一種熱處理廢氣電漿重組發(fā)電方法及電漿重組反應(yīng)器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種熱處理廢氣的處理方法，具體涉及一種熱處理廢氣電漿重組發(fā)電的方法，和電漿重組反應(yīng)器。
【背景技術(shù)】
[0002]熱處理就是將鋼鐵或其他金屬材料在固體狀態(tài)下，加熱至一定溫度再予以冷卻，以改變其物理和機械性質(zhì)。而熱處理的方法很多，通常以淬火、退火、回火三種為代表，主要是把金屬或鋼鐵材料的常溫組織，經(jīng)由加熱、冷卻、浸浴等過程，改變?yōu)榧庸ど闲枰奈锢砗蜋C械性質(zhì)，而處理的環(huán)境條件，主要由熱處理爐內(nèi)氣體氣氛與溫度來控制，為求產(chǎn)品的穩(wěn)定，處理期間必須將調(diào)好組成的氣體，不間斷的送入爐內(nèi)，使其達(dá)到制程氣氛的穩(wěn)定，用量極大且成本極高，而其使用后的氣體，雖然仍具有可燃性，因考慮對廠房的人員安全與環(huán)境的保護(hù)，至今無適當(dāng)回收與儲存方式，故需全數(shù)點火燒掉，也無形中造成了相當(dāng)?shù)娜剂侠速M。在環(huán)保意識抬頭的今日，大量的熱處理廢氣，能夠藉由電漿重組技術(shù)將其轉(zhuǎn)換成燃?xì)獍l(fā)電機可用之燃料，本技術(shù)兼顧環(huán)保與節(jié)能，是未來節(jié)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展的趨勢，也能替未來的環(huán)境盡最大保護(hù)之力。
[0003]般來說，電漿廣泛存在于自然界中，一般物質(zhì)在標(biāo)準(zhǔn)的常溫常壓狀態(tài)下，有固體、液體、氣體等三態(tài)，若對于一氣體分子加熱至高溫或與任一高能量粒子互相碰撞，造成氣體的離子化、解離化、激發(fā)化并釋放出能量，氣體分子中的電子脫離原子核的束縛而自由活動，形成自由電子，形成一正負(fù)電荷、中性分子及自由基組成的集合體，即稱為電漿，亦稱為物質(zhì)的第四態(tài)。電漿主要是經(jīng)由碰撞來產(chǎn)生的，電子受到電場的加速而獲得高能量，此電子在放電區(qū)內(nèi)與氣體分子互相碰撞，因電子質(zhì)量遠(yuǎn)小于氣體分子質(zhì)量，故電楽內(nèi)部屬于非彈性碰撞，依原子的觀點來看，內(nèi)能的增加會使原子內(nèi)的電子進(jìn)行躍迀，能量若夠大，電子由原子核中的束縛脫離出來，讓原子形成電子與離子，碰撞中產(chǎn)生的電子繼續(xù)與其他氣體分子進(jìn)行碰撞，如此的碰撞不斷進(jìn)行，造成系統(tǒng)內(nèi)的氣體分子崩潰。在壓力低的環(huán)境下，平均自由徑的數(shù)值較大，電子有較長的加速距離，并獲得較大的能量。因此，欲提高電子動能，可增加電場強度或是提高平均自由徑，故一般電漿會在高電壓或低氣壓的環(huán)境下操作，先將設(shè)備腔體以幫浦抽氣抽至一定的真空值，通入反應(yīng)氣體，并對反應(yīng)氣體進(jìn)行放電至氣體解離。而三種典型的電漿產(chǎn)生方式包括:以直流電源在兩電極板間進(jìn)行放電、以微波或射頻源使氣體分子電離、以金屬絲加熱后放出電子使氣體電離。
[0004]電漿中激發(fā)后所生成的活性物種，降低了反應(yīng)的活化能來增加反應(yīng)速率，有別于其他化學(xué)反應(yīng)因活化能過高而難以發(fā)生反應(yīng)，藉由氣體分子的解離與離子化來產(chǎn)生多樣的活性自由基。其中電漿牽涉到許多不同的反應(yīng)，當(dāng)反應(yīng)性氣體在電漿放電區(qū)產(chǎn)生的多種活性物種等，與反應(yīng)性氣體發(fā)生碰撞并產(chǎn)生反應(yīng)，最后在后輝光放電區(qū)結(jié)合成穩(wěn)定分子，經(jīng)由附著、重組反應(yīng)把失去的電子平衡于離子化反應(yīng)及去附著反應(yīng)。
[0005]基于上述電漿之原理，在工業(yè)上的應(yīng)用有表面清潔修飾、鍍膜與表面改質(zhì)、氣體重組反應(yīng)及環(huán)境污染物處理等，而其中最常見于氣體重組反應(yīng)的電漿類型如下: (I)介電質(zhì)放電(Dielectric-barrier discharge):此放電系統(tǒng)在兩同心圓玻璃管中進(jìn)行氣體放電，介電質(zhì)放電原理大致相同，但種類繁多，簡單來說可透過金屬電極板將放電產(chǎn)生的熱散發(fā)掉，主要運用于臭氧的生產(chǎn);還可讓放電發(fā)生在兩介電質(zhì)間，可防止放電電漿直接與電極板直接接觸，故可通入腐蝕性氣體且具有高純度電漿等特性;若在介電質(zhì)兩邊同時產(chǎn)生兩種不同電漿。典型的介電質(zhì)材料為石英、玻璃、陶瓷或是高分子材料等，并在兩電極間產(chǎn)生許多微放電絲，這些放電絲隨機分布在反應(yīng)器中且時間僅有數(shù)微秒，類似高壓的輝光放電。
[0006](2)電暈放電(Corona discharge):當(dāng)一端電極(點狀或線狀電極)，與另一電極(板狀或圓柱形電極)距離一定的距離以上，施于高電壓將點狀或線狀電極附近形成強電場，在電極附近的氣體分子中的電子受到一高能量撞擊而游離，產(chǎn)生正電荷、負(fù)電荷等，此種現(xiàn)象稱為電暈放電。電暈放電會依放電電極為帶正負(fù)電來分類為正電暈及負(fù)電暈。電暈放電設(shè)備大多為兩不對稱性電極，點對面、線對面等，操作不當(dāng)易產(chǎn)生電弧。
[0007](3)電弧(Arc)放電:其重要特色為高電流相對于低電壓，溫度高，可達(dá)到局部熱平衡。當(dāng)電壓提升至電流密度大于3.2 A/cm時，電極間會發(fā)生電子的熱發(fā)射與場發(fā)射，讓電漿內(nèi)的電子來源不單是二次電子，當(dāng)電流密度高于10 A/cm時，即為一種高能量的電漿。
[0008](4)微波(Microwave)放電系統(tǒng):主要是頻率介在300 MHz?300 GHz間的電磁波，以固定頻率的磁控管(magnetron)為主，就工業(yè)上規(guī)格2.45 GHz來說，從數(shù)百瓦到10 kW都有提供。隔絕器(isolator)是保護(hù)微波源不受到反射波的影響或破壞。方向耦合器則是整合電磁波能量及微波源的行進(jìn)方向，并偵測微波入射及反射功率。匹配器(matching box)是用來調(diào)節(jié)電漿源輸入的阻抗值，已得到最大的輸入功率值。
[O009 ] (5)射頻(r a d i ο f r e q u e n c y)放電系統(tǒng):在直流電楽源中的電極給予一層絕緣物質(zhì)，由于電荷的累積讓表面電位下降，直到電流無法構(gòu)成回路而無法繼續(xù)作業(yè)，在應(yīng)用上而受到限制。若使用交流電源時，電源是以正負(fù)相交的方式輸入，故輸入負(fù)電壓所累積的正電荷可由正電壓的電子來相互平衡，一般來說，射頻功率以使用13.56 MHz或其倍頻之頻率。而常見的為電容耦合式射頻電漿源，是在兩平行電極板上施于射頻電壓加速電子，游離氣體而產(chǎn)生電漿。腔體中的電子受到電場加速而獲得能量(離子質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子質(zhì)量，幾乎感受不到電場的變化)，向腔體內(nèi)部四處擴(kuò)散，在擴(kuò)散過程中也會與其他粒子進(jìn)行碰撞，另外，較高能量的電子與中性氣體分子進(jìn)行碰撞發(fā)生游離反應(yīng)，此反應(yīng)會反覆的持續(xù)發(fā)生來產(chǎn)生更多的離子與電子等，以維持電漿狀態(tài)。
[0010]在各種電漿重組反應(yīng)中，最常見的反應(yīng)氣體為甲烷，其為天然氣主要的成分，可直接供應(yīng)于工業(yè)、家用及發(fā)電的燃料來源;在發(fā)電燃料上，甲烷可減緩能源短缺，減少燃煤發(fā)電，并降低燃煤發(fā)電對環(huán)境污染;且甲烷的氫碳比(Η/C)為4，已大于煤炭的0.5及石油的2，此數(shù)據(jù)已說明甲烷經(jīng)過燃燒所產(chǎn)生出的產(chǎn)物，其產(chǎn)物的含碳?xì)怏w必少于石油及煤炭，未來，甲烷將成為能源的主要供應(yīng)來源。
[0011]而隨著對環(huán)保意識的重視，天然氣的需求明顯較以往增加，天然氣作為燃料的經(jīng)濟(jì)效益也漸漸大于工業(yè)用燃料，若要進(jìn)一步增進(jìn)能源效應(yīng)，可將天然氣進(jìn)一步重組制成甲烷，再進(jìn)行相關(guān)應(yīng)用，可大幅增進(jìn)總熱值，而此部分亦可配合電漿重組技術(shù)，再將甲烷轉(zhuǎn)制成氫氣，以提升總熱值。整體而言，烷氣的電漿重組產(chǎn)氫主要是利用電漿中的電子與活性物種等具有高能量粒子來進(jìn)行碰撞，讓烷氣得以與高能量粒子相互碰撞裂解斷鍵，產(chǎn)生甲烷及氫氣。而反應(yīng)器操作時，通常以N2、Ar等常用之載流氣體作為引燃電漿之氣體，主要原因是開始反應(yīng)時先藉由N2SAr原子核內(nèi)電子來傳遞能量并進(jìn)行碰撞。
[0012]在電漿重組甲烷轉(zhuǎn)制氫氣方面，現(xiàn)有技術(shù)平臺多利