CN113395813A - 一种反极性大功率层流等离子体发生器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种反极性大功率层流等离子体发生器，包含前电极、前电极水冷机构、后电极、后电极水冷机构、涡流发生器和绝缘进气环，绝缘进气环套设在涡流发生器的外侧，前电极的一端与绝缘进气环和涡流发生器的一端连接，前电极水冷机构设置在前电极的外侧，后电极的一端与绝缘进气环和涡流发生器的另一端连接，后电极水冷机构设置在后电极的外侧，前电极为阴极，后电极为阳极。本发明采用前阴极后阳极设计，与电磁涡流发生器共同作用，形成层流射流束，大大提高发生器运行的稳定性，降低热损失和更长的电极寿命，可高效用于固废高温气化及其他危废高温熔融处理。
Description
技术领域
本发明涉及一种等离子体发生器，特别是一种反极性大功率层流等离子体发生器，属于等离子体炬领域。
背景技术
等离子体固废处置技术由于具有减容比高、产物稳定、不产生二次污染等突出优点，是国际上公认的具发展前景的固体废弃物，尤其是危险废弃物处理技术。然而，传统的等离子体废弃物处置所采用的等离子体发生器多产生湍流态的等离子体射流。湍流态等离子体射流具有电弧轴向温度梯度大、射流束短等缺点，作为高温束状热源并不特别理想。湍流态等离子体应用在固废处置领域会出现反应不充分、效率低的现象，且并且由于弧电压稳定性差，射流能量易波动，导致连续工作性差。
层流等离子体电弧具有射流弧焰稳定，轴向温度梯度小和射流束长的特点，因此是一种稳定的优质超高温长束热源。采用层流等离子进行固废处置，有利于等离子体能量的集中，提高固废处置速度、效率和持续性，减少能量浪费，同时也能避免能量溢散对炉体和保温材料造成破坏。传统层流等离子体发生器常采用级联式结构设计以避免层流等离子体射流产生脉动，同时更有利于逐级提高等离子体的能量密度，最终生成高能量密度的层流等离子体射流。然而，在分段式层流等离子体发生器中，当中间电极长度较长时，如果气流量较小，极易造成该中间电极的烧蚀进而影响其寿命。
通过查阅国内外文献及专利发现，目前公开的层流等离子体发生器多用于材料表面处理（专利CN1421278A, CN108425087A），运行功率普遍较小（小于200千瓦），在工业化固废处置领域应用的意义不大。而传统的大功率等离子体发生器采用前阳极后阴极结构。在工作时，阴极粒子从阴极向阳极快速移动，并与载气流动方向一致，因此加速了带电粒子的移动速度，并迅速在阳极表面附着，导致电弧射流束长度较短。由于带电粒子运行速度过快，载气流量较大，造成了等离子体射流的形态为湍流。因此，电极寿命低，射流束短，影响了固废气化的连续稳定性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种反极性大功率层流等离子体发生器，提高等离子体发生器运行稳定性，延长电极的使用寿命。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种反极性大功率层流等离子体发生器，其特征在于：包含前电极、前电极水冷机构、后电极、后电极水冷机构、涡流发生器和绝缘进气环，绝缘进气环套设在涡流发生器的外侧，前电极的一端与绝缘进气环和涡流发生器的一端连接，前电极水冷机构设置在前电极的外侧，后电极的一端与绝缘进气环和涡流发生器的另一端连接，后电极水冷机构设置在后电极的外侧，前电极为阴极，后电极为阳极。
进一步地，所述前电极水冷机构的外侧设置有第一环形电磁涡流发生器和第二环形电磁涡流发生器，第一环形电磁涡流发生器和第二环形电磁涡流发生器套设在前电极水冷机构的外侧并且第一环形电磁涡流发生器和第二环形电磁涡流发生器沿着前电极水冷机构的轴向分布。
进一步地，所述前电极水冷机构包含前电极水冷套筒和前端盖，前端盖为环形端盖并且前端盖的内环面上设置有内螺纹，前电极一端端部外侧设置有与前端盖内螺纹匹配的外螺纹，前端盖套设在前电极一端外侧并且与前电极螺纹连接，前电极另一端开有键槽，前电极水冷套筒一端的筒底开孔并且套设在前电极外侧与前电极键槽卡紧定位，前电极水冷套筒另一端端部与前端盖外侧边缘通过螺栓锁紧固定，前电极水冷套筒的侧面两端分别开有前电极进水孔和前电极出水孔。
进一步地，所述后电极水冷机构包含后电极水冷套筒和进水端盖，后电极一端端部开有键槽，后电极水冷套筒一端的筒底开孔并且套设在后电极外侧与后电极键槽卡紧定位，后电极水冷套筒的另一端内壁向内侧延伸与后电极另一端外侧密封连接，后电极水冷套筒另一端内壁上设置有内螺纹，进水端盖的外侧设置有与后电极水冷套筒内螺纹匹配的外螺纹，进水端盖设置在后电极水冷套筒另一端内与后电极水冷套筒螺纹连接，并且进水端盖的一端端面与后电极的另一端端面以及后电极水冷套筒另一端内壁向内侧的延伸面密封连接。
进一步地，所述后电极水冷套筒的一端外侧开有后电极出水孔，进水端盖的轴心位置开有后电极进水孔，后电极另一端端部开有若干个进水流道并且若干个进水流道沿着后电极的周向等间距分布，进水流道的一端与后电极进水孔连通，进水流道的另一端与后电极水冷套筒内的后电极水冷腔体连通。
进一步地，所述后电极另一端端部的轴心位置开有进气孔，进气管设置在进水端盖的进水孔内并且进气管的一端与进气孔密封连接。
进一步地，所述绝缘进气环上开有两个进气通道并且两个进气通道对称设置在绝缘进气环的两侧，绝缘进气环的两端分别设置有与前电极冷却机构和后电极冷却机构匹配的凹槽并且凹槽内壁上设置有内螺纹，前电极冷却机构和后电极冷却机构的端部设置有与绝缘进气环的凹槽内壁上内螺纹匹配的外螺纹，前电极冷却机构和后电极冷却机构分别设置在绝缘进气环的两端凹槽内与绝缘进气环螺纹连接。
进一步地，所述涡流发生器上开有两组涡流孔，两组涡流孔沿着涡流发生器的轴向分布，一组涡流孔到后电极的间距与另一组涡流孔到前电极的间距相等，每组涡流孔由4个涡流孔构成并且每个涡流孔沿着涡流发生器内壁圆周切线方向设置，每组涡流孔的4个涡流孔切线方向沿着相同的时针方向分布且涡流孔之间间距相等，两组涡流孔的涡流孔切线方向分布相同。
进一步地，所述前电极和后电极的外侧面上均设置有螺旋线型凹槽。
进一步地，所述绝缘进气环内嵌设有第三环形电磁涡流发生器。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
1、本发明大大延长了电极的使用寿命，由于传统大功率等离子体发生器的前阳极承受高温，电弧附着点也在前阳极内壁，更容易损耗，在本发明的等离子体发生器中，采用反极性设计，电弧附着点位于后阳极内壁，所形成的层流等离子具有较小的轴向温度梯度，温度分布均匀；此外，本发明中，前、后电极外圆采用螺旋式凹凸状设计，以增大热交换面积，使阴阳极冷却充分，延长了其使用寿命；
2、本发明产生的层流射流束性能好，当电离发生时，阴极粒子从前电极（阴极）向后电极（阳极）移动，由于与载气流动方向相反，电弧附着在阳极内表部的速度减缓，同时采用前电极上并列的三个电磁涡流发生器（其中一个位于绝缘进气环上）拉长电弧，使得电弧射流极易形成层流；另外，由于电弧附着点较后，电弧层流射流束将具有更长的长度和更小的温度梯度；
3、本发明易损件更换方便，前后电极为易损件，本发明更换前电极时只需利用两个拆卸螺栓就可以轻松拧下与前端盖反向螺纹连接的前电极，然后迅速更换前电极；后电极的更换只需要拧掉进水端盖取下后电极更换即可；
4、本发明促进大功率等离子体在固废气化领域的工业应用，本发明等离子体发生器可长时间运行，根据应用需求，最大设计功率可达350kW，超长的层流射流束增大了电弧作业半径，使得固废气化反应更充分，不仅用于一般城市固废处置，还可以用于危险废弃物的处置。
附图说明
图1是本发明的一种反极性大功率层流等离子体发生器的示意图。
图2是本发明的涡流发生器的示意图。
图3是本发明的涡流发生器的A向剖视图。
具体实施方式
为了详细阐述本发明为达到预定技术目的而所采取的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例，并且，在不付出创造性劳动的前提下，本发明的实施例中的技术手段或技术特征可以替换，下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，本发明的一种反极性大功率层流等离子体发生器，包含前电极1、前电极水冷机构、后电极2、后电极水冷机构、涡流发生器3和绝缘进气环4，绝缘进气环4套设在涡流发生器3的外侧，前电极1的一端与绝缘进气环4和涡流发生器3的一端连接，前电极水冷机构设置在前电极1的外侧，后电极2的一端与绝缘进气环4和涡流发生器3的另一端连接，后电极水冷机构设置在后电极2的外侧，前电极1为阴极，后电极2为阳极。前、后电极采用前阴极和后阳极方式形成反极性炬，等离子体前后水冷套筒连接部分设置有电磁涡流发生器，前水冷套筒外圆设置有并列的两个环形电磁涡流发生器，用于拉长电弧以形成层流电弧。本发明采用反极性设计，电弧附着点位于后电极（阳极）的内壁，所形成的层流等离子体具有较小的轴向温度梯度，温度分布均匀。当电离发生时，阴极粒子从前电极（阴极）向后电极（阳极）移动。由于与载气流动方向相反，电弧附着在阳极内表部的速度减缓，同时采用前电极上并列的三个电磁涡流发生器（其中一个位于绝缘进气环上）拉长电弧，使得电弧射流极易形成层流。
前电极水冷机构的外侧设置有第一环形电磁涡流发生器5和第二环形电磁涡流发生器6，第一环形电磁涡流发生器5和第二环形电磁涡流发生器6套设在前电极水冷机构的外侧并且第一环形电磁涡流发生器5和第二环形电磁涡流发生器6沿着前电极水冷机构的轴向分布。
前电极水冷机构包含前电极水冷套筒7和前端盖8，前端盖8为环形端盖并且前端盖8的内环面上设置有内螺纹，前电极1一端端部外侧设置有与前端盖8内螺纹匹配的外螺纹，前端盖8套设在前电极1一端外侧并且与前电极1螺纹连接，前电极1另一端开有键槽，前电极水冷套筒7一端的筒底开孔并且套设在前电极1外侧与前电极1键槽卡紧定位，前电极水冷套筒7另一端端部与前端盖8外侧边缘通过螺栓锁紧固定，前电极水冷套筒7的侧面两端分别开有前电极进水孔9和前电极出水孔10。
后电极水冷机构包含后电极水冷套筒11和进水端盖12，后电极2一端端部开有键槽，后电极水冷套筒11一端的筒底开孔并且套设在后电极2外侧与后电极2键槽卡紧定位，后电极水冷套筒11的另一端内壁向内侧延伸与后电极2另一端外侧密封连接，后电极水冷套筒11另一端内壁上设置有内螺纹，进水端盖12的外侧设置有与后电极水冷套筒11内螺纹匹配的外螺纹，进水端盖12设置在后电极水冷套筒11另一端内与后电极水冷套筒11螺纹连接，并且进水端盖12的一端端面与后电极2的另一端端面以及后电极水冷套筒11另一端内壁向内侧的延伸面密封连接。
后电极水冷套筒11的一端外侧开有后电极出水孔13，进水端盖12的轴心位置开有后电极进水孔14，后电极2另一端端部开有若干个进水流道15并且若干个进水流道15沿着后电极2的周向等间距分布，进水流道15的一端与后电极进水孔14连通，进水流道15的另一端与后电极水冷套筒11内的后电极水冷腔体连通。后电极2另一端端部的轴心位置开有进气孔16，进气管设置在进水端盖12的进水孔14内并且进气管的一端与进气孔16密封连接。
绝缘进气环4上开有两个进气通道17并且两个进气通道17对称设置在绝缘进气环4的两侧，绝缘进气环4的两端分别设置有与前电极冷却机构和后电极冷却机构匹配的凹槽并且凹槽内壁上设置有内螺纹，前电极冷却机构和后电极冷却机构的端部设置有与绝缘进气环4的凹槽内壁上内螺纹匹配的外螺纹，前电极冷却机构和后电极冷却机构分别设置在绝缘进气环4的两端凹槽内与绝缘进气环4螺纹连接。前、后水冷套筒通过绝缘进气环5两端的内螺纹连接固定成为一个整体，前、后水冷套筒采用独立进水和独立出水方式循环冷却水。
前电极1和后电极2均为易损件，本发明更换前电极1时只需利用两个拆卸螺栓就可以轻松拧下与前端盖8反向螺纹连接的前电极，然后迅速更换前电极1；后电极2的更换只需要拧掉进水端盖12取下后电极2更换即可。
如图2和图3所示，涡流发生器3上开有两组涡流孔18，两组涡流孔18沿着涡流发生器3的轴向分布，一组涡流孔到后电极2的间距与另一组涡流孔到前电极1的间距相等，每组涡流孔由4个涡流孔构成并且每个涡流孔沿着涡流发生器内壁圆周切线方向设置，每组涡流孔的4个涡流孔切线方向沿着相同的时针方向分布且涡流孔之间间距相等，两组涡流孔18的涡流孔切线方向分布相同。
前电极1和后电极2的外侧面上均设置有螺旋线型凹槽，采用这样的凹凸状设计，增大了电极表面的热交换面积，使得电极的冷却更加的充分，延长其使用寿命。绝缘进气环4内嵌设有第三环形电磁涡流发生器，用于调节进气速度和流量，绝缘进气环4采用聚醚醚酮(PEEK 450G)材料加工。
本发明的反极性大功率层流等离子发生器工作原理为，工作气体接口（进气口14和进气通道17）连通空气或惰性气体，前电极冷却机构和后电极冷却机构连接冷却水，在进水端盖12中的进水管接通高压直流电源，在前端盖紧固螺栓上连接到电源回路。在主电弧发生后，调节高压直流电压、工作电流以及工作气体流量以达到最佳运行功率状态。高温电弧将流经涡流发生器3的八个涡流孔的空气或惰性气体离子化为高温等离子体，与此同时，涡流发生器3和内嵌在绝缘进气环4上的第三环形电磁涡流发生器共同旋转工作气体并进入前电极1内腔中，由于反极性设计，当电离发生时，阴极粒子从前电极1内腔向后电极2内腔移动，并与工作气体流动方向相反，电弧附着在后电极2内壁表面的速度减缓，进而形成层流态气体，经过第一环形电磁涡流发生器5和第二环形电磁涡流发生器6再一次高速旋转，将层流态气体拉长从等离子体发生器喷嘴喷出。等离子体的功率取决于工作电压、工作电流以及进入等离子发生器的工作气体流量。本发明的等离子体发生器功率范围为200kW-350kW，额定工作电压为700V，额定工作电流为425I，工作空气流量为100kg/h，空气压力为1000kPa。本发明可长时间运行，根据应用需求，最大设计功率可达350kW，超长的层流射流束增大了电弧作业半径，使得固废气化反应更充分，不仅用于一般城市固废处置，还可以用于危险废弃物的处置。
本发明所述的反极性大功率层流等离子体发生器电弧射流束具有更长的长度和更小的温度梯度，大大提高了等离子发生器运行的稳定性，降低热损失和更长的电极寿命，生成的高温等离子体可用于包括城市生活垃圾热解气化，底灰及飞灰熔融，医疗废弃物及低放射性核废料等危险废弃物的高温处置，和生物质的热解气化等。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种反极性大功率层流等离子体发生器，其特征在于：包含前电极、前电极水冷机构、后电极、后电极水冷机构、涡流发生器和绝缘进气环，绝缘进气环套设在涡流发生器的外侧，前电极的一端与绝缘进气环和涡流发生器的一端连接，前电极水冷机构设置在前电极的外侧，后电极的一端与绝缘进气环和涡流发生器的另一端连接，后电极水冷机构设置在后电极的外侧，前电极为阴极，后电极为阳极。
2.根据权利要求1所述的一种反极性大功率层流等离子体发生器，其特征在于：所述前电极水冷机构的外侧设置有第一环形电磁涡流发生器和第二环形电磁涡流发生器，第一环形电磁涡流发生器和第二环形电磁涡流发生器套设在前电极水冷机构的外侧并且第一环形电磁涡流发生器和第二环形电磁涡流发生器沿着前电极水冷机构的轴向分布。
3.根据权利要求1所述的一种反极性大功率层流等离子体发生器，其特征在于：所述前电极水冷机构包含前电极水冷套筒和前端盖，前端盖为环形端盖并且前端盖的内环面上设置有内螺纹，前电极一端端部外侧设置有与前端盖内螺纹匹配的外螺纹，前端盖套设在前电极一端外侧并且与前电极螺纹连接，前电极另一端开有键槽，前电极水冷套筒一端的筒底开孔并且套设在前电极外侧与前电极键槽卡紧定位，前电极水冷套筒另一端端部与前端盖外侧边缘通过螺栓锁紧固定，前电极水冷套筒的侧面两端分别开有前电极进水孔和前电极出水孔。
4.根据权利要求1所述的一种反极性大功率层流等离子体发生器，其特征在于：所述后电极水冷机构包含后电极水冷套筒和进水端盖，后电极一端端部开有键槽，后电极水冷套筒一端的筒底开孔并且套设在后电极外侧与后电极键槽卡紧定位，后电极水冷套筒的另一端内壁向内侧延伸与后电极另一端外侧密封连接，后电极水冷套筒另一端内壁上设置有内螺纹，进水端盖的外侧设置有与后电极水冷套筒内螺纹匹配的外螺纹，进水端盖设置在后电极水冷套筒另一端内与后电极水冷套筒螺纹连接，并且进水端盖的一端端面与后电极的另一端端面以及后电极水冷套筒另一端内壁向内侧的延伸面密封连接。
5.根据权利要求4所述的一种反极性大功率层流等离子体发生器，其特征在于：所述后电极水冷套筒的一端外侧开有后电极出水孔，进水端盖的轴心位置开有后电极进水孔，后电极另一端端部开有若干个进水流道并且若干个进水流道沿着后电极的周向等间距分布，进水流道的一端与后电极进水孔连通，进水流道的另一端与后电极水冷套筒内的后电极水冷腔体连通。
6.根据权利要求4所述的一种反极性大功率层流等离子体发生器，其特征在于：所述后电极另一端端部的轴心位置开有进气孔，进气管设置在进水端盖的进水孔内并且进气管的一端与进气孔密封连接。
7.根据权利要求1所述的一种反极性大功率层流等离子体发生器，其特征在于：所述绝缘进气环上开有两个进气通道并且两个进气通道对称设置在绝缘进气环的两侧，绝缘进气环的两端分别设置有与前电极冷却机构和后电极冷却机构匹配的凹槽并且凹槽内壁上设置有内螺纹，前电极冷却机构和后电极冷却机构的端部设置有与绝缘进气环的凹槽内壁上内螺纹匹配的外螺纹，前电极冷却机构和后电极冷却机构分别设置在绝缘进气环的两端凹槽内与绝缘进气环螺纹连接。
8.根据权利要求1所述的一种反极性大功率层流等离子体发生器，其特征在于：所述涡流发生器上开有两组涡流孔，两组涡流孔沿着涡流发生器的轴向分布，一组涡流孔到后电极的间距与另一组涡流孔到前电极的间距相等，每组涡流孔由4个涡流孔构成并且每个涡流孔沿着涡流发生器内壁圆周切线方向设置，每组涡流孔的4个涡流孔切线方向沿着相同的时针方向分布且涡流孔之间间距相等，两组涡流孔的涡流孔切线方向分布相同。
9.根据权利要求1所述的一种反极性大功率层流等离子体发生器，其特征在于：所述前电极和后电极的外侧面上均设置有螺旋线型凹槽。
10.根据权利要求1所述的一种反极性大功率层流等离子体发生器，其特征在于：所述绝缘进气环内嵌设有第三环形电磁涡流发生器。
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