CN204994051U - 一种用于气化的等离子体喷枪 - Google Patents

Abstract

一种用于气化的等离子体喷枪，涉及等离子体设备，由绝缘枪架、阴极、第一阳极和第二阳极组成，绝缘枪架由后向前依次有后腔、中腔和前腔，阴极上有空心连杆，空心连杆的前端有阴极头，第一阳极或第二阳极由后向前依次为喇叭口收窄段、喉口段和喇叭形扩张段；第二阳极安装在绝缘枪架的前腔中，第二阳极的外壁与前腔内壁之间的空间构成第三冷却水套；第一阳极安装在绝缘枪架的中腔中，第一阳极的外壁与中腔内壁之间的空间构成第二冷却水套；阴极安装在绝缘枪架的后腔中，阴极头的头端进入到第一阳极后端的喇叭口空间中。本实用新型使煤粉或炭粉或碳黑在等离子体喷枪内直接进行快速气化，生产以一氧化碳和氢气为主要成分的合成气，气化率接近100%。

Description

一种用于气化的等离子体喷枪

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。等离子体是由电离放电现象所形成的一种状态，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。

当前，煤炭的气化需在气化炉中进行的。在常规煤气化炉中，直接把水蒸汽+空气或水蒸汽+氧气作为气化剂送入气化炉，在缺氧燃烧环境下使水蒸汽与煤炭发生造气反应生成合成气，其造气反应为吸热反应，需要由空气或氧气与炭进行部分燃烧为其提供热量，这种气化方式将增加煤炭资源消耗，气化率低，并且，合成气中产生大量的二氧化碳废气，不仅影响到合成气的品质，而且使后级生产中排放大量的温室气体。当把水蒸汽通过高温分解后与煤炭进行热化学反应，其造气反应是放热反应，使煤炭更容易气化，提高煤炭的气化率，实现节省煤炭资源。但是，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，然而，一般的加热方式难以达到这么高的温度，使用等离子体喷枪则能做到。

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，阴极的头端中心有原料气喷口。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煤炭气化设备存在的缺点，提供一种用于气化的等离子体喷枪，使固态含炭物质在等离子体喷枪内直接气化，提高煤炭的气化率，实现节省煤炭资源。克服现有等离子体喷枪阴极易烧蚀的缺点，对等离子体喷枪的阴极进行有效保护，避免阴极移位，冷却水不会泄漏。

本实用新型的一种用于气化的等离子体喷枪，由绝缘枪架2、阴极1、第一阳极3和第二阳极5组成，绝缘枪架2为中空回转体结构；阴极1上有空心连杆1-1，空心连杆1-1的前端有阴极头1-3，阴极头1-3的轴向中心有喷料孔，第一阳极3或第二阳极5为文丘里喷管结构，第一阳极3或第二阳极5由后向前依次为喇叭口收窄段、喉口段和喇叭形扩张段，其特征是绝缘枪架2的中空回转体中由后向前依次有后腔2-15、中腔2-11和前腔2-7，在后腔2-15与中腔2-11之间有过孔2-13和第一承插孔2-12，第一承插孔2-12与中腔2-11相邻，在中腔2-11与前腔2-7之间有通孔2-9和第二承插孔2-8，第二承插孔2-8与前腔2-7相邻；第一阳极3或第二阳极5的后部壁体上有榫头；第二阳极5安装在绝缘枪架2的前腔2-7中，第二阳极5后部壁体上的榫头嵌入到第二承插孔2-8中，第二阳极5的外壁与绝缘枪架2的前腔2-7内壁之间的空间构成第三冷却水套Ⅺ；第一阳极3安装在绝缘枪架2的中腔2-11中，第一阳极3后部壁体上的榫头嵌入到第一承插孔2-12中，第一阳极3的前部嵌入到通孔2-9中，第一阳极3的头端置于第二阳极5后端的喇叭口空间中，第一阳极3的外壁与绝缘枪架2的中腔2-11内壁之间的空间构成第二冷却水套ⅩⅣ；阴极1安装在绝缘枪架2的后腔2-15中，阴极头1-3的头端由过孔2-13伸出进入到第一阳极3后端的喇叭口空间中，阴极头1-3的外壁、空心连杆1-1的外壁与绝缘枪架2的后腔2-15内壁之间的空间构成第一冷却水套Ⅰ；在绝缘枪架2的后腔2-15与中腔2-11之间的壁体中有第一环形气室Ⅱ，第一环形气室Ⅱ有第一工作气输入接口2-1接入，第一环形气室Ⅱ连通到第一阳极3后端的喇叭口空间中；在绝缘枪架2的中腔2-11与前腔2-7之间的壁体中有第二环形气室Ⅵ，第二环形气室Ⅵ有第二工作气输入接口2-2接入，第二环形气室Ⅵ连通到第二阳极5后端的喇叭口空间中。

本实用新型中，在阴极头1-3的壁体周边有凸沿1-2，在绝缘枪架2的后腔2-15与过孔2-13之间有第一密封槽2-14，阴极头1-3壁体上的凸沿1-2嵌入在第一密封槽2-14中，在第一密封槽2-14中有第一密封环13；在第一阳极3后部壁体的榫头上有第二密封环11；在第一阳极3的前部壁体外侧有凸环，在绝缘枪架2的中腔2-11与通孔2-9之间有第二密封槽2-10，第一阳极3前部壁体外侧的凸环嵌入到第二密封槽2-10中，在第二密封槽2-10中有第三密封环9；在第二阳极5后部壁体的榫头上有第四密封环8；在第二阳极5的前部壁体上有定位凸台，第二阳极5前部壁体上的定位凸台嵌入在绝缘枪架2的前腔2-7前端壁体中，在第二阳极5前部壁体的定位凸台与前腔2-7的前端壁体之间有第五密封环6；在绝缘枪架2的后腔2-15与中腔2-11之间的壁体中有切向气槽ⅩⅤ，第一环形气室Ⅱ通过切向气槽ⅩⅤ连通到第一阳极3后端的喇叭口空间中；在绝缘枪架2的中腔2-11与前腔2-7之间的壁体中有切向气道ⅩⅢ，第二环形气室Ⅵ通过切向气道ⅩⅢ连通到第二阳极5后端的喇叭口空间中；第一冷却水套Ⅰ的后部有冷却水输入接口1-4接入，在第一冷却水套Ⅰ的前部与第二冷却水套ⅩⅣ的后部之间有第一过水孔ⅩⅥ进行连通，在第二冷却水套ⅩⅣ的前部与第三冷却水套Ⅺ之间有第二过水孔Ⅻ进行连通，第一过水孔ⅩⅥ或第二过水孔Ⅻ为多根设置，呈环形分布在绝缘枪架2的壁体中，在第三冷却水套Ⅺ的前部有冷却水输出接口2-3接出；空心连杆1-1的内空间构成料道ⅩⅨ，料道ⅩⅨ有原料输入接口1-5接入，在料道ⅩⅨ的壁体内侧有隔热衬套15；阴极头1-3轴向中心的喷料孔直径小于料道ⅩⅨ的直径，在喷料孔前端的阴极头体中有扩散腔ⅩⅦ，料道ⅩⅨ通过喷料孔和扩散腔ⅩⅦ连通到第一阳极3后端的喇叭口空间中。具体实施时，在第二阳极5的外壁上有阳极的电气接口5-4，在阴极1的后端有阴极的电气接口1-6。

本实用新型是一种用于固态含炭物质气化的等离子体喷枪，以水蒸汽为气化剂使固态含炭物质在等离子体喷枪中直接进行生产合成气，所述的固态含炭物质包括原煤、定形炭和碳黑，其中原煤和定形炭需制成煤粉或炭粉，所述的合成气为以一氧化碳和氢气主要成分的气体，合成气通过后级设备进行制氢、生产甲醇和合成氨。

本实用新型应用时，把等离子体喷枪安装在余热锅炉上，等离子体喷枪的出口朝向余热锅炉的炉膛内，把冷却系统的供水管连接到冷却水输入接口1-4上，把冷却水输出接口2-3连接到冷却系统的回水管上，把煤粉或炭粉或碳黑的供粉系统连接到原料输入接口1-5或第一工作气输入接口2-1上，把水蒸汽或氢气的供气管连接到第一工作气输入接口2-1或原料输入接口1-5上，把氢气或反馈尾气的供气管连接到第二工作气输入接口2-2上，把等离子体工作电源的正极连接到阳极的电气接口5-4上，把等离子体工作电源的负极连接到阴极的电气接口1-6上。当喷枪运行时，第一阳极3后端的喇叭口空间构成第一放电区Ⅲ，第一阳极3的喉口段空间构成第一压缩孔道Ⅳ，第一阳极3的喇叭形扩张段空间构成第一喷射腔Ⅴ，第一阳极3的前端构成中继电极3-1，第二阳极5后端的喇叭口空间构成第二放电区Ⅷ，第二阳极5的喉口段空间构成第二压缩孔道Ⅸ，第二阳极5的喇叭形扩张段空间构成第二喷射腔Ⅹ。工作时，冷却水首先进入到第一冷却水套Ⅰ中，对阴极头1-3进行冷却，通过水流把阴极头1-3的热量快速带走，然后冷却水通过分布在绝缘枪架2壁体中的第一过水孔ⅩⅥ进入到第二冷却水套ⅩⅣ中，对第一阳极3进行冷却，通过水流把第一阳极3的热量快速带走，冷却水再通过第二过水孔Ⅻ进入到第三冷却水套Ⅺ中，吸收了第二阳极5的热量后，通过冷却水输出接口2-3返回到冷却系统的回水管中；把水蒸汽或氢气作为工作气送入到第一环形气室Ⅱ中，然后通过切向气槽ⅩⅤ以旋转气流方式进入到第一放电区Ⅲ；把氢气或反馈尾气作为工作气送入到第二环形气室Ⅵ中，然后通过切向气道ⅩⅢ以旋转气流方式进入到第二放电区Ⅷ；把水蒸汽进行过热后，作为气化剂和载气携煤粉或炭粉或碳黑送入料道ⅩⅨ中，再由喷料孔ⅩⅧ和扩散腔ⅩⅦ进入到第一放电区Ⅲ；同时在第二阳极5和阴极1之间施加电能，在阴极头1-3的头端便发射电子，阴极头1-3头端发射的电子工作气流的约束，经第一压缩孔道Ⅳ进入第一喷射腔Ⅴ，被第一喷射腔Ⅴ的管壁吸收，使得阴极头1-3的头端与第一喷射腔Ⅴ的管壁产生第一级高温等离子体电弧；水蒸汽和煤粉或炭粉或碳黑与第一级高温等离子体电弧混合，形成混合离子电弧，通过第一压缩孔道Ⅳ喷入到第一喷射腔Ⅴ中；第一阳极3前端的中继电极3-1头端同时发射电子，中继电极3-1头端发射的电子受到工作气流约束，经第二压缩孔道Ⅸ进入到第二喷射腔Ⅹ，被第二喷射腔Ⅹ的管壁吸收，使得中继电极3-1的头端与第二喷射腔Ⅹ的管壁之间产生第二级高温等离子体电弧，喷入到第一喷射腔Ⅴ中的混合离子电弧与第二级高温等离子体电弧进行串联混合，形成等离子体火炬，从第二喷射腔Ⅹ的出口喷出，进入到余热锅炉的炉膛内。上述过程中，水蒸汽作为载气携煤粉或炭粉或碳黑进入到喷枪内的第一放电区Ⅲ，这时，水蒸汽已与煤粉或炭粉或碳黑充分混合，在第一放电区Ⅲ的强电场作用和高温等离子体电弧的作用下，水蒸汽被电离和分解为氢、氧的活性化学物，同时，煤粉或炭粉或碳黑在喷枪内高温等离子体电弧的作用下快速升温，成为高温物质，因此，高温的煤粉或炭粉或碳黑与高活性的水蒸汽分解物极易进行快速气化反应，使煤粉或炭粉或碳黑气化，生成一氧化碳和氢气的合成气，由第一压缩孔道Ⅳ喷出进入到第一喷射腔Ⅴ中，然后，又在第二放电区Ⅷ、第二压缩孔道Ⅸ和第二喷射腔Ⅹ的强电场环境和高温环境中，使未气化的煤粉或炭粉或碳黑气化得到进一步完全气化，使气化率接近100%。

本实用新型在等离子体喷枪内产生二级串联的高温等离子体电弧，使等离子体电弧的能量更大，作为气化剂的水蒸汽分解率更高，煤粉或炭粉或碳黑作为气化原料在喷枪内高温等离子体电弧的作用下快速升温，成为高温物质，高温的煤粉或炭粉或碳黑与高活性的水蒸汽分解物极易进行热化学反应，实现在等离子体喷枪内快速完成气化。

上述的实用新型中，水蒸汽携煤粉或炭粉或碳黑从阴极头1-3的前端中心的喷料孔ⅩⅧ喷入第一放电区Ⅲ，然后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水蒸汽与煤粉或炭粉或碳黑的混合物上，使水蒸汽更容易活化分解以及使煤粉或炭粉或碳黑升温更高，因此，气化效率更高，同时，水蒸汽与煤粉或炭粉或碳黑的混合物在通过喷料孔ⅩⅧ和扩散腔ⅩⅦ，对阴极头1-3的中心进行气流冲刷，快速带走热量，对阴极头1-3进行保护，防止烧蚀。另一措施，把工作气分别以旋转气流方式进入到第一放电区Ⅲ、第二放电区Ⅷ，以有效保护放电区的金属壁体，使保护气流能全面覆盖阴极头1-3的头部和第一阳极3前部中继电极3-1的前端面，实现对阴极头1-3、第一阳极3和第二阳极5进行有效的气流保护，结合冷却保护措施，使阴极头1-3、第一阳极3和第二阳极5不易被烧蚀。具体实施时，把阴极头1-3的头端加工成圆弧端面，当工作气以旋转气流方式冲刷阴极头1-3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头。

上述实用新型中，在料道ⅩⅨ的壁体内侧有隔热衬套15，以避免水蒸汽载气在料道ⅩⅨ中冷却凝结为水，避免粉料结块；把喷料孔ⅩⅧ的直径设置为小于料道ⅩⅨ的直径，在喷料孔ⅩⅧ前端的阴极头体中设置扩散腔ⅩⅦ，使喷料孔ⅩⅧ的壁体具有隔离电弧的作用，可以防止电弧进入料道ⅩⅨ内，避免烧毁隔热衬套15及防止料道ⅩⅨ内结焦。

上述的实用新型中，利用绝缘枪架2的壁体作为三级冷却水套的外壁，使得喷枪的结构紧凑，可以实现减小喷枪的体积及节省金属材料用量，并且便于使用密封材料避免冷却水泄漏，克服现有等离子体喷枪冷却水易泄漏的缺点。具体实施时，在绝缘枪架2的壁体分布有螺孔2-6，在第二阳极5前部的壁体上有连接法兰5-1，使用穿心螺杆7把第一阳极3和第二阳极5紧密定位在绝缘枪架2的中腔2-11和前腔2-7中；在绝缘枪架2的后腔2-15壁体上有螺口2-16，在阴极1的后端有螺头，阴极1以旋合方式安装在绝缘枪架2的后腔2-15中，使得空心连杆1-1压迫在阴极头1-3的后端，通过空心连杆1-1的压迫使阴极头1-3壁体上的凸沿1-2紧密嵌入在第一密封槽2-14中，避免阴极头1-3位移。

上述的实用新型中，第一冷却水套Ⅰ、第二冷却水套ⅩⅣ和第三冷却水套Ⅺ通过分布在绝缘枪架2壁体中的过水孔进行串联连接，使得冷却水依次流经第一冷却水套Ⅰ、第二冷却水套ⅩⅣ和第三冷却水套Ⅺ，不仅使喷枪的结构紧凑，而且，冷却水重复使用，使进入第二冷却水套ⅩⅣ和第三冷却水套Ⅺ的冷却水逐级升温，从而减少阳极喷管内的水冷度，对煤炭气化有利。

上述实用新型的使用过程中，高温的合成气随等离子体火炬喷入余热锅炉的炉膛内，由余热锅炉进行热量回收，用于发电，合成气中的热能被余热锅炉吸收而降温，降温后的合成气再通过除尘净化后送入后级设备，作为生产氢气或甲醇或合成氨的原料气利用。

本实用新型的有益效果是：提供的一种用于固态含炭物质气化的等离子体喷枪，使煤粉或炭粉或碳黑在等离子体喷枪内直接进行快速气化，生产以一氧化碳和氢气为主要成分的合成气，气化率接近100%，实现节省煤炭资源。本实用新型克服现有等离子体喷枪阴极易烧蚀的缺点，对等离子体喷枪的阴极进行有效保护，避免阴极移位，冷却水不会泄漏。

附图说明

图1是本实用新型的一种用于气化的等离子体喷枪结构图。

图2是图1的A-A剖视图。

图3是在等离子体喷枪中应用的绝缘枪架结构图。

图中：1.阴极，1-1.空心连杆，1-2.凸沿，1-3.阴极头，1-4.冷却水输入接口，1-5.原料输入接口，1-6.阴极的电气接口，2.绝缘枪架，2-1.第一工作气输入接口或原料输入接口，2-2.第二工作气输入接口，2-3.冷却水输出接口，2-4.穿孔，2-5.抱箍槽，2-6.螺孔，2-7.前腔，2-8.第二承插孔，2-9.通孔，2-10.第二密封槽，2-11.中腔，2-12.第一承插孔，2-13.过孔，2-14.第一密封槽，2-15.后腔，2-16.螺口，3.第一阳极，3-1.中继电极，4.密封圈，5.第二阳极，5-1.连接法兰，5-2.定位凸台，5-3.榫头，5-4.阳极的电气接口，6.第五密封环，7.穿心螺杆，8.第四密封环，9.第三密封环，10.密封垫，11.第二密封环，12.密封垫圈，13.第一密封环，14.密封胶，15.隔热衬套，Ⅰ.第一冷却水套，Ⅱ.第一环形气室，Ⅲ.第一放电区，Ⅳ.第一压缩孔道，Ⅴ.第一喷射腔，Ⅵ.第二环形气室，Ⅶ.冷却环槽，Ⅷ.第二放电区，Ⅸ.第二压缩孔道，Ⅹ.第二喷射腔，Ⅺ.第三冷却水套，Ⅻ.第二过水孔，ⅩⅢ.切向气道，ⅩⅣ.第二冷却水套，ⅩⅤ.切向气槽，ⅩⅥ.第一过水孔，ⅩⅦ.扩散腔，ⅩⅧ.喷料孔，ⅩⅨ.料道，a.分解部件之一，b.分解部件之二，c.分解部件之三，d.分解部件之四。

具体实施方式

实施例1图1和图3所示的实施方式中，用于固态含炭物质气化的等离子体喷枪由绝缘枪架2、阴极1、第一阳极3和第二阳极5组成。绝缘枪架2为中空回转体结构，绝缘枪架2的中空回转体中由后向前依次有后腔2-15、中腔2-11和前腔2-7，在后腔2-15与中腔2-11之间有过孔2-13和第一承插孔2-12，第一承插孔2-12与中腔2-11相邻，在后腔2-15与过孔2-13之间有第一密封槽2-14，在中腔2-11与前腔2-7之间有通孔2-9和第二承插孔2-8，第二承插孔2-8与前腔2-7相邻，在中腔2-11与通孔2-9之间有第二密封槽2-10。阴极1上有空心连杆1-1，空心连杆1-1的内空间构成料道ⅩⅨ，料道ⅩⅨ有原料输入接口1-5接入，在料道ⅩⅨ的壁体内侧有隔热衬套15，空心连杆1-1的前端有阴极头1-3，阴极头1-3的轴向中心有喷料孔，在阴极头1-3的壁体周边有凸沿1-2。第一阳极3或第二阳极5为文丘里喷管结构，第一阳极3或第二阳极5由后向前依次为喇叭口收窄段、喉口段和喇叭形扩张段，第一阳极3或第二阳极5的后部壁体上有榫头。第二阳极5安装在绝缘枪架2的前腔2-7中，第二阳极5后部壁体上的榫头嵌入到第二承插孔2-8中，在第二阳极5后部壁体的榫头上有第四密封环8，在第二阳极5的前部壁体上有定位凸台，第二阳极5前部壁体上的定位凸台嵌入在绝缘枪架2的前腔2-7前端壁体中，在第二阳极5前部壁体的定位凸台与前腔2-7的前端壁体之间有第五密封环6，第二阳极5的外壁与绝缘枪架2的前腔2-7内壁之间的空间构成第三冷却水套Ⅺ。第一阳极3安装在绝缘枪架2的中腔2-11中，第一阳极3后部壁体上的榫头嵌入到第一承插孔2-12中，在第一阳极3后部壁体的榫头上有第二密封环11，第一阳极3的前部嵌入到通孔2-9中，第一阳极3的头端置于第二阳极5后端的喇叭口空间中，在第一阳极3的前部壁体外侧有凸环，第一阳极3前部壁体外侧的凸环嵌入到第二密封槽2-10中，在第二密封槽2-10中有第三密封环9，第一阳极3的外壁与绝缘枪架2的中腔2-11内壁之间的空间构成第二冷却水套ⅩⅣ。阴极1安装在绝缘枪架2的后腔2-15中，阴极头1-3的头端由过孔2-13伸出进入到第一阳极3后端的喇叭口空间中，阴极头1-3壁体上的凸沿1-2嵌入在第一密封槽2-14中，在第一密封槽2-14中有第一密封环13，阴极头1-3的外壁、空心连杆1-1的外壁与绝缘枪架2的后腔2-15内壁之间的空间构成第一冷却水套Ⅰ。在绝缘枪架2的后腔2-15与中腔2-11之间的壁体中有第一环形气室Ⅱ和切向气槽ⅩⅤ，第一环形气室Ⅱ有第一工作气输入接口2-1接入，第一环形气室Ⅱ通过切向气槽ⅩⅤ连通到第一阳极3后端的喇叭口空间中。在绝缘枪架2的中腔2-11与前腔2-7之间的壁体中有第二环形气室Ⅵ和切向气道ⅩⅢ，第二环形气室Ⅵ有第二工作气输入接口2-2接入，第二环形气室Ⅵ通过切向气道ⅩⅢ连通到第二阳极5后端的喇叭口空间中。第一冷却水套Ⅰ的后部有冷却水输入接口1-4接入，在第一冷却水套Ⅰ的前部与第二冷却水套ⅩⅣ的后部之间有第一过水孔ⅩⅥ进行连通，在第二冷却水套ⅩⅣ的前部与第三冷却水套Ⅺ之间有第二过水孔Ⅻ进行连通，第一过水孔ⅩⅥ或第二过水孔Ⅻ为多根设置，呈环形分布在绝缘枪架2的壁体中，在第三冷却水套Ⅺ的前部有冷却水输出接口2-3接出。本实施中，阴极头1-3轴向中心的喷料孔直径小于料道ⅩⅨ的直径，在喷料孔前端的阴极头体中有扩散腔ⅩⅦ，料道ⅩⅨ通过喷料孔和扩散腔ⅩⅦ连通到第一阳极3后端的喇叭口空间中；在第二阳极5的外壁上有阳极的电气接口5-4，在阴极1的后端有阴极的电气接口1-6；把阴极头1-3的头端加工成圆弧端面，当工作气以旋转气流方式冲刷阴极头1-3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头；在绝缘枪架2的后腔2-15壁体上有螺口2-16，在阴极1的后端有螺头，阴极1以旋合方式安装在绝缘枪架2的后腔2-15中，使得空心连杆1-1压迫在阴极头1-3的后端，通过空心连杆1-1的压迫使阴极头1-3壁体上的凸沿1-2紧密嵌入在第一密封槽2-14中，避免阴极头1-3位移。

上述实施例中，为了克服加工难度，如图3所示，把绝缘枪架2分解为a、b、c、d四个分解部件进行加工。在分解部件a中，有螺孔2-6、过孔2-13、第一密封槽2-14、后腔2-15、螺口2-16和切向气槽ⅩⅤ，其中，螺孔2-6有八只；在分解部件b中，有第一穿孔、第一承插孔2-12、中腔2-11的后部分和第一环形气室Ⅱ，其中，第一穿孔有八只；在分解部件c中，有第二穿孔、中腔2-11的前部分、第二密封槽2-10、通孔2-9和切向气道ⅩⅢ，其中，第二穿孔有八只；在分解部件d中，有第三穿孔、第二承插孔2-8、前腔2-7和第二环形气室Ⅵ，其中，第三穿孔有八只。在第二阳极5前部的壁体上有连接法兰5-1，使用八根穿心螺杆7穿过b、c、d三个分解部件的穿孔，穿心螺杆7的螺头旋合在分解部件a的螺孔2-6中，把a、b、c、d四个分解部件进行紧密联接，并且把第一阳极3和第二阳极5紧密定位在绝缘枪架2的中腔2-11和前腔2-7中，在分解部件a与分解部件b之间有密封垫圈12，在分解部件b与分解部件c之间有密封垫10，在分解部件c与分解部件d之间有密封圈4。

上述实施例中，为了节省贵金属材料，把阴极1分解为后座和阴极头1-3二个部件，其中，空心连杆1-1与后座连为一体，后座选用不锈钢材料，阴极头1-3选用钨银合金材料或钨镍合金材料，空心连杆1-1与阴极头1-3以碰焊方式进行连接或以顶压方式进行连接，在连接处使用密封胶进行密封；由于第一阳极3的头端构成中继电极3-1,中继电极3-1的头端将承受高温和电流冲击，中继电极3-1需选用难熔金属材料，因此，把第一阳极3分解为头端段和身段二个部件进行加工，对构成中继电极3-1的第一阳极3头端段选用钨镍合金材料，第一阳极3的身段材料选用奥氏体铬镍不锈钢材料，采用氩弧焊连接为一体。

上述的实施例中，绝缘枪架2选用胶木材料或聚四氟乙烯材料制作，密封垫圈和密封环选用聚四氟乙烯材料或硅胶材料制作；第二阳极5选用奥氏体铬镍不锈钢材料，具体型号为310S不锈钢。

本实施例的等离子体喷枪，以水蒸汽为气化剂使煤粉或炭粉或碳黑在等离子体喷枪中直接进行气化，生产为以一氧化碳和氢气主要成分的合成气，合成气通过后级设备进行制氢、生产甲醇和合成氨。本实用新型应用时，把等离子体喷枪安装在余热锅炉上，等离子体喷枪的出口朝向余热锅炉的炉膛内，把冷却系统的供水管连接到冷却水输入接口1-4上，把冷却水输出接口2-3连接到冷却系统的回水管上，把煤粉或炭粉或碳黑的供粉系统连接到原料输入接口1-5或第一工作气输入接口2-1上，把水蒸汽或氢气的供气管连接到第一工作气输入接口2-1或原料输入接口1-5上，把氢气或反馈尾气的供气管连接到第二工作气输入接口2-2上，把等离子体工作电源的正极连接到阳极的电气接口5-4上，把等离子体工作电源的负极连接到阴极的电气接口1-6上。当喷枪运行时，第一阳极3后端的喇叭口空间构成第一放电区Ⅲ，第一阳极3的喉口段空间构成第一压缩孔道Ⅳ，第一阳极3的喇叭形扩张段空间构成第一喷射腔Ⅴ，第一阳极3的前端构成中继电极3-1，第二阳极5后端的喇叭口空间构成第二放电区Ⅷ，第二阳极5的喉口段空间构成第二压缩孔道Ⅸ，第二阳极5的喇叭形扩张段空间构成第二喷射腔Ⅹ。工作时，冷却水首先进入到第一冷却水套Ⅰ中，对阴极头1-3进行冷却，通过水流把阴极头1-3的热量快速带走，然后冷却水通过分布在绝缘枪架2壁体中的第一过水孔ⅩⅥ进入到第二冷却水套ⅩⅣ中，对第一阳极3进行冷却，通过水流把第一阳极3的热量快速带走，冷却水再通过第二过水孔Ⅻ进入到第三冷却水套Ⅺ中，吸收了第二阳极5的热量后，通过冷却水输出接口2-3返回到冷却系统的回水管中；把水蒸汽或氢气作为工作气送入到第一环形气室Ⅱ中，然后通过切向气槽ⅩⅤ以旋转气流方式进入到第一放电区Ⅲ；把氢气或反馈尾气作为工作气送入到第二环形气室Ⅵ中，然后通过切向气道ⅩⅢ以旋转气流方式进入到第二放电区Ⅷ；把水蒸汽进行过热后，作为气化剂和载气携煤粉或炭粉或碳黑送入料道ⅩⅨ中，再由喷料孔ⅩⅧ和扩散腔ⅩⅦ进入到第一放电区Ⅲ；同时在第二阳极5和阴极1之间施加电能，在阴极头1-3的头端便发射电子，阴极头1-3头端发射的电子工作气流的约束，经第一压缩孔道Ⅳ进入第一喷射腔Ⅴ，被第一喷射腔Ⅴ的管壁吸收，使得阴极头1-3的头端与第一喷射腔Ⅴ的管壁产生第一级高温等离子体电弧；水蒸汽和煤粉或炭粉或碳黑与第一级高温等离子体电弧混合，形成混合离子电弧，通过第一压缩孔道Ⅳ喷入到第一喷射腔Ⅴ中；第一阳极3前端的中继电极3-1头端同时发射电子，中继电极3-1头端发射的电子受到工作气流约束，经第二压缩孔道Ⅸ进入到第二喷射腔Ⅹ，被第二喷射腔Ⅹ的管壁吸收，使得中继电极3-1的头端与第二喷射腔Ⅹ的管壁之间产生第二级高温等离子体电弧，喷入到第一喷射腔Ⅴ中的混合离子电弧与第二级高温等离子体电弧进行串联混合，形成等离子体火炬，从第二喷射腔Ⅹ的出口喷出，进入到余热锅炉的炉膛内。上述过程中，水蒸汽作为载气携煤粉或炭粉或碳黑进入到喷枪内的第一放电区Ⅲ，这时，水蒸汽已与煤粉或炭粉或碳黑充分混合，在第一放电区Ⅲ的强电场作用和高温等离子体电弧的作用下，水蒸汽被电离和分解为氢、氧的活性化学物，同时，煤粉或炭粉或碳黑在喷枪内高温等离子体电弧的作用下快速升温，成为高温物质，因此，高温的煤粉或炭粉或碳黑与高活性的水蒸汽分解物极易进行快速气化反应，使煤粉或炭粉或碳黑气化，生成一氧化碳和氢气的合成气，由第一压缩孔道Ⅳ喷出进入到第一喷射腔Ⅴ中，然后，又在第二放电区Ⅷ、第二压缩孔道Ⅸ和第二喷射腔Ⅹ的强电场环境和高温环境中，使未气化的煤粉或炭粉或碳黑气化得到进一步完全气化。高温的合成气随等离子体火炬喷入余热锅炉的炉膛内，由余热锅炉进行热量回收，用于发电，合成气中的热能被余热锅炉吸收而降温，降温后的合成气再通过除尘净化后送入后级设备，作为生产氢气或甲醇或合成氨的原料气利用。

Claims (7)

1.一种用于气化的等离子体喷枪，由绝缘枪架（2）、阴极（1）、第一阳极（3）和第二阳极（5）组成，绝缘枪架（2）为中空回转体结构；阴极（1）上有空心连杆（1-1），空心连杆（1-1）的前端有阴极头（1-3），阴极头（1-3）的轴向中心有喷料孔，第一阳极（3）或第二阳极（5）为文丘里喷管结构，第一阳极（3）或第二阳极（5）由后向前依次为喇叭口收窄段、喉口段和喇叭形扩张段，其特征是绝缘枪架（2）的中空回转体中由后向前依次有后腔（2-15）、中腔（2-11）和前腔（2-7），在后腔（2-15）与中腔（2-11）之间有过孔（2-13）和第一承插孔（2-12），第一承插孔（2-12）与中腔（2-11）相邻，在中腔（2-11）与前腔（2-7）之间有通孔（2-9）和第二承插孔（2-8），第二承插孔（2-8）与前腔（2-7）相邻；第一阳极（3）或第二阳极（5）的后部壁体上有榫头；

第二阳极（5）安装在绝缘枪架（2）的前腔（2-7）中，第二阳极（5）后部壁体上的榫头嵌入到第二承插孔（2-8）中，第二阳极（5）的外壁与绝缘枪架（2）的前腔（2-7）内壁之间的空间构成第三冷却水套（Ⅺ）；第一阳极（3）安装在绝缘枪架（2）的中腔（2-11）中，第一阳极（3）后部壁体上的榫头嵌入到第一承插孔（2-12）中，第一阳极（3）的前部嵌入到通孔（2-9）中，第一阳极（3）的头端置于第二阳极（5）后端的喇叭口空间中，第一阳极（3）的外壁与绝缘枪架（2）的中腔（2-11）内壁之间的空间构成第二冷却水套（ⅩⅣ）；阴极（1）安装在绝缘枪架（2）的后腔（2-15）中，阴极头（1-3）的头端由过孔（2-13）伸出进入到第一阳极（3）后端的喇叭口空间中，阴极头（1-3）的外壁、空心连杆（1-1）的外壁与绝缘枪架（2）的后腔（2-15）内壁之间的空间构成第一冷却水套（Ⅰ）；

在绝缘枪架（2）的后腔（2-15）与中腔（2-11）之间的壁体中有第一环形气室（Ⅱ），第一环形气室（Ⅱ）有第一工作气输入接口（2-1）接入，第一环形气室（Ⅱ）连通到第一阳极（3）后端的喇叭口空间中；在绝缘枪架（2）的中腔（2-11）与前腔（2-7）之间的壁体中有第二环形气室（Ⅵ），第二环形气室（Ⅵ）有第二工作气输入接口（2-2）接入，第二环形气室（Ⅵ）连通到第二阳极（5）后端的喇叭口空间中。

2.根据权利要求1所述的一种用于气化的等离子体喷枪，其特征是在阴极头（1-3）的壁体周边有凸沿（1-2），在绝缘枪架（2）的后腔（2-15）与过孔（2-13）之间有第一密封槽（2-14），阴极头（1-3）壁体上的凸沿（1-2）嵌入在第一密封槽（2-14）中，在第一密封槽（2-14）中有第一密封环（13）。

3.根据权利要求1所述的一种用于气化的等离子体喷枪，其特征是在第一阳极（3）后部壁体的榫头上有第二密封环（11）；在第一阳极（3）的前部壁体外侧有凸环，在绝缘枪架（2）的中腔（2-11）与通孔（2-9）之间有第二密封槽（2-10），第一阳极（3）前部壁体外侧的凸环嵌入到第二密封槽（2-10）中，在第二密封槽（2-10）中有第三密封环（9）。

4.根据权利要求1所述的一种用于气化的等离子体喷枪，其特征是在第二阳极（5）后部壁体的榫头上有第四密封环（8）；在第二阳极（5）的前部壁体上有定位凸台，第二阳极（5）前部壁体上的定位凸台嵌入在绝缘枪架（2）的前腔（2-7）前端壁体中，在第二阳极（5）前部壁体的定位凸台与前腔（2-7）的前端壁体之间有第五密封环（6）。

5.根据权利要求1所述的一种用于气化的等离子体喷枪，其特征是在绝缘枪架（2）的后腔（2-15）与中腔（2-11）之间的壁体中有切向气槽（ⅩⅤ），第一环形气室（Ⅱ）通过切向气槽（ⅩⅤ）连通到第一阳极（3）后端的喇叭口空间中；在绝缘枪架（2）的中腔（2-11）与前腔（2-7）之间的壁体中有切向气道（ⅩⅢ），第二环形气室（Ⅵ）通过切向气道（ⅩⅢ）连通到第二阳极（5）后端的喇叭口空间中。

6.根据权利要求1所述的一种用于气化的等离子体喷枪，其特征是第一冷却水套（Ⅰ）的后部有冷却水输入接口（1-4）接入，在第一冷却水套（Ⅰ）的前部与第二冷却水套（ⅩⅣ）的后部之间有第一过水孔（ⅩⅥ）进行连通，在第二冷却水套（ⅩⅣ）的前部与第三冷却水套（Ⅺ）之间有第二过水孔（Ⅻ）进行连通，第一过水孔（ⅩⅥ）或第二过水孔（Ⅻ）为多根设置，呈环形分布在绝缘枪架（2）的壁体中，在第三冷却水套（Ⅺ）的前部有冷却水输出接口（2-3）接出。

7.根据权利要求1所述的一种用于气化的等离子体喷枪，其特征是空心连杆（1-1）的内空间构成料道（ⅩⅨ），料道（ⅩⅨ）有原料输入接口（1-5）接入，在料道（ⅩⅨ）的壁体内侧有隔热衬套（15）；阴极头（1-3）轴向中心的喷料孔直径小于料道（ⅩⅨ）的直径，在喷料孔前端的阴极头体中有扩散腔（ⅩⅦ），料道（ⅩⅨ）通过喷料孔和扩散腔（ⅩⅦ）连通到第一阳极（3）后端的喇叭口空间中。