CZ282814B6 - Plazmový hořák s nepřeneseným obloukem - Google Patents

Abstract

Hořák vytvořený pro dodávání energie, např. chemickým procesům, sestává z několika trubicových elektrod (1,2,3) uspořádaných souose jedna ve druhé, přičemž elektrody (1,2,3) jsou vzájemně elektricky izolované, vybaveny napojením na zdroj elektrické energie, připojeny na střídavý nebo stejnoměrný proud a vybaveny axiálním magnetickým polem v provozní oblasti oblouku. Elektrody (1,2,3) jsou zhotoveny z nekovového materiálu s vysokým bodem tavení, přičemž plazmu tvořící plyn a/nebo reagující složka mohou být přiváděny, středovou elektrodou (3) a prstencovými prostory mezi elektrodami (1,2,3), a je použito nejméně tří elektrod (1,2,3), které tvoří sadu pozůstávají z vnější elektrody (1), pomocné elektrody (2) a středové elektrody (3), přičemž tyto elektrody (1,2,3) mohou být posouvány axiálně vůči sobě, přičemž pomocná elektroda (2) tvoří zapalovací elektrodu, která je nepřežitě elektricky spojena k jedné z ostatních elektrod (1,3), takže tyto dvě elektrody (2,1) nebo elektrody (2,3) mají ŕ

Description

Oblast techniky

Vynález se týká plazmového hořáku s nepřeneseným obloukem, zejména pro dodávku energie chemickým procesům, sestávajícího ze vzájemně elektricky izolovaných trubicových elektrod z elektricky vodivého nekovového materiálu s konci pro vytváření elektrického oblouku v plazmové zóně zasahující do axiálního magnetického pole, uspořádaných souose v sobě pro přívod plazmového plynu a/nebo reagující složky a připojených ke zdroji elektrického proudu.

Dosavadní stav techniky

Vysokotepelné plazma se vytváří pomocí plynu, který je ohříván elektrickým obloukem, nataženým mezi elektrodami. Za účelem docílení žádaných chemických reakcí v plynech nebo ve směsi plynu a kapaliny nebo tuhých částic musí být v některých případech zavedena energie. Některé takové chemické reakce se uskutečňuj í při extrémně vysokých teplotách řádu 1000 °C až 3000 °C. Je také nutné umožnit měření množství a teploty plynu pro umožnění řízení a regulace chemického procesu tohoto typu. Využitím technologie ohřevu plynu elektrickým obloukem v plazmovém hořáku lze docílit shora uvedené požadavky. Dosud známé plazmové hořáky byly přednostně a hlavně užívány pro ohřev plynu za účelem svařování a řezání oceli, pro ohřev hutních procesů a pro laboratorní pokusy. Jelikož často vykazují vysokou spotřebu plazmového plynu, jako tomu je při dopravě plynu hořákem, který odvádí teplo vyvinuté v oblouku, v některých aplikacích tyto hořáky budou méně výhodné z hlediska ekonomie tepla. Cíl tohoto vynálezu je proto odstranit nedostatky dosud známých plazmových hořáků a poskytnout plazmový hořák o dobré tepelné ekonomii, dlouhé životnosti elektrod a provozně spolehlivé konstrukci, vhodné pro průmyslové aplikace.

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky dosud známých plazmových hořáků do značné míry odstraňuje a vytčený cíl vynálezu splňuje plazmový hořák s nepřeneseným obloukem, zejména pro dodávku energie chemickým procesům, sestávající ze vzájemně elektricky izolovaných trubicových elektrod z elektricky vodivého nekovového materiálu s konci pro vytváření elektrického oblouku v plazmové zóně zasahující do axiálního magnetického pole, uspořádaných souose v sobě pro přívod plazmového plynu a/nebo reagující složky a připojených ke zdroji elektrického proudu podle tohoto vynálezu, který zahrnuje alespoň tři vzájemně axiálně posuvné elektrody tvořící sadu sestávající z vnější elektrody, zapalovací pomocné elektrody a středové elektrody, přičemž pomocná elektroda je nepřetržitě elektricky spojena s vnější elektrodou nebo středovou elektrodou, takže pomocná a vnější elektroda nebo pomocná a středová elektroda mají shodnou polaritu a napětí, přičemž pomocná elektroda je axiálně odstranitelná z plazmové zóny. Pomocná elektroda může být s výhodou spojena se zařízením pro nastavení axiální polohy pomocné elektrody od plazmové zóny v závislosti na velikosti elektrického proudu procházejícího pomocnou elektrodou. Radiální vzdálenost mezi pomocnou elektrodou připojenou najeden pól elektrického zdroje a vnější elektrodou nebo středovou elektrodou připojenou na druhý pól elektrického zdroje může s výhodou ležet v závislosti na napětí připojeném mezi póly elektrického zdroje při provozním stavu plazmového hořáku v oblasti elektrického oblouku. Středová elektroda a prstencové prostory mezi elektrodami vytvoří prostor pro přívod plynu. Vysokotepelné plazma se vytváří plynem, který je ohříván a ionizován elektrickým obloukem. Ve vynálezu jsou tři nebo více trubicové elektrody umístěné souose, jedna vně druhé. Ve svém nejjednodušším tvaruje hořák vybaven třemi elektrodami: středovou elektrodou, dále pomocnou elektrodou a konečně vnější elektrodou. V jiném vytvoření mohou jedna nebo víc elektrod být

- 1 CZ 282814 B6 umístěny souose vně vnější elektrody. Mezi elektrodami jsou vytvořeny prstencové průchody. Mezi středovou elektrodu a prstencové průchody plazmu se může zavést plazmu tvořící plyn a/nebo reagující složka. Inertní plyn, jako např. dusík nebo argon, mohou být použity jako plazmu tvořící plyn. Takovýto plyn se obvykle nezúčastní nebo neovlivní chemickou reakci probíhající v hořáku. Plazmu tvořící plyn může též být stejného druhu jako plyn vytvářející se jako produkt reakce v plazmovém hořáku. Reagující složka může být čistý plyn nebo plyn smíšený s kapalinou nebo tuhými částicemi, jejichž přítomnost je žádoucí při chemických reakcích v plazmovém plameni, jako je např. rozklad. Reagující složka sama může též tvořit plazmu tvořící plyn. Elektrody plazmového hořáku jsou tuhé a mohou být odtavné. Jako elektrodový materiál se používá přednostně grafit, který má vysokou teplotu tání a vyžaduje jen málo chlazení. To umožňuje značné zjednodušení konstrukce plazmového hořáku a je důležité pro zlepšení energetické účinnosti hořáku. Elektrody jsou axiálně posuvné navzájem vůči sobě. Vzájemné nastavení elektrod poskytuje možnost změny průměrné délky oblouku a tím i pracovního napětí, které opět ovlivňuje tepelný výkon. Dále, tvar oblouku může být měněn. Jestliže se nastaví vnější elektroda tak, že vyčnívá vně středové elektrody, plazmová zóna na sebe vezme trychtýřový tvar a přenese intenzivní zdroj tepla do reagující složky, která je přiváděna do středu plazmové zóny. Při nastavení středové elektrody tak, že vyčnívá vně vnější elektrody, plazmová zóna na sebe vezme špičatý tvar a převede větší podíl tepla do obklopující komory a méně přímo do středem přiváděné reagující složky. Axiální poloha elektrod může tak být nastavena podle vlastností ohřívaného média. Plazmový hořák je napájen elektrickou energií z energetického zdroje. Elektrody jsou napojeny na energetický zdroj pomocí vodičů, chlazených dle potřeby. Plazmový hořák může být napájen střídavým proudem nebo přednostně stejnosměrným proudem. Elektrody plazmového hořáku mohou být napojeny dvěma způsoby. Pomocná elektroda může být buď spojena se středovou elektrodou, nebo s vnější elektrodou. Při použití stejnosměrného proudu lze proto použít čtyři různá zapojení. Jedno možné zapojení pozůstává z propojení pomocné elektrody s vnější elektrodou tak, aby obě tyto elektrody měly stejné napětí. Přednostně jsou připojeny na kladné napětí a tvoří anodu. Středová elektroda je pak připojena na záporné napětí a tvoří katodu. U tohoto zapojení je možné zaměnit polaritu pro umožnění připojení středové elektrody na kladné napětí jako anodu a shora uvedené propojené elektrody připojit na záporné napětí jako katodu. Jiné možné zapojení pozůstává ze spojení pomocné elektrody se středovou elektrodou, takže tyto dvě elektrody budou mít stejné napětí. Mohou pak být připojeny přednostně na kladné napětí jako anoda a vnější elektroda na záporné napětí jako katoda. Rovněž u tohoto zapojení je možné polaritu elektrod zaměnit pro umožnění připojení spojených dvou elektrod na záporné napětí, takže tvoří katodu, a vnější elektrodu na kladné napětí, takže tvoří anodu. Při použití prvního shora zmíněného zapojení jsou vnější elektroda a její držák spolu s pomocnou elektrodou a jejím držákem přednostně na napětí země. Tudíž nenastává nebezpečný stav, jestliže se řečené dvě elektrody a jejich držáky vzájemně dotýkají. Středová elektroda a její držák jsou na určitém napětí proti zemi a elektricky odizolovány od zařízení použitém pro axiální polohování. Účel konstrukce hořáku s vnější elektrodou a vnitřní pomocnou elektrodou s oběma těmito elektrodami připojenými na jedno a totéž napětí je docílit spolehlivé zapalování oblouku a stabilní znovuzapalovací zařízení pro plazmový hořák. Pomocná elektroda je životně důležitá při startování hořáku se studeným plazmovým plynem a pro docílení stabilního provozu při nízkých teplotách elektrody. Zkoušky též ukázaly, že hořák vybavený pomocnou elektrodou poskytuje stabilní provoz při nižší teplotě elektrody než hořák bez pomocné elektrody při použití jednoho a téhož plazmového plynu. Pomocná elektroda poskytuje spolehlivé zapalování hořáku při napětí přiloženém na elektrody. Pomocná elektroda je umístěna tak blízko středové elektrodě, že elektrická jiskra přeskočí mezi nimi po přiložení napětí a vytvoří se okamžitě oblouk. Pomocná elektroda může proto být charakterizována jako zapalovací elektroda. Vzdálenost zvolená mezi elektrodami je určena v přední řadě a především pracovním napětím, aleje též závislá na jiných faktorech, jako např. na použitém typu plazmu tvořícího plynu. Magnetické síly přesunou oblouk na konec elektrod, ven do prostoru mimo konec elektrod, a je-li jednou oblouk zapálen, má schopnost docílit větší délku při stejném napětí mezi elektrodami. Tím se patní bod na pomocné elektrodě přesune směrem ven, až přeskočí na vnější elektrodu, která má stejné napětí. Jelikož se tato událost děje velmi rychle, dojde jen k malé erozi pomocné elektrody v porovnání s erozí vnější a středové elektrody, kde oblouk má své patní body po většinu času. Pomocná elektroda může být posouvána v axiálním směru vůči vnější elektrodě. Během provozu je stažena, ale jen dost daleko pro zajištění, aby povrch středové elektrody byl přímo nad koncem pomocné elektrody, a jeho teplota byla dostatečně vysoká, aby mohla vysílat elektrony a tím zajistit znovu zapálení. Pomocná elektroda je však stažena dostatečně, aby se na ní zabránila trvalá tvorba patního bodu oblouku. Vnější a vnitřní elektrody mají stejné napětí. Propojení lze provést uvnitř nebo vně hořáku. Provede-li se propojení uvnitř hořáku, obvykle se nepoužije izolace mezi těmito dvěma elektrodami. Pro nastavení axiální polohy pomocné elektrody se může zajistit řídicí systém, čímž se minimalizuje průměrná intenzita proudu protékajícího touto elektrodou. Tím se podstatně sníží opotřebení pomocné elektrody. Vnější a pomocná elektroda jsou v tomto případě vzájemně odizolovány. Elektrický proud tekoucí těmito elektrodami se pak může měřit nezávisle na sobě a napájecí hodnoty se pak mohou zavádět do řídicího systému. Bylo zjištěno, že oblouk v plazmových hořácích konstruovaných podle tohoto vynálezu je tlačen směrem ke koncům elektrod a ven do prostoru vně konců elektrod. Je to výsledek elektromagnetických sil vytvořených obloukem a skutečností, že napájecí plyn oblouk tlačí směrem ven. Nakonec se oblouk může natáhnout natolik, že se přetrhne a následkem toho zhasne. Zhasne-li oblouk mezi vnější elektrodou a středovou elektrodou, bude ihned znovu zapálen mezi pomocnou elektrodou a středovou elektrodou. Bylo zjištěno, že během normálního provozuje oblouk ustavičně zhášen a musí být znovu zapalován, což činí pomocnou elektrodu podle popisu absolutně nepostradatelnou pro nepřetržitý provoz plazmového hořáku podle vynálezu. Plazmový hořák je vybaven prstencovou budicí cívkou nebo prstencovým permanentním magnetem, umístěným vně elektrod buď kolem konců elektrod v oblasti hořáku, kde se vytváří oblouk, nebo blízko této oblasti. Budicí cívka nebo permanentní magnet jsou umístěny tak, že v této oblasti vytváří axiální magnetické pole, čímž způsobují rotaci oblouku kolem středové osy hořáku. To je důležité pro provozní stabilitu hořáku. Podél středové osy hořáku lze umístit jedno nebo více těles z ferromagnetického materiálu. Toto těleso soustředí magnetické pole do provozní oblasti oblouku a, je-li to žádoucí, přesune magnetické pole z oblasti se silnějším magnetickým polem do zóny oblouku. Takováto tělesa a jejich umístění jsou popsána v přihlašovatelově norské přihlášce vynálezu 91 4910. Dále, magnetické pole zabrání oblouku ve stěhování se z konkrétního bodu na vnitřní elektrodě do konkrétního bodu na vnější elektrodě, čímž se vytváří krátery a rozdrásání povrchu elektrod. Vlivem magnetického pole bude oblouk rotovat podél obvodu těchto elektrod, čímž se docílí rovnoměrná eroze povrchu elektrod a podstatné snížení opotřebení elektrod. V důsledku toho lze snížit energetické zatížení elektrod. V následující části bude vynález detailněji popsán s odvoláním se na výkresy, které schematicky znázorňují vytvoření plazmového hořáku.

Objasnění výkresů

Na výkrese je na obr. 1 znázorněn svislý řez plazmovým hořákem podle vynálezu.

Příklad uskutečnění wnálezu

Plazmový hořák vyobrazený na obr. 1 pozůstává z vnější elektrody £, pomocné elektrody 2 a středové elektrody 3. Elektrody jsou trubicového tvaru a jsou umístěny souose, jedna ve druhé. Elektrody mohou být posunovány axiálně vzájemně vůči sobě. Zařízení pro axiální nastavení elektrod, např. hydraulické nebo pneumatické přímočaré motory, není v obraze zahrnuto. Elektrody jsou tuhé a mohou být odtavné, tj. mohou být trvale posouvány dopředu během své eroze a opotřebení. Proto nepotřebují vnitřní chlazení chladivém; tato skutečnost představuje podstatné zjednodušení plazmového hořáku. Všechny typy elektricky vodivého nekovového materiálu mohou být použity pro elektrody, přednostně však materiály o vysokém bodu tavení,

- D CZ 282814 B6 jako např. karbid křemíku nebo grafit. Volba materiálu bude také záviset na jejich odolnosti vůči atmosféře v oblasti aplikace během příslušného procesu. Plazmový hořák je na jednom konci zavřen prstencovými izolačními disky 5, 6 a 7. Izolační disky současně slouží jako těsnění mezi elektrodami. Plazmu tvořící plyn a/nebo reagující složka mohou být přivedeny středovou elektrodou 3 a prstencovými mezerami mezi elektrodami. Přívodní potrubí pro plyn do plazmového hořáku izolačními disky není zahrnuto ve výkrese. Plazmový hořák je konstruován pro umožnění přívodu reagující složky středové elektrody 3 samostatnou přívodní trubicí 4. Vhodná přívodní trubice 4 je např. popsána v přihlašovatelově norské přihlášce vynálezu čís. 91 4911. Jelikož elektrody jsou přednostně odtavitelné, středová elektroda 3 se může během provozu vysouvat a pohybovat axiálně, čímž je umožněno nastavení jejího konce dle potřeby. Elektrody jsou napájeny elektrickou energií z centrálního zdroje, který však není v obrazu naznačen. Elektrody jsou napájeny elektrickou energií pomocí kabelů 8, 9 10, naznačených na obraze čárami. Jsou vzájemně propojeny vně hořáku propojením nebo spojkovou deskou 11. Toto spojení je provedeno před připojením nebo zahrnutím jakýchkoliv měřicích přístrojů pro záznam proudu tekoucího elektrodami. Vnější elektroda 1 a pomocná (mezilehlá) elektroda 2 tím pádem jsou na stejném napětí a jsou přednostně připojeny na kladné napětí a tvoří anodu. Středová elektroda 3 je přednostně připojena na záporné napětí a tvoří katodu. Prstencová budicí cívka 12 nebo prstencový permanentní magnet jsou uspořádány okolo elektrod, přednostně vně oblasti, ve které se vytváří oblouk. Budicí cívka 12 nebo permanentní magnet vybudí v této oblasti hořáku magnetické pole. Pomocná elektroda 2 a středová elektroda 3 jsou dimenzovány tak, že radiální vzdálenost mezi nimi je malá. Při přiložení napětí přeskočí jiskra mezi oběma elektrodami a vytvoří se oblouk. Pracovní napětí a vzdálenost mezi elektrodami jsou takové, že vždy dojde k přeskoku jiskry. Tímto způsobem je proto docíleno spolehlivé zapalování plazmového hořáku. Magnetické síly přesunou oblouk na konec elektrod; po zapálení oblouku má tento schopnost docílit větší délku při stejném napětí mezi elektrodami. Patní bod oblouku se přesune za pomocnou elektrodu 2 radiálním směrem napříč na vnější elektrodu _1 o stejném napětí. Po zapálení oblouku se tento proto bude pohybovat mezi středovou elektrodou 3 a vnější elektrodou 1- Pomocná elektroda 2 je posuvná v axiálním směru. Během provozu je tato pomocná elektroda 2 stažena z plazmové zóny. Pomocná elektroda 2 je potom dostatečně daleko stažena pro zabránění jakéhokoliv dalšího vytvoření patního bodu oblouku na ní; ten pak dává přednost putovat z vnější elektrody 1 napříč ke středové elektrodě 3. Optimální poloha pomocné elektrody 2 se může nastavit pomocí ovládacího zařízení, které např. měří jí protékající elektrický proud. Optimální poloha se docílí, když průměrná intenzita proudu protékajícího pomocnou elektrodou 2 dosáhne minima. V plazmovém hořáku dle vynálezu je oblouk vytlačován z konců elektrod. Důvod pro tento jev jsou separátní elektromagnetické síly v oblouku a plyn tekoucí v prostoru mezi elektrodami, kterými je oblouk vytlačován ven. Nakonec se oblouk natáhne natolik, že se přeruší a zhasne. Zhasne-li oblouk mezi vnější elektrodou 1 a středovou elektrodou 3, zapálí se ihned znovu mezi pomocnou elektrodou 2 a středovou elektrodou 3. Intenzita pole mezi těmito elektrodami je dostatečná pro umožnění vyzařování elektronů z povrchu katody, která má dostatečně vysokou teplotu, takže dojde okamžitě k znovu zapálení oblouku. Tím pádem nedojde k zaznamenání přerušení energie, jelikož se hlavní proud přesune z vnější elektrody 1 na pomocnou elektrodu 2. Patní bod oblouku se poté přesune z pomocné elektrody 2 na vnější elektrodu _L Elektrody mají tak vysokou teplotu, že vyzařují elektrony doje obklopující oblasti a oblouk mezi vnější elektrodou 1 a středovou elektrodou 3 se obnoví již po několika milisekundách poté co zhasnul. Bylo zjištěno, že během provozuje oblouk soustavně zhášen a znovu zapalován, jak popsáno shora. Pomocná elektroda 2, která může být rovněž označena jako zapalovací elektroda, je proto absolutně neodmyslitelná pro plynulý provoz plazmového hořáku podle vynálezu.

Claims (3)

1. Plazmový hořák s nepřeneseným obloukem, zejména pro dodávku energie chemickým procesům, sestávající ze vzájemně elektricky izolovaných trubicových elektrod z elektricky vodivého nekovového materiálu s konci pro vytváření elektrického oblouku v plazmové zóně zasahující do axiálního magnetického pole, uspořádaných souose v sobě pro přívod plazmového plynu a/nebo reagující složky a připojených ke zdroji elektrického proudu, vyznačený tím, že zahrnuje alespoň tři vzájemně axiálně posuvné elektrody (1, 2, 3) tvořící sadu sestávající z vnější elektrody (1), zapalovací pomocné elektrody (2) a středové elektrody (3), přičemž pomocná elektroda (2) je nepřetržitě elektricky spojena s vnější elektrodou (1) nebo středovou elektrodou (3), takže pomocná a vnější elektroda (2, 1) nebo pomocná a středová elektroda (2, 3) mají shodnou polaritu a napětí, přičemž pomocná elektroda (2) je axiálně odstranitelná z plazmové zóny.

2. Plazmový hořák podle nároku 1, vyznačený tím, že pomocná elektroda (2) je spojena se zařízením pro nastavení axiální polohy pomocné elektrody (2) od plazmové zóny v závislosti na velikosti elektrického proudu procházejícího pomocnou elektrodou (2).

3. Plazmový hořák podle nároku 1, vyznačený tím, že radiální vzdálenost mezi pomocnou elektrodou (2) připojenou najeden pól elektrického zdroje a vnější elektrodou (1) nebo středovou elektrodou (3) připojenou na druhý pól elektrického zdroje leží v závislosti na napětí připojeném mezi póly elektrického zdroje při provozním stavu plazmového hořáku v oblasti elektrického oblouku.