CN116723623A - 一种具有自组装分离式电极的等离子体炬 - Google Patents

Abstract

本发明涉及放射性废物热解熔融处理工艺应用领域，公开了一种具有自组装分离式电极的等离子体炬，包括：金属的阳极外套，所述阳极外套设置有第一水冷夹层，所述阳极外套的内侧可拆卸连接有管状的阳极内芯；金属的阴极外套，所述阴极外套设置有第二水冷夹层，所述阴极外套的内侧可拆卸连接有管状的阴极内芯；阴极绝缘套，固定设置在所述阴极外套靠近所述阳极的一端的外侧壁上；气旋环，位于所述阳极外套和所述阴极外套之间，所述气旋环的两端面分别固定在所述阴极绝缘套与所述阳极外套上，使所述阳极内芯与阴极内芯之间有可以电击穿的空隙。本发明的电极内芯与电极外套之间采用锥度套合的安装形式进行结合，使电极内芯的拆装过程快速可靠。

Description

一种具有自组装分离式电极的等离子体炬

技术领域

本发明涉及危险废物、难熔废物，尤其是放射性废物热解熔融处理工艺应用领域，具体涉及一种具有自组装分离式电极的等离子体炬。

背景技术

作为一种热等离子体的发生装置，等离子体炬利用电极间的气隙击穿产生的火花放电的高温电弧来加热气体，从而达到产生热等离子体的应用效果。以等离子体电弧为热源，对废物进行处理是一项正在不断发展的应用技术，由于等离子体电弧具有温度高、能量集中的优势，从而使得等离子体炬在废物处理方面具有很高的处理效率。尤其是针对难处理的废物和有特殊要求的废物，如低放废物、石棉废物、PCBs等，等离子体炬热解熔融处理技术已经成为危险废物、难熔废物，甚至是放射性废物处理领域最有发展前途的技术之一。

目前应用较为广泛的等离子体炬通常采用的是直接冷却的管式电极结构，即管状电极内壁直接面对热等离子体，而电极外壁则直接接触冷却介质，从而避免了电极材料的快速烧蚀，延长了电极的使用寿命。但这种等离子体炬的电极应用方式主要存在两大问题：首先是电极作为等离子体炬的易耗件，通常使用寿命在数百个小时以内，由于电极使用寿命的限制，等离子体炬需要定期更换电极，因此等离子体炬的直冷式电极通常会设计密封槽+密封圈的方式将冷却水和放电腔室进行隔绝。这种冷却水的密封方式安装过程较为复杂，并且存在安装失误或者密封圈损坏导致的冷却水泄露风险，进而影响等离子体炬的正常运行；另一方面，直冷式电极更换操作复杂，难以通过远程操作机械实现电极的快速可靠换装，人工现场操作是唯一可行的方案。然而，对于危险废物乃至于放射性废物的热解熔融处理工艺而言，等离子体炬的运行现场通常存在对人体有毒有害的物质，并且存在高温、噪声等有害人体健康的因素，并不适宜于人工现场长时间操作。

综上所述，对于危险废物、难熔废物，尤其是放射性废物而言，通过等离子体炬进行等离子体高温热解熔融工艺进行减容处理是一条极有发展前景的技术路线，但是上述类型的废物处理工艺需要等离子体炬运行可靠性高并且电极拆装方便，这也是现在正在应用的等离子体炬装置必须解决的技术难点。

发明内容

本发明提供一种具有自组装分离式电极的等离子体炬，用以解决等离子体炬拆装不便的技术问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种具有自组装分离式电极的等离子体炬，包括：

金属的阳极外套，所述阳极外套设置有第一水冷夹层，所述阳极外套的内侧可拆卸连接有管状的阳极内芯，且沿所述阳极外套的轴向方向上，在无外力作用在所述阳极内芯的情况下，所述阳极内芯与所述阳极外套相对固定；

金属的阴极外套，所述阴极外套设置有第二水冷夹层，所述阴极外套的内侧可拆卸连接有管状的阴极内芯，且沿所述阴极外套的轴向方向上，在无外力作用在所述阴极内芯的情况下，所述阴极内芯与所述阴极外套相对固定；

阴极绝缘套，固定设置在所述阴极外套靠近所述阳极的一端的外侧壁上；

气旋环，位于所述阳极外套和所述阴极外套之间，所述气旋环的两端面分别固定在所述阴极绝缘套与所述阳极外套上，使所述阳极内芯与阴极内芯之间有可以电击穿的空隙。

本技术方案中，通过将阳极外套与阳极内芯、阴极外套与阴极内芯设置成可拆卸连接的方式，便于将阳极内芯从阳极外套中取出、阴极内芯从阴极外套中取出，同时，沿阳/阴极外套的轴向方向上，在无外力作用在阳/阴极内芯的情况下，阳/阴极内芯与阳/阴极外套相对固定，这样可以保证阳极和阴极之间的相对稳定，从而保证等离子体矩的稳定性，第一水冷夹层和第二水冷夹层的设置，可以使得等离子体炬的电极冷却方式由直接水冷变为间接水冷，进而实现了等离子体炬更换烧蚀后电极的快拆快装。

作为优化，所述阳极外套包括阳极连接法兰、第一冷却水进出接口、阳极水冷外筒和阳极水冷内筒，其中，所述阳极水冷外筒和阳极水冷内筒分别与所述阳极连接法兰固定连接，且所述阳极水冷外筒和阳极水冷内筒固定连接形成不可拆分的封闭式的第一水冷夹层，所述第一冷却水进出接口设有至少两个，若干所述第一冷却水进出接口分别焊接在所述阳极连接法兰的周向侧壁上，且若干第一冷却水进出接口贯穿所述阳极连接法兰通过第一水冷夹层相互连通。

作为优化，所述阴极外套包括第二冷却水进出接口、阴极水冷外筒和阴极水冷内筒，所述阴极水冷外筒和阴极水冷内筒固定连接形成不可拆分的封闭式的第二水冷夹层，所述第二冷却水进出接口设有至少两个，若干所述第二冷却水进出接口分别焊接在所述阴极水冷外筒的周向侧壁上，且若干第二冷却水进出接口贯穿所述阴极水冷外筒通过第二水冷夹层相互连通。

作为优化，所述阳极水冷内筒的内壁为与所述阳极水冷内筒的轴线呈0.5～20°夹角的收缩型管道内壁，所述阴极水冷内筒的内壁为与所述阴极水冷内筒的轴线呈0.5～20°夹角的收缩型管道内壁，且所述阳极水冷内筒和阴极水冷内筒同轴设置，且沿阳极到阴极的方向所述阳极水冷内筒呈外径逐渐变大的圆台形、所述阴极水冷内筒呈外径逐渐变大的圆台形。

作为优化，沿阳极到阴极的方向所述阳极内芯呈外径逐渐变大的圆台形，所述阳极内芯与阳极水冷内筒的内壁的收缩角度一致，使得所述阳极内芯的外表面与阳极水冷内筒的内侧壁贴合；

沿阳极到阴极的方向所述阴极内芯呈外径逐渐变大的圆台形，所述阴极内芯与阴极水冷内筒的内壁的收缩角度一致，使得所述阴极内芯的外表面与阴极水冷内筒的内侧壁贴合。

作为优化，所述阴极水冷内筒靠近阳极的一端的内径不小于所述阳极水冷内筒靠近阴极的一端的内径。

作为优化，第一冷却水进出接口连接的冷却水回路与第二冷却水进出接口连接的冷却水回路分别为不同的冷却水回路。

这样独立的冷却回路可以使得阳极和阴极的冷却效果更好。

作为优化，所述气旋环的周向侧壁设置有使外部空气切向进入所述气旋环内部的通孔。

作为优化，所述阴极内芯远离所述阳极的一端设置有送气孔。

作为优化，还包括磁场线圈，沿所述阴极外套的轴向方向螺旋环绕固定在所述阴极外套的外侧壁上所述磁场线圈采用独立的电流大小可变的供电方式进行供电。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

电极内芯(阳极/阴极内芯)对应的电极外套(阳极/阴极外套)结构均为全封闭不可拆的水冷套管焊件，分别使用独立的冷却水回路，彼此之间不存在干扰，并且电极内芯的外壁与电极外套内壁之间采用锥度套合的安装形式进行结合，在保证电极导电导热性能满足运行要求的同时，电极内芯(阳极内芯/阴极内芯)的拆装过程快速、可靠，避免了因安装失误或密封结构损坏带来的冷却水泄露风险；

并且电极内芯外壁与电极外套内壁之间采用锥度套合的安装形式进行结合，在很大程度上简化了电极拆装过程的操作难度，在更换电极内芯时，等离子体炬垂直放置，只需将电极内芯与电极外套中轴线对正，无需人工干预，电极内芯在重力作用下就可以与电极外套自动结合完成自组装过程，使得通过人工远程操作进行电极更换的技术可行性大大提升，从而避免了人工现场更换电极可能造成的人身伤害和对人体健康的危害；

除了旋气环进行切向送气外，阴极尾端预留送气口，并且在阴极外套外部加装的磁场线圈独立供电，通过阴极尾端送气口以脉冲或周期性变化形式送入工作气和改变磁场线圈电流调整驱动弧根旋转的磁场强度，可以进一步弱化电弧对电极内壁的烧蚀影响，延长电极的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：

图1为一种自组装分离式电极的等离子体炬的剖面图；

图2为阳极外套的剖面图；

图3为阴极外套的剖面图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-阳极外套，11-阳极连接法兰，12-阳极水冷外筒，13-阳极水冷内筒，14-第一冷却水进出接口，2-阳极内芯，3-旋气环，4-阴极内芯，5-阴极外套，51-阴极水冷外筒，52-阴极水冷内筒，53-第二冷却水进出接口，54-送气孔，6-阴极绝缘套，7-磁场线圈。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1的一种自组装分离式电极的等离子体炬，如图1所示，主要包括阳极外套1、阳极内芯2、旋气环3、阴极内芯4、阴极外套5、阴极绝缘套6及磁场线圈7等主要部件，其中阳极外套1和阴极外套5均为采用银铜焊工艺加工的具有水冷夹层的套管焊件，具体的，阳极外套1设置有第一水冷夹层，阴极外套5设置有第二水冷夹层，阳极外套1的内侧可拆卸连接有管状的阳极内芯2，且沿阳极外套1的轴向方向上，在无外力作用在阳极内芯2的情况下，阳极内芯2与阳极外套1相对固定，阴极外套5的内侧可拆卸连接有管状的阴极内芯4，且沿阴极外套5的轴向方向上，在无外力作用在阴极内芯4的情况下，阴极内芯4与阴极外套5相对固定，从而使等离子体炬的电极冷却方式由直接水冷变为间接水冷，进而实现了等离子体炬更换烧蚀后电极内芯的快拆快装；

阴极绝缘套6固定设置在阴极外套5靠近阳极的一端的外侧壁上，阴极绝缘套6材质可采用聚四氟乙烯和聚醚醚酮等高分子化合物绝缘材料，作为等离子体炬的整体连接部件，主要用于等离子体炬的阳极和阴极之间的连接和绝缘。电极间通过阴极绝缘套进行绝缘，同时阴极绝缘套也是连接整个装置成为一体的关键部件，结构简单，安装方便。

更为具体的，阳极外套1主要包括阳极连接法兰焊件、阳极水冷外筒12及阳极水冷内筒13等部件，其中，阳极法兰焊件、阳极水冷外筒12材质为304不锈钢，阳极水冷内筒13材质为铜合金。阳极连接法兰焊件是通过氩弧焊工艺将阳极连接法兰11与第一冷却水进出接口14进行焊接而成，阳极水冷外筒12和阳极水冷内筒13通过银铜焊工艺进行焊接，形成固定并且不可拆分的封闭式的第一冷却水夹层，第一冷却水进出接口14设有至少两个，若干第一冷却水进出接口14分别焊接在阳极连接法兰11的周向侧壁上，且若干第一冷却水进出接口14贯穿阳极连接法兰11通过第一水冷夹层相互连通；

阴极外套5主要包括阴极水冷外筒51、阴极水冷内筒52以及阴极冷却水进出接口，其中阴极水冷外筒51和阴极冷却水进出接口材质为304不锈钢，阴极水冷内筒52材质为铜合金，阴极水冷外筒51与阴极冷却水进出接口通过氩弧焊工艺进行焊接，阴极水冷外筒51与阴极水冷内筒52通过银铜焊工艺进行焊接，形成固定并且不可拆分的封闭式冷却水夹层，第二冷却水进出接口53设有至少两个，若干第二冷却水进出接口53分别焊接在阴极水冷外筒51的周向侧壁上，且若干第二冷却水进出接口53贯穿阴极水冷外筒51通过第二水冷夹层相互连通，气旋环固定连接在阴极绝缘套和阳极连接法兰之间。

更为具体的是，阳极外套1和阴极外套5，均为具有固定并且不可拆分的封闭式冷却水夹层的水冷套筒(阳极水冷内筒13和阴极水冷内筒52)，并且铜合金材质的水冷套筒(阳极水冷内筒13和阴极水冷内筒52)的内壁是与中轴线呈0.5～20°夹角的收缩型管道内壁，阳极水冷内筒13和阴极水冷内筒52的内壁收缩角度可以不一致，电极内芯的外壁与电极外套的内壁之间采用锥度套合的安装形式进行结合，具体的，沿阳极到阴极的方向(即图1中的从下至上)阳极内芯2呈外径逐渐变大的圆台形、阴极内芯4呈外径逐渐变大的圆台形，阳极内芯与阳极水冷内筒的内壁的收缩角度一致，使得所述阳极内芯的外表面与阳极水冷内筒的内侧壁紧密贴合，阴极内芯与阴极水冷内筒的内壁的收缩角度一致，使得所述阴极内芯的外表面与阴极水冷内筒的内侧壁紧密贴合，但是需要注意的是，阴极水冷内筒52的底部的内径不能小于阳极水冷内筒13的顶部的内径(这里的顶部和底部可以参考图1的方位来定义)。

管状的阳极内芯2和阴极内芯4的材质可以采用纯铜，也可以采用铜合金，阳极内芯2和阴极内芯4的整体(外部轮廓)呈圆台结构，其外壁面收缩角度与各自对应的水套焊件内壁收缩角度一致，保证阳极和阴极与各自对应水套焊件的安装位置紧密贴合，具有良好的导电及导热性能。

等离子体炬装置安装就位后，阳极外套1和阴极外套5分别连接等离子体炬电源的正负输出导线或水冷电缆，磁场线圈7可以直接通过阳极和阴极之间的电弧放电电流。在等离子体炬运行过程中，阳极外套1和阴极外套5使用独立冷却水回路，可以达到更好的电极冷却效果，避免了电极之间的相互干扰。在等离子体炬累计运行时间达到电极使用寿命后，由于阴极水冷内筒52靠近阳极的一端的内径不小于阳极水冷内筒13靠近阴极的一端的内径，

通过人工远程操作机械，使用专用工具头，沿管状的电极(即管状的阳极内芯2和阴极内芯4)的中轴线方向将烧蚀后的电极(阳极内芯2和阴极内芯4)从电极外套(阳极外套1和阴极外套5)的管道内壁沿阳极到阴极的运动方向抽出，再将新电极抓取沿阴极到阳极的运动方向放入原位置替换。在整个电极更换过程中，人工远程操作机械只需完成向外提拉和向内推进两个动作，省去了常见电极更换过程中的密封圈套装和螺栓拧紧动作，极大地简化了操作过程，提高了机械操作的可靠性，避免了人工现场更换可能导致的人身伤害和对人体健康的危害。

作为优选方案为：

磁场线圈7采用独立供电的方式，改变线圈通过的电流大小可以对驱动弧根旋转的磁场强度进行调节；

阴极内芯4的尾端预留送气孔54，送气孔54与阴极内芯4的内腔连通，可以配合旋气环3，通过阴极内芯4的尾端(即阴极内芯4的上端)送气孔54以脉冲或周期性变化形式送入工作气，驱动弧根在轴线方向上周期性运动，进一步减缓弧根对电极内壁的烧蚀，延长电极工作寿命。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有自组装分离式电极的等离子体炬，其特征在于，包括：

金属的阳极外套，所述阳极外套设置有第一水冷夹层，所述阳极外套的内侧可拆卸连接有管状的阳极内芯，且沿所述阳极外套的轴向方向上，在无外力作用在所述阳极内芯的情况下，所述阳极内芯与所述阳极外套相对固定；

金属的阴极外套，所述阴极外套设置有第二水冷夹层，所述阴极外套的内侧可拆卸连接有管状的阴极内芯，且沿所述阴极外套的轴向方向上，在无外力作用在所述阴极内芯的情况下，所述阴极内芯与所述阴极外套相对固定；

阴极绝缘套，固定设置在所述阴极外套靠近所述阳极的一端的外侧壁上；

气旋环，位于所述阳极外套和所述阴极外套之间，所述气旋环的两端面分别固定在所述阴极绝缘套与所述阳极外套上，使所述阳极内芯与阴极内芯之间有可以电击穿的空隙。

2.根据权利要求1所述的一种具有自组装分离式电极的等离子体炬，其特征在于，所述阳极外套包括阳极连接法兰、第一冷却水进出接口、阳极水冷外筒和阳极水冷内筒，其中，所述阳极水冷外筒和阳极水冷内筒分别与所述阳极连接法兰固定连接，且所述阳极水冷外筒和阳极水冷内筒固定连接形成不可拆分的封闭式的第一水冷夹层，所述第一冷却水进出接口设有至少两个，若干所述第一冷却水进出接口分别焊接在所述阳极连接法兰的周向侧壁上，且若干第一冷却水进出接口贯穿所述阳极连接法兰通过第一水冷夹层相互连通。

3.根据权利要求2所述的一种具有自组装分离式电极的等离子体炬，其特征在于，所述阴极外套包括第二冷却水进出接口、阴极水冷外筒和阴极水冷内筒，所述阴极水冷外筒和阴极水冷内筒固定连接形成不可拆分的封闭式的第二水冷夹层，所述第二冷却水进出接口设有至少两个，若干所述第二冷却水进出接口分别焊接在所述阴极水冷外筒的周向侧壁上，且若干第二冷却水进出接口贯穿所述阴极水冷外筒通过第二水冷夹层相互连通。

4.根据权利要求3所述的一种具有自组装分离式电极的等离子体炬，其特征在于，所述阳极水冷内筒的内壁为与所述阳极水冷内筒的轴线呈0.5～20°夹角的收缩型管道内壁，所述阴极水冷内筒的内壁为与所述阴极水冷内筒的轴线呈0.5～20°夹角的收缩型管道内壁，且所述阳极水冷内筒和阴极水冷内筒同轴设置，且沿阳极到阴极的方向所述阳极水冷内筒呈外径逐渐变大的圆台形、所述阴极水冷内筒呈外径逐渐变大的圆台形。

5.根据权利要求3-4任一所述的一种具有自组装分离式电极的等离子体炬，其特征在于，沿阳极到阴极的方向所述阳极内芯呈外径逐渐变大的圆台形，所述阳极内芯与阳极水冷内筒的内壁的收缩角度一致，使得所述阳极内芯的外表面与阳极水冷内筒的内侧壁贴合；

沿阳极到阴极的方向所述阴极内芯呈外径逐渐变大的圆台形，所述阴极内芯与阴极水冷内筒的内壁的收缩角度一致，使得所述阴极内芯的外表面与阴极水冷内筒的内侧壁贴合。

6.根据权利要求5所述的一种具有自组装分离式电极的等离子体炬，其特征在于，所述阴极水冷内筒靠近阳极的一端的内径不小于所述阳极水冷内筒靠近阴极的一端的内径。

7.根据权利要求2所述的一种具有自组装分离式电极的等离子体炬，其特征在于，第一冷却水进出接口连接的冷却水回路与第二冷却水进出接口连接的冷却水回路分别为不同的冷却水回路。

8.根据权利要求1所述的一种具有自组装分离式电极的等离子体炬，其特征在于，所述气旋环的周向侧壁设置有使外部空气切向进入所述气旋环内部的通孔。

9.根据权利要求8所述的一种具有自组装分离式电极的等离子体炬，其特征在于，所述阴极内芯远离所述阳极的一端设置有与所述气旋环配合的送气孔。

10.根据权利要求1所述的一种具有自组装分离式电极的等离子体炬，其特征在于，还包括磁场线圈，沿所述阴极外套的轴向方向螺旋环绕固定在所述阴极外套的外侧壁上所述磁场线圈采用独立的电流大小可变的供电方式进行供电。