CN105554996B - 电弧等离子体装置 - Google Patents

Abstract

一种电弧等离子体装置，涉及等离子体设备，包括前端头、第一电极、第二电极、第三电极、支持件和电磁驱动组件，第一电极以嵌入方式安装在前端头之内，第一电极的环内空间构成产物出口；第二电极和第三电极安装在支持件的前端，第三电极置于第二电极的环形体之内，前端头的后端通过围护体连接到第二电极的前端，围护体的内空间构成等离子体发生室；电磁驱动组件安装在支持件的后端，电磁驱动组件由电磁线圈和线圈骨架组成，在线圈骨架中心的轴向孔道中有驱动杆，驱动杆的前部杆体中有引弧电极，引弧电极进行伸缩方式的引弧。本发明先使处理介质进行电离活化，再把处理介质在高温等离子体电弧的作用下进行处理，提高了效率和节省电能。

Description

电弧等离子体装置

技术领域

本发明涉及机电设备，特别是涉及到一种等离子体设备。

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、垃圾焚烧废物处理等。等离子体的处理方式和一般的方式大不一样，等离子体是在电离层或放电现象下所形成的一种状态，伴随着放电现象将会生成了激发原子、激发分子、离解原子、游离原子团、原子或分子离子群的活性化学物以及它们与其它的化学物碰撞而引起的反应。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，温度可达几万度以上，被处理的化工有害气体受到高温高压的等离子体冲击时，其分子、原子将会重新组合而生成新的物质，从而使有害物质变为无害物质。

在固体废物处置领域，把水蒸汽通过等离子体装置分解为氢、氧活性化学物后再作为气化剂送入气化炉，与生活垃圾或医疗垃圾或工业有机废物或农林废弃物进行气化反应，所进行的反应是放热反应，不需输入氧气或空气助燃，因此可以把生活垃圾或医疗垃圾或工业有机废物或农林废弃物转化为符合化工原料应用要求的富氢合成气。

研发一种结构合理、适合其目标产物应用的等离子体装置是本领域研发人员的任务，提高等离子体装置的效率、减少电能消耗是本领域研发人员所追求的目标。

发明内容

本发明的目的是提供一种适合处理化工有害气体或热解用途的等离子体装置，并使装置结构简单合理和效率高，以减少电能消耗。

本发明的一种电弧等离子体装置，包括前端头1、第一电极2、第二电极6、第三电极7、支持件8和电磁驱动组件，其特征是前端头1、第一电极2和第二电极6各为环形体结构，第三电极7为圆盘体结构，第三电极7的圆盘体中心有过孔，第三电极7的过孔前端有凹槽7-1；第一电极2以嵌入方式安装在前端头1之内，第一电极2的环内空间构成产物出口Ⅺ；第二电极6和第三电极7安装在支持件8的前端，第三电极7置于第二电极6的环形体之内，第二电极6的内壁与第三电极7的外壁之间空间构成电离气槽Ⅱ；前端头1通过围护体5连接到第二电极6的前端，围护体5的内空间构成等离子体发生室Ⅷ；电磁驱动组件安装在支持件8的后端，电磁驱动组件中有驱动杆11，驱动杆11的前部杆体中有引弧电极4，当需引发等离子体电弧时，引弧电极4的头端在第一电极2与第三电极7之间进行伸缩方式的引弧。

本发明中，第一电极2外壁与前端头1内壁之间的空间构成冷却水套Ⅹ，冷却水套Ⅹ有冷却剂进口Ⅸ接入和冷却剂出口Ⅰ接出；在第二电极6的环形体中有环形气室Ⅶ，环形气室Ⅶ有介质输入接口Ⅲ接入，环形气室Ⅶ连通到电离气槽Ⅱ；支持件8为前端开口的槽体结构，支持件8的槽体结构的后端壁体中有通孔，支持件8的槽体内空间构成环形冷却腔Ⅴ，在第三电极7的内侧有冷却环槽7-2，冷却环槽7-2与环形冷却腔Ⅴ相通，环形冷却腔Ⅴ有冷却液进口Ⅵ接入和冷却液出口Ⅳ接出；驱动杆11为空心结构，在驱动杆11中部和后部的空心杆体中有间隔设置的磁珠14和隔离珠16。具体实施时，有穿心牵紧杆9贯穿在第三电极7与支持件8的中心，穿心牵紧杆9为轴向贯通的空心结构，穿心牵紧杆9的内空间构成引弧电极4的伸缩滑道，在穿心牵紧杆9的前端有内六角大头9-1，内六角大头9-1深入到第三电极7的凹槽7-1中，在穿心牵紧杆9的后部有牵紧螺头9-2，穿心牵紧杆9后部的牵紧螺头9-2从支持件8的后端壁体中的通孔中伸出；在支持件8与电磁驱动组件之间有中继接头10，在中继接头10的体中有电刷17，中继接头10的中心有轴向贯通的孔道，中继接头10的前部为内螺纹结构，中继接头10前部的内螺纹旋合在穿心牵紧杆9后部的牵紧螺头9-2上，中继接头10的后部为连接螺头10-1，电磁驱动组件安装在中继接头10后部的连接螺头10-1上；穿心牵紧杆9的内空间与中继接头10中心的孔道进行相贯连通；在中继接头10与穿心牵紧杆9的牵紧螺头9-2连接口上有第一电气接口18接入，在第二电极6的壁体上有第二电气接口20接入，在前端头1的壁体上有第三电气接口23接入。

在等离子体装置中，等离子体电弧在二个主电极之间产生，在二个主电极之间能维持等离子体电弧稳定运行的条件下，二个主电极之间的空间距离越大，等离子体电弧的行程越长，其电子相互碰撞的机会和次数就会更多，其能量就会越大，当用于处理工业有害气体时，有害气体受到高温高压等离子体冲击的强度会更大，其重新组合变为无害物质的效率会更高。本发明利用引弧电极进行引弧，先伸出引弧电极使二个主电极之间的引弧距离缩短，以降低引弧电压，然后缩回引弧电极，使二个主电极之间产生高温等离子体电弧。所述的二个主电极为引弧电极之外的电极。本发明采取伸缩式引弧的措施来使等离子体装置的二个主电极之间的空间距离得到延长，加大高温等离子体电弧的能量，提高了效率和节省电能。

本发明在处理工业有害气体领域中应用或在固体废物处置领域中应用，为了进一步提高等离子体装置的效率，本发明在结构中设置第二电极6和第三电极7，把第二电极6和第三电极7进行嵌套设置，第三电极7置于第二电极6的环形体之内，使第二电极6的内壁与第三电极7的外壁之间的空间构成电离气槽Ⅱ。应用时，等离子体工作电源连接到第一电气接口18，然后通过穿心牵紧杆9连接到第三电极7以及通过中继接头10中的电刷17连接到引弧电极4；把高压电源连接到第二电气接口20；第三电气接口23为等离子体工作电源和高压电源的公共回路接口；所述的等离子体工作电源为180-600V电压的电源，其特点是低电压大电流，所述的高压电源为10000V以上的电源，其特点是高电压小电流。然后把工业有害气体或水蒸汽或其他气源的工作气接入介质输入接口Ⅲ，通过第二电极6壁体中的环形气室Ⅶ进入第二电极6与第三电极7之间的电离气槽Ⅱ中，便在电离气槽Ⅱ内形成气流隔离放电方式的电场，使工业有害气体或水蒸汽或其他气源的工作气被电离而增加活性，被电离活化的工业有害气体再在高温等离子体电弧的作用下，更容易及更彻底被处理成中性的无害物质，或被电离活化的水蒸汽更容易被分解而作为固体有机废物的气化剂应用。在具体工作时，引弧电极4的头端伸入到第一电极2的环内空间中，10000V以上的高压电源使第二电极6与第三电极7之间的电离气槽Ⅱ进行气流隔离方式的放电，同时使引弧电极4的头端与第一电极2之间进行放电，在引弧电极4的头端与第一电极2上形成初始电弧，然后对电磁线圈13进行反向通电，使驱动杆11向后移动，带动引弧电极4后移，使引弧电极4的头端缩退到第三电极7的凹槽7-1中，从而把电弧引到第三电极7上，使第一电极2与第三电极7之间形成高温等离子体电弧。

本发明先使高压电源作用在第二电极6与第三电极7之间的电离气槽Ⅱ中，对工业有害气体或水蒸汽或其他气源的工作气进行电离和活化，然后使高压电源作用在第一电极2与第三电极7之间，通过引弧电极进行第一电极2与第三电极7之间的引弧，使之产生高温等离子体电弧，把工业有害气体或水蒸汽或其他气源的工作气进行目标处理，更容易得到目标产物。采取伸缩式引弧的措施来使等离子体装置的二个主电极之间的空间距离得到延长，加大高温等离子体电弧的能量，提高了效率和节省电能。其中，产生高温等离子体电弧的电能由等离子体工作电源提供。

等离子体装置运行时，产生高温等离子体电弧的弧根在第三电极7的外端面上，为了避免引弧电极被烧结在第三电极7上而使引弧电极失去伸缩功能，本发明在第三电极7的体中设置凹槽7-1，使引弧作用完成后的引弧电极头部与第三电极7壁体之间具有一定的空间距离。

上述的发明中，在驱动杆11中部和后部的空心杆体中有间隔设置的磁珠14和隔离珠16，具体实施时，磁珠14选用永磁体材料，隔离珠16选用非磁性材料，各磁珠的极性进行同向串联设置，当需伸出引弧电极时，对电磁线圈进行正向通电，使电磁线圈中心产生的电磁力与驱动杆11内磁珠的磁力线进行正方向配合，把驱动杆11向前推移；当需缩回引弧电极时，对电磁线圈进行反向通电，使电磁线圈中心产生的电磁力与驱动杆11内磁珠的磁力线进行反方向配合，把驱动杆11向后移动。本发明利用电磁线圈和驱动杆11来驱动引弧电极，没有机械动作机构，使得结构简单，并且工作可靠。

本发明的有益效果是：适合在处理工业有害气体领域中应用或在固体废物处置领域中应用，先使处理介质进行电离活化，再把处理介质在高温等离子体电弧的作用下进行处理，更容易得到目标产物。采取伸缩式引弧的措施来使等离子体装置的二个主电极之间的空间距离得到延长，加大高温等离子体电弧的能量，提高了效率和节省电能。本发明利用电磁线圈及在驱动杆11中间隔设置磁珠措施来驱动引弧电极进行伸出或缩回，其结构简单合理、工作可靠。

附图说明

图1是本发明的电弧等离子体装置的结构图。

图2是图1的A-A剖面图。

图中：1.前端头，1-1.卡口，1-2.连接螺口，2.第一电极，2-1.定位凸头，2-2.突环，3.垫圈，4.引弧电极，5.围护体，6.第二电极，7.第三电极，7-1.凹槽，7-2.冷却环槽，8.支持件，8-1.安装螺头，8-2.切向气槽，9.穿心牵紧杆，9-1.内六角大头，9-2.牵紧螺头，10.中继接头，10-1.连接螺头，11.驱动杆，11-1.限位端头，12.线圈骨架，12-1.限位阶，13.电磁线圈，14.磁珠，15.定位铁环，16.隔离珠，17.电刷，18.第一电气接口，19.密封套环，20.第二电气接口，21.密封垫，22.密封圈，23.第三电气接口，24.密封件，25.密封环；Ⅰ.冷却剂出口，Ⅱ.电离气槽，Ⅲ.介质输入接口，Ⅳ.冷却液出口，Ⅴ.环形冷却腔，Ⅵ.冷却液进口，Ⅶ.环形气室，Ⅷ.等离子体发生室，Ⅸ.冷却剂进口，Ⅹ.冷却水套，Ⅺ.产物出口。

具体实施方式

实施例1 图1所示的实施方式中，电弧等离子体装置主要由前端头1、第一电极2、围护体5、第二电极6、第三电极7、支持件8、穿心牵紧杆9、中继接头10和电磁驱动组件组成，其中，前端头1、第一电极2和第二电极6各为环形体结构，前端头1上的前部内侧有卡口1-1，前端头1上的后部有内螺纹的连接螺口1-2；第一电极2的环形体前部有定位凸头2-1，在第一电极2的环形体中后部壁体外侧上有突环2-2；围护体5呈前后贯通的圆筒体结构，在围护体5前后二端的圆筒壁体上各有外螺纹的螺头；第二电极6的环形体前部及后部各有内螺纹的螺口，在第二电极6的环形体中有环形气室Ⅶ，环形气室Ⅶ有介质输入接口Ⅲ接入；第三电极7为圆盘体结构，第三电极7的圆盘体中心有过孔，第三电极7的过孔前端有凹槽7-1；支持件8为前端开口的槽体结构，支持件8的槽体结构的后端壁体中有通孔，通孔的后部为楔形剖面结构的密封槽，在支持件8的前部外壁体上有安装螺头8-1；穿心牵紧杆9为轴向贯通的空心结构，穿心牵紧杆9的内空间构成引弧电极4的伸缩滑道，在穿心牵紧杆9的前端有内六角大头9-1，在穿心牵紧杆9的后部有牵紧螺头9-2；中继接头10的中心有轴向贯通的孔道，中继接头10的前部为内螺纹结构，中继接头10的后部为连接螺头10-1；第一电极2以嵌入方式安装在前端头1之内，第一电极2前部的定位凸头2-1嵌入在前端头1的前部内侧的卡口1-1中，在前端头1的卡口1-1壁体与第一电极2之间有密封环25，第一电极2的后部与前端头1内壁之间构成密封槽，在其密封槽中有密封件24和垫圈3，第一电极2的环内空间构成产物出口Ⅺ，第一电极2外壁与前端头1内壁之间的空间构成冷却水套Ⅹ，冷却水套Ⅹ有冷却剂进口Ⅸ接入和冷却剂出口Ⅰ接出；前端头1的后端通过围护体5连接到第二电极6的前端，围护体5的前端面压紧在垫圈3上，围护体5的内空间构成等离子体发生室Ⅷ；第二电极6和第三电极7安装在支持件8的前端，第三电极7置于第二电极6的环形体之内，在第三电极7与支持件8的壁体之间有密封垫21，第二电极6的内壁与第三电极7的外壁之间空间构成电离气槽Ⅱ，在支持件8壁体的前端有切向气槽8-2，环形气室Ⅶ通过切向气槽8-2连通到电离气槽Ⅱ；穿心牵紧杆9贯穿在第三电极7与支持件8的中心，穿心牵紧杆9前部的内六角大头9-1深入到第三电极7的凹槽7-1中，在内六角大头9-1与凹槽7-1的壁体之间有密封圈22，穿心牵紧杆9后部的牵紧螺头9-2从支持件8的后端壁体中的通孔中伸出，在通孔后部的密封槽中有剖面结构为楔形的密封套环19，支持件8的槽体内空间构成环形冷却腔Ⅴ，穿心牵紧杆9的空心杆体构成环形冷却腔Ⅴ的内环壁体，在第三电极7的内侧有冷却环槽7-2，冷却环槽7-2与环形冷却腔Ⅴ相通，环形冷却腔Ⅴ有冷却液进口Ⅵ接入和冷却液出口Ⅳ接出；中继接头10前部的内螺纹旋合在穿心牵紧杆9后部的牵紧螺头9-2上，穿心牵紧杆9的内空间与中继接头10中心的孔道进行相贯连通；电磁驱动组件安装在中继接头10后部的连接螺头10-1上；电磁驱动组件由电磁线圈13和线圈骨架12组成，在线圈骨架12的后端有定位铁环15，线圈骨架12的中心为贯通的轴向孔道，在线圈骨架12中心的轴向孔道中有驱动杆11，驱动杆11为空心结构，在驱动杆11中部和后部的空心杆体中有间隔设置的磁珠14和隔离珠16，在驱动杆11上有用于伸缩限位的限位大头11-1，引弧电极4以插入方式安装在驱动杆11前部的杆体中，当需引发等离子体电弧时，引弧电极4的头端在第一电极2与第三电极7之间进行伸缩方式的引弧。本实施例中，在中继接头10的体中有电刷17，在中继接头10与穿心牵紧杆9的牵紧螺头9-2连接口上有第一电气接口18接入，第一电气接口18通过穿心牵紧杆9的金属杆体连接到第三电极7以及通过电刷17连接到引弧电极4；在第二电极6的壁体上有第二电气接口20接入，在前端头1的壁体上有第三电气接口23接入，第三电气接口23通过前端头1的金属材质连接到第一电极2；第一电极2、第三电极7和引弧电极4选用钨合金材料制作；前端头1、第二电极6和穿心牵紧杆9选用普通金属材料制作；围护体5选用耐高温非金属材料制作；支持件8选用胶木材料或聚四氟乙烯材料制作；密封圈22、密封件24或密封环25选用具有导电性能的石墨石棉混合材料制作。本实施例在线圈骨架12的后端设置定位铁环15，利用磁珠14的磁力，使驱动杆11定位，从而使引弧电极定位在伸出位置或缩回位置，因此本实施例只在需使驱动杆11前行或后退的过程中对电磁线圈进行通电，在驱动杆11定位后，就可对电磁线圈断电，实现节省电能和延长电磁线圈的寿命。

本实施例在处理工业有害气体领域中应用或在固体废物处置领域中应用，应用时，先使引弧电极4的头端伸入到第一电极2的环内空间中，把180-600V的等离子体工作电源连接到第一电气接口18，把10000V以上的高压电源连接到第二电气接口20，第三电气接口23为等离子体工作电源和高压电源的公共回路接口；然后把工业有害气体或水蒸汽或其他气源的工作气通过介质输入接口Ⅲ输入到环形气室Ⅶ中，再由切向气槽8-2以旋转气流方式进入电离气槽Ⅱ中，10000V以上的高压电源使第二电极6与第三电极7之间的电离气槽Ⅱ进行气流隔离方式的放电，使工业有害气体或水蒸汽或其他气源的工作气被电离而增加活性，同时使引弧电极4的头端与第一电极2之间进行放电，在引弧电极4的头端与第一电极2上形成初始电弧，然后对电磁线圈13进行反向通电，使驱动杆11向后移动，带动引弧电极4后移，使引弧电极4的头端缩退到第三电极7的凹槽7-1中，从而把电弧引到第三电极7上，使第一电极2与第三电极7之间的等离子体发生室Ⅷ内形成高温等离子体电弧；在经过电离气槽Ⅱ被电离活化的工业有害气体再在等离子体发生室Ⅷ内的高温等离子体电弧的作用下，其有害气体的分子、原子将会重新组合而生成新的物质，从而使有害物质变为无害物质，处理后的目标产物从第一电极2的环内空间输出；或水蒸汽通过电离活化后，再经高温等离子体电弧分解为氢、氧活性化学物作为气化剂利用，使固体有机废物气化为有用的化学原料气。

Claims (4)

1.一种电弧等离子体装置，包括前端头（1）、第一电极（2）、第二电极（6）、第三电极（7）、支持件（8）和电磁驱动组件，其特征是前端头（1）、第一电极（2）和第二电极（6）各为环形体结构，在第二电极（6）的环形体中有环形气室（Ⅶ），第三电极（7）为圆盘体结构，第三电极（7）的圆盘体中心有过孔，第三电极（7）的过孔前端有凹槽（7-1）；第一电极（2）以嵌入方式安装在前端头（1）之内，第一电极（2）的环内空间构成产物出口（Ⅺ）；第二电极（6）和第三电极（7）安装在支持件（8）的前端，第三电极（7）置于第二电极（6）的环形体之内，第二电极（6）的内壁与第三电极（7）的外壁之间空间构成电离气槽（Ⅱ）；前端头（1）通过围护体（5）连接到第二电极（6）的前端，围护体（5）的内空间构成等离子体发生室（Ⅷ）；电磁驱动组件安装在支持件（8）的后端，电磁驱动组件由电磁线圈（13）和线圈骨架（12）组成，线圈骨架（12）的中心为贯通的轴向孔道，在线圈骨架（12）中心的轴向孔道中有驱动杆（11），驱动杆（11）为空心结构，在驱动杆（11）中部和后部的空心杆体中有间隔设置的磁珠（14）和隔离珠（16），引弧电极（4）以插入方式安装在驱动杆（11）前部的杆体中，当需引发等离子体电弧时，引弧电极（4）的头端在第一电极（2）与第三电极（7）之间进行伸缩方式的引弧。

2.根据权利要求1所述的一种电弧等离子体装置，其特征是第一电极（2）外壁与前端头（1）内壁之间的空间构成冷却水套（Ⅹ），冷却水套（Ⅹ）有冷却剂进口（Ⅸ）接入和冷却剂出口（Ⅰ）接出。

3.根据权利要求1所述的一种电弧等离子体装置，其特征是环形气室（Ⅶ）有介质输入接口（Ⅲ）接入，环形气室（Ⅶ）连通到电离气槽（Ⅱ）。

4.根据权利要求1所述的一种电弧等离子体装置，其特征是支持件（8）为前端开口的槽体结构，支持件（8）的槽体结构的后端壁体中有通孔，支持件（8）的槽体内空间构成环形冷却腔（Ⅴ），在第三电极（7）的内侧有冷却环槽（7-2），冷却环槽（7-2）与环形冷却腔（Ⅴ）相通，环形冷却腔（Ⅴ）有冷却液进口（Ⅵ）接入和冷却液出口（Ⅳ）接出。