CN201142781Y - 高热效率直流电弧等离子体发生器 - Google Patents
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Abstract
一种高热效率直流电弧等离子体发生器，包括阴极、阴极头、辅助阳极、阳极和驱动电源，所述的阴极的顶端为圆锥形，在该圆锥形的顶端嵌入圆柱形阴极头；在所述的阴极靠近顶端的半部周围装有绝缘导气环，在该绝缘导气环与阴极之间留有与阴极顶端导通的导气间隙，在所述的绝缘导气环上设有进气接口并与所述的导气间隙相通；该绝缘导气环的前端与所述的辅助阳极的近端连接，该辅助阳极的近端设有与所述的阴极顶端吻合的圆锥形口。本实用新型的优点是：可减少NOX的排放量，有利于环境保护；能量利用率高，可达90％以上。
Description
技术领域
本发明涉及一种工业用的高热效率直流电弧等离子体发生器，主要用于锅炉点火燃烧器，等离子体脱硫技术，等离子体处理垃圾，高温降解有剧毒化工废料，以及等离子体钢水包保温技术等方面。
背景技术
工业上采用的直流电弧等离子体发生器的结构、有喷枪型、管状型、同轴型和多功能组合型(双阳极)等结构。它们的热效率分别为40-70％，40-60％，30-50％和60-75％。器存在的注意问题是热效率较低，耗能较高，不能满足现代工业需要高热效率、大功率的等离子体发生器的需求。
提高等离子体发生器功率有两种方法，一是提高电弧电流，二是提高电弧电压。工业上应用的等离子体发生器的电弧电流一般限制在400安培左右。工作电流太大，会造成热效率下降，电极寿命缩短和电源设备费用增加。这样，从提高电弧电压也就是提高电弧长度，是提高功率的最好办法。
现有的喷枪型、管状型、同轴型和多功能组合型等离子体发生器的电弧电压大小，主要决定于供给的气体流量的大小，在电流保持不变的情况下，气体流量越大，电弧柱长度增加，电压就越高。但是气体流量不能无限制的增大，它受到电弧淬灭的限制。当气流量增加到一定值时，气流会吹灭电弧，使电弧柱不能维持正常燃烧。可以看出要提高上述几种结构的等离子体发生器的功率是会受到很多因素制约的。
提高等离子体发生器的热效率的唯一办法，是减少等离子体发生器各部件的热损失。上述几种工业上常用的等离子体发生器各部件的热损失大小，大致是这样分布的。阴极热损失占电弧功率的8-10％，阳极热损失占电弧功率的28-33％。对于多功能组合式双阳极等离子体发生器，点阴极和辅助阳极热损失为8％左右(点阴极损失为1％，辅助阳极的热损失为6-7％)。由此可以看出，提高等离子体发生器的热效率，应从降低等离子体发生器阳极热损失着手。阳极热损失之所以较大，是因为阳极弧根除了绕着阳极内表面快速转动以外，还要沿阳极轴向上，做快速往复运动。所以，阳极弧根斑点在一个很大面积运动，增大了传热面积。阳极弧根和阳极冷壁面之间的温差，可以在3000-8000K，再加上电弧辐射热，造成热损失巨大，电弧加给气体的能量就大为减少，因而热效率低。
发明内容
本发明的目的就是提供一种高热效率直流电弧等离子体发生器，以解决现有技术存在的功率和热效率较低的问题。
本发明的技术方案是：包括阴极、阴极头、辅助阳极、阳极和驱动电源，阴极头装于阴极的顶端，辅助阳极和阳极分别装于阴极头的近端和远端，驱动电源的负极与所述的阴极连接，驱动电源的正极通过串联的辅助阳极控制开关和限流电阻与辅助阳极连接，驱动电源的正极通过阳极控制开关与所述的阳极连接；在所述的阴极和辅助阳极上装有冷却装置，其特征在于：所述的阴极的顶端为圆锥形，在该圆锥形的顶端嵌入圆柱形阴极头；在所述的阴极靠近顶端的半部周围装有绝缘导气环，在该绝缘导气环与阴极之间留有与阴极顶端导通的导气间隙，在所述的绝缘导气环上设有进气接口并与所述的导气间隙相通；在该绝缘导气环的前端与所述的辅助阳极的近端连接，该辅助阳极的近端设有与所述的阴极顶端吻合的圆锥形口；所述的阳极为炭棒电极；所述的阴极头由铈钨合金制成。在所述的炭棒电极面对辅助阳极一侧设有与电弧对应的弧形凹槽。
所述的阴极的冷却装置包括阴极的轴心孔、导流管、阴极进水口和阴极出水口，阴极的轴心孔的一端与阴极底端的阴极进水口相通，导流管的底端与该阴极进水口的内端连接，在阴极的靠近底端的外侧设有阴极出水口。
所述的辅助阳极的冷却装置包括阳极外套、阳极进水口和阳极出水口，阳极外套密封套装在辅助阳极的外侧，两者之间设有冷却水通道，在阳极外套的两端设有分别与所述的冷却水通道两端相通的阳极进水口和阳极出水口。
所述的绝缘导气环、辅助阳极的近端以及阳极外套的近端的外侧通过一个套管螺母和与其螺接的套管相互连接；所述的进气接口是在该套管上。
所述的驱动电源包括低压交流开关柜、变压器、整流装置、滤波电抗器、直流开关柜和高频引弧装置，低压交流开关柜、变压器、整流装置、滤波电抗器和直流开关柜依次连接，在该直流开关柜的正极与负极之间连接高频引弧装置。
所述的滤波电抗器采用3～10毫亨的电感线圈，该电感线圈串联在所述的整流装置输出回路中。
所述的限流电阻采用水冷电阻，电阻值为0.3～1欧姆。
本发明具有以下优点：
1.由于发生器阴极和阳极之间为固定弧长，等离子体发生器呈平坦的或上升的电弧伏安特性。
2.在辅助阳极范围内，介质为惰性气体氮气，可减少NOx的排放量，有利于环境保护。
3.通过热平衡试验，阴极热损失为1％，辅助阳极热损失为6-8％，等离子体的热效率大于90％。也就是说，100KW的电弧功率，有90KW的能量加给气体介质，其能量利用率是非常高的。通常等离子体发生器的热效率很难达到80％，一般为50-60％。因此，该等离子体发生器的能量利用率是最高的，符合国家节能政策。
4.当环境气流流速在20-25米/秒，垂直方向横吹电弧时，炭棒电极的弧形凹槽可以提高电弧的工作稳定性，有利于电弧弧柱的正常燃烧。
5.阴极和阳极寿命50-150小时，炭阳极可采用送进装置自动送进。
6.在进气孔输入H2，CH4，C2H2，CO等还原性气体，炭棒阳极升华的炭蒸汽均可脱硫脱硝，减少有害气体排放对环境的污染。
附图说明
图1是本发明实施例的总体剖视结构示意图；
图2是本发明的电源系统构成框图。
具体实施方式
参见图1，本发明包括阴极1、阴极头3、辅助阳极4、阳极6和驱动电源7。阴极头3装于阴极1的顶端，辅助阳极(第一阳极)4和阳极(第二阳极)6分别装于阴极头3的近端和远端，辅助阳极4和阳极6之间的距离为100-200毫米。驱动电源7的负极与所述的阴极1连接，驱动电源7的正极通过串联的辅助阳极控制开关K1和限流电阻R与辅助阳极4连接，驱动电源7的正极的通过阳极控制开关K2与所述的阳极6连接。所述的阴极1的顶端为圆锥形，在该圆锥形的顶端嵌入由铈钨合金制成的圆柱形阴极头3。在所述的阴极1靠近顶端的半部周围装有绝缘导气环2，在该绝缘导气环与阴极1之间留有与阴极1顶端导通的导气间隙14，在该绝缘导气环2上设有进气接口13，该进气接口13与所述的导气间隙14相通。该绝缘导气环2的前端(右端)与所述的辅助阳极4的近端(左端)连接，该辅助阳极4的近端设有与所述的阴极1顶端吻合的圆锥形口，圆锥形口的底部构成辅助阳极4的轴心孔22的一部分，轴心孔22的直径向右端逐渐增大，构成电子流的加速电场。
所述的阴极1与底座26之间通过螺纹连接，两者之间装有密封圈。
所述的阴极1的冷却装置包括阴极的轴心孔23、导流管24、阴极进水口19和阴极出水口20，阴极1的轴心孔23的一端与阴极底座26的阴极进水口19相通连接，导流管24的底端与阴极底座的进水口19的内端连接，在阴极1的靠近底端的外侧设有阴极出水口20。
所述的绝缘导气环2、辅助阳极4的近端(左端)以及阳极外套5的近端(左端)的外侧通过一个套管螺母11和与其螺接的套管12相互紧固连接。所述的进气接口13是在该套管12上。
所述的辅助阳极4的冷却装置包括阳极外套5、阳极进水口21和阳极出水口16，阳极外套5密封套装在辅助阳极4的外侧，两者之间设有冷却水通道15，在阳极外套5的两端设有分别与所述的冷却水通道15两端相通的阳极进水口21和阳极出水口16。阳极进水口21要穿过套管12进入阳极外套5内，与冷却水通道15相通。
所述的铈钨阴极头3的直径为Φ2.5-Φ5.0，以Φ3.1直径为优先选择，阴极头3需要大于1MP的软化水冷却，阴极头3的表面用惰性气体形成的气膜保护。所述的绝缘导气环2一方面作为阴极1与第一阳极4之间的绝缘，另一方面提供惰性气体如Ar，N2或还原性气体如H2做介质，并保护阴极不受氧化性气体的侵蚀。所述的第一阳极4为紫铜材质，起动时，阴极1发射的电子落在第一阳极4上，形成辅助电弧18和喷出等离子体火焰，击穿第一阳极4和第二阳极6之间的空气隙，气隙之间的距离可以100-200毫米，形成阴极1到第二阳极6之间的主电弧17，当主电弧17形成后，辅助电弧18自动熄灭。第二阳极6可以是炭棒、钢水等，炭棒的直径Φ40-80毫米，一般采用Φ60的炭棒。所述的整流装置73采用可控硅整流或饱和电抗器硅整流。在直流电源主回路串接3-10毫亨的滤波电抗器74，以保证转弧的可靠性，即先形成辅助电弧18，再转弧形成主电弧17。主电弧的弧长200-300毫米。主电弧17的弧电压可以达到300-500伏，电弧电流300-500安培，功率100-250KW。
还可在所述的炭棒阳极6面对辅助阳极4的一侧设有与主电弧17对应的弧形凹槽25。当环境气流流速在20-25米/秒，垂直方向横吹电弧时，炭棒阳极6的弧形凹槽25可以提高电弧的工作稳定性，有利于电弧弧柱的正常燃烧。
参见图2，所述的驱动电源7包括低压交流开关柜71、变压器72、整流装置73、滤波电抗器74、直流开关柜75和高频引弧装置76，低压交流开关柜71、变压器72、整流装置73、滤波电抗器74和直流开关柜75依次连接，在该直流开关柜75的正极与负极之间连接高频引弧装置76。该驱动电源7的各个构成部分和连接关系均为常规技术。
所述的变压器72得变压比根据使用电压大小而定，如变压比为1∶1，则工作电压可达400伏，若变压比为1∶1.35，则电压可达500伏。若电弧转移到炭棒上或钢水上，滤波电抗器74的电感量可采用3-5毫亨，若电弧转移到冷壁阳极上，滤波电抗器74的电感量应选足够大，如9-10毫亨，否则电弧不能转移到冷壁阳极上。
所述的限流电阻R采用水冷电阻，电阻值为0.3～1欧姆。限流电阻R的作用是起动时限制冲击电流的冲击，所以限流电阻R要能够经得起300-500安培电流的冲击。
本发明的起动和工作过程是：
1.闭合辅助弧接触器K1。
2.在进气口13通入氩气，氩气量2-5m3/小时，在阴极1的表面形成氩气保护气膜，应用氩气可减少冲击电流。
3.按下高频引弧装置76上的高频启动按钮，在阴极1和辅助阳极4之间产生电火花，一旦起弧成功，再通入氮气，这时辅助弧18拉长，喷口喷出明亮的等离子体火焰，关闭氩气进气阀门，电弧电流控制在200-250安培，继续增加氮气流量至6-10m3/小时，电流增至300-350安培，闭合主弧接触器K2，阳极弧根转移至炭棒6上，形成主电弧17，此时K1断开，辅助弧18熄灭。继续调节电弧电流至400-500安培，电弧电压可升至400-500伏。完成等离子体发生器全部启动过程。
本发明是把阳极弧根从冷壁面阳极转移至炭棒上，不仅可以人为的拉长电弧，提高电弧电压，还可以把阳极弧根斑点转移到炭棒上，不仅提高了等离子体发生器的功率，而且把90％的电弧功率加给气体介质，实现能量的充分利用。
这项发明在当前采用等离子体焰燃烧煤粉节油的工业实践中，更可充分显示它的优越性。第一、它使用的气体介质是氮气，而不是空气，可以大大减少NOx的排放；第二，它的阳极炭棒在大于3600℃时升华，C蒸汽属于还原性，它也可减少氮氧化物和二氧化硫的排放；第三，在氮等离子体焰中可以加入一定量的还原性气体如H2，CH4，C2H2，CO等，也可减少NOx和SO2的气体排放；第四，由于电弧柱暴露在空间，有利于对劣质煤粉的燃烧。这是常用几种等离子体发生器无法实现的。
本发明得结构设计的最主要的特点是把阳极弧根转移到炭棒上，增加弧长又减少了阳极热损失，从而提高了功率和热效率。
Claims (9)
1、一种高热效率直流电弧等离子体发生器，包括阴极、阴极头、辅助阳极、阳极和驱动电源，阴极头装于阴极的顶端，辅助阳极和阳极分别装于阴极头的近端和远端，驱动电源的负极与所述的阴极连接，驱动电源的正极通过串联的辅助阳极控制开关和限流电阻与辅助阳极连接，驱动电源的正极通过阳极控制开关与所述的阳极连接；在所述的阴极和辅助阳极上装有冷却装置，其特征在于：所述的阴极的顶端为圆锥形，在该圆锥形的顶端嵌入圆柱形阴极头；在所述的阴极靠近顶端的半部周围装有绝缘导气环，在该绝缘导气环与阴极之间留有与阴极顶端导通的导气间隙，在所述的绝缘导气环上设有进气接口并与所述的导气间隙相通；该绝缘导气环的前端与所述的辅助阳极的近端连接，该辅助阳极的近端设有与所述的阴极顶端吻合的圆锥形口。
2、根据权利要求1所述的高热效率直流电弧等离子体发生器，其特征在于：所述的阴极的冷却装置包括阴极的轴心孔、导流管、阴极进水口和阴极出水口，阴极的轴心孔的一端与阴极底端的阴极进水口相通，导流管的底端与该阴极进水口的内端连接，在阴极的靠近底端的外侧设有阴极出水口。
3、根据权利要求1所述的高热效率直流电弧等离子体发生器，其特征在于：所述的辅助阳极的冷却装置包括阳极外套、阳极进水口和阳极出水口，阳极外套密封套装在辅助阳极的外侧，两者之间设有冷却水通道，在阳极外套的两端设有分别与所述的冷却水通道两端相通的阳极进水口和阳极出水口。
4、根据权利要求1所述的高热效率直流电弧等离子体发生器，其特征在于：所述的绝缘导气环、辅助阳极的近端以及阳极外套的近端的外侧通过一个套管螺母和与其螺接的套管相互连接；所述的进气接口是在该套管上。
5、根据权利要求1所述的高热效率直流电弧等离子体发生器，其特征在于：所述的驱动电源包括低压交流开关柜、变压器、整流装置、滤波电抗器、直流开关柜和高频引弧装置，低压交流开关柜、变压器、整流装置、滤波电抗器和直流开关柜依次连接，在该直流开关柜的正极与负极之间连接高频引弧装置。
6、根据权利要求5所述的高热效率直流电弧等离子体发生器，其特征在于：所述的滤波电抗器采用3～10毫亨的电感线圈，该电感线圈串联在所述的整流装置输出回路中。
7、根据权利要求5所述的高热效率直流电弧等离子体发生器，其特征在于：所述的限流电阻采用水冷电阻，电阻值为0.3～1欧姆。
8、根据权利要求1所述的高热效率直流电弧等离子体发生器，其特征在于：所述的阳极为炭棒电极；所述的阴极头由铈钨合金制成。
9、根据权利要求8所述的高热效率直流电弧等离子体发生器，其特征在于：在所述的炭棒电极面对辅助阳极一侧设有与电弧对应的弧形凹槽。
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