[发明专利]等离子体炬的设计

说明书

用于改善等离子体炬的性能的设计改进。使用本文说明的各种改进中的一个或多个能够改善炬、反应器和制造工艺的效率和效果。还说明了炬和氢气等离子体气体、天然气给料的使用以及炭黑生产。

本申请是申请日为2015年1月30日、申请号为201580006710.8、发明名称为“等离子体炬的设计”的中国专利申请的分案申请。该中国专利申请是申请号为PCT/US2015/013794的PCT申请的中国国家阶段申请。

相关申请的引用

本申请要求2014年1月31日递交的美国临时申请No.61/934,184的优先权，其公开通过引用明确地并入于此。

技术领域

本发明总体上属于利用电能来影响化学变化的方法和设备的技术领域。

背景技术

许多年来有很多可以使用和一直使用的工艺用来生产炭黑。许多年来用于生产该炭黑的能源已大部分紧密地连接到用于将含有碳氢化合物的材料转化成炭黑的原材料。剩余的炼油和天然气一直是用于生产炭黑的资源。在诸如炭黑生产等的化学工艺中，能源随时间进化，例如，从简单的火焰、进化到油炉、进化到等离子体。如在所有的制造中，不断在寻找更有效率和有效的方式来生产这些产品。改变能源的流量和其它条件、改变原材料的流量和其它条件、增加生产的速度、增加产量、减少制造设备磨耗特性等均一直是并且继续是许多年来该寻找的一部分。

本文说明的系统应对了上述挑战，并且还获得了更有效率的和有效的制造工艺。

发明内容

所述的等离子体炬包括至少两个一个套在另一个内部且同轴排列的筒状的石墨电极；根据上述方案1的等离子体炬，其中内电极是中空的；根据上述等离子体炬，其中内电极为实心筒状；上述等离子体炬能够使用按体积计H₂为至少大约60％的等离子体气体；上述等离子体炬能够使用包含至少存在10ppm、即百万分之十的如下成分中的至少一种的等离子体气体：CO、C₂H₂、HCN、CH₄、C₂H₆、N₂、多环芳香族烃、单环芳香族烃和/或Ar气体；根据上述等离子体炬，其中同心的所述电极之间的间隙不小于大约4mm且不大于大约20mm；上述等离子体炬包含末端，其中所述末端的间隙距离、电极厚度和/或表面积在损耗期间保持大致恒定；上述等离子体炬还包含位于电极之间的至少一个环形区域，特别地，所述环形区域适用于供等离子体气体流动；上述等离子体炬还包含位于电极之间的上环形区域和下环形区域，其中所述上环形区域比所述下环形区域宽；上述等离子体炬还包含电源，所述电源能够供给大约300V至大约1500V的工作电压和高至大约4500V的开路电压：根据上述等离子体炬，其中至少一个电极具有末端，并且所述炬还包含磁场产生部件，所述磁场产生部件能够在该电极的末端处提供轴向分量为大约10mT至大约100mT的磁场；上述等离子体炬包含上负极和下负极以及上正极和下正极，其中所述上负极与所述下负极连接以形成一个导电电极，所述上正极与所述下正极连接以形成一个导电电极，这些连接中的每一者均形成在导电电极交接处；根据上述等离子体炬，其中使用锥螺纹来连接上电极和下电极；上述等离子体炬包含位于电极之间的环形区域，其中所述下电极的环形区域比所述上电极的环形区域窄；根据上述等离子体炬，其中所述下电极被认为是能够被消耗；根据上述等离子体炬，其中上电极安装有多个能够被消耗的电极；上述等离子体炬具有环厚度，其中所述下电极的环厚度彼此相差10％以内；上述等离子体炬包括电极末端区域，其中当将外电极的表面积与内电极的表面积相比时，所述电极末端的表面积大于2∶3但小于4∶1；根据上述等离子体炬，其中所述电极中的至少一者具有大致桶板式设计；根据上述等离子体炬，其中使用至少5个板(stave)来建立中空的同心环；上述等离子体炬包含轴向槽，所述轴向槽在所述电极中切出以提供对热应力的释放和/或提供对热破裂的控制；上述等离子体炬包括电极末端区域，其中筒状的所述电极包括筒状棒，所述筒状棒能够在所述末端处被保持在接近中空筒的电势的相同的电势；根据上述等离子体炬，其中内电极包括喷头设计；上述等离子体炬包括用于供保护气体流动的环形区域；上述等离子体炬包括至少一个通道，用于供等离子体气体流过如下部分中的一者或多者：环形区域、保护气体通道、中央电极内的喷头，流过中空的同心电极的主体和/或流过中空的同心电极的中央；上述等离子体炬包括至少一个磁铁，用于产生和定制磁场；并且上述等离子体炬包括导电机械连接器，所述导电机械连接器使所述正极与所述负极连接并为电弧的引发提供导电路径。