專利名稱：用于向等離子體羽流或氣態(tài)流內(nèi)噴射待混合/轉(zhuǎn)化的液體物料的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及朝向等離子體焰炬的羽流(火舌)噴射液體的液體噴射系統(tǒng)的技術(shù)領(lǐng) 域。
背景技術(shù)：
對于將在火炬內(nèi)轉(zhuǎn)化的液體，可提及的示例為生物油，或者來自廢水處理廠的漿 料，或者源自粉化的固體的“灰漿”或微粒，這些微粒與液體混合以便噴射到等離子體焰炬 的羽流內(nèi)。通過等離子體氣化液體物料(尤其是對生物油)的方法中所遇到的主要問題是如 何更好地使用等離子體焰炬來實現(xiàn)轉(zhuǎn)化。對于生物油，這通過閃速熱解實現(xiàn)，閃速熱解是一種熱化學(xué)方法(在T 500°C的 溫度下)，在該熱化學(xué)方法中在不進行脫氧(dioxygene)化學(xué)計量的情況下將生物物質(zhì)(生 物材料)快速加熱。在熱的作用下，該生物物質(zhì)分解并導(dǎo)致形成氣態(tài)永久物、可凝結(jié)的蒸 氣、懸浮微粒和碳殘留物。在揮發(fā)性成分和懸浮微粒冷卻并凝結(jié)后，通常獲得深棕色液體 生物油。然后通過噴入等離子體焰炬而將其氣化。生物油的該預(yù)處理使得生物物質(zhì)可被噴射入等離子體焰炬的羽流，以便氣化。沒 有該預(yù)處理步驟，生物物質(zhì)將實際上是異質(zhì)的、難以分散(至少需要預(yù)先進行高成本的破 碎)并且因為是固體而難以在壓力下噴射。此外就將生物物質(zhì)運送到氣化廠的成本而言， 閃速熱解型的預(yù)轉(zhuǎn)化已被證明是有利的。為了適當(dāng)?shù)赝ㄟ^等離子體焰炬將液體尤其是生物油轉(zhuǎn)化成合成氣體，需要在影響 反應(yīng)的不同參數(shù)之間尋求平衡，所述參數(shù)尤其是液體在等離子體羽流中的存留時間、等離 子體羽流的溫度、反應(yīng)物和等離子體介質(zhì)之間的交換表面以及該介質(zhì)的組成。生物油的不良氣化不僅導(dǎo)致不良的物質(zhì)生產(chǎn)率、妨礙方法收益性，而且導(dǎo)致品質(zhì) 差的合成氣體，即，該氣體由于焦油的存在(可允許的閾值接近0. Img/Nm3)而不具有用于 隨后作為生物-燃料合成物中的介質(zhì)的足夠高的純凈程度。焦油的存在在不同的相關(guān)應(yīng)用 中產(chǎn)生許多問題，尤其是在使用FiSCher-Tr0pSCh(費托)型方法合成燃料期間，在該方法 中，在熱和催化作用下，通過焦化形成炭黑和重碳氫化合物的沉積物。這顯著減少了用于 Fischer-Tropsch合成法的催化劑的使用壽命。此外，由等離子體焰炬產(chǎn)生的等離子體羽流的主要特征是高溫(5000-7000K)、高 流量(800-1200m · s—1)和高粘度。在這些特征下，試圖放入羽流的微粒具有使羽流反彈的趨勢。因此對于液體噴射裝置存在使液體在等離子體羽流的中心分散和/或轉(zhuǎn)化最優(yōu) 化的實際工業(yè)需求。目前針對噴射液體以便通過等離子體羽流將其分散/轉(zhuǎn)化而提出的技術(shù)可分為 四個大的類別。
第一類別集合了這樣的噴射方法，所述噴射方法基于在將液體噴射入等離子體羽 流之前預(yù)先將該液體霧化。這種解決方案增強了反應(yīng)物與等離子體介質(zhì)之間的交換表面， 如專利FR 2565992中所述。這種方法通過這樣的設(shè)備實現(xiàn)，該設(shè)備允許借助于載體氣體圍 繞熱氣體流同心地引入霧化的物質(zhì)。使等離子體氣體在等離子體發(fā)生器中進行旋轉(zhuǎn)移動， 以便通過同心流在霧化的物質(zhì)中獲得湍流，該熱氣體流將混合物加熱。難以使霧化的液體 具有足夠速度的事實通過增加載體氣體以及通過在待轉(zhuǎn)化的物質(zhì)和熱氣體流之間建立湍 流來彌補，該載體氣體被賦予進入等離子體羽流所必需的速度。然而，該方法不允許進入等 離子體羽流的深處，并且氣化反應(yīng)在周圍進行，從而未能利用可在等離子體羽流的深處獲 得的高溫的益處。此外，等離子體羽流被冷的補充氣體削弱，這造成能量收益方面的損失， 應(yīng)當(dāng)知道，通常要求不可忽略的載體氣體品質(zhì)以便精細地對液體分餾(fractiormer)。另 外，在液體較粘稠并含有微粒且容易焦化的情況下，與較小直徑的噴射器一起使用的霧化 系統(tǒng)因可預(yù)見的設(shè)備的堵塞而受到限制。第二類別涉及基于強制混合的噴射方法。在這種情況下，可設(shè)計多種構(gòu)型。例如， 等離子體可通過穿有噴射孔的通道，所述噴射孔因此強制噴射液體進入等離子體羽流。多 種文獻提及了這種技術(shù)，例如文獻FR1509436或US 5906757。在所引用的第一份文獻中，強 制等離子體射流在設(shè)有直徑增大部分的管內(nèi)循環(huán)，由此使得等離子體射流在該增大部分中 減壓，并因此在等離子體中形成湍流區(qū)域。液體被噴射入該區(qū)域，并形成圍繞等離子體羽流 的湍流環(huán)或柱。在第二份文獻中，等離子體在設(shè)有至少一個徑向布置的噴射器的管內(nèi)循環(huán)， 這使得液體可被以切向分量噴射入等離子體。這種解決方案在停留時間方面是有利的，因 為液體在等離子體羽流的周緣被噴射，在該部位等離子體的流速不高(約為100m/S，與可 超過500m/s的等離子體羽流的主流速度相比)。然而，這這種解決方案會因與通道壁的熱 傳遞而造成能量損失。此外，這種解決方案未強制液體深入等離子體羽流，從而不能享有源 自溫度效應(yīng)以及源自等離子體羽流的中心反應(yīng)品種成分的益處。第三類別集合了使用多個等離子體焰炬的噴射方法。文獻CA 2205578提及了這 種方法的一個實施例。這種方法的原理是將反應(yīng)物射流限制在至少兩個等離子體射流的合 流中，所述等離子體射流的合流點處在反應(yīng)物的噴射軸線上。這種解決方案使得液體能直 接噴射到等離子體羽流的深處。在這種情況下，可享有溫度的益處，因為在等離子體羽流的 中心的高溫收益占主流。這種解決方案會導(dǎo)致能量損失的問題。焰炬流事實上是集中的，與非集中式等離子體焰炬構(gòu)型相比，它未留下任何將待 轉(zhuǎn)化液體的噴射最優(yōu)化的自由度。此外，射流未被分餾，因此待轉(zhuǎn)化液體與等離子體介質(zhì)之間的熱交換不是最佳的。再一個問題是，在一個點上的液體的射流未最佳地使用等離子體。實際上，未使用 整個等離子體體積。另一個問題來自于在等離子體的中心進行噴射的事實這使得留存時間過短，因 為該處的等離子體流速很高。另外，由于使用多個等離子體焰炬，所以對它們中一個進行維 護都需要停止全體焰炬。因使用多個焰炬而產(chǎn)生的另一問題是必須為每個焰炬都設(shè)置電源，這由此增加了 能量損耗。為補償這些熱損耗，必須針對給定的流量增加焰炬的數(shù)目，這在熱方面不是太好。最后，使用多個焰炬容易導(dǎo)致不穩(wěn)定性，這難以通過中央噴射系統(tǒng)吸納。最后的類別集合了這樣的噴射方法，該噴射方法使用位于等離子體焰炬內(nèi)的中間 件。為此，在熱氣體流動路徑中插置一設(shè)備，以便使該熱氣體流成形，并將流體物質(zhì)送到噴 嘴，由此建立其方向與熱氣體流的方向相似的流體物質(zhì)流，如專利FR 2614751中所述的。 在這種設(shè)備的情況下，流體被直接噴射到熱氣體流的中心，待轉(zhuǎn)化的微粒由此被熱氣體流 捕獲并被賦予高的粘性。這種方法使得能受益于等離子體羽流的溫度和存留時間，因為有 可能以反向流噴射等離子體流。然而，該部件由于高溫(引起熱損失)而應(yīng)當(dāng)針對其機械 阻力進行冷卻，這這種冷卻也冷卻并擾亂了等離子體。此外，由于噴嘴處的溫度，在啟動階 段和停止階段中，可能出現(xiàn)堵塞的危險?？梢钥闯?，用于在等離子體羽流的中心分散/轉(zhuǎn)化液體的大多數(shù)液體噴射方法僅 有利于下列參數(shù)之一在等離子體羽流中的存留時間，等離子體羽流的溫度的使用，反應(yīng)物 與等離子體介質(zhì)之間的交換表面以及介質(zhì)的組成。第一類別依賴于反應(yīng)物與等離子體介質(zhì) 之間的交換表面，第二類別依賴于存留時間，第三類別依賴于溫度的使用，最后的類別取決 于兩個參數(shù)存留時間和溫度的使用。因此，已有的解決方案均不能同時滿足下列要求-使液體在等離子體羽流中的存留時間最優(yōu)；-最佳使用等離子體羽流的溫度；-最大程度地發(fā)展反應(yīng)物與等離子體介質(zhì)之間的交換表面；-良好地將介質(zhì)的組成用于轉(zhuǎn)化。因此，問題是執(zhí)行液體噴射以使其在等離子體羽流的中心分散/轉(zhuǎn)化，以便實現(xiàn) 液體在等離子體羽流中的存留時間、等離子體羽流的溫度、反應(yīng)物與等離子體介質(zhì)之間的 交換表面以及介質(zhì)的組成之間的較好平衡。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明首先涉及一種將液體物質(zhì)(材料)噴射到等離子體焰炬中的設(shè)備，該設(shè) 備包括1)組或N部分噴射器Gi (i = 1，...N)，所述噴射器布置在等離子體流動 區(qū)域的周圍，或遠離等離子體流動區(qū)域，或在該流動區(qū)域之外，每個組或部分均包括至少 ni(i ^ 2)個噴射器，所述噴射器例如設(shè)置在該軸線或等離子體流動區(qū)域的兩側(cè)，或者在基 本垂直于等離子體流動軸線的平面中，從而有可向等離子體中沿至少部分地與等離子體的 流動方向相反的方向噴射所述液體物質(zhì)。在大多數(shù)情況下，N小于等于15或20。同一個噴射器組Gi中的所述ni個噴射器可設(shè)置在等離子體流動區(qū)域的周圍，其 中彼此相差360° /(ni)的角度。它們優(yōu)選設(shè)置成使噴射入等離子體中的液體射流匯聚。 它們不與羽流或者等離子體流動區(qū)域直接接觸。至少一個噴射器可以包括螺旋形的內(nèi)部輪廓，以使流體具有旋轉(zhuǎn)運動分量，該旋 轉(zhuǎn)運動分量可促進液體撞擊到等離子體羽流的中心時分散。至少一個噴射器可包括用于使所噴射的液體分餾的壓電裝置。根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備可以包括沿等離子體流動軸線設(shè)置的N個噴射器組(N> 1)，不 同噴射器組的噴射器包括相對于等離子體流動軸線的不同入射角。這種布置尤其允許待處理的液體物料更好地在等離子體中分配。優(yōu)選的是，噴射器組離等離子體羽流的基部越遠， 它相對于等離子體流動軸線的入射角就越小。根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備還可以包括用于在噴射器的至少一部分中例如在振蕩(隨時 間可變的)壓力下噴射液體射流或脈沖式液體射流列的裝置。有利地，一個或更多個噴射器也可均包括蒸氣噴射噴嘴，以用于與液體射流同時 地噴射蒸氣射流。根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備還可包括用以對待轉(zhuǎn)化的液體物料加壓的裝置。某些射流的壓 力可以改變，尤其是在某些射流構(gòu)型中，以便允許調(diào)節(jié)其精度被改變的射流的噴射角。有利地，可以設(shè)置用于分離待轉(zhuǎn)化液體中的重有機成分與該液體中的輕相的裝置。用于制備待噴射液體的裝置也可包括用于在噴射之前使水相氣化的裝置。根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備還可包括光學(xué)裝置，該光學(xué)裝置用于控制待轉(zhuǎn)化的物料的噴射 量，并可選地用于使待轉(zhuǎn)化的物料的噴射量適應(yīng)所述等離子體羽流的變化。更一般地，可將該裝置設(shè)置成使得待轉(zhuǎn)化的液體物料(裝料)的噴射能符合等離 子體羽流的變化。本發(fā)明還涉及一種向等離子體焰炬的羽流中噴射液體物質(zhì)的方法，其中，經(jīng)由N 個1)噴射器組Gi (i = L...N)噴射液體，所述噴射器組布置在等離子體流動區(qū)域的 周圍或者遠離等離子體羽流的流動區(qū)域，每個組都包括至少ni(ni >2)個噴射器，所述噴 射器例如布置在等離子體流動區(qū)域或軸線的兩側(cè)或者該區(qū)域的外側(cè)，并且/或者處在一基 本垂直于等離子體流動軸線的平面中，將所述液體物質(zhì)的至少一部分沿著一至少部分地與 等離子體的流動方向相反的方向噴射到該等離子體中。再一次地，同一噴射器組中的η個噴射器可以布置在等離子體流動區(qū)域的周圍， 其中彼此相距360° /n的角度。它們優(yōu)選布置成當(dāng)噴射入等離子體中時形成液體射流的匯
聚ο根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備和方法特別適用于生物油類的液體、或者來自費用處理廠的漿 料，或者固體顆粒和液體的混合物。由等離子體散發(fā)的熱量的一部分可通過噴射器的支承件回收，然后通過傳導(dǎo)傳遞 給經(jīng)過所述噴射器的液體?？梢杂欣卦谥辽僖徊糠謬娚淦髦袊娚湟后w射流或脈沖式液體射流序列，例如， 在周期性(振蕩)變化的壓力下噴射。根據(jù)另一有利的實施形式，可以在至少一部分液體射流中與液體射流同時噴射蒸 氣射流。該液體可預(yù)先分離成第一部分和第二部分，該第一部分可在較低的溫度下(約 80 150°C )氣化，該第二部分較重并將以液體形式噴射到等離子體中。也可在待噴射的液體中添加水，以便優(yōu)化待處理的液體的轉(zhuǎn)化反應(yīng)。根據(jù)另一特別有利的實施形式，在等離子體羽流的外部形成蒸氣層。同一噴射器組中的η個噴射器的液體射流優(yōu)選在等離子體中匯聚，所述射流的匯 聚區(qū)域有利地基本位于等離子體的流動軸線上。等離子體中的至少一個射流的噴射角度可以例如通過該射流中的流體壓力的變 動來改變。
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可對各種不同的參數(shù)進行控制，例如-液體射流的噴射量，例如使用光學(xué)型裝置；-和/或焰炬出口處的等離子體的量；-和/或等離子體羽流的脈沖，如有必要，相對于噴射到等離子體羽流中的液體的 脈沖。為了能夠使用與一個或多個測量結(jié)果對應(yīng)的數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)該系統(tǒng)的參數(shù)，可能希望能 在需要時調(diào)節(jié)物料的成分和/或等離子體的運行條件。例如，可能希望調(diào)節(jié)等離子體羽流 的脈沖與噴射脈沖的周期之間的相位差。


圖IA是根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的一示例性實施方式的細節(jié)圖；圖IB是根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的一示例性實施方式的細節(jié)圖；圖2A至4是用在本發(fā)明的設(shè)備中的噴射器輪廓的示例；圖5和6示出液體射流經(jīng)過等離子體羽流時(液體射流移動過量時)以及當(dāng)液體 射流的運動量不足以使之進入等離子體羽流時遇到的問題；圖7示出對射流的最大分餾的沖擊，該射流在將被沖擊之前以幾乎90°匯聚；圖8A和8B示出對非正交式匯聚的射流的沖擊，其引起液體片層的形成；圖9示出沿等離子體焰炬的軸線包括多個噴射器部分的構(gòu)型；圖IOA至IOC示出用以使等離子體羽流出現(xiàn)飽和的危險最小的液體射流序列的脈 沖式噴射；圖11示出三對噴射器沿等離子體焰炬的軸線以及沿兩個彼此垂直的軸線的組裝 的可能的定位；圖12示出相對于等離子體羽流的流動軸線XX’在壁處的熱交換系數(shù)的曲線以及 等離子體羽流和該壁的一部分；圖13示意性地示出噴射器以及蒸氣噴射噴嘴的定位；圖14示出等離子體羽流的邊界處的富水的邊界層的形成，其用于避免形成炭黑；圖15示出水-生物油型系統(tǒng)的相位示意圖；圖16示出反應(yīng)器的光學(xué)界面，其運行通過光學(xué)測量診斷噴射；圖17示出在沿等離子體流動軸線的同一平面中的三對噴射器組件的詳細分布；圖18示出等離子體羽流的基礎(chǔ)體積的示意圖，其用于評估羽流被待轉(zhuǎn)化的液體 物料占用的比率；圖19示出通過兩個液體射流的匯聚實現(xiàn)的液體片層的形成；圖20示出液體片層相對于角β以及射流的入射角(θ )的半徑(r)的演變；圖21通過焰炬的電極處的連續(xù)瞬時電壓示出等離子體焰炬內(nèi)的電弧的波動；圖22示意性示出三個液體噴射器在圍繞等離子體羽流的圓形截面上的分布。
具體實施例方式下面將結(jié)合圖IA所示的視圖說明本發(fā)明的一種實施方式。圖IB包括這種設(shè)備，它具有將進一步說明的附加外圍裝置。
在圖IA中，標(biāo)號30、31表示電極，在它們之間產(chǎn)生放電。同時，等離子體化的氣體 經(jīng)過這些電極會導(dǎo)致等離子體羽流3的形成。所述電極的供電裝置由標(biāo)號32表示。在電極的輸出端設(shè)有形成支承件2的系統(tǒng)，以用于定位并保持用于噴射待處理液 體的噴射器。在布置于該支承件內(nèi)的一空腔2’中，等離子體羽流基本沿軸線B流動，該軸 線在下面稱為等離子體流動軸線。在一個示例中，空腔2’基本為柱形形狀，軸線B是該空 腔的柱形對稱軸線。然而，也可為該空腔選擇其它形式。在該支承件2中設(shè)有至少兩個噴射器，從而形成由這兩個噴射器構(gòu)成的組。更一般地，在該支承件中設(shè)置有N (N ^ 1，但一般N < 15或< 20)組噴射器Gi，每 個組Gi都包括至少兩個噴射器，更一般地，包括ni(ni ^ 2)個噴射器。這N組噴射器沿等 離子體流動軸線設(shè)置。下面將更詳細地說明這些噴射器的布置。圖IA中示意性示出4個噴射器，它們的標(biāo)號分別為lb、Id、lb’、Id’。這些噴射器 分成兩個組Gl和G2，每個組具有兩個液體噴射器。在該附圖中，還區(qū)分了另外4個將在下 面說明的噴射器或噴嘴1&、1(3、1&’、1(’，它們用于單獨噴射蒸氣，它們中的每個都與噴射器 IbUdUbMd'中的一個相配合。液體噴射器讓、1(1、113’、1(1’指向?qū)⑿纬傻入x子體羽流3的區(qū)域，以便沿方向4(見 圖7、8、9、10A-C、14、17中的箭頭A)噴射具有運動分量的液體，該方向A與等離子體的流動 方向B(見上述附圖中的箭頭B)相反。在此噴射器以兩個一組或成對布置，每對或這些噴 射器的出口孔口(供待處理的物質(zhì)噴向等離子體的孔口)形成基本垂直于等離子體的流動 軸線或方向B的軸線1-1’ (見圖7)，每對中的兩個噴射器設(shè)置成在支承件2的周圍基本沿 直徑相對，并且指向形成等離子體3的區(qū)域。當(dāng)一個噴射器組Gi包括3個噴射器-更一般地包括ni個噴射器-時，這些噴 射器或它們的孔口基本設(shè)置在與等離子體流動軸線垂直的同一平面(在圖7中該平面標(biāo) 記為I-I’，其垂直于圖紙的平面并垂直于軸線B)中。于是，它們優(yōu)選相對于彼此基本以 120° -更一般的以360° /n-設(shè)置(例如見圖22，其示出噴射器支承件2的示意性截面， 該截面垂直于等離子體流動軸線B，其中一組3個噴射器lb、lb’、lb”在同一平面中基本相 互成120° )。在支承件2的周圍(見圖1A、1B、7、8、10A_10C的噴射器)，同一噴射器組-當(dāng)ni
=2時這些噴射器設(shè)置成相對于等離子體流動軸線基本沿直徑相對-的噴射器出口處的液 體發(fā)射軸線或者該組噴射器的輸出軸線相對于等離子體流動軸線B的角度基本彼此相等 (絕對值)。圖9、11、17、18示出一種更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，其中，該設(shè)備包括沿軸線B設(shè)置的3對或3 組Gl、G2、G3噴射器lb、lb’、Id、Id’、lf、lf ’，所述噴射器位于3個不同但垂直于軸線B的 軸線上。另外，同一組噴射器(這些噴射器位于等離子體流動區(qū)域的周圍，但沿等離子體流 動軸線處于同一位置，即，基本在垂直于該流動軸線的同一軸線上)的發(fā)射或輸出軸線相 對于等離子體流動軸線B的角度在絕對值上基本相等。這樣，在圖17中，每個噴射器lb、 lb’(組Gl)的軸線相對于軸線B的角度為π/2，每個噴射器Id、Id’(組G2)的軸線相對 于軸線B的角度為π/4，每個噴射器If、If’(組G3)的軸線相對于軸線B的角度為π/6。更一般的，無論一個相同組Gi中的噴射器ni (這些噴射器因而設(shè)置在垂直于等離
9子體流動方向B的同一平面中)的數(shù)目如何-由(位于該同一平面內(nèi)的)這些噴射器的輸出或發(fā)射軸線與等離子體傳播軸線 形成的角彼此相等或基本相等；-或者，由該組中的噴射器的進入等離子體的射流的入射方向與等離子體傳播軸 線形成的角彼此相等或基本相等。為了方便，圖17中的噴射器示出為在同一平面內(nèi)(該圖的平面)，然而，它們實際 優(yōu)選按圖11所示布置，即，沿交替地相互正交并且正交于等離子體流動方向的軸線布置。 因此在圖11中可以辨別出3個噴射器組Gl、G2、G3，等離子體流動軸線和發(fā)射軸線之間的 所有角度都基本等于90° ；由噴射器和等離子體流動軸線上的匯聚點形成的錐形的頂點處 的角度因此基本等于180°。在圖9、17、18所示的實施方式中，可以看到，一個噴射器組的噴射器離等離子體 羽流3的基部33越遠，該組的噴射器與該軸線形成的入射角就越小(在圖17中，從噴射器 lb、lb’的角度π/2變化到噴射器Id、Id’的角度π/4，然后變化到離等離子體的基部最遠 的噴射器lf、lf’的角度η/6)。如將進一步說明的，這種布置使得等離子體中的占用率最 優(yōu)，同時減少了等離子體飽和的危險。因此，無論數(shù)目如何，同一組中的噴射器都能通過它們在支承件2中的定位以及 它們的定向，而迫使射流(連續(xù)的或不連續(xù)的)匯聚，從而使得各射流相互倚靠，以用于在 等離子體羽流的傳播軸線處分餾。通過噴射器的這種定向，從射流匯聚而產(chǎn)生的運動量大部分在等離子體羽流的流 動方向B的反方向A上出現(xiàn)。這可確保待轉(zhuǎn)化物質(zhì)在羽流中的停留時間增加，由此通過等 離子體羽流進行最佳二次分餾。由于以在與等離子體傳播方向相反的方向上驅(qū)動物質(zhì)的運 動量噴射物質(zhì)，因此相比于沿與等離子體相同的方向進行的噴射，需要額外的時間來用于 使物質(zhì)由該等離子驅(qū)動。此外，由等離子體羽流引起的二次分餾是羽流和待轉(zhuǎn)化流體之間 的相對速度的函數(shù)液體和等離子體流的相反的方向確保該相對速度最優(yōu)。如可從圖5_10C、13、14、17、18看出的，噴射器不接觸(或緊鄰)羽流。因此焦化 (由噴射器處的溫度引起的現(xiàn)象)的危險降到最小，并且噴射器堵塞的危險也降到最小。此 外，冷卻噴射器的必要性較小，這有利于熱收益，對于液體來說，液體以較高速度流動(參 見下面的示例性實施例)確保溫度限制，這在某些情況下使得能避免特定冷卻。這種冷卻 可通過待轉(zhuǎn)化的物料以及有利地通過出自管線41 (圖1B)上游的不可焦化部分確保。這種 關(guān)于熱傳遞的有益效果通過這樣的事實加強，即，在本發(fā)明中，等離子體羽流3不再被緊貼 的壁引導(dǎo)?？涨?’的壁以及噴射器的支承件2較遠離等離子體羽流，或者對羽流不具有約 束作用，因此熱損耗可被限制，這可增加能量收益。以一般的方式，噴射器進入等離子體羽流的距離(例如可約為羽流直徑的10倍 (或更多))可確保射流進入羽流之前的飛行時間-這補足了射流的加熱，并能可選地氣化 一部分輕的物質(zhì)(它們可能停留在所噴射的液體射流中)_這不必對等離子體羽流中心盛 行的高溫進行轉(zhuǎn)換。這使得射流在羽流中心的存在時間最佳，并將等離子體羽流特定地用 于特別難以轉(zhuǎn)化的物質(zhì)。按照上述方式布置的噴射器允許根據(jù)各射流可獲得的運動量將液體物料噴射入 等離子體羽流3 (或者密集的熱流)，以使之完全穿過該羽流直至等離子體流動軸線，以及使得射流基本在該軸線上匯聚并且當(dāng)它們相會時彼此倚靠，這增加了它們的分餾。這避免 了圖5所示的狀況，其中射流僅部分地穿過等離子體羽流并可顯著霧化地到達該軸線，或 甚至射流不進入等離子體的狀況(圖6)。在圖6所示的情況中，液體射流10通過與等離子 體3的邊緣的簡單接觸而被打破。圖17中示出三個點A1、A2、A3(所有這三個點都位于等 離子體流動軸線B上)，其中來自不同噴射器組的射流在這些點處匯合。這種分餾，在射流基本在等離子體流動軸線上匯聚后，使得當(dāng)射流沖擊時(最大 分餾的情況，其中在匯聚之前對匯聚的沖擊是基本垂直的，如圖7所示)分散最優(yōu)，或者匯 聚不正交時大大減少(如圖8A、8B所示的流動的情況，其中射流10、10’相對于等離子體流 動軸線較少地傾斜，與圖7所示的構(gòu)型相比所示噴射器在該軸線上處于更下游)。在第一種 情況(圖7)中，有利于初級分餾；而在第二種情況中，物質(zhì)在等離子體羽流3內(nèi)的存留時間 增加，并且待轉(zhuǎn)化液體與等離子體羽流3之間的交換表面(液體從一個柱形區(qū)段10、10’到 一片層13，圖8B)增加。在通過由等離子體3的流動引起的剪力強制分餾之前，優(yōu)選謀求實現(xiàn)同一噴射器 組的噴射器，或位于同一平面的噴射器，或位于與等離子體流動軸線垂直的同一軸線上的 噴射器，的射流10、10’的匯聚。匯聚是指在射流10、10’分餾之前在它們之間沖擊。這種 匯聚狀況在圖7中示出，圖6示出射流不進入等離子體羽流的問題。圖7、8A和8B示出了 如何克服液體射流部分越過或不進入等離子體羽流的危險。圖8B和19更詳細地示出通過 兩個射流10、10’的匯聚進行的液體片層13的形成。位于等離子體流動軸線上的匯聚區(qū)域或點形成錐形的頂點，該錐形的母線由匯聚 區(qū)域或點與各噴射器的輸出孔口的假想連接線形成，所述噴射器的射流在該區(qū)域或點匯 聚，由此是同一噴射器組的各個噴射器。該錐形的頂點處的半角等于在各液體噴射器的噴 射方向與等離子體流之間形成的角，或者等于入射射流在匯聚點處的方向與等離子體流動 軸線形成的角。因此，在圖17中，噴射器組ld、ld’與這兩個噴射器的射流的匯聚點A2—起形成 一錐形，該錐形的頂點精確地位于該點A2。連接該點與這兩個噴射器之一的輸出孔口的直 線Δ 2、Δ ’ 2均形成對應(yīng)錐形的母線。同樣地，還是在該圖17中，噴射器組lf、lf’與這兩個噴射器的射流的匯聚點A3 一起形成一錐形，該錐形的頂點是該點A3。連接該點A3與這兩個噴射器之一的輸出孔口的 直線Δ 3、Δ ’ 3均形成對應(yīng)錐形的母線。至少兩個射流的匯聚，以及可選地液體片層的形成，使得可以實現(xiàn)交換表面以及 在等離子體羽流中的存留時間最優(yōu)。因此匯聚的射流直接在等離子體內(nèi)霧化，這得益于射流之間的沖擊、由等離子體 的流動引起的剪力效應(yīng)，并得益于較高的溫度(等離子體中心的溫度)以及反應(yīng)物類別。射流的匯聚解決了如何使進入等離子體羽流的中心的液體的運動量優(yōu)的問題。 實際上，只需為射流提供足以使之進入羽流的運動量，而不存在射流以超量-即使是有限 的-的極限運動量(它至少在量級上幾乎等于等離子體羽流的運動量)穿過羽流的危險。 這由此獲得了附加的自由度和雙倍的分餾水平(即源自等離子體(液體與羽流間的速度 差)的分餾以及源自沖擊的分餾)，而且允許實現(xiàn)等離子體的高溫與液體在羽流內(nèi)的存留 時間之間的折衷。
進入等離子體羽流并且未被分餾的連續(xù)射流10的長度h(圖5)為-一方面，(在量級上)是液體射流10的運動量與等離子體羽流3的運動量之間 的比值(q)的平方根的函數(shù)；優(yōu)選q大于1，更優(yōu)選大于2，_另一方面，是噴射角(θ，該角是等離子體流動軸線與射流方向之間的角)的函 數(shù)，-而且是縮短的距離(射流進入羽流之前的長度X與噴射射流的噴射器的直徑 (d)之間的比值)的函數(shù)。根據(jù)流動特征，可以找到使得射流在分餾之前長度最大(hmax)的最佳角度 (Θ*)。在其中流體動力學(xué)優(yōu)先于熱效應(yīng)(假設(shè)射流在在羽流內(nèi)被分餾之前是液體狀態(tài)) 的流動狀態(tài)中，未分餾的射流的長度可以通過下列表達式逼近 在該表達式中，χ和d對于已知構(gòu)型是固定的。因此，存在至多(在其中噴射角不取決于運動量的情況下，這是其中噴射器的出 口無輪廓的情況)兩個用于使噴射最優(yōu)的自由度(Θ和q)。參數(shù)θ的變動范圍小于參數(shù) q的變動范圍。噴射器的多重性(圖IA和IB中的兩個噴射器截面或組，圖22中的三個，但一個 或多個噴射器組中也可以更多)使得可增加交換面積以及更好地利用等離子體羽流的體 積，避免待處理的物料飽和。為此，謀求保證最大的羽流占用率或飽和率，以避免阻塞(飽 和)而不會過大地減少等離子體羽流的物料占用率(否則對一千克待轉(zhuǎn)化液體物料的處理 將過于昂貴)?？傮w上，謀求_噴射可允許的最大量的物料，這要考慮到等離子體羽流3的功率以及物料的變 換焓；-使帶液體物料的羽流局部飽和的危險最小，由此試圖保證羽流內(nèi)的液體物料的 良好分布(參見圖9，其中灰色色塊示出羽流體積中液體物料的含量)；因此，在射流匯聚 處，物料含量很高(尤其是在最接近等離子體的基部33的第一匯聚處，見圖17和18以及 下面的實施例)，并傾向于或多或少地因轉(zhuǎn)化而在新噴射的緊上游減小。分布的品質(zhì)不能預(yù) 先假設(shè)為最佳的，但仍可逼近先驗值(見下面的實施例)，并可通過適當(dāng)?shù)脑\斷例如借助于 圖1中的裝置5和6控制噴射品質(zhì)而調(diào)整到后驗值。飽和率可以隨著羽流的性質(zhì)以及待處理物料的物理化學(xué)特性(揮發(fā)性，表面張 力……)變化。作為示例，局部物料含量小于(相對于包含液體體積的羽流區(qū)段的基礎(chǔ) 體積的液體體積(參見該示例性實施例中限定的SVi)可預(yù)防羽流飽和的危險(由液體占 有的體積以及當(dāng)液體氣化時由其蒸氣占有的體積之間存在至少1000倍的系數(shù))。為使等離子體阻塞的危險最小，因此可以設(shè)計下列構(gòu)型-噴射器組的分布根據(jù)等離子體羽流的不同縱向位置(見圖9、10A_C、17、18中的 結(jié)構(gòu))和/或具有不同入射軸線或噴射角(見同樣的圖，其中所有噴射器組具有各組彼此 不同的噴射角)，-和/或噴射脈沖式液體射流序列，噴射器組或部分之間潛在地相移(對于脈沖 噴射)，以便分配等離子體的物料含量(或允許轉(zhuǎn)化的熱氣流)。圖10A-10C示出該狀況， 其中僅示出2個噴射器lb、lb’，首先每個噴射器發(fā)送一種物質(zhì)射流，該物質(zhì)3’將起初在定
12位于等離子體3前部(圖10A)的區(qū)域(確定位置)，然后沿等離子體流動方向被帶動，而 噴射器不再發(fā)送物質(zhì)(圖10B)；當(dāng)每個噴射器均發(fā)送新的物質(zhì)射流3”時，該射流被首先定 位在等離子體前部(圖10C)的區(qū)域，位于由第一次射流噴射的物質(zhì)3’所位于的區(qū)域的上 游。將液體射流脈沖的末尾與下一脈沖的開頭分開的持續(xù)時間優(yōu)選至多為等離子體的基礎(chǔ) 體積的位移時間；換句話說，謀求向等離子體中噴射這樣的液體體積，該體積允許等離子體 中的噴射區(qū)域的足夠的更新，以便接收新的噴射脈沖。這特別適于不同噴射器部分之間的交替噴射，氣體流的流速通常非常高(對于等 離子體羽流的情況)。根據(jù)可與前述實施方式結(jié)合的另一個實施形式，可設(shè)置用于噴射蒸氣的裝置，如 圖1A、13和14中所示，其中，蒸氣噴射器或噴嘴ld、ld’設(shè)置成每個都沿一方向噴射蒸氣射 流100、100’，該方向與液體物料噴射器lb、lb’的噴射方向10、10’形成角度Ψ。這種蒸氣 噴射使得可以帶來額外的自由度，以用于形成液體射流和等離子體羽流之間的噴射角。如 可從圖13和14中有效看出的，蒸氣100、100’使得液體的初始路徑根據(jù)蒸氣射流的運動量 與待轉(zhuǎn)化的液體物料射流的運動量之間的比例而或多或少地偏轉(zhuǎn)。在本例中，位于等離子 體流動軸線B上的匯聚點或區(qū)域AO形成一錐形的頂點，該錐形的母線則由朝向該匯聚點入 射的入射射流的方向Dl和D2形成。所噴射的液體可以有利地是待轉(zhuǎn)化的液體的容易揮發(fā)(在例如約80至150°C之間 的溫度下)的部分(即，先驗地不必噴射到等離子體中來氣化或轉(zhuǎn)化的部分)。這種部分在 特性上(由于由輕的元素構(gòu)成)較少地出現(xiàn)焦化現(xiàn)象。為了以蒸氣的形式噴射該易揮發(fā)的 部分，可以進行預(yù)先分層，以允許從通常容易轉(zhuǎn)化的可氣化含水部分分離待轉(zhuǎn)化液體的有 機部分，該有機部分難以揮發(fā)并且相當(dāng)難以轉(zhuǎn)化，因此必須進行等離子體處理。下面將與物 料制備裝置一起說明用于進行所述分層的裝置。這種可氣化的含水部分的量也可以可選地通過噴射附加的水來調(diào)節(jié)，以便在缺乏 氧和氫的情況下保證生物油的完全氣化，尤其是由于生物油中的特定組成。作為示例，對于具有中值化學(xué)式(CHuOu)的生物油，每摩爾生物油需要0. 3摩爾 水的等效量，以用于根據(jù)下列公式完全氣化CHli9O0,7+0· 3H20 — 1. 25H2+C0 (反應(yīng) 1)在該反應(yīng)中，盡管不足量的水也會引起反應(yīng)，但失去平衡的反應(yīng)將導(dǎo)致形成炭黑。如上所述的分餾噴射(向等離子體中以蒸氣形式噴射可揮發(fā)部分，以液體形式噴 射等離子體非氣化部分)不僅允許調(diào)節(jié)水的量，而且允許將等離子體區(qū)域中心留給最難轉(zhuǎn) 化的物料占用，以便完全破壞該物料的結(jié)構(gòu)，并且其最可能通過其它化合物進行的稀釋不 必需要非常高的溫度。換句話說，僅將必須在等離子體中轉(zhuǎn)化的物質(zhì)噴射到等離子體中，可 在等離子體外氣化的部分有利地以其它方式使用。此外，除了改變液體射流的噴射角以及調(diào)節(jié)化學(xué)計量的組成的效果外，蒸氣噴射 可選地允許在液體物料進入等離子體之前預(yù)先加熱該液體物料。這也使等離子體3出口處 的炭黑(來自液體物料的不良氣化的固體相)可以最少。實際上，由于水蒸氣相對于等離 子體羽流3的運動的運動量不足以使之進入該等離子體羽流，因此其如圖14所示地進行反 復(fù)的循環(huán)，水蒸氣的驅(qū)動運動由等離子體3引起，由此在等離子體羽流的邊界上形成富含 水的蒸氣層11、11’。標(biāo)號110、110’表示在噴射蒸氣之后積聚在等離子體兩側(cè)的循環(huán)的蒸氣云，它們將形成層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 長和聚合現(xiàn)象，因此有利的是利用富含水蒸氣的這些區(qū)域11、11’遮蓋等離子體羽流，以便 限制炭黑的形成，在氣化方面，炭黑在達到處分尺寸(可能超過一微米)時比較難以氣化。為將炭黑的形成減到最少，也可作用于引入焰炬的等離子體化氣體的組成。該等 離子體化氣體的組成可至少在等離子體形成電極(圖1A)的噴射點處控制。液體噴射器lb、lb’、ld、ld’可例如具有帶輪廓的出口，其最大直徑或尺寸Φ的孔 口 12不僅可以抑制因所噴射的液體中存在微粒而不合時宜地堵塞，而且可以保證在其端 部處等離子體羽流內(nèi)的流量令人滿意的分布。作為示例，圖2Α和2Β中示意性地示出這種 噴射器的剖視圖和正面視圖?？卓?12不相對于由噴射器的延伸軸線DD’限定的方向?qū)ΨQ。 該孔口將液體引向或偏轉(zhuǎn)向軸線DD’的一側(cè)。根據(jù)施加在出口上游的流體的壓力，所述輪廓可選地允許在有限的范圍δ α內(nèi) 施加可變的噴射角α+ S α，該限制由該輪廓以及該流動施加，如圖3Α和3Β所示在這些 圖中，對應(yīng)于第一運動量ql的第一壓力允許獲得等于α的噴射角(圖3Α)；而對應(yīng)于第二 運動量q2 > ql的第二壓力允許獲得等于α + δ α的噴射角(圖3Β)。該輪廓還允許簡單 地借助于壓力調(diào)節(jié)待轉(zhuǎn)化液體的噴射角，而不依靠難以在具有大的溫度和密封性限制的方 法中實施的移動部分。這些出口的內(nèi)壁也可包括螺旋形螺紋120，如圖4所示，從而使流體的旋轉(zhuǎn)運動量 產(chǎn)生脈動，其結(jié)果是允許增加液體在等離子體羽流3內(nèi)的分級。這種方案允許連續(xù)或不連 續(xù)地噴射射流。根據(jù)另一實施例，可為上述類型或甚至是壁紙出口的噴射器可以設(shè)置有壓電元 件，以使噴射器振動并將液體分級。這種方案允許噴射不連續(xù)的射流序列。更一般的，可通 過使用合適的相位調(diào)整來促進分級，該相位調(diào)整在由等離子體焰炬中的電弧的運動引起的 等離子體羽流的脈沖與待轉(zhuǎn)化的液體射流的壓力脈沖之間進行。在圖1中以標(biāo)號4g、4g’示出的、用于向待轉(zhuǎn)化的物料施壓的裝置可確保噴射的速 率，并由此確保待噴射液體的運動量。如下面將進一步說明的，該裝置允許調(diào)節(jié)壓力，并可 例如通過微處理器型的裝置7a(圖1B)控制。整體上，除了分級之前的占有率和射流長度外，還可特別地考慮下列因素以便使 噴射最優(yōu)-射流在其與另一射流匯聚之前的行進時間(該時間分解為進入羽流之前的飛行 時間以及在羽流內(nèi)的行進持續(xù)時間)。該時間可使得液體的溫度升高，以及由此通過引起的 粘性的降低來在射流沖擊時增強分級。-射流破碎成液滴的時間；-對射流沖擊后源自分級的液滴(或者實際上不再由于剪切而受到進一步分級而 處于平衡的液滴)來說，達到與等離子體羽流的流動速度平衡的時間；-液滴蒸發(fā)時間(至少對于易揮發(fā)的部分來說)；-液體在等離子體羽流內(nèi)的存留時間(不計算沖擊前的飛行時間)。下表I給出了這些時間的量級，應(yīng)當(dāng)理解，它們不完全對應(yīng)于其貢獻可相對于物 料的轉(zhuǎn)化平衡的現(xiàn)象?；瘜W(xué)轉(zhuǎn)化時間在等離子體介質(zhì)中是未知的，因此未給定數(shù)值。本發(fā)明使得液體物料能被最優(yōu)地噴射，由此使得物理現(xiàn)象(尤其是分級和氣化)最優(yōu)。表 I 用于液體物料的轉(zhuǎn)化的最重要的參數(shù)是碎裂時間、液滴氣化的特征時間以及(沖 擊之后的)存留時間。與其它現(xiàn)象相比，用于液滴平衡的時間較長，但也不必不惜任何代價謀求達到該 平衡(達到流體動態(tài)平衡實際上只是表示已經(jīng)使用了羽流的所有剪力潛能，當(dāng)達到該平衡 時等離子體/液體的相對速度為零)。與沖擊之后的存留時間相比，沖擊之前在羽流內(nèi)的飛行時間是不可忽略的。該分析顯示優(yōu)選在等離子體流的盡可能的上游(等離子體不飽和)并且盡可能 地沿該等離子體流的縱向?qū)ΨQ軸線(軸線B)進行液體的碎裂，該方法使得細小液滴在等離 子體羽流內(nèi)的存留時間最長。形成噴射器的支承件2的裝置或設(shè)備有助于該噴射器的適當(dāng)定位和保持。該裝置 與焰炬相接合。該噴射器的支承件可包括用于接納N(N彡1)個噴射器組Gi (i = 1，...，N)的裝 置，每個組均包括如上安放的ni(ni ^ 2)個噴射器。兩個不同的噴射器組Gi和Gj (i Φ j) 可包括數(shù)量彼此不同的ni個和nj個噴射器。由于噴射器支承件圍繞等離子體羽流，所以 它是環(huán)形的并且可分成區(qū)段(2a，2b，2c)，以便獲得相對于不同噴射平面之間的角度自由度 (一個含有兩個噴射器的組相對于來自所述噴射器的兩個射流的匯聚點形成一個平面(噴 射平面))，如可從圖11中看出的，其中，這樣的平面交替地相互垂直。圖11中的每個噴射 器組均包括兩個噴射器。這兩個噴射器也限定了一垂直于等離子體流動軸線B的軸線、以 及與匯聚點形成的平面。為使噴射器能在最佳狀態(tài)下運行，尤其是關(guān)于溫度和噴射角，該支承件使得能維 持待噴射液體的溫度，以用于尤其控制其速度以及完成預(yù)熱，該預(yù)熱可在可選的物料制備 步驟期間在上游進行，如下面將說明的。由于液體在噴射前達到接近轉(zhuǎn)化溫度的溫度，所以 在等離子體羽流內(nèi)的存留時間最優(yōu)，因為不是(或很少地)將液體加熱，而是在液體碎裂之 后將其快速轉(zhuǎn)化。支承件和/或噴射器的材料可以為任何耐高溫型材料，該材料同時允許足夠的熱 傳遞，以使該熱傳遞能確保待噴射液體的預(yù)熱，而不會引起對于噴射器來說過高或會導(dǎo)致 待噴射的物料焦化的表面溫度。如圖12所示，顯而易見，可在噴射器的支承件2處實現(xiàn)熱流的顯著增加，等離子體 羽流3的斷裂區(qū)域用于促進大多數(shù)對流交換。在該圖中，標(biāo)號2a、2b、2c表示噴射器的支承 件2的三個區(qū)段。在焰炬運行過程中，這三個區(qū)段圍繞等離子體羽流3設(shè)置。區(qū)段2c對應(yīng) 于等離子體羽流3的末端，該區(qū)段是熱交換系數(shù)最大的區(qū)段，如圖12的上部所示。
因此，可將噴射器支承件2的一部分用于回收來自等離子體羽流3的部分熱量。所 回收的熱量則可通過傳導(dǎo)傳遞到流過噴射器的液體。這種液體的預(yù)熱裝置使得其粘度可以 降低，由此更有流動性并能更好地在等離子體中分餾?？蛇x地，在交換系數(shù)的峰值處熱應(yīng)力 過高的情況下，可將區(qū)段2c移動到等離子體流的下游。應(yīng)當(dāng)注意，可根據(jù)出口的帶輪廓部分以及相對于上面已經(jīng)說明的蒸氣的噴射來相 對于所施加的運動量適度地調(diào)節(jié)噴射角。圖IA中的設(shè)備可包括各種額外的外圍裝置。所述裝置在圖IB中示意性示出?？稍O(shè)置裝置4以用于制備液體物料以及使待通過噴射器噴射入等離子體羽流3中 的液體加壓或升高溫度?？蛇x地，可設(shè)置裝置5、5a、5b以實現(xiàn)對噴射量的控制?？墒褂醚b置6來跟蹤等離子體焰炬的脈沖，噴射器組與該脈沖相關(guān)聯(lián)?？墒褂脭?shù)據(jù)處理裝置7a、7b，所述數(shù)據(jù)處理裝置使用與在系統(tǒng)上進行的各種測量 結(jié)果相對應(yīng)的數(shù)據(jù)，例如調(diào)節(jié)裝置5a、5b、6提供的數(shù)據(jù)，以便根據(jù)需要調(diào)節(jié)物料的組成和/ 或等離子體運行條件。例如，這些裝置可用于調(diào)節(jié)，例如最小化，等離子體羽流3的脈沖周 期和噴射的脈沖周期間的相位差。根據(jù)一個示例性實施方式，物料制備(設(shè)置壓力和溫度)裝置4可例如包括-儲備原料液體物料的儲存器4，_儲水器4b (該水可以是來自廢水處理的含有有機殘留物的水)，-用于分層或調(diào)節(jié)水含量的儲存器4c(可從化學(xué)計量的觀點完成轉(zhuǎn)化反應(yīng))?？蛇x地，可使用沉淀器4d，以便粗略地分離來自原料液體分層的物相，如果可進行 分層的話。實際上，這種在多種工藝中都有害的分層現(xiàn)象(對于例如生物油來說，存在相圖， 像其他特定碳氫成分一樣，參見圖15)在本發(fā)明中可以有利地用于從容易轉(zhuǎn)化的輕物相中 分離難以轉(zhuǎn)化的重的有機化合物，而不會增加成本。一旦分離，可有利地在等離子體焰炬的 出口處(盡可能地接近基部33，見圖17和18)向等離子體羽流的中心噴射該重的物相，以 便更好地受益于分餾的最佳區(qū)域，而較輕(且理論上容易轉(zhuǎn)化)的物相可被在蒸氣噴射噴 嘴(例如圖12中的噴嘴la、la’)處噴射入等離子體羽流的尾部中，從而也可形成相對于待 轉(zhuǎn)化的液體物料的噴射角的附加自由度?？墒褂眠^濾器(在此為兩個)或分離裝置(例如離心型的)41、41’來細化源自沉 淀器的物相的分離?？墒褂帽?k’在用于實現(xiàn)澄清的裝置4d中使不希望的物相(例如含水物相的分 離區(qū)域中的有機物相)再循環(huán)?？墒褂醚b置4h來測量用于分層的儲存器4c的出口的水含量。實際上，為控制分 層現(xiàn)象，可實現(xiàn)對水含量的測量(例如通過Karl Fischer型的測量)。此外，可以通過借助于裝置4i測量基本構(gòu)成來了解待轉(zhuǎn)化的物料中的碳、氧、和 氫的含量，該裝置4i位于有機液體物料向緩沖體積4c的引入點的上游。從而，可了解待添加的水的量，以便確保完全氣化(例如上述反應(yīng)1所需要的)?？稍谖挥趪娚涔芫€上的緩沖儲存器4f的上方設(shè)置供給加壓氣體(例如氮氣、C02、 甲烷或水蒸氣)的裝置4e，以便在需要時將該氣體溶解在液體物料中。
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所述位于噴射器出口處的氣體可以開始解吸并允許調(diào)節(jié)介質(zhì)的組成(尤其是氧 化物)。在反應(yīng)器中心具體說是等離子體羽流中心的這種氣體溶解及隨后的快速解吸(由 于溫度梯度以及大的壓力)有利于希望的分餾現(xiàn)象?？稍诖D(zhuǎn)化的液體內(nèi)引導(dǎo)氣體滴的形 成，這些氣體滴在溫度作用下的微爆裂傾向于使所噴射的液體局部分餾。待溶解的液體可以具有與待轉(zhuǎn)化的液體相比較小的質(zhì)量(與使用介質(zhì)氣體的霧 化不同)。它引導(dǎo)待轉(zhuǎn)化的液體的分餾，但也允許為其轉(zhuǎn)化提供補充反應(yīng)物。為待轉(zhuǎn)化的物料加壓的裝置4g、4g’可確保其噴射速度，并由此確保其運動量。所 述裝置允許調(diào)節(jié)壓力，以便根據(jù)周期性和適于等離子體羽流流的信號(例如根據(jù)時間變化 的正弦壓力)維持連續(xù)的或可變的壓力；尤其是提供了使噴射器壓力振蕩以適應(yīng)等離子體 羽流的波動的可能性，如例如示波器6a所示。所述裝置4g、4g’由微處理器7a控制。用于分布裂開的固體以及表面活性劑的系統(tǒng)4j可選地允許原位形成漿液型的物 料。同樣可選地，可以使用熱交換器4m來在含水相被噴射之前將該含水相氣化，以用 于例如通過圖IA中的噴嘴la、la’、lC、lC’形成單獨噴射的蒸氣相，如上面已經(jīng)說明的。為 加熱該含水相，可以回收來自反應(yīng)器冷卻系統(tǒng)以及等離子體焰炬的電極的熱量?？墒褂醚b置4p、4o來通過測量物相的密度控制良好的分離(通過沉淀)，該裝置位 于用于分層的沉淀器4d處。裝置4i、4h、4o、4p提供對處理器型裝置7的測量，以便管理待噴射液體的制備。導(dǎo)管40、41分別用于噴射液體相以及可選的分離的蒸氣相，所述導(dǎo)管可例如通過 加熱條或熱氣體而被加熱，該熱氣體在焰炬3的出口收集并噴射入圍繞所述導(dǎo)管的雙重套 中。根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備可包括用于檢查噴射質(zhì)量的裝置5。這種裝置的一個示例是光學(xué)診斷組件5a，該組件可通過分析經(jīng)由一個或多個觀察 窗51、53的圖像來診斷分餾的質(zhì)量，所述觀察窗在圖16中精確示出。所述組件可例如包括高清晰度的攝像機5b以及脈沖激光器5b’，以便照亮并觀察 羽流內(nèi)的液體物料的液滴的位置或運動。可選地，可使用與攝像機5a相關(guān)聯(lián)并適于等離子 體化氣體的特性的過濾器系統(tǒng)55，以便克服等離子體的固有發(fā)射率，并分辨由激光束照亮 的液體的液滴?？墒褂弥行話呙铓怏w(圖16中為氮氣)以便避免在觀察窗51上沉積炭黑。這種裝置的第二示例是診斷組件5c，該組件位于反應(yīng)器的出口(或反應(yīng)器內(nèi)部的 不同點處，如果氣體在反應(yīng)器中的存留時間過長的話)，并用于跟蹤永久氣體的成分。根據(jù) 通過這種測量獲得的數(shù)據(jù)，可針對噴射性能水平(例如通過跟蹤轉(zhuǎn)化率或羽流內(nèi)的分餾水 平)來減少第一量級。與此平行地，可為該測量關(guān)聯(lián)PID型測量(借助于能量接近10. 6eV的UV燈進行的 圖像_電離檢測)，以便不被冷卻的氣體矩陣干擾，從而提供焦油或生物油含量或者未完全 轉(zhuǎn)化的有機物料的評估線。該設(shè)備之后是熱淬火和過濾器系統(tǒng)(是常規(guī)的，并且未示出)， 以用于固定轉(zhuǎn)化物的動能，允許冷卻氣體流，并消除在使待分析的氣流被引入例如氣相色 譜儀5c以及PID中之前出現(xiàn)碳痕跡的可能性。根據(jù)診斷裝置的結(jié)果，可以集成自己的調(diào)節(jié)系統(tǒng)的處理器裝置7a致動噴射和物 料制備系統(tǒng)的控制要素(噴射角度、運動量、水含量等)，以適應(yīng)這些要素。
此外，可以設(shè)置使待轉(zhuǎn)化的液體物料的噴射適應(yīng)于等離子體羽流的可能改變，尤 其是焰炬的脈沖變動的設(shè)備。實際上，源自非轉(zhuǎn)移型弧式等離子體焰炬的羽流可以因所產(chǎn)生的不穩(wěn)定性而出現(xiàn) 脈沖，尤其是在焰炬頭部內(nèi)的電弧中斷或再生時。這種變化(尤其是溫度上的)是比較有 周期性的，并且可通過連續(xù)記錄電極端子30、31(圖1A)處的電壓而直接跟蹤，如圖21所 示。由于對于給定的焰炬和給定的運行條件而言，來自焰炬的羽流的脈沖的周期性相對恒 定，所以不必(并且在因脈沖頻率而不可能的時刻)使噴射實時地適應(yīng)脈沖。然而，可以控 制周期的不偏離性以及脈沖與液體射流(如果它們是脈沖式的)的噴射的良好的同步性， 以便尤其用于-限制等離子體羽流與待轉(zhuǎn)化的物料發(fā)生阻塞的危險；-受益于在給定的時間段內(nèi)具有可能最好的效率(以及由此最熱)的等離子體羽 流。在觀察到周期性出現(xiàn)偏差(可通過快速捕集式示波器6測量，圖1B)的情況下，可 調(diào)節(jié)噴射參數(shù)，以便穩(wěn)定選定的周期性。為此，診斷系統(tǒng)還連接到處理器7a，該處理器有規(guī)律地比較噴射指令與等離子體 羽流的脈沖之間的周期性和相位參數(shù)。根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的運行如下所述。等離子體焰炬產(chǎn)生等離子體羽流3，液體噴射器向其中噴射待轉(zhuǎn)化的物料。物料制備裝置供應(yīng)適合于噴射器的物料。噴射質(zhì)量診斷裝置可以檢查射流的分餾，以及監(jiān)測永久氣體的成分。此外，控制裝置監(jiān)測焰炬脈沖。診斷裝置、控制裝置和物料制備裝置將它們采集的信息發(fā)送給數(shù)據(jù)處理裝置7a、 7b。繼而，數(shù)據(jù)處理裝置可控制物料制備裝置，以便使物料的成分與所采集的信息相 適應(yīng)。數(shù)據(jù)處理裝置還可相對于等離子體的脈沖來控制噴射器的脈沖，例如用于相對于 該等離子體的脈沖進行重新調(diào)節(jié)。下面將說明根據(jù)本發(fā)明的噴射系統(tǒng)的示例性實施例。該示例使用2MW電功率的非轉(zhuǎn)移電弧式等離子體焰炬，其用于通過較好地將生物 油噴射入等離子體羽流來實現(xiàn)生物油的最佳轉(zhuǎn)化。選擇下列運行數(shù)據(jù)-焰炬噴口的直徑60mm，-等離子體羽流的長度300mm(假定該羽流的溫度和流動速度在該區(qū)域中是恒定 的，以便簡化計算)，_羽流的形狀錐形，-羽流的溫度7000K，-羽流的密度3.49 · 10_2kg/m3，-生物油的密度1200kg/m3，-等離子體焰炬的熱收益90%，
-待轉(zhuǎn)化液體物料的轉(zhuǎn)化焓1lMJ/kg (假定該物料的成分CxHyOz是理想的，從而不 必噴射附加水)。鑒于這些數(shù)據(jù)，處理系統(tǒng)的最大能力(Qmax)接近600kg/h。可選擇適當(dāng)數(shù)量的6 個噴射器，以確保在等離子體羽流內(nèi)的該分布，噴射器的軸線如圖11所示是交替的。在圖 17中，對于其中噴射器位于同一平面(該圖的平面)的布置，為噴射器的定位和角度給定不 同的標(biāo)記，尤其是-R和L分別是從等離子體流動軸線上測量的基部處的等離子體的半徑，以及從該 基部測量的等離子體羽流的長度，_ri表示在等離子體流動軸線上測量的、當(dāng)射流匯聚時液體的分餾區(qū)域或片層的 長度，-兩個射流的每個匯聚區(qū)域在等離子體流動軸線上的位置標(biāo)為xi，-Hi表示穿過射流匯聚點的流動軸線的各垂線與表示等離子體羽流的三角形的其 中一個長邊的交點的、位于與等離子體流動軸線垂直且位于附圖平面內(nèi)的軸線上的位置，-x'i(H'i)表示各射流與表示等離子體羽流的三角形的鄰邊相交的交點的正交投 影在等離子體流動軸線(位于與該流動軸線垂直并位于附圖平面中的軸線上)上的位置。就圖17和18(其中等離子體羽流被示出為三角形)中的標(biāo)記而言，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)，圖17中給出了 Hi的值。在無任何干擾的情況下，兩個射流的匯聚使得能夠形成流體片層，它的長度尤其 取決于射流的入射角。通常，可以根據(jù)角度β來估計比例βΓ/(Φ/2)2，如圖19中所限定的， 其中Φ是對應(yīng)噴射器的噴射直徑。通過根據(jù)射流的入射角θ來推斷r (射流10、10’的匯聚點與片層外周的流動點R 之間的距離)的最大值，并考慮到片層13的厚度e為比匯聚的液體射流10、10’的半徑小 的量級，可以首先逼近下列源自射流匯聚的片層長度的最大值(由于等離子體羽流實際上 傾向于減少這些流體片層的形成) (Oi是通過噴射器i噴射的射流的直徑)。如圖18所限定的基礎(chǔ)體積δ Vi則允許為包含噴射點的基礎(chǔ)體積而限定液體物料 (Ti)的占有率。假設(shè)δ Vi是包含定位點Xi的基礎(chǔ)體積，則該基礎(chǔ)體積的值具有下列表達式SVi = 1/3 · π · [ri+(x' i_xi)] · (Hi，2+Hi，· Hi+Hi2)。設(shè)噴射器i的射流的運動量與等離子體羽流的運動量的比值為qi，噴射器i的液體的流量為Qi，則可設(shè)定下列規(guī)則-如果Xi增大，則-大于1，以確保θi和Φ i都減小，但均保持可執(zhí)行該方法的參數(shù)；-Qi，它也是運行參數(shù)，減小，但Σ Qi < Qmax，- τ i可以是可變的，甚至傾向于減小，但保持小于1%，_qi，它也是運行參數(shù)，選定為液體的羽流。通過遵循該構(gòu)造規(guī)律，可以得到表II所示的實施例，其中可在運行期間，借助于 運行參數(shù)9 1、(^和91謀求使ε (被液體物質(zhì)占有的羽流的兩個占用區(qū)域之間的距離，見 圖18)最小以及調(diào)節(jié)τ i (對于噴射質(zhì)量的診斷數(shù)據(jù))表II 更一般的，與該示例不同，無論所選擇的構(gòu)型如何(從而無論噴射器組的數(shù)量以 及每個噴射器組中噴射器的數(shù)量如何)，對于其中第一組更靠近等離子體的基部33的兩個 噴射器組來說，第一組具有參數(shù)τ 、θ 1、cDl、ql和Q1，第二組具有參數(shù)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 =總流量(根據(jù)等離子體羽流中可獲得的熱能 以及物料的轉(zhuǎn)化焓(每質(zhì)量單位的物料的轉(zhuǎn)化能量)限定，在此約為6001/h)，τ 和τ 2 < 1% )；-ql 和 q2 均大于 1?？傮w上，形成本發(fā)明的設(shè)備可確保物料的最佳的轉(zhuǎn)化可能，運行尋求下列之間的 最佳折衷_待轉(zhuǎn)化液體的最優(yōu)分餾，其使得液體和等離子體羽流間的交換面可以最佳；-物料在羽流內(nèi)的存留時間盡可能地長；-最大程度地使用等離子體羽流內(nèi)的最高溫度；-最大程度地使用等離子體羽流內(nèi)的活性物含量；應(yīng)當(dāng)知道，物料的轉(zhuǎn)化本身就是上述參數(shù)的增長函數(shù)(轉(zhuǎn)化=f(t，S^/&_W3m， T0，Comp))ο本發(fā)明適用于轉(zhuǎn)化諸如生物油的液體、來自廢水處理廠的漿料、源自固體霧化的 “漿液”或顆粒，這些顆粒與液體混合以便噴射入等離子體焰炬中。本發(fā)明還適用于生物油型液體，或者更一般地潛在地含有細小顆粒的液體，甚至 更一般的由于其物理化學(xué)特性(尤其是粘度)而較難霧化的液體，的轉(zhuǎn)化和/或噴射。生物油氣化方法可用于提供適于生產(chǎn)合成燃料的氣體。如引言部分已經(jīng)說明的，可通過閃速熱解獲得生物油，閃速熱解是一種熱化學(xué)方 法(在T 500°C的溫度下)，其中在無氧的情況下將生物量快速加熱。在熱效應(yīng)下，生物 量降解并導(dǎo)致形成永久氣體、可凝結(jié)的蒸氣、氣溶膠和碳殘留物。在易揮發(fā)的成分和氣溶膠冷卻并凝結(jié)后，通常獲得深栗色液體生物油。根據(jù)本發(fā)明，然后通過噴射入等離子體焰炬 來將該生物油氣化，這樣可限制或避免焦油的出現(xiàn)(低于0. lmg/Nm3的極限值)。本發(fā)明還可有利地應(yīng)用于需要使用等離子體羽流或火焰或較熱的流體的方法，或 者產(chǎn)生不利于將物料與等離子體混合(或與火焰或熱流體混合，或產(chǎn)生大的運動量)的大 運動量的方法。根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)也可承受待轉(zhuǎn)化液體的密度的變動。然而，對于其它系統(tǒng)來說， 如果液體的密度有變動，就必須進行可能非常麻煩的調(diào)節(jié)。
權(quán)利要求
一種向等離子體焰炬中噴射液體物質(zhì)的設(shè)備，該設(shè)備包括N(N＞1)個噴射器組Gi(i＝1，...N)，所述組在等離子體流動區(qū)域(3)的周圍沿等離子體流動軸線布置，每個組Gi均包括至少ni(ni≥2)個噴射器(1b、1b’、1d、1d’、1f、1f’)，所述噴射器設(shè)置成使得每個噴射器均沿至少部分地與等離子體流動方向相反的方向(10、10’)向等離子體中噴射所述液體物質(zhì)，同一噴射器組Gi中的所述ni個噴射器相對于彼此以360°/(ni)的角度間隔圍繞所述等離子體流動區(qū)域設(shè)置，以使得向等離子體噴射液體射流的ni個噴射器均形成一錐形的母線，該錐形的頂點基本位于等離子體流上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述噴射器距離所述等離子羽流(3)的基 部(33)越遠，所述噴射器的發(fā)射軸線相對于所述等離子體流動軸線的入射角就越小。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，其特征在于，至少一個噴射器包括用于使所噴射的 液體分餾的壓電裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的設(shè)備，其特征在于，至少一個噴射器包括螺旋形 的內(nèi)輪廓(120)。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備還包括用于在至少一 部分所述噴射器中噴射脈沖式液體射流序列的裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的設(shè)備，其特征在于，至少一部分所述噴射器還都 包括用于與液體射流同時噴射蒸氣射流的蒸氣噴射噴嘴(la、la’、lC、lC’)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備還包括用以向待轉(zhuǎn)化 的液體物料加壓的裝置(4g、4g’)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備還包括分離裝置，該 分離裝置一方面用于分離待轉(zhuǎn)化的液體中的重有機化合物，另一方面用于分離該同一液體 中的輕相。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備還包括用于在噴射前 使水相氣化的裝置(4m，)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項所述的設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備還包括光學(xué)裝置，該 光學(xué)裝置用于控制待轉(zhuǎn)化的物料的噴射量，并可選地用于使待轉(zhuǎn)化的物料的噴射量適應(yīng)所 述等離子體羽流的變化。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項所述的設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備還包括用于使待轉(zhuǎn) 化的液體物料的噴射適應(yīng)所述等離子體羽流的變化的裝置(6，7)。
12.—種向等離子體焰炬中噴射液體物質(zhì)的方法，其中，通過N(N> 1)個噴射器組 Gi (i = 1，...N)噴射液體，所述噴射器組布置在等離子體流動區(qū)域(3)的周圍，每個組Gi 均包括至少ni(ni彡2)個噴射器(lb、lb’、ld、ld’、lf、lf’)，所述噴射器設(shè)置成使得每個 噴射器均沿至少部分地與等離子體流動方向(B)相反的方向(A)向等離子體中噴射所述液 體物質(zhì)的至少一部分，同一噴射器組中的所述ni個噴射器相對于彼此以360° /(ni)的角 度間隔圍繞所述等離子體流動區(qū)域設(shè)置，以使得所述噴射器向等離子體噴射的液體射流均 形成一錐形的母線，該錐形的頂點基本位于等離子體流上。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，該液體是生物油、或固體顆粒和液體的 混合物、或來自廢水處理廠的漿料。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的方法，其特征在于，通過噴射器的支承件回收由等離子體散發(fā)的部分熱量，然后通過傳導(dǎo)將該熱量傳遞到經(jīng)過所述噴射器的液體。
15.根據(jù)權(quán)利要求12至14中任一項所述的方法，其特征在于，在至少一部分所述噴射 器中噴射脈沖式的液體射流序列。
16.根據(jù)權(quán)利要求12至15中任一項所述的方法，其特征在于，在至少一部分液體射流 中，與液體射流同時噴射蒸氣射流。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，預(yù)先將液體分離成第一部分和第二部 分，該第一部分能在低于等離子體的中值溫度的溫度下氣化，該第二部分將以液體形式噴 射到等離子體中。
18.根據(jù)權(quán)利要求12至17中任一項所述的方法，其特征在于，向待噴射的液體中添加水。
19.根據(jù)權(quán)利要求12至18中任一項所述的方法，其特征在于，在所述等離子體羽流的 外部形成蒸氣層(Iuir)0
20.根據(jù)權(quán)利要求12至19中任一項所述的方法，其特征在于，使同一噴射器組中的η 個噴射器的液體射流在等離子體中匯聚。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，所述射流的匯聚區(qū)域基本位于所述等 離子體(3)的流動軸線上。
22.根據(jù)權(quán)利要求12至21中任一項所述的方法，其特征在于，改變至少一個射流噴射 到等離子體中的噴射角。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，通過改變至少一個射流中的液體的壓 力來改變該射流的噴射角。
24.根據(jù)權(quán)利要求12至23中任一項所述的方法，其特征在于，向至少一個液體射流施 加旋轉(zhuǎn)運動量。
25.根據(jù)權(quán)利要求12至23中任一項的方法，其特征在于，利用不同噴射器組的噴射器 噴射液體，所述不同噴射器組包括相對于所述等離子體流動軸線的不同入射角。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于向等離子體焰炬噴射液體材料的設(shè)備，該設(shè)備包括N(N≥1)個布置在等離子體流動區(qū)域(3)的周圍的噴射器組，每噴射器組包括至少n(n≥2)個布置在等離子體流軸線兩側(cè)的噴射器(1b，1b’，1d，1d’，1f，1f’)，以便沿至少部分地與等離子體流動方向相反的方向(10，10’)向所述等離子體噴射所述液體材料。
文檔編號H05H1/42GK101897241SQ200880120556
公開日2010年11月24日 申請日期2008年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月12日
發(fā)明者大衛(wèi)·格納杜, 帕特里克·格拉蒙迪, 梅莉爾·布羅捷 申請人:原子能和替代能源委員會