EP0743811A1 - Torche à plasma d'arc à courant continu, particulièrement destinée à l'obtention d'un corps chimique par décomposition d'un gaz plasmagène - Google Patents

Torche à plasma d'arc à courant continu, particulièrement destinée à l'obtention d'un corps chimique par décomposition d'un gaz plasmagène Download PDF

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EP0743811A1
EP0743811A1 EP96400770A EP96400770A EP0743811A1 EP 0743811 A1 EP0743811 A1 EP 0743811A1 EP 96400770 A EP96400770 A EP 96400770A EP 96400770 A EP96400770 A EP 96400770A EP 0743811 A1 EP0743811 A1 EP 0743811A1
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electrode
gas
tubular
plasma torch
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Martine Cadre
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Definitions

  • the present invention relates to a DC plasma arc torch, particularly intended for obtaining a chemical body by decomposition of a plasma gas.
  • a direct current plasma arc torch comprising two coaxial tubular electrodes arranged in extension of one another, on either side a chamber, into which is injected a stream of plasma gas, for example air.
  • Each of said electrodes is open on the side of said injection chamber, while one of them is moreover open at its end remote from said injection chamber.
  • the arc between said electrodes crosses said injection chamber and ionizes the plasma gas introduced into it.
  • Said arc clings by its end feet respectively to the internal face of said electrodes and the plasma of ionized gas, at high pressure (from atmospheric pressure to about 5 bars) and at very high temperature (several thousand ° C) , crosses the electrode open at its two ends and flows out of said torch through the opening of the latter electrode remote from said injection chamber.
  • the flow of plasma leaving said torch comprises ions of the elements making up said gas, as a result of the action of the electric arc on said plasma gas .
  • the plasma gas is hydrogen sulfide
  • the plasma flow includes hydrogen ions and sulfur ions.
  • the use of sulfurous hydrogen as a plasma gas then the quenching of the plasma, therefore make it possible to collect sulfur, on the one hand, and hydrogen, on the other hand.
  • a torch of the type described above can serve as a reactor for the decomposition of bodies of plasma-producing gaseous compounds.
  • the object of the present invention is to remedy these drawbacks. It relates to a long-life arc plasma torch, particularly suitable for use as a thermochemical decomposition reactor, operating with good energy efficiency and making it possible to obtain decomposition products of high purity.
  • the plasma leaving the torch according to the present invention is particularly pure.
  • said fluid barrier forms a sheath protecting the internal surface of the first electrode against the erosion action of the plasma ions. The life of this electrode is therefore further improved.
  • said first tubular piece is integral with the first electrode, and it may even form a single piece with the latter, so as to appear as an elongated part of said electrode.
  • said first tubular part does not play any electrical role with respect to the arc in steady state, it can be dimensioned in volume, in diameter and in length so that the aerothermal conditions (pressure, temperature) optimize the chemical yield and, therefore, the energy yield.
  • the geometry of the torch according to criteria related to the optimization of the thermochemical reactions to be established, and not solely according to functional criteria related, for example, to the development of the electric arc and / or resistance over time of the electrodes (as is the case for known torches).
  • said first means for forming said fluid barrier consist of first blowing means generating, on the internal wall of said first electrode, a first tubular flow of a gas at a pressure at least approximately equal to that of the plasma and at temperature much lower than that of said plasma, said first fluid tubular flow surrounding said plasma flow and flowing in the same direction as the latter.
  • the particles of material from the first electrode, torn off by the arc foot, are discharged by said first fluid flow out of the torch, without contact with the plasma.
  • a central plasma flow containing the decomposition ions of the plasma gas is thus obtained and an annular flow constituted by the blowing gas and surrounding said central flow of the plasma.
  • the central plasma flow is at very high temperature (several thousand ° C) and at high pressure (from atmospheric pressure to around 5 bar).
  • the annular blowing flow can be at low temperature (for example room temperature) and at a pressure of the order of that of the plasma. Consequently, the central flow and the annular flow have very different viscosities, preventing their mixing. The particles of the electrodes, torn off by the arc, cannot therefore pass from the annular flow of the blowing gas to the flow of central plasma, surrounded by this annular flow.
  • the blown gas may, for example, be hydrogen.
  • said first electrode has a larger diameter than said first tubular part and that said first blowing means are disposed between said first tubular part and said first electrode.
  • This blowing gas can be blown on the internal wall of said first electrode, parallel to the axis of the latter.
  • the gas of said first tubular flow can be blown inside said first electrode, tangentially to the internal wall of the latter, in a similar manner to that which is generally practiced for the injection, called vortex, of the plasma gas. in the injection chamber.
  • tangential blowing means may include an inner ring and a coaxial outer ring, forming between them an annular chamber supplied with blowing gas through said outer ring, while the central opening of said inner ring forms at least approximately an extension of the internal surface of said first electrode and that said central opening of the internal ring is connected to said annular chamber by at least one orifice tangential to said central opening.
  • said second electrode and its associated elements may include the same features as those mentioned above with respect to the first electrode.
  • the plasma torch according to the present invention comprises means for moving the arc feet, such as those described above.
  • such means do not have to act on the first and second tubular parts, but only on the electrodes.
  • means are provided, which may be, in known manner, of the type with electric discharge produced between the two electrodes or of the short-circuit type, thanks, for example, to the use of an auxiliary starting electrode.
  • said electric arc between the parts of said neighboring electrodes. of said injection chamber (said first and second tubular parts), then to extend said arc under the effect of the vortex injection of plasma gas, until the feet of said arc are hooked to the internal surface said end portions of the electrodes, remote from said injection chamber (electrodes proper).
  • said means for injecting the plasma gas into said chamber make it possible to inject the latter in vortices along planes perpendicular to the common axis of the electrodes.
  • These injection means can comprise (see US Pat. No. 5,262,616 mentioned above) a part of revolution coaxial with said electrodes and defining with these and their supports said injection chamber. Transverse orifices are provided in the room to allow the injection of plasma gas, from a supply circuit, into the chamber.
  • the temperatures reached by the plasma at the outputs of the torch can exceed 5000 ° C. Also, it is essential to provide cooling circuits for the electrodes, as is moreover usual for plasma torches.
  • Figure 1 shows, in very schematic longitudinal section, a first example of plasma torch according to the present invention, to illustrate the inventive principle thereof.
  • Figure 2 illustrates the section, along line II-II of Figure 1, of the fluid flow at the outlet of the plasma torch.
  • Figure 3 shows, also in very schematic longitudinal section, a second example of a plasma torch according to the present invention.
  • FIG. 4 is the simplified longitudinal section of a practical embodiment of the plasma torch of FIG. 1.
  • Figure 5 is a cross section along the line V-V in Figure 4.
  • FIG. 6 is the simplified longitudinal section of a practical embodiment of the plasma torch of FIG. 3.
  • the exemplary embodiment I of the plasma torch in accordance with the present invention and shown very diagrammatically in FIG. 1, comprises an anode 1 and a cathode part 2, tubular and coaxial, arranged in extension of one of the other along an axis XX, on both sides other of a chamber 3 into which is injected, in any known manner, a plasma gas (arrows P).
  • the anode 1 and the cathode part are cooled in any suitable and known manner, but not shown.
  • the anode 1 is elongated along the axis XX and comprises, at its end disposed opposite the injection chamber 3, an opening 4 bringing the interior of said anode 1 into communication with said injection chamber 3 On the other hand, at its end opposite to the injection chamber 3, the anode 1 is closed by a bottom 5.
  • the cathode part 2 comprises, at its end remote from the injection chamber 3, a cathode 2A open towards the outside by an opening 6.
  • the cathode 2A is extended, in the direction of the injection chamber 3, by a part tubular 2B forming an integral part of said cathode 2A.
  • the cathode 2A has a diameter D greater than the diameter d of the tubular part 2B and a shoulder 7 connects the cathode 2A and the tubular part 2B.
  • orifices 8 are provided, distributed around the axis XX and with an axis at least substantially parallel thereto.
  • the tubular part 2B has an opening 9 putting the interior of the cathode part 2 into communication with said injection chamber 3.
  • an electric arc 10 passes through the injection chamber 3 and the tubular part 2B and is hooked, by its end feet 10a and 10c, respectively on the internal surface of the anode 1 (near the bottom 5 opposite the injection chamber 3) and that of the cathode 2A.
  • Electromagnetic coils 11 and 12 intended for the rotation of the feet 10a and 10c of the arc 10 around the axis XX, respectively surround the anode 1 (near the bottom 5) and the cathode 2A.
  • the stream of plasma gas P entering the tubular part 2B is transformed, in the latter and under the action of the arc 10, into a flow of plasma 13, leaving through the opening 6 after passing through the cathode 2A .
  • the tubular part 2B therefore forms a reaction chamber in which the plasma gas is transformed into a plasma, at high pressure and at very high temperature, comprising ions of the components of said plasma gas. It is obvious that the tubular part 2B can be dimensioned to optimize the energy efficiency.
  • a gas G for example hydrogen
  • a gas G for example hydrogen
  • the particles of material from the anode 1, which are torn off therefrom by the arc foot 10a remain in anode 1 (which is obtained from the fact that anode 1 is long and that the arc foot 10a is located near the bottom 5), the plasma flow 13, comprising ions of the components of the plasma gas , is particularly pure.
  • a quenching device (not shown, but of any known type) makes it possible to separate the annular gas stream 14 from the plasma flow 13, then to extract the chemical components contained in the form of ions in said plasma flow 13.
  • the anode part 1 ′ comprises, at its end remote from the injection chamber 3, an anode 1'A open towards the outside by an opening 15.
  • the anode 1'A is extended, in the direction of the injection chamber 3, by a tubular piece 1'B forming an integral part of said anode.
  • the anode 1'A has a diameter D greater than the diameter d of the tubular piece 1'B and a shoulder 16 connects the anode 1'A and the tubular piece 1'B.
  • orifices 17 are provided, distributed around the axis XX and with an axis at least substantially parallel thereto.
  • the tubular part 1'B has an opening 18 putting the interior of the anode part 1 'into communication with the injection chamber 3.
  • the electric arc 10 passes through the injection chamber 3 and the tubular parts 1'B and 2B and is hooked, by its feet 10a and 10c, respectively on the internal surface of the anode 1'A and of cathode 2A.
  • the plasma gas injected into the chamber 3 is divided into two streams, one of which enters the tubular part 1'B and the other into the tubular part 2B.
  • said plasma gas streams are transformed into two opposite plasma flows 13 and 19, leaving through the openings 6 and 15, after passing through the cathode 2A and the anode 1'A respectively.
  • the tubular pieces 1'B AND 2B therefore form reaction chambers in which the plasma gas is transformed into plasma.
  • annular streams therefore establish a fluid barrier between the plasma flows 13 and 19 and the cathode 2A and the anode 1'A, respectively, avoiding any pollution of said plasma flows by the particles of material torn from the electrodes by the arc feet 10a and 10c.
  • a quenching device (not shown) is provided downstream of each of the openings 6 and 15.
  • FIG. 4 shows a practical embodiment of example I of FIG. 1.
  • the tubular body 30 of the plasma torch surrounding the anode 1 and the cathode part 2 is consisting (for simplicity of construction) of a plurality of sections 30A, 30B, 30C ... coaxial with each other and with said electrodes and tightly assembled one after the other.
  • connection means 31 are provided for sealingly connecting the open end 6, remote from the injection chamber 3, of the cathode 2A to a quenching device (not shown).
  • Conduits 32 and 33 are respectively provided around the anode 1 and the cathode part 2 for the circulation of a cooling fluid thereof.
  • the means 34 for injecting the plasma gas into the injection chamber 3 are of the vortex injection type, such as those described in US-A-5,262,616. They consist of a part of revolution, coaxial with the axis XX and comprise an annular groove 35, supplied with plasma gas (arrows P) and connected to the injection chamber 3 by transverse orifices 36.
  • a short-circuit ignition device 37 is provided, of the known type with auxiliary starting electrode 38.
  • the arc 10 can be struck between the parts of the anode 1 and of the tubular part 2B, adjacent to the injection chamber 3, then elongated under the effect of the vortex injection of the plasma gas, until the feet 10a and 10b of said arc are hooked to the internal surface of the anode 1 near the bottom 5 and that of the cathode 2A, in the field of the coils 11 and 12.
  • the torch of FIG. 4 (see also FIG. 5) comprises a section 30E constituting the device S for tangential blowing of the fluid tubular flow 14, surrounding the plasma flow 13.
  • the blowing device S has an inner ring 39 (crossed by the cooling conduits 33) and an outer ring 40 coaxial with the axis XX, forming between them an annular chamber 41, supplied with blowing gas (see arrows G) through said ring outer 40.
  • the central opening 42 of the inner ring 39 has the diameter D and forms at least approximately an extension of the inner surface of the cathode 2A. This central opening 42 therefore forms the transition between the internal surface of the tubular part 2B of diameter d and the internal surface of the cathode 2A of diameter D. It is connected to the annular chamber 41 by orifices 43, tangential to its internal surface .
  • Example II of the plasma torch in the practical embodiment of Example II of the plasma torch, according to the present invention and shown in section in Figure 6, we have, compared to the practical embodiment of Figures 4 and 5, replaced the anode 1 by the anode part 1 ', similar (but opposite along the axis XX) to the cathode part 2.
  • the anode part 1' comprises the anode 1'A and the tubular part 1'B, connected by a tangential blowing device S '.
  • Connection means 44 are provided for connecting sealingly the open end 15, remote from the injection chamber 3, from the anode 1'A to a quenching device (not shown).

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Abstract

Torche à plasma d'arc à courant continu, notamment destinée à l'obtention d'un corps chimique à partir d'un gaz plasmagène (P) comportant ledit corps. Selon l'invention : l'électrode (2A) est en communication avec la chambre d'injection (3) du gaz plasmagène par l'intermédiaire d'une pièce tubulaire (2B) traversée par l'arc (10) et constituant la chambre de réaction dans laquelle ledit gaz plasmagène (P) donne naissance au plasma (13) sous l'action de l'arc électrique (10) ; et il est prévu des moyens (7, 8) permettant de former une barrière fluide (14) entre l'électrode (2A) et le plasma (13). <IMAGE>

Description

  • La présente invention concerne une torche à plasma d'arc à courant continu, particulièrement destinée à l'obtention d'un corps chimique par décomposition d'un gaz plasmagène.
  • Par exemple, par le brevet américain US-A-5 262 616, on connaît déjà une torche à plasma d'arc à courant continu comportant deux électrodes tubulaires coaxiales disposées en prolongement l'une de l'autre, de part et d'autre d'une chambre, dans laquelle est injecté un courant de gaz plasmagène, par exemple de l'air. Chacune desdites électrodes est ouverte du côté de ladite chambre d'injection, tandis que l'une d'elles est de plus ouverte à son extrémité éloignée de ladite chambre d'injection.
  • Ainsi, l'arc entre lesdites électrodes traverse ladite chambre d'injection et ionise le gaz plasmagène introduit dans celle-ci. Ledit arc s'accroche par ses pieds d'extrémité respectivement à la face interne desdites électrodes et le plasma de gaz ionisé, à haute pression (de la pression atmosphérique à environ 5 bars) et à très haute température (plusieurs milliers de °C), traverse l'électrode ouverte à ses deux extrémités et s'écoule, hors de ladite torche, à travers l'ouverture de cette dernière électrode éloignée de ladite chambre d'injection.
  • Si, dans une telle torche, on utilise comme gaz plasmagène un corps composé gazeux, l'écoulement de plasma sortant de ladite torche comporte des ions des éléments composant ledit gaz, par suite de l'action de l'arc électrique sur ledit gaz plasmagène. Par exemple, si le gaz plasmagène est de l'hydrogène sulfureux, l'écoulement de plasma comporte des ions hydrogène et des ions soufre. Par suite, si l'on soumet ledit écoulement de plasma à une trempe thermique, il est possible de recueillir les éléments du gaz plasmagène. Dans l'exemple ci-dessus, l'utilisation de l'hydrogène sulfureux comme gaz plasmagène, puis la trempe du plasma, permettent donc de recueillir du soufre, d'une part, et de l'hydrogène, d'autre part.
  • Ainsi, une torche du type décrit ci-dessus peut servir de réacteur pour la décomposition de corps composés gazeux plasmagènes.
  • Cependant, l'utilisation d'une telle torche en réacteur de décomposition soulève des difficultés :
    • A/ Tout d'abord, il est bien connu que, dans une torche du type décrit ci-dessus, les électrodes s'érodent sous l'action des pieds d'arcs qui arrachent des particules aux parois internes desdites électrodes. Il en résulte donc que, lors de l'utilisation d'une telle torche en réacteur de décomposition, les corps chimiques obtenus sont pollués par ces particules de la matière des électrodes (par exemple du cuivre). Dans une telle application, la pollution est fortement aggravée par l'interaction, au niveau des pieds d'arc, de certains des ions de décomposition (tels que l'ion soufre S-- par exemple) avec la matière des électrodes.
      Ainsi, non seulement de tels réacteurs de décomposition s'usent rapidement, mais encore les produits de décomposition obtenus ne peuvent être purs.
      Pour tenter de remédier à de tels inconvénients, on a déjà essentiellement proposé deux mesures. La première consiste à réaliser les électrodes en des matières peu réactives avec le gaz plasmagène utilisé, telles que par exemple le tungstène ou le tungstène rhodié. Quant à la seconde, elle consiste à répartir l'usure des électrodes autour de l'axe de celles-ci en engendrant un champ magnétique susceptible de faire tourner les pieds d'arc autour dudit axe. Des moyens pour obtenir une telle rotation des pieds d'arc sont par exemple décrits dans les documents US-A-3 301 995 et EP-A-0 032 100. Ils sont généralement définis par des bobines électromagnétiques entourant les électrodes. Ainsi, en modulant le champ magnétique axial engendré par les bobines lorsqu'elles sont excitées, les pieds d'accrochage de l'arc électrique se déplacent autour des surfaces internes des électrodes en évitant la formation de cratères locaux et la destruction rapide des électrodes.
      Les deux mesures connues rappelées ci-dessus permettent effectivement de réduire l'usure des électrodes et la pollution des produits de décomposition. Cependant, une telle réduction est généralement insuffisante pour procurer une durée de vie satisfaisante aux électrodes et assurer la pureté désirée aux produits de décomposition. De plus, la première mesure se révèle généralement onéreuse.
    • B/ Par ailleurs, le rendement énergétique d'une telle torche utilisée en réacteur est faible, de sorte qu'il est nécessaire de dépenser de grandes quantités d'énergie électrique pour décomposer le corps composé gazeux en ses éléments et que le coût de fabrication desdits éléments est élevé.
  • La présente invention a pour objet de remédier à ces inconvénients. Elle concerne une torche à plasma d'arc de grande durée de vie, particulièrement appropriée à être utilisée comme réacteur thermochimique de décomposition, fonctionnant avec un bon rendement énergétique et permettant l'obtention de produits de décomposition de grande pureté.
  • A cette fin, selon l'invention, la torche à plasma d'arc à courant continu, notamment destinée à l'obtention d'un corps chimique à partir d'un gaz plasmagène comportant ledit corps, ladite torche comprenant :
    • une première électrode et une seconde électrode, lesdites électrodes étant tubulaires, coaxiales et disposées en prolongement l'une de l'autre, de part et d'autre d'une chambre d'injection dudit gaz plasmagène, lesdites électrodes étant ouvertes à leurs extrémités en regard de ladite chambre d'injection, et
    • des moyens pour injecter un courant du gaz plasmagène dans ladite chambre d'injection,
      l'arc entre lesdites électrodes traversant ladite chambre d'injection et s'accrochant par des pieds d'extrémité respectivement à la surface interne desdites électrodes, tandis que ladite première électrode est ouverte à son extrémité éloignée de ladite chambre d'injection pour permettre l'écoulement, hors de la torche, du plasma engendré par ledit arc, est remarquable en ce que :
    • ladite première électrode est en communication avec ladite chambre d'injection par l'intermédiaire d'une première pièce tubulaire traversée par ledit arc et constituant une première chambre de réaction dans laquelle ledit gaz plasmagène donne naissance au plasma sous l'action dudit arc électrique ; et
    • il est prévu des premiers moyens permettant de former une barrière fluide entre ladite première électrode et ledit plasma.
  • Ainsi, grâce à l'invention :
    • le plasma est formé dans une zone de réaction découplée des pieds d'arc. Par suite, lors de sa formation, ledit plasma ne peut être pollué par les particules arrachées à la matière des électrodes ; et
    • les particules de matière de la première électrode, arrachées par le pied d'arc correspondant, sont empêchées de s'incorporer au plasma.
  • Par suite, le plasma sortant de la torche conforme à la présente invention est particulièrement pur.
  • De plus, ladite barrière fluide forme une gaine protégeant la surface interne de la première électrode contre l'action d'érosion des ions du plasma. On améliore donc en outre la durée de vie de cette électrode.
  • De préférence, ladite première pièce tubulaire est solidaire de la première électrode, et elle peut même ne former qu'une seule pièce avec cette dernière, de façon à apparaître comme une partie allongée de ladite électrode.
  • On remarquera que, puisque ladite première pièce tubulaire ne joue aucun rôle rôle électrique vis-à-vis de l'arc en régime établi, elle peut être dimensionnée en volume, en diamètre et en longueur pour que les conditions aérothermiques (pression, température) permettent d'optimiser le rendement chimique et, donc, le rendement énergétique. Ainsi, grâce à la présente invention, on peut définir la géométrie de la torche en fonction des critères liés à l'optimisation des réactions thermochimiques à établir, et non pas uniquement en fonction de critères fonctionnels liés, par exemple, au développement de l'arc électrique et/ou à la résistance dans le temps des électrodes (comme cela est le cas pour les torches connues).
  • L'invention permet donc d'obtenir une torche à plasma, à moindre usure :
    • capable de produire des composés chimiques non pollués par les produits d'érosion des électrodes ; et
    • apte à optimiser, sans limitation de puissance, les conditions aérothermiques des réactions par ajustement du dimensionnement de la zone de réaction.
  • Avantageusement, lesdits premiers moyens pour former ladite barrière fluide sont constitués par des premiers moyens de soufflage engendrant, sur la paroi interne de ladite première électrode, un premier écoulement tubulaire d'un gaz à pression au moins approximativement égale à celle du plasma et à température très inférieure à celle dudit plasma, ledit premier écoulement tubulaire fluide entourant ledit écoulement du plasma et s'écoulant dans le même sens que celui-ci.
  • Ainsi, les particules de matière de la première électrode, arrachées par le pied d'arc, sont évacuées par ledit premier écoulement fluide hors de la torche, sans contact avec le plasma.
  • On remarquera que, à la sortie de la torche à plasma conforme à la présente invention, on obtient donc un écoulement de plasma central contenant les ions de décomposition du gaz plasmagène et un écoulement annulaire constitué par le gaz de soufflage et entourant ledit écoulement central du plasma. Comme on l'a mentionné ci-dessus, l'écoulement central de plasma est à très haute température (plusieurs milliers de °C) et à haute pression (de la pression atmosphérique à environ 5 bars). Par ailleurs, l'écoulement annulaire de soufflage peut être à faible température (par exemple la température ambiante) et à une pression de l'ordre de celle du plasma. Par suite, l'écoulement central et l'écoulement annulaire présentent des viscosités très différentes, interdisant leur mélange. Les particules des électrodes, arrachées par l'arc, ne peuvent donc passer de l'écoulement annulaire du gaz de soufflage à l'écoulement de plasma central, entouré par cet écoulement annulaire.
  • Ainsi :
    • le plasma n'est pas originellement pollué par les particules arrachées aux électrodes, grâce au découplage entre la zone de réaction et les pieds d'arc ; et
    • le plasma ne peut être pollué aux sorties de la torche par lesdites particules, à cause de l'impossibilité du mélange entre le plasma et l'écoulement de soufflage.
  • Le gaz soufflé peut, par exemple, être de l'hydrogène.
  • Afin de faciliter l'enrobage de l'écoulement de plasma par ledit écoulement tubulaire de barrière, il est avantageux que ladite première électrode présente un plus grand diamètre que ladite première pièce tubulaire et que lesdits premiers moyens de soufflage soient disposés entre ladite première pièce tubulaire et ladite première électrode.
  • Ce gaz de soufflage peut être soufflé sur la paroi interne de ladite première électrode, parallèlement à l'axe de cette dernière.
  • En variante, le gaz dudit premier écoulement tubulaire peut être soufflé à l'intérieur de ladite première électrode, tangentiellement à la paroi interne de cette dernière, de manière semblable à ce qui est généralement pratiqué pour l'injection, dite tourbillonnaire, du gaz plasmagène dans la chambre d'injection. De tels moyens de soufflage tangentiel peuvent comporter une couronne intérieure et une couronne extérieure coaxiales, ménageant entre elles une chambre annulaire alimentée en gaz de soufflage à travers ladite couronne extérieure, tandis que l'ouverture centrale de ladite couronne intérieure forme au moins approximativement un prolongement de la surface interne de ladite première électrode et que ladite ouverture centrale de la couronne intérieure est reliée à ladite chambre annulaire par au moins un orifice tangentiel à ladite ouverture centrale.
  • Afin d'augmenter encore le rendement de la torche conforme à la présente invention, tout en éliminant les particules arrachées par l'arc à la seconde électrode, il est de plus avantageux que :
    • ladite seconde électrode soit également ouverte à son extrémité éloignée de ladite chambre d'injection, de sorte que l'écoulement dudit plasma est double et s'effectue à travers chacune desdites électrodes ;
    • ladite seconde électrode soit également en communication avec ladite chambre d'injection par l'intermédiaire d'une seconde pièce tubulaire traversée par ledit arc et constituant une seconde chambre de réaction dans laquelle ledit gaz plasmagène donne naissance au plasma sous l'action dudit arc électrique ;
    • il soit prévu des seconds moyens permettant de former une barrière fluide entre ladite seconde électrode et ledit plasma.
  • Bien entendu, ladite seconde électrode et ses éléments associés peuvent comporter les mêmes particularités que celles mentionnées ci-dessus à propos de la première électrode.
  • De préférence, la torche à plasma conforme à la présente invention comporte des moyens de déplacement des pieds d'arc, tels que ceux décrits ci-dessus. Bien entendu, de tels moyens n'ont pas à agir sur les première et seconde pièces tubulaires, mais uniquement sur les électrodes.
  • Par ailleurs, pour amorcer l'arc électrique entre les électrodes, on prévoit des moyens, qui peuvent être, de façon connue, du type à décharge électrique produite entre les deux électrodes ou du type à court-circuit, grâce, par exemple, à l'utilisation d'une électrode auxiliaire de démarrage. Ainsi, il est possible d'amorcer ledit arc électrique entre les parties desdites électrodes, voisines de ladite chambre d'injection (lesdites première et seconde pièces tubulaires), puis d'allonger ledit arc sous l'effet de l'injection tourbillonnaire du gaz plasmagène, jusqu'à ce que les pieds dudit arc se trouvent accrochés à la surface interne desdites parties d'extrémité des électrodes, éloignées de ladite chambre d'injection (électrodes proprement dites).
  • Avantageusement, lesdits moyens d'injection du gaz plasmagène dans ladite chambre permettent d'injecter celui-ci en tourbillons selon des plans perpendiculaires à l'axe commun des électrodes. Ces moyens d'injection peuvent comprendre (voir US-A-5 262 616 mentionné ci-dessus) une pièce de révolution coaxiale auxdites électrodes et définissant avec celles-ci et leurs supports ladite chambre d'injection. Des orifices transversaux sont prévus dans la pièce pour autoriser l'injection du gaz plasmagène, issu d'un circuit d'alimentation, dans la chambre.
  • Dans la torche conforme à l'invention, les températures atteintes par le plasma aux sorties de la torche peuvent dépasser les 5000°C. Aussi, il est indispensable de prévoir des circuits de refroidissement pour les électrodes, comme cela est d'ailleurs usuel pour les torches à plasma.
  • Dans un mode de réalisation de la torche à plasma conforme à la présente invention et spécialement appropriée à la décomposition de l'hydrogène sulfureux, les particularités sont les suivantes :
    • puissance électrique : 500 KW
    • intensité : de 200 à 700 A
    • débit de gaz plasmagène : de 35 à 150 Nm3/h
    • débit de gaz soufflé : de 3 à 15 Nm3/h.
  • De ce qui précède, on comprendra aisément que si, à la sortie ou à chacune des sorties de ladite torche, on dispose un dispositif de trempe (de tout type connu) sur le trajet du plasma, on obtient des produits de très grande pureté.
  • Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables.
  • La figure 1 montre, en coupe longitudinale très schématique, un premier exemple de torche à plasma conforme à la présente invention, permettant d'illustrer le principe inventif de celle-ci.
  • La figure 2 illustre la section, selon la ligne II-II de la figure 1, de l'écoulement fluide à la sortie de la torche à plasma.
  • La figure 3 montre, également en coupe longitudinale très schématique, un second exemple de torche à plasma conforme à la présente invention.
  • La figure 4 est la coupe longitudinale simplifiée d'un mode de réalisation pratique de la torche à plasma de la figure 1.
  • La figure 5 est une coupe transversale, selon la ligne V-V de la figure 4.
  • La figure 6 est la coupe longitudinale simplifiée d'un mode de réalisation pratique de la torche à plasma de la figure 3.
  • L'exemple de réalisation I de la torche à plasma, conforme à la présente invention et représentée de façon très schématique sur la figure 1, comporte une anode 1 et une pièce cathodique 2, tubulaires et coaxiales, disposées en prolongement l'une de l'autre le long d'un axe X-X, de part et d'autre d'une chambre 3 dans laquelle est injecté, de toute manière connue, un gaz plasmagène (flèches P). L'anode 1 et la pièce cathodique sont refroidies de toute façon appropriée et connue, mais non représentée.
  • L'anode 1 est allongée le long de l'axe X-X et comporte, à son extrémité disposée en regard de la chambre d'injection 3, une ouverture 4 mettant en communication l'intérieur de ladite anode 1 avec ladite chambre d'injection 3. En revanche, à son extrémité opposée à la chambre d'injection 3, l'anode 1 est obturée par un fond 5.
  • La pièce cathodique 2 comporte, à son extrémité éloignée de la chambre d'injection 3, une cathode 2A ouverte vers l'extérieur par une ouverture 6. La cathode 2A est prolongée, en direction de la chambre d'injection 3, par une pièce tubulaire 2B faisant partie intégrante de ladite cathode 2A. La cathode 2A présente un diamètre D supérieur au diamètre d de la pièce tubulaire 2B et un épaulement 7 relie la cathode 2A et la pièce tubulaire 2B. Dans cet épaulement 7, sont prévus des orifices 8, répartis autour de l'axe X-X et d'axe au moins sensiblement parallèle à celui-ci. A son extrémité opposée à la cathode 2A, la pièce tubulaire 2B comporte une ouverture 9 mettant en communication l'intérieur de la pièce cathodique 2 avec ladite chambre d'injection 3.
  • En régime établi, un arc électrique 10 traverse la chambre d'injection 3 et la pièce tubulaire 2B et s'accroche, par ses pieds d'extrémité 10a et 10c, respectivement sur la surface interne de l'anode 1 (au voisinage du fond 5 opposé à la chambre d'injection 3) et sur celle de la cathode 2A.
  • Des bobines électromagnétiques 11 et 12, destinées à la rotation des pieds 10a et 10c de l'arc 10 autour de l'axe X-X, entourent respectivement l'anode 1 (au voisinage du fond 5) et la cathode 2A.
  • Ainsi, le courant de gaz plasmagène P pénétrant dans la pièce tubulaire 2B se transforme, dans cette dernière et sous l'action de l'arc 10, en un écoulement de plasma 13, sortant par l'ouverture 6 après avoir traversé la cathode 2A. La pièce tubulaire 2B forme donc une chambre de réaction dans laquelle le gaz plasmagène est transformé en un plasma, à haute pression et à très haute température, comportant des ions des composants dudit gaz plasmagène. Il est évident que la pièce tubulaire 2B peut être dimensionnée pour optimiser le rendement énergétique.
  • De plus, à travers les orifices 8 de l'épaulement 7, est soufflé à la périphérie de l'écoulement de plasma 13 un gaz G, par exemple de l'hydrogène, formant un courant gazeux annulaire 14 à température ambiante et à une pression au moins approximativement égale à celle du plasma s'écoulant dans le même sens que le plasma. Par suite, dans la traversée de la cathode 2A et à la sortie de celle-ci (en aval de l'ouverture 6), l'écoulement de plasma 13 est complètement entouré par une gaine formée par le courant annulaire gazeux 14 et établissant une barrière fluide entre la cathode 2A et l'écoulement de plasma 13 (voir également la figure 2).
  • Il en résulte que les particules de matière de la cathode 2A, qui sont arrachées à la surface intérieure de celle-ci par le pied d'arc 10c, non seulement ne peuvent se mélanger à l'écoulement de plasma 13, mais encore sont évacuées par le courant annulaire gazeux 14. Elles ne peuvent donc polluer l'écoulement de plasma 13. Comme de plus, les particules de matière de l'anode 1, qui sont arrachées à celle-ci par le pied d'arc 10a, restent dans l'anode 1 (ce qui est obtenu du fait que l'anode 1 est longue et que le pied d'arc 10a se trouve au voisinage du fond 5), l'écoulement de plasma 13, comportant des ions des composants du gaz plasmagène, est particulièrement pur.
  • On conçoit aisément que, en aval de l'ouverture 6, un dispositif de trempe (non représenté, mais de tout type connu) permet de séparer le courant gazeux annulaire 14 de l'écoulement de plasma 13, puis d'extraire les composants chimiques contenus sous forme d'ions dans ledit écoulement de plasma 13.
  • Dans la variante d'exemple de réalisation II de la torche à plasma, conforme à la présente invention et représentée de façon très schématique sur la figure 3, on retrouve les éléments 2, 2A, 2B, 3 et 6 à 14 de la figure 1. Toutefois, dans cette variante, l'anode 1 est remplacée par une pièce anodique 1' de constitution semblable à celle de la pièce cathodique 2.
  • A cet effet, la pièce anodique 1' comporte, à son extrémité éloignée de la chambre d'injection 3, une anode 1'A ouverte vers l'extérieur par une ouverture 15. L'anode 1'A est prolongée, en direction de la chambre d'injection 3, par une pièce tubulaire 1'B faisant partie intégrante de ladite anode. L'anode 1'A présente un diamètre D supérieur au diamètre d de la pièce tubulaire 1'B et un épaulement 16 relie l'anode 1'A et la pièce tubulaire 1'B. Dans cet épaulement 16, sont prévus des orifices 17, répartis autour de l'axe X-X et d'axe au moins sensiblement parallèle à celui-ci. A son extrémité opposée à l'anode 1'A, la pièce tubulaire 1'B comporte une ouverture 18 mettant en communication l'intérieur de la pièce anodique 1' avec la chambre d'injection 3.
  • En régime établi, l'arc électrique 10 traverse la chambre d'injection 3 et les pièces tubulaires 1'B et 2B et s'accroche, par ses pieds 10a et 10c, respectivement sur la surface interne de l'anode 1'A et de la cathode 2A.
  • Ainsi, le gaz plasmagène injecté dans la chambre 3 se divise en deux courants, dont l'un pénètre dans la pièce tubulaire 1'B et l'autre dans la pièce tubulaire 2B. Dans ces pièces tubulaires 1'B et 2B, lesdits courants de gaz plasmagène se transforment en deux écoulements de plasma opposés 13 et 19, sortant par les ouvertures 6 et 15, après avoir traversé respectivement la cathode 2A et l'anode 1'A. Les pièces tubulaires 1'B ET 2B forment donc des chambres de réaction dans lesquelles le gaz plasmagène est transformé en plasma.
  • A travers les orifices 8 et 17 des épaulements 7 et 16, sont soufflés, respectivement à la périphérie des écoulements de plasma 13 et 19, des courants gazeux annulaires 14 et 20, à température ambiante et à une pression au moins approximativement égale à celle du plasma, s'écoulant respectivement dans le même sens que lesdits écoulements de plasma 13 et 19. Par suite, dans la traversée de l'anode 1'A et de la cathode 2A et à la sortie de celles-ci (en aval des ouvertures 6 et 15), les écoulements de plasma 13 et 19 sont complètement entourés par des gaines formées respectivement par les courants annulaires gazeux 14 et 20. Ces courants annulaires établissent donc une barrière fluide entre les écoulements de plasma 13 et 19 et la cathode 2A et l'anode 1'A, respectivement, évitant toute pollution desdits écoulements de plasma par les particules de matière arrachées aux électrodes par les pieds d'arc 10a et 10c. Dans l'exemple de réalisation II de la figure 3, on prévoit un dispositif de trempe (non représenté) en aval de chacune des ouvertures 6 et 15.
  • Sur la figure 4, on a représenté un mode de réalisation pratique de l'exemple I de la figure 1. On peut y voir que le corps tubulaire 30 de la torche à plasma, entourant l'anode 1 et la pièce cathodique 2, est constitué (à des fins de simplicité de construction) d'une pluralité de tronçons 30A, 30B, 30C ... coaxiaux entre eux et auxdites électrodes et assemblés de façon étanche l'un au bout de l'autre. De plus, des moyens de raccord 31 sont prévus pour raccorder de façon étanche l'extrémité ouverte 6, éloignée de la chambre d'injection 3, de la cathode 2A à un dispositif de trempe (non représenté). Des conduits 32 et 33 sont respectivement prévus autour de l'anode 1 et de la pièce cathodique 2 pour la circulation d'un fluide de refroidissement de celles-ci.
  • Les moyens 34 d'injection du gaz plasmagène dans la chambre d'injection 3 sont du type à injection en tourbillons, tels que ceux décrits dans US-A-5 262 616. Ils sont constitués par une pièce de révolution, coaxiale à l'axe X-X et comportent une gorge annulaire 35, alimentée en gaz plasmagène (flèches P) et reliée à la chambre d'injection 3 par des orifices transversaux 36.
  • Pour amorcer l'arc électrique 10 entre les électrodes, il est prévu un dispositif d'amorçage à court-circuit 37, du type connu avec électrode auxiliaire de démarrage 38. Ainsi, l'arc 10 peut être amorcé entre les parties de l'anode 1 et de la pièce tubulaire 2B, voisines de la chambre d'injection 3, puis allongé sous l'effet de l'injection tourbillonnaire du gaz plasmagène, jusqu'à ce que les pieds 10a et 10b dudit arc se trouvent accrochés à la surface interne de l'anode 1 près du fond 5 et à celle de la cathode 2A, dans le champ des bobines 11 et 12.
  • Entre la pièce tubulaire 2B et la cathode 2A, la torche de la figure 4 (voir également la figure 5) comporte un tronçon 30E constituant le dispositif S de soufflage tangentiel de l'écoulement tubulaire fluide 14, entourant l'écoulement de plasma 13.
  • Par analogie avec les moyens 33 d'injection du gaz plasmagène dans la chambre d'injection 3, le dispositif de soufflage S comporte une couronne intérieure 39 (traversée par les conduits de refroidissement 33) et une couronne extérieure 40 coaxiales à l'axe X-X, ménageant entre elles une chambre annulaire 41, alimentée en gaz de soufflage (voir les flèches G) à travers ladite couronne extérieure 40. L'ouverture centrale 42 de la couronne intérieure 39 présente le diamètre D et forme au moins approximativement un prolongement de la surface interne de la cathode 2A. Cette ouverture centrale 42 forme donc la transition entre la surface interne de la pièce tubulaire 2B de diamètre d et la surface interne de la cathode 2A de diamètre D. Elle est reliée à la chambre annulaire 41 par des orifices 43, tangentiels à sa surface interne.
  • Dans le mode de réalisation pratique de l'exemple II de la torche à plasma, conforme à la présente invention et représentée en coupe sur la figure 6, on a, par rapport au mode de réalisation pratique des figures 4 et 5, remplacé l'anode 1 par la pièce anodique 1', semblable (mais opposée le long de l'axe X-X) à la pièce cathodique 2. En effet, la pièce anodique 1' comporte l'anode 1'A et la pièce tubulaire 1'B, reliées par un dispositif de soufflage tangentiel S'. L'anode 1'A, la pièce tubulaire 1'B et le dispositif de soufflage S' sont respectivement identiques à la cathode 2A, à la pièce tubulaire 2B et au dispositif de soufflage S. Des moyens de raccord 44 sont prévus pour raccorder de façon étanche l'extrémité ouverte 15, éloignée de la chambre d'injection 3, de l'anode 1'A à un dispositif de trempe (non représenté).

Claims (20)

  1. Torche à plasma d'arc à courant continu, notamment destinée à l'obtention d'un corps chimique à partir d'un gaz plasmagène (P) comportant ledit corps, ladite torche comprenant :
    - une première électrode et une seconde électrode, lesdites électrodes étant tubulaires, coaxiales et disposées en prolongement l'une de l'autre, de part et d'autre d'une chambre (3) d'injection dudit gaz plasmagène, lesdites électrodes étant ouvertes à leurs extrémités en regard de ladite chambre d'injection, et
    - des moyens (34) pour injecter un courant du gaz plasmagène dans ladite chambre d'injection,
    l'arc (10) entre lesdites électrodes traversant ladite chambre d'injection et s'accrochant par des pieds d'extrémité (10c, 10a) respectivement à la surface interne desdites électrodes, tandis que ladite première électrode (2) est ouverte à son extrémité éloignée de ladite chambre d'injection pour permettre l'écoulement, hors de la torche, du plasma (13) engendré par ledit arc,
    caractérisée en ce que :
    - ladite première électrode (2A) est en communication avec ladite chambre d'injection (3) par l'intermédiaire d'une première pièce tubulaire (2B) traversée par ledit arc (10) et constituant une première chambre de réaction dans laquelle ledit gaz plasmagène (P) donne naissance au plasma (13) sous l'action dudit arc électrique (10) ; et
    - il est prévu des premiers moyens (7, 8, S) permettant de former une barrière fluide (14) entre ladite première électrode (2A) et ledit plasma (13).
  2. Torche à plasma selon la revendication 1,
    caractérisée en ce que ladite première pièce tubulaire (2B) est solidaire de ladite première électrode (2A).
  3. Torche à plasma selon la revendication 2,
    caractérisée en ce que ladite première pièce tubulaire (2B) et ladite première électrode (2A) forment une seule pièce (2).
  4. Torche à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 3,
    caractérisée en ce que lesdits premiers moyens pour former ladite barrière fluide sont constitués par des premiers moyens de soufflage (7, 8, S) engendrant, sur la paroi interne de ladite première électrode (2A), un premier écoulement tubulaire (14) d'un gaz à pression au moins approximativement égale à celle du plasma et à température très inférieure à celle dudit plasma (13), ledit premier écoulement tubulaire fluide (14) entourant ledit écoulement du plasma (13) et s'écoulant dans le même sens que celui-ci.
  5. Torche à plasma selon la revendication 4,
    caractérisée en ce que le gaz (G) dudit premier écoulement tubulaire est l'hydrogène.
  6. Torche à plasma selon l'une des revendications 4 ou 5,
    caractérisée en ce que ladite première électrode (2A) présente un plus grand diamètre (D) que ladite première pièce tubulaire (2B) et en ce que lesdits premiers moyens de soufflage (7, 8, S) sont disposés entre ladite première pièce tubulaire et ladite première électrode.
  7. Torche à plasma selon l'une des revendications 4 à 6,
    caractérisée en ce que le gaz dudit premier écoulement tubulaire est soufflé sur la paroi interne de ladite première électrode, parallèlement à l'axe de cette dernière.
  8. Torche à plasma selon l'une des revendications 4 à 6,
    caractérisée en ce que le gaz dudit premier écoulement tubulaire est soufflé à l'intérieur de ladite première électrode, tangentiellement à la paroi interne de cette dernière.
  9. Torche à plasma selon la revendication 8,
    caractérisée en ce que lesdits premiers moyens de soufflage tangentiel (S) comportent une couronne intérieure (39) et une couronne extérieure (40) coaxiales, ménageant entre elles une chambre annulaire (41) alimentée en gaz de soufflage (G) à travers ladite couronne extérieure (40), tandis que l'ouverture centrale (42) de ladite couronne intérieure (39) forme au moins approximativement un prolongement de la surface interne de ladite première électrode (2A) et que ladite ouverture centrale (42) de la couronne intérieure est reliée à ladite chambre annulaire par au moins un orifice (43) tangentiel à ladite ouverture centrale.
  10. Torche à plasma selon l'une des revendications 1 à 9,
    caractérisé en ce que :
    - ladite seconde électrode (1'A) est également ouverte à son extrémité éloignée de ladite chambre d'injection (3), de sorte que l'écoulement dudit plasma est double (13, 19) et s'effectue à travers chacune desdites électrodes ;
    - ladite seconde électrode (1'A) est également en communication avec ladite chambre d'injection (3) par l'intermédiaire d'une seconde pièce tubulaire (1'B) traversée par ledit arc (10) et constituant une seconde chambre de réaction dans laquelle ledit gaz plasmagène (P) donne naissance au plasma sous l'action dudit arc électrique ;
    - il est prévu des seconds moyens (16, 17, S') permettant de former une barrière fluide (20) entre ladite seconde électrode (1'A) et ledit plasma (19).
  11. Torche à plasma selon la revendication 10,
    caractérisée en ce que ladite seconde pièce tubulaire (1'B) est solidaire de ladite seconde électrode (1'A).
  12. Torche à plasma selon la revendication 11,
    caractérisée en ce que ladite seconde pièce tubulaire (1'B) et ladite seconde électrode (1'A) forment une seule pièce (1').
  13. Torche à plasma selon l'une quelconque des revendications 10 à 12,
    caractérisée en ce que lesdits seconds moyens pour former ladite barrière fluide sont constitués par des seconds moyens de soufflage (16, 17, S') engendrant, sur la paroi interne de ladite seconde électrode (1'A), un second écoulement tubulaire (20) d'un gaz à pression au moins approximativement égale à celle du plasma et à température très inférieure à celle dudit plasma (13), ledit second écoulement tubulaire fluide (20) entourant ledit écoulement du plasma (19) et s'écoulant dans le même sens que celui-ci.
  14. Torche à plasma selon la revendication 13,
    caractérisée en ce que le gaz dudit second écoulement tubulaire est l'hydrogène.
  15. Torche à plasma selon l'une des revendications 13 ou 14,
    caractérisée en ce que ladite seconde électrode (1'A) présente un plus grand diamètre (D) que ladite seconde pièce tubulaire (1'B) et en ce que lesdits seconds moyens de soufflage sont disposés entre ladite seconde pièce tubulaire et ladite seconde électrode.
  16. Torche à plasma selon l'une des revendications 13 à 15,
    caractérisée en ce que le gaz dudit second écoulement tubulaire est soufflé sur la paroi interne de ladite seconde électrode, parallèlement à l'axe de cette dernière.
  17. Torche à plasma selon l'une des revendications 13 à 15,
    caractérisée en ce que le gaz dudit second écoulement tubulaire est soufflé à l'intérieur de ladite seconde électrode, tangentiellement à la paroi interne de cette dernière.
  18. Torche à plasma selon la revendication 17,
    caractérisée en ce que lesdits seconds moyens de soufflage tangentiel (S') comportent une couronne intérieure (39) et une couronne extérieure (40) coaxiales, ménageant entre elles une chambre annulaire (41) alimentée en gaz de soufflage (G) à travers ladite couronne extérieure (40), tandis que l'ouverture centrale (42) de ladite couronne intérieure (39) forme au moins approximativement un prolongement de la surface interne de ladite seconde électrode (1'A) et que ladite ouverture centrale (42) de la couronne intérieure est reliée à ladite chambre annulaire par au moins un orifice (43) tangentiel à ladite ouverture centrale.
  19. Torche à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 18,
    caractérisée en ce qu'elle est constituée d'une pluralité de tronçons (30A, 30B, ...) coaxiaux entre eux et auxdites électrodes et assemblés de façon étanche l'un au bout de l'autre.
  20. Torche à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 19,
    caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens (31, 44) pour raccorder de façon étanche l'extrémité ouverte, éloignée de la chambre d'injection (3), d'une électrode à un dispositif de trempe dudit plasma.
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