SK71894A3 - Torch device for chemical processes - Google Patents

Description

Oblasť techniky

Tento vynález sa týka plazmového horáka, prednostne určeného na privádzanie energie do chemických procesov. Plazmový horák je vybavený niekoľkými trubicovými elektródami, ktoré sú umiestnené súoso, jedna v druhej. Elektródy sú pripojené na zdroj elektrickej energie. Plyn je privádzaný vnútornou elektródou a priestormi spomedzi elektród. Vysokotepelná plazma · sa vytvára pomocou plynu, ktorý je ohrievaný elektrickým oblúkom, natiahnutým medzi elektródami.

Doterajší stav techniky

Za účelom docielenia žiadaných chemických reakcií v plynoch alebo vo zmesi plynu a kvapaliny alebo tuhých častíc musí byť v niektorých prípadoch privedená energia. Niektoré takéto chemické reakcie sa uskutočňujú pri extrémne vysokých teplotách 1000 'C až 3000 “C. Tak isto je nutné umožňiť merania množstva a teploty plynu ...xiaLjumožnenie riadenia regulácie chemického procesu tohto typu. Využitím technológie ohrevu plynu elektrickým oblúkom v plazmovom horáku je možné docieliť vyššie uvedené požiadavky.

Doteraz známe plazmové horáky boli výhodne a hlavne používané na ohrev plynu za účelom zvárania a rezania ocele, na ohrev hutníckych procesov a na laboratórne pokusy. Pretože často vykazujú vysokú spotrebu plazmového plynu rovnako ako pri doprave plynu horákom, ktorý odvádza teplo vyvinuté v oblúku, v niektorých aplikáciách budú tieto horáky menej výhodné z hľadiska ekonómie tepla.

Podstata vynálezu

Cieľom tohto vynálezu je preto poskytnúť plazmový horák s dobrou tepelnou ekonómiou, s dlhou životnosťou elektród a prevádzkovo spoľahlivou konštrukciou, ktorá je vhodná na priemyselné aplikácie.

Tento cieľ bol dosiahnutý pomocou plazmového horáka, vyznačujúceho sa znakmi uvedenými v predmete vynálezu.

Plazmový horák sa skladá z niekoľkých trubicových elektród umiestených súoso, jedna vnútri druhej. Plazmový horák je na jednom konci uzatvorený, zatiaľ čo druhý koniec je otvorený. Elektródy môžu byť axiálne posúvané vzájomne proti sebe. Elektródy sú prednostne izolované jedna od druhej a sú napojené na zdroj tepla elektrickej energie. Vnútorná elektróda a priestor medzi elektródami vytvorí priestor na prívod plynu. Vysokotepelná plazma sa vytvára plynom, ktorý je ohrievaný a ionizovaný elektrickým oblúkom.

Vo vynáleze sú tri alebo viac trubicových elektród umiestnené súoso jedna zvonka druhej. Vo svojom najjednoduchšom tvare je horák vybavený tromi elektródami: stredovou elektródou, ďalej pomocnou elektródou a nakoniec vonkajšou elektródou. V inom uskutočnení môže jedna alebo viac elektród byť umiestnené súoso zvonka vonkajšej elektródy. Medzi elektródami sú vytvorené prstencové priechody. Medzi stredovou elektródou a prstencové priechody plazmy sa môže zaviesť plazmu tvoriaci plyn a/alebo reagujúca zložka.

Inertný plyn ako napríklad dusík alebo argón, môžu byt použité ako plazmu tvoriaci plyn. Takýto plyn sa obvykle nezúčastní alebo neovplyvní chemickú reakciu prebiehajúcu v horáku. Plazmu tvoriaci plyn môže tiež byť rovnakého druhu ako plyn vytvárajúci sa ako produkt reakcie v plazmovom horáku .

Reagujúca zložka môže byť čistý plyn alebo plyn zmiešaný s kvapalinou alebo tuhými časticami, ktorých prítomnosť je žiadúca pri chemických reakciách v plazmovom plameni, ako je napríklad rozklad. Reagujúca zložka tiež môže sama tvoriť plazmu tvoriacu plyn.

Elektródy plazmového horáka sú tuhé a môžu byť odtaviteľné. Ako elektródový materiál sa používa prednostne grafit, ktorý má vysoký bod topenia a vyžaduje len málo chladenia.

To umožňuje značné zjednodušenie konštrukcie plazmového horáka a je dôležité na zlepšenie energetickej účinnosti horáka.

Elektródy sú axiálne posuvné navzájom voči sebe. Vzájomné nastavenie elektród poskytuje možnosť zmeny priemernej diaľky oblúka a tým i pracovného napätia, ktoré opäť ovplyvňuje tepelný výkon. Ďalej, tvar oblúka môže byť menený. Ak sa vonkajšia elektróda nastaví tak, že vyčnieva zo stredovej elektródy, plazmová zóna na seba zoberie lievikovitý tvar a prenesie intenzívny zdroj tepla do reagujúcej zložky, ktorá je privádzaná do stredu plazmovej zóny. pri nastavení stredovej elektródy tak, že vyčnieva zvonka vonkajšej elektródy, plazmová zóna na seba vezme špic,atý tvar a prevedie väčší podiel tepla do obklopujúcej komory a menej priamo do stredom privádzanej reagujúcej zložky. Axiálna poloha elektród tak môže byť nastavená podľa vlastností ohrievaného média.

Plazmový horák je napájaný elektrickou energiou z energetického zdroja. Elektródy sú napojené na energetický zdroj pomocou vodičov, chladených podľa potreby. Plazmový horák môže byť napájaný striedavým prúdom alebo výhodne jednosmerným prúdom.

Elektródy plazmového horáka môžu byť napojené dvoma spôsobmi.Pomocná elektróda môže byť buď spojená so stredovou elektródou alebo z vonkajšou elektródou. Pri použití jednosmerného prúdu je preto možné použiť štyri rôzne zapojenia.

Jedno možné zapojenie je tvorené prepojením pomocnej elektródy s vonkajšou elektródou tak, aby obe tieto elektródy mali rovnaké napätie. Prednostne sú pripojené na kladné napätie a tvoria anódu. Stredová elektróda je potom pripojená na záporné napätie a tvorí katódu.

U tohto zapojenia je možné zameniť polaritu na umožnenie pripojenia stredovej elektródy na kladné napätie ako anódu a zhora uvedené prepojené elektródy pripojiť na záporné napätie ako katódu.

Iné možné zapojenie je spojenie pomocnej elektródy so stredovou elektródou, takže tieto dve elektródy budú mať rovnaké napätie. Potom môžu byť pripojené výhodne na kladné napätie ako katóda. Rovnako u tohto zapojenia je možné polaritu elektród zameniť na umožnenie pripojenia spojených dvoch elektród na záporné napätie, takže tvorí katódu, a vonkajšiu elektródu na kladné napätie, takže tvorí anódu.

Pri použití prvého vyššie spomenutého zapojenia je vonkajšia elektróda a jej držiak spolu s pomocnou elektródou a jej držiakom výhodne uzemnené . A. preto . h.enastáya....nebezpeČT ný stav ak sa spomínané dve elektródy a ich držiaky vzájomne dotýkajú. Stredová elektróda a jej držiak sú pod určitým napätím proti uzemneniu a elektricky izolované od zariadenia použitom na axiálne polohovanie.

Účelom konštrukcie horáka s vonkajšou elektródou a vnútornou pomocnou elektródou, ktoré sú pripojené na to isté napätie je docieliť spoľahlivé zapaľovanie oblúkom a stabilné znovu-zapaľovacie zariadenie na plazmový horák.

Pomocná elektróda je životne dôležitá pri štartovaní horáka so studeným plazmovým plynom a na docielenie stabilnej prevádzky pri nízkych teplotách elektródy.

Skúšky takisto ukázali, že horák vybavený pomocnou elektródou poskytuje stabilnú prevádzku pri nižšej teplote elektródy, než horák bez pomocnej elektródy pri použití toho istého plazmového plynu.

Pomocná elektróda poskytuje spoľahlivé zapaľovanie horáka pri napätí dodanom na elektródu. Pomocná elektróda je umiestnená tak blízko stredovej elektródy, že elektrická iskra preskočí medzi nimi po dodaní napätia a vytvorí sa okamžite oblúk. Pomocná elektróda preto môže byť charakterizovaná ako zapaľovacia elektróda. Vzdialenosť zvolená medzi elektródami je v prvom rade určená pracovným napätím, ale tiež závisí na iných faktoroch ako napríklad na použitom type plazmu tvoriaceho plynu.

Magnetické sily presunú oblúk na koniec elektród, von do priestoru mimo koniec elektród, a ak je oblúk raz zapálený, má schopnosť docieliť väčšiu diaľku pri rovnakom napätí medzi elektródami. Tým sa pätný bod na pomocnej elektróde presunie smerom von, až preskočí na vonkajšiu elektródu, ktorá má rovnaké napätie. Pretože sa táto udalosť deje veľmi rýchlo, príde len k malej erózii pomocnej elektródy v porovnaní s eróziou vonkajšej-a stredovej elektródy, kde oblúk má svoje pätné body po väčšinu času.

Pomocná elektróda môže byť presúvaná v axiálnom smere voči vonkajšej elektróde. Počas prevádzky je stiahnutá, ale len dosť ďaleko na zaistenie toho, aby povrch stredovej elektródy bol priamo nad koncom pomocnej elektródy a jeho teplota bola dostatočne vysoká, aby mohla vysielať elektróny a tým znovu zaistiť zapálenie. Pomocná elektróda je však dostatočne stiahnutá, aby sa na nej zabránila trvalá tvorba pätného bodu oblúka.

Vonkajšie a vnútorné elektródy majú rovnaké napätie. Prepojenie je možné vnútri alebo zvonka horáka. Ak sa prepojenie vykoná vnútri horáka, obyčajne sa nepoužije izolácia medzi týmito dvoma elektródami.

Na nastavenie axiálnej polohy pomocnej elektródy sa môže zaistiť riadiaci systém, čím sa minimalizuje priemerná intenzita prúdu pretekajúceho touto elektródou. Tým sa podstatne zníži opotrebenie pomocnej elektródy. Vonkajšia a pomocná elektróda sú v tomto prípade vzájomne odizolované. Elektrický prúd tečúci týmito elektródami sa potom môže merať nazávisle na sebe a napájacie hodnoty sa potom môžu zavádzať do riadiaceho systému.

Bolo zistené, že oblúk v plazmových horákoch konštruovaných podľa tohto vynálezu je tlačený smerom ku koncom elektród a von do priestoru zvonka koncov elektród. Je to výsledok elektromagnetických síl vytvorených oblúkom a skutočnosťou, že napájajúci plyn tlačí oblúk smerom von. Nakoniec sa oblúk môže natiahnuť natoľko, že sa pretrhne a následkom toho zhasne.

Ak oblúk zhasne medzi vonkajšou a stredovou elektródou, bude okamžite znovu zapálený medzi pomocnou a stredovou elektródou. Bolo zistené, že v priebehu normálnej prevádzky je oblúk ustavične zhasínaný a musí byť znovu zapaľovaný, čo robí pomocnú elektródu podľa opisu absolútne nepostrádatelnou pre nepretržitú prevádzku plazmového horáka podľa vynálezu .

Plazmový horák je vybavený prstencovou budiacou cievkou alebo prstencovým permanentným magnetom, umiestneným z vonkajšej strany elektród buď okolo koncov elektród v oblasti horáka, kde sa vytvára oblúk alebo blízko tejto oblasti. Budiaca cievka alebo permanentný magnet sú umiestnené tak, že sa v tejto oblasti vytvára axiálne magnetické pole, čím spôsobujú rotáciu oblúka okolo stredovej osy horáka. To je dôležité pre prevádzkovú stabilitu horáka.

Pozdĺž stredovej osy horáka je možné umiestniť jedno alebo viac telies z feromagnetického materiálu. Toto teleso sústredí magnetické pole do prevádzkovej oblasti oblúka a, ak je to žiaduce, presunie magnetické pole z oblasti so silnejším magnetickým poľom do zóny oblúka. Tieto telesá a ich umiestnenie sú opísané v nórskej prihláške vynálezov čís. 91 4910.

Ďalej, magnetické pole zabráni oblúku v sťahovaní sa z konkrétneho bodu na vnútornej elektróde do konkrétneho bodu na vonkajšej elektróde, čím sa vytvárajú krátery a.poškodzuj e sa povrch elektród. Vplyvom magnetického poľa bude oblúk rotovať pozdĺž obvodu týchto elektród, čím sa docieli rovnomerná erózia povrchu elektród a podstatné zníženie opotrebenie elektród. V dôsledku toho je možné znížiť energetické zaťaženie elektród.

V nasledujúcej časti bude vynález detailnejšie opísaný s odvolaním sa na výkresy, ktoré schematicky znázorňujú vytvorenie plazmového horáka.

Prehľad obrázkov na výkrese

Na obr. 1 je znázornený zvislý rez plazmovým horákom podľa. vynálezu..

Príklady uskutočnenia vynálezu

Plazmový horák zobrazený v obr. 1 sa skladá z vonkajšej elektródy X, pomocnej elektródy 2 a stredovej elektródy 3.. Elektródy sú trubicového tvaru a sú umiestnené súoso, jedna v druhej. Elektródy môžu byť posúvané axiálne navzájom voči sebe. Zariadenie na axiálne nastavenie elektród, napr. hydraulické alebo pneumatické priamočiare motory, nie je na obr. 1 zahrnuté.

Elektródy sú tuhé a môžu byť odtaviteľné, tj. môžu byť trvalé posúvané dopredu v priebehu svojej erózie a opotrebenia. Preto nepotrebujú vnútorné chladenie. Táto skutočnosť predstavuje podstatné zjednodušenie plazmového horáka. Všet ky typy elektricky vodivého nekovového materiálu môžu byť použité na elektródy, výhodne avšak materiály s vysokým bodom topenia, ako napr. karbid kremíka alebo grafit. Voľba materiálu bude tiež závisieť na ich odolnosti voči atmosfére v oblasti aplikácie v priebehu príslušného procesu.

Plazmový horák je na jednom konci uzatvorený prstencovými izolačnými diskami 5,6 a 7. Izolačné disky súčasne slúžia ako tesnenie medzi elektródami. Plazmu tvoriaci plyn a/alebo reagujúca zložka môžu byť privedené stredovou elektródou 3. a prstencovými medzerami medzi elektródami. Prívodné potrubie pre plyn do plazmového horáka izolačnými diskami nie je zahrnuté do výkresu.

Plazmový horák je konštruovaný na umožnenie prívodu reagujúcej zložky stredovej elektródy 3 samostatnou prívodnou trubicou 4. Vhodná prívodná trubica je napr. opísaná v nórskej prihláške vynálezu čís. 91 4911. Pretože elektródy sú výhodne odtavitelné, stredová elektróda 3 sa môže v priebehu prevádzky vysúvať a pohybovať axiálne, čím je umožnené nastavenie jej konca podľa potreby.

Elektródy sú napájané elektrickou energiou z centrálneho zdroja, ktorý však na obr. 1 nie je zaznačený. Elektródy sú napájané elektrickou energiou za pomoci káblov 8., 9. a 10, naznačených na obr. 1 čiarami.

Kábel 10 vonkajšej elektródy a kábel stredovej elektródy 9 sú vzájomne prepojené z vonkajšej strany horáka prepojením alebo spojkovou doskou 11. Toto spojenie je vykonané pred pripojením alebo zahrnutím akýchkoľvek meracích prístrojov na záznam prúdu tečúceho elektródami. Vonkajšia elektróda 1 a pomocná (medziležiaca) elektróda 2 sú preto na rovnakom napätí a sú výhodne pripojené na kladné napätie a tvoria anódu. Stredová elektróda 3. je výhodne pripojená na záporné napätie a tvorí katódu.

Prstencová budiaca cievka 12 alebo prstencový permanentný magnet sú usporiadané okolo elektród, prednostne zvonka oblasti, v ktorej sa vytvára oblúk. Budiaca cievka 12 alebo permanentný magnet vzbudí v tejto oblasti horáka magnetické pole.

Pomocná elektróda 2 a stredová elektróda 3. sú dimenzované tak, že radiálna vzdialenosť medzi nimi je malá. Pri dodaní napätia preskočí iskra medzi oboma elektródami a vytvorí sa oblúk. Pracovné napätie a vzdialenosť medzi elektródami sú také, že vždy príde k preskoku iskry. Týmto spôsobom je preto docielené spoľahlivé zapaľovanie plazmového horáka.

Magnetické sily presunú oblúk na koniec elektród; po zapálení oblúka má tento schopnosť docieliť väčšiu diaľku pri rovnakom napätí medzi elektródami. Pätný bod oblúka sa presunie za pomocnú elektródu 2 radiálnym smerom priečne na vonkajšiu elektródu 1 s rovnakým napätím. Po zapálení oblúka sa tento preto bude pohybovať medzi stredovou elektródou

3. a vonkajšou elektródou 1.

Pomocná elektróda 2 je posuvná v axiálnom smere. Počas prevádzky je táto elektróda stiahnutá z plazmovej zóny. Pomocná elektróda 2 je potom dostatočne ďaleko stiahnutá, aby sa na nej zabránilo akémukoľvek ďalšiemu vytvoreniu pätného bodu oblúka; ten potom dáva prednosť putovať z vonkajšej elektródy 1 priečne ku stredovej elektróde. Optimálna poloha pomocnej elektródy 2 sa môže nastaviť pomocou ovládacieho zariadenia, ktoré napr. merá ňou pretekajúci prúd. Optimálna poloha sa docieli, keď priemerná intenzita prúdu pretekajúceho pomocnou elektródou 2 dosiahne minimum.

V plazmovom horáku podľa vynálezu je oblúk vytlačovaný z koncov elektród. Dôvodom pre tento jav sú separátne elektromagnetické sily v oblúku a plyn tečúci v priestore medzi elektródami, ktorými je oblúk vytlačovaný von. Nakoniec sa oblúk natiahne natoľko, že sa preruší a zhasne.

Ak zhasne oblúk medzi vonkajšou elektródou 1 a stredovou elektródou 3, zapáli sa ihneď znovu medzi pomocnou elektródou 2 a stredovou elektródou 3. Intenzita poľa medzi týmito elektródami je dostatočná na umožnenie vyžarovania elektrónov z povrchu katódy, ktorá má dostatočne vysokú teplotu, takže okamžite nastane znovuzapálenie oblúka. Týmto nedôjde k zaznamenaniu prerušenia energie, pretože hlavný prúd sa presunie z vonkajšej elektródy 1 na pomocnú elektródu 2 .

Pätný bod oblúka sa potom presunie z pomocnej elektródy na vonkajšiu elektródu 1. Elektródy majú takú vysokú teplotu, že vyžarujú elektróny do ich obklopujúcej oblasti a oblúk medzi vonkajšou elektródou 1 a stredovou elektródou sa obnoví už po niekoľkých milisekundách po tom, čo zhasol .

Bolo zistené, že v priebehu prevádzky je oblúk sústavne zhášaný a znovu zapaľovaný, ako je to opísané vyššie. Pomocná elektróda 2, ktorá môže byť tiež označená ako zapaľovacia elektróda, je preto absolútne neodmysliteľná pre plynulú prevádzku plazmového horáka podľa vynálezu.

Claims (3)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Plazmový horák s nepreneseným oblúkom, vytvorený na dodávanie energie, napr. chemickým procesom, pričom plazmový horák sa skladá z niekoľkých trubicových elektród usporiadaných súoso jedna v druhej, pričom elektródy sú prednostne vzájomne elektricky izolované a sú vybavené napojením na zdroj elektrickej energie a môžu byť pripojené na striedavý alebo jednosmerný prúd a sú vybavené axiálnym magnetickým polom v prevádzkovej oblasti oblúka, pričom elektródy sú zhotovené z nekovového materiálu s vysokým bodom topenia, a pričom plazmu tvoriaci plyn a/lebo reagujúca zložka môže byť privádzaná stredovou elektródou a prstencovými priestormi medzi elektródami, vyznačujúci sa tým, že sú použité najmenej tri elektródy, ktoré tvoria sadu skladajúcu sa z vonkajšej elektródy (1), pomocnej elektródy (2) a stredovej elektródy (3), pričom tieto elektródy (1, 2, a 3) môžu byť posúvané axiálne voči sebe a pričom pomocná elektróda (2) tvorí zapalovaciu elektródu, ktorá je trvalé elektricky pripojená k jednej z ostatných elektród (1, 3), takže tieto dve elektródy (2, 1) lebo (2, 3) majú zhodnú polaritu a napätie, a pričom pomocná elektróda (2), muže být stiahnutá z plazmovej zóny.
2. 2. Plazmový horák podľa nároku 1, vyznačuj úci sa t ý m, že má kontrolný systém pre nastavenia vzdialenosti vonkajšej elektródy (2) v plazmovej zóne tak, aby pretekajúci prúd bol minimálny.
3. 3. Plazmový horák podľa nároku 1, vyznačuj úci sa t ý m, že radiálna vzdialenosť medzi pomocnou elektródou (2), pripojenou na jeden pól a elektródou (1 alebo 3), pripojenou na druhý pól elektrického zdroja, je dimenzovaná tak, aby pri pripojení pracovného napätia medzi nimi preskočila elektrická iskra.