可还原氧化氮的光纤预制品等离子体装填方法和设备 【技术领域】
本发明涉及光纤领域，更确切地说，是利用等离子体焰炬在预制品上沉积装填原料来制造光纤。
背景技术
“初级”光纤预制品的等离子装填(buildup)是一种用于显著增加预制品直径从而拉制更长光纤的技术。特别是在文献EP0 401 742、EP0 450 465和EP0 658 520中描述了该技术。
由于等离子体焰炬产生的等离子体所发生的高温，实施装填的封闭空间中含有的氮气和氧气相互作用产生氧化氮(NOx)。
为了依照防污染标准限制向大气排出的废气，将这些氧化氮从封闭空间抽空并用处理设备收集。该处理设备通常利用称为选择性催化还原(SCR)的除污染方法，该方法包括将残余气体加热至300℃到400℃并使它们在催化剂存在下与还原气体反应。就其本身的制造安装费用和运转费用而言，这种设备是昂贵的。此外，该种类型的设备相对体积较大。而且，通过天然气加热残余气体会导致排出大量二氧化碳气体。最后，待处理的残余气体通常含有二氧化硅的极细粒子，典型的为亚微米尺寸，它们会导致过早消耗催化剂从而导致显著的额外运行费用。
本发明的目地就是改善这种状况。
【发明内容】
为此，本发明提供了一种光纤预制品的等离子体装填方法，其中，一方面，在二氧化硅基原料(SiO2类型)存在下利用供有等离子体发生气体的等离子体焰炬将装填原料沉积在初级预制品上，另一方面，将至少一种还原成分从初级预制品上游引入，在焰炬产生的等离子体存在下该成分起反应使封闭空间中含有的氮气和氧气相互作用产生的氧化氮被还原。
结果，从封闭空间出口收集的氧化氮的数量显著减少，使得可以视实施中的环境标准，使用小容量的处理设备或甚至完全不使用这种设备。
每一还原成分优选以气态引入。但是，也可以引入一种或多种固态的还原成分。也可以引入一种或多种气态还原成分和一种或多种固态还原成分。固态还原成分从等离子体焰炬(或其末端外围)下游、从预制品上游引入。
每一气态还原成分优选选自：氢气；氨；一氧化碳；和轻质烃，特别是甲烷、乙烷、丙烷和丁烷。此外，每一固态还原成分优选选自：尿素和氟化铵及其含有容易氧化的键的衍生物。总之，只要等离子体高温导致该成分的分解适于释放该成分的还原作用，可以使用任一固态、液态或气态的成分，例如氢。
此外，当使用气态还原成分时，它也可以构成等离子体发生气体的至少一部分，当然条件是从等离子体焰炬上游引入。
还原成分可从多个不同位置引入。因此，至少一种还原成分可以从出口喷嘴上游引入等离子体焰炬，例如等离子体发生气体流动的中心区，任选地与所述等离子体发生气体基本同时引入，和/或引入所述中心区的外围。此外，附加地或在变化方案中，至少一种还原成分可在出口喷嘴末端引入等离子体焰炬，例如，在其外围的至少一个位置。同样，附加地或在变化方案中，至少一种还原成分可在出口喷嘴和初级预制品之间的相互作用区的至少一个位置引入。
本发明还提供光纤预制品等离子体装填所用的设备，该设备一方面包括一种等离子体焰炬，其由第一供料装置供给等离子体发生气体，并设置使得在二氧化硅基原料(SiO2类型)存在下装填原料能够被沉积在待装填的初级预制品上，另一方面包括用于从初级预制品上游引入至少一种还原成分的第二供料装置，在焰炬产生的等离子体存在下该还原成分起反应使封闭空间中含有的氮气和氧气相互作用产生的氧化氮被还原。
本发明的设备可包括一些附加特征(单独的或组合的)，特别是：
·第二供料装置与等离子体焰炬连接，并设置用于将至少一种还原成分从出口喷嘴上游引入等离子体焰炬内部，例如，在等离子体发生气体循环流动的中心区和/或所述中心区的外围；
·第二供料装置与等离子体焰炬连接，并设置用于在等离子体焰炬出口喷嘴末端引入至少一种还原成分，例如，在所述出口喷嘴末端外围的至少一个位置；和
·第二供料装置与等离子体焰炬连接，并设置用于在等离子体焰炬出口喷嘴和初级预制品之间延伸的相互作用区的至少一个位置引入至少一种还原成分。
附图简述
通过阅读下列详细描述和附图可以看到本发明的其它特征和优点，其中：
图1图示说明本发明设备的第一实施方案；
图2是图1设备中等离子体焰炬出口喷嘴末端的俯视图；
图3图示说明本发明设备的第二实施方案；
图4图示说明本发明设备的第三实施方案；
图5是图4、6和7设备中等离子体焰炬出口喷嘴末端的一个实施方案的俯视图；
图6图示说明本发明设备的第四实施方案；
图7图示说明本发明设备的第五实施方案；
图8图示说明本发明设备的第六实施方案；和
图9图示说明本发明设备的第七实施方案。
这些图不仅用于描述本发明，而且也可以在适当时限定本发明。
【具体实施方式】
本发明的设备专门用于光纤预制品的等离子体装填。它尤其构成文献EP0 401 742、EP0 450 465和EP0 658 520中详细描述的那种类型等离子体装填设备的一部分。
一般来讲，该种设备一方面包含供给二氧化硅基原料(如二氧化硅(SiO2)颗粒和例如可能与之混合的用于对其纯化的六氟化硫)的装置，另一方面包含一个封闭空间，其中容纳至少等离子体装填设备的一部分和支撑和移动构成待装填“初级”预制品的芯棒的装置，而且其中有用于从供料装置注入二氧化硅基原料的喷射器的开口。为简化描述，下面假设二氧化硅基原料是由二氧化硅(SiO2)颗粒构成的。
首先参照图1和图2描述本发明设备的第一实施方案。
等离子体装填设备1包含等离子体焰炬3，它经由管4连接到供给等离子体发生气体(如氧气、氮气或氩气或其中两种气体的混合物)的供料模块5，并且被通有发电机6供给的高频电流的线圈缠绕。
通常，注入等离子体焰炬3的等离子体发生气体是氮气和氧气的混合物。此外，尽管图中没有始终显示出，通常一部分等离子体发生气体被引入等离子体焰炬的中心部10，剩余气体以不同速率被引入中心部10周围的外围11。重要的是要注意到没有隔板分隔开中心部10和外围部11。
高温下电离气体的等离子体在等离子体焰炬3的内部产生，并在所述焰炬的出口喷嘴7末端输出。SiO2颗粒喷射器(未显示)将其颗粒输送到位于出口喷嘴7和预制棒2(在支撑和移动装置(未显示)驱使下以可控方式平移和旋转移动)之间的相互作用区8。在离开焰炬3的等离子体所释放的热量作用下，SiO2颗粒升华并粘到预制棒2上，后者可如此来装填二氧化硅。
本发明中，装填设备1还包含至少一个用于供给一种或多种还原成分的模块9。在该实施方案中，供料模块5经由管4向等离子体焰炬的中心区10和外围区11提供等离子体发生气体(优选主要包含所选比例的氮气和氧气的空气)，而供料模块9经由管12向外围区11提供一种或多种还原成分。
在该实施方案中，在等离子体焰炬内部还原成分和等离子体发生气体混合在一起。
为了使还原反应发生，可以使用通过等离子体高温导致其分解来释放出其还原作用的任何固态、液态或气态的成分，例如氢。
然而，每一还原成分优选以气态引入。但在其它实施方案中，可以设想以固态引入一种或多种还原成分，或气态的一种或多种还原成分连同固态的一种或多种还原成分一起被引入。重要的是要注意到固态的还原成分可以从等离子体焰炬3下游(或其出口喷嘴7的外围)、预制棒2的上游引入。
每一气态还原成分优选选自：氢气(H2)；氨(NH3)；一氧化碳(CO)；和轻质烃，特别是甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)和丁烷(C4H10)。每一固态还原成分优选选自：尿素、氟化铵(NH4F)及其含有容易氧化的键的衍生物。
在第一实施方案中，氢、空气和氨的混合物被引入等离子体焰炬3的外围区11。但是，可以只引入氢，或只引入氨和空气，或其它单一或混合还原成分。
焰炬3产生的等离子体高温导致封闭空间含有的氧气和氮气相互作用产生的氧化氮，依照下列化学式之一，被从封闭空间的出口上游引入装填设备1的还原成分还原：
现在参照图3描述本发明设备的第二实施方案。该实施方案构成上述参照图1和2所描述设备的变化方案。
在该实例中，供料模块9经由管12，不仅向外围区11而且向中心区10供给一种或多种还原成分，优选伴随有空气。在未显示的变化方案中，供料模块9也可以包含两个独立的分部，分别向中心和外围区10和11提供不同的还原成分(优选伴随有空气)。
现在参照图4和5描述本发明设备的第三实施方案。该设备构成上述参照图1和2所描述设备的第二变化方案。
在该实例中，供料模块9分为至少两个子模块9A和9B，其不仅经由管12向等离子体焰炬3上游部分、而且经由管13在其出口喷嘴7末端向焰炬下游部供给(优选)不同的还原成分。
出口喷嘴7末端具有至少一个进口14，其连接到管13以在至少一个位置向等离子体焰炬出口7输送一种或多种还原成分。例如，供料子模块9A经由管12向等离子体焰炬3的上游部分提供空气和氢，供料子模块9B经由管13向出口喷嘴7的进口14提供氨(NH3)。
如图5所示，在这种情况下，提供了三个进口14-1到14-3，以在至少三个位置引入还原成分，比如形成一种或多种还原成分的幕帘，等离子体通过该幕帘。但是，当然可以提供两个进口或四个进口或甚至更多进口。在等离子体焰炬3的出口末端，出口喷嘴7也可以配备多个洞使还原成分均匀地扩散和分布。
类似于从图1中的装填设备开始附加向其出口喷嘴7供给一种或多种还原成分的装置，当然也可以从图3的装填设备开始，向其配备向出口喷嘴7供给一种或多种还原成分的装置。
而且，代替向出口喷嘴7末端供给一种或多种还原成分，也可以向其外围供给。在这种情况下，可以使用由供料模块9(或它的一个子模块如9B)供给的喷射器，它不一定固定在等离子体焰炬3上。
现在参照图6描述本发明设备的第四实施方案。该设备构成参照图4和5所述设备的一个变化方案。
在该实例中，供料模块9经由管13在出口喷嘴7仅向等离子体焰炬3的下游部供给一种或多种还原成分，如同图4的实例。出口喷嘴7具有至少一个进口14，其与管13连接并设置使得在至少一个位置向等离子体焰炬出口7提供一种或多种还原成分。
例如，如图5所示，可提供三个进口14-1到14-3，在至少三个位置提供至少一种还原成分，以形成一种或多种还原成分的幕帘，等离子体通过其中。但是，当然也可以提供两个进口或四个进口或甚至更多进口。在等离子体焰炬3的出口末端，出口喷嘴7也可以配备多个洞使还原成分均匀地扩散、分布。
供料模块5可以用来向等离子体焰炬3仅供给等离子体发生气体如氧气、氮气或氩气、或它们中二者的混合物，或者供给一种可同时用作还原气体和等离子体发生气体的气体如氢气(H2)和/或氨气(NH3)，优选伴随有空气。
现在参照图7描述本发明设备的第五实施方案。该实施方案构成参照图6中所述设备的一个变化方案。
该实施方案从图6的装填设备1开始，包括经由管13在其出口喷嘴7向等离子体焰炬3的下游部分供给一种或多种还原成分的第一供料模块9A，和通过喷射器15向相互作用区8供给一种或多种还原成分的第二供料模块9B。
在一个变化方案中，喷射器15可以是引入SiO2颗粒的喷射器。
如同图6的实施方案中，供料模块5可用于向等离子体焰炬3仅供给等离子体发生气体，或提供可同时用作还原气体和等离子体发生气体的气体。
该实施方案适合从焰炬3下游引入一种或多种固态或气态还原成分。
现在参照图8描述本发明设备的第六实施方案。该设备构成参照图1所述设备的一个变化方案或参照图7所述设备的一个变化方案。
在这种情况下，装填设备1具有经由管12向等离子体焰炬3的外围区11供给一种或多种还原成分的第一供料模块9A，和通过喷射器15向相互作用区8供给一种或多种还原成分的第二模块9B。
在一个变化方案中，喷射器15可以是引入SiO2颗粒的喷射器。
该实施方案适合从焰炬3上游引入一种或多种气态还原成分，并从焰炬3下游引入一种或多种固态或气态还原成分。
现在参照图9描述本发明设备的第七实施方案。
在该实施方案中，装填设备1包括通过喷射器15(可以是引入SiO2颗粒的喷射器)向相互作用区8供给一种或多种还原成分的供料模块9。而且，如同图6的实例，供料模块5可用于向等离子体焰炬3仅供给等离子体发生气体(和空气)，或提供可同时用作还原气体和等离子体发生气体的气体。
该实施方案也适合从焰炬3上游引入一种或多种气态还原成分并从焰炬3下游引入一种或多种固态或气态的还原成分。
可以在组合图1到9中上述供料模块5、9、9A和9B的不同实施方案的基础上，设想装填设备1的许多其它变化方案。
本发明还提供了一种光纤预制品2的等离子体装填方法。
该方法可利用上述设备1和/或装置实现。通过该方法的步骤所提供的主要功能、可选功能和子功能与构成装填设备1的各种装置所提供的功能基本相同，因此以下描述所概括的只是实现本发明方法主要功能的那些步骤。
本方法一方面包括在二氧化硅基原料存在下利用供有等离子体发生气体的等离子体焰炬3在待装填的初级预制品2上沉积装填原料，另一方面包括从初级预制品2上游引入至少一种还原成分，在焰炬产生的等离子体存在下该还原成分起反应使氮气和氧气(包含在封闭空间中)相互作用产生的氧化氮被还原。
本发明不限于上述仅用于举例说明的设备的实施方案和方法的实施方式，而是延伸至下列权利要求范围内本领域技术人员可设想的所有变化方案。