CN204442820U - 一种喷气式阴极 - Google Patents

Abstract

一种喷气式阴极，涉及等离子体设备，由阴极头、管状体和后端头组成，阴极头的前端中心有喷气口，喷气口的周边构成放电端，在阴极头后部的外侧有外六角突沿，外六角突沿的后端构成密封平面；后端头的外侧有锁紧螺头，后端头的中心有安装螺口，安装螺口的内空间构成连接口，管状体连接在阴极头与后端头之间，管状体的内空间构成气流通道；连接口连通到气流通道，气流通道连通到喷气口。本实用新型安装在等离子体气化喷枪中应用，使等离子体气化喷枪能克服现有等离子体喷枪的缺点，避免阴极移位，冷却水不会泄漏，并且对等离子体气化喷枪的阴极进行有效保护。本实用新型提高了等离子体气化喷枪的加热效率，使水分子分解率更高。

Description

一种喷气式阴极

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气化喷枪。

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。等离子体是由电离放电现象所形成的一种状态，伴随着放电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。在等离子体喷枪中，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，等离子体火炬的中心温度可高达摄氏数万度以上，火炬边缘温度也可达到数千度以上，被处理的物质受到高温等离子体冲击时，其分子将会分解、原子将会重新组合而生成新的物质，使有害物质变为无害物质。

在煤气化生产线上，当把水蒸汽通过高温分解后与煤炭进行造气反应，使煤炭更容易气化，提高煤炭的气化率，实现节省煤炭资源；在生活垃圾或工业有机废弃物处置系统中，当把水蒸汽通过高温分解后与再与生活垃圾或工业有机废弃物进行气化反应时，使其转化的合成气品质好，达到化工原料的要求，实现资源化利用。水分子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、氧气、活性氢原子、活性氧原子和活性氢氧原子团，但是，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。

在现有的等离子体气化喷枪中，被加热的气体从阴极的外围进入放电区，水蒸汽不易进入火炬的中心区域，因此，现有的等离子体气化喷枪存在水分子分解率低的缺点。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。

中国专利公告号CN203851357U公开了“一种等离子体加热分解器”，由阳极套、阳极、阴极基座、阴极和绝缘架组成，其中，阴极基座呈中轴向前凸出的回转体结构，阴极基座的中轴为贯通的空心结构，阴极嵌入到阴极基座中轴的内空间中，阴极的头端侧壁紧密装配在阴极基座中轴的前端壁体中，阴极的尾端紧密装配在阴极基座后端的壁体中，阴极的杆体外壁与阴极基座中轴的内壁之间空间构成水套，阴极的杆体中有原料气通道，原料气通道有原料气输入接口接入，阴极的头端中心有原料气喷口，原料气通道通过原料气喷口连通到收缩腔。该专利把水蒸汽通过阴极头端中心的喷口喷入收缩腔中的放电区，使水蒸汽吸收到阴极头端的热量得到预热，同时对阴极的头端具有冷却作用，克服了常规等离子体喷枪电极易烧蚀的缺点。但是，由于该专利是采取把“阴极的头端侧壁紧密装配在阴极基座中轴的前端壁体中，阴极的尾端紧密装配在阴极基座后端的壁体中”的措施进行水套密封的，材料的热胀冷缩作用将会使阴极松动，造成阴极移位和密封不可靠，水套内的冷却水容易泄漏到收缩腔中的放电区，影响到喷枪正常工作。

实用新型内容

本实用新型的目的是要克服现有等离子体喷枪的缺点，提高等离子体气化喷枪的加热效率，使水分子分解率更高，避免阴极移位，冷却水不会泄漏，并且对等离子体喷枪的阴极进行有效保护，使等离子体气化喷枪能满足煤气化生产、固体废物处置领域及锅炉点火的应用要求。

本实用新型的一种喷气式阴极，其特征是阴极由阴极头（2-1）、管状体（2-2）和后端头（2-3）组成，其中，阴极头（2-1）、管状体（2-2）和后端头（2-3）连为一体，阴极头（2-1）的前端中心有喷气口（212），喷气口（212）的周边构成放电端（211），在阴极头（2-1）后部的外侧有外六角突沿（213），外六角突沿（213）的后端构成密封平面（214）；后端头（2-3）的外侧有锁紧螺头（233），锁紧螺头（233）为外螺纹结构，后端头（2-3）的中心有安装螺口（231），安装螺口（231）为内螺纹结构，安装螺口（231）的内空间构成连接口（232）；管状体（2-2）连接在阴极头（2-1）与后端头（2-3）之间，管状体（2-2）的内空间构成气流通道（Ⅰ）；连接口（232）连通到气流通道（Ⅰ），气流通道（Ⅰ）连通到喷气口（212）。本实用新型中，阴极头（2-1）的前端为圆弧面结构；后端头（2-3）的直径小于阴极头（2-1）的直径，管状体（2-2）的直径小于后端头（2-3）的直径。

本实用新型的喷气式阴极在等离子体气化喷枪上应用。等离子体气化喷枪由喷气式阴极、绝缘基座（1）和阳极（3）组成，其中，绝缘基座（1）为二段变径的中空回转体结构，中空小径在绝缘基座（1）的后段中，中空大径在绝缘基座（1）的前段中，在中空小径段的前端有内六角凹槽（1-2），内六角凹槽（1-2）的底圈构成密封面，在中空小径段的后端有圆锥密封面（1-6），在绝缘基座（1）的中空大径段前端有安装接口（1-4）。在具体实施时，阳极（3）安装在绝缘基座（1）前段的安装接口（1-4）上；喷气式阴极安装在绝缘基座（1）后段的中空小径中，阴极头（2-1）的外六角突沿（213）嵌入到绝缘基座（1）的内六角凹槽（1-2）中，外六角突沿（213）后端的密封平面（214）与内六角凹槽（1-2）的底圈密封面紧贴，喷气式阴极的管状体（2-2）外壁与绝缘基座（1）的中空小径段内壁之间的空间构成环形冷却室（Ⅱ），环形冷却室（Ⅱ）有冷却水输入接口（1-5）接入和冷却水输出接口（1-1）接出；喷气式阴极的后端头（2-3）从绝缘基座（1）的后端伸出，在喷气式阴极的后端头（2-3）外侧有锁紧螺头（233），锁紧螺头（233）为外螺纹结构，在锁紧螺头（233）上有锁紧螺母（6）进行锁定，在锁紧螺母（6）与绝缘基座（1）后端的圆锥密封面（1-6）之间有平垫圈（8）和圆锥密封圈（7）。本实用新型把喷气式阴极牢固地夹持在绝缘基座（1）上而不会发生位移；阴极头的外六角突沿（213）后端与绝缘基座（1）的内六角凹槽（1-2）底圈紧贴密封、在绝缘基座（1）的后端有圆锥密封圈（7）进行密封，不会因热胀冷缩而松动，使得密封可靠，不会泄漏，从而确保等离子体气化喷枪能正常工作。

在等离子设备中，阴极的作用是发射电子，阴极上的等离子电弧弧根集中在阴极头端的中心，温度最高，因此，阴极头端的中心最易被烧蚀。本实用新型采取把水蒸汽或工业有害气体通过阴极头（2-1）中心的喷气口（212）喷入到等离子体电弧弧根的中心，使水蒸汽或工业有害气体吸收阴极头（2-1）中心的热量，阴极头（2-1）的中心得到快速散热，同时，从阴极头（2-1）中心的喷气口（212）喷出的气体形成保护气流，对阴极头（2-1）的中心区域进行有效保护，避免或减缓阴极头（2-1）被烧蚀。本实用新型中，阴极头（2-1）的头端加工成圆弧端面，工作气以旋转方式冲刷阴极头（2-1）的圆弧型头端，使得放电的面积增大，等离子体电弧的弧根分散在圆弧端面上，避免局部温度过高而烧蚀阴极。

上述的实用新型中，所述的喷气式阴极为一体化结构，把阴极头（2-1）、管状体（2-2）和后端头（2-3）连为一体，并且在阴极头（2-1）后部的外侧有外六角突沿（213），外六角突沿（213）的后端构成密封平面（214），在后端头（2-3）的外侧有锁紧螺头（233），在绝缘基座（1）的中空小径段前端有内六角凹槽（1-2），内六角凹槽（1-2）的底圈构成密封面，在中空小径段的后端有圆锥密封面（1-6），喷气式阴极的后端头（2-3）从绝缘基座（1）的后端伸出，在喷气式阴极的后端头（2-3）外侧有锁紧螺头（233），在锁紧螺头（233）上有锁紧螺母（6）进行锁定。通过上述的措施，使得喷气式阴极牢固地夹持在绝缘基座（1）上而不会发生位移；阴极头的外六角突沿（213）后端与绝缘基座（1）的内六角凹槽（1-2）底圈紧贴密封、在绝缘基座（1）的后端有圆锥密封圈（7）进行密封，不会因热胀冷缩而松动，使得密封可靠，不会泄漏。

上述的实用新型在具体实施时，绝缘基座（1）选用聚四氟乙烯材料或胶木材料制作，当选用胶木材料制作时，由于胶木材料硬度较高，在阴极头的外六角突沿（213）后端与绝缘基座（1）的内六角凹槽（1-2）底圈之间需有密封垫，密封垫选用聚四氟乙烯材料或紫铜材料制作；喷气式阴极选用钨镧锆合金材料或铬锆铜合金材料制作。

本实用新型的有益效果是：提供的一种喷气式阴极，安装在等离子体气化喷枪中应用，使等离子体气化喷枪能克服现有等离子体喷枪的缺点，避免阴极移位，冷却水不会泄漏，并且对等离子体气化喷枪的阴极进行有效保护。本实用新型提高了等离子体气化喷枪的加热效率，使水分子分解率更高。

附图说明

图1是本实用新型的喷气式阴极结构图。

图2是本实用新型的喷气式阴极安装在等离子体气化喷枪的结构图。

图中：1.绝缘基座，1-1.冷却水输出接口，1-2.内六角凹槽，1-3.工作气接口，1-4.安装接口，1-5.冷却水输入接口，1-6.圆锥密封面，2.喷气式阴极，2-1.阴极头，211.阴极的放电端，212.喷气口，213.外六角突沿，214.密封平面，2-2.阴极的管状体，221.散热壁，2-3.阴极的后端头，231.安装螺口，232.连接口，233.锁紧螺头，3.阳极，3-1.安装螺头，3-2.阳极的外壳，3-3.阳极的喷管，3-4.冷却剂出口，3-6.阳极的放电面，3-8.电气接口，3-9.冷却剂进口，3-10.旋流圈的定位凸起，4.旋流圈，5.隔离件，5-1.隔离管，5-2.水蒸汽输入接口，6.锁紧螺母，7.圆锥密封圈，8.平垫圈；Ⅰ.阴极中心的气流通道，Ⅱ.环形冷却室，Ⅲ.切向气槽，Ⅳ.环形气室，Ⅴ.喷射腔，Ⅵ.阳极的冷却水套，Ⅶ.压缩孔道，Ⅷ.放电区。

具体实施方式

实施例1   图1所示的实施方式中，一种喷气式阴极由阴极头（2-1）、管状体（2-2）和后端头（2-3）组成，阴极头（2-1）、管状体（2-2）和后端头（2-3）连为一体，后端头（2-3）的直径小于阴极头（2-1）的直径，管状体（2-2）的直径小于后端头（2-3）的直径，阴极头（2-1）的前端为圆弧面结构，阴极头（2-1）的前端中心有喷气口（212），喷气口（212）的周边构成放电端（211），在阴极头（2-1）后部的外侧有外六角突沿（213），外六角突沿（213）的后端构成密封平面（214）；后端头（2-3）的外侧有锁紧螺头（233），锁紧螺头（233）为外螺纹结构，后端头（2-3）的中心有安装螺口（231），安装螺口（231）为内螺纹结构，安装螺口（231）的内空间构成连接口（232）；管状体（2-2）连接在阴极头（2-1）与后端头（2-3）之间，管状体（2-2）的内空间构成气流通道（Ⅰ）；连接口（232）连通到气流通道（Ⅰ），气流通道（Ⅰ）连通到喷气口（212）。

本实施例的喷气式阴极安装在等离子体气化喷枪上应用。如图2所示，等离子体气化喷枪主要由喷气式阴极（2）、绝缘基座（1）、阳极（3）和旋流圈（4）组成，其中，绝缘基座（1）为二段变径的中空回转体结构，中空小径在绝缘基座（1）的后段中，中空大径在绝缘基座（1）的前段中，在中空小径段的前端有内六角凹槽（1-2），内六角凹槽（1-2）的底圈构成密封面，在中空小径段的后端有圆锥密封面（1-6），在绝缘基座（1）的中空大径段前端有安装接口（1-4）；阳极（3）由喷管（3-3）和外壳（3-2）构成一体化结构，采用熔模工艺制作，喷管（3-3）呈轴向贯通的结构，喷管（3-3）内的后部有压缩孔道（Ⅶ），压缩孔道（Ⅶ）为圆形直孔结构，压缩孔道（Ⅶ）的后端为收窄的喇叭口结构，压缩孔道（Ⅶ）的前端为渐扩的圆锥形结构，压缩孔道（Ⅶ）前端的圆锥形空间构成喷射腔（Ⅴ），外壳（3-2）包围在喷管（3-3）的外围，外壳（3-2）与喷管（3-3）之间的内空间构成冷却水套（Ⅵ），冷却水套（Ⅵ）有冷却剂进口（3-9）接入和冷却剂出口（3-4）接出；喷气式阴极（2）安装在绝缘基座（1）后段的中空小径中，阴极头（2-1）的外六角突沿（213）嵌入到绝缘基座（1）的内六角凹槽（1-2）中，外六角突沿（213）后端的密封平面（214）与内六角凹槽（1-2）的底圈紧贴密封，喷气式阴极（2）的管状体（2-2）外壁与绝缘基座（1）的中空小径段内壁之间的空间构成环形冷却室（Ⅱ），环形冷却室（Ⅱ）有冷却水输入接口（1-5）接入和冷却水输出接口（1-1）接出，喷气式阴极（2）的后端头（2-3）从绝缘基座（1）的后端伸出，在喷气式阴极（2）的后端头（2-3）外侧有锁紧螺头（233），锁紧螺头（233）为外螺纹结构，在锁紧螺头（233）上有锁紧螺母（6）进行锁定，在锁紧螺母（6）与绝缘基座（1）后端的圆锥密封面（1-6）之间有平垫圈（8）和圆锥密封圈（7）；阳极（3）安装在绝缘基座（1）前段的安装接口（1-4）上，阳极（3）后部的外壁与绝缘基座（1）的中空大径段内壁之间的空间构成环形气室（Ⅳ），环形气室（Ⅳ）有工作气接口（1-3）接入，旋流圈（4）设置在阴极头（2-1）的外六角突沿（213）前端与阳极（3）的后端之间，在阳极（3）的后端上有旋流圈（4）的定位凸起（3-10），旋流圈（4）上有切向气槽（Ⅲ），环形气室（Ⅳ）通过切向气槽（Ⅲ）连通到阳极喷管（3-3）后端的喇叭口空间中；阴极头（2-1）进入到阳极喷管（3-3）后端的喇叭口空间中，阴极头（2-1）的喷气口（212）周边构成放电端（211），阳极喷管（3-3）后端的喇叭口空间构成放电区（Ⅷ），压缩孔道（Ⅶ）前端的喷管（3-3）内壁构成放电面（3-6）。本实施例中，在阳极外壳（3-2）的后部有安装螺头（3-1），阳极（3）以螺纹旋合方式安装在绝缘基座（1）前端的安装接口（1-4）上，在阳极的外壳（3-2）上有电气接口（3-8），通过阳极的外壳（3-2）对喷管（3-3）进行电气连通；本实施例用于工业有害气体处理和水蒸汽加热分解，当用于工业有害气体处理时，把工业有害气体直接从喷气式阴极（2）的连接口（232）送入气化喷枪；当用于水蒸汽加热分解时，在喷气式阴极（2）中有隔离件（5），隔离件（5）的前端有隔离管（5-1），隔离件（5）的后端有水蒸汽输入接口（5-2），隔离件（5）安装在喷气式阴极（2）的连接口（232）上，隔离管（5-1）伸入到管状体（2-2）内的气流通道（Ⅰ）中，使用时，水蒸汽通过隔离件（5）及隔离管（5-1）进入到喷气式阴极（2）前端的喷气口（212），避免水蒸汽在气流通道（Ⅰ）内受到冷却而液化。本实施例把喷气式阴极（2）牢固地夹持在绝缘基座（1）上而不会发生位移；阴极头的外六角突沿（213）后端与绝缘基座（1）的内六角凹槽（1-2）底圈紧贴密封、在绝缘基座（1）的后端有圆锥密封圈（7）进行密封，不会因热胀冷缩而松动，使得密封可靠，不会泄漏，从而确保等离子体气化喷枪能正常工作。

本实施在应用时，工作电源的正极连接到阳极的电气接口（3-8）上，工作电源的负极连接到喷气式阴极（2）的后端头（2-3）上，冷却水的供水管分别连接到冷却水输入接口（1-5）上和冷却剂进口（3-9）上，冷却水的回水管分别连接到冷却水输出接口（1-1）上和冷却剂出口（3-4）上，工作气的供气管连接到工作气接口（1-3）上，原料气的输气管连接到连接口（232）上或连接到水蒸汽输入接口（5-2）上。工作时，一路冷却水进入到环形冷却室（Ⅱ）中，对喷气式阴极（2）进行冷却，通过水流把阴极的热量快速移走；另一路冷却水进入到阳极的冷却水套（Ⅵ）中，对阳极的喷管（3-3）进行冷却，通过水流把阳极的热量快速移走；工作气进入到环形气室（Ⅳ）中，然后通过切向气槽（Ⅲ）以旋转气流方式进入到放电区（Ⅷ）；当在阳极（3）与喷气式阴极（2）之间施加电能时，阴极头（2-1）的喷气口（212）周边便发射电子，形成高温的等离子体电弧，等离子体电弧通过压缩孔道（Ⅶ）进入到喷射腔（Ⅴ）中，在等离子体电弧通过压缩孔道（Ⅶ）时，电弧受到压缩，使等离子体电弧得到进一步升温，等离子体电弧的弧根分别在阴极头（2-1）前端的放电端（211）上和阳极喷管（3-3）内壁的放电面（3-6）上，等离子体火炬从阳极喷管（3-3）内的喷射腔（Ⅴ）中喷出；放电端（211）的等离子体电弧弧根分布在阴极头（2-1）前端中心的喷气口（212）周边，工业有害气体或水蒸汽从阴极头（2-1）前端中心的喷气口（212）喷入放电区（Ⅷ），工业有害气体或水蒸汽从等离子体电弧弧根的中心进入到等离子体电弧的中心，使得等离子体电弧的能量集中作用在工业有害气体或水蒸汽上，工业有害气体或水蒸汽更容易受热分解，因此，加热温度和加热效率更高，同时，工业有害气体或水蒸汽在通过喷气口（212）时，对喷气式阴极（2）前端的中心进行气流冲刷，快速带走热量，对阴极头（2-1）进行保护，防止烧蚀。上述过程中，把工业有害气体进行高温活化分解、原子重新组合而生成新的无害物质；或把水蒸汽进行高温活化分解，生成氢和氧的活性化学物，用作煤气化或固体有机废物气化的气化剂，高温等离子体的热能释放到气化炉中，提供给原料烘干和热解所需。当本实施例作为热解水制氢设备应用或作为气化炉设备应用时，所述的原料气为水蒸汽，工作气选用氢气；当本实施例作为有害气体的处置设备应用时，所述的原料气为有害气体，工作气选用空气。

上述的实施例中，绝缘基座（1）选用聚四氟乙烯材料制作；喷气式阴极（2）选用钨镧锆合金材料制作；阳极（3）或阳极喷管（3-3）选用铬锆铜合金材料制作；隔离件（5）和圆锥密封圈（7）选用聚四氟乙烯材料制作。

Claims (3)

1.一种喷气式阴极，其特征是阴极由阴极头（2-1）、管状体（2-2）和后端头（2-3）组成，其中，阴极头（2-1）、管状体（2-2）和后端头（2-3）连为一体，阴极头（2-1）的前端中心有喷气口（212），喷气口（212）的周边构成放电端（211），在阴极头（2-1）后部的外侧有外六角突沿（213），外六角突沿（213）的后端构成密封平面（214）；后端头（2-3）的外侧有锁紧螺头（233），锁紧螺头（233）为外螺纹结构，后端头（2-3）的中心有安装螺口（231），安装螺口（231）为内螺纹结构，安装螺口（231）的内空间构成连接口（232）；管状体（2-2）连接在阴极头（2-1）与后端头（2-3）之间，管状体（2-2）的内空间构成气流通道（Ⅰ）；连接口（232）连通到气流通道（Ⅰ），气流通道（Ⅰ）连通到喷气口（212）。

2. 根据权利要求1所述的一种喷气式阴极，其特征是阴极头（2-1）的前端为圆弧面结构。

3. 根据权利要求1所述的一种喷气式阴极，其特征是后端头（2-3）的直径小于阴极头（2-1）的直径，管状体（2-2）的直径小于后端头（2-3）的直径。