第一節(jié) 產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

熱等離子體技術(shù)的進(jìn)展，主要取決于等離子體炬的水平。目前國外已有專門的公司生產(chǎn)工業(yè)用的各種成套等離子體加熱系統(tǒng)，功率從幾個(gè)千瓦到幾十兆瓦，有些壽命已過千小時(shí)。Ar和N2作為保護(hù)性氣體的技術(shù)難度較小，已經(jīng)基本解決。而在含氧氣氛（空氣、氧氣、工業(yè)普氮）中工作的空心電極技術(shù)難度較大。近年來熱等離子體炬在基礎(chǔ)理論、實(shí)驗(yàn) 研究 、數(shù)值模擬和診斷等領(lǐng)域都有所發(fā)展。

熱等離子體炬的基礎(chǔ)理論 研究 包括電弧、氣流、磁場(chǎng)及其相互作用等，各國的等離子體實(shí)驗(yàn)室基本都基于自行研制的炬開展電弧及電極現(xiàn)象的 研究 。VValincius等人利用自己設(shè)計(jì)制造的線性組合式直流等離子體炬，在大氣壓空氣條件下測(cè)量并 分析 了其運(yùn)行情況、熱特性以及等離子體射流的熱焓和速度分布， 研究 了弧電流、氣流量和陽極直徑對(duì)伏安特性和熱效率的影響。H．Min等人設(shè)計(jì)制造了一個(gè)中空電極的等離子體炬，利用空氣作為工作氣體，基于輸入電流、氣體流量和電極直徑 研究 了它的熱特性及運(yùn)行狀況。

熱等離子體的模擬大致包括熱力學(xué)特性、輸運(yùn)特性以及等離子體射流的模擬。在完全熱力學(xué)平衡時(shí)，其熱力學(xué)特性的計(jì)算比較容易；對(duì)于輸運(yùn)特性而言就很復(fù)雜了。許多計(jì)算使用電子溫度高于重粒子溫度的雙溫等離子體模型，近年來的計(jì)算還計(jì)入了動(dòng)力學(xué)系數(shù)，但由此使得計(jì)算時(shí)間大了3個(gè)數(shù)量級(jí)。雙溫等離子體模型的輸運(yùn)計(jì)算現(xiàn)在已經(jīng)明確了，由于電子質(zhì)量小，因而忽略了電子與重粒子的耦合，但對(duì)于擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算就不適用了。對(duì)等離子體射流的計(jì)算由于其中心溫度很高，處于層流狀態(tài)，而邊緣的溫度低，處于湍流狀態(tài)就顯得相當(dāng)復(fù)雜，一般使用標(biāo)準(zhǔn)的k_￡湍流模型計(jì)算射流區(qū)域，而射流中心及尾部采用低雷諾k-e模型。

等離子體診斷對(duì)于等離子體射流來說，一般是測(cè)量等離子體溫度、成分濃度或密度、氣體速度及熱流通量。對(duì)于等離子體射流中的飛行粒子則是測(cè)量其溫度、粒子尺寸和速度等。探針和光譜測(cè)量是較常規(guī)的技術(shù)，激光掃描和CCD成像技術(shù)的發(fā)展為診斷技術(shù)帶來了新的機(jī)遇。電壓波形 分析 以及射流聲學(xué) 分析 等手段為在線控制提供了極大的幫助?；煦缋碚撘查_始嘗試應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的 分析 。我國在熱等離子體技術(shù)的 研究 領(lǐng)域近年來也取得了較大的進(jìn)步，許多 研究 所和高校都在開展這方面的工作。其中，中科院力學(xué)所和清華大學(xué)等在電極現(xiàn)象和弧根特性方面的 研究 較多，而復(fù)旦大學(xué)等則在數(shù)值模擬和診斷技術(shù)上發(fā)展較快。

第二節(jié) 產(chǎn)品工藝特點(diǎn)或流程

目前，熱等離子體技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域得到了較大的擴(kuò)展，在傳統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，熱等離子體技術(shù)已趨向成熟，并有所發(fā)展，與此同時(shí)又?jǐn)U展了許多新的應(yīng)用領(lǐng)域。等離子體切割及焊接技術(shù)可以說比較成熟，應(yīng)用也比較穩(wěn)定。在涂鍍、材料合成、化工以及廢物處理等領(lǐng)域的應(yīng)用異?；钴S。

等離子體涂鍍包括噴涂、汽相化學(xué)沉積等。噴涂技術(shù)應(yīng)用范圍從耐腐蝕、耐熱和耐磨涂層到生產(chǎn)整體的最終形狀金屬或陶瓷部件，甚至超導(dǎo)材料也可以通過等離子體噴涂過程進(jìn)行沉積。除了最普遍的大氣等離子體噴涂過程外，其他等離子體噴涂過程諸如低壓噴涂、超聲速噴涂等也得到了發(fā)展。熱等離子體化學(xué)汽相沉積（TPCVD）是近幾年發(fā)展起來的技術(shù)，具有速度快、質(zhì)量高的優(yōu)點(diǎn)。目前 研究 與開發(fā)主要集中在邊界和基材表面化學(xué)反應(yīng)情況、控制鍍膜的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量、鍍膜的生長(zhǎng)速率及附著力等方面。

熱等離子體材料合成應(yīng)用較早的是固氮、生產(chǎn)乙炔和乙烯等，典型的Huls反應(yīng)器利用1m長(zhǎng)8.5Mw的渦流穩(wěn)定弧，已成功運(yùn)行了50年。近來的 研究 主要集中在等離子體合成納米粉末及碳納米管。利用熱等離子體的高溫和高溫梯度，可以合成小到納米級(jí)的細(xì)粉末，目前的 研究 集中在非氧化物粉末（氮化物和碳化物）。熱等離子體合成碳納米管還基本處于 研究 階段。

熱等離子體處理廢物具有反應(yīng)速度快、尾氣量小等優(yōu)點(diǎn)，但其成本高、難于控制的缺點(diǎn)限制了它的應(yīng)用范圍。在一些特殊類型的有毒廢物處理方面，等離子體處理具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。西屋公司研制的等離子體熱解反應(yīng)器系統(tǒng)利用1Mw的非轉(zhuǎn)移等離子體炬，處理多氯聯(lián)苯（PCBs），處理速度可達(dá)到l2L．min-1，處理效率高達(dá)8～9，粒子和酸排出物達(dá)到EPA標(biāo)準(zhǔn)。Retech設(shè)計(jì)的等離子體離心式反應(yīng)器利用1.2MW的轉(zhuǎn)移弧等離子體炬處理固體污染物。Ph．G．Rutberg介紹了一種PT型交流等離子體炬，以及醫(yī)療廢物和液體氯氟化碳的處理技術(shù)，將該等離子體炬用于醫(yī)療廢物的處理，系統(tǒng)的處理量為200~300kg．h-1，能量消耗為0.8～1kWh．kg-1。

國內(nèi)在等離子體制備超細(xì)粉末和等離子體化工領(lǐng)域的 研究 相對(duì)較多。超細(xì)粉末的制備主要集中在金屬納米粉體以及金屬氧化物、碳氮化物，有些已經(jīng)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。在等離子體化工領(lǐng)域主要包括等離子體煤化工、天然氣化工等，由于其工藝流程簡(jiǎn)單、環(huán)境污染小以及生產(chǎn)成本低等特點(diǎn)，和傳統(tǒng)工藝相比有巨大的競(jìng)爭(zhēng)力。我國在熱等離子體技術(shù)應(yīng)用于廢物處理方面起步較晚，而且目前大多數(shù)工作還停留在實(shí)驗(yàn) 研究 階段，工業(yè)化應(yīng)用的實(shí)例并不多見。

第三節(jié) 國內(nèi)外技術(shù)未來發(fā)展趨勢(shì) 分析

今后在等離子體炬中的基本過程 研究 將更加深人，以期待不斷提高等離子體炬的穩(wěn)定性和可控性。穩(wěn)定等離子體射流的3維模擬已確立，然而在特殊條件諸如層流中心、湍流邊緣、氣體卷吸和非平衡等方面，其模擬結(jié)果還需完善，瞬時(shí)3維模擬還處于起步階段，在未來的幾年里。主要的 研究 將集中在熱等離子體與物料間的相互作用和電弧模型中陽極與陰極鞘層區(qū)域。

等離子體合成納米材料將會(huì)隨著控制技術(shù)的改善而逐步走向產(chǎn)業(yè)化。等離子體化工和廢物處理技術(shù)將會(huì)有較大發(fā)展。等離子體煤氣化及氫等離子體條件下煤制乙炔將會(huì)有所突破。環(huán)境保護(hù)是人類面臨的最大問題之一，等離子體處理廢棄物將會(huì)在某些領(lǐng)域（有害廢棄物處理、金屬氧化物廢棄物處理和廢液處理等）投人工業(yè)應(yīng)用，以形成一定產(chǎn)業(yè)。

今后的趨勢(shì)是建立一套簡(jiǎn)單的在線控制系統(tǒng)，它能在苛刻的環(huán)境下穩(wěn)定工作，溫度、速度和粒徑等參數(shù)能在線測(cè)量。這些都有待于基礎(chǔ) 研究 和開發(fā)之間更好的銜接以及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。

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