CN204168590U - 一种用于热解水的双级电弧等离子体喷枪 - Google Patents
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Abstract
一种用于热解水的双级电弧等离子体喷枪，涉及到一种等离子体喷枪，由后座、阴极、螺旋导流器、中间电极组件、绝缘连接件和阳极组件组成，后座的回转体中有供水导流管和阴极连杆，阴极由微孔膜阴极头和阴极套构成，微孔膜阴极头的微孔构成水分子的过滤通道，中间电极组件包括中间电极、环形电极；阴极连接在阴极连杆前端，螺旋导流器安装在后座上，中间电极组件连接在螺旋导流器与绝缘连接件之间，阳极套携阳极安装在绝缘连接件的前端；阴极的头部进入到中间电极后端的入口空间中，中间电极后端的入口空间构成第一放电区，环形电极与阳极后端之间的空间构成第二放电区。本实用新型使等离子体喷枪达到更高的处理温度，提高等离子体喷枪的加热效率及分解能力。
Description
技术领域
本实用新型涉及等离子体设备，特别是涉及到一种等离子体喷枪。
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。
等离子热解水制氢技术是最近几年提出来的水制氢候选技术之一，因为水是一种相当稳定的物质，在常压条件下，温度在2000K时水分子几乎不分解，2500K时有25%的水发生分解，3400～3500K时氢气和氧气的摩尔分数达到最大，分别为18%和6%，当温度达到4200K以上时，水分子将全部分解为氢气、氢、氧气、氧和氢氧原子团，一般的加热方式难以达到这么高的温度，而使用等离子体喷枪则能做到。当把水通过等离子体喷枪分解后输入到生活垃圾或工业有机废弃物的气化炉中，与生活垃圾或工业有机废弃物进行造气反应，使生活垃圾或工业有机废弃物转化的合成气品质好，达到化工原料的要求，合成气再通过后级设备生产甲醇或二甲醚产品，实现资源化和无污染处理生活垃圾和工业有机废弃物；在煤气化生产线上如利用等离子体喷枪把水加热分解后再喷入气化炉内，与煤炭进行化学反应，所发生的反应是放热反应，使气化炉不需输入空气或氧气助燃，提高煤炭的气化率，并且生产的合成气中氢气的分数比例高，废气的含量低，实现节能减排。
等离子体喷枪的阴极是发射电子的部件，由于承受电流的冲击和数万度的高温烧灼，因此，阴极的头部很容易被烧蚀而致损坏，不仅影响生产，而且增加生产成本。
实用新型内容
本实用新型的目的是要提供一种用于热解水的双级电弧等离子体喷枪，使等离子体喷枪达到更高的处理温度，提高等离子体喷枪的加热效率及分解能力，应用在生活垃圾、工业有机废弃物气化炉或煤气化装置的气化炉中，提高气化率及提高合成气的品质，并且使阴极不易被烧蚀，克服现有等离子体喷枪的阴极容易被烧蚀的缺点，以延长等离子体喷枪的使用周期，提高生产效率及节约生产成本。
本实用新型的一种用于热解水的双级电弧等离子体喷枪，其特征是喷枪由后座（1）、阴极（2）、螺旋导流器（3）、中间电极组件、绝缘连接件（10）和阳极组件组成，其中，后座（1）为回转体结构，后座（1）的回转体中有供水导流管（1-3）和阴极连杆（1-4），阴极连杆（1-4）为圆管体结构，供水导流管（1-3）处于阴极连杆（1-4）之中，供水导流管（1-3）的前端从阴极连杆（1-4）中伸出，供水导流管（1-3）的管内空间构成冷却供水通道（ⅩⅣ），供水导流管（1-3）的外壁与阴极连杆（1-4）内壁之间的空间构成冷却回水通道（ⅩⅢ）；阴极（2）由微孔膜阴极头（2-2）和阴极套（2-1）构成，微孔膜阴极头（2-2）为金属粉末烧结的微孔滤膜结构，金属粉末间的微孔构成水分子的过滤通道，微孔膜阴极头（2-2）的后端中心有圆锥形的凹槽（Ⅻ），凹槽（Ⅻ）构成水源入口，阴极套（2-1）为空心圆棒体结构，微孔膜阴极头（2-2）嵌入到阴极套（2-1）的前部中，微孔膜阴极头（2-2）的头部从阴极套（2-1）的前端伸出，阴极套（2-1）的内空间构成水室（Ⅲ）；螺旋导流器（3）为回转体结构，螺旋导流器（3）的回转体中有螺旋导流肋（3-1），螺旋导流肋（3-1）的螺距空间构成螺旋导流通道（Ⅱ）；中间电极组件包括中间电极套（4）、中间电极（5）、嵌套（6）和环形电极（7），中间电极套（4）为回转体结构，中间电极（5）为文丘里喷管结构，嵌套（6）为回转体结构，环形电极（7）为圆环体结构，环形电极（7）的前端嵌入到嵌套（6）的前端中，环形电极（7）的后端嵌入到中间电极（5）的文丘里喷管前端，中间电极（5）、嵌套（6）和环形电极（7）设置在中间电极套（4）内，中间电极（5）和环形电极（7）的外围有第一冷却水套（Ⅸ），中间电极套（4）的壁体和嵌套（6）的壁体构成第一冷却水套（Ⅸ）的外壁，第一冷却水套（Ⅸ）有冷却剂进口（4-3）接入和冷却剂出口（4-1）接出；阳极组件包括阳极套（8）和阳极（9），阳极套（8）为圆筒体结构，阳极（9）为文丘里喷管结构，阳极（9）以嵌入方式安装在阳极套（8）内，阳极（9）外壁与阳极套（8）内壁之间的空间构成第二冷却水套（Ⅷ），第二冷却水套（Ⅷ）有冷却水进口（8-2）接入和冷却水出口（8-1）接出；阴极（2）连接在后座（1）的阴极连杆（1-4）前端，螺旋导流器（3）的后端安装在后座（1）上，中间电极组件连接在螺旋导流器（3）的前端与绝缘连接件（10）的后端之间，阳极套（8）携阳极（9）安装在绝缘连接件（10）的前端；阴极（2）从螺旋导流器（3）的内空间中穿过，阴极（2）的头部进入到中间电极（5）后端的文丘里喷管入口空间中，中间电极（5）后端的文丘里喷管入口空间构成第一放电区，中间电极（5）的文丘里喷管喉口构成第一压缩孔道（Ⅺ），中间电极（5）的文丘里喷管扩张段空间构成第一喷射腔（Ⅹ）；环形电极（7）与阳极（9）后端的文丘里喷管入口之间的空间构成第二放电区，阳极（9）的文丘里喷管喉口构成第二压缩孔道（Ⅶ），阳极（9）的文丘里喷管扩张段空间构成第二喷射腔（Ⅵ）；在后座（1）的回转体中或在螺旋导流器（3）的回转体中有气室（Ⅰ），气室（Ⅰ）有工作气输入接口（1-1）接入，气室（Ⅰ）通过螺旋导流通道（Ⅱ）连通到中间电极（5）后端的第一放电区，第一放电区通过第一压缩孔道（Ⅺ）连通到第一喷射腔（Ⅹ），第一喷射腔（Ⅹ）通过第二放电区和第二压缩孔道（Ⅶ）连通到第二喷射腔（Ⅵ）；在中间电极套（4）的回转体中或在绝缘连接件（10）中有气腔（Ⅳ），气腔（Ⅳ）有工作气进口（4-2）接入，在气腔（Ⅳ）与第二放电区之间有气流通道，气腔（Ⅳ）通过气流通道连通到第二放电区，第二放电区通过第二压缩孔道（Ⅶ）连通到第二喷射腔（Ⅵ）。
本实用新型中，供水导流管（1-3）的出水口为收窄的喷嘴结构，供水导流管（1-3）的出水口伸入到微孔膜阴极头（2-2）后端的凹槽（Ⅻ）中；供水导流管（1-3）内的冷却供水通道（ⅩⅣ）有冷却水输入接口（1-5）接入，冷却供水通道（ⅩⅣ）通过微孔膜阴极头（2-2）后端的凹槽（Ⅻ）和水室（Ⅲ）连通到冷却回水通道（ⅩⅢ），冷却回水通道（ⅩⅢ）有冷却水输出接口（1-6）接出；微孔膜阴极头（2-2）的后端外侧有凸缘（2-3），凸缘（2-3）构成微孔膜阴极头（2-2）的轴向限位结构；微孔膜阴极头（2-2）的头部为由后向前缩小的圆锥体结构，其圆锥角度（a）为45°-120°；微孔膜阴极头（2-2）的头端为圆弧形结构，其圆弧半径（R）为3mm-6mm；在阴极套（2-1）后部的壁体上有外六角体（2-4），在阴极套（1-1）的后端有连接螺纹（2-5）；当在阴极套（1-1）的后端有连接螺纹（2-5）时，在阴极连杆（1-4）的前端有螺口，阴极套（1-1）后端的连接螺纹（2-5）旋合在阴极连杆（1-4）前端的螺口中；当气室（Ⅰ）设置在后座（1）的回转体中时，阴极连杆（1-4）的外壁与后座（1）外层壁体之间的空间构成气室（Ⅰ），工作气输入接口（1-1）设置在后座（1）的外层壁体上；当气室（Ⅰ）设置在螺旋导流器（3）的回转体中时，由阴极连杆（1-4）的外壁与螺旋导流器（3）的内壁之间的空间构成气室（Ⅰ），工作气输入接口（1-1）设置在螺旋导流器（3）的壁体上；螺旋导流肋（3-1）前端的部位为由后向前收窄的结构，与中间电极（5）的文丘里喷管后端的入口进行平滑衔接，螺旋导流肋（3-1）前端的由后向前收窄的内空间构成约束口（ⅩⅤ）；中间电极（5）的文丘里喷管前端有榫座，环形电极（7）的前端有前榫头，环形电极（7）的后端有后榫头，环形电极（7）的前榫头嵌入到嵌套（6）中，环形电极（7）的后榫头嵌入到文丘里喷管的榫座中，中间电极（5）的文丘里喷管后端嵌入到中间电极套（4）的后端中；在嵌套（6）后端的壁体上有安装螺纹，在中间电极套（4）的壁体上有螺纹槽口，嵌套（6）后端的安装螺纹旋合在中间电极套（4）壁体上的螺纹槽口中；嵌套（6）的外侧壁体上有螺旋肋条（6-1），螺旋肋条（6-1）的螺距空间构成旋流通道（Ⅴ），旋流通道（Ⅴ）替代气腔（Ⅳ）与第二放电区之间的气流通道。
本实用新型中，微孔膜阴极头（2-2）的金属粉末选用钨（W）粉末和镍硫合金（Ni-S）粉末混合的材料，烧结成钨镍假合金零件，烧制时，钨（W）、镍硫合金（Ni-S）既不互相溶解，也不形成金属间化合物，所形成的假合金组织为钨颗粒、镍硫合金颗粒的二相结构，假合金组织中存在微小孔隙，具有过滤水分子功能和催化功能。具体应用时，微孔膜阴极头（2-2）选用钨（W）粉末和镍硫合金（Ni-S）粉末混合的材料，烧结成钨镍假合金零件，不但具有难熔金属的特性，而且其中的镍硫合金（Ni-S）对水分子的分解具有催化作用，使水分子更容易分解，提高分解率和节省能源。
上述的实用新型应用时，采用去离子水作为原料水，一路原料水兼冷却水通过冷却水输入接口（1-5）进入到供水导流管（1-3）内的冷却供水通道（ⅩⅣ）中，经供水导流管（1-3）前端的出水口（1-2）进入到微孔膜阴极头（2-2）后端的凹槽（Ⅻ）中，一部分水通过微孔膜阴极头（2-2）的微小孔隙渗透到外表面，另一部分水作为冷却剂或清洗剂，吸收了阴极（2）的热量后，携杂质通过水室（Ⅲ）进入到冷却回水通道（ⅩⅢ），然后由冷却水输出接口（1-6）返回到冷却系统的回路中；另一路冷却水通过冷却剂进口（4-3）进入到第一冷却水套（Ⅸ）中，吸收了中间电极（5）的热量后，再由冷却剂出口（4-1）返回到冷却系统的回路中；又一路冷却水通过冷却水进口（8-2）进入到第二冷却水套（Ⅷ）中，吸收阳极（9）的热量后，再由冷却水出口（8-1）返回到冷却系统的回路中；一路工作气由工作气输入接口（1-1）进入到气室（Ⅰ）中，然后通过螺旋导流通道（Ⅱ）以螺旋方式进入到第一放电区，工作气的螺旋气流扫过微孔膜阴极头（2-2）的表面，把从微孔膜阴极头（2-2）中渗透出来的水分带起，形成螺旋水雾或水蒸汽，进入到第一放电区；另一路工作气由工作气进口（4-2）进入到气腔（Ⅳ），然后通过旋流通道（Ⅴ）以螺旋方式进入到第二放电区。后座（1）作为阴极（2）的电气连接件，阳极套（8）作为阳极（9）的电气连接件，在阳极（9）与阴极（2）之间施加电能，使用高频电源进行引弧，在阴极（2）的头端形成圆弧放电面（2-6）、在中间电极（5）的文丘里喷管扩张段内壁上形成第一圆锥放电面（5-1），在圆弧放电面（2-6）与第一圆锥放电面（5-1）之间产生第一级高温等离子体电弧；同时在环形电极（7）的环内壁上形成圆环放电面（7-1）、在阳极（9）文丘里喷管扩张段内壁上形成第二圆锥放电面（9-1），在圆环放电面（7-1）与第二圆锥放电面（9-1）之间产生第二级高温等离子体电弧。进入到第一放电区的水雾或水蒸汽与第一级等离子体电弧混合，通过第一压缩孔道（Ⅺ）进入到第一喷射腔（Ⅹ），再由第一喷射腔（Ⅹ）的出口喷出，通过第二放电区，与第一级高温等离子体电弧混合后，再通过第二压缩孔道（Ⅶ）进入到第二喷射腔（Ⅵ），然后由第二喷射腔（Ⅵ）的出口喷出，形成等离子体火炬进入气化炉。上述过程中，水分子从微孔膜阴极头（2-2）中渗透出来时，其大分子团结构会分散为小分子团结构，使水分子更容易得到分解，水分子在从微孔膜阴极头（2-2）的渗透过程中及形成水雾进入到第一放电区时，水分子被催化、电离和热解，分解为氢气、氧气以及活性氢原子、活性氧原子、活性氢氧原子团的活性化学物，这些活性化学物与第一级高温等离子体电弧混合，通过第一压缩孔道（Ⅺ）和第一喷射腔（Ⅹ）进行到第二放电区时，进行第二次电离和热解，使水分子得到进一步分解后，与第二级高温等离子体电弧混合，然后通过第二压缩孔道（Ⅶ）和第二喷射腔（Ⅵ）从喷枪中喷出进入气化炉，在水分子的活性化学物通过第一压缩孔道（Ⅺ）和第二压缩孔道（Ⅶ）时，又会得到进一步升温而加剧分解，使得目标产物的得率更高。本实用新型采取双级高温等离子体电弧来对水分子进行加热分解，使水分子能得到完全分解，提高分解率和提高等离子体喷枪的效率。
等离子体喷枪在工作时，阴极的头部需承受电流冲击及数万度的高温烧灼，因此，必需对阴极的头部采取有效的冷却措施才能增加阴极的使用寿命。本实用新型的微孔膜阴极头（2-2）为金属粉末烧结的微孔滤膜结构，金属粉末间的微孔构成水分子的过滤通道，微孔膜阴极头（2-2）的微孔中充满水分，当微孔膜阴极头（2-2）的温度升高时，使微孔中的水分蒸发，水汽化为水蒸汽，水的气化潜热为2257kj/kg，因此，微孔膜阴极头（2-2）的大部分热量被水汽化而吸收，快速把热量带走，使微孔膜阴极头（2-2）起到高效冷却作用。另外，本实用新型把阴极设计为由微孔膜阴极头（2-2）和阴极套（2-1）组成，微孔膜阴极头（2-2）嵌入到阴极套（2-1）的壁体中，阴极套（2-1）的内空间构成水室（Ⅲ），当阴极套（2-1）选用紫铜材料制作时，由于紫铜材料具有优良的导热性能，因此，微孔膜阴极头（2-2）又得到间接的冷却，使冷却效果增强。本实用新型采用工作气以螺旋气流扫过微孔膜阴极头（2-2）表面的措施，把螺旋导流肋（3-1）前端的部位设计为由后向前收窄的约束口（ⅩⅤ）结构，与中间电极（5）后端的文丘里入口进行平滑衔接，工作气同时起到保护气的作用，螺旋气流在约束口（ⅩⅤ）的作用下，平滑扫过微孔膜阴极头（2-2）的表面，没有死角，有效保护微孔膜阴极头（2-2）不被烧蚀。本实用新型在微孔膜阴极头（2-2）的后端中心有圆锥形的凹槽（Ⅻ），凹槽（Ⅻ）构成水源入口，以增加水分子的渗透流量。
本实用新型的有益效果是：提供的一种用于热解水的双级电弧等离子体喷枪，使等离子体喷枪达到更高的处理温度，提高等离子体喷枪的加热效率及分解能力，以满足热解水制氢、固体废物处置及有害气体处理领域的应用要求。本实用新型用于生活垃圾、工业有机废弃物气化炉或煤气化装置的气化炉中，提高气化率及提高合成气的品质，并且克服现有等离子体喷枪的阴极容易被烧蚀的缺点，以延长等离子体喷枪的使用周期，提高生产效率及节约生产成本。
附图说明
图1是本实用新型的一种用于热解水的双级电弧等离子体喷枪结构图。
图2是图1中的微孔膜阴极结构图。
图3是图1中的螺旋导流器结构图。
图4是图1中的嵌套结构图。
图中：1.后座，1-1.工作气输入接口，1-2.导流管的出水口，1-3.供水导流管，1-4.阴极连杆，1-5.冷却水输入接口，1-6.冷却水输出接口，2.阴极，2-1.阴极套，2-2.微孔膜阴极头，2-3.凸缘，2-4.外六角体，2-5.连接螺纹，2-6.圆弧放电面，3.螺旋导流器，3-1.螺旋导流肋，3-2.螺旋导流器的前安装槽，3-3.螺旋导流器的后安装槽，4.中间电极套，4-1.冷却剂出口，4-2.工作气进口，4-3.冷却剂进口，5.中间电极，5-1.第一圆锥放电面，6.环形电极的嵌套，6-1.螺旋肋条，7.环形电极，7-1.圆环放电面，8.阳极套，8-1.冷却水出口，8-2.冷却水进口，9.阳极，9-1.第二圆锥放电面，10.绝缘连接件，11.密封垫c，12.密封环，13.密封垫b，14.密封圈，15.密封垫a，R.微孔膜阴极头的圆弧半径，a.微孔膜阴极头的圆锥角度，Ⅰ.气室，Ⅱ.螺旋导流通道，Ⅲ.水室，Ⅳ.气腔，Ⅴ.旋流通道，Ⅵ.第二喷射腔，Ⅶ.第二压缩孔道，Ⅷ.第二冷却水套，Ⅸ.第一冷却水套，Ⅹ.第一喷射腔，Ⅺ.第一压缩孔道，Ⅻ.圆锥凹槽，ⅩⅢ.冷却回水通道，ⅩⅣ.冷却供水通道，ⅩⅤ.约束口。
具体实施方式
实施例1 图1所示的实施方式中，一种用于热解水的双级电弧等离子体喷枪由后座（1）、阴极（2）、螺旋导流器（3）、中间电极组件、绝缘连接件（10）和阳极组件组成，其中，后座（1）为回转体结构，后座（1）的回转体中有供水导流管（1-3）和阴极连杆（1-4），阴极连杆（1-4）为圆管体结构，在阴极连杆（1-4）的前端有螺口，供水导流管（1-3）处于阴极连杆（1-4）之中，供水导流管（1-3）的前端从阴极连杆（1-4）中伸出，供水导流管（1-3）的出水口为收窄的喷嘴结构，供水导流管（1-3）的出水口伸入到微孔膜阴极头（2-2）后端的凹槽（Ⅻ）中，供水导流管（1-3）的管内空间构成冷却供水通道（ⅩⅣ），供水导流管（1-3）的外壁与阴极连杆（1-4）内壁之间的空间构成冷却回水通道（ⅩⅢ），冷却供水通道（ⅩⅣ）有冷却水输入接口（1-5）接入，冷却供水通道（ⅩⅣ）通过微孔膜阴极头（2-2）后端的凹槽（Ⅻ）和水室（Ⅲ）连通到冷却回水通道（ⅩⅢ），冷却回水通道（ⅩⅢ）有冷却水输出接口（1-6）接出，在阴极连杆（1-4）的外壁与后座（1）外层壁体之间的空间构成气室（Ⅰ），气室（Ⅰ）有工作气输入接口（1-1）接入，工作气输入接口（1-1）设置在后座（1）的外层壁体上；阴极（2）由微孔膜阴极头（2-2）和阴极套（2-1）构成，微孔膜阴极头（2-2）为金属粉末烧结的微孔滤膜结构，金属粉末间的微孔构成水分子的过滤通道，微孔膜阴极头（2-2）的后端中心有圆锥形的凹槽（Ⅻ），凹槽（Ⅻ）构成水源入口，微孔膜阴极头（2-2）的后端外侧有凸缘（2-3），凸缘（2-3）构成微孔膜阴极头（2-2）的轴向限位结构，微孔膜阴极头（2-2）的头部为由后向前缩小的圆锥体结构，其圆锥角度（a）为60°，微孔膜阴极头（2-2）的头端为圆弧形结构，其圆弧半径（R）为5mm；阴极套（2-1）为空心圆棒体结构，微孔膜阴极头（2-2）嵌入到阴极套（2-1）的前部中，微孔膜阴极头（2-2）的头部从阴极套（2-1）的前端伸出，阴极套（2-1）的内空间构成水室（Ⅲ），在阴极套（2-1）后部的壁体上有外六角体（2-4），在阴极套（1-1）的后端有连接螺纹（2-5）；螺旋导流器（3）为回转体结构，螺旋导流器（3）的回转体中有螺旋导流肋（3-1），螺旋导流肋（3-1）的螺距空间构成螺旋导流通道（Ⅱ）；中间电极组件包括中间电极套（4）、中间电极（5）、嵌套（6）和环形电极（7），中间电极套（4）为回转体结构，在中间电极套（4）的壁体上有螺纹槽口，中间电极（5）为文丘里喷管结构，中间电极（5）的文丘里喷管前端有榫座，嵌套（6）为回转体结构，在嵌套（6）后端的壁体上有安装螺纹，嵌套（6）的外侧壁体上有螺旋肋条（6-1），螺旋肋条（6-1）的螺距空间构成旋流通道（Ⅴ），环形电极（7）为圆环体结构，环形电极（7）的前端有前榫头，环形电极（7）的后端有后榫头，环形电极（7）的前榫头嵌入到嵌套（6）的前端中，环形电极（7）的后榫头嵌入到中间电极（5）的文丘里喷管前端，中间电极（5）、嵌套（6）和环形电极（7）设置在中间电极套（4）内，嵌套（6）后端的安装螺纹旋合在中间电极套（4）壁体上的螺纹槽口中，中间电极（5）的文丘里喷管后端嵌入到中间电极套（4）的后端中，中间电极（5）和环形电极（7）的外围有第一冷却水套（Ⅸ），中间电极套（4）的壁体和嵌套（6）的壁体构成第一冷却水套（Ⅸ）的外壁，第一冷却水套（Ⅸ）有冷却剂进口（4-3）接入和冷却剂出口（4-1）接出；阳极组件包括阳极套（8）和阳极（9），阳极套（8）为圆筒体结构，阳极（9）为文丘里喷管结构，阳极（9）以嵌入方式安装在阳极套（8）内，阳极（9）外壁与阳极套（8）内壁之间的空间构成第二冷却水套（Ⅷ），第二冷却水套（Ⅷ）有冷却水进口（8-2）接入和冷却水出口（8-1）接出；阴极（2）连接在后座（1）的阴极连杆（1-4）前端，阴极套（1-1）后端的连接螺纹（2-5）旋合在阴极连杆（1-4）前端的螺口中；螺旋导流器（3）的后端安装在后座（1）上，中间电极组件连接在螺旋导流器（3）的前端与绝缘连接件（10）的后端之间，阳极套（8）携阳极（9）安装在绝缘连接件（10）的前端；阴极（2）从螺旋导流器（3）的内空间中穿过，阴极（2）的头部进入到中间电极（5）后端的文丘里喷管入口空间中，螺旋导流肋（3-1）前端的部位为由后向前收窄的结构，与中间电极（5）的文丘里喷管后端的入口进行平滑衔接，螺旋导流肋（3-1）前端的由后向前收窄的内空间构成约束口（ⅩⅤ）；中间电极（5）后端的文丘里喷管入口空间构成第一放电区，中间电极（5）的文丘里喷管喉口构成第一压缩孔道（Ⅺ），中间电极（5）的文丘里喷管扩张段空间构成第一喷射腔（Ⅹ）；环形电极（7）与阳极（9）后端的文丘里喷管入口之间的空间构成第二放电区，阳极（9）的文丘里喷管喉口构成第二压缩孔道（Ⅶ），阳极（9）的文丘里喷管扩张段空间构成第二喷射腔（Ⅵ）；气室（Ⅰ）通过螺旋导流通道（Ⅱ）连通到中间电极（5）后端的第一放电区，第一放电区通过第一压缩孔道（Ⅺ）连通到第一喷射腔（Ⅹ），第一喷射腔（Ⅹ）通过第二放电区和第二压缩孔道（Ⅶ）连通到第二喷射腔（Ⅵ）；在中间电极套（4）的回转体中或在绝缘连接件（10）中有气腔（Ⅳ），气腔（Ⅳ）有工作气进口（4-2）接入，在气腔（Ⅳ）与第二放电区之间有旋流通道（Ⅴ），气腔（Ⅳ）通过旋流通道（Ⅴ）连通到第二放电区，第二放电区通过第二压缩孔道（Ⅶ）连通到第二喷射腔（Ⅵ）。
本实施例中，螺旋导流器（3）和绝缘连接件（10）选用聚四氟乙烯材料或压塑胶木材料制作，其它部件选用金属材料制作，其中，微孔膜阴极头（2-2）的金属粉末选用钨（W）粉末和镍硫合金（Ni-S）粉末混合的材料，烧结成钨镍假合金零件，烧制时，钨（W）、镍硫合金（Ni-S）既不互相溶解，也不形成金属间化合物，所形成的假合金组织为钨颗粒、镍硫合金颗粒的二相结构，假合金组织中存在微小孔隙，具有过滤水分子功能和催化功能。具体应用时，微孔膜阴极头（2-2）选用钨（W）粉末和镍硫合金（Ni-S）粉末混合的材料，烧结成钨镍假合金零件，不但具有难熔金属的特性，而且其中的镍硫合金（Ni-S）对水分子的分解具有催化作用，使水分子更容易分解，提高分解率和节省能源。
本实施例应用时，采用去离子水作为原料水，一路原料水兼冷却水通过冷却水输入接口（1-5）进入到供水导流管（1-3）内的冷却供水通道（ⅩⅣ）中，经供水导流管（1-3）前端的出水口（1-2）进入到微孔膜阴极头（2-2）后端的凹槽（Ⅻ）中，一部分水通过微孔膜阴极头（2-2）的微小孔隙渗透到外表面，另一部分水作为冷却剂或清洗剂，吸收了阴极（2）的热量后，携杂质通过水室（Ⅲ）进入到冷却回水通道（ⅩⅢ），然后由冷却水输出接口（1-6）返回到冷却系统的回路中；另一路冷却水通过冷却剂进口（4-3）进入到第一冷却水套（Ⅸ）中，吸收了中间电极（5）的热量后，再由冷却剂出口（4-1）返回到冷却系统的回路中；又一路冷却水通过冷却水进口（8-2）进入到第二冷却水套（Ⅷ）中，吸收阳极（9）的热量后，再由冷却水出口（8-1）返回到冷却系统的回路中；一路工作气由工作气输入接口（1-1）进入到气室（Ⅰ）中，然后通过螺旋导流通道（Ⅱ）以螺旋方式进入到第一放电区，工作气的螺旋气流扫过微孔膜阴极头（2-2）的表面，把从微孔膜阴极头（2-2）中渗透出来的水分带起，形成螺旋水雾或水蒸汽，进入到第一放电区；另一路工作气由工作气进口（4-2）进入到气腔（Ⅳ），然后通过旋流通道（Ⅴ）以螺旋方式进入到第二放电区。后座（1）作为阴极（2）的电气连接件，阳极套（8）作为阳极（9）的电气连接件，在阳极（9）与阴极（2）之间施加电能，使用高频电源进行引弧，在阴极（2）的头端形成圆弧放电面（2-6）、在中间电极（5）的文丘里喷管扩张段内壁上形成第一圆锥放电面（5-1），在圆弧放电面（2-6）与第一圆锥放电面（5-1）之间产生第一级高温等离子体电弧；同时在环形电极（7）的环内壁上形成圆环放电面（7-1）、在阳极（9）文丘里喷管扩张段内壁上形成第二圆锥放电面（9-1），在圆环放电面（7-1）与第二圆锥放电面（9-1）之间产生第二级高温等离子体电弧。进入到第一放电区的水雾或水蒸汽与第一级等离子体电弧混合，通过第一压缩孔道（Ⅺ）进入到第一喷射腔（Ⅹ），再由第一喷射腔（Ⅹ）的出口喷出，通过第二放电区，与第一级高温等离子体电弧混合后，再通过第二压缩孔道（Ⅶ）进入到第二喷射腔（Ⅵ），然后由第二喷射腔（Ⅵ）的出口喷出，形成等离子体火炬进入气化炉。上述过程中，水分子从微孔膜阴极头（2-2）中渗透出来时，其大分子团结构会分散为小分子团结构，使水分子更容易得到分解，水分子在从微孔膜阴极头（2-2）的渗透过程中及形成水雾进入到第一放电区时，水分子被催化、电离和热解，分解为氢气、氧气以及活性氢原子、活性氧原子、活性氢氧原子团的活性化学物，这些活性化学物与第一级高温等离子体电弧混合，通过第一压缩孔道（Ⅺ）和第一喷射腔（Ⅹ）进行到第二放电区时，进行第二次电离和热解，使水分子得到进一步分解后，与第二级高温等离子体电弧混合，然后通过第二压缩孔道（Ⅶ）和第二喷射腔（Ⅵ）从喷枪中喷出进入气化炉，在水分子的活性化学物通过第一压缩孔道（Ⅺ）和第二压缩孔道（Ⅶ）时，又会得到进一步升温而加剧分解，使得目标产物的得率更高。本实施例采取双级高温等离子体电弧来对水分子进行加热分解，使水分子能得到完全分解，提高分解率和提高等离子体喷枪的效率。
上述的实施例在工作时，金属粉末间的微孔构成水分子的过滤通道，微孔膜阴极头（2-2）的微孔中充满水分，当微孔膜阴极头（2-2）的温度升高时，使微孔中的水分蒸发，水汽化为水蒸汽，利用水的气化潜热吸收微孔膜阴极头（2-2）的大部分热量，快速把热量带走，使微孔膜阴极头（2-2）起到高效冷却作用。采用工作气以螺旋气流扫过微孔膜阴极头（2-2）表面的措施，把螺旋导流肋（3-1）前端的部位设计为由后向前收窄的约束口（ⅩⅤ）结构，与中间电极（5）后端的文丘里入口进行平滑衔接，工作气同时起到保护气的作用，螺旋气流在约束口（ⅩⅤ）的作用下，平滑扫过微孔膜阴极头（2-2）的表面，没有死角，有效保护微孔膜阴极头（2-2）不被烧蚀。在微孔膜阴极头（2-2）的后端中心有圆锥形的凹槽（Ⅻ），凹槽（Ⅻ）构成水源入口，以增加水分子的渗透流量。
上述的实施例用于生活垃圾、工业有机废弃物气化炉或煤气化装置的气化炉中，把水通过等离子体热解水喷枪分解为氢气、氧气以及活性氢原子、活性氧原子、活性氢氧原子团的活性化学物，作为气化剂，与高温等离子体电弧混合，喷入气化炉，与生活垃圾或工业有机废弃物或煤炭进行热化学反应，生成高品质的合成气，作为化工原料利用。
Claims (9)
1.一种用于热解水的双级电弧等离子体喷枪，其特征是喷枪由后座（1）、阴极（2）、螺旋导流器（3）、中间电极组件、绝缘连接件（10）和阳极组件组成，其中，后座（1）为回转体结构，后座（1）的回转体中有供水导流管（1-3）和阴极连杆（1-4），阴极连杆（1-4）为圆管体结构，供水导流管（1-3）处于阴极连杆（1-4）之中，供水导流管（1-3）的前端从阴极连杆（1-4）中伸出，供水导流管（1-3）的管内空间构成冷却供水通道（ⅩⅣ），供水导流管（1-3）的外壁与阴极连杆（1-4）内壁之间的空间构成冷却回水通道（ⅩⅢ）；阴极（2）由微孔膜阴极头（2-2）和阴极套（2-1）构成，微孔膜阴极头（2-2）为金属粉末烧结的微孔滤膜结构，金属粉末间的微孔构成水分子的过滤通道，微孔膜阴极头（2-2）的后端中心有圆锥形的凹槽（Ⅻ），凹槽（Ⅻ）构成水源入口，阴极套（2-1）为空心圆棒体结构，微孔膜阴极头（2-2）嵌入到阴极套（2-1）的前部中，微孔膜阴极头（2-2）的头部从阴极套（2-1）的前端伸出，阴极套（2-1）的内空间构成水室（Ⅲ）；螺旋导流器（3）为回转体结构，螺旋导流器（3）的回转体中有螺旋导流肋（3-1），螺旋导流肋（3-1）的螺距空间构成螺旋导流通道（Ⅱ）；中间电极组件包括中间电极套（4）、中间电极（5）、嵌套（6）和环形电极（7），中间电极套（4）为回转体结构，中间电极（5）为文丘里喷管结构，嵌套（6）为回转体结构，环形电极（7）为圆环体结构，环形电极（7）的前端嵌入到嵌套（6）的前端中，环形电极（7）的后端嵌入到中间电极（5）的文丘里喷管前端，中间电极（5）、嵌套（6）和环形电极（7）设置在中间电极套（4）内，中间电极（5）和环形电极（7）的外围有第一冷却水套（Ⅸ），中间电极套（4）的壁体和嵌套（6）的壁体构成第一冷却水套（Ⅸ）的外壁，第一冷却水套（Ⅸ）有冷却剂进口（4-3）接入和冷却剂出口（4-1）接出；阳极组件包括阳极套（8）和阳极（9），阳极套（8）为圆筒体结构，阳极（9）为文丘里喷管结构，阳极（9）以嵌入方式安装在阳极套（8）内，阳极（9）外壁与阳极套（8）内壁之间的空间构成第二冷却水套（Ⅷ），第二冷却水套（Ⅷ）有冷却水进口（8-2）接入和冷却水出口（8-1）接出；
阴极（2）连接在后座（1）的阴极连杆（1-4）前端，螺旋导流器（3）的后端安装在后座（1）上，中间电极组件连接在螺旋导流器（3）的前端与绝缘连接件（10）的后端之间，阳极套（8）携阳极（9）安装在绝缘连接件（10）的前端；阴极（2）从螺旋导流器（3）的内空间中穿过，阴极（2）的头部进入到中间电极（5）后端的文丘里喷管入口空间中，中间电极（5）后端的文丘里喷管入口空间构成第一放电区，中间电极（5）的文丘里喷管喉口构成第一压缩孔道（Ⅺ），中间电极（5）的文丘里喷管扩张段空间构成第一喷射腔（Ⅹ）；环形电极（7）与阳极（9）后端的文丘里喷管入口之间的空间构成第二放电区，阳极（9）的文丘里喷管喉口构成第二压缩孔道（Ⅶ），阳极（9）的文丘里喷管扩张段空间构成第二喷射腔（Ⅵ）；
在后座（1）的回转体中或在螺旋导流器（3）的回转体中有气室（Ⅰ），气室（Ⅰ）有工作气输入接口（1-1）接入，气室（Ⅰ）通过螺旋导流通道（Ⅱ）连通到中间电极（5）后端的第一放电区，第一放电区通过第一压缩孔道（Ⅺ）连通到第一喷射腔（Ⅹ），第一喷射腔（Ⅹ）通过第二放电区和第二压缩孔道（Ⅶ）连通到第二喷射腔（Ⅵ）；在中间电极套（4）的回转体中或在绝缘连接件（10）中有气腔（Ⅳ），气腔（Ⅳ）有工作气进口（4-2）接入，在气腔（Ⅳ）与第二放电区之间有气流通道，气腔（Ⅳ）通过气流通道连通到第二放电区，第二放电区通过第二压缩孔道（Ⅶ）连通到第二喷射腔（Ⅵ）。
2.根据权利要求1所述的一种用于热解水的双级电弧等离子体喷枪，其特征是供水导流管（1-3）的出水口为收窄的喷嘴结构，供水导流管（1-3）的出水口伸入到微孔膜阴极头（2-2）后端的凹槽（Ⅻ）中；供水导流管（1-3）内的冷却供水通道（ⅩⅣ）有冷却水输入接口（1-5）接入，冷却供水通道（ⅩⅣ）通过微孔膜阴极头（2-2）后端的凹槽（Ⅻ）和水室（Ⅲ）连通到冷却回水通道（ⅩⅢ），冷却回水通道（ⅩⅢ）有冷却水输出接口（1-6）接出。
3.根据权利要求1所述的一种用于热解水的双级电弧等离子体喷枪，其特征是微孔膜阴极头（2-2）的后端外侧有凸缘（2-3），凸缘（2-3）构成微孔膜阴极头（2-2）的轴向限位结构。
4. 根据权利要求1所述的一种用于热解水的双级电弧等离子体喷枪，其特征是微孔膜阴极头（2-2）的头部为由后向前缩小的圆锥体结构，其圆锥角度（a）为45°-120°；微孔膜阴极头（2-2）的头端为圆弧形结构，其圆弧半径（R）为3mm-6mm。
5. 根据权利要求1所述的一种用于热解水的双级电弧等离子体喷枪，其特征是在阴极套（2-1）后部的壁体上有外六角体（2-4），在阴极套（1-1）的后端有连接螺纹（2-5）；当在阴极套（1-1）的后端有连接螺纹（2-5）时，在阴极连杆（1-4）的前端有螺口，阴极套（1-1）后端的连接螺纹（2-5）旋合在阴极连杆（1-4）前端的螺口中。
6.根据权利要求1所述的一种用于热解水的双级电弧等离子体喷枪，其特征是当气室（Ⅰ）设置在后座（1）的回转体中时，阴极连杆（1-4）的外壁与后座（1）外层壁体之间的空间构成气室（Ⅰ），工作气输入接口（1-1）设置在后座（1）的外层壁体上；当气室（Ⅰ）设置在螺旋导流器（3）的回转体中时，由阴极连杆（1-4）的外壁与螺旋导流器（3）的内壁之间的空间构成气室（Ⅰ），工作气输入接口（1-1）设置在螺旋导流器（3）的壁体上。
7.根据权利要求1所述的一种用于热解水的双级电弧等离子体喷枪，其特征是螺旋导流肋（3-1）前端的部位为由后向前收窄的结构，与中间电极（5）的文丘里喷管后端的入口进行平滑衔接，螺旋导流肋（3-1）前端的由后向前收窄的内空间构成约束口（ⅩⅤ）。
8.根据权利要求1所述的一种用于热解水的双级电弧等离子体喷枪，其特征是中间电极（5）的文丘里喷管前端有榫座，环形电极（7）的前端有前榫头，环形电极（7）的后端有后榫头，环形电极（7）的前榫头嵌入到嵌套（6）中，环形电极（7）的后榫头嵌入到文丘里喷管的榫座中，中间电极（5）的文丘里喷管后端嵌入到中间电极套（4）的后端中；在嵌套（6）后端的壁体上有安装螺纹，在中间电极套（4）的壁体上有螺纹槽口，嵌套（6）后端的安装螺纹旋合在中间电极套（4）壁体上的螺纹槽口中。
9.根据权利要求1所述的一种用于热解水的双级电弧等离子体喷枪，其特征是嵌套（6）的外侧壁体上有螺旋肋条（6-1），螺旋肋条（6-1）的螺距空间构成旋流通道（Ⅴ），旋流通道（Ⅴ）替代气腔（Ⅳ）与第二放电区之间的气流通道。
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Cited By (1)
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| CN104470187A (zh) * | 2014-11-13 | 2015-03-25 | 周开根 | 一种用于热解水的双级电弧等离子体喷枪 |
| CN104470187B (zh) * | 2014-11-13 | 2016-10-05 | 衢州昀睿工业设计有限公司 | 一种用于热解水的双级电弧等离子体喷枪 |
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