RU2575202C1 - Direct-current electric arc plasmatron for waste plasma-processing plants - Google Patents
Direct-current electric arc plasmatron for waste plasma-processing plants Download PDFInfo
- Publication number
- RU2575202C1 RU2575202C1 RU2014140125/07A RU2014140125A RU2575202C1 RU 2575202 C1 RU2575202 C1 RU 2575202C1 RU 2014140125/07 A RU2014140125/07 A RU 2014140125/07A RU 2014140125 A RU2014140125 A RU 2014140125A RU 2575202 C1 RU2575202 C1 RU 2575202C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cathode
- anode
- nozzle
- rods
- plasma torch
- Prior art date
Links
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 title abstract description 16
- 238000004157 plasmatron Methods 0.000 title abstract description 12
- 239000002699 waste material Substances 0.000 title abstract description 12
- 239000003779 heat-resistant material Substances 0.000 claims abstract description 3
- 210000002381 Plasma Anatomy 0.000 claims description 60
- 235000010599 Verbascum thapsus Nutrition 0.000 claims description 46
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 36
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 10
- VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N Hafnium Chemical compound [Hf] VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 8
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 7
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 7
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N oxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 230000002093 peripheral Effects 0.000 claims description 6
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 3
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 claims description 3
- 239000000110 cooling liquid Substances 0.000 claims description 2
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 abstract 1
- 230000003628 erosive Effects 0.000 description 7
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 3
- TWXTWZIUMCFMSG-UHFFFAOYSA-N nitride(3-) Chemical compound [N-3] TWXTWZIUMCFMSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000004544 spot-on Substances 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002910 solid waste Substances 0.000 description 2
- 206010011878 Deafness Diseases 0.000 description 1
- 239000010405 anode material Substances 0.000 description 1
- 239000010425 asbestos Substances 0.000 description 1
- 239000010406 cathode material Substances 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- -1 for example Substances 0.000 description 1
- 239000002920 hazardous waste Substances 0.000 description 1
- 239000002440 industrial waste Substances 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 238000004064 recycling Methods 0.000 description 1
- 229910052895 riebeckite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Изобретение относится к области переработки отходов и может быть использовано на промышленных предприятиях, а также в коммунальном хозяйстве.The invention relates to the field of waste processing and can be used in industrial enterprises, as well as in public utilities.
Одним из перспективных направлений в области утилизации отходов является плазменная переработка отходов. При этом достигается экологическая чистота процесса переработки и обеспечивается переработка различных отходов: бытовых промышленных, а также опасных отходов.One of the promising areas in the field of waste management is the plasma processing of waste. At the same time, ecological purity of the recycling process is achieved and the processing of various wastes is ensured: household industrial as well as hazardous wastes.
Уровень техникиState of the art
Из уровня техники известны различные способы плазменной переработки твердых отходов: патент РФ №2213766, патент РФ №2201407, патент РФ №2504443, патент РФ №2503709, патент США №5370067. Общим для этих способов является то, что отходы подают в камеру термической обработки, в которой их обрабатывают потоком плазмы, генерируемым в одном или нескольких плазмотронах. Каждый плазмотрон устанавливают в соответствующем канале в стенке камеры термической обработки.Various methods for plasma processing of solid waste are known from the prior art: RF patent No. 2213766, RF patent No. 2201407, RF patent No. 2504443, RF patent No. 2503709, US patent No. 5370067. Common to these methods is that the waste is fed into a heat treatment chamber, in which it is treated with a plasma stream generated in one or more plasmatrons. Each plasmatron is installed in the corresponding channel in the wall of the heat treatment chamber.
Известен ряд технических решений плазмотронов с «длинной» дугой (патент США №3673375, патент США №4559439), предназначенных для подачи нагретого до высоких температур плазмообразующего газа в установки плазменной переработки отходов.A number of technical solutions are known for plasmatrons with a "long" arc (US patent No. 3673375, US patent No. 4559439), intended for supplying plasma-forming gas heated to high temperatures to plasma waste treatment plants.
Известен плазмотрон для установок по переработке отходов, раскрытый в работе «Treatment technology for waste containing asbestos by plasma energy», H.S. Park, H.N. Lee, S.S. Kwon, H.I. Kim, S.J. Kim, Y.G. Hong, V International Conference «Plasma Physics and Plasma Technologies», Minsk, 2006, p. 828-831. Недостатком этого технического решения является небольшой срок службы плазмотрона. Технически в его конструкции отсутствует «посадка» дугового разряда на торцевую поверхность полого глухого электрода (анода или катода, в зависимости от полярности), выполненного в виде стакана. В результате дуговой разряд (анодное или катодное пятно разряда, в зависимости от полярности) «садится» на боковую поверхность электрода, толщина боковой стенки которого меньше толщины торцевой стенки. Следствием такой «посадки» дугового разряда является небольшой срок службы электродов. Кроме того, большая глубина электрода, более 3-х его диаметров, приводит при эксплуатации плазмотрона к нестабильности газодинамического режима течения газа в канале плазмотрона, проявляющейся при изменении расхода рабочего плазмообразующего газа. Следствием нестабильности газодинамического режима течения газа в канале плазмотрона является нестабильность рабочих характеристик плазмотрона при различных значениях тока дуги и расхода рабочего плазмообразующего газа.Known plasmatron for waste processing plants, disclosed in the work "Treatment technology for waste containing asbestos by plasma energy", H.S. Park, H.N. Lee, S.S. Kwon, H.I. Kim, S.J. Kim, Y.G. Hong, V International Conference "Plasma Physics and Plasma Technologies", Minsk, 2006, p. 828-831. The disadvantage of this technical solution is the short life of the plasma torch. Technically, in its design there is no “landing" of an arc discharge on the end surface of a hollow deaf electrode (anode or cathode, depending on polarity), made in the form of a glass. As a result, the arc discharge (anode or cathode discharge spot, depending on the polarity) "sits" on the side surface of the electrode, the thickness of the side wall of which is less than the thickness of the end wall. The consequence of this “landing” of the arc discharge is a short electrode life. In addition, the large depth of the electrode, more than 3 of its diameters, leads during operation of the plasma torch to instability of the gas-dynamic regime of gas flow in the channel of the plasma torch, which manifests itself when the flow rate of the working plasma-forming gas changes. A consequence of the instability of the gas-dynamic regime of gas flow in the plasma torch channel is the instability of the plasma torch performance at various values of the arc current and the flow rate of the working plasma-forming gas.
Известен электродуговой плазмотрон постоянного тока для установок по плазменной переработке отходов (патент РФ №2392781). По совокупности технических характеристик плазмотрон, раскрытый в патенте РФ №2392781, является наиболее близким аналогом заявляемого изобретения. Недостатком плазмотрона, раскрытого в патенте РФ №2392781, является небольшой срок службы электродов - около 50 часов для катода и около 500-700 часов для анода. При эксплуатации плазмотронов такого типа наблюдается высокая скорость эрозии анода в зоне посадки дуги. Это явление обусловлено недостаточностью газодинамических сил вращающегося нагреваемого потока газа для достаточного снижения времени пребывания анодного пятна дуги в одной точке, результатом чего может быть кластерная эрозия анода.Known electric arc plasma torch DC for installations for plasma processing of waste (RF patent No. 2392781). In terms of the technical characteristics, the plasmatron disclosed in the patent of the Russian Federation No. 2392781 is the closest analogue of the claimed invention. The disadvantage of the plasma torch disclosed in the patent of the Russian Federation No. 2392781 is the short life of the electrodes - about 50 hours for the cathode and about 500-700 hours for the anode. During the operation of plasmatrons of this type, a high rate of erosion of the anode is observed in the arc landing zone. This phenomenon is due to the lack of gas-dynamic forces of the rotating heated gas stream to sufficiently reduce the residence time of the anode spot of the arc at one point, which can result in cluster erosion of the anode.
В связи с этим возникает задача увеличения срока службы плазмотрона в широком диапазоне его рабочих характеристик, а именно при токе дуги в пределах от Imin до Imax=6·Imin и расходе рабочего плазмообразующего газа в пределах от Qmin до Qmax=4,5·Qmin.In this connection, the problem arises of increasing the life of the plasma torch in a wide range of its operating characteristics, namely, with an arc current in the range from I min to I max = 6 · I min and a flow rate of the working plasma-forming gas in the range from Q min to Q max = 4 , 5 · Q min .
Указанный технический результат достигается при использовании электродугового плазмотрона постоянного тока для установки плазменной переработки отходов, заявленный плазмотрон более подробно описан далее.The specified technical result is achieved by using a DC electric arc plasma torch for installing a plasma processing waste, the claimed plasma torch is described in more detail below.
Рабочая часть плазмотрона, выполненного согласно изобретению, представлена на Фиг. 1, где показаны: катод 1, форсунка 2, анод 3, фланец 4, магнит 5.The working part of the plasmatron made according to the invention is shown in FIG. 1, which shows: cathode 1, nozzle 2, anode 3, flange 4, magnet 5.
Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION
Электродуговой плазмотрон постоянного тока согласно изобретению предназначен для нагрева воздуха и других кислородсодержащих газов и газовых смесей. Плазмотрон включает соосные полые цилиндрические водоохлаждаемые электроды (анод 3 и катод 1), выполненные с возможностью вихревой подачи нагреваемого плазмообразующего газа в зазор между анодом 3 и катодом 1 с помощью выполненной из изолирующего материала межэлектродной вставки - форсунки 2. Форсунка 2 выполнена соосной с анодом 3 и катодом 1 и имеет тангенциальные отверстия для подачи газа, выполненные в плоскости, перпендикулярной оси электродов по касательной к внутренней поверхности форсунки 2. Для обеспечения возможности эксплуатации плазмотрона в широком диапазоне рабочих характеристик, а именно при токе дуги в пределах от Imin до Imax=6·Imin и при расходе рабочего газа в пределах от Qmin до Qmax=4,5·Qmin анод 3 выполнен с длиной канала la от 4·da до 12·da, где da - внутренний диаметр анода 3, катод 1 выполнен в виде стакана с внутренним диаметром dc от da до 2·da и глубиной lc от dc до 3·dc, внутренний диаметр di форсунки 2 выбирают в диапазоне от 2·dc до 2,5·dc, толщину стенки hw форсунки, в которой для подачи газа выполнены отверстия в количестве от 4 до 12, выбирают в диапазоне от 0,2·dc до 0,4·dc, диаметр отверстия dh в форсунке 2 выбирают в диапазоне от 0,08·da до 0,2·da, при этом отверстия выполняют равномерно расположенными по окружности форсунки 2.The DC arc plasma torch according to the invention is intended for heating air and other oxygen-containing gases and gas mixtures. The plasma torch includes coaxial hollow cylindrical water-cooled electrodes (anode 3 and cathode 1), made with the possibility of vortex supply of a heated plasma-forming gas into the gap between the anode 3 and cathode 1 using an interelectrode insert made of insulating material - nozzle 2. The nozzle 2 is made coaxial with the anode 3 and cathode 1 and has tangential openings for gas supply, made in a plane perpendicular to the axis of the electrodes tangent to the inner surface of the nozzle 2. To enable operation plasma torch in a wide range of operating characteristics, namely, when the arc current in a range from I min to I max = 6 · I min and at a working gas flow rate in the range from Q min to Q max = 4,5 · Q min anode 3 is made with a length channel l a from 4 · d a to 12 · d a , where d a is the inner diameter of the anode 3, cathode 1 is made in the form of a glass with an inner diameter d c from d a to 2 · d a and a depth l c from d c to 3 · d c , the inner diameter d i of the nozzle 2 is selected in the range from 2 · d c to 2.5 · d c , the wall thickness h w of the nozzle, in which holes for the gas supply are made in an amount of 4 to 12, are selected in the range from 0.2 · d c to 0.4 · d c , di the diameter of the hole d h in the nozzle 2 is selected in the range from 0.08 · d a to 0.2 · d a , while the holes are uniformly spaced around the circumference of the nozzle 2.
Анод 3 плазмотрона включает соосный постоянный кольцевой магнит с индукцией магнитного поля на торцевой поверхности анода 0,1-0,4 Тл. Использование такого магнита приводит к увеличению срока службы анода 3 с 500-700 до 1500-3000 часов.The anode 3 of the plasma torch includes a coaxial permanent ring magnet with induction of a magnetic field on the end surface of the anode of 0.1-0.4 T. The use of such a magnet leads to an increase in the service life of the anode 3 from 500-700 to 1500-3000 hours.
Для повышения ресурса работы катода на больших токах при нагреве кислородосодержащих газов катод выполнен в виде охлаждаемого охлаждающей жидкостью, например водой, стакана глубиной lc от dc до 3·dc, где dc - внутренний диаметр стакана, из металла с высокой тепло- и электропроводностью, например из меди, в донной части катода запрессованы 7 стержней из металла, способного осуществлять термохимическую эмиссию электронов в среде кислородсодержащих газов, например из циркония или гафния, длиной lci от 0,2·dc до 0,8·dc, диаметром dcm от 2,5 до 3,5 мм, причем центральный стержень запрессован точно по оси стакана, а остальные 6 стержней окружают центральный стержень и оси их параллельны оси центрального стержня, образуя правильный шестиугольник, периферические стержни отстоят от центрального на расстоянии а от 0,5·dcm до 1,2·dcm, катод охлаждается охлаждающей жидкостью, например водой, на всей длине запрессовки стержней.To increase the cathode’s operating life at high currents when heating oxygen-containing gases, the cathode is made in the form of a cup with a depth of l c from d c to 3 · d c cooled by a cooling liquid, for example, water, where d c is the inner diameter of the cup made of metal with high heat and electrical conductivity, for example from copper, in the bottom of the cathode are pressed 7 rods of metal capable of thermochemical emission of electrons in an environment of oxygen-containing gases, for example from zirconium or hafnium, with a length l ci from 0.2 · d c to 0.8 · d c , d cm diameter by 2.5 to 3.5 mm, cm central rod is pressed exactly nozzle axis, while the remaining rods 6 surrounds the central rod and the axis parallel to the axis of the central rod to form a regular hexagon, the peripheral rods being spaced from the center at a distance a from 0,5 · d cm to 1,2 · d cm , the cathode is cooled by a coolant, such as water, over the entire length of the press-in rods.
Для обеспечения возможности увеличения рабочих токов плазмотрона катод выполнен так, что его глубина в начале ресурса равна lc от 0,7·dc до 2,2·dc, кроме того, за первым периферийным кольцом из шести стержней расположено второе кольцо из 12 стержней диаметром dcm от 2,5 до 3,5 мм, расположенных по вершинам правильного 12-угольника таким образом, что расстояние между соседними стержнями а составляет от 0,5·dcm до 1,2·dcm, а оси их параллельны оси центрального стержня, причем длина всех стержней составляет lс от 0,3·dc до 1,5·dc или катод выполнен так, что его глубина в начале ресурса равна lc от 0,7·dc до 2,2·dc, при этом стержни диаметром dcm от 2,5 до 3,5 мм заполняют всю донную поверхность стакана и расположены таким образом, что соседние стержни всегда расположены по вершинам равностороннего треугольника так, что расстояние между ними а составляет от 0,5·dcm до 1,2·dcm, а оси их параллельны оси центрального стержня, причем длина всех стержней составляет lc от 0,3·dc до 2,2·dc.To ensure the possibility of increasing the operating currents of the plasma torch, the cathode is made so that its depth at the beginning of the resource is l c from 0.7 · d c to 2.2 · d c , in addition, a second ring of 12 is located behind the first peripheral ring of six rods rods with a diameter of d cm from 2.5 to 3.5 mm located on the vertices of a regular 12-gon so that the distance between adjacent rods a is from 0.5 · d cm to 1.2 · d cm , and their axes are parallel axis of the central rod, wherein the length of all the bars is from l to 0,3 · d c to 1,5 · d c or cathode is arranged so that it Depth at the beginning of the resource is l c from 0,7 · d c to 2,2 · d c, while the diameter d cm rods of 2.5 to 3.5 mm occupy the entire bottom surface of glass and are arranged so that adjacent bars always located at the vertices of an equilateral triangle so that the distance between them a is from 0.5 · d cm to 1.2 · d cm , and their axes are parallel to the axis of the central rod, and the length of all the rods is l c from 0.3 · d c to 2.2 · d c .
Для снижения стоимости замены анода плазмотрона при выходе анода из строя в результате эрозии анод выполнен составным и включает трубчатую и кольцевую части на коническом уплотнении.To reduce the cost of replacing the plasma torch anode when the anode fails as a result of erosion, the anode is made integral and includes tubular and annular parts on a conical seal.
Электродуговой плазмотрон постоянного тока для установок плазменной переработки отходов работает следующим образом. Катод плазмотрона 1 присоединен к отрицательному полюсу источника электропитания дугового разряда плазмотрона (источника тока). Анод плазмотрона 3 присоединен к положительному полюсу источника электропитания дугового плазмотрона. Плазмообразующий газ подается в канал плазмотрона, образуемый катодом 1 и анодом 3, через тангенциальные отверстия в форсунке 2. За счет подачи плазмообразующего газа через тангенциальные отверстия в форсунке обеспечивается вращение газа в канале плазмотрона. Дуговой разряд поджигается в плазмотроне с помощью осциллятора путем подачи импульса высокого напряжения между анодом 3 и катодом 1. При подаче в плазмотрон газа с рабочим расходом дуговой разряд занимает центральную зону канала плазмотрона между донной частью катода 1 и торцевой частью анода 3 (или фланца 4 в случае составного анода) на внешней поверхности плазмотрона. Внешняя поверхность катода 1 и анода 3 охлаждается потоком воды или другой охлаждающей жидкости. Стабилизация дугового разряда в канале плазмотрона осуществляется за счет холодной стенки катода 1 и анода 3, а также вращением потока рабочего газа в канале плазмотрона (при этом в центральной зоне канала образуется зона пониженного давления) и под действием магнитного поля постоянного магнита 5 анода 3. Движение катодного пятна на поверхности катода обеспечивается вращением рабочего газа в канале плазмотрона. Движение анодного пятна на поверхности анода обеспечивается магнитным полем постоянного магнита 5 анода 3.DC arc plasma torch for plasma processing plants works as follows. The plasma torch cathode 1 is connected to the negative pole of the arc discharge power supply of the plasma torch (current source). The anode of the plasma torch 3 is connected to the positive pole of the power source of the arc plasma torch. The plasma-forming gas is supplied to the plasma torch channel formed by the cathode 1 and the anode 3 through the tangential openings in the nozzle 2. By supplying the plasma-forming gas through the tangential openings in the nozzle, the gas is rotated in the plasma torch channel. An arc discharge is ignited in the plasma torch using an oscillator by applying a high voltage pulse between the anode 3 and cathode 1. When a gas with a working flow rate is supplied to the plasma torch, the arc discharge occupies the central zone of the plasma torch channel between the bottom of the cathode 1 and the end of the anode 3 (or 4 in case of a composite anode) on the outer surface of the plasma torch. The outer surface of the cathode 1 and anode 3 is cooled by a stream of water or other coolant. The arc discharge is stabilized in the plasma torch channel due to the cold wall of the cathode 1 and anode 3, as well as by rotation of the working gas stream in the plasma torch channel (in this case, a reduced pressure zone forms in the channel’s central zone) and under the influence of the magnetic field of the permanent magnet 5 of the anode 3. Motion The cathode spot on the cathode surface is provided by the rotation of the working gas in the plasma torch channel. The movement of the anode spot on the surface of the anode is provided by the magnetic field of the permanent magnet 5 of the anode 3.
Геометрические параметры канала плазмотрона, образованного внутренними полостями катода 1 и анода 3, а также геометрические параметры форсунки 2, через тангенциальные отверстия которой подается рабочий газ в канал плазмотрона, обеспечивают стабильную форму линий тока течения рабочего газа в канале плазмотрона и посадку анодного и катодного пятен дугового разряда на внешней поверхности анода 3 и донной части катода 1 во всем диапазоне рабочих параметров плазмотрона (потока рабочего газа и тока дуги).The geometric parameters of the plasma torch channel formed by the internal cavities of the cathode 1 and anode 3, as well as the geometric parameters of the nozzle 2, through the tangential openings of which the working gas is fed into the plasma torch channel, provide a stable shape of the flow lines of the working gas flow in the plasma torch channel and the landing of the anode and cathode spots of the arc discharge on the outer surface of the anode 3 and the bottom of the cathode 1 in the entire range of operating parameters of the plasma torch (working gas flow and arc current).
Повышение ресурса работы катода при нагреве кислородсодержащих газов обеспечивается за счет использования катодных вставок из циркония или гафния диаметром от 2,5 до 3,5 мм. Выбор диаметра вставок обусловлен физическими свойствами материала вставок. Катод плазмотрона работает следующим образом: катодное пятно дугового разряда располагается на торцевой поверхности стержня (из гафния или циркония), температура которого выше, чем температура основного материала катода, вследствие более высокой теплопроводности материала катода. Под действием прикатодного падения потенциала ионы рабочего газа разгоняются и бомбардируют катодное пятно, результатом чего является разогрев пятна - повышение температуры торцевой поверхности вставки. В результате повышения температуры увеличивается эмиссия электронов с поверхности вставки и одновременно увеличивается испарение материала вставки. Поверхность материала вставки взаимодействует с кислородом или азотом (в случае использования в качестве плазмообразующего газа воздуха) с образованием оксида или нитрида (циркония или гафния). Твердый оксид (или нитрид) металла вставки (циркония или гафния), покрывая расплавленную зону, существенно снижает испарение материала вставки. Оксид (или нитрид) металла (циркония или гафния) является проводником при рабочих температурах вставок и обеспечивает необходимую для горения дугового разряда эмиссию электронов из катодного пятна. Под действием газодинамических сил вращающегося потока рабочего газа, а также сил взаимодействия тока дуги и поля тока происходит перемещение пятна дуги с одной вставки на другую. Теплоотвод от катодного пятна осуществляется в радиальном направлении к внешней охлаждаемой поверхности катода. По мере эрозии стержней под действием катодного пятна дуги и эрозии основного материала катода между стержнями увеличивается глубина катода. Ресурс работы катода определяется количеством стержней и их длиной. Эксплуатация катода заканчивается при достижении максимальной глубины катода, при которой обеспечивается работа плазмотрона во всем диапазоне его рабочих параметров.An increase in the cathode life when heating oxygen-containing gases is ensured by the use of cathode inserts made of zirconium or hafnium with a diameter of 2.5 to 3.5 mm. The choice of insert diameter is determined by the physical properties of the insert material. The plasma torch cathode operates as follows: the cathode spot of the arc discharge is located on the end surface of the rod (made of hafnium or zirconium), the temperature of which is higher than the temperature of the cathode base material, due to the higher thermal conductivity of the cathode material. Under the action of a near-cathode potential drop, the working gas ions accelerate and bombard the cathode spot, resulting in a spot heating - an increase in the temperature of the end surface of the insert. As a result of the temperature increase, the emission of electrons from the surface of the insert increases, while the evaporation of the material of the insert increases. The surface of the insert material interacts with oxygen or nitrogen (in the case of using air as a plasma gas) to form an oxide or nitride (zirconium or hafnium). Solid oxide (or nitride) of the insert metal (zirconium or hafnium), covering the molten zone, significantly reduces the evaporation of the insert material. The oxide (or nitride) of the metal (zirconium or hafnium) is a conductor at the working temperatures of the inserts and provides the necessary electron emission from the cathode spot for burning an arc discharge. Under the action of the gas-dynamic forces of the rotating flow of the working gas, as well as the forces of interaction of the arc current and the current field, the arc spot moves from one insert to another. Heat removal from the cathode spot is carried out in the radial direction to the external cooled surface of the cathode. As the erosion of the rods under the action of the cathode spot of the arc and erosion of the cathode main material between the rods increases the depth of the cathode. The cathode life is determined by the number of rods and their length. The operation of the cathode ends when the maximum depth of the cathode is reached, at which the plasma torch operates in the entire range of its operating parameters.
Повышение ресурса работы анода обеспечивается в результате взаимодействия поля магнита 5 анода 4 и тока дугового разряда в зоне посадки анодного пятна на аноде. Постоянный магнит 5 выбирается таким образом, чтобы индукция магнитного поля магнита в зоне посадки дуги обеспечивала скорость перемещения анодного пятна дугового разряда по поверхности анода, обеспечивающую минимизацию эрозии материала анода, прежде всего, обеспечивающую отсутствие кластерной эрозии.An increase in the anode operating life is ensured as a result of the interaction of the magnet field 5 of the anode 4 and the arc discharge current in the landing zone of the anode spot on the anode. The permanent magnet 5 is selected so that the induction of the magnetic field of the magnet in the arc landing zone ensures the speed of movement of the anode spot of the arc discharge over the surface of the anode, minimizing erosion of the anode material, and first of all, ensuring the absence of cluster erosion.
Преимуществом заявленного изобретения является увеличение срока службы плазмотрона без замены электродов и расширение диапазона его рабочих характеристик, что приводит к повышению экологической и экономической эффективности процесса плазмохимической переработки твердых отходов.An advantage of the claimed invention is to increase the life of the plasma torch without replacing the electrodes and expanding the range of its operating characteristics, which leads to an increase in the environmental and economic efficiency of the process of plasma chemical processing of solid waste.
Таким образом, плазмотрон в соответствии с изобретением включает соосные полые цилиндрические водоохлаждаемые электроды (анод и катод), выполненные с возможностью вихревой подачи плазмообразующего газа в зазор между анодом и катодом через форсунку (межэлектродную вставку), выполненную из изолирующего термостойкого материала, выполненную соосной с анодом и катодом и выполненную с отверстиями для подачи газа, при этом отверстия выполнены в плоскости, перпендикулярной оси электродов по касательной к внутренней поверхности форсунки, при этом анод имеет внутренний диаметр канала da, длину канала la от 4·da до 12·da, катод выполнен в виде стакана с внутренним диаметром dc от da до 2·da и глубиной lс от dc до 3·dc, внутренний диаметр форсунки di составляет от 2·dc до 2,5·dc, толщина стенки hw форсунки, в которой выполнены отверстия в количестве от 4 до 12 для подачи газа, составляет от 0,2·dc до 0,4·dc, отверстия в форсунке выполнены с диаметром dh от 0,08·da до 0,12·da и выполнены равномерно расположенными по окружности форсунки, анод плазмотрона включает соосный постоянный кольцевой магнит с индукцией магнитного поля на торцевой поверхности анода от 0,1 до 0,4 Тл.Thus, the plasmatron in accordance with the invention includes coaxial hollow cylindrical water-cooled electrodes (anode and cathode) configured to swirl the plasma gas into the gap between the anode and cathode through a nozzle (interelectrode insert) made of an insulating heat-resistant material made coaxial with the anode and the cathode and made with holes for supplying gas, while the holes are made in a plane perpendicular to the axis of the electrodes tangent to the inner surface of the nozzle, when this anode has an inner diameter of the channel d a , the length of the channel l a from 4 · d a to 12 · d a , the cathode is made in the form of a glass with an inner diameter d c from d a to 2 · d a and a depth l from from d c to 3 · d c , the inner diameter of the nozzle d i is from 2 · d c to 2.5 · d c , the wall thickness h w of the nozzle in which the holes are made in an amount of 4 to 12 for gas supply is from 0.2 · d c to 0.4 · d c , the holes in the nozzle are made with a diameter of d h from 0.08 · d a to 0.12 · d a and are evenly spaced around the circumference of the nozzle, the plasma torch anode includes a coaxial permanent ring magnet with by a magnetic field on the end surface of the anode from 0.1 to 0.4 T.
В альтернативном варианте выполнения изобретения катод выполнен в виде охлаждаемого охлаждающей жидкостью стакана глубиной lc от dc до 3·dc, где dc - внутренний диаметр стакана, из металла с высокой тепло- и электропроводностью, при этом в донной части катода запрессованы 7 стержней из металла, способного осуществлять термохимическую эмиссию электронов в среде кислородсодержащих газов, длиной lci от 0,2·dc до 0,8·dc, диаметром dcm от 2,5 до 3,5 мм, при этом центральный стержень запрессован точно по оси стакана, а остальные 6 стержней окружают центральный стержень и оси их параллельны оси центрального стержня, образуя правильный шестиугольник, периферические стержни отстоят от центрального на расстоянии а от 0,5·dcm до 1,2·dcm, катод выполнен с возможностью охлаждения охлаждающей жидкостью на всей длине запрессовки стержней.In an alternative embodiment of the invention, the cathode is made in the form of a glass cooled by a coolant with a depth of l c from d c to 3 · d c , where d c is the inner diameter of the glass, made of metal with high thermal and electrical conductivity, while 7 are pressed into the bottom of the cathode rods of metal capable of thermochemical emission of electrons in an oxygen-containing gas medium, length l ci from 0.2 · d c to 0.8 · d c , diameter d cm from 2.5 to 3.5 mm, while the central rod is pressed exactly along the axis of the glass, and the remaining 6 rods surround the central The main rod and their axes are parallel to the axis of the central rod, forming a regular hexagon, the peripheral rods are distant from the central one at a distance of 0.5 · d cm to 1.2 · d cm , the cathode is made with the possibility of cooling by the cooling fluid along the entire length of the press-fit rods.
В альтернативном варианте выполнения изобретения катод выполнен из меди.In an alternative embodiment, the cathode is made of copper.
В альтернативном варианте выполнения изобретения стержни выполнены из циркония или гафния.In an alternative embodiment of the invention, the rods are made of zirconium or hafnium.
В альтернативном варианте выполнения изобретения катод выполнен с глубиной в начале ресурса lc от 0,7·dc до 2,2·dc, при этом за первым периферийным кольцом из шести стержней дополнительно расположено второе кольцо из 12 стержней диаметром dcm от 2,5 до 3,5 мм, расположенных по вершинам правильного 12-угольника таким образом, что расстояние между соседними стержнями а составляет от 0,5·dcm до 1,2·dcm, а оси их параллельны оси центрального стержня, при этом длина всех стержней составляет lc от 0,3·dc до 1,5·dc.In an alternative embodiment of the invention, the cathode is made with a depth at the beginning of the resource l c from 0.7 · d c to 2.2 · d c , while a second ring of 12 rods with a diameter of d cm from 2 is additionally located behind the first peripheral ring of six rods 5 to 3.5 mm located at the vertices of a regular 12-gon so that the distance between adjacent rods a is from 0.5 · d cm to 1.2 · d cm , and their axes are parallel to the axis of the central rod, the length of all the rods is l c from 0.3 · d c to 1.5 · d c .
В альтернативном варианте выполнения изобретения катод выполнен с глубиной в начале ресурса lc от 0,7·dc до 2,2·dc и снабжен дополнительными стержнями, при этом стержни выполнены с диаметром dcm от 2,5 до 3,5 мм, заполняют всю донную поверхность стакана и расположены таким образом, что соседние стержни всегда расположены по вершинам равностороннего треугольника так, что расстояние между ними а составляет от 0,5·dcm до 1,2·dcm, а оси их параллельны оси центрального стержня, причем длина всех стержней lc составляет от 0,3·dc до 2,2·dc.In an alternative embodiment of the invention, the cathode is made with a depth at the beginning of the resource l c from 0.7 · d c to 2.2 · d c and is equipped with additional rods, while the rods are made with a diameter d cm from 2.5 to 3.5 mm , fill the entire bottom surface of the glass and are located in such a way that adjacent rods are always located at the vertices of an equilateral triangle so that the distance between them a is from 0.5 · d cm to 1.2 · d cm , and their axes are parallel to the axis of the central rod and the length of all rods l c is from 0.3 · d c to 2.2 · d c .
В альтернативном варианте выполнения изобретения анод включает трубчатую и кольцевую части на коническом уплотнении.In an alternative embodiment, the anode includes tubular and annular portions on a conical seal.
Claims (7)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2575202C1 true RU2575202C1 (en) | 2016-02-20 |
Family
ID=
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2757377C1 (en) * | 2020-10-01 | 2021-10-14 | Квантум Индастрис ЛЛС | Method for producing low-temperature plasma and hot gas for physico-chemical effect on substances and unit for producing low-temperature plasma and hot gas for physico-chemical effect on substances (variants) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5262616A (en) * | 1989-11-08 | 1993-11-16 | Societe Nationale Industrielle Et Aerospatiale | Plasma torch for noncooled injection of plasmagene gas |
| SU1797448A1 (en) * | 1991-01-18 | 1995-07-09 | МГУ им.М.В.Ломоносова | Gaseous-discharge plasma source of duoplasmatron type |
| RU2392781C1 (en) * | 2009-02-18 | 2010-06-20 | Закрытое акционерное общество "Бюро Технологии Экспериментального машиностроения" | Electric arc dc plasmatron for installations of solid wastes plasma treatment |
| RU2441353C1 (en) * | 2010-06-28 | 2012-01-27 | Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук (ИТПМ СО РАН) | Electroarc plasmatron with steam-vortex arc stabilisation |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5262616A (en) * | 1989-11-08 | 1993-11-16 | Societe Nationale Industrielle Et Aerospatiale | Plasma torch for noncooled injection of plasmagene gas |
| SU1797448A1 (en) * | 1991-01-18 | 1995-07-09 | МГУ им.М.В.Ломоносова | Gaseous-discharge plasma source of duoplasmatron type |
| RU2392781C1 (en) * | 2009-02-18 | 2010-06-20 | Закрытое акционерное общество "Бюро Технологии Экспериментального машиностроения" | Electric arc dc plasmatron for installations of solid wastes plasma treatment |
| RU2441353C1 (en) * | 2010-06-28 | 2012-01-27 | Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук (ИТПМ СО РАН) | Electroarc plasmatron with steam-vortex arc stabilisation |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2757377C1 (en) * | 2020-10-01 | 2021-10-14 | Квантум Индастрис ЛЛС | Method for producing low-temperature plasma and hot gas for physico-chemical effect on substances and unit for producing low-temperature plasma and hot gas for physico-chemical effect on substances (variants) |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6403830B2 (en) | Plasma torch | |
| KR101111207B1 (en) | Apparatus for generating plasma | |
| JP2023060181A (en) | Energy-efficient high power plasma torch | |
| KR101152406B1 (en) | arc plasma torch | |
| CN105282952A (en) | 500 KW magnetic stability non-transferred arc plasma generator | |
| WO2010095980A1 (en) | Dc electric arc plasmatron for apparatuses for plasma-processing solid waste | |
| CN110881239B (en) | Multi-arc plasma reactor introducing external magnetic field and operation method | |
| CN112628098A (en) | Hall accelerator with sinking type hollow inner magnetic pole structure | |
| KR100486939B1 (en) | Non-Transferred Type Plasma Torch With Step-Shaped Nozzle | |
| RU2575202C1 (en) | Direct-current electric arc plasmatron for waste plasma-processing plants | |
| RU2382118C1 (en) | Vacuum-arc source of plasma | |
| RU2328096C1 (en) | Plasma system for sprayed coating (options) | |
| RU2614533C1 (en) | Electric-arc plasmatron | |
| CN210670707U (en) | Thermal plasma torch generator | |
| US20220151053A1 (en) | Thermal plasma processing apparatus | |
| RU2392781C1 (en) | Electric arc dc plasmatron for installations of solid wastes plasma treatment | |
| CN216017230U (en) | Thermal plasma spray gun | |
| KR20190094273A (en) | Plasma torch | |
| KR20200057162A (en) | Thermal plasmatron | |
| RU190126U1 (en) | PLASMOTRON FOR SPRAYING | |
| CN110677971B (en) | Thermal plasma torch generator | |
| CN113905498B (en) | Arc plasma heater with dispersed cathode arc roots and use method | |
| RU2371803C1 (en) | Plasma ion source | |
| CN113286409A (en) | Thermal plasma spray gun | |
| RU159626U1 (en) | SPRAY PLASMOTRON |