèi)電極的表面積相比時(shí)，所述電極末端的表面積大于2:3但小于4:1;根據(jù)上述等離子體炬，其中所述電極中的至少一者具有大致桶板式設(shè)計(jì);根據(jù)上述等離子體炬，其中使用至少5個(gè)板(stave)來(lái)建立中空的同心環(huán);上述等離子體炬包含軸向槽，所述軸向槽在所述電極中切出以提供對(duì)熱應(yīng)力的釋放和/或提供對(duì)熱破裂的控制；上述等離子體炬包括電極末端區(qū)域，其中筒狀的所述電極包括筒狀棒，所述筒狀棒能夠在所述末端處被保持在接近中空筒的電勢(shì)的相同的電勢(shì);根據(jù)上述等尚子體炬，其中內(nèi)電極包括噴頭設(shè)計(jì);上述等尚子體炬包括用于供保護(hù)氣體流動(dòng)的環(huán)形區(qū)域;上述等離子體炬包括至少一個(gè)通道，用于供等離子體氣體流過(guò)如下部分中的一者或多者:環(huán)形區(qū)域、保護(hù)氣體通道、中央電極內(nèi)的噴頭，流過(guò)中空的同心電極的主體和/或流過(guò)中空的同心電極的中央;上述等離子體炬包括至少一個(gè)磁鐵，用于產(chǎn)生和定制磁場(chǎng);并且上述等離子體炬包括導(dǎo)電機(jī)械連接器，所述導(dǎo)電機(jī)械連接器使所述正極與所述負(fù)極連接并為電弧的引發(fā)提供導(dǎo)電路徑。
[0007]額外的實(shí)施方式包括:一種等離子體反應(yīng)器，其包含等離子體室，其中所述反應(yīng)器的壁包括氣體流動(dòng)通道，所述氣體流動(dòng)通道能夠傳輸熱離開所述等離子體室;根據(jù)上述等離子體反應(yīng)器，其中所述通道被設(shè)計(jì)成允許被加熱的氣體中的至少一些作為等離子體氣體被重新引導(dǎo)；上述等離子體反應(yīng)器包括上述炬，其中所述反應(yīng)器的壁在炬部之后變窄以形成喉部，然后所述壁在所述喉部之后擴(kuò)開;上述等離子體反應(yīng)器包括位于所述喉部的碳?xì)浠衔锝o料注入器;上述等離子體反應(yīng)器包括位于所述喉部的上游方向或下游方向的、距所述喉部的距離為所述喉部的直徑的5倍以內(nèi)的碳?xì)浠衔锝o料注入器。
【附圖說(shuō)明】
[0008]圖1、圖2和圖3示出了如本文說(shuō)明的典型的等離子體炬的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0009]本文中示出的詳細(xì)情況僅作為本發(fā)明的各實(shí)施方式的示例且為了本發(fā)明的各實(shí)施方式的說(shuō)明性討論的目的，并且為了提供被認(rèn)為是本發(fā)明的原理和概念方面的最有用的且最易于理解的描述而給出。就這點(diǎn)而言，未做出用于示出比對(duì)基本理解本發(fā)明所必需的更詳細(xì)的本發(fā)明的細(xì)節(jié)的嘗試，說(shuō)明書使本領(lǐng)域技術(shù)人員清楚可以在實(shí)踐中如何實(shí)施本發(fā)明的多種形式。
[0010]現(xiàn)將參照更詳細(xì)的實(shí)施方式說(shuō)明本發(fā)明。然而，本發(fā)明可以以不同形式實(shí)施并且不應(yīng)被解釋成限于本文闡述的實(shí)施方式。而是，提供這些實(shí)施方式使得本公開充分和完整，并將會(huì)把本發(fā)明的范圍完全傳達(dá)給本領(lǐng)域技術(shù)人員。
[0011]除非另有定義，本文使用的所有技術(shù)和科技術(shù)語(yǔ)具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域技術(shù)人員常規(guī)理解相同的含義。這里本發(fā)明的說(shuō)明中使用的術(shù)語(yǔ)僅用于說(shuō)明特定的實(shí)施方式而不意在限制本發(fā)明。除非上下文另有清楚的表示，如在本發(fā)明的說(shuō)明和所附權(quán)利要求書中使用的，未被數(shù)量詞限制的名稱和被“所述”限制的名稱也意在包括復(fù)數(shù)形式。本文提到的所有出版物、專利申請(qǐng)、專利和其它參考文獻(xiàn)的全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用而明確地并入。
[0012]除非另有表示，說(shuō)明書和權(quán)利要求書中使用的表示組分、反應(yīng)條件等的數(shù)量的所有數(shù)字在所有情況下應(yīng)被理解成被術(shù)語(yǔ)“大約”修飾。因此，除非有相反的表示，在以下說(shuō)明書和所附權(quán)利要求書中闡述的數(shù)字參數(shù)是可以根據(jù)待通過(guò)本發(fā)明得到的所探尋的期望性能而改變的近似值。至少，不試圖應(yīng)用等同原則對(duì)權(quán)利要求的范圍進(jìn)行限制，各數(shù)字參數(shù)應(yīng)被理解成考慮到了有效數(shù)位的數(shù)字和普通的舍入方法。
[0013]盡管所闡述的本發(fā)明的寬泛范圍的數(shù)字范圍和參數(shù)是近似值，但是特定示例中闡述的數(shù)值被盡可能精確地報(bào)告。然而，任何數(shù)值固有地包含必然由在數(shù)值的對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)測(cè)量中發(fā)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差導(dǎo)致的一定誤差。遍及本說(shuō)明書給出的每個(gè)數(shù)字范圍將包括落在該較寬數(shù)字范圍內(nèi)的每個(gè)較窄的數(shù)字范圍，就像這些較窄的數(shù)字范圍全都明確地在本文寫出的那樣。
[0014]本發(fā)明的另外的優(yōu)點(diǎn)將部分在以下說(shuō)明中闡述、部分將從說(shuō)明中顯而易見、或可以從本發(fā)明的實(shí)踐得知。應(yīng)當(dāng)理解的是，前述總體說(shuō)明和以下詳細(xì)說(shuō)明兩者均僅是示例性和說(shuō)明性的而不是如權(quán)利要求地限制本發(fā)明。
[0015]圖1、圖2和圖3是本文說(shuō)明的典型的炬的變型的二維示意圖。例如，圖1示出了流過(guò)位于通常為負(fù)極的內(nèi)電極(108)與通常為正極的外電極(107)之間的等離子體氣體進(jìn)口
(103)的等咼子體氣體。各電極均包括上電極部(104)和下電極部(106)，上電極部(104)與下電極部(106)在電極交接處(electrode junct1n)(105)連接。電極交接處可以使用錐螺紋，以確保下電極的重量遍及交接處均勻地分布和確保熱誘導(dǎo)應(yīng)力開裂最小化。還可以使用其它的使上電極和下電極接合的方法，包括作為非限制性示例的鉤和閂、舌和槽、機(jī)械螺栓。環(huán)形區(qū)域(annulus)是位于同心電極之間的供等離子體氣體中的一些(不必是全部)在到達(dá)等離子體區(qū)域(111)之前穿過(guò)的空間。環(huán)形區(qū)域的寬度被說(shuō)明為正極與負(fù)極之間的平均距離，間隙或末端距離被說(shuō)明為負(fù)極的末端到正極的末端的最近距離。電極保持件(101)在保持件/電極交接處(102)處與上電極連接。電極保持件能夠使正極和負(fù)極兩者電隔離并且還能夠?qū)φ龢O和負(fù)極提供電連接。電源與正極和負(fù)極中的一者或兩者的連接可以通過(guò)其它手段實(shí)現(xiàn)，但是當(dāng)利用起到多個(gè)作用的電極保持件來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)是方便的。使用在電極保持件處的各種材料包括提供充分的熱和電隔離的各種材料，包括Teflon?聚合物和各種陶瓷等等。這些材料還允許預(yù)熱的等離子體氣體接近電極保持件地流動(dòng)，任選地，其可以被水冷卻。等離子體氣體被傳輸通過(guò)電弧(110)并作為熱擴(kuò)散進(jìn)入理論上是反應(yīng)器的最熱部分的等離子體區(qū)或區(qū)域(111)。圖1中的較寬的上環(huán)形區(qū)域(其位于下環(huán)形區(qū)域109上方的上電極部中)使在炬的該區(qū)域中的電極之間產(chǎn)生電弧放電的可能性降低。另外，下電極被設(shè)計(jì)成實(shí)質(zhì)上能夠被消耗并允許在無(wú)需更換上電極和電極保持件的情況下容易、快速、低廉的更換。
[0016]圖2示出了用于等離子體氣體的若干不同的可能的流路。等離子體氣體可以繞著外電極流動(dòng)，以用作保護(hù)氣體(shield gas) (204)。這將保護(hù)電極和提供更長(zhǎng)的使用壽命以及使由炬供給的熱負(fù)荷的效用最大化。電極還可以具有噴頭設(shè)計(jì)(202)，其中內(nèi)電極不是中空環(huán)，而是具有中空軸的實(shí)心電極，該中空軸允許在內(nèi)電極處熱擴(kuò)散(203)并使炬的熱負(fù)荷的效用最大化。另外，等離子體氣體可以流過(guò)環(huán)形區(qū)域(201)或者等離子體氣體可以流過(guò)圖1繪出的中空的同心內(nèi)電極和外電極的壁，例如流過(guò)軸向鉆穿電極的管狀軸。
[0017]圖3繪出了炬和下游的反應(yīng)區(qū)。等離子體氣體(301)向下游的等離子體區(qū)流動(dòng)、流過(guò)內(nèi)電極(302)和外電極(303)、流入收斂或縮窄區(qū)域(304)并流入喉部(305)，然后流出喉部進(jìn)入發(fā)散反應(yīng)器(diverging reactor) (306)。這產(chǎn)生大量的瑞流并且該構(gòu)造將提供與碳?xì)浠衔锝o料的最優(yōu)混合。該圖還示出回收等離子體氣體(307)，其繞著等離子體區(qū)的下部和中部流動(dòng)以起到兩個(gè)作用:(1)_冷卻等離子體區(qū)的壁和(2)-在等離子體氣體進(jìn)入等離子體室之前對(duì)其進(jìn)行預(yù)熱，以更有效地使用等離子體炬的熱負(fù)荷和延長(zhǎng)等離子體室的使用壽命O
[0018]雖然所有這些圖均示出了炬/反應(yīng)器處于向下流動(dòng)的豎直狀態(tài)，然而還可以的是向上流動(dòng)，或者水平的反應(yīng)器。對(duì)于示出的特定的炬/反應(yīng)器的設(shè)計(jì)，向下流動(dòng)的豎直定向的反應(yīng)器是優(yōu)選的。
[0019]多年來(lái)已通過(guò)各種工藝制成炭黑，然而，基于等離子體的工藝的商業(yè)發(fā)展從未成功。在過(guò)去，用于生產(chǎn)炭黑的等離子體發(fā)生器的設(shè)計(jì)不具備足夠的加熱速率、耐腐蝕性、經(jīng)濟(jì)的等離子體氣體、快速混合和顯著的制造經(jīng)濟(jì)性，從而在與當(dāng)前的爐工藝(furnaceprocess)競(jìng)爭(zhēng)時(shí)無(wú)法生存。本文說(shuō)明的等離子體炬能夠通過(guò)他人已失敗的等離子體工藝連續(xù)地操作和生產(chǎn)高質(zhì)量的炭黑。
[0020]用于各種工業(yè)工藝的等離子體射流通常由等離子體發(fā)生器產(chǎn)生，其中等離子體發(fā)生器包括放電室和相互隔離的電極。在放電室內(nèi)的電極之間在介質(zhì)流中開始電弧放電。通常為氣體的介質(zhì)在放電時(shí)被加熱到等離子體狀態(tài)并以等離子體射流的形式流出發(fā)生器。
[0021]在所有等離子體發(fā)生器部件中，電極或者確切地說(shuō)它們暴露于電弧的表面，“電弧斑(arc spot)”，暴露于最極端的熱通量。這些區(qū)域中的熱通量能夠超過(guò)105W/cm2(瓦特每平方厘米)并且該環(huán)境能夠熔化或腐蝕所有已知的金屬。等離子體部件的冷卻通常利用熱交換劑經(jīng)由夾套冷卻技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0022]在本文說(shuō)明的等離子體反應(yīng)器中，為了確保性能，以高的精度控制電源、電弧落點(diǎn)的控制、電極之間的距離、氣體流量等因素。電源與電極連接并提供非常高的開路電壓，以用于施予高的電壓尖峰。電源能夠提供500V-1500V(伏特)以上的典型工作電壓。電源具有可以是工作電壓的1.5倍至3.0倍的開路電壓。已發(fā)現(xiàn)這些電壓范圍對(duì)于在以下情況下制造炭黑來(lái)說(shuō)是最優(yōu)的:與碳?xì)浠衔锝o料流量結(jié)合的特定的等離子體氣體流量、等離子體氣體由大于60%的氫氣構(gòu)成、并且間隙距離為4mm至20mm(毫米)。
[0023]對(duì)于給定的間隙距離、電壓、等離子體氣體流量和電極末端的表面積來(lái)說(shuō)，電極末端的最優(yōu)的功率密度為從0.lkW/cm2至2kW/cm2(千瓦特每平方厘米)。對(duì)于有效率的炭黑生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，低于該范圍的功率輸出將過(guò)低，而高于該范圍，炬將會(huì)快速分解，從而因電極的損耗而導(dǎo)致炭黑生產(chǎn)效率低。
[0024]等離子體氣體是穿過(guò)等離子體炬區(qū)域并且可以充分地相互作用而處于等離子體狀態(tài)的氣體。本文使用的等離子體氣體可以是指激勵(lì)氣體，并且還可以是指穿過(guò)等離子體炬區(qū)域的能夠被誘導(dǎo)進(jìn)入等離子狀體狀態(tài)、但無(wú)論出于何種原因而還未被誘導(dǎo)的任意氣體。
[0025]用于本文說(shuō)明的高效的等離子體反應(yīng)器的等離子體氣體的組分包括至少大約60%的氫氣、高至大約100%的氫氣，并且進(jìn)一步可以包括高至大約30%的氮?dú)?、高至大約
30%的CO、高至大約30%的CH4、高至大約10%的HCN、高至大約30%的C2H2和高至大約30%的Ar。另外，等離子體氣體還可以包括多環(huán)芳香族烴，諸如蒽、萘、蔻、芘、屈、芴等。另外，等離子體氣體可以存在有苯和甲苯或類似的單環(huán)芳香族烴組分。更典型的組合物可以包括90%以上的氫氣以及大約0.2%的氮?dú)狻?.0%的CO、1.1 %的CH4、0.1 %的HCN、0.1 %的C2H2。等離子體氣體還可以包括大約80%的氫氣，余量可以包括前述氣體中的一些氣體的混合物、多環(huán)芳香族烴、單環(huán)芳香族烴和其它組分。
[0026]在本發(fā)明中構(gòu)成電極的材料應(yīng)當(dāng)具有超過(guò)10W/m-K(瓦特每米開爾文)的高熱導(dǎo)率和小于lOe-2歐姆-m(米)的電阻率。適合該說(shuō)明的材料包括石墨和碳化硅，盡管石墨是優(yōu)選的。材料應(yīng)當(dāng)在高活性氫自由基環(huán)境中耐化學(xué)腐蝕。
[0027]在接合電極中使用錐螺紋減小了應(yīng)力集中并降低了電極破裂的可能，從而能夠采用。優(yōu)選地，可以使用包括那些具有大約I比3角度的錐度，盡管也可以使用從低至大約I比2到大約I比20的錐度。為了防止電極因振動(dòng)而螺紋接合變松，可以在螺紋部中鉆取孔并可以插入銷。
[0028]根據(jù)期望工作電壓、電流和電極損耗，同心電極之間的理想間隙距離為大約4毫米至大約20毫米(mm)。間隙尺寸可以使任何地方的工作電壓從大約500V高至大約1200V地變化。大約8毫米至大約14毫米的間隙是優(yōu)選的間隙尺寸，其提供了在該電壓范圍內(nèi)的最優(yōu)的電弧放電且電極損耗最小、熱傳遞最優(yōu)、不期望的電弧放電最小和歸因于電弧的電弧“射出(I if t-of f)” (電弧損失)的吹出最小。
[0029]另外，可以控制電極長(zhǎng)度以便控制電極中的熱分布。增加電極長(zhǎng)度可以減少水冷保持件中的損失。例如，750kW炬的長(zhǎng)度的優(yōu)選范圍為大約600mm至大約1500mm，其中1500mm的電極長(zhǎng)度將提供最漸變的熱分布。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠容易認(rèn)識(shí)到，長(zhǎng)度的增加不僅將分散熱，而且還將提供更多的表面，從而允許從電極到在環(huán)形區(qū)域內(nèi)流動(dòng)或繞著環(huán)形區(qū)域流動(dòng)的氣體的輻射熱損失和對(duì)流熱損失。當(dāng)然，這將與重量負(fù)荷要求相平衡以獲得熱管理和電極完整性(減少破裂，等)這兩個(gè)最優(yōu)的優(yōu)點(diǎn)。
[0030]另外的控制或最優(yōu)化重量負(fù)荷相對(duì)于熱應(yīng)力的方法是在具有接觸末端的筒狀電極中形成同心環(huán)，該同心環(huán)用作電通過(guò)同心管的通路并還用作位于正極與負(fù)極之間的環(huán)形區(qū)域。這種類型的實(shí)施方式中的電極還可以是具有槽舌式連接的實(shí)質(zhì)上的矩形，以允許導(dǎo)電性和支撐重量負(fù)荷。
[0031]為了解決直徑非常大的中空筒狀電極中的熱應(yīng)力破裂問(wèn)題，使用如下桶板式(barrel stave)設(shè)計(jì)或者使用切有軸向縫的實(shí)心片材料來(lái)釋放熱應(yīng)力:利用該設(shè)計(jì)中采用的共同的特征將多個(gè)部分保持在一起，其允許不同的部位基于熱梯度而彎曲?？梢詫⑤S向縫稱為桶板式設(shè)計(jì)。在桶板式設(shè)計(jì)中，需要至少5個(gè)板或部分來(lái)建立同心環(huán)或桶。
[0032]另一可選方案是使用獨(dú)立的片(distinctpiece)來(lái)模擬成筒，例如實(shí)心棒的環(huán)。該構(gòu)造還具有材料易得性和容易更換的優(yōu)點(diǎn)。
[0033]延長(zhǎng)電極的壽命很大程度上取決于使電弧對(duì)電極的熱效應(yīng)最小化的能力和充分保護(hù)電極表面不受腐蝕介質(zhì)影響。這能夠通過(guò)如下部分地實(shí)現(xiàn):通過(guò)施加電磁場(chǎng)來(lái)減輕電弧斑的影響，通過(guò)使電弧斑快速移過(guò)電極表面，由此在密度上減小電極與電弧之間的接觸區(qū)域的平均熱通量。通過(guò)使用位于電極外部的環(huán)狀磁線圈來(lái)提供磁場(chǎng)。還可以通過(guò)使用永磁鐵來(lái)提供磁場(chǎng)，只要磁場(chǎng)以使電弧繞著炬的中央軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的方式定向(這有利于電弧繞著所述軸線轉(zhuǎn)動(dòng))即可。
[0034]另外，磁場(chǎng)將會(huì)把等離子體推出兩個(gè)電極之間的中間空間的限定范圍之外。這意味著腐蝕介質(zhì)(過(guò)熱的H2和氫自由基)將會(huì)與電極自身極大地分離開。在一個(gè)實(shí)施方式中，該方法包括使用通過(guò)對(duì)電極施加的如下磁場(chǎng)而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)電弧放電:當(dāng)沿軸向測(cè)量、在位于炬的末端的環(huán)形區(qū)域處測(cè)量時(shí)，該磁場(chǎng)(以下稱為軸向分量)為大約20毫特斯拉(mT)至大約100毫特斯拉。通?？梢允褂玫闹禐榇蠹s30毫特斯拉到大約50毫特斯拉。通常，磁場(chǎng)的徑向分量可以為大約3mT至大約15mT。
[0035]可以使用一個(gè)或多個(gè)磁線圈來(lái)形成用于操縱電弧的行為的磁場(chǎng)的特定形狀。例如，線圈設(shè)計(jì)可以在炬的末端產(chǎn)生具有6mT徑向分量和40mT軸向分量的發(fā)散磁場(chǎng)。當(dāng)使用一個(gè)線圈時(shí)，不能在不改變一個(gè)分量的情況下改變另一個(gè)分量，然而，通過(guò)利用若干個(gè)線圈，能夠使電弧具有特定的徑向分量和軸向分量。這可以進(jìn)一步減小磁線圈的資本成本并使磁場(chǎng)的形狀最優(yōu)化以使電極的壽命最大化。
[0036]如前面提到的，電極可以由上部和下部組成，其中可以利用低成本的石墨部件制成能夠被以極其快速的方式更換的下部。在上下文中，能夠被消耗的定義是指每腐蝕掉一英寸的軸向定向的石墨能夠產(chǎn)生多于I噸的炭黑但少于100噸的炭黑。另外，上電極可以安裝有多個(gè)能夠被消耗的電極，例如能夠在炭黑生產(chǎn)運(yùn)行期間就地移除或允許被就地消耗的3個(gè)或4個(gè)或更多個(gè)的能夠被消耗的電極。這能夠限制炬的停機(jī)時(shí)間并能夠提供低廉且快速更換的犧牲電極。
[0037]例如，在圖2中，示出了用于影響電極冷卻和改變的電弧區(qū)域中的流分布的不同的氣體流路。氣體能夠穿過(guò)環(huán)形區(qū)域(默認(rèn)流路(default flow path))、穿過(guò)由在中央電極中鉆取一個(gè)或多個(gè)的孔構(gòu)成的內(nèi)路徑(201)、穿過(guò)內(nèi)電極內(nèi)的中空路徑、或者穿過(guò)外電極周圍的外路徑(204)(稱為保護(hù)氣體部)。在圖2中，該外路徑通過(guò)上電極中的環(huán)形的孔，但該流入口還可以是環(huán)狀的縫。內(nèi)流路和外流路有助于冷卻電極和將更多的熱傳遞到氣體。如果內(nèi)流路和外流路全部指向環(huán)形區(qū)域，則它們還允許可能使電弧被“吹出”的較高的氣體流量。外流路用作保護(hù)氣體部，有助于限定等離子體區(qū)域的范圍和保護(hù)周圍的耐火材料(refractory)。典型的分流(flow split)可以是大約50%穿過(guò)環(huán)形區(qū)域，分別有大約25%穿過(guò)其它兩個(gè)路徑。可以使用任意組合的分流來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的工作機(jī)制和優(yōu)化不同的目標(biāo)(例如，減少損耗、增大工作電壓等)。
[0038]進(jìn)一步的興趣是利用機(jī)械手段在電極之間建立電接觸和開始電弧放電。這消除了對(duì)高電壓起動(dòng)器和相關(guān)聯(lián)的設(shè)備的需要以及安全風(fēng)險(xiǎn)。這可以由移動(dòng)可以接觸電極的棒，同時(shí)在被撤回之前允許電流流過(guò)來(lái)構(gòu)成，棒由諸如石墨或銅等的導(dǎo)電材料制成。起動(dòng)器棒可以是穿過(guò)外電極并在環(huán)形區(qū)域內(nèi)引起電弧的塞或者起動(dòng)器桿可以是在電極末端處引起電弧的轉(zhuǎn)動(dòng)臂。
[0039]如本文所述，反應(yīng)器被分成兩個(gè)部分或區(qū)，即等離子體區(qū)和反應(yīng)器區(qū)，天然氣或其它給料注入在這兩個(gè)區(qū)之間的區(qū)域。喉部不僅用于將這兩個(gè)區(qū)域隔開，而且還用于加速等離子體氣體使得能夠在較小的區(qū)域中發(fā)生更強(qiáng)烈的混合。因此，喉部被定義為等離子體區(qū)與反應(yīng)器區(qū)之間的最窄部。喉部的長(zhǎng)度可以是幾米或小至大約0.5毫米至大約2毫米。喉部的狹窄處被定義為喉部的最窄直徑+20%。最窄截面的大約10%內(nèi)的任何截面視為位于喉部的范圍內(nèi)。
[0040]優(yōu)選的進(jìn)入反應(yīng)器的注入處位于喉部上游的大約5倍直徑處和位于喉部下游的大約5倍直徑處。一個(gè)直徑被定義為喉部的位于喉部的最窄處的直徑。任選的，注入可以發(fā)生在喉部的大約+/-2個(gè)直徑或大約+/-1個(gè)直徑內(nèi)。
[0041 ]可接受的碳?xì)浠衔锝o料包括具有通式CnHxSCnHxOy的任何化學(xué)品。例如可以使用簡(jiǎn)單的碳?xì)浠衔镏T如:甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等。芳香族的給料諸如苯、甲苯、甲基萘、熱解燃油、煤焦油、煤、重油、石油(oil)、生物油、生物柴油、其它生物提取的碳?xì)浠衔锏取４讼Σ?，還可以使用非飽和碳?xì)浠衔锝o料，諸如:乙烯、乙炔、丁二烯、苯乙烯等。含氧碳?xì)浠衔镆彩强山邮艿慕o料，諸如:乙醇、甲醇、丙醇、苯酚等。這些示例被提供作為可接受的碳?xì)浠衔锝o料的非限制性示例，其可以進(jìn)一步與其它可接受的用于制造的組分組合和/或混合。本文所稱的碳?xì)浠衔锝o料是指實(shí)質(zhì)上給料中的大多數(shù)是碳?xì)浠衔铩?br>[0042]因而，本發(fā)明的范圍應(yīng)當(dāng)包括可以落在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有修改和變型。從本文公開的本發(fā)明的說(shuō)明書和實(shí)踐考慮，本發(fā)明的其它實(shí)施方式對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員將是明顯的。意在將說(shuō)明書和示例僅視為示例性的，本發(fā)明的真正范圍和主旨由權(quán)利要求表不。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種等離子體炬，其包括至少兩個(gè)筒狀的石墨電極，所述石墨電極被以一個(gè)套在另一個(gè)內(nèi)部的方式同軸布置。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體炬，其特征在于，內(nèi)電極是中空的。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體炬，其特征在于，內(nèi)電極為實(shí)心筒狀。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體炬，其特征在于，能夠使用按體積計(jì)H2為至少大約60%的等咼子體氣體。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體炬，其特征在于，能夠使用包含至少存在lOppm、即百萬(wàn)分之十的如下成分中的至少一種的等離子體氣體:C0、C2H2、HCN、CH4、C2H6、N2、多環(huán)芳香族烴、單環(huán)芳香族烴和/或Ar氣體。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體炬，其特征在于，同心的所述電極之間的間隙不小于大約4mm且不大于大約20mm。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體炬，其特征在于，所述等離子體炬包含末端，其中所述末端的間隙距離、電極厚度和/或表面積在損耗期間保持大致恒定。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體炬，其特征在于，所述等離子體炬還包含位于電極之間的至少一個(gè)環(huán)形區(qū)域，特別地，所述環(huán)形區(qū)域適用于供等離子體氣體流動(dòng)。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體炬，其特征在于，所述等離子體炬還包含位于電極之間的上環(huán)形區(qū)域和下環(huán)形區(qū)域，其中所述上環(huán)形區(qū)域比所述下環(huán)形區(qū)域?qū)挕?0.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體炬，其特征在于，所述等離子體炬還包含電源，所述電源能夠供給大約300V至大約1500V的工作電壓和高至大約4500V的開路電壓。11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體炬，其特征在于，至少一個(gè)電極具有末端，并且所述炬還包含磁場(chǎng)產(chǎn)生部件，所述磁場(chǎng)產(chǎn)生部件能夠在該電極的末端處提供軸向分量為大約I OmT至大約I OOmT的磁場(chǎng)。12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體炬，其特征在于，所述等離子體炬包含上負(fù)極和下負(fù)極以及上正極和下正極，其中所述上負(fù)極與所述下負(fù)極連接以形成一個(gè)導(dǎo)電電極，所述上正極與所述下正極連接以形成一個(gè)導(dǎo)電電極，這些連接中的每一者均形成在導(dǎo)電電極交接處。13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的等離子體炬，其特征在于，使用錐螺紋來(lái)連接上電極和下電極。14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的等離子體炬，其特征在于，所述等離子體炬包含位于電極之間的環(huán)形區(qū)域，其中所述下電極的環(huán)形區(qū)域比所述上電極的環(huán)形區(qū)域窄。15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的等離子體炬，其特征在于，所述下電極被認(rèn)為是能夠被消耗。16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的等離子體炬，其特征在于，上電極安裝有多個(gè)能夠被消耗的電極。17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的等離子體炬，其特征在于，所述等離子體炬具有環(huán)厚度，其中所述下電極的環(huán)厚度彼此相差10%以內(nèi)。18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體炬，其特征在于，所述等離子體炬包括電極末端區(qū)域，其中當(dāng)將外電極的表面積與內(nèi)電極的表面積相比時(shí)，所述電極末端的表面積大于2:3但小于4:1。19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體炬，其特征在于，所述電極中的至少一者具有大致桶板式設(shè)計(jì)。20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的等離子體炬，其特征在于，使用至少5個(gè)板來(lái)建立中空的同心環(huán)。21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體炬，其特征在于，所述等離子體炬包含軸向槽，所述軸向槽在所述電極中切出以提供對(duì)熱應(yīng)力的釋放和/或提供對(duì)熱破裂的控制。22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體炬，其特征在于，所述等離子體炬包括電極末端區(qū)域，其中筒狀的所述電極包括筒狀棒，所述筒狀棒能夠在所述末端處被保持在接近中空筒的電勢(shì)的相同的電勢(shì)。23.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體炬，其特征在于，內(nèi)電極包括噴頭設(shè)計(jì)。24.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體炬，其特征在于，所述等離子體炬包括用于供保護(hù)氣體流動(dòng)的環(huán)形區(qū)域。25.根據(jù)權(quán)利要求2所述的等離子體炬，其特征在于，所述等離子體炬包括至少一個(gè)通道，用于供等離子體氣體流過(guò)如下部分中的一者或多者:環(huán)形區(qū)域、保護(hù)氣體通道、中央電極內(nèi)的噴頭，流過(guò)中空的同心電極的主體和/或流過(guò)中空的同心電極的中央。26.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體炬，其特征在于，所述等離子體炬包括至少一個(gè)磁鐵，用于產(chǎn)生和定制磁場(chǎng)。27.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體炬，其特征在于，所述等離子體炬包括導(dǎo)電機(jī)械連接器，所述導(dǎo)電機(jī)械連接器使所述正極與所述負(fù)極連接并為電弧的引發(fā)提供導(dǎo)電路徑。28.—種等離子體反應(yīng)器，其包含等離子體室，其中所述反應(yīng)器的壁包括氣體流動(dòng)通道，所述氣體流動(dòng)通道能夠傳輸熱離開所述等離子體室。29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的等離子體反應(yīng)器，其特征在于，所述通道被設(shè)計(jì)成允許被加熱的氣體中的至少一些作為等離子體氣體被重新引導(dǎo)。30.—種等離子體反應(yīng)器，其包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的炬，其中所述反應(yīng)器的壁在炬部之后變窄以形成喉部，然后所述壁在所述喉部之后擴(kuò)開。31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的等離子體反應(yīng)器，其特征在于，所述等離子體反應(yīng)器包括位于所述喉部的碳?xì)浠衔锝o料注入器。32.根據(jù)權(quán)利要求30所述的等離子體反應(yīng)器，其特征在于，所述等離子體反應(yīng)器包括位于所述喉部的上游方向或下游方向的、距所述喉部的距離為所述喉部的直徑的5倍以內(nèi)的碳?xì)浠衔锝o料注入器。
【文檔編號(hào)】H05H1/34GK105940774SQ201580006710
【公開日】2016年9月14日
【申請(qǐng)日】2015年1月30日
【發(fā)明人】A·F·赫爾曼, P·L·約翰遜, N·S·梅科勒巴斯特, M·M·諾德維克
【申請(qǐng)人】巨石材料公司