CN103906337A - 一种介质加热用途的等离子体喷枪 - Google Patents

Abstract

一种介质加热用途的等离子体喷枪，涉及等离子设备。主要由前枪体、阳极、后枪体、阴极和绝缘架组成，其中，前枪体上有导流套管和向后延伸的筒体，导流套管在筒体的内空间中；阳极嵌入在前枪体内，前枪体筒体与阳极壁体之间的空间构成冷却水套，后枪体的回转体结构上有阴极座，阴极安装在阴极座的前端，阴极的体内有冷却腔；前枪体安装在绝缘架的前端，前枪体的延伸筒体插入到绝缘架的前承插口中，后枪体安装在绝缘架的后端，后枪体上的阴极座进入到绝缘架的后承插口中，阴极头部伸入到阳极后部的圆柱形空间中，阴极的头部与阳极后部壁体之间的空间构成电离通道。本发明用于热解水制氢或用于处理有害物质，减少对煤炭石油的依赖，保护生态环境。

Description

一种介质加热用途的等离子体喷枪

技术领域

本发明涉及等离子设备，特别是涉及到一种等离子体喷枪。

背景技术

当前，等离子技术已得到广泛的应用，工业上应用于等离子点火、等离子喷涂、金属冶炼、等离子加热制造纳米材料、切割、垃圾焚烧和废物处理等。等离子体是在电离层或放电现象下所形成的一种状态，在等离子体发生器中，放电作用使得工作气分子失去外层电子而形成离子状态，经相互碰撞而产生高温，因此，等离子体火炬的中心温度可高达摄氏数万度以上，火炬边缘温度也可达到数千度以上，被处理的物质受到高温等离子体冲击时，其分子将会分解、原子将会重新组合而生成新的物质。

不同的应用场合对等离子设备的要求不同，当用于处理化工生产所排放有害废气或用于热解水制氢时，需要被加热介质具有较强的活性及在等离子喷枪内有足够的逗留时间，因此，对等离子体设备的设计提出了不同的要求。现有的等离子设备不能满足有害废气处理或热解水制氢的使用要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种介质加热用途的等离子体喷枪，用于热解水制氢或用于处理有害物质，减少对煤炭石油的依赖，实现清洁燃烧，保护生态环境。

本发明的一种介质加热用途的等离子体喷枪，其特征是喷枪主要由前枪体（2）、阳极（4）、后枪体（14）、阴极（7）和绝缘架（23）组成，其中，前枪体（2）呈回转体结构，前枪体（2）上有导流套管（6）和向后延伸的筒体（22），导流套管（6）在筒体（22）的内空间中；阳极（4）嵌入在前枪体（2）的回转体内，阳极（4）的前部呈由前向后逐渐收窄的喇叭形结构，喇叭形结构的内空间构成离子弧通道（Ⅰ），喇叭形结构的后部为圆孔形的喉口，圆孔形的喉口构成压缩通道（Ⅳ），阳极（4）的后部呈圆柱形的空间，阳极（4）后部的圆柱形空间通过压缩通道（Ⅳ）连通到离子弧通道（Ⅰ）；前枪体（2）筒体与阳极（4）壁体之间的空间构成冷却水套，导流套管（6）把冷却水套分隔为外层水套（Ⅱ）和内层水套（Ⅲ），外层水套（Ⅱ）的后端与内层水套（Ⅲ）的后端相互连通，外层水套（Ⅱ）的前端有冷却水进口（5）接入，内层水套（Ⅲ）的前端有冷却水出口（3）接出；后枪体（14）呈回转体结构，后枪体（14）的回转体结构上有阴极座（18），阴极座（18）为圆管体结构，阴极（7）安装在阴极座（18）的前端，阴极（7）的体内有冷却腔（Ⅸ）；绝缘架（23）的体中有前承插口和后承插口，前承插口和后承插口之间通过圆形通孔连通，前枪体（2）安装在绝缘架（23）的前端，前枪体（2）的延伸筒体（22）插入到绝缘架（23）的前承插口中，后枪体（14）安装在绝缘架（23）的后端，后枪体（14）上的阴极座（18）进入到绝缘架（23）的后承插口中，阴极座（18）前端的阴极（7）头部伸入到阳极（4）后部的圆柱形空间中，阴极（7）的头部与阳极（4）后部壁体之间的空间构成电离通道（Ⅴ），阴极座（18）壁体与绝缘架（23）壁体之间的空间构成旋流通道（Ⅵ），旋流通道（Ⅵ）连通到电离通道（Ⅴ），旋流通道（Ⅵ）有工作气接入口（19）接入。

本发明中，在前枪体（2）中有封头（20），阳极（4）后端的外壁与筒体（22）后端的内壁之间通过封头（20）进行紧密连接，阳极（4）的前端外壁与前枪体（2）的前端内壁进行紧密连接；压缩通道（Ⅳ）的孔道比为0.7-1.5，压缩通道（Ⅳ）的入口呈喇叭形的收窄喉口结构；在后枪体（14）的回转体结构内有导流管（15），导流管（15）的内空间构成冷却水输入通道（Ⅶ），导流管（15）外壁与阴极座（18）内壁之间的空间构成冷却水回流通道（Ⅷ），冷却水输入通道（Ⅶ）和冷却水回流通道（Ⅷ）连通到冷却腔（Ⅸ），冷却水输入通道（Ⅶ）有冷却水输入接口（16）接入，冷却水回流通道（Ⅷ）有冷却水回流接口（17）接出；工作气接入口（19）设置在后枪体（14）上或设置在绝缘架（23）的壁体上，工作气接入口（19）兼作加热介质接入口，工作气接入口（19）以切线方向接入旋流通道（Ⅵ）；绝缘架（23）兼作磁压缩线圈骨架，绝缘架（23）的外壁上有线槽结构，线槽结构中有磁压缩线圈（24），磁压缩线圈（24）有输入端（10）和输出端（9）；在前枪体（2）与绝缘架（23）的前端连接面之间有密封垫（1）；阴极（7）的头部为半球体结构，在阴极（7）与阴极座（18）的接口上有密封环（8）；在阴极座（18）的外壁上有隔热套（12），隔热套（12）的后端有凸环，隔热套（12）后端的凸环构成后枪体（14）与绝缘架（23）之间的密封体；在旋流通道（Ⅵ）中有旋流肋片（11），旋流肋片（11）与绝缘架（23）连为一体，或旋流肋片（11）与隔热套（12）连为一体。

上述的发明在应用时，把磁压缩线圈（24）的输入端（10）与阴极（7）进行电气连接，把磁压缩线圈（24）的输出端（9）与直流主电源的负极进行电气连接，把直流主电源的正极与阳极（4）进行电气连接，同时，把引弧电源连接在阳极（4）与阴极（7）之间；把前枪体（2）上的冷却水进口（5）和后枪体（14）上的冷却水输入接口（16）分别通过绝缘材质的水管连接到冷却系统的供水管路上，把前枪体（2）上的冷却水出口（3）和后枪体（14）上的冷却水回流接口（17）分别通过绝缘材质的水管连接到冷却系统的回水管路上；把工作气/加热介质接入口（19）分别通过控制阀门连接到工作气源和加热介质源的输出接口上。当把本发明用来处理有害废气时，把阳极（4）的离子弧通道（Ⅰ）出口连接到余热锅炉，采用余热锅炉来回收热能利用；当把本发明用于热解水制氢与煤气化联产造气时或用于处置固体废物时，把阳极（4）的离子弧通道（Ⅰ）出口连接到气化炉膛，进行生产合成气。

纯水的热分解避开了“热→功”转换过程，将热能直接转换为氢能，理论转换效率很高，但此反应需吸收大量热能。若压力固定为0.05Par，则温度为2000K时水基本不分解，2500K时可以有25%的水发生分解，2800K时水的分解率可高达55%。在常压条件下热解水的最佳温度为3400～3500K，一般的加热方式难以达到这么高的温度，而使用等离子喷枪则很容易做到。然而，单独使用等离子喷枪热解水制氢时，氢、氧不能及时分离易发生逆反应使得氢收率低，并且存在余热回收难题，造成能量损失，因而不具经济性。等离子体热解水制氢和煤气化联产造气所实现的有益效果是：一.把气化炉内的炭作为吸氧和吸氢元件，及时吸收等离子体热解水产生的分解物，生成一氧化碳和氢气，避免水分解的氢、氧进行逆反应；二.利用煤气化过程中的吸热来回收等离子体热解水制氢的余热，利用水分子的分解物与炭的放热反应为煤原料烘干和热解提供所需的热量，因而不需向气化炉内输入氧气助燃，减少氧化反应的炭损耗和减少废气；三.反应点的温度高，可以提高气化率，气化率几乎达到100%。

本发明中各回路的工作流程是：一路冷却水从冷却水进口（5）进入到前枪体（2）中的外层水套（Ⅱ）中，冷却水流（21）由导流套管（6）后端的空间折返进入内层水套（Ⅲ），再由冷却水出口（3）流出，通过水管返回到冷却系统冷却后进行循环利用；另一路冷却水从后枪体（14）的冷却水输入接口（16）输入，通过冷却水输入通道（Ⅶ）进入到阴极（7）体内的冷却腔（Ⅸ），然后由冷却水回流通道（Ⅷ）和冷却水回流接口（17）输出，通过水管返回到冷却系统冷却后进行循环利用；工作气或气态的加热介质由工作气/加热介质接入口（19）以切线方式进入旋流通道（Ⅵ）形成旋转气流，然后通过电离通道（Ⅴ）进入压缩通道（Ⅳ），形成离子弧后经离子弧通道（Ⅰ）喷出喷枪；直流主电源接通到阳极（4）和阴极（7）上，引弧电源把引弧电压施加在阳极（4）和阴极（7）之间，使电离通道（Ⅴ）中产生电场，对经过电离通道（Ⅴ）的工作气或气态加热介质进行电离处理，同时，使阴极（7）的半球形头端与阳极（4）的喇叭形壁体之间进行放电，生成等离子体电弧，直流主电源的能量作用到工作气或气态的加热介质上，使得工作气或气态的加热介质成为高温的离子弧，使气态的加热介质得到分解或重新组合而生成新的物质。

上述的发明中，采用导流套管（6）在阳极（4）的冷却水进行导流，冷却水从导流套管（6）后端的空间折返进入内层水套（Ⅲ），再由内层水套（Ⅲ）的前端流出，使冷却水冲刷阳极（4）壁体的有效面积大，而且冲刷均匀，没有死角，对阳极的冷却效果更好。

上述的发明中，在绝缘架（23）的体中有前承插口和后承插口，前承插口和后承插口之间通过圆形通孔连通，这不但方便前枪体（2）和后枪体（14）的安装，而且在工作时，避免枪体内产生寄生电弧；把绝缘架（23）兼作线圈骨架，可以容纳线圈的圈数更多，使得磁压缩线圈的作用更大，并且喷枪的结构更紧凑。

上述的发明在具体实施时，前枪体（2）选用不锈钢材料制作，阳极（4）选用紫铜材料制作，阳极（4）与前枪体（2）采用过盈配合进行装配，以解决紫铜材料与不锈钢材料的连接问题，因此，在前枪体（2）中有封头（20），阳极（4）后端的外壁与筒体（22）后端的内壁之间通过封头（20）进行紧密连接，在把阳极（4）装配在前枪体（2）内的过程中，前、后端的装配分步进行，使得阳极（4）容易嵌入到前枪体（2）中，可以采用更大的过盈配合，达到连接更紧密、密封更可靠的效果。

上述的发明中，在阴极座（18）的外壁上加有隔热套（12），具体实施时，隔热套（12）选用聚四氟乙烯材料制作，当被加热的介质为水蒸汽时，可以防止水蒸汽被阴极座（18）冷却，当被加热的介质含有腐蚀气体时，可以防止阴极座（18）被腐蚀。

本发明的有益效果是：提供的一种介质加热用途的等离子体喷枪，用于热解水制氢或用于处理有害物质，减少对煤炭石油的依赖，实现清洁燃烧，保护生态环境。当用于煤气化生产时，克服了常规技术存在的气化率低、煤炭资源消耗量大的缺点；当用于生活垃圾和生物质的气化时，把生活垃圾或生物质转化为高品质的合成气，符合生产甲醇或二甲醚的原料气要求，为实现生活垃圾零排放、无污染、资源化处置提供支持。

附图说明

附图是本发明的一种介质加热用途的等离子体喷枪结构图。

图中：1.密封垫，2.前枪体，3.冷却水出口，4.阳极，5.冷却水进口，6.导流套管，7.阴极，8.密封环，9.磁压缩线圈的输出端，10.磁压缩线圈的输入端，11.旋流肋片，12.隔热套，13.螺栓，14.后枪体，15.导流管，16.冷却水输入接口，17.冷却水回流接口，18.阴极座，19.工作气/加热介质接入口，20.封头，21.冷却水流，22.前枪体的延伸筒体，23.绝缘架，24.磁压缩线圈，Ⅰ.离子弧通道，Ⅱ.外层水套，Ⅲ.内层水套，Ⅳ.压缩通道，Ⅴ.电离通道，Ⅵ.旋流通道，Ⅶ.冷却水输入通道，Ⅷ.冷却水回流通道，Ⅸ.冷却腔。

具体实施方式

实施例   附图所示的实施方式中，一种介质加热用途的等离子体喷枪主要由前枪体（2）、阳极（4）、后枪体（14）、阴极（7）和绝缘架（23）组成，其中，前枪体（2）呈回转体结构，前枪体（2）上有导流套管（6）和向后延伸的筒体（22），导流套管（6）在筒体（22）的内空间中，在前枪体（2）中有封头（20）；阳极（4）嵌入在前枪体（2）的回转体内，阳极（4）与前枪体（2）采用过盈配合进行装配，阳极（4）的前部呈由前向后逐渐收窄的喇叭形结构，喇叭形结构的内空间构成离子弧通道（Ⅰ），喇叭形结构的后部为圆孔形的喉口，圆孔形的喉口构成压缩通道（Ⅳ），压缩通道（Ⅳ）的孔道比为0.7-1.5，压缩通道（Ⅳ）的入口呈喇叭形的收窄喉口结构，阳极（4）的后部呈圆柱形的空间，阳极（4）后部的圆柱形空间通过压缩通道（Ⅳ）连通到离子弧通道（Ⅰ），阳极（4）后端的外壁与筒体（22）后端的内壁之间通过封头（20）进行紧密连接，阳极（4）的前端外壁与前枪体（2）的前端内壁进行紧密连接；前枪体（2）筒体与阳极（4）壁体之间的空间构成冷却水套，导流套管（6）把冷却水套分隔为外层水套（Ⅱ）和内层水套（Ⅲ），外层水套（Ⅱ）的后端与内层水套（Ⅲ）的后端相互连通，外层水套（Ⅱ）的前端有冷却水进口（5）接入，内层水套（Ⅲ）的前端有冷却水出口（3）接出；后枪体（14）呈回转体结构，后枪体（14）的回转体结构上有阴极座（18）和导流管（15），阴极座（18）为圆管体结构，阴极（7）安装在阴极座（18）的前端，阴极（7）的体内有冷却腔（Ⅸ），阴极（7）的头部为半球体结构，在阴极（7）与阴极座（18）的接口上有密封环（8），导流管（15）在阴极座（18）的圆管内，导流管（15）的内空间构成冷却水输入通道（Ⅶ），导流管（15）外壁与阴极座（18）内壁之间的空间构成冷却水回流通道（Ⅷ），冷却水输入通道（Ⅶ）和冷却水回流通道（Ⅷ）连通到冷却腔（Ⅸ），冷却水输入通道（Ⅶ）有冷却水输入接口（16）接入，冷却水回流通道（Ⅷ）有冷却水回流接口（17）接出；绝缘架（23）的体中有前承插口和后承插口，前承插口和后承插口之间通过圆形通孔连通，绝缘架（23）兼作磁压缩线圈骨架，绝缘架（23）的外壁上有线槽结构，线槽结构中有磁压缩线圈（24），磁压缩线圈（24）选用纱包紫铜管绕制，磁压缩线圈（24）有输入端（10）和输出端（9）；前枪体（2）安装在绝缘架（23）的前端，在前枪体（2）与绝缘架（23）的前端连接面之间有密封垫（1），前枪体（2）的延伸筒体（22）插入到绝缘架（23）的前承插口中，后枪体（14）安装在绝缘架（23）的后端，后枪体（14）上的阴极座（18）进入到绝缘架（23）的后承插口中，阴极座（18）前端的阴极（7）头部伸入到阳极（4）后部的圆柱形空间中，阴极（7）的头部与阳极（4）后部壁体之间的空间构成电离通道（Ⅴ），阴极座（18）壁体与绝缘架（23）壁体之间的空间构成旋流通道（Ⅵ），旋流通道（Ⅵ）连通到电离通道（Ⅴ）；工作气接入口（19）设置在绝缘架（23）的壁体上，工作气接入口（19）兼作加热介质接入口，工作气接入口（19）以切线方向接入旋流通道（Ⅵ）。本实施例中，在阴极座（18）的外壁上有隔热套（12），隔热套（12）的后端有凸环，隔热套（12）后端的凸环构成后枪体（14）与绝缘架（23）之间的密封体；在旋流通道（Ⅵ）中有旋流肋片（11），旋流肋片（11）与隔热套（12）连为一体。

本实施例在应用时，把磁压缩线圈（24）的输入端（10）与阴极（7）进行电气连接，把磁压缩线圈（24）的输出端（9）与直流主电源的负极进行电气连接，把直流主电源的正极与阳极（4）进行电气连接，同时，把引弧电源连接在阳极（4）与阴极（7）之间；把前枪体（2）上的冷却水进口（5）和后枪体（14）上的冷却水输入接口（16）分别通过绝缘材质的水管连接到冷却系统的供水管路上，把前枪体（2）上的冷却水出口（3）和后枪体（14）上的冷却水回流接口（17）分别通过绝缘材质的水管连接到冷却系统的回水管路上；把工作气/加热介质接入口（19）分别通过控制阀门连接到工作气源和加热介质源的输出接口上，把磁压缩线圈（24）有输入端（10）和输出端（9）与冷却系统的管路进行连接。当把本发明用来处理有害废气时，把阳极（4）的离子弧通道（Ⅰ）出口连接到余热锅炉，采用余热锅炉来回收热能利用；当把本发明用于热解水制氢与煤气化联产造气时或用于处置固体废物时，把阳极（4）的离子弧通道（Ⅰ）出口连接到气化炉膛，进行生产合成气。本实施例在工作时，工作气选用空气、氮气、氢气其中的一种，工作气的供气压力为0.5～1MPa；加热介质包括水蒸汽和工业废气，当加热介质为水蒸汽时，水蒸汽同时兼作工作气，水蒸汽的供汽压力为0.5 MPa。

本实施例中，前枪体（2）和后枪体（14）选用不锈钢材料制作，阳极（4）和封头（20）选用紫铜材料制作，阴极（7）选用铈钨合金材料制作，隔热套（12）选用聚四氟乙烯材料制作，绝缘架（23）选用胶木材料或聚四氟乙烯材料制作。

Claims (10)

1.一种介质加热用途的等离子体喷枪，其特征是喷枪主要由前枪体（2）、阳极（4）、后枪体（14）、阴极（7）和绝缘架（23）组成，其中，前枪体（2）呈回转体结构，前枪体（2）上有导流套管（6）和向后延伸的筒体（22），导流套管（6）在筒体（22）的内空间中；阳极（4）嵌入在前枪体（2）的回转体内，阳极（4）的前部呈由前向后逐渐收窄的喇叭形结构，喇叭形结构的内空间构成离子弧通道（Ⅰ），喇叭形结构的后部为圆孔形的喉口，圆孔形的喉口构成压缩通道（Ⅳ），阳极（4）的后部呈圆柱形的空间，阳极（4）后部的圆柱形空间通过压缩通道（Ⅳ）连通到离子弧通道（Ⅰ）；前枪体（2）筒体与阳极（4）壁体之间的空间构成冷却水套，导流套管（6）把冷却水套分隔为外层水套（Ⅱ）和内层水套（Ⅲ），外层水套（Ⅱ）的后端与内层水套（Ⅲ）的后端相互连通，外层水套（Ⅱ）的前端有冷却水进口（5）接入，内层水套（Ⅲ）的前端有冷却水出口（3）接出；后枪体（14）呈回转体结构，后枪体（14）的回转体结构上有阴极座（18），阴极座（18）为圆管体结构，阴极（7）安装在阴极座（18）的前端，阴极（7）的体内有冷却腔（Ⅸ）；绝缘架（23）的体中有前承插口和后承插口，前承插口和后承插口之间通过圆形通孔连通，前枪体（2）安装在绝缘架（23）的前端，前枪体（2）的延伸筒体（22）插入到绝缘架（23）的前承插口中，后枪体（14）安装在绝缘架（23）的后端，后枪体（14）上的阴极座（18）进入到绝缘架（23）的后承插口中，阴极座（18）前端的阴极（7）头部伸入到阳极（4）后部的圆柱形空间中，阴极（7）的头部与阳极（4）后部壁体之间的空间构成电离通道（Ⅴ），阴极座（18）壁体与绝缘架（23）壁体之间的空间构成旋流通道（Ⅵ），旋流通道（Ⅵ）连通到电离通道（Ⅴ），旋流通道（Ⅵ）有工作气接入口（19）接入。

2.根据权利要求1所述的一种介质加热用途的等离子体喷枪，其特征是在前枪体（2）中有封头（20），阳极（4）后端的外壁与筒体（22）后端的内壁之间通过封头（20）进行紧密连接，阳极（4）的前端外壁与前枪体（2）的前端内壁进行紧密连接。

3.根据权利要求1所述的一种介质加热用途的等离子体喷枪，其特征是压缩通道（Ⅳ）的孔道比为0.7-1.5，压缩通道（Ⅳ）的入口呈喇叭形的收窄喉口结构。

4.根据权利要求1所述的一种介质加热用途的等离子体喷枪，其特征是在后枪体（14）的回转体结构内有导流管（15），导流管（15）的内空间构成冷却水输入通道（Ⅶ），导流管（15）外壁与阴极座（18）内壁之间的空间构成冷却水回流通道（Ⅷ），冷却水输入通道（Ⅶ）和冷却水回流通道（Ⅷ）连通到冷却腔（Ⅸ），冷却水输入通道（Ⅶ）有冷却水输入接口（16）接入，冷却水回流通道（Ⅷ）有冷却水回流接口（17）接出。

5.根据权利要求1所述的一种介质加热用途的等离子体喷枪，其特征是工作气接入口（19）设置在后枪体（14）上或设置在绝缘架（23）的壁体上，工作气接入口（19）兼作加热介质接入口，工作气接入口（19）以切线方向接入旋流通道（Ⅵ）。

6.根据权利要求1所述的一种介质加热用途的等离子体喷枪，其特征是绝缘架（23）兼作线圈骨架，绝缘架（23）的外壁上有线槽结构，线槽结构中有磁压缩线圈（24），磁压缩线圈（24）有输入端（10）和输出端（9）。

7.根据权利要求1所述的一种介质加热用途的等离子体喷枪，其特征是在前枪体（2）与绝缘架（23）的前端连接面之间有密封垫（1）。

8.根据权利要求1所述的一种介质加热用途的等离子体喷枪，其特征是阴极（7）的头部为半球体结构，在阴极（7）与阴极座（18）的接口上有密封环（8）。

9.根据权利要求1所述的一种介质加热用途的等离子体喷枪，其特征是在阴极座（18）的外壁上有隔热套（12），隔热套（12）的后端有凸环，隔热套（12）后端的凸环构成后枪体（14）与绝缘架（23）之间的密封体。

10.根据权利要求1或9所述的一种介质加热用途的等离子体喷枪，其特征是在旋流通道（Ⅵ）中有旋流肋片（11），旋流肋片（11）与绝缘架（23）连为一体，或旋流肋片（11）与隔热套（12）连为一体。

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