NO174450B - Anordning ved plasmabrenner for kjemiske prosesser - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en plasmabrenner med ikke overført lysbue beregnet for energitilførsel for eksempel til kjemiske prosesser. Plasmabrenneren er utført med flere rørformede elektroder som er plassert koaksialt innenfor hverandre, og minst to av elektrodene er elektrisk isolert fra hverandre. Elektrodene er tilkoblet en elektrisk kraftforsyning og kan tilkobles likestrøm eller vekselstrøm. Elektrodene består av et ikke-metallisk materiale med høyt smeltepunkt. Plasmadannende gass og/eller reaktant kan tilføres gjennom senterelektroden og i de ringformede mellomrommene mellom elektrodene. Høytemperaturplasma dannes ved hjelp av gassen som oppvarmes av den elektriske lysbuen som løper mellom elektrodene. Plasmabrenneren er forsynt med et aksielt magnetfelt i lysbuens virksomhetsområde.

For å oppnå ønskede kjemiske reaksjoner i gasser eller i blandinger av gass og væske eller faste partikler må det i enkelte tilfeller tilføres energi. Noen slike kjemiske reaksjoner i gasser foregår ved meget høye temperaturer, av størrelsesorden 1000 til 3000 grader. Det er også nødvendig å kunne kontrollere gassmengde og temperatur for å kunne styre og regulere en slik kjemisk prosess. Ved å utnytte teknologien med å oppvarme gass i en elektrisk lysbue i en plasmabrenner kan ovennevnte krav oppnås.

Fra GB 1 227 179, GB 2 014 412, GB 2 116 408, DE 33 28 777 og DE 38 40 485 er kjent plasmabrennere med overført lysbue hvor lysbuen løper mellom plasmabrenneren som danner den ene elektroden, og et ytre arbeidsstykke eller et smeltebad som danner den andre elektroden. Plasmabrenneren kan være utført med en eller to rørformede elektroder omgitt av en eller flere rørformede hylser plassert koaksialt innenfor hverandre. Hylsene er imidlertid ikke benevnt som elektroder, og de tilkobles eventuelt elektrisk strøm kun i korte perioder ved tenning eller for å opprettholde lysbuen når et arbeidsstykke skal skiftes.

DE 21 62 290 beskriver en plasmabrenner hvor senterelektroden kan være utformet som et dobbeltvegget rør. De koaksiale rørveggene har høy elektrisk motstand og tjener som en belastningsmotstand i strømtilførselen for å stabilisere lysbuen som har fallende spenningskarakteristikk som funksjon av strømmen.

US 3 521 106 beskriver en plasmabrenner med to væskekjølte elektroder plassert aksielt ved siden av hverandre. Den ene elektroden er forskyvbar i aksiell retning og regulerer bredden av en konisk kanal. Plasmadannende gass ledes gjennom kanalen og gassmengden kan derved reguleres. Tilført effekt til plasmabrenneren er avhengig av gassgjennomstrømningen.

De hittil kjente plasmabrennere har først og fremst vært anvendt til oppvarming av gass for sveising og skjæring av stål, til oppvarming i metallurgiske prosesser og ved forsøk til laboratorieformål. Da de ofte har et høyt forbruk av plasmagass, fordi det er gasstransporten gjennom brenneren som fører bort varmen som genereres i lysbuen, vil de ha mindre gunstig varmeøkonomi ved noen former for anvendelse.

Hensikten med foreliggende oppfinnelse er derfor å tilveie-bringe en plasmabrenner som har god varmeøkonomi, har lang elektrodelevetid og som har en driftsikker konstruksjon som egner seg for industriell anvendelse.

Denne hensikt oppnås med en plasmabrenner som er kjennetegnet ved det som fremgår av kravene.

Plasmabrenneren består av flere rørformede elektroder plassert koaksialt utenfor hverandre. I en ende er plasmabrenneren lukket, den andre ende er åpen. Elektrodene er aksielt forskyvbare i forhold til hverandre. Elektrodene er fortrinnsvis elektrisk isolert fra hverandre og har tilkoblinger for elektrisk effekt. Gjennom den indre elektrode og i mellomrommet mellom elektrodene er det anordnet tilkoblinger for innføring av gass. Høytemperatur plasma dannes av gassen som oppvarmes og ioniseres av den elektriske lysbuen.

Ved oppfinnelsen er tre eller flere rørformede elektroder plassert koaksialt utenfor hverandre. I sin enkleste form er brenneren utført med tre elektroder, en senterelektrode, deretter en hjelpeelektrode og tilslutt en ytterelektrode. Ved andre utførelser kan en eller flere elektroder plasseres koaksialt utenfor ytterelektroden. Mellom elektrodene dannes ringformede passasjer. Gjennom senterelektroden og i de ringformede passasjene kan plasmadannende gass og/eller reaktant føres inn.

Som plasmadannende gass kan for eksempel en inert gass som nitrogen eller argon anvendes. En slik gass vil vanligvis ikke ta del i eller påvirke den kjemiske reaksjonen som foregår i brenneren. Den plasmadannende gass kan også være samme gassart som dannes som et produkt fra reaksjonen i plasmabrenneren.

Reaktanten kan være ren gass eller gass blandet med væske eller med faste partikler som man ønsker det skal foretas kjemiske reaksjoner med i plasmaflammen, for eksempel en termisk spalting. Reaktanten kan i seg selv også være den plasmadannende gass.

Elektrodene i plasmabrenneren er massive og kan være forbrukbare. Som elektrodemateriale anvendes fortrinnsvis grafitt, som har høyt smeltepunkt og trenger lite kjøling. Dette betyr en vesentlig forenkling i utførelsen av plasmabrenneren og er viktig for å bedre brennerens energivirkningsgrad.

Elektrodene er aksielt forskyvbare i forhold til hverandre. En innbyrdes justering av elektrodene gir muligheter til å endre lysbuens gjennomsnittlige lengde og dermed driftsspenningen, som igjen har betydning for varmeytelsen. Dessuten kan lysbuens form endres. Hvis den ytre elektrode er justert slik at den rager utenfor senterelektroden, vil plasmasonen få form av en trakt og gi en heftig varmetilførsel til reaktanten som tilføres i sentrum av plasmasonen. Hvis senterelektroden er justert slik at den rager utenfor ytre elektrode, vil plasmasonen få form av en spiss og overføre en større del av varmen til det omliggende kammeret og mindre direkte til reaktanten som tilføres i sentrum. Den aksielle posisjon av elektrodene kan på denne måte innstilles etter egenskapene til mediet som skal oppvarmes.

Plasmabrenneren tilføres elektrisk effekt fra et strømfor-syningsanlegg. Elektrodene tilkobles strømforsyningen gjennom ledere, om nødvendig kjølte. Plasmabrenneren kan tilføres vekselstrøm eller fortrinnsvis likestrøm.

Plasmabrennerens elektroder kan kobles sammen på to forskjellige måter. Hjelpeelektroden kan enten kobles til senterelektroden eller til ytre elektrode. Når likestrøm benyttes kan derfor fire forskjellige koblinger anvendes.

En mulig kobling er at hjelpeelektroden kobles til den ytre elektrode slik at disse to elektrodene ligger på samme potensiale. De kobles fortrinnsvis til positiv spenning som anode. Senterelektroden kobles da til negativ spenning og er katode.

Med denne koblingen kan polariteten byttes om slik at senterelektroden tilkobles positiv spenning som anode og de to sammenkoblede elektrodene tilkobles negativ spenning som katode.

En annen mulig kobling er at hjelpeelektroden kobles sammen med senterelektroden slik at de to elektrodene får samme potensiale. De kobles da fortrinnsvis til positiv spenning som anode og ytterelektroden til negativ spenning som katode.

Med denne koblingen kan også polariteten på elektrodene byttes om slik at de to sammenkoblede elektrodene kobles til negativ spenning som katode og ytterelektroden til positiv spenning som anode.

En ytterligere mulig kobling er at hjelpeelektroden har en noe forskjellig spenning enn elektroden den er koblet sammen med.

Når den førstnevnte koblingen som beskrevet ovenfor anvendes, så ligger den ytre elektroden og dens holder samt hjelpeelektroden og dens holder fortrinnsvis på jordpotensiale. Det er dermed ikke berøringsfare forbundet med de to nevnte elektroder og deres holdere. Senterelektroden og dens holder ligger på en viss spenning i forhold til jord og er derfor elektrisk isolert mot utstyret benyttet til aksiell posisjonering.

Hensikten med å utforme brenneren med en ytre elektrode og en innenforliggende hjelpeelektrode, hvor begge disse elektrodene er koblet til samme spenning, er å oppnå en sikker tenning av lysbuen og en stabil gjentenningsanordning for plasmabrenneren.

Hjelpeelektroden er av avgjørende betydning ved igangsetting av brenneren ved kald plasmagass og for oppnåelse av stabil drift ved lave elektrodetemperaturer.

Prøver har også vist at en brenner utstyrt med en hjelpeelektrode gir stabil drift ved lavere elektrodetemperaturer enn en brenner uten hjelpeelektrode når en og samme plasmagass anvendes.

Hjelpeelektroden sørger for en sikker tenning av brenneren når driftsspenningen tilkobles elektrodene. Hjelpeelektroden er plassert så nær senterelektroden at en elektrisk gnist slår over mellom dem når spenningen tilkobles og en lysbue dannes umiddelbart. Hjelpeelektroden kan derfor karakteriseres som en tennelektrode. Avstanden som velges mellom elektrodene bestemmes først og fremst av driftsspenningen, men den er også avhengig av andre faktorer som for eksempel hvilken type plasmadannende gass som anvendes.

Magnetiske krefter vil bevege lysbuen til enden av elektrodene og ut i rommet utenfor enden av elektrodene, og når en lysbue først er tent har den en evne til å oppnå større lengde ved samme spenning mellom elektrodene. Derved vil dens fotpunkt på hjelpeelektroden vandre utover og den vil deretter hoppe over til ytre elektrode som ligger på samme potensiale. Dette skjer i løpet av kort tid slik at erosjonen på hjelpeelektroden blir liten i forhold til erosjonen på ytterelektroden og senterelektroden hvor lysbuen har sine fotpunkter størstedelen av tiden.

Hjelpeelektroden er forskyvbar i aksiell retning i forhold til ytre elektrode. Under drift trekkes den tilbake, men ikke lenger enn at senterelektrodens overflate rett overfor hjelpeelektrodens ende har høy nok temperatur til at den lett kan avgi elektroner og derved sikre gjentenningen. Hjelpeelektroden er imidlertid trukket så langt tilbake at den ikke kontinuerlig danner fotpunktet for lysbuen.

Ytterelektroden og hjelpeelektroden har samme spenning. Sammenkoblingen kan være utført i brenneren eller utenfor denne. Hvis sammenkoblingen er utført i brenneren benyttes vanligvis ikke elektrisk isolasjon mellom disse to elektrodene.

Det kan imidlertid anordnes et reguleringssystem for innstil-ling av den aksielle posisjon av hjelpeelektroden slik at den gjennomsnittlige strømstyrke gjennom den blir minimert. Dermed reduseres slitasjen av hjelpeelektroden vesentlig. Ytterelektroden og hjelpeelektroden er da elektrisk isolert fra hverandre. Dermed kan strømmen gjennom disse elektrodene måles uavhengig av hverandre og gi verdier til reguleringsutstyret.

Reguleringsutstyret kan i tillegg styre ettermatingen'av senterelektroden og/eller ytterelektroden når forbrukbare elektroder anvendes. Under drift vil strømmen gjennom hjelpeelektroden øke med avvirkningen av disse elektrodene, og når strømmen når et på forhånd valgt nivå ellermates elektrodene.

Det viser seg at lysbuen i plasmabrennere utformet ifølge oppfinnelsen skyves ut mot endene av elektrodene og ut i rommet utenfor endene av dem. Dette skjer på grunn av de elektromagnetiske kreftene som oppstår i lysbuen og at gass som tilføres presser den utover. Tilslutt kan lysbuen bli så lang at den brytes og slukker derved.

Når lysbuen slukker mellom ytterelektroden og senterelektroden vil den umiddelbart gjentennes mellom hjelpeelektroden og senterelektroden. Ved vanlig drift viser det seg at lysbuen kontinuerlig slukker og må gjentennes, slik at en hjelpeelektrode ifølge beskrivelsen er helt nødvendig for kontinuerlig drift av en plasmabrenner ifølge oppfinnelsen.

Plasmabrenneren er utført med en ringformet magnetspole eller

en ringformet permanentmagnet som er plassert utenfor elektrodene, enten rundt enden av elektrodene i det område av brenneren hvor lysbuen dannes eller nær dette området. Magnetspolen eller permanentmagneten er anordnet slik at den setter opp et aksielt magnetfelt i dette område av brenneren. Derved oppnås at

lysbuen roterer om brennerens senterakse. Dette er viktig for brennerens driftsstabilitet.

Et eller flere legemer av ferromagnetisk materiale kan plasseres langs brennerens senterakse. Et slikt legeme vil konsentrere magnetfeltet i lysbuens virksomhetsområde og eventuelt lede magnetfeltet fra et område med et sterkere aksielt magnetfelt til lysbuesonen. Slike legemer og plasser-ingen av dem er beskrevet i søkerens norske patentsøknad nr. 91 4910.

Magnetfeltet vil dessuten hindre at lysbuen går fra et bestemt punkt på den indre elektrode til et bestemt punkt på den ytre elektrode og forårsake kraterdannelse og sår på elektrode-overflåtene. Påvirket av magnetfeltet vil lysbuen rotere langs periferien av disse elektrodene, slik at jevn erosjon av elektrodeoverflaten oppnås og elektrodeslitasjen reduseres vesentlig. Som en følge av dette kan strømbelastningen på elektrodene økes.

Oppfinnelsen vil i det følgende bli belyst nærmere under henvisning til tegninger som skjematisk viser en utførelses-form av plasmabrenneren.

Figuren viser et vertikalt snitt av en plasmabrenner i henhold til foreliggende oppfinnelse.

Plasmabrenneren vist på figur 1 består av en ytterelektrode 1, en hjelpeelektrode 2 og en senterelektrode 3. Elektrodene er rørformede og er plassert koaksialt innenfor hverandre. Elektrodene er aksialt forskyvbare i forhold til hverandre. Utstyr for aksial posisjonering av elektrodene, for eksempel hydrauliske eller pneumatiske sylindre, er ikke vist på figuren.

Elektrodene er massive og kan være forbrukbare, dvs. de kan mates kontinuerlig frem, etter hvert som de eroderes eller slites. De trenger derfor ikke intern kjøling med kjølevæske, noe som betyr en vesentlig forenkling av plasmabrenneren. Som elektroder kan alle typer elektrisk ledende materialer benyttes, fortrinnsvis høytsmeltende materialer som wolfram, silisiumkarbid eller grafitt. Valg av materiale vil også være avhengig av deres bestandighet mot atmosfæren i bruksområdet under den aktuelle prosessen.

Plasmabrenneren er lukket i en ende ved hjelp av ringformede isolasjonsskiver 5, 6 og 7. Isolasjonsskivene tjener samtidig som tetning mellom elektrodene.

Gjennom senterelektroden 3 og i de ringformede mellomrommene mellom elektrodene kan plasmadannende gass og/eller reaktant tilføres. Tilførselsrørene for gass til plasmabrenneren gjennom isolasjonsskivene er ikke tatt med på tegningen.

Plasmabrenneren er utformet slik at reaktant kan tilføres gjennom senterelektroden 3 i et eget innføringsrør 4. Et egnet innføringsrør er for eksemnpel beskrevet i søkerens norske patentsøknad nr. 91 4911.

Da elektrodene fortrinnsvis er forbrukbare, er senterelektroden 3 skjøtbar under drift og aksielt forskyvbar slik at dens endeposisjon kan innstilles etter ønske.

Elektrodene tilføres elektrisk effekt fra et strømforsynings-anlegg som ikke er vist på figuren. Strømforsyningen tilføres elektrodene gjennom kabler 8,9 og 10 som er vist som linjer på figuren.

Ytterelektrodens kabel 10 og mellomelektrodens kabel 9 er koblet sammen utenfor brenneren ved hjelp av en overkobling eller en lask 11. Denne sammenkoblingen er utført før tilkob-lingen av de eventuelt innkoblede måleinstrumentene som registrer strømmen gjennom elektrodene. Ytterelektroden 1 og mellomelektroden 2 har derfor samme potensiale og er fortrinnsvis tilkoblet positiv spenning som anode. Senterelektroden 3 er fortrinnsvis tilkoblet negativ spenning som katode.

En ringformet magnetspole 12 eller en ringformet permanentmagnet er plassert rundt elektrodene fortrinnsvis utenfor det området hvor lysbuen dannes. Magnetspolen 12 eller permanentmagneten vil sette opp et aksielt magnetfelt i dette området av brenneren.

Hjelpeelektroden 2 og senterelektroden 3 er dimensjonert slik at den radielle avstand mellom dem er liten. Når spenningen tilkobles vil det slå en elektrisk gnist mellom elektrodene og en lysbue dannes. Driftsspenningen og elektrodeavstanden er tilpasset slik at overslag alltid vil finne sted. På grunn av dette oppnås derfor en sikker tenning av plasmabrenneren.

Magnetiske krefter vil bevege lysbuen til enden av elektrodene, og når en lysbue først er tent har den en evne til oppnå større lengde ved samme spenning mellom elektrodene. Lysbuens fotpunkt vil vandre utover hjelpeelektroden 2 i radiell retning og over på ytterelektroden 1 som har samme potensiale. Etter at lysbuen er tent vil den derfor gå mellom senterelektroden 3 og ytterelektroden 1.

Hjelpeelektroden 2 er forskyvbar i aksiell retning. Under drift trekkes den tilbake fra plasmasonen. Hjelpeelektroden 2 er da trukket så langt tilbake at den ikke lenger danner fotpunktet for lysbuen, som isteden foretrekker å gå fra ytterelektroden 1 over til senterelektroden 3. Den optimale posisjon for hjelpeelektroden 2 kan innstilles ved hjelp av et regulerings-utstyr som for eksempel måler strømmen gjennom den. Optimal posisjon oppnås når gjennomsnittlig strømstyrke gjennom hjelpeelektroden 2 når minimum.

Lysbuen i en plasmabrenner ifølge oppfinnelsen vil skyves ut fra enden av elektrodene. Årsaken er egne elektromagnetiske krefter i lysbuen og gassen som strømmer ut i mellomrommet mellom elektrodene og presser lysbuen utover. Til slutt blir lysbuen så lang at den brytes og slukker.

Når lysbuen slukker mellom ytterelektroden 1 og senterelektroden 3 vil den øyeblikkelig gjentennes mellom hjelpeelektroden 2 og senterelektroden 3. Feltstyrken mellom disse elektrodene er tilstrekkelig til at elektroner emitteres fra katodeflaten, som har høy temperatur, slik at lysbuen tenner momentant. Det registreres derfor ikke strømavbrudd fordi hovedstrømmen vil flytte fra ytterelektroden 1 til hjelpeelektroden 2.

Deretter vil lysbuens fotpunkt gå fra hjelpeelektroden 2 til ytterelektroden 1. Elektrodene har så høy temperatur at de avgir elektroner til området rundt seg og en lysbue mellom ytterelektroden 1 og senterelektroden 3 dannes pånytt bare få millisekunder etter at den er slukket.

Under drift viser det seg at lysbuen kontinuerlig slukker og gjentennes som beskrevet ovenfor. Hjelpeelektroden 2 som også kan karakteriseres som en tennelektrode er derfor helt nødvendig for kontinuerlig drift av en plasmabrenner ifølge oppfinnelsen.

Claims (3)

1. Plasmabrenner med ikke-overført lysbue beregnet for energitilførsel for eksempel til kjemiske prosesser, hvor plasmabrenneren omfatter flere rørformede elektroder plassert koaksialt innenfor hverandre, hvor minst to av elektrodene er elektrisk isolert fra hverandre, har tilkoblinger for elektrisk strøm og kan tilkobles likestrøm eller vekselstrøm og er forsynt med et aksielt magnetfelt i lysbuens virksomhetsområde, hvor elektrodene består av et ikke-metallisk materiale med høyt smeltepunkt, og hvor plasmadannende gass og/eller reaktant kan tilføres gjennom senterelektroden og i de ringformede mellomrommene mellom elektrodene karakterisert ved at det benyttes minst tre elektroder som utgjør et sett av ytterelektrode (1), hjelpeelektrode (2) og senterelektrode (3), hvor elektrodene (1, 2 og 3) er aksielt forskyvbare i forhold til hverandre og hvor hjelpeelektroden (2) utgjør en tennelektrode som er elektrisk tilkoblet en av de andre elektrodene (1, 3) slik at de to elektrodene har samme polaritet og spenning og hvor hjelpeelektroden (2) under drift er trukket tilbake fra plasmasonen.

2. Plasmabrenner i henhold til krav 1, karakterisert ved et reguleringssystem for regulering av hjelpeelektrodens (2) avstand fra plasmasonen slik at strømmen gjennom den blir et minimum.

3. Plasmabrenner i henhold til krav 1, karakterisert ved at den radielle avstand mellom hjelpeelektroden (2) tilkoblet en pol og elektroden (1 eller 3) tilkoblet den andre pol i strømtilførselen er slik dimensjonert at overslag finner sted når driftsspenningen tilkobles.