BG98846A - Плазмена горелка за химически процеси - Google Patents

Abstract

Плазмената горелка е предназначена за подаване наенергия, например за химически процеси. Тя включва поне три тръбни електрода (1,2 и 3), които са разположени коаксиално, могат да се преместват аксиално по отношение един на друг, изолирани са електрически (5, 6 и 7) един от друг и са снабдени с електрическо захранване (8, 9 и 10). Когато се използват три електрода, средният електрод (2) служи като спомагателен или като запалващ и е свързан с един от другите електроди (1). Разстоянието до третияелектрод (3) се настройва към работното напрежение по такъв начин, че когато се подаде работно напрежение, се появява електрическа искра. По време наработа спомагателният електрод (2) се изтегля от плазмената зона.

Description

Настоящото изобретение се отнася до плазмена горелка, предназначена за подаване на енергия за химически процеси. Плазмената горелка е снабдена с няколко тръбни електроди, които са разположени коаксиално един спрямо друг. Електродите са свързани към източник на електрическа енергия. Газът се подава през вътрешния електрод и в пространството между електродите. Високотемпературната плазма се получава с помощта на газ, който се нагрява от електрическа дъга, която се развива между електродите.

С цел да се получи желаната химична реакция в газовете или в смесите на газови и течни или твърди частици, в някои случаи трябва да се подаде енергия. Някои от тези химични реакции в газовете протичат при изключително високи темпера-

тури от порядъка от 1000 до 3000 градуса. Необходимо е, също така, да съществува възможност за проверка на количеството и температурата на газа с цел контрол и регулиране на химичния процес от този вид. Горните изисквания могат да бъдат постигнати при използване на технологията за нагряването на газа в електрическа дъга на плазмена горелка.

Познатите досега плазмени горелки са използвани найнапред и главно за нагряване на газ при заваряване и рязане на стомана, за нагряване в металургичните процеси и при лабораторни експерименти. Тъй като често те имат голяма консумация на плазмен газ, като транспортен газ през горелката, който разсейва образуваната в дъгата топлина, при някои от приложенията това не е изгодно от икономическа гледна точка.

Ето защо, задача на настоящото изобретение е да предложи плазмена горелка, която притежава добра топлинна икономичност, дълъг живот на електродите и надеждна конструкция при работа, подходяща за индустриално приложение.

Тази задача се постига с плазмена горелка, която се характеризира с особеностите, представени в патентните претенции .

Плазмената горелка се състои от няколко тръбни електрода, разположени коаксиално външно един на друг. Плазмената горелка е затворена от единия си край, докато другият е отворен. Електродите могат да бъдат премествани аксиално по отнонение един на друг. Предпочита се, електродите да бъдат електрически изолирани един от друг и да имат изводи за електрозахранване. През вътревния електрод и в пространството между електродите, са разположени изводи за въвеждане на газ. Високотемпературната плазма се получава от газ, който се нагрява и йонизира чрез електрическа дъга.

Съгласно изобретението, три или повече тръбни електрода са разположени коаксиално външно един спрямо друг. В найпростата си форма горелката е снабдена с три електрода; централен електрод, след това спомагателен електрод и накрая, външен електрод. При други изпълнения, един или повече електрода могат да бъдат разположени коаксиално външно на външния електрод. Между електродите се образуват пръстеновидни канали. Между централния електрод и пръстеновидните канали може да се въведе газът, от който се получава плазмата и/или реагентът.

Като газ, от който се получава плазмата, може да бъде използван, например, инертен газ като азот или аргон. Този газ обикновено не присъства във или не повлиява химичната реакция, протичаща в газовата горелка. Газът, от който се получава плазмата може, освен това, да бъде газ от типа, който се получава като продукт на реакцията в газовата горелка.

Реагентът може да бъде чист газ или газ, смесен с течни или твърди частици, с които е желателно да протичат химичните реакции в плазмения пламък, например, термично разлагане. Реагентът, сам по себе си може да бъде газ, от който да се получава плазмата.

Електродите в плазмената горелка са твърди и могат да бъдат изразходващи се. като материал за електрод се предпочита използването на графит, който притежава висока температура на топене и изисква слабо охлаждане.

Това води до значително опростяване на конструкцията на плазмената горелка и е важно за подобряване на енергийната производителност на горелката.

Електродите могат да бъдат премествани аксиално по от-

ношение един на друг. Нагласяването на електродите по отношение един на друг предлага възможността за промяна на средната дължина на дъгата и чрез това, работното напрежение, което от своя страна оказва влияние върху полученото количество топлина. Освен това, формата на дъгата може да бъде изменяна. Ако външният електрод е нагласен по такъв начин, че изпъква извън централния електрод, плазмената зона придобива форма на фуния и пренася интензивна топлина към реагента, който се подава в центъра на плазмената зона. Ако централният електрод е нагласен по такъв начин, че изпъква извън външния електрод, плазмената зона придобива заострена форма и пренася по-голямо количество топлина към ограждащата камера и по-малко директно към реагента, който се подава в центъра. По този начин аксиалното положение на електродите може да бъде регулирано в зависимост от свойствата на средата, която трябва да бъде нагрявана.

Плазмената горелка е снабдена с електрическо захранване от захранваща система. Електродите са свързани със захранващата система чрез проводници, които се охлаждат, ако е необходимо. Празмената горелка може да се захранва с променлив ток, или, за предпочитане, с прав ток.

Електродите на плазмената горелка могат да бъдат сдвоени по два различни начина. Спомагателният електрод може да бъде свързан, както към централния електрод, така и към външния електрод. Когато се използва прав ток могат да се приложат четири различни начина на свързване.

Един от възможните начини на свързване е да се свърже спомагателният електрод към външния електрод, по такъв начин, че тези два електрода да притежават еднакъв потенциал. Предпочита се те да бъдат свързани към положителния полюс • · • ·

като анод. Централният електрод се свързва към отрицателния полюс и той изпълнява ролята на катод.

При това свързване полярността може да бъде променяна така, че да се позволи на централния електрод да бъде свързан към положителния полюс като анод, а двата сдвоени електрода да бъдат свързани към отрицателния полюс като катод.

Друго възможно свързване е да се сдвоят спомагателният електрод и централният електрод, така че тези два електрода да притежават еднакъв потенциал. Предпочита се те да бъдат свързани към положителния полюс като анод, а външният електрод се свързва към отрицателния полюс и той изпълнява ролята на катод. При това свързване, също така, е възможно полярността на електродите да бъде променяна така, че да се позволи на двата сдвоени електрода да бъдат свързани към отрицателния полюс като катод, а външният електрод да бъде свързан към положителния полюс като анод.

Друг начин на свързване се състои в това, че спомагателният електрод притежава леко различно напрежение от електрода, с който е сдвоен.

Когато се използва описаният по-горе първи начин на свързване, външният електрод и неговият държател, заедно със спомагателния електрод и неговия държател, са, за предпочитане, заземени. По този начин не съществува опасност, въпросните два електрода и техните държатели да се допрат един с друг. Централният електрод и неговият държател имат различно напрежение по отношение на земята, поради което са електрически изолирани по отношение на приспособлението, използвано за аксиално позициониране.

Задачата за конструиране на горелка с външен електрод и вътрешен спомагателен електрод, при което всеки от тези електроди е свързан със същото напрежение, е да се постигне сигурно запалване на дъгата и стабилно повторно запалване на плазмената горелка.

Спомагателният електрод е от жизнена важност, когато горелката се пуска със студен плазмен газ и когато трябва да се постигне стабилна работа при ниска температура на електродите .

Изпитанията показват, също така, че горелка, снабдена със спомагателен електрод осигурява стабилна работа при пониска температура на електродите, в сравнение с горелка без спомагателен електрод, когато се използва един и същ плазмен газ.

Спомагателният електрод осигурява надеждно запалване на горелката, когато работното напрежение се свърже с електродите. Спомагателният електрод е разположен толкова близко до централния електрод, че между тях прескача електрическа искра, когато се подаде напрежение, при което моментално се образува дъга. Ето защо, спомагателният електрод може да бъде охарактеризиран като запалващ електрод. Разстоянието, което се подбира между електродите се определя предимно и главно от работното напрежение, но то зависи, също така, от други фактори като, например, вида на използвания за получаването на плазмата газ.

Магнитни сили преместват дъгата до края на електродите и навън в пространството извън края на електродите и веднъж запалена, дъгата е в състояние да достигне по-голяма дължина при същото напрежение между електродите. По този начин, нейната най-долна точка (foot point) върху спомагателния електрод, се премества навън и след това прескача към въниния електрод, който притежава същия потенциал. Това продължава твърде кратко време, като само малка част от спомагателния електрод ерозира, в сравнение с ерозията върху външния и централния електрод, където най-долната час на дъгата престоява най-дълго време.

Спомагателният електрод моке да бъде преместван в аксиално направление по отношение на външния електрод. Той се отдалечава по време на работа, но се отдалечава дотолкова, че повърхността на централния електрод директно над края на спомагателния електрод да има достатъчно висока температура, която да позволи лесната емисия на електрони, което от своя страна осигурява повторното запалване. Спомагателният електрод се отдалечава достатъчно, така че да бъде защитен от непрекъснатото образуване на долната част на дъгата.

Външният електрод и спомагателният електрод имат едно и също напрежение. Свързването може да се проведе вътре или извън горелката. Когато свързването се извърши вътре в горелката, обикновено не се използва електроизолатор между тези два електрода.

Освен това, може да се монтира контролна система за регулиране на аксиалното позициониране на спомагателния електрод като по този начин се намалява средната интензивност на тока през него. Ето защо, кабелът върху спомагателният електрод е значително скъсен. Външният и спомагателният електроди са изолирани един от друг. По този начин токът през тези електроди може да бъде независимо измерван във всеки от тях и стойностите да се подават към контролното оборудване.

Установи се, че дъгата в плазмените горелки, конструирани съгласно изобретението, се изтласква към краищата на електродите и навън към пространството извън техните краища. Това се дължи на електромагнитните сили, появяващи се в дъ• ·

гата и на факта, че газът, който се подава я изтласква навън. Възможно е, също така, дъгата да стане толкова дълга, че евентуално да се прекъсне и вследствие на това, да загасне.

Когато дъгата между външния електрод и централния електрод загасне, тя може веднага да бъде запалена отново между централния и спомагателния електроди. Установи се, че в процеса на нормална работа дъгата непрекъснато загасва и трябва да бъде запалвана като по този начин спомагателният електрод съгласно настоящото описание става абсолютно необходим за непрекъснатата работа на плазмената горелка съгласно изобретението.

Плазмената горелка е снабдена с пръстеновидна магнитна бобина или пръстеновиден постоянен магнит, който е разположен външно на електродите, било около края на електродите, в областта на горелката, където се образува дъгата, или близко до дъгата. Магнитната бобина или постоянният магнит са разположени по такъв начин, че те създават аксиално магнитно поле в тази област на горелката и по този начин се предизвиква въртенето на дъгата по отнонение на централната ос на горелката. Това е важно за стабилната работа на горелката.

Едно или повече тела от феромагнитен материал могат да бъдат разположени по дължина на централната ос на горелката. Такова тяло концентрира магнитното поле в полето, в което работи дъгата и при необходимост провежда магнитното поле от област с по-силно аксиално магнитно поле към зоната на дъгата. Такива тела и тяхното разположение са описани в норвежка заявка за патент на настоящите автори No 91 4910.

Освен това, магнитното поле предпазва дъгата от преместване от специфична точка върху вътрешния електрод към спе• · · ·

• · · · · · · __ --·· ···

- · · · · · · · · · · • · · · · · ·· ··· ···· ··· ···· · · ····· ·· ·· ·· · цифична точка върху външния електрод като по този начин предизвиква образуването на кратери и нараняване на повърхността на електродите. Под влияние на магнитното поле дъгата се върти по дължината на периферията на тези електроди и по този начин се постига равномерна ерозия на повърхността на електрода и значително понижаване на износването на електродите. По този начин, енергията, която се подава на електродите може да бъде повимена.

В следващата секция изобретението е описано детайлно като е приложена схема, илюстрираща схематично същността на плазмената горелка.

Фигурата представлява вертикално сечение на плазмената горелка съгласно настоящото изобретение.

Плазмената горелка, илюстрирана на Фигура 1 се състои от вънмен електрод 1, спомагателен електрод 2 и централен електрод 3. Електродите са тръбни и са разположени коаксиално вътрежно един на друг. Електродите могат да бъдат преместване аксиално по отноюение един на друг. Устройството за позициониране на електродите, например, хидравлични или пневматични цилиндри, не е показано на фигурата.

Електродите са твърди и могат да се изразходват, и могат непрекъснато да бъдат премествани напред в процеса на ерозия или износване. По този начин не се налага вънино охлаждане с охлаждащ агент, факт, който води до значително опростяване на плазмената горелка. За електродите могат да бъдат използвани различни типове електропроводими материали, за предпочитане материали с висока точка на топене, такива като волфрам, силициев карбид или графит. Изборът на материалите зависи, също така, от тяхната устойчивост в атмосферата на областта, в която се прилагат по време на въпросния • · · ·

·· ···· · • · · ·· · • ···· ···· • · · · · ······· • · · ·· · • · · ·· · · процес.

Плазмената горелка е затворена от едната страна с помощта на пръстеновидни изолиращи дискове 5, 6 и 7. Изолиращите дискове служат, едновременно с това, за уплътнители между електродите.

Газът, от който се получава плазмата и/или реагентът се подават между централния електрод 3 и в пръстеновидните пространства между електродите. Захранващите тръби за газа към плазмената горелка през изолиращите дискове не са показани на фигурата.

Плазмената горелка е конструирана по такъв начин, че да бъде възможно, реагентът да се подаде през централния електрод 3 чрез самостоятелна входяща тръба 4. Подходяща входяща тръба е описана, например, в норвежка заявка за патент на настоящите автори No 91 4911.

Тъй като се предпочита електродите да са изразходващи се, централният електрод 3 може да бъде издължаван по време на работа и да бъде преместван аксиално, като по този начин става възможно позиционирането на неговия край да бъде регулирано, ако това се налага.

Електродите се захранват с електроенергия от захранваща система, която не е показана на фигурата. Електроенергията се подава към електродите с кабели 8, 9 и 10, които са показани като линии на фигурата.

Кабелът на вънвния електрод 10 и кабелът на междинния електрод 9 са свързани заедно извън горелката чрез допълнителна връзка или спояваща плоча 11. Това свързване се осъ ществява преди свързването на вградените измерителни уреди за регистриране на тока през електродите. Вънвният електрод 1 и междинният електрод 2 притежават по този начин еднакъв

• · · · · ···· · ··· • · · · ··· ···· потенциал и се свързват, за предпочитане, с положително напрежение, изпълнявайки ролята на анод. Централният електрод 3 се свързва, за предпочитане, с отрицателно напрежение и изпълнява ролята на катод.

Около електродите, за предпочитане извън областта, в която се образува дъгата, е разположена пръстеновидна магнитна бобина 12 или пръстеновиден постоянен магнит. Магнитната бобина 12 или постоянният магнит регулират постоянното магнитно поле в тази област на горелката.

Спомагателният електрод 2 и централният електрод 3 са така отдалечени, че радиалното разстояние между тях е малко. Когато се подаде напрежение, между електродите прескача искра и се образува дъга. Работното напрежение и разстоянието между електродите се настройват по такъв начин, че винаги да се появява искра. По тази причина се постига надеждно запалване на плазмената горелка.

Магнитни сили придвижват дъгата към края на електродите и след като веднъж дъгата е запалена, тя може да достигне по-голяма дължина, когато има същото напрежение между електродите. Най-долната точка на дъгата може да мигрира извън спомагателния електрод 2 в радиална посока и срещу външния електрод 1, който притежава същия потенциал. Ето защо, след като веднъж дъгата е запалена, тя се мести между централния електрод 3 и външния електрод 1.

Спомагателният електрод 2 може да се премества в аксиално направление. По време на работа той се отдръпва от плазмената зона. Спомагателният електрод 2 след това се изтегля достатъчно надалеч, така че да бъде предпазен от каквото и да е по-нататъшно образуване на долна точка на дъга та, което се предпочита пред преместването от външния елек• · · • ·

трод 1 срещу централния електрод 3. Оптималното позициониране на спомагателния електрод 2 може да се настройва с помощта на контролното оборудване, което измерва, например, тока между тях. Оптималното позициониране се постига, когато средната стойност на интензитета на тока през спомагателния електрод 2 достигне минимум.

Дъгата в плазмената горелка съгласно изобретението се изтласква извън края на електродите. Причината за това са самостоятелните електромагнитни сили в дъгата и газа, който тече в пространството между електродите и изтласква дъгата навън. Дъгата става толкова дълга, че тя евентуално се прекъсва и угасва.

Когато дъгата между външния електрод 1 и централния електрод 3 загасне, тя може веднага да бъде запалена отново между централния електрод 3 и спомагателния електрод 2. Интензитетът между тези електроди е достатъчен, така че позволява емисията на електрони от повърхността на електрода, който има висока температура, и по този начин дъгата се запалва моментално. Така не се регистрира прекъсване на енергията, тъй като основният ток се движи между външния електрод 1 и спомагателния електрод 2.

Най-долната точка на дъгата след това се премества от спомагателния електрод 2 към външния електрод 1. Електродите имат толкова висока температура, че те емитират електрони към областта около електродите и дъгата между външния електрод 1 и централния електрод 3 се създава отново само след няколко милисекунди, след като тя е загаснала.

По време на работа дъгата непрекъснато загасва и отново се запалва, както е описано по-горе. Поради това спомагателният електрод 2, който също може да бъде наречен запалващ • >

електрод, е абсолютно необходим за непрекъснатата работа на плазмената горелка съгласно изобретението.

• ·· • ···· · ··· • · · · · · · ······· • ·..··..· ··’ :

Claims (3)

1. Патентни претенции

   1. Плазмена горелка с непреместваща се дъга, конструирана за източник на енергия, например, за химически процеси, притежаваща няколко тръбни електрода, разположени коаксиално вътрешно един на друг, които са за предпочитане електрически изолирани един от друг и притежават изводи за подаване на електроенергия, и могат да бъдат свързани с променлив или прав ток и, за предпочитане са снабдени с аксиална магнитна f’' бобина, разположена в работната зона на дъгата, и електроW дите са изработени от неметален материал с висока точка на топене, и газът, от който се получава плазмата и/или реагентът се подава през централния електрод и в пръстеновидните пространства между електродите, характеризираща се с това, че се използват поне три електрода, включващи външен електрод (1), спомагателен електрод (2) и централен електрод (3), при което електродите (1, 2 и 3) могат да се преместват аксиално един спрямо друг и спомагателният електрод (2) представлява запалващ електрод, който е електрически свързан с един от другите електроди (1, 3), така че тези два електрода имат същата полярност и напрежение и по време на работа спомагателният електрод (2) се изтегля от плазмената зона.
2. 2. Плазмена горелка съгласно претенция 1, характеризираща се с това, че разстоянието между спомагателния електрод (2) и плазмената зона се контролира по такъв начин, че през него да преминава минимален ток.
3. 3. Плазмена горелка съгласно претенция 1, характеризираща се с това, че разстоянието между спомагателния електрод (2), свързан с единия полюс и електрода (1 или 3), свързан с другия полюс във веригата за захранване е такова, че между тях прескача електрическа искра, когато е подадено работно напрежение.