技术领域
[0001] 本
发明涉及等离子体设备，特别是涉及到一种等离子体喷枪。
背景技术
[0002] 当前，等离子技术已得到广泛的应用，工业上应用于等离子点火、
等离子喷涂、金属
冶炼、等离子加热制造
纳米材料、切割、垃圾焚烧
废物处理等。等离子体的处理方式和一般的方式大不一样，等离子体是在电离层或放电现象下所形成的一种状态，伴随着放电现象将会生成了激发
原子、激发分子、离解原子、游离原子团、原子或分子离子群的活性化学物以及它们与其它的化学物碰撞而引起的反应。在
等离子体发生器中，放电作用使得工作气分子失去外层
电子而形成离子状态，经相互碰撞而产生高温，
温度可达几万度以上。
[0003] 等离子热解水制氢技术是最近几年提出来的水制氢候选技术之一，因为水是一种相当稳定的物质，在常压条件下，温度在2000K时水分子几乎不分解，2500K时有25%的水发生分解，3400～3500K时氢气和
氧气的摩尔分数达到最大，分别为18%和6%，当温度达到4200K以上时，水分子将全部分解为氢气、氢、氧气、氧和氢氧原子团，一般的加热方式难以达到这么高的温度，而使用等离子体喷枪则能做到。当把水通过等离子体喷枪分解后输入到生活垃圾或工业有机废弃物的
气化炉中，与生活垃圾或工业有机废弃物进行造气反应，使生活垃圾或工业有机废弃物转化的
合成气品质好，达到化工原料的要求，合成气再通过后级设备生产甲醇或二甲醚产品，实现资源化和无污染处理生活垃圾和工业有机废弃物；
在
煤气化生产线上如利用等离子体喷枪把水加
热分解后再喷入气化炉内，与煤炭进行化学反应，所发生的反应是放热反应，使气化炉不需输入空气或氧气助燃，提高煤炭的气化率，并且生产的合成气中氢气的分数比例高，废气的含量低，实现节能减排。
[0004] 等离子体喷枪的阴极是发射电子的部件，由于承受
电流的冲击和数万度的高温烧灼，因此，阴极的头部很容易被烧蚀而致损坏，不仅影响生产，而且增加生产成本。
发明内容
[0005] 本发明的目的是要提供一种微孔膜结构的阴极及等离子体热解水喷枪，用于生活垃圾、工业有机废弃物气化炉或
煤气化装置的气化炉中，提高气化率及提高合成气的品质，并且使阴极不易被烧蚀，克服现有等离子体喷枪的阴极容易被烧蚀的缺点，以延长等离子体喷枪的使用周期，提高生产效率及节约生产成本。
[0006] 本发明的一种微孔膜阴极的等离子体热解水喷枪，其特征是喷枪由后座（2）、阴极（1）、螺旋导流器（3）、
阳极套（4）和阳极（5）组成，其中，后座（2）为回转体结构，后座（2）的回转体中有供水导
流管（2-3）和阴极
连杆（2-4），阴极连杆（2-4）为圆管体结构，供水导流管（2-3）和阴极连杆（2-4）同轴设置，供水导流管（2-3）在阴极连杆（2-4）的管内，供水导流管（2-3）的管内空间构成冷却供水通道（Ⅹ），供水导流管（2-3）的外壁与阴极连杆（2-4）内壁之间的空间构成冷却回水通道（Ⅸ）；阴极（1）由微孔膜阴极头（1-2）和阴极套（1-1）构成，微孔膜阴极头（1-2）为
金属粉末烧结的微孔滤膜结构，金属粉末间的微孔构成水分子的过滤通道，微孔膜阴极头（1-2）的后端中心有圆锥形的凹槽（Ⅰ），凹槽（Ⅰ）构成水源入口，阴极套（1-1）为空心圆棒体结构，微孔膜阴极头（1-2）嵌入到阴极套（1-1）前部的壁体中，微孔膜阴极头（1-2）的头部从阴极套（1-1）的前端伸出，阴极套（1-1）的内空间构成水室（Ⅱ）；螺旋导流器（3）为回转体结构，螺旋导流器（3）的回转体中有螺旋导流肋（3-1），螺旋导流肋（3-1）的
螺距空间构成螺旋导流通道（Ⅳ）；阳极套（4）为圆筒体结构，阳极（5）为文丘里喷管结构，阳极（5）的文丘里喷管中的喉口为圆形直孔，阳极（5）以嵌入方式安装在阳极套（4）内，阳极（5）外壁与阳极套（4）内壁之间的空间构成
冷却水套（Ⅵ），冷却水套（Ⅵ）有冷却剂进口（4-2）接入和冷却剂出口（4-1）接出；阴极（1）连接在后座（2）的阴极连杆（2-4）前端，螺旋导流器（3）的后端安装在后座（2）上，阳极套（4）携阳极（5）安装在螺旋导流器（3）的前端，阴极（1）从螺旋导流器（3）的内空间中穿过，阴极（1）的头部进入到阳极（5）后端的文丘里喷管入口空间中，阳极（5）后端的文丘里喷管入口空间构成放电区，阳极（5）的文丘里喷管的喉口构成压
缩孔道（Ⅶ），阳极（5）的文丘里喷管的扩张段内空间构成喷射腔（Ⅴ）；在后座（2）的回转体中或在螺旋导流器（3）的回转体中有气室（Ⅲ），气室（Ⅲ）有工作气输入
接口（2-1）接入，气室（Ⅲ）通过螺旋导流通道（Ⅳ）连通到阳极（5）后端的放电区，放电区通过压缩孔道（Ⅶ）连通到喷射腔（Ⅴ）。本发明中，当气室（Ⅲ）设置在后座（2）的回转体中时，阴极连杆（2-
4）的外壁与后座（2）外层壁体之间的空间构成气室（Ⅲ），工作气输入接口（2-1）设置在后座（2）的外层壁体上；当气室（Ⅲ）设置在螺旋导流器（3）的回转体中时，由阴极连杆（2-4）的外壁与螺旋导流器（3）的内壁之间的空间构成气室（Ⅲ），工作气输入接口（2-1）设置在螺旋导流器（3）的壁体上；供水导流管（2-3）的出水口为收窄的
喷嘴结构，供水导流管（2-3）的出水口伸入到微孔膜阴极头（1-2）后端的凹槽（Ⅰ）中；供水导流管（2-3）内的冷却供水通道（Ⅹ）有冷却水输入接口（2-5）接入，冷却供水通道（Ⅹ）通过微孔膜阴极头（1-2）后端的凹槽（Ⅰ）和水室（Ⅱ）连通到冷却回水通道（Ⅸ），冷却回水通道（Ⅸ）有冷却水输出接口（2-6）接出；螺旋导流肋（3-1）前端的部位为由后向前收窄的结构，与阳极（5）后端的文丘里入口进行平滑衔接，螺旋导流肋（3-1）前端的由后向前收窄的内空间构成约束口（Ⅷ）；微孔膜阴极头（1-
2）的头部为由后向前缩小的圆锥体结构，其圆锥
角度（a）为45°-120°；微孔膜阴极头（1-2）的头端为圆弧形结构，其圆弧半径（R）为3mm-6mm；微孔膜阴极头（1-2）的后端外侧有凸缘（1-3），凸缘（1-3）构成微孔膜阴极头（1-2）的轴向限位结构。
[0007] 上述的发明应用时，采用去离子水作为原料水，一路原料水兼冷却水通
过冷却水输入接口（2-5）进入到供水导流管（2-3）内的冷却供水通道（Ⅹ）中，经供水导流管（2-3）前端的出水口（2-2）进入到微孔膜阴极头（1-2）后端的圆锥凹槽（Ⅰ）中，一部分水通过微孔膜阴极头（1-2）的微小孔隙渗透到微孔膜阴极头（1-2）的外表面，另一部分水作为冷却剂或
清洗剂，吸收了阴极（1）的热量后，携杂质通过凹槽（Ⅰ）和水室（Ⅱ）进入到冷却回水通道（Ⅸ），然后由冷却水输出接口（2-6）返回到冷却系统的回路中；另一路冷却水通过冷却剂进口（4-2）进入到阳极的冷却水套（Ⅵ）中，吸收了阳极（5）的热量后，再由冷却剂出口（4-1）返回到冷却系统的回路中；工作气由工作气输入接口（2-1）进入到气室（Ⅲ）中，然后通过螺旋导流通道（Ⅳ）以螺旋方式进入到放电区，工作气的螺旋气流扫过微孔膜阴极头（1-2）的表面，把从微孔膜阴极头（1-2）中渗透出来的水分带起，形成螺旋水雾或水
蒸汽，进入到放电区；后座（2）作为阴极（1）的电气连接件，阳极套（4）作为阳极（5）的电气连接件，在阳极（5）与阴极（1）之间施加
电能，在阴极（1）的头端形成圆弧放电面（1-6），同时在阳极（5）的文丘里喷管内壁形成圆锥放电面（5-1），在圆弧放电面（1-6）与圆锥放电面（5-1）之间产生等离子体
电弧；进入到放电区的水雾或水蒸汽与等离子体电弧混合，通过压缩孔道（Ⅶ）进入到喷射腔（Ⅴ），再由喷射腔（Ⅴ）的出口喷出，形成等离子体火炬。上述过程中，水分子从微孔膜阴极头（1-2）中渗透出来时，其大分子团结构会分散为小分子团结构，使水分子更容易得到分解，水分子在从微孔膜阴极头（1-2）的渗透过程中及形成水雾通过放电区的过程中，水分子被催化、电离和热解，分解为氢气、氧气以及活性氢原子、
活性氧原子、活性氢氧原子团的活性化学物，这些活性化学物与等离子体电弧混合，从压缩孔道（Ⅶ）中通过时，得到进一步升温而加剧分解，使得目标产物的得率更高。
[0008] 等离子体喷枪在工作时，阴极的头部需承受电流冲击及数万度的高温烧灼，因此，必需对阴极的头部采取有效的冷却措施才能增加阴极的使用寿命。本发明的微孔膜阴极头（1-2）为金属粉末烧结的微孔滤膜结构，金属粉末间的微孔构成水分子的过滤通道，微孔膜阴极头（1-2）的微孔中充满水分，当微孔膜阴极头（1-2）的温度升高时，使微孔中的水分
蒸发，水
汽化为水蒸汽，水的气化
潜热为2257kj/kg，因此，微孔膜阴极头（1-2）的大部分热量被水汽化而吸收，快速把热量带走，使微孔膜阴极头（1-2）起到高效冷却作用。另外，本发明把阴极设计为由微孔膜阴极头（1-2）和阴极套（1-1）组成，微孔膜阴极头（1-2）嵌入到阴极套（1-1）的壁体中，阴极套（1-1）的内空间构成水室（Ⅱ），当阴极套（1-1）选用紫
铜材料制作时，由于紫铜材料具有优良的导热性能，因此，微孔膜阴极头（1-2）又得到间接的冷却，使冷却效果增强。本发明采用工作气以螺旋气流扫过微孔膜阴极头（1-2）表面的措施，把螺旋导流肋（3-1）前端的部位设计为由后向前收窄的约束口（Ⅷ）结构，与阳极（5）后端的文丘里入口进行平滑衔接，工作气同时起到保护气的作用，螺旋气流在约束口（Ⅷ）的作用下，平滑扫过微孔膜阴极头（1-2）的表面，没有死角，有效保护微孔膜阴极头（1-2）不被烧蚀。本发明在微孔膜阴极头（1-2）的后端中心有圆锥形的凹槽（Ⅰ），凹槽（Ⅰ）构成水源入口，以增加水分子的渗透流量。
[0009] 上述的发明中，微孔膜阴极头（1-2）选用钨（W）粉末和镍硫
合金（Ni-S）粉末混合的材料，烧结成钨镍假合金零件，不但具有难熔金属的特性，而且其中的镍硫合金（Ni-S）对水分子的分解具有催化作用，使水分子更容易分解，提高分解率和节省
能源。
[0010] 本发明的有益效果是：提供一种微孔膜阴极的等离子体热解水喷枪，利用水的
汽化潜热快速吸收阴极头的热量，使阴极不易被烧蚀。本发明用于生活垃圾、工业有机废弃物气化炉或煤气化装置的气化炉中，提高气化率及提高合成气的品质，并且克服现有等离子体喷枪的阴极容易被烧蚀的缺点，以延长等离子体喷枪的使用周期，提高生产效率及节约生产成本。
附图说明
[0011] 图1是本发明的一种微孔膜结构的阴极结构图。
[0012] 图2是本发明的一种微孔膜结构阴极的等离子体热解水喷枪的结构图。
[0013] 图3是图2中的螺旋导流器结构图。
[0014] 图中：1.阴极，1-1.阴极套，1-2.微孔膜阴极头，1-3.凸缘，1-4.外六角体，1-5.连接
螺纹，1-6.圆弧放电面，2.后座，2-1.工作气输入接口，2-2.导流管的出水口，2-3.供水导流管，2-4.阴极连杆，2-5.冷却水输入接口，2-6.冷却水输出接口，3.螺旋导流器，3-1.螺旋导流肋，3-2.螺旋导流器的前安装槽，3-3.螺旋导流器的后安装槽，4.阳极套，4-1.冷却剂出口，4-2.冷却剂进口，5.阳极，5-1.圆锥放电面，6.密封垫，7.密封环，8.
密封圈，a.微孔膜阴极头的圆锥角度，R.微孔膜阴极头的圆弧半径，Ⅰ.圆锥凹槽，Ⅱ.水室，Ⅲ.气室，Ⅳ.螺旋导流通道，Ⅴ.喷射腔，Ⅵ.阳极的冷却水套，Ⅶ.压缩孔道，Ⅷ.约束口，Ⅸ.冷却回水通道，Ⅹ.冷却供水通道。
具体实施方式
[0015]
实施例1 图1所示的实施方式中，一种微孔膜结构的阴极由微孔膜阴极头（1-2）和阴极套（1-1）组成，其中，微孔膜阴极头（1-2）为金属粉末烧结的微孔滤膜结构，金属粉末间的微孔构成水分子的过滤通道，微孔膜阴极头（1-2）的后端中心有圆锥形的凹槽（Ⅰ），凹槽（Ⅰ）构成水源入口，微孔膜阴极头（1-2）的后端外侧有凸缘（1-3），凸缘（1-3）构成微孔膜阴极头（1-2）的轴向限位结构，微孔膜阴极头（1-2）的头部为由后向前缩小的圆锥体结构，其圆锥角度（a）为60°，微孔膜阴极头（1-2）的头端为圆弧形结构，其圆弧半径（R）为5mm；阴极套（1-1）为空心圆棒体结构，微孔膜阴极头（1-2）嵌入到阴极套（1-1）前部的壁体中，微孔膜阴极头（1-2）的头部从阴极套（1-1）的前端伸出，阴极套（1-1）的内空间构成水室（Ⅱ），在阴极套（1-1）后部的壁体上有外六角体（1-4），在阴极套（1-1）的后端有连接螺纹（1-5）。本实施例中，微孔膜阴极头（1-2）的金属粉末选用钨（W）粉末和镍硫合金（Ni-S）粉末混合的材料，烧结成钨镍假合金零件，烧制时，钨（W）、镍硫合金（Ni-S）既不互相溶解，也不形成金属间化合物，所形成的假合金组织为钨颗粒、镍硫合金颗粒的二相结构，假合金组织中存在微小孔隙，具有过滤水分子功能和催化功能。
[0016] 实施例2 图2所示的实施方式中，等离子体热解水喷枪由后座（2）、阴极（1）、螺旋导流器（3）、阳极套（4）和阳极（5）组成，其中，后座（2）为回转体结构，后座（2）的回转体中有供水导流管（2-3）和阴极连杆（2-4），阴极连杆（2-4）为圆管体结构，供水导流管（2-3）和阴极连杆（2-4）同轴设置，供水导流管（2-3）在阴极连杆（2-4）的管内，供水导流管（2-3）的管内空间构成冷却供水通道（Ⅹ），供水导流管（2-3）的外壁与阴极连杆（2-4）内壁之间的空间构成冷却回水通道（Ⅸ），供水导流管（2-3）的出水口为收窄的喷嘴结构；阴极（1）由微孔膜阴极头（1-2）和阴极套（1-1）构成，微孔膜阴极头（1-2）为金属粉末烧结的微孔滤膜结构，金属粉末间的微孔构成水分子的过滤通道，微孔膜阴极头（1-2）的后端中心有圆锥形的凹槽（Ⅰ），凹槽（Ⅰ）构成水源入口，微孔膜阴极头（1-2）的头部为由后向前缩小的圆锥体结构，其圆锥角度（a）为60°，微孔膜阴极头（1-2）的头端为圆弧形结构，其圆弧半径（R）为5mm，微孔膜阴极头（1-2）的后端外侧有凸缘（1-3），凸缘（1-3）构成微孔膜阴极头（1-2）的轴向限位结构；阴极套（1-1）为空心圆棒体结构，微孔膜阴极头（1-2）嵌入到阴极套（1-1）前部的壁体中，微孔膜阴极头（1-2）的头部从阴极套（1-1）的前端伸出，阴极套（1-1）的内空间构成水室（Ⅱ）；螺旋导流器（3）为回转体结构，螺旋导流器（3）的回转体中有螺旋导流肋（3-1），螺旋导流肋（3-1）的螺距空间构成螺旋导流通道（Ⅳ）；阳极套（4）为圆筒体结构，阳极（5）为文丘里喷管结构，阳极（5）的文丘里喷管中的喉口为圆形直孔，阳极（5）以嵌入方式安装在阳极套（4）内，阳极（5）外壁与阳极套（4）内壁之间的空间构成冷却水套（Ⅵ），冷却水套（Ⅵ）有冷却剂进口（4-2）接入和冷却剂出口（4-1）接出；阴极（1）连接在后座（2）的阴极连杆（2-4）前端，螺旋导流器（3）的后端安装在后座（2）上，阳极套（4）携阳极（5）安装在螺旋导流器（3）的前端；螺旋导流肋（3-1）前端的部位为由后向前收窄的结构，与阳极（5）后端的文丘里入口进行平滑衔接，螺旋导流肋（3-1）前端的由后向前收窄的内空间构成约束口（Ⅷ）；供水导流管（2-3）的出水口伸入到微孔膜阴极头（1-2）后端的凹槽（Ⅰ）中，供水导流管（2-3）内的冷却供水通道（Ⅹ）有冷却水输入接口（2-5）接入，冷却供水通道（Ⅹ）通过微孔膜阴极头（1-2）后端的凹槽（Ⅰ）和水室（Ⅱ）连通到冷却回水通道（Ⅸ），冷却回水通道（Ⅸ）有冷却水输出接口（2-6）接出；阴极（1）从螺旋导流器（3）的内空间中穿过，阴极（1）的头部进入到阳极（5）后端的文丘里喷管入口空间中，阳极（5）后端的文丘里喷管入口空间构成放电区，阳极（5）的文丘里喷管的喉口构成压缩孔道（Ⅶ），阳极（5）的文丘里喷管的扩张段内空间构成喷射腔（Ⅴ）；在后座（2）的回转体中或在螺旋导流器（3）的回转体中有气室（Ⅲ），气室（Ⅲ）有工作气输入接口（2-1）接入，当气室（Ⅲ）设置在后座（2）的回转体中时，阴极连杆（2-4）的外壁与后座（2）外层壁体之间的空间构成气室（Ⅲ），工作气输入接口（2-1）设置在后座（2）的外层壁体上，当气室（Ⅲ）设置在螺旋导流器（3）的回转体中时，由阴极连杆（2-4）的外壁与螺旋导流器（3）的内壁之间的空间构成气室（Ⅲ），工作气输入接口（2-1）设置在螺旋导流器（3）的壁体上，气室（Ⅲ）通过螺旋导流通道（Ⅳ）连通到阳极（5）后端的放电区，放电区通过压缩孔道（Ⅶ）连通到喷射腔（Ⅴ）。
[0017] 上述的实施例应用时，采用去离子水作为原料水，一路原料水兼冷却水通过冷却水输入接口（2-5）进入到供水导流管（2-3）内的冷却供水通道（Ⅹ）中，经供水导流管（2-3）前端的出水口（2-2）进入到微孔膜阴极头（1-2）后端的圆锥凹槽（Ⅰ）中，一部分水通过微孔膜阴极头（1-2）的微小孔隙渗透到微孔膜阴极头（1-2）的外表面，另一部分水作为冷却剂或清洗剂，吸收了阴极（1）的热量后，携杂质通过凹槽（Ⅰ）和水室（Ⅱ）进入到冷却回水通道（Ⅸ），然后由冷却水输出接口（2-6）返回到冷却系统的回路中；另一路冷却水通过冷却剂进口（4-2）进入到阳极的冷却水套（Ⅵ）中，吸收了阳极（5）的热量后，再由冷却剂出口（4-1）返回到冷却系统的回路中；工作气由工作气输入接口（2-1）进入到气室（Ⅲ）中，然后通过螺旋导流通道（Ⅳ）以螺旋方式进入到放电区，工作气的螺旋气流扫过微孔膜阴极头（1-2）的表面，把从微孔膜阴极头（1-2）中渗透出来的水分带起，形成螺旋水雾或水蒸汽，进入到放电区；后座（2）作为阴极（1）的电气连接件，阳极套（4）作为阳极（5）的电气连接件，在阳极（5）与阴极（1）之间施加电能，在阴极（1）的头端形成圆弧放电面（1-6），同时在阳极（5）的文丘里喷管内壁形成圆锥放电面（5-1），在圆弧放电面（1-6）与圆锥放电面（5-1）之间产生等离子体电弧；进入到放电区的水雾或水蒸汽与等离子体电弧混合，通过压缩孔道（Ⅶ）进入到喷射腔（Ⅴ），再由喷射腔（Ⅴ）的出口喷出，形成等离子体火炬。上述过程中，水分子在从微孔膜阴极头（1-2）的渗透过程中及形成水雾通过放电区的过程中，水分子被催化、电离和热解，分解为氢气、氧气以及活性氢原子、活性氧原子、活性氢氧原子团的活性化学物，这些活性化学物与等离子体电弧混合，从压缩孔道（Ⅶ）中通过时，得到进一步升温而加剧分解，使得目标产物的得率更高。
[0018] 上述的实施例中，采用工作气以螺旋气流扫过微孔膜阴极头（1-2）表面的措施，把螺旋导流肋（3-1）前端的部位设计为由后向前收窄的约束口（Ⅷ）结构，与阳极（5）后端的文丘里入口进行平滑衔接，工作气同时起到保护气的作用，螺旋气流在约束口（Ⅷ）的作用下，平滑扫过微孔膜阴极头（1-2）的表面，没有死角，有效保护微孔膜阴极头（1-2）不被烧蚀。本发明在微孔膜阴极头（1-2）的后端中心有圆锥形的凹槽（Ⅰ），凹槽（Ⅰ）构成水源入口，以增加水分子的渗透流量。
[0019] 上述的实施例在工作时，微孔膜阴极头（1-2）的微孔中充满水分，当微孔膜阴极头（1-2）的温度升高时，使微孔中的水分蒸发，水汽化为水蒸汽，微孔膜阴极头（1-2）的大部分热量被水汽化而吸收，快速把热量带走，使微孔膜阴极头（1-2）起到高效冷却作用。上述的实施例把阴极设计为由微孔膜阴极头（1-2）和阴极套（1-1）组成，微孔膜阴极头（1-2）嵌入到阴极套（1-1）的壁体中，阴极套（1-1）的内空间构成水室（Ⅱ），阴极套（1-1）选用紫铜材料制作，由于紫铜材料具有优良的导热性能，因此，微孔膜阴极头（1-2）又得到间接的冷却，使冷却效果增强。
[0020] 上述的实施例用于生活垃圾、工业有机废弃物气化炉或煤气化装置的气化炉中，把水通过等离子体热解水喷枪分解为氢气、氧气以及活性氢原子、活性氧原子、活性氢氧原子团的活性化学物，作为气化剂，与高温等离子体电弧混合，喷入气化炉，与生活垃圾或工业有机废弃物或煤炭进行热化学反应，生成高品质的合成气，作为化工原料利用。
