專利名稱：一種等離子體陰極與保護(hù)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及等離子體技術(shù)以及化工合成領(lǐng)域，具體為一種應(yīng)用于等離子體高溫合 成所使用的直流等離子體裝置陰極與保護(hù)方法。
背景技術(shù)：
等離子體由于具有高的能量密度、含有大量高能量的電子、離子和中性粒子，在 等離子體化學(xué)合成(如等離子體裂解天然氣制乙炔、等離子體裂解烴類化合物制氫氣與 碳黑、等離子體裂解煤制乙炔、等離子體脂合成氣等)、有毒有害廢棄物的處理方面具有廣 泛的應(yīng)用前景?，F(xiàn)有等離子體裝置普遍采用的低電壓大電流直流電弧等離子體技術(shù)，這 種等離子體由于存在電能利用率低、電極燒蝕嚴(yán)重等缺點(diǎn)，難以充分發(fā)揮等離子體在化工 合成領(lǐng)域的應(yīng)用，目前只有美國國際專用產(chǎn)品公司(International Special Products, Inc-ISP)位于德國Marl的HUELS工廠有實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用。目前，陰極的制備主要有兩種形式，第一種是采用象HUELS工廠所采用的空心陰 極的方式，陰極采用紫銅制成，陰極使用強(qiáng)水冷卻，由于紫銅陰極直接與等離子體接觸，導(dǎo) 致大量等離子體能量通過冷卻水被吸收，等離子體的能量利用率只有80%，等離子體電能 利用率比較低，工業(yè)裝置的陰極壽命只有800小時(shí)，需要不斷更換電極。在工業(yè)生產(chǎn)中不斷 停機(jī)更換電極的操作，不僅影響生產(chǎn)裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性，成本也相當(dāng)高，是不希望發(fā)生的。另一種是采用棒狀電極(如文獻(xiàn) plasma pyrolysis of methane to hydrogen andcarbon black ind. Eng. Chem. . res. 2002,41,1425-1435)，棒狀電極是以石墨制成的， 不需要進(jìn)行水冷卻，這種方式雖然一定程度上提高了陰極的電能利用率，但是陰極的燒蝕 速度非?？?，在以氫氣為等離子體工作氣體的情況下，電極壽命最長只有幾分鐘。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有等離子體陰極存在的能量利用率低、燒蝕嚴(yán)重的問題， 提出一種新型等離子體陰極與保護(hù)方法，使等離子體的陰極壽命和陰極的能量利用率提
高ο為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明技術(shù)方案是—種等離子體陰極，該等離子體陰極為空心陰極和水冷陰極構(gòu)成的復(fù)合陰極，復(fù)合陰極的一端為中空結(jié)構(gòu)的空心陰極，復(fù)合陰極的另一端為帶水冷結(jié)構(gòu)的水冷陰極，空心 陰極與水冷陰極上設(shè)有相互連通的氣體通道，所述氣體通道一端與氣體入口連通，所述氣 體通道另一端與空心陰極的內(nèi)腔連通。所述的等離子體陰極，水冷陰極所使用的材料為無氧銅、不銹鋼或其他導(dǎo)電性良 好的金屬材料；空心陰極所使用的材料為石墨、碳化硅、石墨纖維增強(qiáng)的石墨、碳化硅材料 或者其他耐高溫導(dǎo)電材料。所述的等離子體陰極，水冷陰極的水冷通道與水冷陰極外壁之間開有環(huán)形氣體通 道，空心陰極設(shè)有內(nèi)腔、孔道III，孔道III 一端與內(nèi)腔連通，孔道III另一端通過孔道II與氣體通道相通。所述的等離子體陰極，在水冷陰極外側(cè)設(shè)有絕緣介質(zhì)，水冷陰極、絕緣介質(zhì)與水冷 陰極外側(cè)的陽極蓋之間形成間隙，入口 II與間隙相通；空心陰極設(shè)有內(nèi)腔、孔道III，孔道 III 一端與內(nèi)腔連通，孔道III另一端依次通過孔道II和孔道I與間隙相通。所述的等離子體陰極，絕緣介質(zhì)為聚四氟乙烯、玻璃、氧化鋁陶瓷或其它低介電常 數(shù)、耐溫絕緣材料。所述的等離子體陰極的保護(hù)方法，由氣體通道向空心陰極通入以氫氣與烴類組成 的混合保護(hù)性氣體。所述的等離子體陰極的保護(hù)方法，烴類氣體為氣態(tài)碳?xì)浠衔?如甲烷、乙烷或 丙烷等)之一種或兩種以上的混合物。所述的等離子體陰極的保護(hù)方法，在等離子體工作氣體為碳?xì)浠衔飼r(shí)，氫氣的 體積含量為50% 100%，且不等于100% (最佳區(qū)間為80% 100% )。所述的等離子體陰極的保護(hù)方法，在等離子體工作氣體為不含碳的氣體(如氮 氣、氬氣或氫氣等)時(shí)，氫氣的體積含量為5% 50% (最佳區(qū)間為5% 30%)。本發(fā)明 的有益效果是1、本發(fā)明所提出的方案采用兩種不同的導(dǎo)電材料制成具有不同結(jié)構(gòu)的陰極，并將 他們結(jié)合在一起，與等離子體接觸的陰極由耐高溫導(dǎo)電材料制備成空心結(jié)構(gòu)。由于空心陰 極不直接利用通水冷卻，減少了陰極通過冷卻水耗散的等離子體能量，具有能量利用率高 的優(yōu)點(diǎn)。2、本發(fā)明所提出的根據(jù)實(shí)際工況通入不同的保護(hù)氣體，能夠有效地解決在等離子 體工作過程中，陰極上產(chǎn)生的炭黑沉積或者陰極的燒蝕。由于陰極的燒蝕與炭黑沉積度嚴(yán) 重影響等離子體裝置運(yùn)行的穩(wěn)定，所以采用本發(fā)明可以大幅度提高等離子體裝置的穩(wěn)定 性。


圖1為實(shí)施例1中兩種不同氣體通道的復(fù)合結(jié)構(gòu)等離子體陰極結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為實(shí)施例2中兩種不同氣體通道的復(fù)合結(jié)構(gòu)等離子體陰極結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，1水冷陰極；2空心陰極；18入口 I ；19陽極；20入口 II ；21絕緣介質(zhì)；22孔 道I ；23孔道II ；24孔道III ；25內(nèi)腔；26氣體通道；27陽極腔；28間隙；29水冷通道；30 陽極蓋；31孔道IV ；32環(huán)形氣腔。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施進(jìn)行進(jìn)一步具體的說明，實(shí)施例中所列出的數(shù)據(jù)僅 僅是為了說明，不對(duì)本方案構(gòu)成任何限制。實(shí)施例1如圖1所示，等離子體裝置設(shè)有陽極19和陰極，陰極伸至陽極腔27內(nèi)，陰極為由 以不銹鋼制成的水冷陰極(帶水冷通道29的陰極)1，與由石墨制成的空心陰極2通過螺 紋連接成等離子體裝置的陰極。在水冷陰極1外側(cè)設(shè)有絕緣介質(zhì)21，將水冷陰極1與陽極 腔27隔開，水冷陰極1、絕緣介質(zhì)21與水冷陰極1外側(cè)的陽極蓋30之間形成間隙28，入口1120與間隙28相通。陽極腔27外側(cè)裝有環(huán)形氣腔32，環(huán)形氣腔32外側(cè)與入口 I 18連通， 在環(huán)形氣腔32內(nèi)壁上開設(shè)有孔道IV31。空心陰極2設(shè)有內(nèi)腔25、孔道11124，孔道III24 一端與內(nèi)腔25連通，孔道III24另一端依次通過孔道II 23和孔道I 22與間隙28相通。 氣體通過保護(hù)氣體入口 II 20進(jìn)入到絕緣介質(zhì)21與水冷陰極1之間的間隙28，再通過孔 道I 22和孔道II 23，經(jīng)空心陰極上的孔道III24進(jìn)入空心陰極的內(nèi)腔25中。等離子體工 作氣體通過入口 I 18進(jìn)入環(huán)形氣腔32，氣體再通過孔道31從切向旋轉(zhuǎn)進(jìn)入陽極腔27內(nèi)。 在以氫氣為等離子體工作氣體的情況下，保護(hù)氣體組成為20%氫氣+80%甲烷(體積百分 比)，陰極的燒蝕速率1毫克/小時(shí)。在不通保護(hù)氣體的情況下，陰極的燒蝕速率為2克/ 小時(shí)。本實(shí)施例中，電能利用率為85%以上。實(shí)施例2如圖2所示，等離子體裝置設(shè)有陽極19和陰極，陰極伸至陽極腔27內(nèi)，陽極腔27 外側(cè)裝有環(huán)形氣腔32，環(huán)形氣腔32外側(cè)與入口 I 18連通，在環(huán)形氣腔32內(nèi)壁上開設(shè)有孔 道IV31。陰極為由以不銹鋼制成的水冷陰極1，與由碳化硅制成的空心陰極2通過螺紋連 接成等離子體裝置的陰極，水冷陰極1的水冷通道29與水冷陰極1外壁之間開有環(huán)形氣體 通道26，空心陰極2設(shè)有內(nèi)腔25、孔道11124，孔道III24 —端與內(nèi)腔25連通，孔道III24 另一端通過孔道II 23與氣體通道26相通。保護(hù)氣體通過水冷陰極1上所帶有的氣體通 道26和孔道II 23，經(jīng)空心陰極上的孔道III24進(jìn)入空心陰極的內(nèi)腔25中。等離子體工 作氣體通過入口 I 18進(jìn)入環(huán)形氣腔32，氣體再通過孔道31從切向旋轉(zhuǎn)進(jìn)入陽極腔27內(nèi)。 在以甲烷為等離子體工作氣體的情況下，保護(hù)氣體組成為80%氫氣+20%甲烷(體積百分 比)，陰極上炭黑沉積速率0. 5毫克/小時(shí)。在不通保護(hù)氣體的情況下，陰極上炭黑沉積速 率為5克/小時(shí)。本實(shí)施例中，電能利用率為85%以上。實(shí)施例結(jié)果表明，本發(fā)明提出利用兩種導(dǎo)電材料制備具有復(fù)合結(jié)構(gòu)的陰極以及通 過保護(hù)性氣氛對(duì)陰極的燒蝕過程進(jìn)行調(diào)控，將常規(guī)以單一材料制備的陰極改變?yōu)橐詢煞N材 料制備的復(fù)合電極，復(fù)合結(jié)構(gòu)為帶水冷金屬電極與不帶水冷空心陰極復(fù)合而成，與等離子 體直接接觸的是不帶水冷的、耐高溫空心管狀結(jié)構(gòu)的空心陰極，不帶水冷的空心陰極為石 墨、碳化硅、石墨纖維增強(qiáng)的石墨或碳化硅材料制成，空心陰極空腔內(nèi)可以根據(jù)實(shí)際使用的 工況條件通過特定的氣體通道通入以氫氣和氣態(tài)烴類組成的混合保護(hù)氣體。從而，使本發(fā) 明具有能量利用率高、大幅度提高等離子體裝置的穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
一種等離子體陰極，其特征在于，該等離子體陰極為空心陰極和水冷陰極構(gòu)成的復(fù)合陰極，復(fù)合陰極的一端為中空結(jié)構(gòu)的空心陰極，復(fù)合陰極的另一端為帶水冷結(jié)構(gòu)的水冷陰極，空心陰極與水冷陰極上設(shè)有相互連通的氣體通道，所述氣體通道一端與氣體入口連通，所述氣體通道另一端與空心陰極的內(nèi)腔連通。
2.按照權(quán)利要求1所述的等離子體陰極，其特征在于，水冷陰極所使用的材料為無氧 銅、不銹鋼或其他導(dǎo)電性良好的金屬材料；空心陰極所使用的材料為石墨、碳化硅、石墨纖 維增強(qiáng)的石墨、碳化硅材料或者其他耐高溫導(dǎo)電材料。
3.按照權(quán)利要求1所述的等離子體陰極，其特征在于，水冷陰極的水冷通道與水冷陰 極外壁之間開有環(huán)形氣體通道，空心陰極設(shè)有內(nèi)腔、孔道III，孔道III 一端與內(nèi)腔連通，孔 道III另一端通過孔道II與氣體通道相通。
4.按照權(quán)利要求1所述的等離子體陰極，其特征在于，在水冷陰極外側(cè)設(shè)有絕緣介質(zhì)， 水冷陰極、絕緣介質(zhì)與水冷陰極外側(cè)的陽極蓋之間形成間隙，入口 II與間隙相通；空心陰 極設(shè)有內(nèi)腔、孔道III，孔道III 一端與內(nèi)腔連通，孔道III另一端依次通過孔道II和孔道 I與間隙相通。
5.按照權(quán)利要求4所述的等離子體陰極，其特征在于，絕緣介質(zhì)為聚四氟乙烯、玻璃、 氧化鋁陶瓷或其它低介電常數(shù)、耐溫絕緣材料。
6.按照權(quán)利要求1所述的等離子體陰極的保護(hù)方法，其特征在于，由氣體通道向空心 陰極通入以氫氣與烴類組成的混合保護(hù)性氣體。
7.按照權(quán)利要求6所述的等離子體陰極的保護(hù)方法，其特征在于，烴類氣體為氣態(tài)碳 氫化合物之一種或兩種以上的混合物。
8.按照權(quán)利要求6所述的等離子體陰極的保護(hù)方法，其特征在于，在等離子體工作氣 體為碳?xì)浠衔飼r(shí)，氫氣的體積含量為50% 100%，且不等于100%。
9 按照權(quán)利要求6所述的等離子體陰極的保護(hù)方法，其特征在于，在等離子體工作氣 體為不含碳的氣體時(shí)，氫氣的體積含量為5% 50%。
全文摘要
本發(fā)明涉及等離子體技術(shù)以及化工合成領(lǐng)域，具體為一種應(yīng)用于等離子體高溫合成所使用的直流等離子體裝置陰極與保護(hù)方法，解決現(xiàn)有等離子體陰極存在的能量利用率低、燒蝕嚴(yán)重的問題。該等離子體陰極為空心陰極和水冷陰極構(gòu)成的復(fù)合陰極，復(fù)合陰極的一端為中空結(jié)構(gòu)的空心陰極，復(fù)合陰極的另一端為帶水冷結(jié)構(gòu)的水冷陰極，空心陰極與水冷陰極上設(shè)有相互連通的氣體通道，所述氣體通道一端與氣體入口連通，所述氣體通道另一端與空心陰極的內(nèi)腔連通，由氣體通道向空心陰極通入以氫氣與烴類組成的混合保護(hù)性氣體。利用本發(fā)明所提供的技術(shù)方案能大幅度地提高等離子體陰極的使用壽命、陰極的能量利用率、工作穩(wěn)定性高，同時(shí)具有適用范圍廣的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H05H1/48GK101998750SQ20091001316
公開日2011年3月30日 申請(qǐng)日期2009年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月14日
發(fā)明者孫博, 孫家言, 張勁松, 楊永進(jìn) 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院金屬研究所