CN105554998B - 熔丝引弧的等离子体装置 - Google Patents

Abstract

一种熔丝引弧的等离子体装置，涉及等离子体设备，包括电极架、第一电极、第二电极、第三电极和支持件，第一电极安装在电极架上，电极架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，第三电极的圆盘体中心有贯通的圆孔，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，第二电极的内壁与第三电极的外壁之间空间构成电离气槽，用穿心牵紧杆和紧固螺母把第三电极与支持件进行紧密连接。本发明适合处理工业有害气体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。本发明省略了引弧电极的驱动装置，结构简单合理和操作简便。

Description

熔丝引弧的等离子体装置

技术领域

本发明涉及等离子体设备，特别是涉及到一种电弧等离子体装置。

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。

本发明的一种熔丝引弧的等离子体装置，包括电极架1、第一电极3、第二电极6、第三电极7和支持件8，其特征是电极架1为中空回转体结构，在电极架1上有安装螺口1-2，第一电极3安装在电极架1的安装螺口1-2上，第一电极3的棒体结构内有冷却腔Ⅲ；电极架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Ⅺ，等离子体发生室Ⅺ有产物出口Ⅳ接出；第二电极6为环形体结构，第三电极7为圆盘体结构，第三电极7的圆盘体中心有贯通的圆孔，在第三电极7贯通的圆孔前端有凹槽7-1，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Ⅴ；支持件8的中心有轴向通孔，用穿心牵紧杆9和紧固螺母10把第三电极7与支持件8进行紧密连接。

本发明中，在电极架1上有冷却剂进口Ⅻ，在电极架1的中空回转体内有导流管1-3，冷却剂进口Ⅻ通过导流管1-3连通到冷却腔Ⅲ；电极架1的中空回转体结构内有冷却剂回流通道Ⅱ，冷却剂回流通道Ⅱ有冷却剂出口Ⅰ接出，第一电极3棒体结构内的冷却腔Ⅲ连通到冷却剂回流通道Ⅱ；产物出口Ⅳ设置在围护体5的壁体上；第二电极6的环形体中有环形气室Ⅹ，环形气室Ⅹ有介质输入接口Ⅵ接入，环形气室Ⅹ连通到电离气槽Ⅴ；支持件8为前端开口的槽体结构，支持件8的槽体内空间构成环形冷却室Ⅸ，环形冷却室Ⅸ有冷却液进口Ⅷ接入和冷却液出口Ⅶ接出；在第三电极7的内侧有冷却环槽7-2，冷却环槽7-2与环形冷却室Ⅸ相通；在支持件8中心的轴向通孔中有密封槽8-1；穿心牵紧杆9为空心结构，穿心牵紧杆9的内空间构成熔丝过孔9-5，熔丝过孔9-5的后端构成熔丝安装口9-3，熔丝过孔9-5与第三电极7的凹槽7-1进行相贯连通。在具体实施时，支持件8前端的壁体上有用于产生旋转气流的切向气槽8-3，使环形气室Ⅹ通过切向气槽8-3连通到电离气槽Ⅴ；在熔丝安装口9-3的壁体上有用于固定引弧熔丝的紧固螺栓11，引弧熔丝设置在穿心牵紧杆9内的熔丝过孔9-5中，引弧熔丝的后端被紧固螺栓11固定在熔丝安装口9-3中，引弧熔丝的前端从第三电极7的凹槽7-1中伸出，使引弧熔丝的前端接近第一电极3的头端，优选间距为5-30mm；在穿心牵紧杆9的后部有第一电气接口12接入，第一电气接口12通过穿心牵紧杆9的金属杆体与第三电极7进行电气连接；在第二电极6的壁体上有第二电气接口14接入；在电极架1的壁体上有第三电气接口17接入，第三电气接口17通过电极架1的金属材质与第一电极3进行电气连接。本发明所述的引弧熔丝为低熔点材料的线、丝或棒材，包括铝线、细铜线或锡铅合金材料的保险丝。

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。本发明利用熔丝进行引弧，先使用引弧熔丝使二个主电极之间的引弧距离缩短，以降低引弧电压，然后引弧熔丝被熔蚀而缩短，使二个主电极之间产生高温等离子体电弧。本发明采取利用熔丝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，加大高温等离子体的能量，提高了效率和节省电能；本发明适合在不频繁起动的长期连续运行的设备上应用，省略了引弧电极的驱动装置，降低了制造成本，结构简单合理，操作简便，引弧熔丝极为廉价，其成本可以忽略，因此，本发明具有极高的性价比。所述的二个主电极为第一电极3和第三电极7。

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Ⅴ。应用时，等离子体工作电源连接到第一电气接口12，然后通过穿心牵紧杆9连接到第三电极7和引弧熔丝；把高压电源连接到第二电气接口14；第三电气接口17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通过介质输入接口Ⅵ输入到第二电极6壁体中的环形气室Ⅹ中，再由支持件8前端的切向气槽8-3进入第二电极6与第三电极7之间的电离气槽Ⅴ中，在电离气槽Ⅴ内形成旋转气流，便在电离气槽Ⅴ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，先使引弧熔丝的前端伸入到距第一电极3的头端5-30mm的位置，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Ⅴ进行气流隔离方式的放电，同时使引弧熔丝的头端与第一电极3的头端之间进行放电，在引弧熔丝的头端与第一电极3的头端之间形成初始电弧，然后引弧熔丝很快被熔蚀而缩短到第三电极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3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Ⅴ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，然后通过引弧熔丝进行第一电极3与第三电极7之间的引弧，使之在第一电极3与第三电极7之间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。本发明采取熔蚀引弧的措施来使第一电极3与第三电极7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上而使更换引弧熔丝时带来困难，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熔丝头部与第三电极7壁体之间具有一定的空间距离。

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。采取熔蚀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。本发明省略了引弧电极的驱动装置，降低了制造成本，结构简单合理和操作简便。

附图说明

图1是本发明的一种熔丝引弧的等离子体装置结构图。

图2是图1的A-A剖面图。

图3是本发明熔丝引弧的等离子体装置中的穿心牵紧杆结构图。

图中：1.电极架，1-1.连接螺口，1-2.安装螺口，1-3.导流管，2.密封环，3.第一电极，3-1.安装螺头，4.引弧熔丝，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.密封槽，8-2.安装螺头，8-3.切向气槽，9.穿心牵紧杆，9-1.内六角大头，9-2.紧固螺孔，9-3.熔丝安装口，9-4.牵紧螺头，9-5.熔丝过孔，10.紧固螺母，11.紧固螺栓，12.第一电气接口，13.密封套环，14.第二电气接口，15.密封垫，16.密封圈，17.第三电气接口；Ⅰ.冷却剂出口，Ⅱ.冷却剂回流通道，Ⅲ.冷却腔，Ⅳ.产物出口，Ⅴ.电离气槽，Ⅵ.介质输入接口，Ⅶ.冷却液出口，Ⅷ.冷却液进口，Ⅸ.环形冷却室，Ⅹ.环形气室，Ⅺ.等离子体发生室，Ⅻ.冷却剂进口。

具体实施方式

实施例1 图1所示的实施方式中，熔丝引弧的等离子体装置主要由电极架1、第一电极3、第二电极6、第三电极7、支持件8和穿心牵紧杆9组成，其中，电极架1为中空回转体结构，电极架1中有冷却剂进口Ⅻ接入和冷却剂出口Ⅰ接出，在电极架1的中空回转体内有导流管1-3，导流管1-3的外围构成冷却剂回流通道Ⅱ，在电极架1上有用于连接到围护体5的连接螺口1-1和用于安装电极的安装螺口1-2，第一电极3安装在电极架1的安装螺口1-2中，在安装螺口1-2的前端与第一电极3之间有紫铜材质的密封环2，第一电极3的棒体结构内有冷却腔Ⅲ，冷却剂进口Ⅻ通过导流管1-3连通到冷却腔Ⅲ，冷却腔Ⅲ通过冷却剂回流通道Ⅱ连通到冷却剂出口Ⅰ；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，电极架1以螺纹连接方式通过围护体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Ⅺ，等离子体发生室Ⅺ有产物出口Ⅳ接出，产物出口Ⅳ设置在围护体5的壁体上；第二电极6为环形体结构，第二电极6环形体的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Ⅹ，环形气室Ⅹ有介质输入接口Ⅵ接入；第三电极7为圆盘体结构，第三电极7的圆盘体中心有贯通的圆孔，在第三电极7贯通的圆孔前端有凹槽7-1，在第三电极7的内侧有冷却环槽7-2；支持件8为前端开口的槽体结构，支持件8的槽体内空间构成环形冷却室Ⅸ，环形冷却室Ⅸ与第三电极7内侧的冷却环槽7-2相通，环形冷却室Ⅸ有冷却液进口Ⅷ接入和冷却液出口Ⅶ接出，在支持件8的中心有轴向通孔，支持件8中心的轴向通孔后部为楔形剖面结构的密封槽8-1，在支持件8的前部外壁体上有安装螺头8-2，支持件8前端的壁体上有用于产生旋转气流的切向气槽8-3；第二电极6旋合在支持件8前部外壁体的安装螺头8-2上，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前端的壁体之间有密封垫15，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Ⅴ，电离气槽Ⅴ通过支持件8前端壁体上的切向气槽8-3连通到环形气室Ⅹ；用穿心牵紧杆9和紧固螺母10把第三电极7与支持件8进行紧密连接；穿心牵紧杆9为空心结构，在穿心牵紧杆9的前端有内六角大头9-1，穿心牵紧杆9从第三电极7中心的圆孔中穿过，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与第三电极7中心圆孔周边的壁体之间有密封圈16，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中心的轴向通孔中伸出，在轴向通孔的密封槽8-1中有剖面结构为楔形的密封套环13；穿心牵紧杆9的内空间构成熔丝过孔9-5，熔丝过孔9-5与第三电极7的凹槽7-1进行相贯连通，熔丝过孔9-5的后端构成熔丝安装口9-3，在熔丝安装口9-3的壁体上有用于固定引弧熔丝的紧固螺孔9-2，紧固螺孔9-2中有紧固螺栓11，引弧熔丝设置在穿心牵紧杆9内的熔丝过孔9-5中，引弧熔丝的后端被紧固螺栓11固定在熔丝安装口9-3中，引弧熔丝的前端从第三电极7的凹槽7-1中伸出，引弧熔丝的前端接近到距第一电极3的头端5-30mm的位置；在穿心牵紧杆9的后部有第一电气接口12接入，第一电气接口12通过穿心牵紧杆9的金属杆体与第三电极7进行电气连接；在第二电极6的壁体上有第二电气接口14接入；在电极架1的壁体上有第三电气接口17接入，第三电气接口17通过电极架1的金属材质与第一电极3进行电气连接。本实施例中，第一电极3与第三电极7之间的距离为满足在引弧条件下使等离子体电弧维持运行的最大间距；所述的引弧熔丝4选用低熔点的锡铅合金材料的保险丝；第一电极3和第三电极7选用钨合金材料制作；电极架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16选用具有导电性能的石墨石棉混合材料制作。

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，先装配引弧熔丝4，使引弧熔丝4的头端与第一电极3的空间距离为5-30mm，把180-600V的等离子体工作电源连接到第一电气接口12，把10000V以上的高压电源连接到第二电气接口14，第三电气接口17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Ⅵ输入到环形气室Ⅹ中，再由切向气槽8-3以旋转气流方式进入电离气槽Ⅴ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Ⅴ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，同时使引弧熔丝4的头端与第一电极3之间进行放电，在引弧熔丝4的头端与第一电极3的头端之间形成初始电弧，引弧熔丝4的头端被熔蚀至第三电极7的凹槽7-1中，从而把电弧引到第三电极7上，在第一电极3与第三电极7之间的等离子体发生室Ⅺ内形成高温等离子体电弧；在经过电离气槽Ⅴ被电离活化的工业有害气体再在等离子体发生室Ⅺ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围护体5壁体上的产物出口Ⅳ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 (8)

1.一种熔丝引弧的等离子体装置，包括电极架（1）、第一电极（3）、第二电极（6）、第三电极（7）和支持件（8），其特征是电极架（1）为中空回转体结构，在电极架（1）上有安装螺口（1-2），第一电极（3）安装在电极架（1）的安装螺口（1-2）上，第一电极（3）的棒体结构内有冷却腔（Ⅲ）；电极架（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（Ⅺ），等离子体发生室（Ⅺ）有产物出口（Ⅳ）接出；第二电极（6）为环形体结构，第三电极（7）为圆盘体结构，第三电极（7）的圆盘体中心有贯通的圆孔，在第三电极（7）贯通的圆孔前端有凹槽（7-1），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（Ⅴ）；支持件（8）的中心有轴向通孔，用穿心牵紧杆（9）和紧固螺母（10）把第三电极（7）与支持件（8）进行紧密连接。

2.根据权利要求1所述的一种熔丝引弧的等离子体装置，其特征是在电极架（1）上有冷却剂进口（Ⅻ），在电极架（1）的中空回转体内有导流管（1-3），冷却剂进口（Ⅻ）通过导流管（1-3）连通到冷却腔（Ⅲ）。

3.根据权利要求1所述的一种熔丝引弧的等离子体装置，其特征是电极架（1）的中空回转体结构内有冷却剂回流通道（Ⅱ），冷却剂回流通道（Ⅱ）有冷却剂出口（Ⅰ）接出，第一电极（3）棒体结构内的冷却腔（Ⅲ）连通到冷却剂回流通道（Ⅱ）。

4.根据权利要求1所述的一种熔丝引弧的等离子体装置，其特征是产物出口（Ⅳ）设置在围护体（5）的壁体上。

5.根据权利要求1所述的一种熔丝引弧的等离子体装置，其特征是第二电极（6）的环形体中有环形气室（Ⅹ），环形气室（Ⅹ）有介质输入接口（Ⅵ）接入，环形气室（Ⅹ）连通到电离气槽（Ⅴ）。

6.根据权利要求1所述的一种熔丝引弧的等离子体装置，其特征是支持件（8）为前端开口的槽体结构，支持件（8）的槽体内空间构成环形冷却室（Ⅸ），环形冷却室（Ⅸ）有冷却液进口（Ⅷ）接入和冷却液出口（Ⅶ）接出；在第三电极（7）的内侧有冷却环槽（7-2），冷却环槽（7-2）与环形冷却室（Ⅸ）相通。

7.根据权利要求1所述的一种熔丝引弧的等离子体装置，其特征是在支持件（8）中心的轴向通孔中有密封槽（8-1）。

8.根据权利要求1所述的一种熔丝引弧的等离子体装置，其特征是穿心牵紧杆（9）为空心结构，穿心牵紧杆（9）的内空间构成熔丝过孔（9-5），熔丝过孔（9-5）的后端构成熔丝安装口（9-3），熔丝过孔（9-5）与第三电极（7）的凹槽（7-1）进行相贯连通。