CN105282952A - 500kw磁稳非转移弧等离子发生器 - Google Patents

Abstract

500KW磁稳非转移弧等离子发生器，沿喷射方向顺次设带空腔的阴极、绝缘筒、间隙、第一阳极和可调绝缘座、主气环、第二阳极、密封、第三阳极、吹弧口和第四阳极。各阳极有中心孔和冷却水道。辅助气体通过阴极空腔顶部中央处的辅助气孔进入阴极空腔内；主气通过主气环旋入第二阳极顶部；保护气体通过吹弧口旋入第四阳极顶部；阴极和第四阳极外都设有磁稳线圈。直流电源负极接阴极；正极接各装有转移电弧开关的四个阳极。四阳极结构提高弧压，使功率高达500KW以上。辅助气、主气和保护气体保证了气体与电极动态接触。磁稳线圈使电弧稳定均匀。阴极空腔结构可使阴极寿命增长。可用于垃圾、工业废料无毒化能源化处理，放射性废料处置、新型纳米材料制备等。

Description

500KW磁稳非转移弧等离子发生器

技术领域

本发明涉及一种大功率(100KW以上)等离子发生器，属离子产生和火花隙类(H01T)。

背景技术

等离子体是由许多带电粒子组成，总和大约为电中性的物质形态，广泛存在于宇宙中，也是宇宙中丰度最高的物质形态，常被视为是物质的第四态。随着温度上升物质存在固态、液态、气态三态的转化过程，当气态物质温度升至几千度时，使气体分子产生电离，这样物质就变成自由运动并相互作用的正离子和电子组成混合物，即等离子体。其温度分布从100K的低温等离子体到超高温核骤变等离子体的10⁸～10⁹K(1～10亿℃)。等离子体中的粒子会受到作用力的影响：带电粒子运动时会会产生电流以及磁场，当带电粒子横越磁场运动时则受磁场的约束，因此等离子体粒子会受到彼此产生的或来自外界的电磁场的影响。

现使用的热等离子体发生装置中，是阴极和阳极间的电弧放电作用使流入工作气体发生电离，输出的等离子体呈喷射状，用作等离子体射流或等离子体喷焰等。传统采用的是直流放电法，将直流电源的正极与热等离子体发生器阳极连接，负极与阴极连接，当所加电压达到一定值后，电极间的工作气体被电离形成等离子体，高速喷射出发生器口，形成等离子体喷焰。此时喷焰具有很高的热焓，其焰芯温度可达10000℃～20000℃，外焰部份也可达到3000℃。正是电弧放电等离子体的高温高热焓等特性已被国外先进国家首选为无害化处理各种工业有毒有害废弃物的技术。功率从25kW到250kW不等，当使用空气作为工作气体时连续工作时间可达30小时，当使用氮气作为工作气体时连续工作时间可达100小时以上。非转移弧等离子体发生器，适用于任何形式的工业废弃物，不管被处理物是固态、液态、气态及是否属于导电性质的都能处理。所述非转移弧就是电弧必须在等离子发生器腔内自己产生，不转移在腔体外；所述转移弧是指必须在腔外放导体，导体与腔体外部产生电弧。

目前较为先进的等离子发生器是申请号为CN201210079650.0的国内发明专利公开的一种200KW非转移弧等离子发生器，该装置特征是：从电弧产生至喷出方向顺次设置外周有绝缘筒的阴极、间隙、有可调绝缘座作支撑的小阳极、将主气从外引入中心孔的主气环、二阳极和最下端有喇叭喷囗的大阳极；其中，二阳极与主气环间有密封，二阳极外有调节螺母；阴极为实心紫铜电极，阴极外圈为不锈钢筒，紫铜电极和不锈钢筒间为冷却水道；小阳极、二阳极和大阳极三个阳极均为紫铜电极，且前述三个阳极中心为连通的供电弧送出的孔径相同的中心孔，前述三个阳极紫铜电极内均设有冷却水道；阴极外圈不锈钢筒从前端至后端为紧套阴极的密封的收缩筒颈、锥形筒和直形筒，其中收缩筒颈和直形筒与外部绝缘筒间分别用下螺纹和上螺纹密封连接；在绝缘筒和可调绝缘座外周套螺纹压环将两者轴向可调连接；在可调绝缘座外装异形法兰，并用螺钉将可调绝缘座轴向固定于主气环；二阳极和大阳极轴向用两极间法兰连接固定，两极间法兰间装有绝缘层；辅助气通过可调绝缘座引入小阳极顶部；主气通过主气环旋入二阳极顶部；保护气从二阳极和大阳极间旋入大阳极顶部；直流电源U0的负极与阴极连接；直流电源的正极与前述三个阳极用导线连接,且前述三个阳极与导线的连接线上均各装一个转移电弧开关。

从上可知，该200KW非转移弧等离子发生器的阴极和阳极间接触面积较小、距离较近，功率较低，结构较复杂，其缺点如下：1)阴极与阳极间接触面小、距离较近，导致电极容易过热引起烧蚀，寿命较短，单个电极最多可连续工作300小时；2）弧压较低，若在更大的电压下工作，等离子弧容易出现断弧3）功率较低，电弧较短，不适宜更大规模的工业应用。

申请号为CN200620013110.2的国内发明专利公开的一种功率可达350KW的等离子发生器，由阴极、阳极、引弧装置、直流电源组成，用于在燃煤锅炉上直接点燃煤粉，其特征是：它包括阴极、阳极、前腔进气环、后腔进气环、电动调压阀、支撑套、罩壳、底座、前腔进气口、后腔进气口、进水口、出水口、引弧装置、开关电源，其总体上为定极距同轴双气室空气压缩式结构；等离子发生器的阳极为空心筒体，内表面设计为先收敛后扩散的拉法尔喷管式结构，阳极的材质为铜合金，在拉法尔喷管部分上钎焊贵金属，阳极的外部与不锈钢套筒焊接形成水冷环形槽；等离子发生器的阴极由可更换阴极头和阴极导电杆连接组成，其可更换阴极头为圆柱筒形结构，材质为铜合金，内圆柱面上钎焊贵金属，可更换阴极头上加工有水冷环形槽；等离子发生器的阴极和阳极同轴布置，之间设置2-3毫米的间隙，在工作中不作相对运动，直流电源的正负极分别接等离子发生器的阳极和阴极；等离子体发生器的电极、进气环都装在支撑套上，所有零件都装在支座上，通过管路与压缩空气、冷却水系统连接，并用罩壳与外界隔离。由于该等离子发生器的阴极为圆柱筒形结构,以及其阳极的内表面越靠近阴极越收敛,该装置的两电极间的面积和距离十分有限,导致以下缺点：1)阴极为圆柱筒形结构,两端开放，容易损失弧压；2)阴阳两电极间的面积和距离小,导致电极容易过热引起烧蚀，寿命短；3)只有一级阳极,功率有限,应用面窄，只能适用于煤炭处理；4）可更换的阴极头与后腔进气环相邻，该部分结构复杂不易于阴极头的更换。

发明内容

本发明是为了解决现有等离子发生器的功率较小(200~350kW)、弧压较低、电极寿命较短、应用范围较小的问题，而提供的一种500KW磁稳非转移弧等离子发生器，具有大功率（500kW）、弧压高、效率高、电极寿命较长、使用效果更好的特点。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种500KW磁稳非转移弧等离子发生器，包括从电弧产生至喷出方向顺次设置的阴极、第一阳极、第二阳极、第三阳极，其特征在于，还包括最下端的有喇叭喷口的第四阳极，所述阴极下部设有空腔，所述阴极空腔顶部中心处设有可通入辅助气体的辅助气孔；所述阴极和第四阳极外都设有磁稳线圈，还包括沿阴极空腔内壁吹入旋转气体的主气环，所述主气环还向阳极吹入旋转气体。

上述方案中，所述阴极空腔为与阴极同轴的圆柱形。

上述方案中，所述第一阳极、第二阳极、第三阳极和第四阳极中心为连通的供电弧送出的中心孔；四个阳极中心孔孔径沿电弧产生至喷出方向逐一增大；四个阳极内均设有冷却水道。

上述方案中，所述冷却水道都设有螺纹。

上述方案中，所述阴极的外圈为不锈钢筒，阴极的电极和不锈钢筒间的夹层为冷却水道；阴极外周有绝缘筒。

上述方案中，所述第一阳极外设有支撑第一阳极的可调绝缘座。

上述方案中，所述第一阳极和第二阳极间有主气环；所述主气环连接主气孔，使主气由主气孔进入主气环然后同时沿阳极内壁旋入第二阳极以及沿阴极的空腔壁旋入空腔内；所述辅助气体将旋入阴极空腔的气体吹向各阳极；所述第四阳极顶部有可吹入旋转保护气体的吹弧口。

上述方案中，所述主气环外层为开有进气口的不锈钢筒，内层为有中心通孔且周向布有多个斜向进气道的不锈钢筒，两筒间为空腔气道。

上述方案中，所述主气环与第二阳极间设有密封：密封圈、二阳极外固定的法兰，法兰周向装多个拧入主气环下端面的螺栓。

上述方案中，所述磁稳线圈的内部绕组沿轴向缠绕。

上述方案中，所述阴极与直流电源的负极连接，其特征是所述阴极与直流电源的负极连接，所述直流电源的正极与四个阳极用导线连接，且各阳极与导线的连接线上各装一个转移电弧开关。

上述等离子发生器的具体优化结构和设计参数，在实施例中结合附图说明。

本发明有益效果：

1）该等离子发生器阴极内有空腔，增大了阴极与阳极间的距离和接触面积，缓解了电极过热引起的烧蚀，电极寿命增加，单个电极可连续工作500-800小时。

2）阴极只有靠近阳极端完全开放，远离阳极端除开有一个小口径辅助气孔外完全封闭，减小了弧压的损失。

3）辅助气体无需旋转直接吹入阴极空腔内，同时结构较复杂的旋转进气环（主气环）远离需经常更换的阴极，且阴极位于装置末端，易于阴极的更换。

4）该等离子发生器包含第一阳极、第二阳极、第三阳极和第四阳极的四阳极结构，提高了弧压，在保持同样电流时，功率大大提高，实现达到500KW的大功率运作。

5)该等离子发生器的主气环使主气同时沿阳极内壁旋入第二阳极顶部，以及沿阴极的空腔壁旋入空腔内，阴极空腔壁处形成进气通道；从阴极空腔顶部喷出的辅助气流辅助主气从空腔中心轴喷出阴极，形成出气通道；因而气流与电极保持动态接触，防止了阴极空腔内气体流动不畅，使电弧稳定均匀，保护各电极。

6)该等离子发生器的阴极和第四阳极外设有磁稳线圈，可径向压缩运动中的电弧，使电弧稳定，不易出现断弧。

7）该等离子发生器阳极级数增大导致总阻抗增大，在弧压增大时，电流不会相应成比例增加,因而减少高电压状态下的工作能耗。

8）该等离子发生器应用广泛，可用于生活垃圾、工业废料无毒化能源化处理，矿石冶炼耐火保温材料溶制、放射性废料处置、新型纳米材料制备等。

附图说明

图1本发明纵剖视结构示意图。

图2为主气环横剖视图(俯视图)。

图中标记：1、阴极，2、绝缘筒，3、间隙，4、第一阳极，5、可调绝缘座，6、主气环(6.1、不锈钢筒，6.2、空腔气道，6.3、有多个斜向进气道的不锈钢筒，6.4、中心通孔)，7、第二阳极，8、出水，9、第三阳极，10、第四阳极，11、辅助气孔，12、进水，13、磁稳线圈，14、主气孔，15、密封：(15.1、密封圈，15.2、法兰，15.3螺栓)，16、中心孔，17、吹弧口。

具体实施方式

本实施例磁稳500KW非转移弧等离子发生器，如下组成：

1)总体布置：见图1，从电弧产生至喷出方向顺次设置有带有空腔的阴极1和阴极外周的绝缘筒2、间隙3、第一阳极4和支撑第一阳极的可调绝缘座5、将主气从外引入中心孔16的主气环6、第二阳极7、第三阳极9、吹弧口17和最下端有喇叭喷口的第四阳极10；其中第二阳极7与主气环6间有密封8；阴极1和第四阳极10外都设有磁稳线圈13。

2)各电极结构：见图1，阴极1有下部设有空腔的电极1.1，阴极外圈为不锈钢筒1.3，电极1.1和不锈钢筒1.3间的夹层为冷却水道1.2。冷水由冷却水道1.2上方引入和引出。阴极外圈不锈钢筒1.3从前端至后为紧套阴极并密封的收缩筒颈、锥形筒和直筒，其中收缩筒颈和直筒与外部绝缘筒间分别用螺纹并密封连接。阴极电极与不锈钢筒间靠收缩筒颈紧密密封连接。不锈钢筒1.3靠上下螺纹旋入外部绝缘筒2内并固定为一体。第一阳极4为有中心孔16的电极，第一阳极电极内设有冷却水道，并从下方的主气环6引入引出。第二阳极7为有中心孔16的电极，第二阳极电极内设有冷却水道，并从第二阳极电极径向引入引出。第三阳极9为有中心孔的电极，第三阳极电极内设有冷却水道，并从二阳极法兰径向引入引出。第四阳极10为有中心孔的电极，第四阳极电极内设有冷却水道，并从三阳极法兰径向引入引出。第四阳极中心孔为喇叭形。四个阳极中心孔孔径逐一增大。四个阳极的冷却水道设有增大传热的螺纹，进水12、出水8分布见图1。阴极与第一阳极间距离范围为1～4mm；阴极与第二阳极间距离范围为150～200mm；阴极与第三阳极间距离范围为350～400mm；阴极与第三阳极间距离范围为550～600mm；四个阳极中心孔孔径取值范围为20～40mm。且产品总长为800～900mm、产品最大外径(主气环处)为150～200mm。

3）磁稳结构：磁稳线圈13设置在阴极1和第四阳极10外部，其内部绕组沿轴向缠绕，其与对应电极间加有绝缘层以免短路。

4)各电极外部连接、调整、密封结构：见图1，绝缘筒2和可调绝缘座5均用聚四氟烯制作，在两者外周套不锈钢螺纹压环将两者轴向可调连接；即当旋转螺纹压环，可调节阴极和小阳极间间隙3的长度(内置垫圈进行细微调整)。可调绝缘座为有中心孔的异形体，内装并支撑第一阳极4，用螺钉将可调绝缘座5轴向固定于主气环6上端面。可调绝缘座上设有放在第一阳极4下方的可调垫片和支撑件，可通过增减垫片调整间隙3、第一阳极4、主气环6间的轴向距离。第二阳极7与主气环6间装的密封8为如下型式：在第二阳极外圆上端与主气环间装密封圈8.1，并在二阳极外固定法兰8.2，法兰周向装多个拧入主气环下端面的螺栓8.3。在二阳极7外圆柱面上套装设调节螺母，相互间用螺纹连接；当二阳极轴向位置调整合适后，用轴向穿过调节螺母的螺钉顶在法兰上固定第二阳极和调节螺母相对位置。第二阳极用法兰和第三阳极法兰轴向连接固定，两法兰间装有有中心孔的绝缘层。第三阳极用法兰和第四阳极法兰轴向连接固定，两法兰间装有有中心孔的绝缘层。

5)各部分气路：见图1和图2，第一阳极4和第二阳极7间的主气环6外接主气孔14，使主气由主气孔14进入主气环6然后同时沿阳极内壁旋入第二阳极7顶部以及沿阴极（1）的空腔壁旋入阴极1的空腔内；第四阳极10顶部有可吹入旋转保护气体的吹弧口17，使气体与电极壁动态接触。辅助气体将旋入阴极空腔的气体由空腔中央吹向各阳极，形成出气通道。若不使用辅助气体，阴极空腔内气体将无法充分流动，导致阴极过热，损伤阴极。

6)电路：见图1，直流电源U₀的负极用导线1a与阴极1连接；直流电源的正极与三个阳极用总导线连接，且各阳极分别用分导线4a、7a、9a、10a与总导线连接，各分导线4a、7a、9a、10a线上均各装一个转移电弧开关K₄、K₇、K₉、K₁₀。各电极上设电极连接片分别与导线1a和各分导线4a、7a、10a另一端连接固定。

本实施例使500KW磁稳非转移弧等离子发生器工作的引弧方法，包括如下步骤：1)在第一阳极电极线上进行耐高压处理，加强绝缘；2)将五根电极线固定在五个电极的电极连接片上；3)调节主气和辅助气阀门，三处均通入气体；4)将直流电源施加在第一阳极和阴极间进行升压，空载直流电压大于1000伏；5)在第一阳极和阴极间施加大于10000伏的高频电压，使两极间击穿，产生电弧，工作电压变为300伏左右；6)1秒后，先接通第二阳极开关K7，然后断开第一阳极开关K4，第二阳极和阴极间产生电弧；7)1秒后，先接通第三阳极开关K9，然后断开第二阳极开关K7，第三阳极和阴极间产生电弧，电压升高到700伏；8)1秒后，先接通第四阳极开关K10，然后断开第三阳极开关K9，第四阳极和阴极间产生电弧，电压升高达到最大900伏，引弧完成。

Claims (10)

1.一种500KW磁稳非转移弧等离子发生器，包括从电弧产生至喷出方向顺次设置的阴极(1)、第一阳极(4)、第二阳极(7)、第三阳极（9），其特征在于，还包括最下端的有喇叭喷口的第四阳极(10)，所述阴极(1)下部设有空腔，所述阴极空腔顶部中心处设有可通入辅助气体的辅助气孔(11)；所述阴极（1）和第四阳极（10）外都设有磁稳线圈(13)，还包括沿阴极（1）空腔内壁吹入旋转气体的主气环（6），所述主气环（6）还向阳极吹入旋转气体。

2.根据权利要求1所述的等离子发生器，其特征是所述阴极空腔为与阴极同轴的圆柱状。

3.根据权利要求1所述的等离子发生器，其特征是所述第一阳极、第二阳极、第三阳极和第四阳极中心为连通的供电弧送出的中心孔；四个阳极中心孔孔径沿电弧产生至喷出方向逐一增大；四个阳极内均设有冷却水道。

4.根据权利要求3所述的等离子发生器，其特征是所述冷却水道都设有螺纹。

5.根据权利要求1所述的等离子发生器，其特征是所述阴极(1)的外圈为不锈钢筒(1.3)，阴极(1)的电极(1.1)和不锈钢筒(1.3)间的夹层为冷却水道(1.2)；阴极外周有绝缘筒(2)。

6.根据权利要求1所述的等离子发生器，其特征是所述第一阳极（4）外设有支撑第一阳极（4）的可调绝缘座(5)。

7.根据权利要求1所述的等离子发生器，其特征是所述第一阳极（4）和第二阳极（7）间有主气环（6）；所述主气环（6）连接主气孔（14），使主气由主气孔（14）进入主气环（6）然后同时沿阳极内壁旋入第二阳极（7）以及沿阴极（1）的空腔壁旋入空腔内；所述辅助气体将旋入阴极空腔的气体吹向各阳极；所述第四阳极（10）顶部有可吹入旋转保护气体的吹弧口（17）。

8.根据权利要求7所述的等离子发生器，其特征是所述主气环（6）外层为开有进气口的不锈钢筒(6.1)，内层为有中心通孔(6.4)且周向布有多个斜向进气道的不锈钢筒(6.3)，两筒间为空腔气道(6.2)。

9.根据权利要求7所述的等离子发生器，其特征是所述主气环（6）与第二阳极（7）间设有密封(15)：密封圈(15.1)、二阳极外固定的法兰(15.2)，法兰周向装多个拧入主气环（6）下端面的螺栓(15.3)。

10.根据权利要求1所述的等离子发生器，其特征是所述磁稳线圈（13）的内部绕组沿轴向缠绕；所述阴极（1）与直流电源（U₀）的负极连接，所述直流电源（U₀）的正极与四个阳极（4,7,9,10）用导线连接，且各阳极与导线的连接线上各装一个转移电弧开关。