RU2816576C2 - Конструкция плазменной горелки - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области плазменной техники. Технический результат - повышение эффективности и горелки, и реактора. Плазменная горелка содержит по меньшей мере два цилиндрических графитовых электрода. Внутренний электрод коаксиально встроен во внешний электрод. По меньшей мере один из электродов имеет конструкцию бочарной клепки, содержащую клепки или секции, которые образуют кольцо или бочку, так что по меньшей мере один из электродов выполнен с возможностью (i) обеспечения снятия термического напряжения или (ii) обеспечения управляемого теплового растрескивания. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

[0001] Настоящая патентная заявка притязает на приоритет предварительной патентной заявки США №61/934184, поданной 31 января 2014 г., описание которой полностью включено в данное описание по ссылке.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0002] Область техники, к которой относится настоящее изобретение, в основном представляет собой способы и аппараты для использования электрической энергии для воздействия на химические изменения.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0003] Существует много процессов, которые могут быть использованы и использовались в течение многих лет для производства углеродной сажи. Источники энергии, использовавшиеся для производства такой углеродной сажи на протяжении многих лет, в значительной степени были тесно связаны с сырьевыми материалами, применяемыми для превращения содержащих углеводороды материалов в углеродную сажу. Длительное время ресурсом для производства сажи являются остаточные рафинированные масла и природный газ. Источники энергии со временем эволюционировали в химических процессах, таких как производство сажи, от простой горелки до печи на жидком топливе, до плазмы среди прочих. Как и во всех производствах имеет место постоянный поиск более эффективных и экономичных методов производства таких продуктов. Изменение скоростей потоков и других характеристик источников энергии, изменение скоростей потоков и других характеристик сырьевых материалов, увеличение скорости производства, повышение выхода, сокращение характеристик по износу производственного оборудования и т.д., все это в течение многих лет было и продолжает составлять часть этого поиска.

[0004] Описанные здесь системы отвечают вышеописанным требованиям и, кроме того, делают производственный процесс более эффективным и экономичным.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0005] Описана плазменная горелка, включающая в себя по меньшей мере два цилиндрических графитовых электрода, встроенные один в другой и выставленные коаксиально; вышеописанная плазменная горелка в по п. 1, причем внутренний электрод является полым; вышеописанная плазменная горелка, причем внутренний электрод является сплошным цилиндром; вышеописанная плазменная горелка, используемая с плазменным газом, который состоит по меньшей мере примерно из 60% Н₂ по объему; вышеописанная плазменная горелка, используемая с плазменным газом, содержащим по меньшей мере одно из СО, С₂Н₂, HCN, СН₄, С₂Н₆, N2, полициклических ароматических углеводородов,

моноароматических углеводородов и/или газ аргон, присутствующий в количестве по меньшей мере 10 ppm (частей на миллион); вышеописанная плазменная горелка, причем зазор между концентрическими электродами составляет не менее чем примерно 4 мм и не более чем примерно 20 мм; вышеописанная плазменная горелка, имеющая конец, причем величина зазора толщина электрода и/или площадь поверхности упомянутого конца при износе остаются практически постоянными; вышеописанная плазменная горелка, дополнительно имеющая по меньшей мере один кольцевой промежуток между электродами, специально подобранный для потока плазменного газа; вышеописанная плазменная горелка, дополнительно имеющая верхний кольцевой промежуток и нижний кольцевой промежуток между электродами, при этом верхний кольцевой промежуток шире, чем нижний кольцевой промежуток; вышеописанная плазменная горелка, дополнительно содержащая источник питания, способный подавать рабочее напряжение от примерно 300 до примерно 1500 В и напряжение разомкнутой цепи до примерно 4500 В; вышеописанная плазменная горелка, причем по меньшей мере один электрод имеет конец, а плазменная горелка дополнительно имеет магнитное поле, создающее составляющую, способную обеспечить магнитное поле на упомянутом конце этого электрода с осевой составляющей между примерно 10 и примерно 100 мТл; вышеописанная плазменная горелка, содержащая верхний катод и нижний катод, а также верхний анод и нижний анод, при этом верхний катод соединен с нижним катодом с образованием одного электропроводящего электрода, а верхний анод соединен с нижним анодом с образованием одного электропроводящего электрода, и каждое из этих соединений выполнено в виде электропроводящего места соединения; вышеописанная плазменная горелка, причем для соединения верхнего и нижнего электродов используются конические резьбы; вышеописанная плазменная горелка, имеющая кольцевой промежуток между электродами, причем нижний электрод имеет более узкий кольцевой промежуток, чем верхний электрод; вышеописанная плазменная горелка, причем предусмотрены расходуемые нижние электроды; вышеописанная плазменная горелка, причем к верхнему электроду прикреплены множественные расходуемые электроды; вышеописанная плазменная горелка, содержащая кольцевые утолщения, при этом кольцевые утолщения нижних электродов находятся в пределах 10% друг друга; вышеописанная плазменная горелка, имеющая площадь конца электрода, при этом площадь поверхности упомянутого конца электрода составляет более чем 2:3, но менее чем 4:1, если сравнивать площадь поверхности внешнего электрода с площадью поверхности внутреннего электрода; вышеописанная плазменная горелка, причем по меньшей мере один из электродов имеет по существу конструкцию бочарной клепки; вышеописанная плазменная горелка, причем для формирования полого концентрического кольца используются по меньшей мере 5 клепок; вышеописанная плазменная горелка, имеющая вырезанные в электродах аксиальные прорези для обеспечения снижения теплового напряжения и/или обеспечения управляемого теплового растрескивания; вышеописанная плазменная горелка, имеющая площадь конца электрода, при этом цилиндрические электроды содержат цилиндрические стержни, допускающие их удержание под таким же электрическим потенциалом, который приблизительно соответствует полому цилиндру на упомянутом конце; вышеописанная плазменная горелка, причем внутренний электрод содержит конструкцию в виде «насадки душа»; вышеописанная плазменная горелка, имеющая кольцевой промежуток для потока экранирующего газа; вышеописанная плазменная горелка, включающая в себя по меньшей мере один канал для потока плазменного газа через одно или более чем одно из следующего: кольцевой промежуток, канал для экранирующего газа, «насадка душа» в центральном электроде, проходящая через тело полых концентрических электродов и/или через центр полых концентрических электродов; вышеописанная плазменная горелка, включающая в себя по меньшей мере один магнит для создания и настройки магнитного поля; вышеописанная плазменная горелка, включающая в себя проводящий механический разъем, соединяющий анод с катодом и обеспечивающий проводящий путь для инициирования дуги.

[0006] Дополнительные варианты исполнения включают в себя: плазменный реактор, содержащий плазменную камеру, причем стенки реактора содержат каналы для потока газа, который может переносить тепло от плазменной камеры; вышеописанный плазменный реактор, причем каналы выполнены так, чтобы делать возможным перенаправление по меньшей мере некоторой части нагретого газа как плазменного газа; вышеописанный плазменный реактор, включающий в себя плазменную горелку, причем стенки реактора сужаются с образованием секции горловины после секции горелки, а затем эти стенки расширяются после секции горловины; вышеописанный плазменный реактор, включающий в себя инжекторы углеводородного исходного сырья в секции горловины; вышеописанный плазменный реактор, включающий в себя инжекторы углеводородного исходного сырья в пределах 5 диаметров горловины в каждом из направлений вверх или вниз по потоку.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1, 2 и 3 дают схематичное представление о типичных плазменных горелках, как те, которые описаны в настоящем документе.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0007] Показанные здесь подробные детали приведены всего лишь в качестве примера и в целях иллюстративного описания различных вариантов осуществления настоящего изобретения и показаны для случая, который, как предполагается, обеспечивает наиболее полезное и легко понимаемое описание принципов и концептуальных аспектов этого изобретения. В этом отношении не делалось никаких попыток показать детали изобретения в больших подробностях, чем это необходимо для полного понимания изобретения, при этом описание дает ясное понимание для специалистов в данной области техники того, как на практике могли бы быть осуществлены несколько вариантов изобретения.

[0009] Теперь настоящее изобретение будет описано со ссылками на более подробные варианты осуществления. Однако это изобретение может быть реализовано в различных формах, и его не следует истолковывать как ограниченное приведенными здесь вариантами осуществления. Эти варианты осуществления приведены скорее для того, чтобы данное описание было всеобъемлющим и завершенным и полностью передавало объем настоящего изобретения специалистам в данной области техники.

[0010] Если не определено иное, то все использованные здесь технические и научные термины имеют такое же значение, как обычно понимается средним специалистом в той области, к которой относится настоящее изобретение. Терминология, использованная в описании изобретения, предназначена только для описания конкретных вариантов осуществления и не имеет намерения ограничить изобретение. Предполагается, что в том виде, как это использовано в описании изобретения и в приложенных пунктах формулы изобретения, наличие элемента в единственном числе не исключает множества таких элементов, если в контексте определенно не указано иное. Все публикации, патентные заявки, патенты и другие упомянутые здесь ссылки формально во всей своей полноте включены в настоящее описание.

[0011] Если не указано иное, все числа, определяющие количества ингредиентов, условия реакций и т.д., использованные в описании и пунктах формулы изобретения, следует во всех случаях понимать как определенные термином «примерно». Соответственно, если не указано иное, числовые параметры, приведенные в нижеследующем описании и в приложенных пунктах формулы изобретения, представляют собой приближения, которые могут изменяться в зависимости от требуемых свойств, которые являются искомыми для достижения посредством настоящего изобретения. В минимальной мере и не в качестве попытки ограничить приложение принципа эквивалентов к объему пунктов формулы изобретения каждый числовой параметр следует рассматривать в свете числа значащих разрядов и обычных способов округления.

[0012] Несмотря на то, что числовые диапазоны и параметры, устанавливающие широкий объем изобретения, являются приближениями, приведенные в конкретных примерах числовые значения указаны с максимально возможной точностью. Однако любое числовое значение по своей природе содержит определенные погрешности, неизбежно проистекающие из стандартного отклонения, присутствующего в соответствующих экспериментальных измерениях. Каждый приведенный по всему этому описанию числовой диапазон будет включать в себя каждый еще более узкий числовой диапазон, который попадает внутрь такого более широкого числового диапазона, как если бы все такие более узкие числовые диапазоны были здесь четко записаны.

[0013] Дополнительные преимущества изобретения будут частично изложены в описании, которое следует далее, и частично станут очевидными из этого описания, или же их можно будет выявить при практической работе с этим изобретением. Следует понимать, что как вышеприведенное общее описание, так и следующее далее подробное описание являются всего лишь примерными и не ограничивают изобретение в том виде, как оно заявлено.

[0014] Фиг. 1, 2 и 3 представляют собой схематичные двухмерные представления вариантов описанных здесь типичных плазменных горелок. Например, фиг.1 показывает плазменный газ, текущий через впуски (103) плазменного газа между внутренним электродом (108), как правило, катодом, и внешним электродом (107), как правило, анодом. Каждый электрод содержит верхний участок (104) электрода и нижний участок (106) электрода, которые соединены между собой в месте соединения (105) электрода. В месте соединения электрода могут быть использованы конические резьбы для обеспечения равномерного распределения веса нижнего электрода по месту соединения, а также для минимизации вызванных тепловым напряжением трещин. Могли бы быть использованы также и другие способы соединения верхнего и нижнего электродов, включая, крючок и защелку, шип и паз, механические болты, но не ограничиваясь этим. Кольцевой промежуток представляет собой пространство между концентрическими электродами, где проходит некоторая часть плазменного газа, но не обязательно весь газ, прежде чем он достигает области (111) плазмы. Ширина кольцевого промежутка определяется как среднее расстояние между анодом и катодом, а зазор или расстояние до конца определяется как наименьшее расстояние от конца катода до конца анода. К верхним электродам в месте соединения (102) держатель-электрод присоединены держатели (101) электродов. Эти держатели электродов обуславливают электрическую изоляцию как анода, так и катода и, кроме того, обеспечивают электрические соединения с анодом и с катодом. Подсоединение источника питания к любому из либо к обоим из анода и катода может быть выполнено другими средствами, но удобно, если оно выполнено посредством держателей электродов, которые выполняют множественные функции. Для обеспечения адекватной тепловой и электрической изоляции использование различных материалов для держателей электродов включает среди других использование полимера Teflon™ и различных керамик. Эти материалы дополнительно делают возможным, чтобы предварительно нагретый плазменный газ протекал в непосредственной близости к держателям электродов, которые, необязательно, могут быть охлаждаемыми водой. Плазменный газ переносится через электрическую дугу (110) и служит в качестве теплоотвода в зоне или области (111) плазмы, которая в идеальном случае является самой горячей частью реактора. Более широкий верхний кольцевой промежуток на фиг. 1 (в секции верхнего электрода над нижним кольцевым промежутком (109)) позволяет уменьшить вероятность возникновения электрической дуги между электродами в этой области горелки. Дополнительно, нижний электрод выполнен расходуемым по своей природе и, таким образом, позволяет производить легкую, быструю и недорогую замену без необходимости заменять верхние электроды и держатели электродов.

[0015] Фиг. 2 показывает несколько других возможных путей потока для плазменного газа. Плазменный газ может течь вокруг внешнего электрода, действуя как экранирующий газ (204). Это будет защищать электроды и обеспечит их более длительный срок службы, а также максимизирует использование тепловой нагрузки, обеспечиваемой горелкой. Кроме того, электроды могут иметь конструкцию (202) в виде «насадки душа», причем внутренний электрод является не полым кольцом, а скорее цельным электродом с полыми штырями, которые делают возможным отвод тепла (203) от внутреннего электрода и максимизируют использование тепловой нагрузки горелки. Дополнительно, плазменный газ может течь через кольцевой промежуток (201) или же он может течь через стенки полых концентричных внутреннего и внешнего электродов, изображенных на фиг. 1, например, через трубчатые каналы, просверленные через электроды в осевом направлении.

[0016] Фиг. 3 изображает горелку и реактивную зону по ходу потока. Плазменный газ (301) течет по ходу потока плазменной зоны через внутренний электрод (302) и внешний электрод (303) в сходящуюся или сужающуюся область (304) и в горловину (305), а затем - из горловины в расширяющийся реактор (306). Это создает большую величину турбулентности, и эта конфигурация обеспечивает оптимальное смешивание с углеводородным исходным сырьем. Кроме того, эта фигура показывает рециркуляционный плазменный газ (307), текущий вокруг нижнего и среднего участка плазменной зоны с выполнением двух функций: (1) - охлаждение стенок плазменной зоны и (2) предварительный нагрев плазменного газа до его входа в плазменную камеру, чтобы более эффективно использовать тепловую нагрузку, обеспечиваемую горелкой, и продлевать срок службы плазменной камеры.

[0017] Хотя все эти фигуры показывают горелку/реактор в вертикальном положении с направленным вниз потоком, можно также иметь поток, направленный вверх, или горизонтальный реактор. Для показанных конкретных конструкций горелки/реактора предпочтительным является вертикальный реактор с потоком, направленным вниз.

[0018] В течение многих лет углеродная сажа производится в результате разнообразных процессов, однако коммерческое развитие этого процесса на основе плазмы никогда не было успешным. В прошлые годы конструкции плазменного генератора для производства углеродной сажи не обладали адекватными скоростями нагрева, устойчивостью к коррозии, экономичным плазменным газом, быстрым смешиванием и достаточной экономичностью производства для того, чтобы успешно выдержать испытания при противопоставлении существующему топочному процессу. Описанная в настоящем документе плазменная горелка обеспечивает непрерывную работу и производство высококачественной углеродной сажи в результате плазменного процесса, где другие процессы не работают.

[0019] Плазменные струи для различных производственных процессов обычно создают плазменными генераторами, содержащими разрядную камеру и взаимно изолированные электроды. В этой разрядной камере между электродами в потоке среды инициируют электрический дуговой разряд. Эта среда, как правило, газ, разогревается в упомянутом разряде до состояния плазмы и течет из генератора в виде плазменной струи.

[0020] Из всех компонентов плазменного генератора электроды или, вернее, их поверхности, на которые воздействует электрическая дуга - «дуговые пятна», подвержены воздействию наиболее сильного теплового потока. Тепловой поток в этих областях может превышать 10⁵ Вт/см² (ватты на кв. сантиметр), и при таких условиях будут расплавляться или разрушаться все известные металлы. Охлаждение компонентов плазмы обычно достигается способами охлаждения посредством агентов теплообмена с использованием теплозащитной рубашки.

[0021] В описанном в настоящем документе плазменном реакторе подача электрической энергии, управление положением дуги, расстояние между электродами, скорость тока газа управляются с высокой точностью, чтобы обеспечить необходимые характеристики. Подача электрической энергии подсоединена к электродам и обеспечивает очень высокое напряжение разомкнутой цепи, чтобы можно было управлять высоковольтными скачками напряжения. Источник питания может быть способен подавать обычное рабочее напряжение 500-5000 В (вольт) или более. Источник питания имеет напряжение разомкнутой цепи, которое может быть от 1,5 до в 3 раза выше рабочего напряжения. Было обнаружено, что эти диапазоны напряжений являются оптимальными для производства углеродной сажи при определенных скоростях потока плазменного газа в комбинации со скоростями потока углеводородного исходного сырья, при этом плазменный газ состоит из более чем 60% водорода, а величина зазора составляет от 4 до 2 0 мм (миллиметров).

[0022] Для данной величины зазора, напряжения, скоростей потока плазменного газа и площади поверхности концов электродов оптимальная плотность энергии на конце электрода составляет от 0,1 до 2 кВт/см² (киловатты на кв. сантиметр). Ниже этого диапазона выходная энергия была бы слишком низкой для эффективного производства углеродной сажи, а выше этого диапазона горелка бы быстро разлагалась, приводя к неэффективному производству углеродной сажи вследствие износа электродов.

[0023] Плазменный газ представляет собой газ, который прошел через область плазменной горелки и, возможно, получил достаточное воздействие, чтобы считать, что он находится в состоянии плазмы. В том смысле, как используется в настоящем документе, плазменный газ может означать возбужденный газ, и, кроме того, может означать любой газ, проходящий через область плазменной горелки, который мог бы быть переведен в состояние плазмы, но по какой-то причине переведен не был.

[0024] Компоненты плазменного газа для описанных в настоящем документе высокоэффективных плазменных реакторов по меньшей мере на примерно 60% состоят из водорода, вплоть до примерно 100% водорода, а также могут содержать до примерно 30% азота, до примерно 30% СО, до примерно 30% CH₄, до примерно 10% HCN, до примерно 30% С₂Н₂ и до примерно 30% Ar. Дополнительно, плазменный газ может состоять из полициклических ароматических углеводородов, таких как антрацен, нафталин, коронен, пирен, хризен, флуорен и им подобных. Кроме того, плазменный газ может содержать бензол и толуол или им подобные моноароматические углеводороды. Наиболее типичный состав может содержать 90% или более водорода и 0,2% азота, 1,0% СО, 1,1% CH₄, 0,1% HCN, 0,1% С₂Н₂ или около этого. Плазменный газ может также содержать примерно 80% водорода, а остальная часть может содержать некоторую смесь вышеупомянутых газов, полициклических ароматических углеводородов, моноароматических углеводородов и других составляющих.

[0025] Материал конструкции электродов в этом изобретении должен иметь высокую теплопроводность более 100 /м⋅К (ватт на метр⋅кельвин) и электрическое сопротивление меньше чем 10е^-2 ом⋅м (метр). Материалы, которые подходят для данного описания, включают в себя графит и карбид кремния, хотя предпочтительным является графит. Этот материал должен быть устойчивым к химической эрозии в высокореактивной атмосфере свободных радикалов водорода.

[0026] Использование конических резьб для места соединения электродов уменьшает концентрацию напряжений и при этом может быть использован потенциал растрескивания электродов. Предпочтительно, в конические резьбы содержат конус, в котором может быть использован уклон примерно 1 к 3, хотя могут быть также использованы конусы с уклоном от примерно 1 к 2 до примерно 1 к 20. Для того чтобы предотвратить отвинчивание электродов из-за вибрации, через резьбовую часть может быть просверлено отверстие, и в него может быть вставлена шпилька.

[0027] Идеальная величина зазора между концентрическими электродами равна от примерно 4 мм до примерно 20 миллиметров в зависимости от требуемой величины рабочего напряжения, тока и износа электрода. Величина зазора может изменять рабочее напряжения где-то от примерно 500 В до примерно 1200 В. Зазор в от примерно 8 миллиметров до примерно 14 миллиметров представляет собой предпочтительный размер зазора, который обеспечивает оптимальный дуговой разряд в этом диапазоне напряжения с минимальным износом электрода, оптимальную теплопередачу, минимальное нежелательное дугообразование и минимальное срывание дуги вследствие «отрыва» дуги (потеря дуги).

[0028] Дополнительно, для того, чтобы управлять распределением тепла по электроду, можно контролировать его длину. Увеличение длины электрода уменьшает потери в охлаждаемых водой держателях. Например, предпочтительный диапазон длины для 750 кВт-й горелки составляет от примерно 600 мм до примерно 1500 мм, при этом длина электрода в 1500 мм обеспечивает наиболее плавное тепловое распределение. Специалисты в данной области техники сразу поймут, что увеличенная длина будет не только способствовать распределению тепла, но и позволит иметь большую поверхность, чтобы обеспечить отвод тепла излучением и конвективный отвод тепла от электрода в газ, текущий в кольцевом промежутке или вокруг него. Это, конечно будет сбалансировано с требованиями по весовым нагрузкам, чтобы извлечь оптимальное преимущество как по управлению теплом, так и для сохранения целостности электродов (уменьшение трещин и т.д.).

[0029] Дополнительными способами управления весовыми нагрузками в противовес термическим напряжениям является выполнение цилиндрических электродов в виде концентрических колец с касающимися концами, что позволяет прохождение электричества через концентрические трубки, которые еще дают возможность образовать кольцевой промежуток между анодом и катодом. Электроды этого типе исполнения могли бы быть по своей природе также и прямоугольными с соединениями типа «шип-паз», обеспечивающими электрическую проводимость и опору для весовой нагрузки.

[0030] Для того чтобы исключить растрескивания, обусловленные термическими напряжениями, в полых цилиндрических электродах большого диаметра, используют конструкцию типа бочарных клепок, где секции удерживаются вместе посредством обычно применяемых в такой конструкции элементов, что позволяет различным секциям изгибаться в зависимости от теплового градиента, или используют цельный кусок материала, который имеет вырезанные в нем аксиальные прорези, чтобы снять термические напряжения. Эти аксиальные прорези можно называть бочарной клепочной конструкцией. В бочарной клепочной конструкции для того, чтобы сформировать концентрическое кольцо или бочку, необходимо было бы иметь по меньшей мере 5 клепок или секций.

[0031] Другой альтернативой было бы использование отдельных элементов для имитации цилиндра, например, кольца из цельных стержней. Эта конфигурация, кроме того, обладает преимуществами, связанными с наличием материала и простотой замены.

[0032] Продление срока службы электродов в значительной степени зависит от возможности минимизировать тепловое воздействие электрической дуги на электроды, а также от адекватной защиты поверхности электрода от эрозионной среды. Частично это может быть достигнуто приложением электромагнитного поля для того, чтобы снизить эффекты дуговых пятен посредством быстрого перемещения этих дуговых пятен по поверхности электрода, посредством чего средний тепловой поток по площадям контакта между электродами и электрической дугой уменьшается по плотности. Магнитное поле обеспечивают посредством использования кольцевой магнитной катушки, расположенной снаружи электродов. Это поле, кроме того, может быть обеспечено применением постоянного магнита, если поле ориентировано так, что дуга вращается вокруг центральной оси горелки, что облегчает вращение дуги вокруг упомянутой оси.

[0033] Дополнительно, магнитное поле будет выталкивать плазму наружу из пределов близлежащего пространства между двумя электродами. Это значит, что эрозивная среда (перегретый Н₂ и водородный радикал) будет в значительной степени отделена от самого электрода. В одном варианте осуществления способ включает в себя использование вращающегося дугового разряда, созданного посредством приложения к электродам магнитного поля величиной от примерно 2 0 миллитесла (мТл) при измерении кольцевого промежутка на конце горелки до примерно 100 миллитесла при измерении в осевом направлении, далее называемом осевой компонентой. Как правило, может быть использована величина от примерно 30 миллитесла до примерно 50 миллитесла. Типичная радиальная компонента магнитного поля может быть от примерно 3 до примерно 15 мТл.

[0034] Для того чтобы настроить форму поля, используемого для управления поведением дуги, может быть применена одна или более магнитных катушек. Например, конструкция катушки может создавать расходящееся магнитное поле с радиальной компонентой в 6 мТл и с осевой компонентой в 40 мТл на конце горелки. При использовании одной катушки невозможно изменить одну из них без изменения другой, однако посредством использования нескольких катушек можно сформировать дугу с конкретными радиальной и осевой компонентами. Это может еще более сократить капитальную стоимость магнитной катушки и оптимизировать форму магнитного поля, чтобы максимально увеличить срок службы электрода.

[0035] Как упоминалось ранее, электрод может быть составлен из верхнего и нижнего участков, при этом нижний участок может быть выполнен с возможностью замены чрезвычайно быстрым образом при низкой стоимости графитовых частей. В этом контексте определение «расходуемый» означает, что на дюйм аксиально ориентированной эрозии может быть произведено более 1 тонны, но менее 100 тонн углеродной сажи. Дополнительно, к верхнему электроду могут быть прикреплены множественные расходуемые электроды, то есть, 3 или 4 или более расходуемых электродов, которые во время сеансов производства углеродной сажи снимают или оставляют на месте, чтобы они расходовались. Это позволяет иметь ограниченное время простоя горелки и обеспечивает «жертвенный» электрод, который является и дешевым, и быстросменным.

[0036] На фиг. 2 показан пример использования различных путей потока газа с целью влияния на охлаждение электродов и изменения вида потока в области дуги. Газ может проходить через кольцевой промежуток (путь потока по умолчанию), по внутреннему пути (201), состоящему из отверстия (отверстий), просверленных в центральном электроде, через полый путь внутри внутреннего электрода или по внешнему пути (204) вокруг внешнего электрода (такой газ называется экранирующим). На фиг. 2 этот внешний путь проходит через кольцо отверстий в верхнем электроде, но этот вход для потока мог бы также представлять собой круговую щель. Внутренний и внешний пути потока способствуют охлаждению электродов и передаче газу большего количество тепла. Кроме того, они допускают большие скорости потока газа, которые могли бы «срывать» дугу, если бы поток был полностью направлен через кольцевой промежуток. А газ во внешнем пути потока работает и как экранирующий газ, помогая ограничивать плазменную область и защищать окружающее огнеупорное покрытие. Обычный разделенный поток мог бы быть потоком через кольцевой просвет примерно на 50% быть и потоком через каждые из двух других путей на примерно на 25%. Для достижения различных рабочих режимов и оптимизации различных целей (например, для уменьшения износа электрода, увеличения рабочего электрического напряжения и т.д.) может быть использована любая комбинация разделений потока.

[0037] Дальнейший интерес представляет собой использование механического средства для установления электрического контакта между электродами и возбуждения дуги. Это устраняет необходимость в высоковольтном стартере и связанном с ним оборудовании, а также устраняет угрозы безопасности. Оно может состоять из подвижного стержня, выполненного из электропроводящего материала, такого как графит или медь, который, прежде чем будет отведен, одновременно касается электродов, обуславливая протекание электрического тока. Этим запускающим стержнем мог бы быть плунжер, который проходит сквозь внешний электрод и ударяет дугу в кольцевом промежутке, или же это мог бы быть поворотный рычаг, который ударяет дугу на концах электродов.

[0038] Как здесь описано, реактор разделен на две части или зоны, плазменную зону и зону реактора, при этом инжекция природного газа или другого исходного сырья имеет место в пространстве между ними. Горловина используется не только для того, чтобы разделить между собой эти две области, но и для того, чтобы ускорить плазменный газ так, чтобы в меньшей области имело место более интенсивное перемешивание. Поэтому «горловина» определена как самое узкое сечение между плазменной зоной и зоной реактора. Длина горловины может составлять несколько метров, или же может быть столь короткой, как от примерно 0,5 до примерно 2 миллиметров. Самая узкая точка горловины определена как самый узкий диаметр горловины +20%. Любое поперечное сечение, которое находится в пределах примерно 10% от наиболее узкого поперечного сечения, рассматривается как находящееся в пределах объема горловины.

[0039] Точки инжекции в реактор, предпочтительно, находятся примерно на 5 диаметров выше по ходу потока от горловины и примерно на 5 диаметров ниже по ходу потока от горловины. Один диаметр определен как диаметр горловины в наиболее узкой точке горловины. Необязательно, инжекция может происходить в пределах примерно +/-2 диаметров или примерно +/-1 диаметр горловины.

[004 0] Приемлемое углеводородное исходное сырье включают в себя любые химические вещества с формулой C_nH_x или C_nH_xO_y. Например, могут быть использованы простые углеводороды, такие как метан, этан, пропан, бутан и т.д. Может быть использовано ароматическое исходное углеводородное сырье, такое как бензол, толуол, метилнафталин, пиролизное топливное масло, каменноугольная смола, уголь, тяжелое топливо, нефть, бионефть, биодизельное топливо, другие биологически производные углеводородов или им подобные. Кроме того, могут быть использованы ненасыщенные углеводородные исходные сырьевые продукты, такие как этилен, ацетилен, бутадиен, стирол и им подобные. Приемлемыми сырьевыми продуктами являются также окисленные углеводороды, такие как метанол, пропанол, фенол и им подобные. Эти примеры приведены в качестве неограничивающих примеров приемлемых углеводородных сырьевых продуктов, которые затем могут быть скомбинированы и/или смешаны с другими приемлемыми компонентами для производства. Упомянутое здесь углеводородное исходное сырье означает, что большая часть исходного сырья по своей природе является углеводородом.

[0041] Таким образом, объем изобретения будет включать в себя все модификации и изменения, которые находятся в рамках объема приложенных пунктов формулы изобретения. Специалистам в данной области техники в результате рассмотрения описания и практической работы с раскрытым здесь изобретением станут очевидны другие варианты исполнения этого изобретения. Предполагается, что описание и примеры будут рассматриваться лишь как примерные, причем истинный объем и идея изобретения определены нижеследующими пунктами формулы изобретения.

Claims (18)

1. Плазменная горелка, содержащая по меньшей мере два цилиндрических графитовых электрода, включая внутренний электрод, встроенный во внешний электрод, причем внутренний электрод выставлен коаксиально с внешним электродом, и при этом по меньшей мере один из электродов имеет конструкцию бочарной клепки, содержащую клепки или секции, которые образуют кольцо или бочку, так что по меньшей мере один из электродов выполнен с возможностью (i) обеспечения снятия термического напряжения или (ii) обеспечения управляемого теплового растрескивания.

2. Плазменная горелка по п. 1, причем внутренний электрод является полым.

3. Плазменная горелка по п. 1, причем внутренний электрод является сплошным цилиндром.

4. Плазменная горелка по п. 1, причем зазор между электродами составляет не менее чем примерно 4 миллиметра (мм) и не более чем примерно 20 мм.

5. Плазменная горелка по п. 1, при этом электроды выполнены так, что зазор между электродами, толщина электрода по меньшей мере одного из электродов и/или площадь поверхности конца по меньшей мере одного из электродов остаются постоянными при износе.

6. Плазменная горелка по п. 1, дополнительно имеющая по меньшей мере один кольцевой промежуток между электродами, специально подобранный для потока плазменного газа.

7. Плазменная горелка по п. 1, дополнительно имеющая верхний кольцевой промежуток и нижний кольцевой промежуток между электродами, при этом верхний кольцевой промежуток шире, чем нижний кольцевой промежуток.

8. Плазменная горелка по п. 1, дополнительно содержащая источник питания, способный подавать рабочее напряжение от примерно 300 вольт (В) до примерно 1500 В и напряжение разомкнутой цепи до примерно 4500 В.

9. Плазменная горелка по п. 1, причем по меньшей мере один из электродов имеет конец, и при этом плазменная горелка дополнительно содержит создающий магнитное поле компонент, выполненный с возможностью обеспечить магнитное поле на упомянутом конце этого по меньшей мере одного электрода с осевой составляющей между примерно 10 миллитесла (мТл) и примерно 100 мТл.

10. Плазменная горелка по п. 1, причем по меньшей мере участки электродов являются сменными.

11. Плазменная горелка по п. 10, причем каждый электрод из электродов содержит секцию верхнего электрода и секцию нижнего электрода, при этом секция нижнего электрода является сменной, и при этом к секции верхнего электрода прикреплены множественные сменные секции нижнего электрода.

12. Плазменная горелка по п. 1, причем площадь конца внешнего электрода составляет более чем 2:3, но менее чем 4:1, по сравнению с площадью поверхности конца внутреннего электрода.

13. Плазменная горелка по п. 1, дополнительно имеющая кольцевой промежуток, расположенный вокруг внешнего электрода из электродов, для потока экранирующего газа.

14. Плазменная горелка по п. 1, дополнительно содержащая по меньшей мере один канал для потока плазменного газа через одно или более чем одно из следующего: кольцевой промежуток, расположенный между электродами, канал для экранирующего газа, расположенный вокруг внешнего электрода, «насадка душа» во внутреннем электроде, тело по меньшей мере одного полого электрода из электродов и центр по меньшей мере одного полого электрода из электродов.

15. Плазменная горелка по п. 1, дополнительно содержащая по меньшей мере один магнит, расположенный снаружи электродов, выполненный с возможностью создания и настройки магнитного поля.

16. Плазменный реактор, включающий в себя плазменную горелку по п. 1, причем плазменный реактор содержит стенки, и при этом стенки плазменного реактора сужаются после плазменной горелки с образованием горловины и расширяются после горловины.

17. Плазменная горелка по п. 1, причем конструкция бочарной клепки содержит по меньшей мере 5 клепок.

18. Плазменная горелка по п. 17, причем упомянутые по меньшей мере 5 клепок образуют кольцо.