专利名称：一种等离子体阴极与保护方法
技术领域：
本发明涉及等离子体技术以及化工合成领域，具体为一种应用于等离子体高温合 成所使用的直流等离子体装置阴极与保护方法。
背景技术：
等离子体由于具有高的能量密度、含有大量高能量的电子、离子和中性粒子，在 等离子体化学合成(如等离子体裂解天然气制乙炔、等离子体裂解烃类化合物制氢气与 碳黑、等离子体裂解煤制乙炔、等离子体脂合成气等)、有毒有害废弃物的处理方面具有广 泛的应用前景。现有等离子体装置普遍采用的低电压大电流直流电弧等离子体技术，这 种等离子体由于存在电能利用率低、电极烧蚀严重等缺点，难以充分发挥等离子体在化工 合成领域的应用，目前只有美国国际专用产品公司(International Special Products, Inc-ISP)位于德国Marl的HUELS工厂有实际的工业应用。目前，阴极的制备主要有两种形式，第一种是采用象HUELS工厂所采用的空心阴 极的方式，阴极采用紫铜制成，阴极使用强水冷却，由于紫铜阴极直接与等离子体接触，导 致大量等离子体能量通过冷却水被吸收，等离子体的能量利用率只有80%，等离子体电能 利用率比较低，工业装置的阴极寿命只有800小时，需要不断更换电极。在工业生产中不断 停机更换电极的操作，不仅影响生产装置运行的稳定性，成本也相当高，是不希望发生的。另一种是采用棒状电极(如文献 plasma pyrolysis of methane to hydrogen andcarbon black ind. Eng. Chem. . res. 2002,41,1425-1435)，棒状电极是以石墨制成的， 不需要进行水冷却，这种方式虽然一定程度上提高了阴极的电能利用率，但是阴极的烧蚀 速度非常快，在以氢气为等离子体工作气体的情况下，电极寿命最长只有几分钟。
发明内容
本发明的目的是针对现有等离子体阴极存在的能量利用率低、烧蚀严重的问题， 提出一种新型等离子体阴极与保护方法，使等离子体的阴极寿命和阴极的能量利用率提
高ο为了实现上述目的，本发明技术方案是—种等离子体阴极，该等离子体阴极为空心阴极和水冷阴极构成的复合阴极，复合阴极的一端为中空结构的空心阴极，复合阴极的另一端为带水冷结构的水冷阴极，空心 阴极与水冷阴极上设有相互连通的气体通道，所述气体通道一端与气体入口连通，所述气 体通道另一端与空心阴极的内腔连通。所述的等离子体阴极，水冷阴极所使用的材料为无氧铜、不锈钢或其他导电性良 好的金属材料；空心阴极所使用的材料为石墨、碳化硅、石墨纤维增强的石墨、碳化硅材料 或者其他耐高温导电材料。所述的等离子体阴极，水冷阴极的水冷通道与水冷阴极外壁之间开有环形气体通 道，空心阴极设有内腔、孔道III，孔道III 一端与内腔连通，孔道III另一端通过孔道II与气体通道相通。所述的等离子体阴极，在水冷阴极外侧设有绝缘介质，水冷阴极、绝缘介质与水冷 阴极外侧的阳极盖之间形成间隙，入口 II与间隙相通；空心阴极设有内腔、孔道III，孔道 III 一端与内腔连通，孔道III另一端依次通过孔道II和孔道I与间隙相通。所述的等离子体阴极，绝缘介质为聚四氟乙烯、玻璃、氧化铝陶瓷或其它低介电常 数、耐温绝缘材料。所述的等离子体阴极的保护方法，由气体通道向空心阴极通入以氢气与烃类组成 的混合保护性气体。所述的等离子体阴极的保护方法，烃类气体为气态碳氢化合物(如甲烷、乙烷或 丙烷等)之一种或两种以上的混合物。所述的等离子体阴极的保护方法，在等离子体工作气体为碳氢化合物时，氢气的 体积含量为50% 100%，且不等于100% (最佳区间为80% 100% )。所述的等离子体阴极的保护方法，在等离子体工作气体为不含碳的气体(如氮 气、氩气或氢气等)时，氢气的体积含量为5% 50% (最佳区间为5% 30%)。本发明 的有益效果是1、本发明所提出的方案采用两种不同的导电材料制成具有不同结构的阴极，并将 他们结合在一起，与等离子体接触的阴极由耐高温导电材料制备成空心结构。由于空心阴 极不直接利用通水冷却，减少了阴极通过冷却水耗散的等离子体能量，具有能量利用率高 的优点。2、本发明所提出的根据实际工况通入不同的保护气体，能够有效地解决在等离子 体工作过程中，阴极上产生的炭黑沉积或者阴极的烧蚀。由于阴极的烧蚀与炭黑沉积度严 重影响等离子体装置运行的稳定，所以采用本发明可以大幅度提高等离子体装置的稳定 性。
图1为实施例1中两种不同气体通道的复合结构等离子体阴极结构示意图。图2为实施例2中两种不同气体通道的复合结构等离子体阴极结构示意图。图中，1水冷阴极；2空心阴极；18入口 I ；19阳极；20入口 II ；21绝缘介质；22孔 道I ；23孔道II ；24孔道III ；25内腔；26气体通道；27阳极腔；28间隙；29水冷通道；30 阳极盖；31孔道IV ；32环形气腔。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施进行进一步具体的说明，实施例中所列出的数据仅 仅是为了说明，不对本方案构成任何限制。实施例1如图1所示，等离子体装置设有阳极19和阴极，阴极伸至阳极腔27内，阴极为由 以不锈钢制成的水冷阴极(带水冷通道29的阴极)1，与由石墨制成的空心阴极2通过螺 纹连接成等离子体装置的阴极。在水冷阴极1外侧设有绝缘介质21，将水冷阴极1与阳极 腔27隔开，水冷阴极1、绝缘介质21与水冷阴极1外侧的阳极盖30之间形成间隙28，入口1120与间隙28相通。阳极腔27外侧装有环形气腔32，环形气腔32外侧与入口 I 18连通， 在环形气腔32内壁上开设有孔道IV31。空心阴极2设有内腔25、孔道11124，孔道III24 一端与内腔25连通，孔道III24另一端依次通过孔道II 23和孔道I 22与间隙28相通。 气体通过保护气体入口 II 20进入到绝缘介质21与水冷阴极1之间的间隙28，再通过孔 道I 22和孔道II 23，经空心阴极上的孔道III24进入空心阴极的内腔25中。等离子体工 作气体通过入口 I 18进入环形气腔32，气体再通过孔道31从切向旋转进入阳极腔27内。 在以氢气为等离子体工作气体的情况下，保护气体组成为20%氢气+80%甲烷(体积百分 比)，阴极的烧蚀速率1毫克/小时。在不通保护气体的情况下，阴极的烧蚀速率为2克/ 小时。本实施例中，电能利用率为85%以上。实施例2如图2所示，等离子体装置设有阳极19和阴极，阴极伸至阳极腔27内，阳极腔27 外侧装有环形气腔32，环形气腔32外侧与入口 I 18连通，在环形气腔32内壁上开设有孔 道IV31。阴极为由以不锈钢制成的水冷阴极1，与由碳化硅制成的空心阴极2通过螺纹连 接成等离子体装置的阴极，水冷阴极1的水冷通道29与水冷阴极1外壁之间开有环形气体 通道26，空心阴极2设有内腔25、孔道11124，孔道III24 —端与内腔25连通，孔道III24 另一端通过孔道II 23与气体通道26相通。保护气体通过水冷阴极1上所带有的气体通 道26和孔道II 23，经空心阴极上的孔道III24进入空心阴极的内腔25中。等离子体工 作气体通过入口 I 18进入环形气腔32，气体再通过孔道31从切向旋转进入阳极腔27内。 在以甲烷为等离子体工作气体的情况下，保护气体组成为80%氢气+20%甲烷(体积百分 比)，阴极上炭黑沉积速率0. 5毫克/小时。在不通保护气体的情况下，阴极上炭黑沉积速 率为5克/小时。本实施例中，电能利用率为85%以上。实施例结果表明，本发明提出利用两种导电材料制备具有复合结构的阴极以及通 过保护性气氛对阴极的烧蚀过程进行调控，将常规以单一材料制备的阴极改变为以两种材 料制备的复合电极，复合结构为带水冷金属电极与不带水冷空心阴极复合而成，与等离子 体直接接触的是不带水冷的、耐高温空心管状结构的空心阴极，不带水冷的空心阴极为石 墨、碳化硅、石墨纤维增强的石墨或碳化硅材料制成，空心阴极空腔内可以根据实际使用的 工况条件通过特定的气体通道通入以氢气和气态烃类组成的混合保护气体。从而，使本发 明具有能量利用率高、大幅度提高等离子体装置的稳定性等优点。
权利要求
一种等离子体阴极，其特征在于，该等离子体阴极为空心阴极和水冷阴极构成的复合阴极，复合阴极的一端为中空结构的空心阴极，复合阴极的另一端为带水冷结构的水冷阴极，空心阴极与水冷阴极上设有相互连通的气体通道，所述气体通道一端与气体入口连通，所述气体通道另一端与空心阴极的内腔连通。
2.按照权利要求1所述的等离子体阴极，其特征在于，水冷阴极所使用的材料为无氧 铜、不锈钢或其他导电性良好的金属材料；空心阴极所使用的材料为石墨、碳化硅、石墨纤 维增强的石墨、碳化硅材料或者其他耐高温导电材料。
3.按照权利要求1所述的等离子体阴极，其特征在于，水冷阴极的水冷通道与水冷阴 极外壁之间开有环形气体通道，空心阴极设有内腔、孔道III，孔道III 一端与内腔连通，孔 道III另一端通过孔道II与气体通道相通。
4.按照权利要求1所述的等离子体阴极，其特征在于，在水冷阴极外侧设有绝缘介质， 水冷阴极、绝缘介质与水冷阴极外侧的阳极盖之间形成间隙，入口 II与间隙相通；空心阴 极设有内腔、孔道III，孔道III 一端与内腔连通，孔道III另一端依次通过孔道II和孔道 I与间隙相通。
5.按照权利要求4所述的等离子体阴极，其特征在于，绝缘介质为聚四氟乙烯、玻璃、 氧化铝陶瓷或其它低介电常数、耐温绝缘材料。
6.按照权利要求1所述的等离子体阴极的保护方法，其特征在于，由气体通道向空心 阴极通入以氢气与烃类组成的混合保护性气体。
7.按照权利要求6所述的等离子体阴极的保护方法，其特征在于，烃类气体为气态碳 氢化合物之一种或两种以上的混合物。
8.按照权利要求6所述的等离子体阴极的保护方法，其特征在于，在等离子体工作气 体为碳氢化合物时，氢气的体积含量为50% 100%，且不等于100%。
9 按照权利要求6所述的等离子体阴极的保护方法，其特征在于，在等离子体工作气 体为不含碳的气体时，氢气的体积含量为5% 50%。
全文摘要
本发明涉及等离子体技术以及化工合成领域，具体为一种应用于等离子体高温合成所使用的直流等离子体装置阴极与保护方法，解决现有等离子体阴极存在的能量利用率低、烧蚀严重的问题。该等离子体阴极为空心阴极和水冷阴极构成的复合阴极，复合阴极的一端为中空结构的空心阴极，复合阴极的另一端为带水冷结构的水冷阴极，空心阴极与水冷阴极上设有相互连通的气体通道，所述气体通道一端与气体入口连通，所述气体通道另一端与空心阴极的内腔连通，由气体通道向空心阴极通入以氢气与烃类组成的混合保护性气体。利用本发明所提供的技术方案能大幅度地提高等离子体阴极的使用寿命、阴极的能量利用率、工作稳定性高，同时具有适用范围广的特点。
文档编号H05H1/48GK101998750SQ20091001316
公开日2011年3月30日 申请日期2009年8月14日 优先权日2009年8月14日
发明者孙博, 孙家言, 张劲松, 杨永进 申请人:中国科学院金属研究所