周 法，馬漢東，陳海群，朱興營(yíng)，劉 祥

(中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院，電弧等離子應(yīng)用裝備北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100074)

0 引 言

等離子體被稱為物質(zhì)存在的第四態(tài)，其中含有大量的原子、分子以及由它們電離出的電子、離子和原子團(tuán)等，這些帶電和不帶電的粒子組成了一個(gè)準(zhǔn)中性的粒子體系[1-2]。等離子體的分類(lèi)方式很多，一般按照這些粒子體系整體所呈現(xiàn)的宏觀溫度的高低分為高溫等離子體和低溫等離子體兩大類(lèi)[2-3]。其中，低溫等離子體中電子溫度與重粒子（原子、分子、離子等）溫度均約為104K 的高溫部分電離氣體稱之為熱等離子體[3]。電弧等離子體屬于典型的熱等離子體，由于其高溫、高能量密度、高活性等特點(diǎn)，在固體廢棄物的處理（包括生活垃圾、醫(yī)療垃圾、生物質(zhì)以及其他工業(yè)廢棄物等）、能源化工（燃煤電廠鍋爐的點(diǎn)火、助燃以及其他化石燃料的熱解、氣化和再利用等方面）、材料處理（包括碳納米材料制備、粉末球化、金屬熔煉、還原以及其他材料熱處理）以及國(guó)防軍工等多方面均有很好的應(yīng)用前景。

電弧等離子體炬是一種常見(jiàn)的以中高壓放電形式產(chǎn)生電弧等離子體的裝置，在工程技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[4]。產(chǎn)生電弧等離子體的驅(qū)動(dòng)電源可以是直流電源，也可以是交流電源[3,5]。通過(guò)交流電源產(chǎn)生等離子體的電源種類(lèi)很多，有千赫茲交流電源、工頻交流弧焊電源、工頻高電壓電源等。由于交流電弧等離子體炬在工業(yè)應(yīng)用中相比直流電弧等離子體炬具有電極使用壽命長(zhǎng)、裝備成本和運(yùn)行成本較低、熱效率較高等優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)領(lǐng)域具有更好的應(yīng)用前景。本文將綜述國(guó)內(nèi)外交流電弧等離子體炬的研究進(jìn)展，并對(duì)交流電弧等離子體炬在除國(guó)防軍工領(lǐng)域之外的應(yīng)用研究情況進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1 交流電弧等離子體炬的研究進(jìn)展

交流電弧等離子體炬研究出現(xiàn)在20 世紀(jì)60 年代，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，目前在理論分析和實(shí)驗(yàn)研究?jī)煞矫鎸?duì)交流電弧等離子體炬的不同結(jié)構(gòu)形式和工作原理、氣體介質(zhì)與電弧特性以及電極燒蝕等多方面開(kāi)展了大量研究工作，已形成單相、三相和多相交流電弧生成模式以及空心電極和棒狀電極等不同結(jié)構(gòu)的等離子體炬。下面將圍繞交流電弧等離子體炬的結(jié)構(gòu)形式及其工作特性等方面進(jìn)行研究綜述。

1.1 不同結(jié)構(gòu)交流電弧等離子體炬及其工作原理

俄羅斯科學(xué)院電物理與電力研究所（Institute for Electrophysics and Electric Power of Russian Academy of Sciences，IEE RAS）在不同結(jié)構(gòu)交流電弧等離子體炬的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)方面開(kāi)展了大量的研究工作[6-10]，開(kāi)發(fā)了以空氣等多種工作介質(zhì)的最高長(zhǎng)達(dá)數(shù)千小時(shí)使用壽命的交流電弧等離子體炬，這些裝置功率從5 kW到80 MW，熱效率達(dá)到90%～95%。

IEE RAS 的Safronov 等[6-8]研究開(kāi)發(fā)了具有不同使用目的、不同設(shè)計(jì)、不同特點(diǎn)的高功率交流等離子體炬，以允許在一個(gè)寬泛的功率范圍和壓力范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)某一特定種類(lèi)的三相交流等離子體炬的運(yùn)行。作者設(shè)計(jì)了一種單室三相交流電弧等離子體炬[6]，這是一種帶有導(dǎo)軌型管狀電極的交流電弧等離子體炬，如圖1 所示。這種等離子體炬包括：外殼、帶一個(gè)噴嘴的出口法蘭、一套電極以及一個(gè)注入器，其中外殼采用不銹鋼材質(zhì)，并設(shè)置有循環(huán)水冷通道，沿外殼的長(zhǎng)度方向設(shè)有3 組帶有切向小孔的進(jìn)氣環(huán)，每一組進(jìn)氣環(huán)都是進(jìn)行獨(dú)立供氣，電極采用U 型設(shè)計(jì)，由直徑為20 mm、帶有8 mm 內(nèi)孔的銅棒彎制而成，電極通過(guò)陶瓷絕緣件和氟塑料套管與不銹鋼殼體進(jìn)行隔離，注入器是一支高電壓?jiǎn)蜗嘟涣鞯入x子體炬，并將其插入到電極之間的空隙中。這種單室三相交流電弧等離子體炬可以采用中性介質(zhì)（氮?dú)饣蚱渌栊詺怏w）和氧化性介質(zhì)（空氣等）運(yùn)行，空氣流量從15 g/s 到70 g/s范圍內(nèi)變化，功率在100～500 kW 范圍內(nèi)變化。

圖1 帶有導(dǎo)軌型電極的等離子體炬示意圖[6]Fig. 1 Schematic of the plasma torch with rail electrodes[6]

這種設(shè)計(jì)的等離子體炬運(yùn)行的原理是通過(guò)注入器產(chǎn)生的等離子體進(jìn)入U(xiǎn) 型電極之間距離最小的空間內(nèi)，向主電極施加電壓之后，在主電極之間形成電弧，電弧在電磁力和氣動(dòng)力的作用下沿著U 型電極朝著電極間距擴(kuò)大的方向運(yùn)動(dòng)，電弧長(zhǎng)度不斷增大，弧電壓不斷提高直到電弧熄滅，然后電極之間距離最小的空間內(nèi)又發(fā)生了一次新的擊穿，如此重復(fù)上述過(guò)程。在不同電極之間主電弧快速運(yùn)動(dòng)，其速度為10～30 m/s，速度的大小取決于電流強(qiáng)度、電極的傾斜角度、工作氣體的流速以及供氣方式，電弧在縱向和橫向上運(yùn)動(dòng)，充滿了放電室內(nèi)的大部分空間。

上述注入器可以是直流電弧等離子體炬也可以是交流電弧等離子體炬，其中作者設(shè)計(jì)了一種高電壓?jiǎn)蜗嘟涣麟娀〉入x子體炬來(lái)作為上述注入器，以用來(lái)產(chǎn)生所需的等離子體，如圖2 所示。這種等離子體炬主要包括外殼、一個(gè)帶噴嘴的出口法蘭、末端可替換的電極，其設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)是這種等離子體炬有兩個(gè)圓形通道，并且這兩個(gè)圓形通道的中軸線以15°的傾角交匯在一起，然后進(jìn)入一個(gè)共同的噴嘴。電極采用紫銅或者其他復(fù)合材料做成，一端安裝于圓形通道內(nèi)，另一端與單相交流電源相連接。

圖2 帶有冷卻電極的單相交流電弧等離子體炬示意圖[6]Fig. 2 Illustration of a single-phase AC plasma torch with a cooled electrode[6]

這種單相交流等離子體炬運(yùn)行的基本原理是在電極之間加一個(gè)峰值6 kV 交變電壓的作用下，在電極尖端的凸緣和每一個(gè)通道的壁面之間的間隙發(fā)生電擊穿，產(chǎn)生了兩條電弧。這兩條電弧在切向進(jìn)入圓柱形放電通道的氣流作用下，被吹向電極的末端，并且進(jìn)一步沿著放電通道的壁面移動(dòng)到通道的末端并在噴嘴部分彼此閉合，如果電弧熄滅，則重復(fù)上述過(guò)程。這些僅在所述等離子體炬兩條放電通道的長(zhǎng)度要與可能產(chǎn)生的電弧長(zhǎng)度相匹配的條件下完成，而電弧的長(zhǎng)度是由電源的參數(shù)和工作氣體來(lái)決定的。這種單相交流等離子體炬的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，然而，這種炬也存在很多缺點(diǎn)：如產(chǎn)生的等離子體射流存在很大的溫度波動(dòng)，從而導(dǎo)致電弧的不穩(wěn)定；另外需要6～10 kV 的高電壓才能運(yùn)行，這種電源一般需要定制，電源的成本很高。

Safronov 等還設(shè)計(jì)了一種棒狀電極交流電弧等離子體炬，并以此開(kāi)展了高壓惰性氣體交流電弧等離子體炬放電物理過(guò)程的研究[7]以及熱量傳遞過(guò)程的研究分析[8]，這種棒狀電極等離子體炬按照功率不同分為兩個(gè)系列，功率達(dá)50、100、140 kW 三種型號(hào)的PPT 型等離子體炬和功率達(dá)0.2、2、10、80 MW 四種型號(hào)的EDP 型等離子體炬[9]。從設(shè)計(jì)的角度看，PPT型等離子體炬和EDP 型等離子體炬在結(jié)構(gòu)上是相同的，主要由殼體、電弧室和電極模塊組成，如圖3所示。

圖3 三相交流電弧等離子體炬示意圖(上)和實(shí)物照片(下)[7]Fig. 3 Schematics of 3-phase arc plasma torch (Up) and its photograph (Down)[7]

電極模塊采用一套紫銅本體上焊接直徑16 mm的鎢棒，所有電極的后端進(jìn)行水冷，其中一些電極還通過(guò)軸線方向的氣流進(jìn)行冷卻，殼體進(jìn)行接地處理，殼體內(nèi)部設(shè)有水冷套以防止電弧室內(nèi)高溫對(duì)于殼體的損害，絕緣體6 和7 用來(lái)將電極模塊和殼體進(jìn)行電絕緣。工作氣體從支管5 進(jìn)入旋氣室，然后通過(guò)一系列切向通道進(jìn)入弧室內(nèi)部，工作氣體壓力高達(dá)81 bar（1 bar = 100 kPa）。對(duì)于PPT 型等離子體炬采用電壓為220/380 V 的工頻三相交流電源，每一相都連接有電抗器，以實(shí)現(xiàn)平滑地調(diào)節(jié)電流，EDP 型等離子體炬工作在很寬的電壓變化范圍內(nèi)，利用帶變壓器的電源為其供電。

作者以N2為工作氣體研究了不同氣體壓力下等離子體炬的伏安特性，并同步記錄下電弧電壓變化相一致的光學(xué)信號(hào)，通過(guò)高速相機(jī)（頻率：3 600 幀/s、曝光時(shí)間：0.03 ms）來(lái)觀察等離子體炬電弧室內(nèi)的物理過(guò)程，氣體壓力范圍為1～30 bar。研究發(fā)現(xiàn)，交流電弧等離子體炬呈現(xiàn)下降的伏安特性，增大氣體流量對(duì)電弧形狀、釋放特性以及電弧穩(wěn)定性有很強(qiáng)的影響，并且電弧穩(wěn)定性在很大程度上取決于電流強(qiáng)度；在工作氣體壓力為1 bar 和電弧電流強(qiáng)度為220 A 時(shí)，能夠保持一個(gè)穩(wěn)定電弧的工作氣體流量上限為25 g/s；增大氣體壓力，電弧通道的輻射在可見(jiàn)光范圍內(nèi)逐漸消失，最后僅剩下氣體輝光，在電弧中形成一個(gè)導(dǎo)電性的通道和氣體加熱方面氣體動(dòng)力學(xué)過(guò)程起到了一個(gè)決定性的作用。此外，作者還針對(duì)等離子體炬工作氣體為N2時(shí)，不同壓力和氣體流量對(duì)弧室內(nèi)以輻射的形式損失的能量進(jìn)行了研究和分析，研究發(fā)現(xiàn)，三相交流電弧等離子體炬單位電弧長(zhǎng)度的時(shí)間平均輻射系數(shù)（εd）是壓力（p）的遞增函數(shù)，在實(shí)驗(yàn)研究參數(shù)變化的范圍內(nèi)，輻射系數(shù)可以表示為壓力的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，如式（1）和圖4 所示：

圖4 輻射率與壓力的依賴關(guān)系[8]Fig. 4 Pressure dependence of emissivity[8]

此外，輻射能量損失在整個(gè)能量損失中的占比隨著壓力的增大先是快速增加、而后趨于平緩，在弧室壓力小于1.5 MPa 時(shí)，壓力的變化對(duì)輻射能的損失份額的改變是顯著地，弧室壓力1.5 MPa 時(shí)輻射能損失約占總能量損失的75%～80%，隨著壓力的進(jìn)一步增加，輻射能損失的份額變化很小，如圖5 所示，這是由于其他形式的能量損失在弧室壓力達(dá)到一定值以后與輻射能損失對(duì)于壓力的依賴幾乎一致，從而導(dǎo)致變化很小。從圖5 中我們也可以看出，輻射熱損失份額隨著氣體流量的增加而減小，這是因?yàn)闅怏w流量的增加會(huì)導(dǎo)致對(duì)流等熱損失的增加，一般地，氣體流量的改變對(duì)于輻射能損失份額χ 的影響是很弱的，氣體流量約3 倍的改變量才會(huì)導(dǎo)致χ 約10%的改變量。

圖5 兩種不同氣流條件下（ 0.03、0.08 kg/s）輻射能損失份額χ關(guān)于壓力的變化曲線[8]Fig. 5 Share of radiant loss χ with respect to pressure at air flow rates of 0.03 kg/s and 0.08 kg/s

Surov 等[10]設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了運(yùn)行功率為150～500 kW的空心電極三相交流空氣等離子體炬，如圖6 所示，這種裝置采用旋氣穩(wěn)弧的圓柱形放電通道，兩根電極之間的電弧長(zhǎng)度約為2.5 m，可以實(shí)現(xiàn)在較高的電弧電壓降（2～3 kV）和較低的電弧電流（＜ 100 A）下工作。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，此等離子體炬最大輸出功率為500 kW，將此等離子體炬在85 A 電流、功率410 kW的實(shí)驗(yàn)條件下運(yùn)行30 min 以上，獲得炬的熱效率為92%。這種等離子體炬在電流為83 A，電弧電壓為2 800 V 時(shí)，電極的使用壽命大約為2 000 h，研究還發(fā)現(xiàn)在等離子體炬運(yùn)行的最初50 h 時(shí)間內(nèi)，電極質(zhì)量燒蝕量為1.1×10-6g/C，然后這個(gè)值逐漸增大，到運(yùn)行180 h 時(shí)，電極質(zhì)量燒蝕量穩(wěn)定在3.3×10-6g/C。

圖6 高電壓交流電弧等離子體炬[10]Fig. 6 Illustration of high-voltage AC arc plasma torch[10]

交流電弧等離子體炬雖然主要集中在三相等離子體炬的研究與開(kāi)發(fā)，但是為了在實(shí)際應(yīng)用中形成更加均勻和穩(wěn)定的等離子體高溫場(chǎng)，目前國(guó)內(nèi)外一些研究機(jī)構(gòu)已開(kāi)發(fā)出多相交流電弧等離子體炬。

日本東京工業(yè)大學(xué)和福井工業(yè)技術(shù)中心等研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合開(kāi)展了多相交流等離子體技術(shù)的研究工作，Takayuki Watanabe 等設(shè)計(jì)了一種12 相交流電弧等離子體炬[11]，采用工頻交流弧焊電源和氬氣工作介質(zhì)來(lái)產(chǎn)生了多相交流等離子體射流。為了產(chǎn)生12 相交流放電，使用了12 個(gè)單相交流弧焊電源（型號(hào)DAIHEN B-250），這些電源具有下降的伏安特性，其輸入電壓、最大空載輸出電壓、典型加載電壓、功率和電流的輸出范圍分別是200 V、80 V、32.5 V、12.4 kW 、75 ～ 250 A。將12 個(gè)單相交流弧焊電源分為兩組，每一組6 個(gè)電源分別通過(guò)“△”連接和“Y”連接與商用交流電網(wǎng)（三相交流、200 V、60 Hz）相連接，從兩組電源出來(lái)的12 個(gè)輸出線路直接與相應(yīng)的等離子體炬電極相連接。12 相交流電弧等離子體炬的電路系統(tǒng)構(gòu)成及實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的放電照片如圖7 和圖8 所示。

圖7 12 相交流電弧等離子體炬電路示意圖[11]Fig. 7 Diagram of electric circuit of 12-phase AC arc plasma torch[11]

圖8 12 相交流電弧等離子體炬放電圖[11]Fig. 8 Discharge photograph of the 12-phase AC arc plasma torch[11]

對(duì)于這種12 相交流等離子體炬，每個(gè)電極彼此之間間隔30°均布放置，這些電極根據(jù)不同的應(yīng)用可以采用不同的材質(zhì)和尺寸。作者以一種直徑3.2 mm的水冷鎢鈰電極交流電弧等離子體炬為例，通過(guò)焓探針和高速相機(jī)等手段分析了其放電行為[12]，研究發(fā)現(xiàn)輸入功率和鞘層氣體流量對(duì)多相交流電弧行為有很大影響，高輸入功率導(dǎo)致高電弧溫度和速度，當(dāng)鞘層氣體流量增加時(shí)，由于強(qiáng)烈的冷卻效應(yīng)，電弧中心的溫度升高，電弧邊緣的溫度降低。電弧速度在電弧中心和邊緣之間呈現(xiàn)明顯的變化，更詳細(xì)的電弧行為特性見(jiàn)本文1.2 節(jié)。

在國(guó)內(nèi)，清華大學(xué)工程物理系郭恒等[13]以臨近空間高超聲速飛行器以及航天器再入大氣環(huán)境飛行過(guò)程“黑障”問(wèn)題的研究為背景, 開(kāi)展了多相交流電弧等離子體放電裝置的設(shè)計(jì)。黑障是高超聲速飛行器在再入和巡航大氣層過(guò)程中，由于機(jī)體與大氣之間劇烈的摩擦作用導(dǎo)致產(chǎn)生脫體激波。激波后的氣體由于溫度的急劇升高會(huì)發(fā)生電離，在飛行器表面形成一層由電子、多種離子、多種中性粒子組成的等離子體流，包覆在飛行器的周?chē)?，形成等離子鞘套，從而導(dǎo)致飛行器與地面站之間的無(wú)線通信不能正常工作[14]。盡管目前還未建立起一種手段能夠在地面環(huán)境中完全再現(xiàn)真實(shí)的高超聲速等離子流場(chǎng)環(huán)境，但是從模擬飛行器與其周?chē)h(huán)境在某些方面的相互作用過(guò)程這一角度來(lái)看，通過(guò)電弧等離子體炬來(lái)產(chǎn)生大量等離子體包覆飛行器仍然是一種較好的地面模擬手段，這就需要在地面模擬實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生具有足夠大體積、足夠厚鞘套厚度以及足夠高等離子體密度的包覆飛行器表面的等離子體鞘套環(huán)境。為此，作者建立了一套六相交流電弧等離子體實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)，在此平臺(tái)上開(kāi)展了等離子體射流特性的實(shí)驗(yàn)研究。在背壓為500 Pa的亞大氣壓條件下獲得了最大直徑和長(zhǎng)度分別達(dá)到14 cm 和60 cm 的等離子體射流。同時(shí)，還研究了工作氣流、真空腔壓強(qiáng)等因素對(duì)等離子體射流的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，真空腔壓強(qiáng)對(duì)等離子體射流的影響最為顯著，等離子體自由射流的長(zhǎng)度和直徑以及沖擊鈍體條件下的鞘套有效工作長(zhǎng)度和厚度均隨著壓強(qiáng)的降低而增大；提高沿電極環(huán)縫注入的工作氣體流量或弧電流亦有利于等離子體鞘套尺寸的增加。此外，作者還針對(duì)非平衡態(tài)氬等離子體的射流特性開(kāi)展了數(shù)值模擬研究[15]，在亞聲速條件下二維非平衡數(shù)值模擬所得到的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果符合良好，超聲速條件下的數(shù)值模擬結(jié)果表明，隨著真空腔壓強(qiáng)的降低，等離子體射流流速明顯増大，覆蓋鈍體頭部的等離子體鞘套的厚度先減小，而后又増加，鞘套的空間均勻性以及等離子體向鈍體表面的總傳熱量均顯著降低，而鈍體頭部的局部電子數(shù)密度則増大。華北理工大學(xué)蘇運(yùn)波在其碩士論文中[16]詳細(xì)闡述了六相交流電弧放電等離子體發(fā)生器的設(shè)計(jì)、等離子體驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及等離子體射流特性的影響因素，提出了采用水冷約束管和冷氣體注入相結(jié)合來(lái)提高等離子體射流直徑和長(zhǎng)度的方法，在中等氣壓條件下獲得了放電均勻穩(wěn)定的高溫等離子體射流。

1.2 交流電弧等離子體炬的電弧特性

IEE RAS 的Surov 等[10]針對(duì)單相和三相空心電極交流電弧等離子體炬的電弧特性進(jìn)行了研究。單相模式的高電壓交流電弧等離子體炬的實(shí)驗(yàn)裝置如圖9 所示，最大功率10 kW、以空氣作為等離子體工作介質(zhì)，這種等離子體炬在10 A 時(shí)的電弧弧柱電場(chǎng)強(qiáng)度約為30～40 V/cm，而在電流為80 A 時(shí)電弧電場(chǎng)強(qiáng)度僅有7～11 V/cm，因此為了獲得較高的電弧電壓降，需要增加電弧放電通道的長(zhǎng)度至1 m 左右。單相電弧弧根點(diǎn)和弧柱通過(guò)電磁場(chǎng)和旋轉(zhuǎn)氣流來(lái)進(jìn)行控制，大部分弧柱長(zhǎng)度位于放電通道軸線方向上，一小部分在等離子體炬外部空間，因此實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢蓚€(gè)電極之間的整個(gè)電弧長(zhǎng)度約2.5 m（兩個(gè)放電通道內(nèi)部長(zhǎng)度1 m + 1 m，外部長(zhǎng)度0.5 m）。

圖9 單相模式的高電壓交流等離子體炬[10]Fig. 9 Single-phase model of high-voltage AC plasma torch[10]

三相模式下電弧在通道中的運(yùn)行與單相交流模式下的情況相同，電弧弧柱在三個(gè)通道外部彼此閉合。作者通過(guò)高速相機(jī)來(lái)觀察電弧的燃燒特性，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖10 所示，位于放電通道出口處的電弧（圖10 中相機(jī)9-S 拍攝的側(cè)方位電弧照片）和通道內(nèi)電極附近的電?。▓D10 中相機(jī)9-R 拍攝的后視圖）如圖11 所示。

圖10 高電壓空心電極三相交流電弧等離子體炬示意圖[10]Fig. 10 Schematic of high voltage three-phase AC plasma torch with hollow electrodes[10]

圖11 放電通道外部電弧（左）和電極內(nèi)表面弧根（右） [10]Fig. 11 Photo of electric arc outside the channels (L) and arc roots on the internal surface of the hollow electrode (R) [10]

圖12 顯示了空心電極交流電弧等離子體炬運(yùn)行的高速拍攝畫(huà)面（前視圖，圖10 中9-F 相機(jī)拍攝）。從圖中我們可以看到，等離子體炬通道出口處電弧的擴(kuò)散和收縮區(qū)域可見(jiàn)，在電流峰值時(shí)刻可以看到更多明亮的電弧，在相應(yīng)相電流通過(guò)零點(diǎn)的過(guò)渡處很少能夠觀察到明亮的電弧，弧光非常暗淡。

圖12 空心電極交流電弧等離子體炬的電弧[10]（高速視頻圖片，4 000 幀/s，每幀曝光時(shí)間2 μs，每一幀圖片的左邊都有編號(hào)，右邊有開(kāi)始記錄的時(shí)間）Fig. 12 Arcs of AC plasma torch with hollow electrodes[10] ( Frames of high speed video, frame rate 4 000 fps, the exposure time of each frame is 2 μs. Each frame has its number on the remaining, time from start of record is on the right. )

對(duì)于三相交流電弧等離子體炬，法國(guó)巴黎高等礦業(yè)學(xué)校Rehmet 等[17-21]從數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究?jī)煞矫鎸?duì)其進(jìn)行了研究，針對(duì)電弧區(qū)域通過(guò)理論分析開(kāi)發(fā)了一個(gè)三維非穩(wěn)態(tài)磁流體動(dòng)力學(xué)模型，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究對(duì)兩種不同結(jié)構(gòu)的三相交流電弧等離子體炬的電弧特性進(jìn)行分析。一種是三根電極軸線處于同一平面內(nèi)并以120°角交叉布置（以下簡(jiǎn)稱：120°共面交叉結(jié)構(gòu)），另一種是三根電極軸線方向在空間彼此平行但是不共面布置（以下簡(jiǎn)稱：平行不共面結(jié)構(gòu)），開(kāi)展了電參數(shù)、氣流速度、電極結(jié)構(gòu)等參數(shù)對(duì)電弧行為影響的試驗(yàn)研究和模擬計(jì)算等工作，這些研究中突出了電磁對(duì)電弧運(yùn)動(dòng)的主要影響。研究顯示不同的電極布置方式對(duì)于電弧的影響不同，在120°共面交叉結(jié)構(gòu)，電弧被限制在電極之間的空隙這一區(qū)域，電弧行為主要受到電極射流的流體動(dòng)力學(xué)作用，通過(guò)這些噴濺出來(lái)的射流將能量傳遞到不活躍的電極上幫助點(diǎn)燃電?。辉谄叫胁还裁娼Y(jié)構(gòu)，電弧將不受限制，電弧長(zhǎng)度增加了，自由燃燒的電弧通過(guò)磁泵效應(yīng)和洛倫茲力的作用被導(dǎo)向軸向和徑向運(yùn)動(dòng)。

在文獻(xiàn)[18]中作者提出了一種磁流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模型（Magneto-Hydro-Dynamic numerical model, MHD模型）來(lái)模擬采用石墨電極、以N2為工作氣體的三相交流等離子體炬的電弧特性，研究了電流和N2流速對(duì)電弧的影響，包括電弧溫度、電弧弧根位置和運(yùn)動(dòng)、等離子體運(yùn)動(dòng)速度和電位等電弧特性參數(shù)以及電弧在三根電極之間的點(diǎn)燃、熄滅和運(yùn)動(dòng)過(guò)程，獲取了此種等離子體炬電弧特性的一些初步信息，由于系統(tǒng)的復(fù)雜性，作者對(duì)此作了很多假設(shè)，包括：（1）等離子體視為一種單一連續(xù)流體介質(zhì)且滿足局部熱力學(xué)平衡（LTE）；（2）氣體不可壓縮；（3）氣體流動(dòng)是層流且屬于非定常流動(dòng)；（4）忽略感應(yīng)電流；（5）不考慮重力效應(yīng)和輻射作用。同時(shí)，通過(guò)該模型也獲得了一些通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究很難得到的重要信息，如運(yùn)行過(guò)程中由于電極蒸發(fā)噴濺出來(lái)的物質(zhì)流對(duì)電弧的運(yùn)動(dòng)和放電后等離子體流的形狀的影響，這種誘導(dǎo)產(chǎn)生的物質(zhì)流直接沿著電極尖端的法線方向并且使得部分等離子體流向壁面轉(zhuǎn)移，同時(shí)，通過(guò)這些射流將熱量傳輸至不活躍的電極，激發(fā)起新的電弧。關(guān)于電磁現(xiàn)象，增大電流會(huì)增大洛倫茲力并穩(wěn)定電極之間的電弧，而且研究顯示在電弧中施加的電流會(huì)改變電極濺射的射流速度，同時(shí)會(huì)改變放電后等離子體流的形狀。在文獻(xiàn)[19-21]中作者通過(guò)高速相機(jī)和示波器等研究手段獲得了三相交流電弧熱石墨電極等離子體炬電弧移動(dòng)和電弧電流、電壓等電信號(hào)參數(shù)，針對(duì)電源設(shè)定的不同電流和改變等離子體炬電極之間的間隙以及工作氣體的流量這幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)于電弧運(yùn)動(dòng)特性的影響進(jìn)行了研究，并將理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析[20-21]。實(shí)驗(yàn)研究顯示，電弧有四種主要形態(tài)，分別是I、V、W 和S，如圖13 所示，圖中顯示了兩個(gè)周期內(nèi)的電弧運(yùn)動(dòng)圖像，在圖13 的底部，作者給出了與理想三相交流正弦信號(hào)相對(duì)應(yīng)的相電壓的演變，電弧運(yùn)動(dòng)圖像已與該線電壓信號(hào)進(jìn)行時(shí)間關(guān)聯(lián)。在圖13 所示的前兩幀上，我們觀察到電弧的特征是兩股蒸汽射流。每個(gè)電極蒸汽射流產(chǎn)生的質(zhì)量流幾乎完全沿著其相關(guān)電極尖端的法線方向流動(dòng)。第3 幀（t= 0.11 ms）和第16 幀（t= 1.32 ms）突出顯示了這些射流向第三個(gè)非活動(dòng)電極傳輸?shù)臒崃坑兄趩?dòng)新的弧根。如第3 幀所示，在短時(shí)間內(nèi)，放電發(fā)生在三個(gè)電極之間，然后弧根斷開(kāi)而返回到兩個(gè)電極之間。之后，我們注意到電弧柱向非活動(dòng)電極移動(dòng)，在第7 幀（t= 0.36 ms）中，電弧柱到達(dá)非活動(dòng)電極。如第8 幀（t= 0.51）所示，電極產(chǎn)生的蒸汽噴濺導(dǎo)致電弧彎曲。隨后，如前所述，電極之間的間隙內(nèi)蒸汽噴射熱傳遞點(diǎn)燃新的弧根，這種電弧行為是準(zhǔn)周期性的。我們觀察到電弧根部點(diǎn)火主要受電極射流誘導(dǎo)的熱傳遞的影響，弧根優(yōu)先出現(xiàn)在熱電極區(qū)域，這使得弧根的位置有一定的重現(xiàn)性。從圖中我們可以推斷電磁洛倫茲力對(duì)電弧行為也起著重要作用，因?yàn)檫@些力傾向于將電弧拉伸到第三電極。從整體上看，我們可以得出結(jié)論，電弧行為受到感應(yīng)磁力和電極流體動(dòng)力（電極蒸氣噴濺射流）的綜合影響，如圖14 所示。

圖13 氮?dú)饨橘|(zhì)和150A RMS 相電流中三個(gè)電極之間電弧行為的圖像序列[19]（圖像與理論線電壓時(shí)間相關(guān)；電壓波形上的每條垂直線表示圖像采集的時(shí)間。為了簡(jiǎn)化描述，相電壓是正弦的，而實(shí)際波形不是正弦）Fig. 13 Image sequence of the arcs behavior between the three electrodes in nitrogen plasma gas and for a 150 A RMS phase current[19](Images are time-correlated with theoretical line voltages; each vertical line on the voltage waveforms indicates the time of image acquisition. For simplicity, the phase voltages are sinusoidal whereas the actual waveform is not sinusoidal. )

圖14 通過(guò)箭頭示意洛倫茲力（左）和電極射流（右）對(duì)電弧運(yùn)動(dòng)的影響[19]Fig. 14 Schematic of influence of Lorentz forces (L) and electrodes jet (R) on the arc motion [19]

從上面電弧的圖像序列中顯示的這些形態(tài)，我們可以很清晰地看到電弧運(yùn)動(dòng)受到了電極射流速度和兩個(gè)電極之間射流電磁斥力的影響，在電極射流電磁洛倫茲力的輔助下電弧有朝著延伸至不活躍的電極表面的傾向，此外，熱量通過(guò)電極蒸汽射流導(dǎo)向電極之間的區(qū)域傳遞引起了新的電弧弧根，這樣，在電極之間間隙的電弧運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)了熱量交換同時(shí)加強(qiáng)了三相電弧的放電。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究和模擬計(jì)算對(duì)比分析顯示，在均方根電流為100～300 A 范圍以及不同的電極間隙這兩種情況下的結(jié)果具有一個(gè)較好的一致性，關(guān)于電壓、電流-電壓相位延遲以及功率等電參數(shù)試驗(yàn)研究結(jié)果與前述模型計(jì)算結(jié)果沒(méi)有很精確的匹配。研究還顯示，電極末端的幾何形狀以及電極的布置方式對(duì)于電弧的行為和電流電壓等參數(shù)的波形圖具有很大的影響，通過(guò)將電極模型修改為圓錐形電極尖端，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀察到的現(xiàn)象能夠更好地相符，尤其是電流-電壓的相位轉(zhuǎn)換可以可通過(guò)模型計(jì)算復(fù)現(xiàn)出來(lái)；此外，作者基于文獻(xiàn)[18]中的模型提出了一種改進(jìn)型的新模型[20]，與此前只考慮電極之間的空間電弧特性不同，新的模型將電極納入了計(jì)算域內(nèi)，通過(guò)這個(gè)模型，能夠以很高的精度復(fù)現(xiàn)電極相位轉(zhuǎn)換、功率和電壓值等參數(shù)變化以及電極末端幾何形狀改變對(duì)于三相電弧等離子體放電的影響，這種改進(jìn)型的MHD 模型為更好地理解三相電弧放電提供了一種很好的方法。

對(duì)于多相交流電弧等離子體炬，日本東京工業(yè)大學(xué) Yao 等[12]給出了其電弧行為特性，如下圖15 和16 所示。圖15 顯示了一個(gè)循環(huán)中不同時(shí)間的電弧放電，圖15（a）標(biāo)記了每個(gè)電極上的相數(shù)，從圖中我們觀察到這12 相電極是按照逆時(shí)針順序進(jìn)行放電，一個(gè)完整的放電循環(huán)過(guò)程需要20 ms，圖15（a～f）顯示了一個(gè)完整放電循環(huán)中所有電極的放電行為。圖16 顯示了在50 kW 輸入功率下不同鞘層氣體流速下的電弧放電行為，在圖16（a）中可以觀察到相對(duì)均勻且較大的亮度區(qū)域，對(duì)應(yīng)于36 /min 鞘層氣體。隨著鞘層氣體流量的增加，發(fā)光面積變小，等離子體火焰變窄變長(zhǎng)。在鞘層氣體流量較小的情況下，均勻亮度區(qū)域顯示出電弧區(qū)域內(nèi)平坦的溫度分布。長(zhǎng)等離子體火焰在大鞘層氣體流量下會(huì)導(dǎo)致電弧中心溫度升高。通過(guò)焓探針測(cè)得12 相交流電弧等離子體放電區(qū)的平均溫度大約為5 000 K。與單相和三相交流等離子體炬相比，其最大的優(yōu)點(diǎn)就是電極之間有更多的放電通道，克服了單相或者三相交流電弧等離子體由于過(guò)零點(diǎn)導(dǎo)致的間歇性放電的缺陷。

圖15 一個(gè)周期內(nèi)不同時(shí)間12 相交流電弧放電圖[12]（鞘層氣：Ar，60 min-1）Fig. 15 12-phase arc discharge at different times in a cycle[12](60 min-1 Argon sheath gas)

圖16 不同氣體流量下12 相交流電弧的放電行為[12]Fig. 16 12-phase arc discharge behavior at different sheath gas flow rates[12]

1.3 交流電弧等離子體炬的電極燒蝕特性

Subbotin 等針對(duì)交流電弧等離子體炬紫銅電極在不同功率條件下的燒蝕樣品中的化學(xué)成分和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究[22]，研究發(fā)現(xiàn)，交流電弧等離子體炬在空氣介質(zhì)下運(yùn)行的紫銅電極燒蝕后的產(chǎn)物有3-羥基硝酸銅、2 價(jià)銅氧化物、1 價(jià)銅氧化物、堿式碳酸銅以及一小部分磁鐵礦物質(zhì)，這些物質(zhì)在電極燒蝕后樣品中的百分比隨著功率的不同而改變，在相對(duì)較低的功率（120～200 kW）下，主要是3-羥基硝酸銅和1 價(jià)銅氧化物，增大交流等離子體炬的運(yùn)行功率或者電流，3-羥基硝酸銅的含量顯著地增加，同時(shí)2 價(jià)銅氧化物和磁鐵礦物質(zhì)的含量也在增加，同時(shí)基于燒蝕樣品中這些成分對(duì)紫銅電極在空氣為工作氣體運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生的一些化學(xué)反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行了分析。

Kuznetsov 等[23]研究了交流電弧等離子體炬不同電極材料（紫銅、不銹鋼、鐵銅復(fù)合材料）的耐用性，并與相同功率下直流電弧等離子體炬的燒蝕情況做了對(duì)比分析。研究發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量百分比70%Cu +30%Fe 組成的復(fù)合材料比純紫銅電極的抗燒蝕性能提升了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，不銹鋼45Kh25N35C2 材質(zhì)的電極，雖然不及鐵銅復(fù)合材料，但是要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于紫銅電極的抗燒蝕性能。在低電流（＜ 30 A）和使用空氣介質(zhì)的情況下，直流電弧等離子體炬顯著地低于交流電弧等離子體炬的電極材料的燒蝕，這可能是由于交流等離子體炬電極極性改變時(shí)電弧重新點(diǎn)燃，這種反復(fù)地重新點(diǎn)燃導(dǎo)致電極材料表層的破壞。隨著電流的增大，交流電弧等離子體炬電極材料的燒蝕量明顯地低于直流等離子體炬。Dudnik 等[24]，利用前述圖2所示單相交流電弧等離子體炬，研究了包括Cu、Al、不銹鋼以及其他復(fù)合材料在內(nèi)的十幾種不同材料制成的等離子體炬電極的質(zhì)量燒蝕率，結(jié)果顯示，70%Cu + 30%Fe 組成的復(fù)合材料的電極抗燒蝕性能最好，這與Kuznetsov 等的研究結(jié)果相一致。

1.4 水蒸汽對(duì)交流電弧等離子體炬的影響

對(duì)于電弧等離子體炬的工作介質(zhì)氣體，一般以某一種或幾種惰性氣體或空氣等具有氧化性氣氛的氣體作為工作介質(zhì)，而對(duì)于有水蒸汽這種特殊成分的氣體對(duì)三相交流電弧等離子體炬工作特性有何影響，Rutberg 等[25]以蒸汽和空氣混合氣體作為工作氣體通入三相高電壓交流電弧等離子體炬，對(duì)這種蒸汽型等離子體炬的特性進(jìn)行了研究，蒸汽型等離子體炬及其放電如圖17 所示。研究顯示當(dāng)混合氣流量保持6.8 g/s 不變，而蒸汽/空氣流量比從1.2 上升至5.8 時(shí)，電弧電壓從1 145 V 升高到1 853 V，而電流保持不變，功率從57 kW 升高到87 kW，熱效率為94%～95%，研究發(fā)現(xiàn)保持空氣加蒸汽的總流量不變而改變蒸汽/空氣的流量比例對(duì)電弧長(zhǎng)度和電弧直徑的影響很微弱，電弧平均直徑為4.47 mm、電弧平均長(zhǎng)度為798 mm；增加蒸汽含量將增大等離子體炬放電通道內(nèi)的熱量傳遞比例，從而降低電弧的溫度并因此而降低其電導(dǎo)率。根據(jù)熱動(dòng)力學(xué)平衡方法計(jì)算得到等離子體電弧溫度為10 000～11 500 K 這一區(qū)間。

圖17 三相空氣-蒸汽型等離子體炬示意圖及其外部電弧照片[25]Fig. 17 Three-phase air-steam plasma torch schematic and the external part of the arc column[25]

綜合國(guó)內(nèi)外在交流電弧等離子體炬的研究現(xiàn)狀，我們可以發(fā)現(xiàn)，交流電弧等離子體炬相比于直流電弧等離子體炬，有著更加豐富的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和相電極布局形式，可以產(chǎn)生單相、三相甚至多相交流電弧等離子體，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中可以做到更好地匹配其應(yīng)用環(huán)境中對(duì)于等離子體的分布要求；而且，由于交流電弧等離子體炬電弧在不同相電極之間交替變化的運(yùn)動(dòng)特性[10,17-19]，同等工作條件下相比直流電弧等離子體炬具有電極使用壽命更長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)；此外，直流電弧等離子體炬的運(yùn)行需要配備一套整流裝置，將工業(yè)交流電通過(guò)整流輸出為直流電加載在電極之間才能保持穩(wěn)定運(yùn)行，因而交流電弧等離子體炬從裝備成本方面考慮經(jīng)濟(jì)性更好一些，尤其是在大功率等離子體炬的應(yīng)用方面。因此，無(wú)論是從長(zhǎng)壽命，還是裝備投資經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行成本方面考慮，交流電弧等離子體炬在工業(yè)領(lǐng)域都具有很好的應(yīng)用前景。

2 交流電弧等離子體炬的應(yīng)用研究

目前，在電弧等離子體應(yīng)用的各領(lǐng)域中，直流和交流電弧等離子體均有應(yīng)用，本文接下來(lái)將詳細(xì)闡述交流電弧等離子體在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用情況。

2.1 固體廢棄物處理

通過(guò)電弧等離子體炬對(duì)固體廢棄物進(jìn)行減量化、無(wú)害化和資源化處理是當(dāng)前電弧等離子體技術(shù)的一個(gè)應(yīng)用熱點(diǎn)，美國(guó)Westinghouse 和Phoenix Solutions、法國(guó)Europlasma、英國(guó)Tetronics 和Advanced Plasma Power 等公司在固體廢棄物等離子體處理研究方面均有大量工程應(yīng)用報(bào)道[26-27]，這幾家公司分別根據(jù)各自開(kāi)發(fā)的直流轉(zhuǎn)移弧或非轉(zhuǎn)移弧等離子體技術(shù)來(lái)開(kāi)展廢棄物等離子體氣化熔融處理，另外一些公司根據(jù)Westinghouse、Europlasma 或者Phoenix Solutions 公司等離子體炬的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出自己的一套固廢處理設(shè) 備， 如Plasma Arc Technologies、 加 拿 大Plasco Energy Group、 土 耳 其Enersol Technologies、 德 國(guó)Bellwether Gasification Technologies、 美 國(guó) Startech Environmental、 Green Power Systems、 日 本 Hitachi Metals 等[26]；國(guó)內(nèi)，在電弧等離子體固體廢棄物處理領(lǐng)域起步較晚，中科院力學(xué)所、等離子體物理研究所、廣州能源研究所和清華大學(xué)等科研院所和高校開(kāi)展了一系列實(shí)驗(yàn)研究工作，但是在交流電弧等離子體炬的應(yīng)用研究方面還是比較少[27]。在三相交流電弧等離子體固體廢棄物處理技術(shù)研究方面，IEE RAS 等機(jī)構(gòu)開(kāi)展了大量實(shí)驗(yàn)研究工作，以開(kāi)發(fā)的各種形式三相交流電弧等離子體炬為基礎(chǔ)，進(jìn)行了固廢等離子體氣化處理的實(shí)驗(yàn)研究，多應(yīng)用于垃圾焚燒爐飛灰、塑料和木材等的處理[25,28-30]。

對(duì)于垃圾焚燒爐產(chǎn)生的飛灰因含有二噁英等持久性有機(jī)污染物而被列入危險(xiǎn)廢棄物，需要進(jìn)一步無(wú)害化處理，Subbotin 等[28]利用三相交流電弧等離子體炬來(lái)處理粒徑大約為10～50 mm 垃圾焚燒爐灰渣，等離子體炬功率為75 kW，工作氣體采用空氣，其流量為8.8 g/s，熔融溫度為1 300 ℃以上，液態(tài)熔渣經(jīng)過(guò)水冷后，產(chǎn)生了2～3 mm 大小的穩(wěn)定玻璃體渣。實(shí)驗(yàn)研究在如圖18 所示的一個(gè)等離子體反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，等離子體噴槍安裝于反應(yīng)器的上部，將一批10 kg焚燒爐飛灰放入反應(yīng)器內(nèi)底部，物料表面的溫度通過(guò)雙光束高溫計(jì)進(jìn)行測(cè)量，整個(gè)加熱時(shí)間為7 h，等離子體噴槍功率為75 kW，開(kāi)始階段，反應(yīng)器內(nèi)物料表面的溫度快速被加熱到1 250 ℃，然而，隨后一小時(shí)內(nèi)溫度又緩慢降至1 200 ℃，然后再次被加熱至1 300 ℃，這可能是飛灰熔化過(guò)程中物態(tài)改變吸收了大量的熱量。

圖18 等離子體反應(yīng)器實(shí)物圖和原理示意圖[28]Fig. 18 Photograph of a plasma chemical reactor and scheme of a plasma chemical reactor [28]

Rutberg 等利用交流電弧等離子體炬對(duì)塑料垃圾和木材等的氣化處理進(jìn)行了研究[25,29]，作者以上述蒸汽型三相高電壓交流電弧等離子體炬及其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以質(zhì)量守恒和能量平衡法并假設(shè)垃圾中的無(wú)機(jī)成分不參與化學(xué)反應(yīng)以及不存在熱量損失的情況下，針對(duì)塑料垃圾分析了此種等離子體炬應(yīng)用于垃圾處理中的效果，經(jīng)過(guò)等離子體炬氣化處理后合成氣產(chǎn)量為3.62～3.48 m3/kg，合成氣主要成分的體積分?jǐn)?shù)為：H2：55.5%～62.5%、CO：32.8%～34.1%，能量消耗為11.0～12.3 MJ/kg；作者針對(duì)俄羅斯、加拿大、巴西和美國(guó)等木材資源特別豐富的國(guó)家，每年因產(chǎn)生大量的木質(zhì)殘?jiān)?，為了更好地利用這些廢棄物資源，作者利用空氣介質(zhì)三相交流電弧等離子體炬來(lái)對(duì)木材或木質(zhì)殘?jiān)M(jìn)行氣化處理產(chǎn)生合成氣并進(jìn)一步將合成氣轉(zhuǎn)化成能源，研究顯示，含水率20%的1 kg 木材在消耗2.16 MJ/kg 能量進(jìn)行處理過(guò)后可以產(chǎn)生13.5 MJ化學(xué)能，根據(jù)計(jì)算，這些能量可以產(chǎn)生8.58 MJ/kg 的電能以及7.47 MJ/kg 的熱能，從含水率20%低位熱值13.9 MJ/kg 的木材初始能量轉(zhuǎn)化成電能的能量轉(zhuǎn)換效率為46.2%。Surov 等[30]利用三相交流電弧等離子體炬在一個(gè)固定床下吹式氣化爐中對(duì)木材、煤炭以及垃圾衍生燃料（RDF）進(jìn)行等離子體氣化處理實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果顯示，產(chǎn)品中H2和CO 的體積含量達(dá)到43%～55%、氣化處理后產(chǎn)氣的低位熱值高達(dá)6.61 MJ/m3、原材料處理的能耗為1.4 ～ 2.5 MJ/kg。

2.2 新材料制備

（1）富勒烯。富勒烯是由N個(gè)碳原子組成的一系列球形分子的總稱，在富勒烯家族中最常見(jiàn)的是由60 個(gè)碳原子組成的一個(gè)球狀物質(zhì)C60，后來(lái)還發(fā)現(xiàn)有N= 70、76、78、82、84 等富勒烯分子，甚至N≈1 000 的巨型富勒烯；與富勒烯的發(fā)現(xiàn)幾乎同時(shí)，碳納米管的研究也開(kāi)始了，碳納米管是由石墨平面卷成的一個(gè)管子，管的一端或者兩端都堵上由富勒烯做成的帽子[31]。

法國(guó)Fulcheri 等設(shè)計(jì)了一種三相交流電弧等離子體制備富勒烯的系統(tǒng)裝置[32]，如圖19 所示，系統(tǒng)裝置主要由一套100 kW 的三相交流石墨電極等離子體炬、一個(gè)具有隔熱性質(zhì)的反應(yīng)室（內(nèi)徑0.35 m、高度2.0 m，其中高溫反應(yīng)區(qū)內(nèi)徑0.35 m、高度0.5 m）、一個(gè)聚四氟乙烯布袋過(guò)濾器（用于粉末收集）、供粉裝置以及水冷裝置等組成。與當(dāng)時(shí)傳統(tǒng)的電弧處理技術(shù)最主要的不同之處是，當(dāng)時(shí)傳統(tǒng)電弧等離子體制備富勒烯是以石墨電極在運(yùn)行過(guò)程中電極消耗作為碳源，而Fulcheri 等設(shè)計(jì)的這套裝置碳輸入速度并不限定于電極的侵蝕速度，而是可以單獨(dú)地進(jìn)行控制，以克服當(dāng)時(shí)傳統(tǒng)等離子體技術(shù)不能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)化量產(chǎn)的缺陷。作者通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)[32-33]研究了不同粉末種類(lèi)（包括焦炭、人造石墨、天然石墨、炭黑以及乙炔黑等多種不同等級(jí)、不同粒徑的碳材料前驅(qū)體物質(zhì)）和給粉速度、不同電弧等離子體功率、不同工作氣體種類(lèi)和氣流速度等對(duì)于石墨烯生成的影響。

圖19 富勒烯等離子體制備裝置示意圖[32]Fig. 19 Schematic of fullerene production device with plasma[32]

研究發(fā)現(xiàn)，富勒烯的產(chǎn)生高度依賴于碳材料前驅(qū)體，通過(guò)3 種規(guī)格的乙炔黑和人造石墨粉為前驅(qū)體均有富勒烯生成，而通過(guò)焦炭和炭黑為前驅(qū)體未檢測(cè)到有富勒烯生成，前驅(qū)體中碳的純度對(duì)于富勒烯的生成是一項(xiàng)非常敏感的影響參數(shù)，O、H、S 的存在，即使是很低的濃度，對(duì)于富勒烯的生成均有負(fù)面的影響。實(shí)驗(yàn)研究還發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生的富勒烯由C60 和C70 組成，其中C60/C70 的比例在不同的試驗(yàn)樣品中有細(xì)微的差別，平均值約為75% 的C60 和25%的C70。對(duì)于采用不同的工作氣體來(lái)產(chǎn)生等離子體，當(dāng)使用N2時(shí)，在實(shí)驗(yàn)樣品中未能檢測(cè)到富勒烯生成，這很可能是在高溫環(huán)境下生成了穩(wěn)定的雙原子物質(zhì)，如CN，這種物質(zhì)阻礙了碳團(tuán)簇物質(zhì)的生成；而采用He 為等離子體工作氣體比采用Ar 時(shí)，會(huì)產(chǎn)生更多的富勒烯。此外，通過(guò)收集到的沉積在富勒烯制備反應(yīng)器內(nèi)吸入管的上半部外表面和下半部外表面以及吸入管內(nèi)部表面上三種炭灰樣品分析顯示，這三種不同位置富勒烯的生成均有不同，其中吸入管下半部分外表面比上半部分外表面大約高出5 倍的生成量，這與文獻(xiàn)[34]中提出的富勒烯會(huì)受到等離子體區(qū)域釋放出來(lái)的紫外光輻射導(dǎo)致的光化學(xué)降解作用相一致，所以導(dǎo)致位于吸入管上半部分受到了等離子體發(fā)出的光化學(xué)降解作用。

俄羅斯Novikov 等提出了一個(gè)碳-氦氣等離子體中富勒烯生成的動(dòng)力學(xué)模型[35]，這個(gè)模型考慮了在形成一個(gè)化學(xué)結(jié)合體或者與緩沖氣體碰撞時(shí)碳原子簇的加熱和冷卻過(guò)程，通過(guò)該模型計(jì)算分析顯示，富勒烯的生成效率取決于碳簇在凝聚過(guò)程中的冷卻速率，通過(guò)該模型計(jì)算可以定性地模擬一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果。Dudnik 等對(duì)比分析了石墨電極直流和交流電弧等離子體在合成富勒烯的過(guò)程中反應(yīng)器內(nèi)氦氣壓力對(duì)于富勒烯的產(chǎn)量以及富勒烯中C60 和C70 等不同成分的影響規(guī)律[36]，作者分別將三相交流和直流電弧等離子體炬以同一位置同一角度插入反應(yīng)器內(nèi)，結(jié)果顯示，在直流電弧模式下，石墨轉(zhuǎn)化成富勒烯灰的量顯著地減少了，因?yàn)樵谶@一模式下一部分石墨要轉(zhuǎn)化為陰極沉積物，而在陰極沉積物中沒(méi)有富勒烯生成；而在交流電弧模式下，可以避免陰極沉積物的產(chǎn)生，石墨的整個(gè)轉(zhuǎn)化過(guò)程都將生成富勒烯灰。當(dāng)增加反應(yīng)器內(nèi)壓力，在直流電弧模式下，陰極沉積物產(chǎn)生的比例降低了，在壓力為33.3 kPa 時(shí)，陰極沉積物最大沉積量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為47%，相應(yīng)的富勒烯灰中富勒烯的最大產(chǎn)量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.3 %；在交流電弧模式下，富勒烯灰中富勒烯在反應(yīng)室中氦氣壓力為50 kPa 和127.5 kPa 兩種情況下均有最大值，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10.0%和10.2%。這說(shuō)明相比于直流電弧等離子體，在交流電弧等離子體模式下合成富勒烯更有優(yōu)勢(shì)。

（2）碳納米管。在碳納米管的制備方面，日本福井縣工業(yè)技術(shù)中心Matsuura、福井大學(xué)Taniguchi 和東京工業(yè)大學(xué)Watanabe 等，采用上述12 相交流電弧等離子體技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種用于碳納米管（Carbon Nanotubes，CNTs）規(guī)?；圃斓碾娀〉入x子體反應(yīng)器[11]。此反應(yīng)器中，在氦氣氣氛下，石墨電極之間通過(guò)12 相交流電弧等離子體放電產(chǎn)生碳納米管。等離子體炬采用棒狀石墨電極，直徑12 mm，長(zhǎng)度500 mm，石墨純度為99.995%。圖20 為反應(yīng)器內(nèi)部實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖，其中基底為304 不銹鋼板制成，長(zhǎng)320 mm，寬50 mm，厚度為1 mm，不銹鋼基底上端懸掛于反應(yīng)器內(nèi)部頂面上，基底的下端離12 個(gè)電極構(gòu)成的平面中心往上10 mm。被12 個(gè)電極末端包圍著的等離子體放電圓形區(qū)域的直徑將近60 mm。將反應(yīng)器內(nèi)凈化過(guò)后，充入純度為99.99%的氦氣，并保持反應(yīng)器內(nèi)部壓力為80 kPa，等離子體的放電電壓為20～45 V，電流為70～100 A。在1 小時(shí)的放電過(guò)程中，碳納米管從電極的蒸發(fā)過(guò)程中制備，在基底的表面以及反應(yīng)器的內(nèi)表面上出現(xiàn)大量煙灰狀沉積物。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將基底表面自上而下均勻地分為9 個(gè)部分，并將沉積在上面9 個(gè)不同區(qū)域的生成物質(zhì)小心地收集起來(lái)，通過(guò)掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、拉曼光譜等分析測(cè)試手段對(duì)相應(yīng)的生成物質(zhì)進(jìn)行了形貌特征分析和光譜特征分析。研究發(fā)現(xiàn)，制備碳納米管的最佳溫度區(qū)間是1 000～1 250 ℃，獲得的多層碳納米管的直徑在20～40 nm 之間，基底上部和下部相比中間部分無(wú)定型碳的成分更高一些，相反，中間部分觀察到的碳納米管更多，幾乎很少量的無(wú)定型碳。這種12 相交流等離子體放電制備碳納米管的方法仍然處于發(fā)展的過(guò)程中，需要在溫度控制和等離子體速度分布方面進(jìn)行大量的研究，另外，在原材料的導(dǎo)入速度以及制備好的碳納米管的收集等方面還未開(kāi)展研究工作，因此，這種方法制得的碳納米管的質(zhì)量還較差。然而，盡管如此，12 相交流等離子體放電法仍然有其優(yōu)點(diǎn)，它能夠提供更大的高溫區(qū)域，這對(duì)于原材料在高溫區(qū)域的停留時(shí)間變得更長(zhǎng)，有利于將其推廣到碳納米管合成的大規(guī)模生產(chǎn)。

圖20 反應(yīng)器內(nèi)部實(shí)驗(yàn)裝置示意圖[11]Fig. 20 Schematic of the experimental setup inside the reactor[11]

（3）炭黑。炭黑是碳納米材料的一種，法國(guó)Fabry 和Fulcheri 等提出了一種等離子體制備炭黑的新工藝[37-38]，通過(guò)一個(gè)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的反應(yīng)器，如圖21 所示，利用100 kW 三相交流電弧等離子體炬將碳?xì)浠衔镌谌毖醯臍夥障铝呀猥@得新的炭黑等級(jí)，基于顆粒在等離子體反應(yīng)器內(nèi)高溫區(qū)（電弧區(qū)域）存在顆粒再循環(huán)而導(dǎo)致的碳表層石墨化現(xiàn)象分析了炭黑顆粒的形成機(jī)制并且揭示了反應(yīng)器內(nèi)部流體流動(dòng)和顆粒形成機(jī)制的關(guān)系。在作者提出這種炭黑制備方式之前，絕大部分（99%以上）的炭黑是通過(guò)不完全燃燒產(chǎn)生的，與這種方式相比，等離子體制備炭黑的生產(chǎn)工藝不會(huì)產(chǎn)生CO2以及SOx和NOx等污染物，因而是一種更加清潔的處理方法；同時(shí)，在產(chǎn)生炭黑的過(guò)程中也產(chǎn)生了H2和CH4等其他氣體物質(zhì)，產(chǎn)品更加豐富；此外，由于電弧等離子體提供了反應(yīng)器內(nèi)傳統(tǒng)不完全燃燒無(wú)法達(dá)到的高溫高焓作用，因此獲得了新的炭黑等級(jí)。

圖21 炭黑和氫氣制備實(shí)驗(yàn)裝置[38]Fig. 21 Schematic of Pilot device for the production of carbon black and hydrogen[38]

2.3 材料熱處理

在玻璃制造工業(yè)，傳統(tǒng)的玻璃熔融處理需要使用石油等化石燃料或者天然氣作為燃料來(lái)加熱熔融爐內(nèi)的玻璃原材料，由于批量化處理過(guò)程中，熔爐內(nèi)大量的原材料加熱過(guò)程太慢，需要花費(fèi)數(shù)天時(shí)間才能達(dá)到一個(gè)均質(zhì)化的玻璃狀態(tài)，尤其是熔化和去除熔融態(tài)玻璃中的氣泡等提純工藝過(guò)程，整個(gè)工藝需要消耗大量的能源和時(shí)間，從節(jié)能和環(huán)保的角度來(lái)考慮，該技術(shù)從19 世紀(jì)中期德國(guó)西門(mén)子兄弟創(chuàng)立以來(lái)，雖然經(jīng)過(guò)一系列改良優(yōu)化，但節(jié)能的效果有限，環(huán)保的壓力也很大?；诖?，東京工業(yè)大學(xué)Tanaka 和Yao 等提出了一種新型交流電弧等離子體玻璃熔融處理技術(shù)[39-40,12]，該技術(shù)的思想是將顆粒在空中運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中通過(guò)一種“混合等離子體”高溫區(qū)熔化后進(jìn)入熔融區(qū)逐個(gè)轉(zhuǎn)變成玻璃，這一過(guò)程的處理時(shí)間是毫秒級(jí)，所謂的“混合等離子體”是將多相交流電弧等離子體結(jié)合富氧燃燒形成的一種混合體，這種混合等離子體能使得整個(gè)反應(yīng)器核心區(qū)形成更加均勻的高溫區(qū)，將玻璃原材料造粒粉輸送到等離子體區(qū)域并與其充分接觸，顆粒在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中碳酸鹽被分解成氣體在處理的過(guò)程中被去除掉，與傳統(tǒng)的熔融處理方法相比，同等產(chǎn)量的整個(gè)玻璃化處理過(guò)程時(shí)間大大降低了。實(shí)驗(yàn)裝置如圖22 所示，這種反應(yīng)器將多相交流等離子體和氧燃燒器結(jié)合起來(lái)，包括反應(yīng)器、給粉輸粉裝置、交流電源、供氣系統(tǒng)以及冷卻系統(tǒng)等裝置，多相交流電弧等離子體炬的電極沿著反應(yīng)器圓周方向均勻地布置，電極分為上下兩層，下層電極水平布置，上層等離子體炬的電極出口方向朝下并與下層電極形成30°角，這樣可以增大等離子體區(qū)域在縱向上的范圍，等離子體炬采用鎢鈰電極并以純度為99.99%的氬氣為工作氣體。

圖22 等離子體混合熔融爐示意圖[39]Fig. 22 Schematic of the hybrid plasma melter[39]

在文獻(xiàn)[12]中，作者分別研究了6 相交流等離子體和12 相交流電弧等離子體對(duì)于顆粒熔融行為的影響，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1 所示，研究獲得了輸入功率和邊氣等參數(shù)對(duì)于6 相和12 相交流電弧等離子體溫度和等離子體速度的影響規(guī)律，電弧功率和邊氣流量的增大導(dǎo)致顆粒的玻璃化程度加大，顆粒的收縮率與其玻璃化程度相關(guān)。

表1 試驗(yàn)運(yùn)行條件[12]Table 1 Experimental operating conditions[12]

綜上所述，交流電弧等離子體炬在實(shí)際應(yīng)用中有著良好的應(yīng)用效果。固廢處理中，電弧等離子體作為一種高能量載體介入到所需處理的廢料中，為其提供熱解、氣化或燃燒反應(yīng)所需的能量，是其應(yīng)用的主要目的之一，同時(shí)等離子體的高溫、高活性能夠很好地參與到二噁英等持久性有機(jī)污染物的降解反應(yīng)和灰渣中重金屬的熔融固化過(guò)程中；在碳納米材料的制備中，電弧等離子體除了作為一個(gè)高溫載體參與到碳材料的熱處理過(guò)程中，還為碳納米材料的制備過(guò)程提供了大量的活性粒子，這些帶電粒子不斷地去轟擊碳顆粒群，激發(fā)這些待處理的碳顆粒產(chǎn)生更多的碳蒸氣，最后在冷卻的過(guò)程中凝結(jié)后形成各種碳納米材料，同時(shí)，電弧等離子體由于介質(zhì)氣體的可選擇性，為實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中提供了可控的反應(yīng)氣氛。電弧等離子體技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用[1-2,9]，雖然本文只論述了交流電弧等離子體炬在固體廢棄物處理、碳納米材料的制備以及其他材料的熱處理方面的研究，但是作為提供等離子體的一種方式，在其他需要電弧等離子體介入的環(huán)境中都可以得到很好的應(yīng)用。

3 結(jié) 論

交流電弧等離子體炬由于每一相電極在交替地充當(dāng)著陽(yáng)極和陰極的角色，因此，相比于直流電弧等離子體炬具有更長(zhǎng)的電極使用壽命和經(jīng)濟(jì)性，在工業(yè)應(yīng)用中有著很好的應(yīng)用前景。然而，僅有少數(shù)研究機(jī)構(gòu)成功開(kāi)發(fā)出了交流電弧等離子體炬以及利用交流電弧等離子體炬開(kāi)展工業(yè)應(yīng)用研究工作。

在交流電弧等離子體的研究與開(kāi)發(fā)方面，目前已形成單相、三相以及多項(xiàng)交流電弧等離子體炬等多種結(jié)構(gòu)形式，并且針對(duì)各種結(jié)構(gòu)形式的交流電弧等離子體炬的工作特性和運(yùn)行規(guī)律進(jìn)行了研究。俄羅斯IEE RAS 在過(guò)去的二十年中開(kāi)發(fā)出了包括氧化性工作介質(zhì)中連續(xù)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)達(dá)2 000 h 以上的一系列交流電弧等離子體炬，這些等離子體炬的功率涵蓋幾十千瓦到幾十兆瓦，研究獲得了這些交流電弧等離子體炬在大氣壓和高壓環(huán)境下的放電過(guò)程以及紫銅和銅合金等多種不同種類(lèi)電極材料的燒蝕特性，為交流電弧等離子體炬的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用做出了很大的貢獻(xiàn)；法國(guó)在交流電弧等離子體炬的理論研究方面，開(kāi)發(fā)了一種三維非穩(wěn)態(tài)磁流體動(dòng)力學(xué)模型，并通過(guò)該模型獲得了三相交流等離子體炬各種參數(shù)和弧根位置與電弧運(yùn)動(dòng)規(guī)律，同時(shí)開(kāi)展了一系列實(shí)驗(yàn)研究工作來(lái)驗(yàn)證模型分析的結(jié)果，通過(guò)對(duì)比分析提出了一種改進(jìn)型的新模型，新的模型不僅可以很好地模擬各種電弧參數(shù)和電弧在不同電極之間的點(diǎn)燃、熄滅和運(yùn)動(dòng)過(guò)程，而且能夠以很高的精度復(fù)現(xiàn)電極相位轉(zhuǎn)換、功率和電壓值等參數(shù)變化以及電極末端幾何形狀改變對(duì)于三相電弧等離子體放電的影響，這種改進(jìn)型的MHD 模型為更好地理解三相電弧放電提供了一種很好的方法；與俄羅斯和法國(guó)專注于單相及三相交流電弧等離子體技術(shù)不用，日本東京工業(yè)大學(xué)等機(jī)構(gòu)開(kāi)展了多相交流等離子體技術(shù)的研究工作，并設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了6 相和12 相交流電弧等離子體炬，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析獲得了多相交流電弧等離子體的放電行為，與單相和三相交流等離子體相比，其最大的優(yōu)點(diǎn)就是電極之間有更多的放電通道，克服了單相或者三相交流電弧等離子體由于過(guò)零點(diǎn)導(dǎo)致的間歇性放電的缺陷；國(guó)內(nèi)清華大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展了多相交流電弧等離子體放電裝置和等離子體驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并建立了一套六相交流電弧等離子體實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)，在此平臺(tái)上開(kāi)展了等離子體射流特性的及等離子體射流的影響規(guī)律等研究工作，提出了采用水冷約束管和冷氣體注入相結(jié)合來(lái)提高等離子體射流直徑和長(zhǎng)度的方法，在中等氣壓條件下獲得了放電均勻穩(wěn)定的高溫等離子體射流。

電弧等離子體技術(shù)作為熱等離子體技術(shù)的一種，在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景，交流電弧等離子體炬由于其較長(zhǎng)的電極使用壽命以及高效率的電熱轉(zhuǎn)化能力，在工業(yè)領(lǐng)域中具有比直流電弧等離子體更好的應(yīng)用價(jià)值，因而理論上在現(xiàn)有直流電弧等離子體應(yīng)用的各領(lǐng)域中，均可以通過(guò)交流電弧等離子體炬來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前，交流電弧等離子體炬在石墨烯、碳納米管和炭黑等納米材料的制備以及固體廢棄物的等離子體處理方面均有大量應(yīng)用研究。未來(lái)，在納米材料的制備以及其他超細(xì)顆粒的制備改性等方面依然具有很好的應(yīng)用研究前景，同時(shí)在等離子體化工、材料熱處理以及材料表面涂層及修復(fù)等多方面均有很大的應(yīng)用研究?jī)r(jià)值。