本发明涉及消毁有害废料，特别是涉及利用无极、射频感应耦合方式的等离子体喷射器消毁有害废料的方法。 现代社会面临的一个主要问题是在处理有害废料时，要把其对周围环境的有害影响减到最小。一个理想的废料处理系统是能够将有害废料还原成为适于周围环境的化合物。当然这种适用性、要依据各种管理机构所确定的可允许的污染水平而限定的。
传统上，有害废料的处理采取的是，直接埋入地下，或把废料进行热处理，随后掩埋固体废渣，而可挥发的残留物释入大气中。由于进入环境中的废料，仍然是不能接受的污染源，这些方案没有一个是令人满意的。
在现有技术领域中，已经做了很多努力利用直流电弧放电型等离子体喷管来消毁废料。这样一种尝试方案公开在Boday等人的US4438706的美国专利中。该专利教导了使用直流电弧放电型等离子体喷管结合一种氧化剂。用热化学反应分解某些类型的废料。该喷管气体是空气，废料以蒸气汽形式和氧一道引入等离子电弧发生器的下游，并在该处废料被喷管气体所加热。
在Faldt等人的美国专利，US4479443，中，公开了使用一种电弧放电等离子体喷管来加热分解废料。呈固体颗粒形状的废料，必须引入电弧的下游，以避免由于颗粒的粘附地结果堵塞喷管。例如氧气和空气之类的氧化剂和废料、或则在加热之前，或则借助喷管气体在加热过程中，或在加热之后进行混合。为了完全氧化分解废料，需要足够多的氧化剂。
在Barton等人的美国专利中，US4644877，公开了一种用于废料进行高温热解的直流电弧等离子体燃烧器。一种有机液体用于起燃和稳定等离子电弧，一个环形电磁场线圈用于准直等离子体，一个高压空气源用于使电弧旋转。采取措施在电弧的下游供给废料，以防止干扰等离子体电弧的形成或发生。该专利教导不使用惰性气体起燃或维持等离子体，在此基础上，这种燃烧器仅适用于低温的应用场合。在燃烧器后的反应室用于将气体和粒状物质相混合，该粒状物质被骤冷，并用碱性雾状液体予以中和。一个机械净化器用于分离气体，该气体用抽风扇排出。
Chang等人的美国专利中，US4886001，公开了对Barton等人的上述系统的一种改进方案。该改进是利用水或甲醇取代丁酮，和甲醇溶液的易混合的混合物，该混合物用于在引入直流电弧型等离子体喷管以前，与包含聚氯联苯的废料相混合。并使用纯氧代替空气作为喷管气体。这些变化的目的是提高废料处理的速率。另外，还介绍使用固体分离器，其利用局部真空来分离运载气体。
先有技术的等离子体废料分解系统存在着各种缺点，这妨碍其在商用领域获得广泛的推广。一个缺点是废料一般不能直接引入等离子体电弧。因为这将污染电弧，而继之使电弧工作不稳定。因此，废料在电弧的下游引入，废料由喷管气体间接加热。这种技术缩短了废料高温滞留时间，从而导致不完全分解。
还有，电弧的运行对废料和运载气体的流动速率是极为敏感的。因此，流动速率必须限制在一个狭窄的界限范围内，使得控制和操作系统运行产生困难。损失电弧电极进一步使得系统的运行，操作，稳定性和安全性问题复杂化。直流电弧等离子体的小量级工作，也是十分不经济的，这是由于降低了气体流动速率，以及还需要提供由于触发和维持电弧所需要的电功率。对工作在不同废料贯穿量和适应各种废料的先有技术系统进行估价是困难的，它要求改变大部分系统的结构，而实施就要花费大量资金。
此外，在先有技术系统中，由于需要有机媒剂，氧化和/或还原剂和废料相化合，经常令人不能满意。
简而言之，现在还设有一种先有技术系统，提供一种将有害废料还原为适于周围环境的化合物的处理方法。
为了消毁有害废料，提供一种利用无极感应耦合方式的射频等离子体喷管的系统和方法。废料和可控制自由电子源相结合，射频等离子体喷管用来激励自由电子，使温度升高到3000℃或以上。电子运行状态在该温度下维持一段时间，足以利用就地的电子一分子碰撞所产生的碰撞和紫外线辐射，使得自由电子能够离解废料。自由电子源最好是一种如氩的惰性气体，该气体既可用作废料运载气体，也可用作喷管气体。
在本发明的一个实施例中，该等离子体喷管包括一个由绝缘圆柱形壁所构成的腔室，并且，邻近其一端有一个入口以便引入废料和自由电子源，邻近其另外一端有一个出口以便排出离解的废料。一个连接到射频电源的天线围绕腔室圆周配置，并延伸到腔室的予定长度。该天线为管状元件形式，以第一螺旋部分和第二螺旋部分围绕在腔室圆周方向，两者均与腔室轴线同轴，第一螺旋部分沿第一方向上绕制，并从邻近腔室一端的第一点延伸到邻近腔室长度的中心处的第二点;第二螺旋部分沿与第一方向相反的第2方向上绕制，并从邻近腔室长度的中心处的第三点延伸到邻近腔室另一端的第四点。射频电源一个输出端连接到邻近第二和第三点的第一和第二螺旋部分，邻近第一和第四点的第一和第二螺旋部分接到地电位。该天线可以定位到腔室壁的内部或外部。在该种结构中，线圈位于腔室壁的内侧，室壁可以由金属例如不锈钢制成。
在另外一个实施例中，该天线以许多管状元件构成，每一个弯成矩形，每个矩形长边基本上平行于腔室的中心线。每一个矩形的短边环绕腔室的壁以予定数量的圆周角度，每个管状元件的端部从矩形的某一点基本上平行地向外延伸，而该点基本上位于相应矩形长边的中点处。这种天线结构对绝缘腔室壁可以位于其外部，或者对不锈钢腔室壁可以位于其内部。
装配一台离心分离器，其与腔室出口相连通，以便从离解的废料中分离重成分，离心分离器使用静电力，稳态磁力以及电磁力使离解的废料旋转，使得重成分与废料相分离。还装配有洗涤器，其和分离器相连通，以便中和与重成分分离的离解废料。
装备一台和腔室连通的旋转烘干炉，以便在废料引入腔室之前使废料挥发。在烘干炉和腔室入口之间的沉积器，用以从已挥发的废料中分离超过予定尺寸大小的固体颗粒，并使这样的颗粒从腔室入口处分引出去。
图1表示整个系统的方框图，该系统按照本发明的教导，使用高频等离子体喷管来离解废料;
图2是示意图、表示图1所示等离子喷管的结构细节
图3表示图2所示等离子体喷射器所产生的有质动力电位分布图，该电位是与容有等离子体的腔室中心线的距离的函数;
图4是另外一种天线结构的示意图，该天线用于图1所示等离子体喷射器腔室的内部;
图5是沿图4中的线5-5所取的横断面图，表示图4所示天线在腔室内的布置;
图6是沿图4中的线6-6所取的横断面图，表示与图4所示天线结构配合使用的天线连通口的结构细节。
图7是示意图，表示图1所示系统所使用的离心分离器的细节。
参阅图1，该图是根据本发明构成的有害废料消毁系统10。该系统设计用于处理固体和液体废料。一般情况下，通常废料是非单质的，即其是由不同的化学成分或物质组成，而不是一种单一的化学成分或物质。固体和泥浆废料引入常规旋转烘干炉14的入口12，该烘干炉使用一个例如天然气之类气体点燃的燃烧器16。
烘干炉14的一个目的是使固体和泥浆废料大部分挥发或熔化，然后经过管线18引入沉积器20中。假如需要，烘干炉14可以装配一个粉磨机（未表示），以便将废料颗粒缩小到好处理的大小。
沉积器20的一个目的是将那些超过予定尺寸的固体颗粒，从经烘干炉处理过的废料中分离出来。可以使用筛子22以有助于分离。过大尺寸的颗粒由筛子22所截留并由沉积器20向烘干炉14进行再循环，以便利用输送设备24或其它适当装置进一步处理。
剩余的经烘干炉处理的废料经过管线26供到多管集料器28，该集料器与无极射频等离子体喷管30的入口侧相连通。还向多管集料器28经过管线32供给液体废料，经过管线34供给压缩运载气体。多管集料器28用于将来自管线32和26的废料和运载气体，在它们引入喷管30之前予以混合。
下文介绍的喷管30是用作将废料离解成简化的化合物。例如水、二氧化碳和盐酸还有重成分。离解的物料供到一台离心分离器、该分离器利用磁场线圈37和电场极板以便产生磁场和电场的综合作用，用来分离出重成分，再经管线38收集处理。剩余的废料经过管线40供到一个碱性洗涤器42，其用来中和残留的大部分酸性化合物。被中和的化合物经过管线44排放到大气中，酸性化合物则经过管线46被收集以便处理。
图2是示意图，表示等离子喷管30第一实施例的结构细节。多管集料器28包括各种阀门，以便控制废料和运载气体流入集流装置48。阀门50和52分别控制液体废料和来自沉积器20的废料的流动。阀门54和56分别控制和各种废料相混合的运载气体的流量，阀门58控制直接进入集流装置48的运载气体。
集流装置48与由陶瓷室壁62形成的圆柱形反应器腔室60相连通。腔室60的对面输出端与一个输出集流装置64相连通，该装置64与离心分离器36相连通。环绕陶瓷室壁62外表面的是金属管状元件66和68，每一个都由铜管或类似物类构成。
管状元件66、68都与腔室轴线同轴，分别构成第一螺旋部分和第二螺旋部分，第一螺旋部分沿第一方向（用箭头70表示）绕制，并从邻近腔室输入端的第一点延伸到邻近腔室长度中心处的第二点;第二螺旋部分沿与第一方向相反的第二方向（用箭头72表示）绕制并从邻近腔室长度中心处的第三点延伸到邻近腔室输出端的第四点。
射频电源76的一个输出端74经过一个可变负载调节电容78，连接到第一和第二螺旋线部分66、68，第一和第二螺旋线部分在端部80，邻近第二和第三点处连接在一起。电流沿箭头方向由电源76流出，从端部80流到端部82、84。螺旋线部分的对端82、84在邻近第一和第四点处接到地电位。用邻近端部82的泵86将冷却水通过管状元件66、68打入，邻近对端84装设水出口88。可变调谐电容连接在端部80与地之间。
下面介绍等离子喷射装置的工作。随着废料阀门50和52关闭，利用阀门58将运载气体引入腔室60。该气体离开腔室、经过集流装置64，离心分离器36和管线40进入洗涤器42。如下所述，还用作喷射气体的运载气体最好是一种惰性气体、例如氩气，当其受到一种激励源即射频能量作用时，其是一种丰富的自由电子源。随着氩气流过腔室60，冷却水流过管状元件66、68、激励电源76、电容78和90用来调节负载和系统的调谐因数，电源频率范围为0.1到15兆赫。管状元件66、68作为中心馈电天线、将射频能量耦合到腔室并激励氩气中的电子。这种激励取电子振荡的方式，由射频电磁场所引起。该振荡升高自由电子的温度在3000℃以上，最好高达10000℃。已经发现，自由电子的温度能够达到并远远超过气体其它部分的温度。例如自由电子的温度可高达10000℃，与此同时，气体其它部分的温度可低于3000℃。在腔室60内部被激发的电子构成一种等离子体92，同时废料（液体、固体、气体或上述物质的混合）利用阀门50和52引入。阀门54和56能够用来在氩气和废料引入集流装置48之前将它们混合在装置48中，氩气作为一种运载气体，以帮助废料移动。
可能是有害的废料或其它废料被引入腔室60中。在本发明的一个实施例中，废料是非单一物质。在腔室60中，废料受到激发电子的作用，通过控制包括废料在腔室60中的滞留时间的各种运行条件，废料的温度维持在300-1000℃，远低于自由气体电子的温度。激发的自由电子打碎废料的分子键，并将废料离解成为可安全排放在环境中的简单化合物。激发的自由电子还产生大量的紫外能量，进一步有助于离解过程。被离解的废料产物经过集流装置64离开腔室60。
废料的离解程度受自由电子密度和温度以及废料在等离子体中的滞留时间的影响。电子密度能够通过运载气体的流量控制而进行控制，而通过改变射频功率量级能够对温度进行控制。一种控制滞留时间的途径是改变在腔室轴线与本身竖直垂线之间的角度。因此，当腔室60处于如图2所示竖直位置时，腔室取向能够在竖直和水平线之间的各种角度范围改变，以便缓慢降低废料经过腔室的流动速率。改变滞留时间的另外一种途径是改变运载气体的流动速率。例如，运载气体的流动速率增加，废料的滞留时间则降低。腔室长度也可通过采取端对端的方式以多段组合而延伸。这种构成还可选择多种温度分布范围。
值得注意，射频能量并不是直接对废料起作用的，而是射频能量对气体作用，以激发自由电子，这些自由电子和废料起反应将其分解。
虽然，射频是目前最好的，由气体产生自由电子的能源，其它形式的电磁能量、例如，光电的、X射线的或紫外线发射的能量，也能用作替换或补充射频能量。
上述平衡的、中心馈电天线结构的特征在于管状元件外端，82，84处于地电位，这简化了水泵86和水出口88的安装。在喷管30的另外实施例中、管状天线66、68可以放在腔室60的内部。还有，在这种装置构成中，腔室壁可以由不锈钢或其它类似材料制成。金属腔的一个优点是使多个分段部分，易于利用法兰之类进行连接。另一个优点是金属腔室相对于陶瓷腔室更耐久。以下，将详细介绍内部天线的结构。
应当意识到射频喷管30与上述先有技术系统中应用的直流电弧类型的喷管是有本质上的不同。首先，喷管是无电极的，因此解决了电极损蚀和沾污的问题，以及电弧对系统参数敏感的问题。还有，上述离解过程并不需要使用有机媒剂、氧化或还原剂与废料相混合。所需要的只是一个气体自由电子源，该源与所要处理的废料是分开的，而废料一般是不利于等离子体的形成。进而还有，这种离解过程是非加热方式，它依靠的是受激电子的键裂解作用，而不是高温热解或燃烧原理。非热离解方法改进在于气体是惰性的、因而不易和废料发生化学结合。
本发明非热解方法的本质在于：废料温度维持在300-1000℃，而同时被处于10000℃的自由电子所轰击。本发明喷管30的另外一个特征在于：由天线66、68所产生的射频电磁场，所给出的有质运动场电位的分布如图3所示，其是距腔室轴线的距离的函数。该电磁场对等离子气体产生作用力，该力与电位分布曲线的梯度成比例。这一场分布曲线作用在于使腔室中的等离子体与轴线平行并集中，无需在先有技术系统所需要的外部磁场线圈。等离子体的集中是重要的，以免损伤室壁。在腔室中的混合物温度远低于在先有技术热分解系统中的相应温度，从而导致较低的辐射损失，并因此较大的提高系统的效率。还有，采用本发明的非热处理方法，是处于较低的温度作用下，因而室壁遭受较少的腐蚀和损伤。
由于喷管30的工作在本质上是非热的、因而喷射器的工作的监测和控制，与依靠热分解原理的先有技术相比是大大地简化了。这是因为，以燃烧为基础的系统本来就是不稳定的，其性能很大程度上决定于所要处理废料的性质。因此，在这种系统中，一定要注重严肃的安全问题，故导致其使用复杂的和不可靠的控制系统。
对照起来，本发明适于采用计算机监测和控制系统，该系统对喷管30的工作提供几乎瞬时的控制。因此，起动和关闭顺序操作能够安全快速进行。图1和图2表示用计算机监测和控制系统91、其连接并控制电源76、泵86、阀门50-58和其它控制元件，同时，还连接并监测各种传感器，这些传感器用于监测各种管线中的流动状态以及在腔室60中的热和其它状态。该系统91的配置，使其能够进行自动操作，提供安全性能，降低复杂性。
一种小容量喷管30的样机已经做成并用来处理各种废料。样机工作参数如下：
射频功率量级 5千瓦
射频频率 13.56兆赫
腔室直径 5厘米
运载气体流量 2立方英尺/分
腔室压力 1标准大气压
总质量流量 3公斤/小时
电子密度 2.0×1012/立方厘米
电子温度 104K（平均）
运载气体密度 2.0×1018/立方厘米（约值）
运载气体温度 C3.0×103°K
研究已经指出：样机系统可以易于按比例尺寸以适应各种不同的废料处理速率，这不同于使用直流电弧放电等离子喷管。例如，予先考虑如下工作参数用于大规模使用的系统10：
射频功率量级 1兆瓦
射频频率 400千赫
腔室直径 35厘米
气体流量 100立方英尺/分
总质量流量 500公斤/小时
所述系统表示了将螺旋天线结构配量在绝缘陶瓷腔室外部的情况，这种天线也可以如上所述放在金属腔室的内部。
图4是本发明的射频等离子喷射器的另外一个实施例30′的示意图，其表示了利用不同天线结构，如平衡中心馈电的设计方案，该天线可以位于绝缘腔室的外部或金属等离子腔室的内部，为了描述的目的，表示了位于内部的结构，
四个管状元件100、102、104、106装备使用，每一个都弯成矩形，其中每一个矩形的长边基本上和腔室中心线相平行，每个矩形的短边围绕腔室壁弯曲予定数值的圆周角。每个管状元件的端部、在相应矩形长边中部的一点上，从矩形上基本平行地向外延伸。
在图4中，每个矩形的短边围绕腔室、相互重叠延伸四分之一圆周，稍大于90°圆周角。以相对的四分之一圆周形的对应矩形管状元件，以串联方式连接到射频电源76上。该图表示了相对的矩形100和102的连接方式。相对的矩形104和106连接方式相似。天线还能够仅由两个矩形构成，围绕腔室呈半圆形的每一个矩形的短边相互重叠，稍大180°圆周角或更大一些，相应于每个矩形绕组的管形元件，然后以串联方式连接到射频电源上。
图4所示天线安装在由不锈钢壁62′构成的腔室60′的内部。如图5所示，一个陶瓷外壳108围绕天线管形元件布置，以保护天线不受等离子体损伤。如图6所示，使用陶瓷对金属密封以便对天线管状元件的端部，在壁62′中提供了引线容量。图5和图6所示结构，还能和平衡的、中心馈电天线结构配合使用。
图7是用于系统10中的离心分离器36的示意图。分离器36包括一个圆柱形腔室110，该腔室由金属侧壁112构成，并由输入集流装置114和输出集流装置116所封闭。集流装置114、116由电气绝缘材料例如陶瓷或玻璃制成。输出管线40连接到洗涤器42，该管线是金属制的，支撑在集流装置114并与腔室110同轴。用于排出重成分的输出管线38支撑在集流装置116中。在壁112中有一个开孔118，其经过集流装置64与等离子体喷管30的输出口相连通。圆柱形金属冷却板120支撑在腔室中。
磁场线圈37环绕腔室110并连接到一个适当的直流电源（未表示）上。电极122和124分别连接到管线40和壁112上、并按图上所示极性连接到一个直流电源上，腔室外部一般是接地的。
离心分离器36用来分离和骤冷从等离子喷管30排出的离解产物。离心分离器36设计构成以便实现高分离速率（即10克/秒/长度米），按照该速率处理来自喷管30的物料、并与离解的速率相同。
离心分离器36的工作原理是在于，与由喷管30进入分离器的物料相混合的运载气体，仍然是部分电离的。由电极122和124产生的辐射状电场与同轴施加的磁场相互作用，以便进一步加速物料的旋转。因此，由线圈37产生的磁场能够用来对物料施加如箭头123所示的电磁角动量，使得物料以高的角速度旋转，其数值可达10千米/秒。等离子体由于粘性碰撞而与被离解的废料强烈结合，这种粘性碰撞使等离子体和废料一起被带动。
最终的旋转速度分布和幅度取决于经过径向电流和轴向磁场输入的角动量的粘性损耗和角动量的变化率。予期径向电流的数值能够达到10千安，轴向磁场强度可高达1泰斯拉。分离系数或从内向外的等效密度变化率在10英吋直径的腔室中能够达到几百。与喷管30配合使用的这种类型的离心分离器的一个优点是降低或在某种情况下限制了来自喷管30的离解产物的可逆反应或再合成，这是由于各成分空间分离的结果所致。由于等离子体产生过程与旋转的产生是分开的，改进了离心分离的效率，由此，输入到离心分离器36的功率没有浪费在电离上而是用于产生离心力场。
系统10的一个特定应用是从混合的有毒/放射性废料中分离出放射性的重金属污染物。重污染物一般占总质量流量的一小部分，因而，通过调节供料点、排料点和节流阀位置，实现不同的尾部和产物的流动速率是方便的。为了实现这一点，一种这样的装置是等离子体/气体混合物在外径处被引入，金属蒸汽在外壁处凝结，金属蒸汽在外壁处凝结在冷却板120上，排除放射性污染的尾部气体在轴线外被抽出。假如需要进一步的分离步骤，靠近室壁的金属蒸汽/气体混合物可以利用节流阀以较低流动速率抽出，并可导入更小的离心分离器。
已经对本发明予以了说明，公开了最佳实施例。可以予期对本领域的熟练技术人员可以进行其它变化和改进。因此，通过提出各项权利要求，对本发明予以限定。