Forbidden

You don't have permission to access /zzz_siteguard.php on this server.

СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ НЕРАВНОВЕСНОЙ СВЧ-ПЛАЗМЫ В ГАЗАХ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ - Патент РФ 2166240
Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ НЕРАВНОВЕСНОЙ СВЧ-ПЛАЗМЫ В ГАЗАХ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ НЕРАВНОВЕСНОЙ СВЧ-ПЛАЗМЫ В ГАЗАХ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ НЕРАВНОВЕСНОЙ СВЧ-ПЛАЗМЫ В ГАЗАХ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Изобретение относится к области методов и аппаратуры для создания низкотемпературной плазмы, используемой в химических процессах, и может быть применено при очистке дымовых газов от окислов серы и азота, а также очистки токсичных газов. Техническим результатом изобретения является снижение капитальных и эксплуатационных затрат при осуществлении крупномасштабного процесса, а также повышение его эффективности. Поток газа в электроразрядном реакторе пропускают через зону совместного существования коронного электрического разряда постоянного тока и импульсного СВЧ-разряда, возбуждаемого внутри цилиндрического газохода стоячей циркулярно-поляризованной электромагнитной волной типа E11. В устройстве, реализующем указанный процесс, электроразрядный реактор выполнен в виде цилиндрического волновода, через торец которого введен металлический штыревой электрод, на определенном расстоянии от острия которого установлен узел формирования СВЧ-поля в реакторе, включающий установленный внутри основного цилиндрического волновода дополнительный отрезок волновода. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2166240
Класс(ы) патента: H05H1/18
Номер заявки: 99108887/06
Дата подачи заявки: 27.04.1999
Дата публикации: 27.04.2001
Заявитель(и): ООО "Плазма-Т"
Автор(ы): Лысов Г.В.
Патентообладатель(и): ООО "Плазма-Т"
Описание изобретения: Изобретение относится к области методов и аппаратуры для создания низкотемпературной плазмы, в которой проводятся химические процессы, и может быть использовано для очистки дымовых газов от окислов серы и азота, переработки токсичных газов и других задач, связанных с химическими реакциями в газовых потоках при давлении, близком к атмосферному или превышающем его.
Возможность использования неравновесной плазмы, получаемой с помощью электрических разрядов или облучением газа высокоэнергетическими электронами, в настоящее время широко исследуется /1/.
Преимущества плазменной технологии перед химико-каталитической: возможность одновременного удаления из дымовых газов окислов серы и азота сухим способом и получения полезного продукта - удобрений при высокой экологической чистоте процесса.
Технология получения плазмы с помощью электрических разрядов, в том числе безэлектродного СВЧ-разряда, в принципе позволяет осуществить необходимый процесс, но при его реализации в технологии очистки дымовых газов основной трудностью является получение неравновесной плазмы в газовых потоках больших поперечных сечений с характерным размером 0,3 - 1,0 м при скорости газа 10 - 50 м/с, что необходимо для требуемой производительности процесса. В обычных СВЧ-плазмотронах поперечный размер плазмы составляет всего несколько сантиметров и ограничен как глубиной проникновения поля в плазму, так и образованием отдельных каналов разряда, связанным с ионизационно-перегревной неустойчивостью /2/.
В известном решении /3/ описаны аппаратура и метод очистки дымовых газов от окислов серы и азота в электроразрядном реакторе, выполненном в виде высокодобротного (Q ≥ 1000) тороидального резонатора, в зазоре которого возбуждается СВЧ-разряд, поддержание которого осуществляется за счет нагрева газа до высокой температуры порядка 4000oC. При этом велики затраты энергии и затруднено достижение поперечной однородности разряда.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является решение /4/, в котором для получения диффузного СВЧ-разряда в потоке газа большого сечения при атмосферном и более высоком давлении используют импульсный ввод в разряд СВЧ-энергии и предварительную ионизацию газа высокоэнергетическими электронами от ускорителя.
Комбинированное воздействие ускоренными электронами и СВЧ-полем позволяет получить достаточно однородный диффузный разряд в относительно большом объеме газа и реализовать процесс очистки дымовых газов от окислов серы и азота.
Недостатками этого решения являются известные проблемы, связанные с применением высокоэнергетического ускорителя электронов: большие капитальные и эксплуатационные затраты, необходимость защиты от рентгеновского излучения, трудности вывода электронного луча в газ через тонкие металлические мембраны.
Известен также ряд конструкций СВЧ-плазмотронов, предназначенных для реализации плазмохимических процессов в газах.
Наиболее близким техническим решением является СВЧ-плазмотрон /5/, в котором однородность ионизации газа по сечению газоразрядной камеры - трубки достигается благодаря расположению вдоль оси трубки специального электродинамического узла - замедляющей системы. Эта система концентрирует электромагнитное поле СВЧ-волны вблизи своей поверхности, поэтому при подаче СВЧ-импульса достаточной мощности разряд возникает прежде всего вблизи поверхности замедляющей системы, где напряженность электрического поля максимальна, а затем постепенно двигаясь в радиальном направлении, заполняет плазмой все сечение газоразрядной трубки.
Недостатками этого устройства является, во-первых, то, что электромагнитная волна должна во время заполнения плазмой газоразрядной трубки распространяться вокруг плазменного образования вдоль его поверхности, а поэтому размер сечения диэлектрической газоразрядной трубки ограничен условиями сохранения режима распространения волны вдоль плазменного образования, который обеспечивается при диаметре газоразрядной трубки, не превышающем примерно половины длины электромагнитной волны, в противном случае однородность разряда по азимуту сечения будет разрушена; во-вторых, скорость распространения СВЧ-разряда вдоль радиуса определяется факторами, создаваемыми только самим СВЧ-разрядом: излучением из разряда, вызывающим фотоионизацию газа, и не превосходит величины 105 - 106 см/с; в этом случае газ в разряде будет успевать достаточно сильно прогреваться, т.е. нежелательные потери СВЧ-энергии оказываются велики.
Таким образом, это устройство имеет принципиальное ограничение поперечного сечения газоразрядной камеры, что не позволяет реализовать достаточно высокую производительность процесса, и характеризуется слишком высокими энергетическими затратами на его осуществление.
Целью предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков и создание метода и аппаратуры для получения неравновесной плазмы электрического разряда большого поперечного сечения в газовом потоке при атмосферном или более высоком давлении без существенного повышения температуры газа для реализации крупномасштабных плазмохимических процессов, в частности, очистки дымовых газов от окислов серы, азота и других вредных примесей, а также переработки токсичных газов.
Существо предлагаемого изобретения заключается в том, что предварительная ионизация создается не во всем объеме газа, подвергаемого СВЧ-воздействию, а только в небольшой ограниченной зоне. Благодаря специально организованному СВЧ-воздействию разряд, инициированный в этой зоне, постепенно распространяется и захватывает большую область в потоке газа. Это достигается путем формирования в электроразрядном реакторе в зоне развития разряда определенной пространственно-временной картины распределения силовых линий электрического поля.
Указанный принцип формирования электрических полей в реакторе иллюстрирует фиг. 1. Импульсы СВЧ-энергии подаются в виде электромагнитной волны типа E11 с вращающейся поляризацией через основной волновод 1 и дополнительный волновод 2, совмещенные с газоходом. На штыревой электрод 3, установленный в торце волновода 1 на изоляторе 4, подается положительное постоянное или импульсное электрическое напряжение. На фиг. 1 показаны также силовые линии электрического поля СВЧ-волны 5, силовые линии постоянного (импульсного) электрического поля 6, а также зона максимальных значений 7 и минимальных значений 8 суммарного электрического поля. Так как СВЧ-поле образовано цилиндрической волной с вращающейся поляризацией, зона 8 максимального значения суммарного поля вращается вокруг оси системы и при этом никогда не совпадает с кратчайшим расстоянием между штыревым электродом 3 и корпусом, а вытянута навстречу электромагнитной волне.
Конструкция предлагаемого устройства схематически показана на фиг. 2. Оно представляет собой электроразрядный реактор, включающий основной волновод 1 цилиндрической формы, в одном из торцов которого, замкнутом для СВЧ-волны, установлен металлический штыревой электрод 3, введенный внутрь волновода 1 и закрепленный на изоляторе 4. На электрод 3 подается постоянное или импульсное электрическое напряжение. СВЧ-энергия от источника вводится в электроразрядный реактор через поляризатор 9, формирующий волну типа H11 с вращающейся поляризацией, и герметичное устройство ввода волны типа H11, включающее диэлектрическое цилиндрическое окно 10, соединенное с торцом основного волновода 1, противоположным тому, в котором установлен электрод 3, металлического кожуха 11 в виде двух усеченных конусов, соединенных между собой большими основаниями и соосных с основным волноводом 1 и окном 10. Один торец кожуха соединен с основным волноводом 1 в месте присоединения к нему герметизирующего окна 10, а другой соединен с выходом поляризатора 9. В состав герметичного устройства ввода волны типа H11 входит также металлическое тело 12, выполненное в виде двух конусов, соединенных основаниями, соосных с основным волноводом 1, и закрепленное на торце окна 10. Зазор между стенками кожуха 11 и телом 12 составляет ~ четверть длины волны. Внутри основного волновода 1 установлен узел формирования в нем электромагнитного поля со структурой, близкой к волне типа E11 с вращающейся поляризацией. Он включает дополнительный цилиндрический отрезок волновода 2, коаксиальный с основным волноводом 1 и закрепленный на диэлектрических или четвертьволновых металлических изоляторах 13. В устройство входят также элементы ввода 14 и вывода 15 потока обрабатываемого газа в виде кольцевых кожухов, охватывающих основной волновод 1, в стенках которого выполнены неизлучающие отверстия. Элемент ввода газа 14 установлен после герметичного окна 10, а элемент вывода газа 15 - перед замкнутым торцом основного волновода 1.
На фиг. 3 представлен вариант исполнения устройства, в котором через электроразрядный реактор проходит смесь химических реагентов, необходимых для осуществления реакции, в случае очистки дымовых газов - смесь аммиака и паров воды. Затем производится смешение ионизированных реагентов с обрабатываемым газом, например, дымовым.
Устройство, показанное на фиг. 3, включает электроразрядный реактор, полностью аналогичный первому варианту устройства, изображенному на фиг. 2, за исключением того, что вывод ионизированного газа производится через неизлучающие отверстия 16 в торцевой стенке основного волновода 1. В устройство дополнительно введен химический реактор 17, представляющий собой металлический цилиндр, охватывающий нижнюю часть основного волновода 1 и снабженный отверстиями для ввода 18 и вывода 19 обрабатываемого газа. В торцевой стенке химического реактора 17 установлен дополнительный изолятор 20, через который проходит штырь 3.
Процесс развития разряда происходит следующим образом.
В начальный момент подачи СВЧ-импульса в электроразрядном реакторе устанавливается стоячая волна с максимумами продольной составляющей электрического поля на расстояниях n λ/2, где λ - длина волны, n = 1, 2, 3..., от короткозамкнутого для электромагнитной волы торца реактора. Штыревой электрод 3, выступающий из торца в полость реактора на длину (1+2m) λ/4, где m = n-1, инициирует коронный разряд. Для формирования распространяющегося по необходимой траектории разряда величина электрического напряжения на штыревом электроде 3 должна быть такой, чтобы обеспечить примерное равенство напряженностей постоянного электрического поля и продольной составляющей электрического поля СВЧ-волны в зоне ее максимального значения. В этом случае первоначальное взаимодействие СВЧ-поля с коронным разрядом приводит к энергетической накачке электронов в нем, резко увеличивающей фотоизлучение, которое вызывает новые электронные лавины, ведущие к расширению зоны первоначального коронного разряда и инициирующие распространение границы этой зоны вдоль линии максимального значения суммарного электрического поля. В начале этой траектории величина напряженности постоянного электрического поля выше величины напряженности электрического поля СВЧ-волны, поэтому скорость распространения зоны разряда характерна для развития электрического пробоя в постоянном электрическом поле и достигает в воздухе при атмосферном давлении величины ~107 см/с, что очень важно. Спад напряженности постоянного электрического поля при удалении от электрода 3 компенсируется возрастанием напряженности электрического поля СВЧ-волны, т.е. граница разряда подвергается воздействию слабо изменяющегося по траектории движения разряда значения напряженности суммарного электрического поля, что позволяет поддерживать достаточно высокое значение скорости распространения разряда.
При значении скорости движения разряда ~107 см/с разряд за время СВЧ-импульса длительностью 1-10 мкс охватывает значительный объем газа, ионизируя его практически без нагрева газа.
В самостоятельном же СВЧ-разряде скорость распространения его границы в 10-100 раз меньше, поэтому в таком разряде неизбежен значительный нагрев газа. Разряд, распространяясь вдоль линии максимального значения суммарного электрического поля, имеет границу, наклонную к направлению распространения СВЧ-волны. В результате по мере развития разряда и увеличения его электропроводности улучшаются условия согласования зоны разряда с подводимой СВЧ-энергией и соответственно повышается эффективность использования СВЧ-энергии. Вследствие роста электропроводности газа в зоне, пройденной разрядом, изменяется распределение постоянного электрического поля между штыревым электродом 3 и корпусом, что способствует повышению напряженности этого поля в зазоре между корпусом и границей разряда и сохраняет высокую скорость его распространения. Благодаря вращению линии максимального значения суммарного электрического поля разряд сохраняет диффузный характер и не принимает форму стримерных каналов. При этом период колебаний электромагнитного поля должен быть много меньше времени формирования стримеров ~10-8 с /2/, т.е. частота должна быть выше 100 МГц. Но частота не должна быть слишком высокой, так как требуемая картина поля реализуется при близости длины волны к диаметру основного волновода 1, который при использовании выпускаемых промышленностью СВЧ-генераторов составляет 20-60 см.
При достижении концентрации электронов в разряде более 1012 см-3 становится существенным поглощение СВЧ-поля и ослабление его величины внутри разряда, основная доля СВЧ-энергии поглощается на переднем фронте разряда, но наличие в плазме постоянного поля продолжает поддерживать достаточно высокое значение средней энергии электронов, компенсируя ее потери в столкновениях с другими частицами. Это позволяет поддерживать оптимальные условия наработки необходимых радикалов для плазмохимического процесса во всем объеме разряда.
После окончания СВЧ-импульса величина суммарного значения электрического поля падает, выбранное значение постоянного электрического поля оказывается недостаточным для поддержания разряда в потоке газа, и разряд возвращается в стадию короны вблизи центрального электрода.
При необходимости более интенсивного воздействия на плазму с целью получения более высокого значения средней энергии электронов, определяющих ход плазмохимических реакций, постоянное напряжение также подается в виде импульсов, синхронизированных с СВЧ-импульсами и имеющих длительность τ = τСВЧ+Δτ, где Δτ - время опережения фронта СВЧ-импульса фронтом импульса электрического напряжения, Δτt = 10-7-10-6 с, что необходимо для формирования зоны инициации СВЧ-разряда. Импульсы СВЧ и постоянного напряжения оканчиваются одновременно.
Предложенный способ формирования низкотемпературной плазмы позволяет получить разряд в потоке газа атмосферного давления при напряженности электрического поля СВЧ-волны, значительно меньшей пробойного значения, а именно (2-5) кВ/см, что позволяет осуществить технологический процесс в потоках газа большого поперечного сечения при значении импульсной СВЧ-мощности, воздействующей на разряд, реально достижимой с помощью выпускаемых промышленностью СВЧ-приборов. Например, СВЧ-приборы, используемые в промышленных линейных ускорителях электронов, позволяют на частотах 1500-2000 МГц получить импульсную мощность не менее 10 мВт. Такая мощность позволяет получить напряженность электрического поля до 5 кВ/см при типе волны 11 в цилиндрическом волноводе сечением 1200 см2, при типе волны E01 - до 1450 см2, а при типе волны E11 - в волноводе еще большего сечения.
Длительность и частота повторения СВЧ-импульсов определяется из следующих условий.
Минимальная длительность импульса определяется возможностями эффективной генерации СВЧ-приборов диапазона 1000-2000 МГц и составляет около 1 мкс. При указанных выше значениях напряженности электрического поля за такое время в разряде в воздухе при атмосферном давлении уже достигается концентрация электронов порядка 1012 см-3, при которой нарабатывается необходимое для плазмохимического процесса количество химически активных частиц.
Максимальная длительность импульса задается условием недопустимости перегрева газа после заполнения разрядом зоны, длина которой определяется линией максимального значения напряженности суммарного электрического поля и примерно соответствует длине волны. При длине волны 20 см и скорости распространения разряда ~ 107 см/с время заполнения им этой зоны составляет не более 10 мм. Дальнейшее увеличение длительности импульса не эффективно.
Частота повторения импульсов должна быть достаточно велика, чтобы во время интервала между импульсами не имел место разрыв ионизированного потока газа. Это условие выполняется при частоте повторения F ≥ 2V/λ, где V - скорость потока газа.
Таким образом, характеристиками СВЧ-энергии, обеспечивающими описанный способ формирования однородного диффузного разряда, являются частота 1000-2000 МГц, длительность импульса 1-10 мкс, частота повторения импульсов, определяемая приведенным выше соотношением, напряженность СВЧ-поля 2-5 кВ/см, что соответствует плотности потока СВЧ-энергии 1-10 кВт/см2.
Предпочтительным является режим с возможно более коротким СВЧ-импульсом. В этом случае рабочий объем электроразрядного реактора заполняется разрядом за несколько импульсов, а наличие паузы способствует подавлению возможных неоднородностей в плазме.
Устройство для осуществления вышеописанного способа получения неравновесной СВЧ-плазмы в газах высокого давления работает следующим образом.
СВЧ-энергия от импульсного генератора подается на вход поляризатора 9, в котором формируется электромагнитная волна типа H11 с вращающейся поляризацией. Выход поляризатора соединен с герметизированным узлом ввода в реактор электромагнитной волны. Необходимость герметизации вызвана, с одной стороны, наполнением волноводного тракта воздухом или другим газом при повышенном давлении для обеспечения его электропрочности, а с другой - необходимостью его защиты от проникновения рабочих газов реактора. Узел ввода включает герметизирующее цилиндрическое окно 10, выполненное из керамики или другого диэлектрика, внутреннее металлическое биконическое тело 12 и наружный кожух 11 в форме двух усеченных конусов, соединенных основаниями.
Зазор между кожухом 11 и биконическим телом 12 равен приблизительно четверти длины СВЧ-волны. Окно 10 герметично соединено с торцом основного волновода 1 и с биконическим телом 12. Такая конструкция герметизированного узла ввода волны H11 в реактор обеспечивает плавный переход и электрическое согласование между выходом поляризатора 9 и основным волноводом 1, снижение риска пробоя по поверхности окна 10 благодаря наклонной ориентации вектора электрического поля СВЧ-волны к поверхности окна и его высокую механическую прочность благодаря сжимающему действию на окно перепада давления газа. Волна типа H11, введенная в основной волновод через узел герметизации, должна быть преобразована в волну типа E11, чтобы обеспечить необходимую картину электрического поля в реакторе, показанную на фиг. 1. С этой целью внутри основного волновода 1 коаксиально ему установлен дополнительный цилиндрический волновод 2. Падающая волна типа H11 делится на две волны, одна из которых - коаксиальная волна типа H11 распространяется в зазоре между волноводами 1 и 2, а другая волна типа H11 распространяется внутри волновода 2. Для обеспечения необходимого распределения мощности между двумя волнами внутренние радиусы волноводов должны отвечать следующим соотношениям: внутренний радиус дополнительного волновода 2 1 =(0,32-0,38) λ, где λ - длина волны, внутренний радиус основного волновода 1 R2 ≃ R1+λ/2. Сложение двух волн, прошедших зазор между волноводами 1 и 2 и волновод 2, в противофазе обеспечивает формирование требуемой волны типа E11 с вращающейся поляризацией - циркулярно-поляризованной волны, имеющей максимум продольной составляющей электрического поля на радиусе волновода 2. Для противофазного сложения электрические длины путей в зазоре и внутри волновода 2 должны отличаться на (1+К) 180o, что обеспечивается соответствующим выбором длины волновода 2, где K = 0, 2, 4...
Рабочий объем электроразрядного реактора, в котором возбуждается плазма, образован участком основного волновода 1, ограниченным с одной стороны формирователем волны типа E11, т.е. торцом дополнительного волновода 2, а с другой - короткозамкнутой плоской перегородкой, в центре которой установлен на изоляторе 4 штыревой электрод 3, служащий для возбуждения коронного электрического разряда, для чего на него подается постоянное или импульсное напряжение относительно волновода 1.
Электрод 3 выступает в полость волновода 1 на расстояние λ /4(1+2n), где n = 0, 1, 2, 3..., тем самым обеспечивая необходимый пространственный сдвиг между острием электрода 3 и максимумом напряженности продольного электрического поля волны E11. Расстояние между острием электрода 3 и торцом волновода 2 выбирается равным λ /4(1+2 m), где m = 1, 2, 3. Такое соотношение размеров позволяет реализовать распределение электрических полей в реакторе, показанное на фиг. 1.
Ввод и вывод газовой смеси в реактор производится с помощью узлов 14 и 15 через неизлучающие отверстия в стенке волновода 1.
Формирование разряда в реакторе происходит в соответствии с описанием этого процесса, приведенным выше в разделе, посвященном описанию предлагаемого способа.
По мере развития разряда и его распространения от зоны инициации навстречу СВЧ-волне происходит частичное перекрытие разрядом выхода волновода 2, отражение значительной части СВЧ-мощности, распространяющейся в нем, и увеличение мощности, распространяющейся в зазоре между волноводами 1 и 2. Перераспределение плотности потока СВЧ-мощности по сечению реактора усиливает воздействие на периферийную область разряда и устраняет излишний перегрев центральной области, что в итоге позволяет получить достаточно равномерную ионизацию потока газа большого поперечного сечения.
Работа устройства, показанного на фиг. 3, полностью аналогична описанному выше, за исключением того, что через электроразрядный реактор проходит смесь реагентов, которая после ее ионизации смешивается с обрабатываемым газом в химическом реакторе 17, где и происходит полезная реакция, например, связывание окислов серы и азота с аммиаком и образование твердых продуктов реакции, отфильтровываемых затем с помощью фильтров, не входящих в состав устройства.
Для экспериментальной проверки возможности реализации предлагаемого способа формирования объемного электрического разряда было изготовлено устройство с источником СВЧ-энергии, обеспечивающим на частоте 1886 МГц получение СВЧ-импульсов длительностью 1-10 мкс и мощностью до 10 МВт при частоте их повторения до 300 Гц.
Радиус волновода 1 составляет 100 мм, радиус волновода 2-50 мм, его длина около 130 мм. В реальной конструкции в зоне торцов волновода 2 могут устанавливаться элементы, согласующие примыкающие участки волновода 1 с волноводом 2. Длина рабочего объема электроразрядной камеры составляла около 200 мм. Расстояние между торцом волновода 2 и отражающим СВЧ-волну торцом волновода 1 регулировалось. Глубина ввода электрода 3 в волновод 1 также регулировалось. Величина напряжения, подаваемого на электрод 3, регулировалась в пределах 5-50 кВ.
Получаемый разряд наблюдался через оптически прозрачный кварцевый изолятор 4 и через отверстия в стенке волновода 1.
В режиме импульсной СВЧ-мощности 3-5 МВт при длительности СВЧ-импульса 1-3 мкс и частоте повторения импульсов 150-200 Гц наблюдалось заполнение рабочего объема электроразрядного реактора диффузным разрядом до радиуса, близкого к величине 0,7-0,8 радиуса волновода 1. Через реактор продувался воздух атмосферного давления со скоростью около 30 м/с. Температура продуваемого воздуха поднималась на 2-5oC.
В продуваемый воздух вводились газообразный оксид серы SO2 и аммиак. Измерения показали уменьшение содержания SO2 на выходе до 5-10% от исходной величины.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет реализовать метод и устройство получения неравновесной плазмы электрического разряда в газовых потоках атмосферного и более высокого давления при большом поперечном сечении плазменного образования, значительно превышающем достижимое в известных конструкциях плазмотронов. Достоинством предлагаемого метода является также его экономичность, так как ионизация газа сопровождается незначительным повышением его температуры.
Предлагаемые технические решения обеспечивают решение актуальной задачи - эффективной очистки дымовых газов от вредных примесей, имеющей большое экологическое значение.
Литература
1. "Радиационно-плазмохимические методы очистки дымовых газов". Обзор. "Теплофизика высоких температур", том 28, 1990 г., N 5, стр. 995.
2. Райзер Ю.П. /Физика электрических разрядов". М., "Наука", 1987 г.
3. Патент ЕвП. N 0295083А2, приор. США от 08.06.97 г., опубл. 14.12.88 г., кл. В 01 19/12, H 05 H 1/46, H 01 37/32.
4. Патент США N 5397444, приор. Польши от 21.05.91 г., опубл. 14.03.95 г., кл. B 01 D 53/00 (204/157.3, 204/157.46, 204/157.49).
5. Авт.свид. СССР N 304714 "Сверхвысокочастотный плазмотрон" автора Лысова Г.В. Приор. от 28.11.69 г., кл. H 05 H 1/18, 1971.
Формула изобретения: 1. Способ получения неравновесной СВЧ-плазмы в газовых потоках при давлении, близком к атмосферному, для осуществления плазмохимических реакций, в том числе для очистки дымовых газов от окислов серы и азота, состоящий в последовательном пропускании смеси исходных газов, а в случае дымовых газов их смеси с реагентами в виде стехиометрической добавки аммиака и паров воды или только реагентов с последующим их смешением с дымовым газом через электроразрядный реактор и последующим сбором образующихся продуктов реакции с помощью системы фильтров, отличающийся тем, что поток газов в электроразрядном реакторе пропускают через зону совместного существования коронного электрического разряда постоянного тока и импульсного СВЧ-разряда, возбуждаемого внутри цилиндрического газохода циркулярно-поляризованной электромагнитной волной типа E11, причем зона максимума продольного электрического поля СВЧ-волны, ближайшая к штыревому коронирующему электроду, отстоит от него не более чем на четверть длины СВЧ-волны.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что плотность потока СВЧ-мощности составляет 1 - 10 кВт/см2 при длительности СВЧ-импульса 1 - 10 мкс, а частота F их повторения связана со скоростью V потока газа соотношением F ≥ 2v/λ, где λ - длина СВЧ-волны.
3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что напряженность постоянного электрического поля примерно равна напряженности продольного электрического поля СВЧ-волны в зоне ее максимального значения.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что коронный разряд возбуждается подаваемым на штыревой коронирующий электрод импульсами, синхронными с СВЧ-импульсами, опережающими их на время 0,1 - 1 мкс и оканчивающимися одновременно с ними.
5. Устройство для получения неравновесной СВЧ-плазмы в газовых потоках при давлении, близком к атмосферному, для осуществления плазмохимических реакций, в том числе для очистки дымовых газов от окислов серы и азота, содержащее электроразрядный реактор, источники СВЧ-импульсной энергии и постоянного или импульсного напряжения, волноводные элементы, соединяющие электроразрядный реактор с источником СВЧ-энергии, узлы ввода и вывода газового потока, отличающееся тем, что электроразрядный реактор выполнен в виде основного цилиндрического волновода, через торец которого, замкнутый для СВЧ-волны, введен изолированный от корпуса металлический штыревой электрод, коаксиальный основному волноводу и выступающий в его полость на длину (λ/4) (1 + 2n), где λ - длина СВЧ-волны, вводимой в реактор, n = 0, 1, 2..., и связанный с источником постоянного или импульсного напряжения, на расстоянии (λ/4)(1 + 2m), где m = 1, 2, 3..., от острия штыревого электрода установлен узел формирования в реакторе СВЧ-поля, структура которого близка к циркулярно-поляризованной электромагнитной волне типа E11, включающий установленный внутри основного волновода коаксиально ему дополнительный цилиндрический отрезок волновода, внутренний радиус которого равен R1 = 0,32 - 0,38, а внутренний радиус основного волновода R2 = R1 + λ/2, при этом электрическая длина дополнительного внутреннего волновода отличается от электрической длины коаксиального волновода, образованного внутренней стенкой основного и наружной стенкой дополнительного волноводов, на (1 - К) 180o, где К = 0, 2, 4..., а между узлом формирования волны E11 и источником СВЧ-энергии установлен узел ввода в электроразрядный реактор циркулярно-поляризованной электромагнитной волны типа H11, включающий герметизирующее окно, выполненное, например, в виде цилиндрического отрезка диэлектрической трубы с радиусом, близким к радиусу основного цилиндрического волновода, и соединенный с ним одним торцом, а на другом ее торце установлено металлическое тело в виде двух конусов, соединенных основаниями, соосных с основным волноводом, а с внешней стороны герметизирующей трубы установлен металлический кожух в виде двух усеченных конусов, охватывающий биконическое тело узла ввода в реактор волны H11 с зазором между ними, равным λ/4, причем кожух одним торцом соединен с основным волноводом в месте присоединения к нему герметизирующей трубы, к другому торцу присоединен круглый выходной волновод источника СВЧ-энергии, а для ввода и вывода газового потока в электроразрядный реактор выполнены неизлучающие отверстия в стенках основного волновода соответственно между герметизирующей трубой и узлом формирования волны E11 и около торца основного волновода, в котором установлен штыревой электрод.