CN103987183B - 一种等离子体加热分解器 - Google Patents
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Abstract
一种等离子体加热分解器，涉及到等离子体加热设备，由阳极套、阳极、阴极基座、阴极和绝缘架组成，阳极呈喇叭形的回转体结构，喇叭形内空间构成扩散腔，扩散腔后端的喉口构成压缩孔道，阳极嵌入到阳极套中，阳极的外壁与阳极套之间的空间构成水套b；阴极基座呈中轴向前凸出的回转体结构，阴极嵌入到阴极基座中轴的内空间中，阴极的杆体外壁与阴极基座中轴的内壁之间空间构成水套a；绝缘架为阳极套与阴极基座之间的连接部件，阳极套安装在绝缘架的前端，阴极基座安装在绝缘架的后端，阴极基座的中轴前端与阳极后端的压缩孔道之间有空间构成收缩腔，阴极的头端置于收缩腔中。本发明适合在热解水制氢或处理有害物质的生产线中应用，保护生态环境。
Description
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加热设备。
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，放电作用使得气体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，并且，电极容易被烧蚀，使用寿命不长。
热解水制氢工艺避开了“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。等离子技术是热解水制氢的候选技术之一，这主要是由于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，而采用等离子技术则很容易做到。
发明内容
本发明的目的是要克服现有等离子体设备电极易烧蚀、使用寿命不长的缺点，并且适合在热解水制氢或处理有害物质的生产线中应用，实现清洁燃烧，保护生态环境。
本发明的一种等离子体加热分解器，由阳极套（1）、阳极（2）、阴极基座（6）、阴极（4）和绝缘架（3）组成，其中，阳极套（1）呈圆套筒结构，阳极套（1）的前部有承插口（103）；阳极（2）呈喇叭形的回转体结构，阳极（2）包括前端头（201）、喇叭形壁体和后端头（203），阳极（2）的喇叭形内空间构成扩散腔（Ⅰ），扩散腔（Ⅰ）后端的喉口构成压缩孔道（Ⅲ），阳极（2）嵌入到阳极套（1）中，阳极（2）的前端头（201）与阳极套（1）前部的承插口（103）进行紧密装配，阳极（2）的外壁与阳极套（1）的内壁之间有空间，阳极（2）外壁与阳极套（1）内壁之间的空间构成水套b（Ⅱ），水套b（Ⅱ）有冷却水进口（104）接入和冷却水出口（102）接出；阴极基座（6）呈中轴向前凸出的回转体结构，阴极基座（6）的中轴为贯通的空心结构，阴极（4）嵌入到阴极基座（6）中轴的内空间中，阴极（4）包括阴极头端、杆体和阴极尾端，阴极（4）的头端高出阴极基座（6）中轴的前端，阴极（4）的头端侧壁紧密装配在阴极基座（6）中轴的前端壁体中，阴极（4）的尾端紧密装配在阴极基座（6）后端的壁体中，阴极（4）的杆体外壁与阴极基座（6）中轴的内壁之间有空间，阴极（4）的杆体外壁与阴极基座（6）中轴的内壁之间空间构成水套a（Ⅵ），水套a（Ⅵ）有冷却进水口（601）接入和冷却回水出口（602）接出；绝缘架（3）为阳极套（1）与阴极基座（6）之间的连接部件，绝缘架（3）的前部体中和后部体中各有空腔，绝缘架（3）前部空腔和后部空腔之间有隔板（301），隔板（301）的中心有圆孔，绝缘架（3）后部的空腔通过隔板（301）中心的圆孔贯通到前部的空腔；阳极套（1）安装在绝缘架（3）的前端，阳极套（1）的后部筒体伸入到绝缘架（3）前部的空腔中，阴极基座（6）安装在绝缘架（3）的后端，阴极基座（6）的中轴前部伸入到绝缘架（3）后部的空腔中，阴极基座（6）的中轴前端与阳极（2）后端的压缩孔道（Ⅲ）之间有空间构成收缩腔（Ⅳ），阴极（4）的头端置于收缩腔（Ⅳ）中。
本发明中，阴极基座（6）的中轴前部体上有外螺纹结构的导流螺纹（604）；阴极基座（6）的中轴后部周边有环槽，阴极基座（6）中轴后部周边的环槽构成工作气室（Ⅶ）；工作气室（Ⅶ）有工作气输入接口（603）接入，工作气室（Ⅶ）通过导流螺纹（604）的螺距空间连通到收缩腔（Ⅳ）；阴极（4）的杆体中有原料气通道（Ⅴ），在原料气通道（Ⅴ）的内壁上附有隔热衬套（5）；阴极（4）的头端中心有原料气喷口（404）；原料气通道（Ⅴ）有原料气输入接口（403）接入，原料气通道（Ⅴ）通过原料气喷口（404）连通到收缩腔（Ⅳ）；在水套b（Ⅱ）的后端有堵圈（7）进行封闭，堵圈（7）紧密安装在阳极（2）的后端头（203）外壁与阳极套（1）后筒体的后端内壁之间；阳极（2）后端的压缩孔道（Ⅲ）为圆形直孔，圆形直孔的直径与隔板（301）中心圆孔的直径相同；在水套b（Ⅱ）侧的阳极（2）壁体上有冷却突环（202）凸出，冷却突环（202）为一环以上；在水套a（Ⅵ）侧的阴极（4）壁体上有冷却肋环（402）凸出，冷却肋环（402）为一环以上；阴极（4）的头端加工成圆弧端面。
上述的发明在具体实施时，工作电源的正极连接到阳极套（1）的壁体上，工作电源的负极连接到阴极基座（6）的壁体上，二路冷却水的供水管分别连接到冷却进水口（601）上和冷却水进口（104）上，工作气的供气管连接到工作气输入接口（603）上，原料气的输气管连接到原料气输入接口（403）上。各回路工作流程是：一路冷却水从冷却进水口（601）进入到水套a（Ⅵ）中，进行冲刷阴极杆体（401）的外壁和冷却肋环（402），把热量快速移走，然后，冷却水从冷却回水出口（602）流出，返回到冷却系统中；另一路冷却水从冷却水进口（104）进入到水套b（Ⅱ）中，进行冲刷阳极（2）的喇叭形壁体外侧和冷却突环（202），使阳极（2）得到冷却，然后，冷却水从冷却水出口（102）流出，返回到冷却系统中；工作气从工作气输入接口（603）进入到工作气室（Ⅶ）中，再通过导流螺纹（604）的螺距空间进入到收缩腔（Ⅳ）；原料气通过原料气输入接口（403）进入到原料气通道（Ⅴ）中，再由喷口（404）喷入收缩腔（Ⅳ）。工作时，工作气在导流螺纹（604）的引导下，形成螺旋方式的旋转气流进入到收缩腔（Ⅳ），工作气以旋转方式冲刷阴极（4）的头端，阴极（4）的头端与阳极（2）的喇叭形内壁之间的空间构成放电区，形成高温的等离子体电弧，原料气被高温的等离子体电弧所加热，再通过压缩通道（Ⅲ）进一步升温，进行活化、分解或生成新的物质，原料气的分解产物和工作气的离子弧通过压缩孔道（Ⅲ）中喷出，形成等离子体火炬，再通过扩散腔（Ⅰ）加速喷出。所述的工作气包括空气、氮气、氩气和氢气其中的一种，所述的原料气包括水蒸汽和工业有害气体其中的一种，当把本发明作为热解水制氢设备应用时，原料气为水蒸汽，工作气选用氢气；当把本发明作为有害气体的处置设备应用时，原料气为有害气体，工作气选用空气。
在等离子设备中，阴极的作用是发射电子，等离子电弧的弧根温度很高，极易使阴极烧蚀。本发明中，在阴极（4）的杆体（401）外壁上设置凸出的冷却肋环（402），使水套a（Ⅵ）包围在阴极（4）的外围，使得阴极（4）的受冷面积增大，冷却水直接冲刷阴极（4）的杆体（401）外壁和冷却肋环（402），使得阴极（4）得到快速散热，避免或减缓被烧蚀；阴极（4）的头端加工成圆弧端面，工作气以旋转方式冲刷阴极（4）的圆弧型头端，使得放电的面积增大，等离子体电弧的弧根分散在圆弧端面上，避免局部温度过高而烧蚀阴极；原料气通道（Ⅴ）的内壁上附有隔热衬套（5），使得原料气通道（Ⅴ）不会受到水套a（Ⅵ）中的冷却水作用产生吸热，当原料气为水蒸汽时，可以避免水蒸汽冷凝为水；水蒸汽通过阴极（4）头端中心的喷口（404）喷入收缩腔（Ⅳ）中的放电区，使水蒸汽吸收到阴极（4）头端的热量得到预热，同时对阴极（4）的头端具有冷却作用；在水套b（Ⅱ）的后端有堵圈（7）进行封闭，堵圈（7）紧密安装在阳极（2）的后端头（203）外壁与阳极套（1）后筒体的后端内壁之间，使得容易装配和密封更可靠。
本发明的有益效果是：提供的一种等离子体加热分解器，适合在热解水制氢或处理有害物质的生产线中应用，并且克服了现有等离子体设备的电极易烧蚀、使用寿命不长的缺点。本发明的等离子体加热分解器实现清洁燃烧，保护生态环境。
附图说明
图1是本发明的一种等离子体加热分解器的结构图。
图2是本发明的另一种等离子体加热分解器的结构图。
图中：1.阳极套，101.阳极套的后筒体，102.冷却水出口，103.阳极的承插口，104.冷却水进口，2.阳极，201.阳极的前端头，202.冷却突环，203.阳极的后端头，3.绝缘架，301.绝缘架内的隔板，302.绝缘架的后接口，303.绝缘架的前接口，4.阴极，401.阴极的杆体，402.阴极的冷却肋环，403.原料气输入接口，404.原料气喷口，5.隔热衬套，6.阴极基座，601.冷却进水口，602.冷却回水出口，603.工作气输入接口，604.导流螺纹，7.堵圈，8.电磁线圈，Ⅰ.扩散腔，Ⅱ.水套b，Ⅲ.压缩孔道，Ⅳ.收缩腔，Ⅴ.原料气通道，Ⅵ.水套a，Ⅶ.工作气室。
具体实施方式
实施例1 图1所示的实施方式中，等离子体加热分解器由阳极套（1）、阳极（2）、阴极基座（6）、阴极（4）和绝缘架（3）组成，其中，阳极套（1）呈圆套筒结构，阳极套（1）的前部有承插口（103）；阳极（2）呈喇叭形的回转体结构，阳极（2）包括前端头（201）、喇叭形壁体和后端头（203），阳极（2）的喇叭形内空间构成扩散腔（Ⅰ），扩散腔（Ⅰ）后端的喉口构成压缩孔道（Ⅲ），压缩孔道（Ⅲ）为圆形直孔，阳极（2）嵌入到阳极套（1）中，阳极（2）的前端头（201）与阳极套（1）前部的承插口（103）进行紧密装配，阳极（2）的外壁与阳极套（1）的内壁之间有空间，阳极（2）外壁与阳极套（1）内壁之间的空间构成水套b（Ⅱ），在水套b（Ⅱ）侧的阳极（2）壁体上有冷却突环（202）凸出，冷却突环（202）为一环以上，在水套b（Ⅱ）的后端有堵圈（7）进行封闭，堵圈（7）紧密安装在阳极（2）的后端头（203）外壁与阳极套（1）后筒体的后端内壁之间，水套b（Ⅱ）有冷却水进口（104）接入和冷却水出口（102）接出；阴极基座（6）呈中轴向前凸出的回转体结构，阴极基座（6）的中轴为贯通的空心结构，阴极基座（6）的中轴前部体上有外螺纹结构的导流螺纹（604），阴极基座（6）的中轴后部周边有环槽；阴极（4）包括阴极头端、杆体和阴极尾端，阴极（4）的头端加工成圆弧端面，阴极（4）的杆体中有原料气通道（Ⅴ），在原料气通道（Ⅴ）的内壁上附有隔热衬套（5），阴极（4）的头端中心有原料气喷口（404），阴极（4）嵌入到阴极基座（6）中轴的内空间中，阴极（4）的头端高出阴极基座（6）中轴的前端，阴极（4）的头端侧壁紧密装配在阴极基座（6）中轴的前端壁体中，阴极（4）的尾端紧密装配在阴极基座（6）后端的壁体中，阴极（4）的杆体外壁与阴极基座（6）中轴的内壁之间有空间，阴极（4）的杆体外壁与阴极基座（6）中轴的内壁之间空间构成水套a（Ⅵ），在水套a（Ⅵ）侧的阴极（4）壁体上有冷却肋环（402）凸出，冷却肋环（402）为一环以上，水套a（Ⅵ）有冷却进水口（601）接入和冷却回水出口（602）接出；绝缘架（3）为阳极套（1）与阴极基座（6）之间的连接部件，绝缘架（3）的前部体中和后部体中各有空腔，绝缘架（3）前部空腔和后部空腔之间有隔板（301），隔板（301）的中心有圆孔，隔板（301）中心圆孔的直径与压缩孔道（Ⅲ）的直径相同，绝缘架（3）后部的空腔通过隔板（301）中心的圆孔贯通到前部的空腔；阳极套（1）安装在绝缘架（3）的前端，阳极套（1）的后部筒体伸入到绝缘架（3）前部的空腔中，阴极基座（6）安装在绝缘架（3）的后端，阴极基座（6）的中轴前部伸入到绝缘架（3）后部的空腔中，阴极基座（6）中轴后部周边的环槽构成工作气室（Ⅶ）；阴极基座（6）的中轴前端与阳极（2）后端的压缩孔道（Ⅲ）之间有空间构成收缩腔（Ⅳ），阴极（4）的头端置于收缩腔（Ⅳ）中；工作气室（Ⅶ）有工作气输入接口（603）接入，工作气室（Ⅶ）通过导流螺纹（604）的螺距空间连通到收缩腔（Ⅳ）；原料气通道（Ⅴ）有原料气输入接口（403）接入，原料气通道（Ⅴ）通过原料气喷口（404）连通到收缩腔（Ⅳ）。本实施例采用螺纹连接方式把阳极套（1）、绝缘架（3）和阴极基座（6）进行连接。本实施例在应用时，工作电源的正极连接到阳极套（1）的壁体上，工作电源的负极连接到阴极基座（6）的壁体上，二路冷却水的供水管分别连接到冷却进水口（601）上和冷却水进口（104）上，工作气的供气管连接到工作气输入接口（603）上，原料气的输气管连接到原料气输入接口（403）上。
实施例2 图2所示的实施方式中，采用法兰连接方式把把阳极套（1）、绝缘架（3）和阴极基座（6）进行连接，绝缘架（3）同时作为线圈骨架利用，在绝缘架（3）的外围设置电磁线圈（8），工作时，电磁线圈（8）产生的磁场使离子弧向中收压缩，以获得更高的火炬温度。其它方面与第一实施例的相同，不再赘述。
上述的实施例中，阳极套（1）和阴极基座（6）选用不锈钢材料制作，阳极（2）和阴极（4）选用紫铜材料制作，绝缘架（3）选用胶木材料或聚四氟乙烯材料制作，隔热衬套（5）选用聚四氟乙烯材料制作。
上述的实施例作为热解水制氢设备应用或作为有害气体的处置设备应用，当作为热解水制氢设备应用时，原料气为水蒸汽，工作气选用氢气，在常压条件下容易实现把水加热到分解的最佳温度3400～3500K，与煤气化联产造气或用来处置生活垃圾，实现清洁燃烧，保护生态环境；当作为有害气体的处置设备应用时，原料气为有害气体，工作气选用空气，把有害气体分解或重新组合为中性的无害物质进行排放。
Claims (7)
1.一种等离子体加热分解器，由阳极套（1）、阳极（2）、阴极基座（6）、阴极（4）和绝缘架（3）组成，其中，阳极套（1）呈圆套筒结构；阳极（2）呈喇叭形的回转体结构，阳极（2）的喇叭形内空间构成扩散腔（Ⅰ），扩散腔（Ⅰ）后端的喉口构成压缩孔道（Ⅲ），阳极（2）的外壁与阳极套（1）的内壁之间有空间，阳极（2）外壁与阳极套（1）内壁之间的空间构成水套b（Ⅱ），水套b（Ⅱ）有冷却水进口（104）接入和冷却水出口（102）接出；阴极基座（6）呈中轴向前凸出的回转体结构，阴极基座（6）的中轴为贯通的空心结构，阴极（4）包括阴极头端、杆体和阴极尾端，阴极（4）的尾端紧密装配在阴极基座（6）后端的壁体中，阴极（4）的杆体外壁与阴极基座（6）中轴的内壁之间有空间，阴极（4）的杆体外壁与阴极基座（6）中轴的内壁之间空间构成水套a（Ⅵ），水套a（Ⅵ）有冷却进水口（601）接入和冷却回水出口（602）接出；绝缘架（3）为阳极套（1）与阴极基座（6）之间的连接部件；
其特征是阳极套（1）的前部有承插口（103），阳极（2）包括前端头（201）、喇叭形壁体和后端头（203），阳极（2）嵌入到阳极套（1）中，阳极（2）的前端头（201）与阳极套（1）前部的承插口（103）进行紧密装配，在水套b（Ⅱ）的后端有堵圈（7）进行封闭，堵圈（7）紧密安装在阳极（2）的后端头（203）外壁与阳极套（1）后筒体的后端内壁之间；在水套a（Ⅵ）侧的阴极（4）壁体上有冷却肋环（402）凸出，阴极（4）的杆体中有原料气通道（Ⅴ），在原料气通道（Ⅴ）的内壁上附有隔热衬套（5），阴极（4）嵌入到阴极基座（6）中轴的内空间中，阴极（4）的头端高出阴极基座（6）中轴的前端，阴极（4）的头端侧壁紧密装配在阴极基座（6）中轴的前端壁体中；绝缘架（3）的前部体中和后部体中各有空腔，绝缘架（3）前部空腔和后部空腔之间有隔板（301），隔板（301）的中心有圆孔，绝缘架（3）后部的空腔通过隔板（301）中心的圆孔贯通到前部的空腔；阳极套（1）安装在绝缘架（3）的前端，阳极套（1）的后部筒体伸入到绝缘架（3）前部的空腔中；阴极基座（6）安装在绝缘架（3）的后端，阴极基座（6）的中轴前部伸入到绝缘架（3）后部的空腔中，阴极基座（6）的中轴前端与阳极（2）后端的压缩孔道（Ⅲ）之间的空间构成收缩腔（Ⅳ），阴极（4）的头端置于收缩腔（Ⅳ）中。
2.根据权利要求1所述的一种等离子体加热分解器，其特征是阴极基座（6）的中轴前部体上有外螺纹结构的导流螺纹（604）；阴极基座（6）的中轴后部周边有环槽，阴极基座（6）中轴后部周边的环槽构成工作气室（Ⅶ）；工作气室（Ⅶ）有工作气输入接口（603）接入，工作气室（Ⅶ）通过导流螺纹（604）的螺距空间连通到收缩腔（Ⅳ）。
3.根据权利要求1所述的一种等离子体加热分解器，其特征是阴极（4）的头端中心有原料气喷口（404）；原料气通道（Ⅴ）有原料气输入接口（403）接入，原料气通道（Ⅴ）通过原料气喷口（404）连通到收缩腔（Ⅳ）。
4.根据权利要求1所述的一种等离子体加热分解器，其特征是阳极（2）后端的压缩孔道（Ⅲ）为圆形直孔，圆形直孔的直径与隔板（301）中心圆孔的直径相同。
5.根据权利要求1所述的一种等离子体加热分解器，其特征是在水套b（Ⅱ）侧的阳极（2）壁体上有冷却突环（202）凸出，冷却突环（202）为一环以上。
6.根据权利要求1所述的一种等离子体加热分解器，其特征是冷却肋环（402）为一环以上。
7.根据权利要求1所述的一种等离子体加热分解器，其特征是阴极（4）的头端加工成圆弧端面。
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