(10)申請公布號CN120212486A(71)申請人西安理工大學(xué)地址710048陜西省西安市碑林區(qū)金花南路5號(74)專利代理機構(gòu)北京市誠輝律師事務(wù)所專利代理師朱偉軍H05H1/34(2006.01)(54)發(fā)明名稱一種氣流自驅(qū)動旋轉(zhuǎn)滑動弧等離子體氨氫燃燒器本發(fā)明涉及一種氣流自驅(qū)動旋轉(zhuǎn)滑動弧等離子體氨氫燃燒器，包括接地筒和高壓導(dǎo)電桿，接地筒內(nèi)的上下兩端設(shè)有均流噴嘴和單向防回火閥，高壓導(dǎo)電桿同軸設(shè)置于接地筒內(nèi)，且高壓導(dǎo)電桿位于均流噴嘴和單向防回火閥之間，高壓導(dǎo)電桿上旋轉(zhuǎn)設(shè)有多個旋轉(zhuǎn)電極，旋轉(zhuǎn)電極包括多個金屬葉片，金屬葉片與接地筒內(nèi)壁之間留有間隙；接地筒內(nèi)壁軸向設(shè)有若干個起弧金屬條，相鄰兩個起弧金屬條之間填充絕緣層；接地筒底部設(shè)有高強度絕緣材料制成的隔離接地段。本發(fā)明結(jié)合均流噴嘴和防回火單向氣流閥系統(tǒng)，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)滑動弧等離子體對氨氣高效裂解制氫，避免2包括接地筒(4)和高壓導(dǎo)電桿(3),接地筒(4)內(nèi)的上下兩端設(shè)有均流噴嘴(1)和單向防單向防回火閥(6)之間，所述高壓導(dǎo)電桿(3)上旋轉(zhuǎn)設(shè)有多個旋轉(zhuǎn)電極(2),旋轉(zhuǎn)電極(2)包所述接地筒(4)內(nèi)壁軸向設(shè)有若干個起弧金屬條(11),相鄰兩個起弧金屬條(11)之間填充絕緣層(10);所述接地筒(4)底部2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氣流自驅(qū)動旋轉(zhuǎn)滑動弧等離子體氨氫燃燒器，其特征在所述接地筒(4)外側(cè)同軸設(shè)有空氣導(dǎo)流外殼(5),空氣導(dǎo)流外殼(5)與接地筒(4)之間的3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氣流自驅(qū)動旋轉(zhuǎn)滑動弧等離子體氨氫燃燒器，其特征在所述均流噴嘴(1)包括陶瓷本體，陶瓷本體內(nèi)均勻設(shè)有若干通孔(8),陶瓷本體的上下4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種氣流自驅(qū)動旋轉(zhuǎn)滑動弧等離子體氨氫燃燒器，其特征在5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氣流自驅(qū)動旋轉(zhuǎn)滑動弧等離子體氨氫燃燒器，其特征在6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種氣流自驅(qū)動旋轉(zhuǎn)滑動弧等離子體氨氫燃燒器，其特征在7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氣流自驅(qū)動旋轉(zhuǎn)滑動弧等離子體氨氫燃燒器，其特征在所述旋轉(zhuǎn)電極(2)包括三個金屬葉片(9),每個金屬葉片(9)與水平面的夾角為15°~8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種氣流自驅(qū)動旋轉(zhuǎn)滑動弧等離子體氨氫燃燒器，其特征在相鄰兩個金屬葉片(9)之間的夾角為120°,金屬葉片(9)末端距離接地筒內(nèi)壁為5~9.根據(jù)權(quán)利要求1~8任一項所述的一種氣流自驅(qū)動旋轉(zhuǎn)滑動弧等離子體氨氫燃燒器，其特征在于：10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種氣流自驅(qū)動旋轉(zhuǎn)滑動弧等離子體氨氫燃燒器，其特征在所述接地筒(4)內(nèi)壁上每隔120°設(shè)置一個起弧金屬條(11),起弧金屬條(11)與絕緣層3技術(shù)領(lǐng)域[0001]本發(fā)明屬于等離子體技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種氣流自驅(qū)動旋轉(zhuǎn)滑動弧等離子體氨氫燃燒器。背景技術(shù)[0002]氨(NH?)的儲氫密度高(氫的質(zhì)量分數(shù)為17.6%),能量密度高(裂解最大比能為5.59kWh/kg)、價格便宜、易液化(室溫時0.8Mpa壓力下就能液化)、安全性較好(著火范圍較窄，且具有刺激性氣味，泄露易被識別，且無氫氣儲運的氫脆現(xiàn)象)、儲運成本低，完全裂解產(chǎn)物只有目標產(chǎn)物H?(體積濃度可達75%)和副產(chǎn)物N?,零碳排放，被認為是目前具有潛力、成為最佳安全的氫替代能源載體。氨分解制氫反應(yīng)為2NH?→3H?+N?(△H=+46kJ/mol),制氫過程吸熱、能量需求大。一般使用的催化熱分解氨制氫技術(shù)，轉(zhuǎn)化效果較好，但是由于運行溫度高，反應(yīng)的有效裂解溫度依賴于所使用的催化劑，不同金屬的氨氣裂解活性排序氣轉(zhuǎn)化率在400℃下達到80%左右，450℃下達到99%以上。然而，貴金屬氨氣裂解催化劑造價昂貴、經(jīng)濟性差，非貴金屬催化劑雖然價格便宜但活性相對較低，要使氨氣完全裂解必須采用很高的反應(yīng)溫度。如，鎳基催化劑運行溫度需要超過1000℃,其他催化劑至少也需要溫度在650℃~700℃才能達到較為合理的轉(zhuǎn)化水平。同時，該技術(shù)裝備還面臨預(yù)熱時間長、絕熱系統(tǒng)龐大等問題。因此，開發(fā)能夠在較低溫度下或替代工藝下滿足氨分解制氫新技術(shù)成為重要探索方向。[0003]放電等離子體中富含高能電子，且電子能量分布范圍寬，容易滿足氨分解反應(yīng)制氫的能量閾值和激活催化劑活性位點，突破熱力學(xué)反應(yīng)限制，在高化學(xué)惰性分子(NH?、CO?、苯類等)活化、裂解方面展示出獨特的優(yōu)勢，成為近年來非熱分解氨制氫的潛力股和研究熱點，有望突破催化熱分解氨制氫技術(shù)的高反應(yīng)溫度局限性。[0004]滑動弧放電技術(shù)作為一種典型的局域熱平衡等離子體放電方式，因具有反應(yīng)速率高、常壓運行、快速啟動和對催化劑依賴小等優(yōu)[0005]現(xiàn)有的滑動弧放電裝置，滑動弧產(chǎn)生電極要么為固定的V字型結(jié)構(gòu)，要么采用電機驅(qū)動電極轉(zhuǎn)動產(chǎn)生電弧等離子體。固定電極結(jié)構(gòu)的電弧往往會維持時間較長，大電流給驅(qū)動電源帶來挑戰(zhàn)，增加了等離子體設(shè)備成本；電機驅(qū)動電極轉(zhuǎn)動的等離子體產(chǎn)生結(jié)構(gòu)，由于高壓放電會給電機系統(tǒng)帶來高的反向偏壓和大電流注入，給電機的穩(wěn)定可靠運行帶來嚴重挑戰(zhàn)，成為此類滑動弧設(shè)備的瓶頸。例如，專利CN112483243A公開了一種基于等離子體在線裂解、點火與助燃的氨發(fā)動機，該技術(shù)通過引入滑動弧等離子體快速重整氨燃料，并調(diào)控氨/氫比例，同時利用等離子體點火與助燃，顯著提升燃燒穩(wěn)定性和燃燒效率。但是該裝置的滑動弧等離子體發(fā)生器采用了同軸V字型電極結(jié)構(gòu)，高壓電極為棒，地電極為減縮筒，這種結(jié)構(gòu)依靠在電極間隙最小處產(chǎn)生電弧，在溫升作用下電弧沿著軸向飄動形成滑動弧，整個過程受控程度地，且電極腐蝕嚴重。4發(fā)明內(nèi)容[0006]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種氣流自驅(qū)動旋轉(zhuǎn)滑動弧等離子體氨氫燃燒器，其為一種氣流自驅(qū)動高壓電極旋轉(zhuǎn)的滑動弧放電等離子體產(chǎn)生技術(shù)與設(shè)備，結(jié)合均流噴嘴和防回火單向氣流閥系統(tǒng)，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)滑動弧等離子體對氨氣高效裂解制氫，避免使用電機驅(qū)動電極，以及解決了V字型結(jié)構(gòu)電極系統(tǒng)的電源高成本、高能耗以及電極腐蝕嚴重的問題。[0007]本發(fā)明解決上述問題的技術(shù)方案是：一種氣流自驅(qū)動旋轉(zhuǎn)滑動弧等離子體氨氫燃包括接地筒和高壓導(dǎo)電桿，接地筒內(nèi)的上下兩端設(shè)有均流噴嘴和單向防回火閥，高壓導(dǎo)電桿同軸設(shè)置于接地筒內(nèi)，且高壓導(dǎo)電桿位于均流噴嘴和單向防回火閥之間，所述高壓導(dǎo)電桿上旋轉(zhuǎn)設(shè)有多個旋轉(zhuǎn)電極，旋轉(zhuǎn)電極包括多個金屬葉片，金屬葉片與接地筒內(nèi)壁之間留有間隙；所述接地筒內(nèi)壁軸向設(shè)有若干個起弧金屬條，相鄰兩個起弧金屬條之間填充絕緣層；所述接地筒底部設(shè)有高強度絕緣材料制成的隔離接地段。[0008]進一步地，上述接地筒外側(cè)同軸設(shè)有空氣導(dǎo)流外殼，空氣導(dǎo)流外殼與接地筒之間的環(huán)形空間用于通入氧氣。[0009]進一步地，上述均流噴嘴包括陶瓷本體，陶瓷本體內(nèi)均勻設(shè)有若的上下端面設(shè)有金屬片，金屬片上設(shè)有與陶瓷本體通孔對應(yīng)的孔。[0010]進一步地，上述陶瓷本體上端的金屬片表面覆蓋質(zhì)子交換膜，材質(zhì)為鈀-銅合金膜等金屬質(zhì)子膜。[0011]進一步地，上述旋轉(zhuǎn)電極通過無阻尼軸承安裝在高壓導(dǎo)電桿上。[0012]進一步地，上述高壓導(dǎo)電桿上設(shè)有彈簧頂珠用于對無阻尼軸承進行限位，易于維修拆卸和安裝。[0014]進一步地，相鄰兩個葉片之間的夾角為120°,葉片末端距離接地筒內(nèi)壁為5~15mm。[0015]進一步地，上述多個旋轉(zhuǎn)電極在高壓導(dǎo)電桿上等間距設(shè)置，相鄰兩個旋轉(zhuǎn)電極間[0016]進一步的，上述接地筒內(nèi)壁上每隔120°設(shè)置一個起弧金屬條，起弧金屬條與絕緣層交錯設(shè)置。與傳統(tǒng)的直流電弧、介質(zhì)阻擋放電、熱噴嘴或微波等離子體制氫裝置相比，本裝置具有如下顯著有益效果：(1)本發(fā)明提出了一種氣流自驅(qū)動旋轉(zhuǎn)滑動弧等離子體氨氫燃燒器，采用同軸結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)合旋轉(zhuǎn)電極與滑動弧放電形式，能夠在混合氣體(如氨氣與惰性氣體)流動過程中實現(xiàn)動態(tài)、高能的等離子體激發(fā)；(2)裝置通過旋轉(zhuǎn)電極和滑動弧結(jié)合，電弧在電極表面動態(tài)擴展，形成旋轉(zhuǎn)滑移弧，有效擴大等離子體作用區(qū)域，提升氨氣轉(zhuǎn)化效率，同時減緩電極燒蝕，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性與使用壽命；(3)氣體自下而上進入反應(yīng)腔體，經(jīng)過放電區(qū)裂解后從頂部均流噴嘴排出，可快速帶走反應(yīng)產(chǎn)物，防止副反應(yīng)與回火現(xiàn)象的發(fā)生，提高產(chǎn)氫純度和系統(tǒng)運行安全性；5(4)本發(fā)明通過設(shè)置單向防回火閥與接地隔離段，實現(xiàn)高壓區(qū)與進氣系統(tǒng)的有效電氣隔離與火焰阻斷，保障操作人員與設(shè)備的安全；(5)本裝置結(jié)構(gòu)緊湊、模塊分明，可適用于實驗室研究、小型氫能裝置或分布式等離子體應(yīng)用系統(tǒng)，具備良好的實用前景和推廣價值。附圖說明[0018]圖1是氣流自驅(qū)動旋轉(zhuǎn)滑動弧等離子體氨氫燃燒器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；圖2為均流噴嘴的俯視圖；圖3為旋轉(zhuǎn)電極的結(jié)構(gòu)圖；圖4為接地筒的俯視圖。具體實施方式[0020]為使本發(fā)明實施方式的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施方式中的附圖，對本發(fā)明實施方式中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施方式是本發(fā)明一部分實施方式，而不是全部的實施方式。基于本發(fā)明中的實施方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施方式，都屬于本發(fā)明保護的范圍。因此，以下對在附圖中提供的本發(fā)明的實施方式的詳細描述并非旨在限制要求保護的本發(fā)明的范圍，而是僅僅表示本發(fā)明的選定實施方式。[0021]本發(fā)明提出一種氣流自驅(qū)動旋轉(zhuǎn)滑動弧等離子體氨氫燃燒器，利用高壓電場與旋轉(zhuǎn)電極的協(xié)同作用，結(jié)合氣流動態(tài)調(diào)控和多重安全防護，實現(xiàn)電弧的穩(wěn)定生成、可控滑動和高效利用。裝置通過電極旋轉(zhuǎn)，延長電弧路徑并防止電極局部燒蝕，同時通過均流結(jié)構(gòu)優(yōu)化[0022]參見附圖1-圖4,所述氣流自驅(qū)動旋轉(zhuǎn)滑動弧等離子體氨氫燃燒器包括接地筒4和高壓導(dǎo)電桿3.所述接地筒4內(nèi)部的上、下兩端設(shè)有均流噴嘴1和單向防回火閥6,高壓導(dǎo)電桿3同軸固定于接地筒4內(nèi)，且高壓導(dǎo)電桿3位于均流噴嘴1和單向防回火閥6之間。所述高壓導(dǎo)電桿3上旋轉(zhuǎn)設(shè)有多個旋轉(zhuǎn)電極2,旋轉(zhuǎn)電極2包括多個金屬葉片9,金屬葉片9與接地筒4內(nèi)壁之間留有間隙。所述接地筒4內(nèi)壁軸向設(shè)有若干個起弧金屬條11,相鄰兩個起弧金屬條11之間填充絕緣層10;所述接地筒4底部設(shè)有高強度絕緣材料制成的隔離接地段7。[0023]具體地，所述隔離接地段7由高強度絕緣材料制成(如PTFE或陶瓷),高度為1cm~5cm。起弧金屬條11可以采用鑲嵌方式固定在接地筒4內(nèi)，絕緣層10(厚度在1mm左右)通過涂覆或嵌入方式固定在接地筒4內(nèi)。[0024]作為本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，參見圖1,所述接地筒4外側(cè)同軸設(shè)有空氣導(dǎo)流外殼5,空氣導(dǎo)流外殼5與接地筒4之間的環(huán)形空間用于通入氧氣，氧氣氣流同時保證火焰的定向性。[0025]具體地，所述空氣導(dǎo)流外殼外徑為20~50mm,壁厚為0.5~1mm;接地筒外徑16~46mm[0026]作為本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，參見圖2,上述均流噴嘴1包括陶瓷本體，陶瓷本體6內(nèi)均勻設(shè)有若干通孔8,陶瓷本體的上、下端面通過粘接或沉頭螺絲固定有金屬片，所述金屬片上設(shè)有與陶瓷本體通孔8對應(yīng)的孔道。高壓導(dǎo)電桿3嵌入陶瓷本體的中心處，深度5mm。[0027]具體地，所述均流噴嘴直徑10~30mm,高度為10mm~50mm,金屬片上的孔道直徑為[0028]作為本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，上述陶瓷本體上端的金屬片表面覆蓋質(zhì)子交換膜，把氫氣分離純化。質(zhì)子交換膜的材質(zhì)為鈀-銅合金膜等金屬質(zhì)子膜[0029]作為本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，上述旋轉(zhuǎn)電極2通過無阻尼軸承安裝在高壓導(dǎo)電桿3上，所述高壓導(dǎo)電桿3上設(shè)有彈簧頂珠用于對無阻尼軸承進行限位，易于維修拆卸和安裝。[0030]作為本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，參見圖3,上述旋轉(zhuǎn)電極2包括三個葉片，每個葉片與水平面的夾角為15°~45°,相鄰兩個葉片之間的夾角為120°,葉片末端距離接地筒內(nèi)壁為[0031]作為本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，參見圖1,上述多個旋轉(zhuǎn)電極2在高壓導(dǎo)電桿3上等[0032]作為本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，參見圖4,上述接地筒4內(nèi)壁上每隔120°設(shè)置一個起弧金屬條11,起弧金屬條11與絕緣層10交錯設(shè)置。[0033]本發(fā)明提供的氣流自驅(qū)動旋轉(zhuǎn)滑動弧等離子體氨氫燃燒器的工作原理為：氣體流動方向為自下而上，氨氣(NH?由燃燒器底部進入，首先經(jīng)過設(shè)置在下部的隔離接地段7,將整個放電腔體與外部接地系統(tǒng)有效電氣隔離，防止電源通過意外路徑泄放至地。氣體進入裝置后，氣體繼續(xù)向上流動，經(jīng)過單向防回火閥6,該部件為一機械或熱敏結(jié)構(gòu)，能夠有效防止放電過程中產(chǎn)生的火焰或高溫氣體逆流回氣體供應(yīng)管路，確保系統(tǒng)運行安全性。氣體繼續(xù)上升進入放電區(qū)，此區(qū)