CN112460993B - 一种三相交流转移弧等离子体加热熔融方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三相交流转移弧等离子体加热熔融方法和系统，其方法为：三个交流电弧电极与对应的喷嘴间起弧，通入电弧室的气体被电离后喷出形成等离子体焰流，继而使物料表层受热熔融，该步骤为非转移弧物料预熔阶段；物料表层预熔成为液态后，喷嘴上的弧根延伸到已经预熔的物料表面，电弧转换为转移弧形式，三条电弧通过物料形成闭合回路。此时，在等离子体焰流传热和焦耳热两种热量共同作用下，物料由上到下逐层产生熔融，该步骤为物料充分熔融阶段。其系统包括：三只结构相同的交流电弧等离子体发生器和加热熔融炉。本发明具有电源系统简单、电极比烧蚀小、物料适用范围广、传热效率高的优点。

Description

一种三相交流转移弧等离子体加热熔融方法和系统
技术领域
本发明涉及电弧等离子体加热熔融领域，具体涉及一种三相交流转移弧等离子体加热熔融方法和系统。
背景技术
电弧等离子体具有温度高、活性高、工作状态稳定、环境气氛可控等优点,在加热处理或冶金等领域具有广泛的应用空间。在冶金方面，电弧离子体温度可高达几千甚至上万摄氏度,可以对高温难溶金属进行熔炼、重熔回收或中间包加热等，比如在熔炼过程中,在高温作用下粒子处于激发和离子状态下,这不仅可提高化学反应速率、缩短冶炼时间,而且使常温下难于进行的反应得以实现。在加热处理方面，利用其高温、高导热的特性，可对废弃物(固体废弃物、焚化飞灰或炉灰、医疗废弃物、核废料等)进行热处理，通过对其进行加热，使其达到熔融状态，实现废弃物的减量化，甚至是使其形成玻璃体，实现废弃物的无害化和资源化。电弧等离子体在加热处理或冶金的应用过程中，通过等离子体实现被处理物料的受热和熔融是其关键物理过程。
目前电弧等离子体在废弃物处理应用过程中，多是采用直流非转移弧等离子体发生器产生高温等离子体焰流，通过等离子体焰流再对废弃物等物料进行加热，该方式各系统间相对独立，运行稳定，但传热效率相对较低，对能量的利用度不足；电弧等离子体在冶金应用过程中，转移弧式和非转移弧式都有采用，但多是直流电弧，需要配置结构复杂且成本较高的直流电源系统，另外，转移弧式等离子枪又被称为熔池加热器,适用于熔化和加热液体金属，若物料粒度、堆积密度等条件难以满足要求，金属的液体化则还需再借助其他加热手段。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种三相交流转移弧等离子体加热熔融方法和系统，通过单套系统实现物料的非转移弧预熔和转移弧充分熔融过程，同时采用三相交流电弧形式，降低电源系统的复杂性和成本，提高电弧电极的寿命，降低使用成本。
本发明的技术解决方案是：一种三相交流转移弧等离子体加热熔融方法包括以下步骤：
三个交流电弧等离子体发生器喷嘴彼此导通，交流电弧电极分别与各自对应的喷嘴间击穿起弧，起弧后在电弧作用下，通入电弧室的气体发生电离，从交流电弧室喷出形成等离子体焰流，等离子体焰流与被处理的物料表层接触，使物料表层逐渐受热熔融，该步骤为非转移弧物料预熔阶段；
被处理的物料表层预熔成为液态后，三个喷嘴(辅助电极)断开连接，在气力作用下喷嘴上的弧根向下游移动，一直延伸到已经预熔的物料表面，电弧转换为转移弧形式，三条电弧通过物料形成闭合回路。此时，物料外部继续受到自电弧室喷出的等离子体焰流的加热，同时已经融化的物料内部有电流通过并产生焦耳热。在等离子体焰流传热和焦耳热两种热量共同作用下，使得物料由上到下逐层发生受热并产生熔融，该步骤为物料充分熔融阶段。
物料充分受热熔融后由排浆孔排出，而沉积在物料底层的熔融态渣料则定期由排渣孔排出。
为了实现上述方法，本发明提供了一种三相交流转移弧等离子体加热熔融系统，包括三只结构相同的交流电弧等离子体发生器和加热熔融炉，三只交流电弧等离子体发生器沿加热熔融炉周向均匀布置。所述加热熔融炉包括炉体、排浆孔、排渣孔和排气孔，炉体内部自下而上横截面积先增加后降低，排浆孔位于最大横截面所在位置，排渣孔位于炉体底部，排气孔位于炉体顶部。所述交流电弧等离子体发生器包括喷嘴、交流电弧电极、后盖板、分断开关、后端进气孔和前端进气孔，喷嘴、交流电弧电极和后盖板从前向后依次同轴布置，喷嘴与炉体之间进行绝缘、连接和密封，喷嘴中心轴线与炉体中心轴线之间的夹角为γ，三个交流电弧电极分别与上游交流电源的A、B、C相进行导线连接，三个分断开关的一端分别与三个喷嘴进行导线连接，另一端则通过导线连接于同一点，后端进气孔位于后盖板和交流电弧电极之间，前端进气孔位于交流电弧电极和喷嘴之间。在物料预熔阶段，三个分断开关处于闭合状态，此时喷嘴同时起到辅助电极的作用，喷嘴与交流电弧电极之间产生非转移电弧，通过后端进气孔和前端进气孔进入电弧室的气体产生电离，从喷嘴喷出形成等离子体焰流。在物料充分熔融阶段，三个分断开关处于断开状态，在交流电弧电极与物料表层间形成转移电弧。
所述喷嘴中心轴线与炉体中心轴线之间的夹角为γ为15°～60°。
所述后端进气孔和前端进气孔的进气质量比为5％～25％。
所述物料为天然含有或人工掺入的含有Fe、Al、Mg、Ca、Cr、Cu、Hg、Pb、Cd、Zn、Ni等金属成分的飞灰，包含银、铜、钨、钼、铌、钛等金属元素的矿石块或颗粒，废旧金属块或颗粒或者其他熔融后具有导电性的固体物质。当物料为含有金属成分的飞灰时，可对物料进行加热熔融处理或者实现其玻璃体化，当物料为金属矿石时，可对物料进行提纯冶炼，当物料为废旧金属时，可对物料进行加热熔融和回收再利用。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)电弧为三相交流电形式，降低了电源系统的复杂性及成本，与此同时，在同等热功率条件下，通过交流电弧等离子发生器电极的电流仅为直流条件下的三分之一，电极比烧蚀小，电极使用寿命和使用成本低。
(2)通过一套系统既可实现非转移弧条件下的等离子体焰流加热，又可实现转移弧条件下的焦耳热和等离子体热双重加热，使得该方法和系统对物料的适用范围更为广泛。
(3)在物料充分熔融阶段，物料受到外部受到等离子体焰流的加热，物料内部则有焦耳热加热，两种热量共同作用下，传热效率高，物料处理速率大。
附图说明
图1为本发明的物料预熔阶段示意图；
图2为本发明的物料充分熔融阶段示意图；
图3为本发明系统布局俯视图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步的详细说明。
本发明一种三相交流转移弧等离子体加热熔融方法，包括如下步骤：
三个交流电弧等离子体发生器喷嘴彼此导通，交流电弧电极分别与各自对应的喷嘴间击穿起弧，起弧后在电弧作用下，通入电弧室的气体发生电离，从交流电弧室喷出形成等离子体焰流，等离子体焰流与被处理的物料表层接触，使物料表层逐渐受热熔融，该步骤为非转移弧物料预熔阶段；
被处理的物料表层预熔成为液态后，三个喷嘴(辅助电极)断开连接，在气力作用下喷嘴上的弧根向下游移动，一直延伸到已经预熔的物料表面，电弧转换为转移弧形式，三条电弧通过物料形成闭合回路。此时，物料外部继续受到自电弧室喷出的等离子体焰流的加热，同时已经融化的物料内部有电流通过并产生焦耳热。在等离子体焰流传热和焦耳热两种热量共同作用下，使得物料由上到下逐层发生受热并产生熔融，该步骤为物料充分熔融阶段。
物料充分受热熔融后由排浆孔排出，而沉积在物料底层的熔融态渣料则定期由排渣孔排出。
为了实现上述方法，本发明提供了一种三相交流转移弧等离子体加热熔融系统，包括三只结构相同的交流电弧等离子体发生器和加热熔融炉。
如图1和图2所示，加热熔融炉包括炉体10、排浆孔11、排渣孔12和排气孔13，炉体10内部自下而上横截面积先增加后降低，排浆孔11位于最大横截面所在位置，排渣孔12位于炉体10底部，排气孔13位于炉体10顶部。所述交流电弧等离子体发生器包括喷嘴1、交流电弧电极2、后盖板3、分断开关4、后端进气孔5和前端进气孔6，喷嘴1、交流电弧电极2和后盖板3从前向后依次同轴布置，喷嘴1与炉体10之间进行绝缘、连接和密封，喷嘴1中心轴线与炉体10中心轴线之间的夹角γ为15～60°，三个交流电弧电极2分别与上游交流电源的A、B、C相进行导线连接，三个分断开关4的一端分别与三个喷嘴1进行导线连接，另一端则通过导线连接于同一点，后端进气孔5位于后盖板3和交流电弧电极2之间，前端进气孔6位于交流电弧电极2和喷嘴1之间，后端进气孔5和前端进气孔6的进气质量比为5％～25％。
如图3所示，三只交流电弧等离子体发生器沿加热熔融炉周向均匀布置。
如图1所示，在物料预熔阶段，三个分断开关4处于闭合状态，此时喷嘴1同时起到辅助电极的作用，喷嘴1与交流电弧电极2之间产生非转移电弧7，通过后端进气孔5和前端进气孔6进入电弧室的气体产生电离，从喷嘴1喷出形成等离子体焰流8，等离子体焰流8与物料14表层接触，使物料表层逐渐受热熔融。
如图2所示，在物料充分熔融阶段，三个分断开关4处于断开状态，在交流电弧电极2与物料14表层间形成转移电弧9，三条电弧通过物料形成闭合回路。此时，物料14外部继续受到自电弧室喷出的等离子体焰流8的加热，同时已经融化的物料内部有电流通过并产生焦耳热。物料14在两种热量共同作用下，由上到下逐层发生受热并产生熔融。
所述物料14可以为天然含有或人工掺入的含有Fe、Al、Mg、Ca、Cr、Cu、Hg、Pb、Cd、Zn、Ni等金属成分的飞灰，包含银、铜、钨、钼、铌、钛等金属元素的矿石块或颗粒，废旧金属块或颗粒或者其他熔融后具有导电性的固体物质。当物料14为含有金属成分的飞灰时，可对物料进行加热熔融处理或者实现其玻璃体化，当物料为金属矿石时，可对物料进行提纯冶炼，当物料为废旧金属时，可对物料进行加热熔融和回收再利用。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种三相交流转移弧等离子体加热熔融方法的系统，其特征在于，包括三只结构相同的交流电弧等离子体发生器和加热熔融炉，三只交流电弧等离子体发生器沿加热熔融炉周向均匀布置；
所述加热熔融炉包括炉体(10)、排浆孔(11)、排渣孔(12)和排气孔(13)，炉体(10)内部自下而上横截面积先增加后降低，排浆孔(11)位于最大横截面所在位置，排渣孔(12)位于炉体(10)底部，排气孔(13)位于炉体(10)顶部；
所述交流电弧等离子体发生器包括喷嘴(1)、交流电弧电极(2)、后盖板(3)、分断开关(4)、后端进气孔(5)和前端进气孔(6)，喷嘴(1)、交流电弧电极(2)和后盖板(3)从前向后依次同轴布置，喷嘴(1)与炉体(10)之间进行绝缘、连接和密封；三个交流电弧电极(2)分别与上游交流电源的A、B、C相进行导线连接，三个分断开关(4)的一端分别对应与三个喷嘴(1)进行导线连接，另一端则通过导线连接于同一点，后端进气孔(5)位于后盖板(3)和交流电弧电极(2)之间，前端进气孔(6)位于交流电弧电极(2)和喷嘴(1)之间；
在物料预熔阶段，三个分断开关(4)处于闭合状态，此时喷嘴(1)同时起到辅助电极的作用，喷嘴(1)与交流电弧电极(2)之间产生等离子体焰流(8)，通过后端进气孔(5)和前端进气孔(6)进入电弧室的气体产生电离，从喷嘴(1)喷出形成等离子体焰流(8)；在物料充分熔融阶段，三个分断开关(4)处于断开状态，在交流电弧电极(2)与物料(14)表层间形成转移电弧(9)。
2.根据权利要求1所述的一种三相交流转移弧等离子体加热熔融方法的系统，其特征在于，喷嘴(1)中心轴线与炉体(10)中心轴线之间的夹角γ为15°～60°。
3.根据权利要求1所述的一种三相交流转移弧等离子体加热熔融方法的系统，其特征在于，所述后端进气孔(5)和前端进气孔(6)的进气质量比为5％～25％。
4.根据权利要求1所述的一种三相交流转移弧等离子体加热熔融方法的系统，其特征在于，所述物料(14)为天然含有或人工掺入的含有Fe、Al、Mg、Ca、Cr、Cu、Hg、Pb、Cd、Zn、Ni成分的飞灰，以及包含银、铜、钨、钼、铌、钛的矿石块或颗粒，以及废旧金属块或颗粒或者其他熔融后具有导电性的固体物质。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113727483B (zh) * 2021-09-02 2022-12-20 合肥爱普利等离子体有限责任公司 一种多电极交流电弧放电装置、设备及交流电源
CN115379635A (zh) * 2022-08-02 2022-11-22 江苏慈智科技有限公司 一种环状阵列式直流电弧等离子体加热器及加热方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5798497A (en) * 1995-02-02 1998-08-25 Battelle Memorial Institute Tunable, self-powered integrated arc plasma-melter vitrification system for waste treatment and resource recovery
CN101695704B (zh) * 2009-10-23 2012-02-01 中国科学院等离子体物理研究所 热等离子体处置固体废弃物的装置与方法
MX2015012869A (es) * 2013-03-15 2016-05-24 Foret Plasma Labs Llc Sistema, metodo y aparato para el tratamiento de productos secundarios de mineria.
CN107434985A (zh) * 2016-05-25 2017-12-05 北京科立科盈科技有限公司 一种流化床气化炉飞灰与灰渣的处理系统和方法
CN109469910B (zh) * 2018-12-05 2024-02-13 航天环境工程有限公司 一种连续溢流排渣等离子熔融炉及应用

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