WO2010095980A1 - Dc electric arc plasmatron for apparatuses for plasma-processing solid waste - Google Patents
Dc electric arc plasmatron for apparatuses for plasma-processing solid waste Download PDFInfo
- Publication number
- WO2010095980A1 WO2010095980A1 PCT/RU2010/000072 RU2010000072W WO2010095980A1 WO 2010095980 A1 WO2010095980 A1 WO 2010095980A1 RU 2010000072 W RU2010000072 W RU 2010000072W WO 2010095980 A1 WO2010095980 A1 WO 2010095980A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- cathode
- nozzle
- rods
- anode
- plasma
- Prior art date
Links
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
- F23G5/00—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor
- F23G5/08—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor having supplementary heating
- F23G5/085—High-temperature heating means, e.g. plasma, for partly melting the waste
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
- H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
- H05H1/24—Generating plasma
- H05H1/26—Plasma torches
- H05H1/32—Plasma torches using an arc
- H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles
- H05H1/3431—Coaxial cylindrical electrodes
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
- F23G2204/00—Supplementary heating arrangements
- F23G2204/20—Supplementary heating arrangements using electric energy
- F23G2204/201—Plasma
Definitions
- the invention relates to the field of solid waste processing and can be used in industrial enterprises, as well as in public utilities.
- a known method of processing ash from combustible urban waste in a plasma melting system including feeding ash, heating it and melting it with a plasma, removing the melt, afterburning, cooling and purifying flue gases (Kouji Ariake, Akira Kaga, Yoshihito Matsuoka, Nideto Tomuha, Mapuha, Makura Masahiro Naga. Slasma Slaggipg Anlagen forlnsineration Ash. // Teshisal rorort of Kawasaki Neavu Industrial. 1995. - 125, arril. - P. 2-7). Due to the high temperature of the plasma, nitrogen and oxygen react with each other and form nitrogen oxides.
- the melt in this case consists of slag continuously discharged from the furnace and metal removed periodically when the furnace is tilted.
- a plasma method for the destruction of industrial wastes is also known (Guepard J., Bourdil C. Rocheda EDF d'Ispeptagés and industrial technology and / or. 1, Z.-R. 167-181), including the periodic supply of mixed waste, pyrolysis of the organic component of waste and complex inorganic compounds with the release of volatile combustible substances, combustion of flammable substances with insufficient air, melting of the remaining solid inert materials under the influence of air plasma, removal of liquid slag and molten metal, afterburning, cooling and purification of flue gases.
- a device for implementing the known method comprises units for supplying waste and air, a heat treatment chamber with a plasma torch installed in it and equipped with a notch for outputting the melt, a gas duct and afterburning and gas purification units.
- a disadvantage of the known method and device is the frequency of the process of destruction of industrial waste due to the sequential implementation of all its stages in a single technological space and the resulting emissions of a large amount of nitrogen oxides during the melting of the ash residue, which requires the installation of expensive devices for purification of exhaust gases.
- periodic removal as liquid metal and slag accumulate requires shutting down the process.
- a known method of processing solid waste including the continuous supply of air and waste, their gasification and melting of the ash by a plasma jet, removing the melt, afterburning, cooling and purification of flue gases, and gasification .
- waste with the formation of a coke residue and the release of gaseous decomposition products the combustion of the coke residue and ash melting is carried out continuously and simultaneously in different zones, while the combustion and melting are carried out with an excess of oxygen, and the gaseous products released in this case are mixed with a lack of oxygen with gaseous decomposition products and sent for afterburning.
- a device for implementing the known method comprises units for supplying waste and air, a heat treatment chamber with a plasma torch installed in it, equipped with a notch for outputting the melt, a gas duct, afterburning and gas purification units, a waste gasification chamber with an air supply unit, arranged in series with and communicated with the heat treatment chamber moreover, under the gasification chamber is located above the melt level in the heat treatment chamber, while the mixture of gaseous waste gasification products and gaseous products of combustion and melting are carried out in the afterburner with a circulating fluidized bed.
- a disadvantage of the known method and device is that in the case of using small capacity plants for the processing of bulky or packaged waste due to the continuous supply of waste provided by the technology, the process of preliminary preparation of waste for incineration (crushing) is complicated, which leads to an increase in the cost of the entire process of processing solid waste.
- the disadvantages of the prototype is the limited service life of the plasma torch.
- a hollow, deaf electrode anode or cathode, depending on polarity
- the arc discharge (anode or cathode discharge spot, depending on the polarity) “sticks” to 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 such a "landing" of the arc discharge is to limit the life of the electrodes.
- the large depth (more than 3 diameters) of the electrode leads to instability of the gas-dynamic regime of the gas flow in the plasma torch channel, 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 flow rate of the working, plasma-forming) gas.
- DC arc plasma torch is designed to heat air and other oxygen-containing gases and gas mixtures. It has coaxial hollow cylindrical water-cooled electrodes (anode and cathode) with a swirling supply of plasma-forming (heated) gas into the gap between the anode and cathode using a nozzle (interelectrode insert) made of insulating material.
- the nozzle is made coaxial with the anode and cathode, 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.
- a DC arc plasma torch for plasma processing plants operates 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 2 is connected to the positive pole of the power source of the arc plasma torch.
- Plasma-forming gas is fed into the plasma torch channel, formed by the cathode 1 and anode 2 through the tangential openings in the nozzle 3. 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 plasmatron by means of an oscillator by applying a high voltage pulse between the anode 2 and cathode 1.
- the arc discharge occupies the central zone of the plasma torch channel between the bottom of the cathode 1 and the end part of the anode 2 on the outer surface of the plasma torch.
- the outer surface of the cathode 1 and anode 2 is cooled by a flow of water or other coolant.
- Arc discharge stabilization in the plasma torch channel b, the cold wall of the cathode 1 and anode 2 is carried out and the working gas stream is rotated in the plasma torch channel (in this case, a reduced pressure zone is formed in the central channel zone).
- the movement of the cathode spot on the cathode surface and the anode spot on the anode surface is provided by the rotation of the working gas in the plasma torch channel.
- the geometric parameters of the plasma torch channel formed by the internal cavities of the cathode 1 and the anode 2, as well as the geometric parameters of the nozzle 3, 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 stream 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 2 and the bottom of the cathode 1 in the entire range of operating parameters of the plasma torch (working gas flow and arc current).
- 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, which results in the spot being heated and the end surface of the rod melting. The surface of the molten material of the rod is oxidized by oxygen, which is part of the working gas.
- Solid metal oxide of the rod (zirconium oxide or hafnium oxide) covering the molten zone, significantly reduces the evaporation of the molten metal and avoids cluster erosion of the rod material.
- Metal oxide (zirconium oxide or hafnium oxide) is a conductor at molten metal temperatures and provides the necessary electron emission from the cathode spot. 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 to another rod. Heat removal from the cathode spot is carried out in the radial direction to the external cooled surface 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.
- the advantage of the invention is to increase the life of the plasma torch and expand the range of its operating characteristics, which leads to an increase in the environmental and economic efficiency of the process of plasma-thermal processing of solid waste.
Abstract
The invention relates to the field of solid waste processing and can be used in industrial businesses as well as in municipal services. Increasing the service life of the plasmatron and extending the range of the operating characteristics thereof is achieved by virtue of the fact that the DC electric arc plasmatron for apparatuses for plasma-processing solid waste comprises coaxial hollow cylindrical water-cooling electrodes (anode and cathode) with a swirling supply of plasma-forming gas to the gap between the anode and the cathode with the aid of a nozzle (inter-electrode insert) which is formed from an insulating material, is coaxial with respect to the anode and the cathode and has tangential openings for supplying gas which are formed in a plane perpendicular to the axis of the electrodes tangentially to the inner surface of the nozzle, where the anode has a channel with an inside diameter of da and a channel length of l a =(8-12)d a , the cathode is in the form of a cup with an inside diameter of d c =(1-1.15)d a and a depth of l ? =(1-3)d a , the inside diameter of the nozzle is d=(2-2.5)d a , the thickness of the nozzle wall in which the openings are formed in a quantity of from 4 to 6 for supplying gas is (0.2-0.3)d a , and the openings in the nozzle have a diameter of (0.08-0.1)d a and are distributed uniformly over the circumference of the nozzle.
Description
Электродуговой плазмотрон постоянного тока для установок по плазменной переработке твёрдых отходов DC Arc Plasmatron for Plasma Solid Waste Plants
Изобретение относится к области переработки твердых отходов и может быть использовано на промышленных предприятиях, а также в коммунальном хозяйстве.The invention relates to the field of solid waste processing and can be used in industrial enterprises, as well as in public utilities.
Одним из перспективных направлений в области технологии переработки отходов является применение низкотемпературной плазмы, благодаря чему достигается высокая степень разложения веществ, что, в свою очередь, может решить проблему экологической чистоты процесса переработки твердых отходов и повышения его экономической эффективности..One of the promising areas in the field of waste processing technology is the use of low-temperature plasma, due to which a high degree of decomposition of substances is achieved, which, in turn, can solve the problem of environmental cleanliness of the solid waste processing process and increase its economic efficiency ..
Известен способ переработки золы сжигаемого городского мусора в плазменной плавильной системе, включающий подачу золы, ее подогрев и плавление с помощью плазмы, удаление расплава, дожигание, охлаждение и очистку дымовых газов (Коuji Аriаkе, Аkirа Каgа, Yоshihitо Маtsuоkа, Нidеtо Тоmurа, Мапаbu Ishisаkа, Маsаhirо Нага. Рlаsаmа Slаggiпg Sistеm fоr lnsineration Аsh. // Тесhiсаl rероrt оf Каwаsаki Неаvу Iпdustrу. 1995. - 125, арril. - P. 2-7). Из-за высокой температуры плазмы азот и кислород реагируют между собой и образуют оксиды азота. Для снижения их выбросов до допускаемого стандартами уровня к вводимой золе добавляют определенное количество кокса, что создает в плавильной камере восстановительную атмосферу, а расплав при этом состоит из шлака, непрерывно выводимого из печи, и металла, выводимого периодически при наклоне печи.A known method of processing ash from combustible urban waste in a plasma melting system, including feeding ash, heating it and melting it with a plasma, removing the melt, afterburning, cooling and purifying flue gases (Kouji Ariake, Akira Kaga, Yoshihito Matsuoka, Nideto Tomuha, Mapuha, Makura Masahiro Naga. Slasma Slaggipg Sistem forlnsineration Ash. // Teshisal rorort of Kawasaki Neavu Industrial. 1995. - 125, arril. - P. 2-7). Due to the high temperature of the plasma, nitrogen and oxygen react with each other and form nitrogen oxides. To reduce their emissions to the level allowed by the standards, a certain amount of coke is added to the introduced ash, which creates a reducing atmosphere in the melting chamber, and the melt in this case consists of slag continuously discharged from the furnace and metal removed periodically when the furnace is tilted.
Недостатком известного способа является необходимость периодического удаления расплавленного металла, что требует усложнения конструкции печи и останова технологического процесса переработки золы.The disadvantage of this method is the need for periodic removal of molten metal, which requires complicating the design of the furnace and stopping the technological process of processing ash.
Известен также плазменный способ уничтожения промышленных отходов (Guепаrd J., Воurdil С. Рrосеdе EDF d'iпегtаgе dеs dесhеts iпdustriеls а hаutе tеmреrаturе раr tоrсh а рlаsmа еlесtrоblеur. -// J. Нigh Теmреr. Сhеm. Рrосеssеs. - 1992. - VoI. 1 , З.-Р. 167-181), включающий периодическую подачу смешанных
отходов, пиролиз органической составляющей отходов и сложных неорганических соединений с выделением летучих горючих веществ, сжигание при недостатке воздуха горючих веществ, плавление оставшихся твердых инертных материалов под действием воздушной плазмы, удаление жидкого шлака и расплавленного металла, дожигание, охлаждение и очистку дымовых газов. Устройство для осуществления известного способа содержит узлы подачи отходов и воздуха, камеру термообработки с установленным в ней плазмотроном и оснащенную леткой для вывода расплава, газоход и блоки дожигания и газоочистки.A plasma method for the destruction of industrial wastes is also known (Guepard J., Bourdil C. Rocheda EDF d'Ispeptagés and industrial technology and / or. 1, Z.-R. 167-181), including the periodic supply of mixed waste, pyrolysis of the organic component of waste and complex inorganic compounds with the release of volatile combustible substances, combustion of flammable substances with insufficient air, melting of the remaining solid inert materials under the influence of air plasma, removal of liquid slag and molten metal, afterburning, cooling and purification of flue gases. A device for implementing the known method comprises units for supplying waste and air, a heat treatment chamber with a plasma torch installed in it and equipped with a notch for outputting the melt, a gas duct and afterburning and gas purification units.
Недостатком известных способа и устройства является периодичность процесса уничтожения промышленных отходов из-за последовательного проведения всех его стадий в едином технологическом пространстве и обусловленные этим выбросы большого количества оксидов азота в период расплавления зольного остатка, что требует установки дорогостоящих устройств по очистке отходящих газов. Кроме того, периодическое удаление по мере накопления жидкого металла и шлака требует останова технологического процесса.A disadvantage of the known method and device is the frequency of the process of destruction of industrial waste due to the sequential implementation of all its stages in a single technological space and the resulting emissions of a large amount of nitrogen oxides during the melting of the ash residue, which requires the installation of expensive devices for purification of exhaust gases. In addition, periodic removal as liquid metal and slag accumulate requires shutting down the process.
Известен способ переработки твердых отходов ( Патент США 5370067 ), включающий непрерывную подачу воздуха и отходов, их газификацию и плавление золы плазменной струей, удаление расплава, дожигание, охлаждение и очистку дымовых газов, причем газификацию . отходов с образованием коксового остатка и выделением газообразных продуктов разложения, сжигание коксового остатка и плавление золы осуществляют непрерывно и одновременно в разных зонах, при этом сжигание и плавление проводят при избытке кислорода, а выделяющиеся при этом газообразные продукты смешивают при недостатке кислорода с газообразными продуктами разложения и направляют на дожигание. Устройство для осуществления известного способа содержит узлы подачи отходов и воздуха, камеру термообработки с установленным в ней плазмотроном, оснащенную леткой для вывода расплава, газоход, блоки дожигания и газоочистки, камеру газификации отходов с узлом подвода воздуха, расположенную последовательно с камерой термообработки и сообщенную с ней, причем под камеры газификации расположен выше уровня расплава в камере термообработки, при этом смешение газообразных продуктов газификации отходов и газообразных
продуктов сжигания и плавления осуществляют в камере дожигания с циркулирующим кипящим слоем. Недостатком известных способа и устройства является то, что в случае использования установок небольшой мощности для переработки крупногабаритных или упакованных отходов вследствие непрерывной подачи отходов, предусмотренной технологией, усложняется процесс предварительной подготовки отходов к сжиганию (дробление), что ведет к удорожанию всего процесса переработки твердых отходов.A known method of processing solid waste (US Patent 5370067), including the continuous supply of air and waste, their gasification and melting of the ash by a plasma jet, removing the melt, afterburning, cooling and purification of flue gases, and gasification . waste with the formation of a coke residue and the release of gaseous decomposition products, the combustion of the coke residue and ash melting is carried out continuously and simultaneously in different zones, while the combustion and melting are carried out with an excess of oxygen, and the gaseous products released in this case are mixed with a lack of oxygen with gaseous decomposition products and sent for afterburning. A device for implementing the known method comprises units for supplying waste and air, a heat treatment chamber with a plasma torch installed in it, equipped with a notch for outputting the melt, a gas duct, afterburning and gas purification units, a waste gasification chamber with an air supply unit, arranged in series with and communicated with the heat treatment chamber moreover, under the gasification chamber is located above the melt level in the heat treatment chamber, while the mixture of gaseous waste gasification products and gaseous products of combustion and melting are carried out in the afterburner with a circulating fluidized bed. A disadvantage of the known method and device is that in the case of using small capacity plants for the processing of bulky or packaged waste due to the continuous supply of waste provided by the technology, the process of preliminary preparation of waste for incineration (crushing) is complicated, which leads to an increase in the cost of the entire process of processing solid waste.
Известен ряд технических решений плазмотронов для подачи нагретого до высоких температур плазмообразующего газа, используемого для плазменной переработки твёрдых отходов, таких как плазмотроны с «длиннoй» дугой, используемые для нагрева газа ( патенты US Ns 3,673,375 , N°4, 559,439 ,
A number of technical solutions are known for plasmatrons for supplying plasma-forming gas heated to high temperatures, used for plasma processing of solid wastes, such as long arc plasmatrons, used for heating gas (US Pat. Nos. 3,673,375, N ° 4, 559,439,
Известен плазмотрон для установок по переработке отходов, приведенный в работе «Treatment tесhпоlоgу fоr wаstе containing аsbеstоs bу рlаsта energy», H. S. Раrk, H. N. Lее, S.S. Кwоп, H. I. Кiт, SJ. Кiт, Y.G. Нопд, V lnternational Сопfеrепсе "Рlаsта Рhуsiсs апd Рlаsта Тесhпоlодiеs" , Мiпsk, 2006 р. 828 - 831 , выбранный в качестве прототипа.Known plasmatron for waste processing plants, given in the work "Treatment Testshpologu forwast containing asbestos bpasta energy", H. S. Rark, H. N. Le, S.S. Kwop, H. I. Kit, SJ. Kit, Y.G. Nopd, V lnternational Conference "Рlаstа Русисссдd Рlаstа Тесhполодіес", Mipsk, 2006 p. 828-831, selected as a prototype.
Недостаткам прототипа является ограничение срока службы плазмотрона. Технически в его конструкции отсутствует «пocaдкa» дугового разряда на торцевую поверхность полого, глухого электрода (анода или катода, в зависимости от полярности), выполненного в виде стакана. В результате чего, дуговой разряд (анодное или катодное пятно разряда, в зависимости от полярности) «caдитcя» на боковую поверхность электрода, толщина боковой стенки которого меньше толщины торцевой стенки. Следствием такой «пocaдки» дугового разряда является ограничение срока службы электродов. Кроме того, большая глубина (более 3-х диаметров) электрода приводит 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.
Техническим результатом, на который направлено данное изобретении, является увеличение срока службы плазмотрона и расширение диапазона его рабочих характеристик (изменения тока дуги в пределах от lmm до lmax = (5÷7)lmm и изменения расхода рабочего газа в пределах от Qmiп до Qmax - (2÷4)Qmiп)The disadvantages of the prototype is the limited service 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) “sticks” to 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 such a "landing" of the arc discharge is to limit the life of the electrodes. In addition, the large depth (more than 3 diameters) of the electrode leads to instability of the gas-dynamic regime of the gas flow in the plasma torch channel, 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 flow rate of the working, plasma-forming) gas. The technical result to which this invention is directed is to increase the life of the plasma torch and expand the range of its operating characteristics (changes in arc current in the range from l mm to l m ax = (5 ÷ 7) l mm and changes in the flow rate of the working gas in the range from Q mip to Q max - (2 ÷ 4) Q mip )
Достижение этого результата обеспечивается в электродуrовом плазмотроне постоянного тока для установок плазменной переработки отходов, рабочая часть которого представлена на Фиг. 1 , где показаны:Achieving this result is ensured in the DC electrode plasmatron for plasma waste treatment plants, the working part of which is presented in FIG. 1, where are shown:
1. Катод.1. The cathode.
2. Анод.2. The anode.
3. Форсунка.3. The nozzle.
Электродуговой плазмотрон постоянного тока предназначен для нагрева воздуха и других кислородосодержащих газов и газовых смесей. Он имеет соосные полые цилиндрические водоохлаждаемые электроды (анод и катод) с вихревой подачей плазмообразующего (нагреваемого) газа в зазор между анодом и катодом с помощью форсунки (межэлектродной вставки), выполненной из изолирующего материала. Форсунка выполнена соосной с анодом и катодом, и имеет тангенциальные отверстия для подачи газа, выполненные в плоскости, перпендикулярной оси электродов по касательной к внутренней поверхности форсунки. Для получения широкого диапазона рабочих характеристик (изменения тока дуги в пределах от lmiп до lmax = (5÷7)lmm и изменения расхода рабочего газа в пределах от Qm;п до Qmax = (2÷4)Qmiп) анод имеет внутренний диаметр da канала, длину канала la=(8÷12) da , катод выполнен в виде стакана, с внутренним диаметром dc=(1÷1, 15)da и глубиной I0= (1÷3) da , внутренний диаметр форсунки составляет d,= (2÷2,5) da , толщина стенки форсунки, в которой выполнены отверстия для подачи газа составляет (0,2÷0,3)da , отверстия в форсунке имеют диаметр (0,08÷0,1) da , количество отверстий - 4÷б , отверстия равномерно расположены по окружности форсунки. Для повышения ресурса работы катода на больших токах при нагреве кислородосодержащих газов катод выполнен в виде водоохлаждаемого стакана глубиной I0= (1÷2,5)dc, где dc - внутренний диаметр стакана, из металла с высокой тепло и электропроводностью, например меди, в донной части которого запрессованы 7 стержней из металла, обеспечивающего термохимическую эмиссию электронов в кислородной среде, например из гафния или циркония, длиной /c; = (0,25÷0,5) dc, диаметром dcm = 1 ,5 - 3 мм,
причём центральный стержень запрессован точно по оси стакана, а остальныеDC arc plasma torch is designed to heat air and other oxygen-containing gases and gas mixtures. It has coaxial hollow cylindrical water-cooled electrodes (anode and cathode) with a swirling supply of plasma-forming (heated) gas into the gap between the anode and cathode using a nozzle (interelectrode insert) made of insulating material. The nozzle is made coaxial with the anode and cathode, 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. To obtain a wide range of operating characteristics (changes in the arc current in the range from l miп to l max = (5 ÷ 7) l mm and changes in the flow rate of the working gas in the range from Q m ; n to Q max = (2 ÷ 4) Q miп ) the anode has an inner diameter d a of the channel, the length of the channel l a = (8 ÷ 12) d a , the cathode is made in the form of a glass, with an inner diameter of d c = (1 ÷ 1, 15) d a and a depth of I 0 = (1 ÷ 3) d a , the inner diameter of the nozzle is d, = (2 ÷ 2.5) d a , the wall thickness of the nozzle in which the holes for gas supply are made is (0.2 ÷ 0.3) d a , the holes in the nozzle have diameter (0,08 ÷ 0,1) d a, number of holes - 4 ÷ b, otve Stia uniformly arranged on the circumference of the nozzle. To increase the cathode life at high currents when heating oxygen-containing gases, the cathode is made in the form of a water-cooled cup with a depth of I 0 = (1 ÷ 2.5) d c , where d c is the inner diameter of the cup, made of metal with high heat and electrical conductivity, such as copper , in the bottom of which 7 rods of metal are pressed in, providing thermochemical emission of electrons in an oxygen medium, for example, of hafnium or zirconium, length / s ; = (0.25 ÷ 0.5) d c , diameter d cm = 1, 5 - 3 mm, moreover, the central rod is pressed exactly along the axis of the glass, and the rest
6 стержней окружают центральный стержень и оси их параллельны оси центрального стержня, образуя правильный шестиугольник, периферические стержни отстоят от центрального на расстоянии a=(0,5÷1) dcm , внешняя стенка катода охлаждается водой на всей длине запрессовки стержней, катод по п. 2, отличающийся тем, что глубина его в начале ресурса I0= (1÷2)dc , за первым периферийным кольцом из шести стержней, расположено второе кольцо из 12 стержней, расположенных по вершинами правильного 12-ти угольника таким образом, что расстояние между соседними стержнями всегда равно а = (0,5÷1) dст , а оси их параллельны оси центрального стержня, длина всех стержней Id = (0,5*1) dс,6 rods surround the central rod and their axes are parallel to the axis of the central rod, forming a regular hexagon, the peripheral rods are separated from the central one at a distance of a = (0.5 ÷ 1) d cm , the outer wall of the cathode is cooled by water along the entire length of the rod insertion, the cathode according to . 2, characterized in that its depth at the beginning of the resource I 0 = (1 ÷ 2) d c , behind the first peripheral ring of six rods, there is a second ring of 12 rods located along the vertices of a regular 12 gon so that distance between adjacent rod E is always equal to a = (0,5 ÷ 1) dst, and their axes are parallel to the central axis of the rod, the length of the rods Id = (0,5 * 1) dc,
Глубина катода в начале ресурса составляет /c= (1÷1,2)dCl при этом стержни заполняют всю донную поверхность стакана и расположены таким образом, что соседние стержни всегда расположены по вершинам равностороннего треугольника, со стороной b=(1 ,5÷3) dcm, т.е. расстояние между ними a=(0,5÷1) dcm , а оси их параллельны оси центрального стержня, длина стержней составляет /c,- = (1, 8÷2) dc . The cathode depth at the beginning of the resource is / c = (1 ÷ 1.2) d Cl while the rods fill the entire bottom surface of the glass and are located so that adjacent rods are always located at the vertices of an equilateral triangle, with side b = (1, 5 ÷ 3) d cm , i.e. the distance between them is a = (0.5 ÷ 1) d cm , and their axes are parallel to the axis of the central rod, the length of the rods is / c , - = (1, 8 ÷ 2) d c.
Электродуговой плазмотрон постоянного тока для установок плазменной переработки отходов работает следующим образом:A DC arc plasma torch for plasma processing plants operates as follows:
Катод плазмотрона 1 присоединён к отрицательному полюсу источника электропитания дугового разряда плазмотрона (источника тока). Анод плазмотрона 2 присоединён к положительному полюсу источника электропитания дугового плазмотрона. Плазмообразующий газ подаётся в канал плазмотрона, образуемый катодом 1 и анодом 2 через тангенциальные отверстия в форсунке 3. За счёт подачи плазмообразующего газа через тангенциальные отверстия в форсунке обеспечивается вращение газа в канале плазмотрона. Дуговой разряд поджигается в плазмотроне с помощью осциллятора путём подачи импульса высокого напряжения между анодом 2 и катодом 1. При подаче в плазмотрон рабочего расхода газа дуговой разряд занимает центральную зону канала плазмотрона между донной частью катода 1 и торцевой частью анода 2 на внешней поверхности плазмотрона. Внешняя поверхность катода 1 и анода 2 охлаждается протоком воды или другой охлаждающей жидкости. Стабилизация дугового разряда в канале плазмотрона
б осуществляется холодной стенки катода 1 и анода 2 и вращением потока рабочего газа в канале плазмотрона (при этом в центральной зоне канала образуется зона пониженного давления). Движение катодного пятна на поверхности катода и анодного пятна на поверхности анода обеспечивается вращением рабочего газа в канале плазмотрона. Геометрические параметры канала плазмотрона, образованного внутренними полостями катода 1 и анода 2, а также геометрические параметры форсунки 3, через тангенциальные отверстия которой подаётся рабочий газ в канал плазмотрона, обеспечивают стабильную форму линий тока течения рабочего в канале плазмотрона и посадку анодного и катодного пятен дугового разряда на внешней поверхности анода 2 и донной части катода 1 во всём диапазоне рабочих параметров плазмотрона (потока рабочего газа и тока дуги).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 2 is connected to the positive pole of the power source of the arc plasma torch. Plasma-forming gas is fed into the plasma torch channel, formed by the cathode 1 and anode 2 through the tangential openings in the nozzle 3. 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 plasmatron by means of an oscillator by applying a high voltage pulse between the anode 2 and cathode 1. When a working gas flow rate is supplied to the plasmatron, the arc discharge occupies the central zone of the plasma torch channel between the bottom of the cathode 1 and the end part of the anode 2 on the outer surface of the plasma torch. The outer surface of the cathode 1 and anode 2 is cooled by a flow of water or other coolant. Arc discharge stabilization in the plasma torch channel b, the cold wall of the cathode 1 and anode 2 is carried out and the working gas stream is rotated in the plasma torch channel (in this case, a reduced pressure zone is formed in the central channel zone). The movement of the cathode spot on the cathode surface and the anode spot on the anode surface is provided by the rotation of the working gas in the plasma torch channel. The geometric parameters of the plasma torch channel formed by the internal cavities of the cathode 1 and the anode 2, as well as the geometric parameters of the nozzle 3, 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 stream 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 2 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 на больших токах при нагреве кислородосодержащих газов обеспечивается в катоде плазмотрона представленном на Фиг. 2.An increase in the cathode life at high currents when heating oxygen-containing gases is provided in the cathode of the plasma torch shown in FIG. 2.
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 высокого значения теплопроводности материала катода. Под действием прикатодного падения потенциала, ионы рабочего газа разгоняются и бомбардируют катодное пятно, результатом чего является разогрев пятна и расплавление торцевой поверхности стержня. Поверхность расплавленного материала стержня окисляется кислородом, входящим в состав рабочего газа. Твёрдая окись металла стержня (окись циркония или окись гафния) покрывая расплавленную зону, существенно снижает испарение расплавленного металла и позволяет избежать кластерной эрозии материала стержня. Окись металла (окись циркония или окись гафния) является проводником при температурах расплавленного металла и обеспечивает необходимую 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 на другой стержень. 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 всём диапазоне его рабочих параметров.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, which results in the spot being heated and the end surface of the rod melting. The surface of the molten material of the rod is oxidized by oxygen, which is part of the working gas. Solid metal oxide of the rod (zirconium oxide or hafnium oxide) covering the molten zone, significantly reduces the evaporation of the molten metal and avoids cluster erosion of the rod material. Metal oxide (zirconium oxide or hafnium oxide) is a conductor at molten metal temperatures and provides the necessary electron emission from the cathode spot. 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 to another rod. 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 main cathode 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.
Преимуществом предлагаемого изобретения является увеличение срока службы плазмотрона и расширение диапазона его рабочих характеристик, что приводит к повышение экологической и экономической эффективности процесса плазмотермической переработки твердых отходов.
The advantage of the invention is to increase the life of the plasma torch and expand the range of its operating characteristics, which leads to an increase in the environmental and economic efficiency of the process of plasma-thermal processing of solid waste.
Claims
1. Электродуговой плазмотрон постоянного тока для установок по плазменной переработки твёрдых отходов, включающий соосные полые цилиндрические водоохлаждаемые электроды (анод и катод) с вихревой подачей плазмообразующего газа в зазор между анодом и катодом с помощью форсунки (межэлектродной вставки), выполненной из изолирующего материала, соосной с анодом и катодом, и имеющей тангенциальные отверстия для подачи газа, выполненные в плоскости, перпендикулярной оси электродов по касательной к внутренней поверхности форсунки, где анод имеет внутренний диаметр da канала, длину канала la=(8÷12) da , катод выполнен в виде стакана с внутренним диаметром dc=(1÷1, 15)da и глубиной /c= (1÷3) da , внутренний диаметр форсунки c//= (2÷2,5) da , толщина стенки форсунки, в которой выполнены отверстия в количестве от 4 до б для подачи газа, составляет (0,2÷0,3)da , отверстия в форсунке имеют диаметр (0,08÷0,1) da и равномерно расположены по окружности форсунки.1. DC arc plasma torch for installations for plasma processing of solid waste, including coaxial hollow cylindrical water-cooled electrodes (anode and cathode) with a swirling plasma gas in the gap between the anode and cathode using a nozzle (interelectrode insert) made of an insulating material, coaxial with the anode and cathode, and having tangential openings for gas supply, made in a plane perpendicular to the axis of the electrodes tangent to the inner surface of the nozzle, where the anode has is the inner diameter d a of the channel, the length of the channel l a = (8 ÷ 12) d a , the cathode is made in the form of a cup with an inner diameter d c = (1 ÷ 1, 15) d a and depth / c = (1 ÷ 3) d a , the inner diameter of the nozzle c / / = (2 ÷ 2.5) d a , the wall thickness of the nozzle in which the holes are made in an amount of 4 to b for gas supply is (0.2 ÷ 0.3) d a , the holes in the nozzle have a diameter of (0.08 ÷ 0.1) d a and are evenly spaced around the circumference of the nozzle.
2. Устройство по п.1 , где катод выполнен в виде водоохлаждаемого стакана глубиной lc= (1÷2,5)dc, где dc - внутренний диаметр стакана, из металла с высокой тепло и электропроводностью, например меди, в донной части которого запрессованы 7 стержней из металла, обеспечивающего термохимическую эмиссию электронов в кислородной среде, например из гафния или циркония, длиной lci = (0,25÷0,5) dc, диаметром dcm = 1 ,5 - 3 мм, причём 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 a=(0,5÷1) dcm , внешняя стенка катода охлаждается водой на всей длине запрессовки стержней;2. The device according to claim 1, where the cathode is made in the form of a water-cooled glass with a depth of l c = (1 ÷ 2.5) d c , where d c is the inner diameter of the glass, of metal with high heat and electrical conductivity, such as copper, in the bottom parts of which are pressed 7 rods made of metal, which provides thermochemical emission of electrons in an oxygen medium, for example, from hafnium or zirconium, with length l ci = (0.25 ÷ 0.5) d c , diameter d cm = 1, 5 - 3 mm, and the central rod is pressed exactly along the axis of the glass, and the remaining 6 rods surround the central rod and their axes are parallel to the price axis of the trailing rod, forming a regular hexagon, the peripheral rods are separated from the central one at a distance of a = (0.5 ÷ 1) d cm , the outer wall of the cathode is cooled by water along the entire length of the rod insertion;
3. Устройство по п.2 , где катод выполнен так, что его глубина в начале ресурса равна I0= (1÷2)dc , кроме того за первым периферийным кольцом из шести стержней расположено второе кольцо из 12 стержней, расположенных по вершинами правильного 12-ти угольника таким образом, что расстояние между соседними стержнями равно а = (0,5÷1) dcm, а оси их параллельны оси центрального стержня, причем длина всех стержней составляет /c/ =3. The device according to claim 2, where the cathode is made so that its depth at the beginning of the resource is I 0 = (1 ÷ 2) d c , in addition, behind the first peripheral ring of six rods, there is a second ring of 12 rods located at the vertices a regular 12-gon in such a way that the distance between adjacent rods is a = (0.5 ÷ 1) d cm , and their axes are parallel to the axis the central rod, and the length of all the rods is / c / =
(0,5*1) dc;(0.5 * 1) d c ;
4. Устройство по п.2 , где катод выполнен так, что его глубина в начале ресурса составляет lc= (1÷1,2)dc, при этом стержни заполняют всю донную поверхность стакана и расположены таким образом, что соседние стержни всегда расположены по вершинам равностороннего треугольника со стороной Ь=(1 ,5÷3) dст, так что расстояние между ними a=(0,5÷1) dcm , а оси их параллельны оси центрального стержня, причем длина стержней составляет /c/ = (1,8*2) dа. 4. The device according to claim 2, where the cathode is made so that its depth at the beginning of the resource is l c = (1 ÷ 1.2) d c , while the rods fill the entire bottom surface of the glass and are located so that adjacent rods are always are located at the vertices of an equilateral triangle with side b = (1, 5 ÷ 3) dst, so that the distance between them is a = (0,5 ÷ 1) d cm , and their axes are parallel to the axis of the central rod, and the length of the rods is / c / = (1.8 * 2) da.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009105470/05A RU2009105470A (en) | 2009-02-18 | 2009-02-18 | METHOD FOR PRODUCING HYDROCARBONS FROM GAS-PRODUCED PLASMA PRODUCTS FOR SOLID WASTE (OPTIONS) |
| RU2009105470 | 2009-02-18 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2010095980A1 true WO2010095980A1 (en) | 2010-08-26 |
Family
ID=42634084
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/RU2010/000072 WO2010095980A1 (en) | 2009-02-18 | 2010-02-17 | Dc electric arc plasmatron for apparatuses for plasma-processing solid waste |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2009105470A (en) |
| WO (1) | WO2010095980A1 (en) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102851083A (en) * | 2012-09-12 | 2013-01-02 | 衢州市广源生活垃圾液化技术研究所 | Plasma gasification spray gun |
| WO2013078880A1 (en) * | 2011-12-01 | 2013-06-06 | National Institute Of Clean-And-Low-Carbon Energy | A multi-stage plasma reactor system with hollow cathodes for cracking carbonaceous material |
| CN103200758A (en) * | 2010-10-04 | 2013-07-10 | 衢州市广源生活垃圾液化技术研究所 | Arc plasma device |
| CN104869742A (en) * | 2015-06-22 | 2015-08-26 | 周开根 | Coal gasification spray gun |
| CN105567328A (en) * | 2016-03-11 | 2016-05-11 | 衢州迪升工业设计有限公司 | Plasma pyrolysis system |
| CN109868160A (en) * | 2017-12-01 | 2019-06-11 | 华东理工大学 | Plasma nozzle, gasification furnace and gasification process for coal water slurry gasification |
| CN110418487A (en) * | 2019-08-14 | 2019-11-05 | 成都金创立科技有限责任公司 | Long-life air plasma generator |
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 |
| US5296672A (en) * | 1988-05-17 | 1994-03-22 | Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation | Electric arc reactor having upstream and downstream electrodes |
| US5451740A (en) * | 1993-12-01 | 1995-09-19 | Fluidyne Engineering Corporation | Convertible plasma arc torch and method of use |
| RU68944U1 (en) * | 2007-08-23 | 2007-12-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Технологический центр "ТЕНА" | PLASMOTRON |
-
2009
- 2009-02-18 RU RU2009105470/05A patent/RU2009105470A/en not_active Application Discontinuation
-
2010
- 2010-02-17 WO PCT/RU2010/000072 patent/WO2010095980A1/en active Application Filing
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5296672A (en) * | 1988-05-17 | 1994-03-22 | Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation | Electric arc reactor having upstream and downstream electrodes |
| US5262616A (en) * | 1989-11-08 | 1993-11-16 | Societe Nationale Industrielle Et Aerospatiale | Plasma torch for noncooled injection of plasmagene gas |
| US5451740A (en) * | 1993-12-01 | 1995-09-19 | Fluidyne Engineering Corporation | Convertible plasma arc torch and method of use |
| RU68944U1 (en) * | 2007-08-23 | 2007-12-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Технологический центр "ТЕНА" | PLASMOTRON |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| PARK HYUN-SEO ET AL: "Analysis of a Plasma Melting System for Incinerated Ash", J.IND. ENG. CHEM., vol. 11, no. 5, 2005, pages 657 - 664 * |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103200758A (en) * | 2010-10-04 | 2013-07-10 | 衢州市广源生活垃圾液化技术研究所 | Arc plasma device |
| WO2013078880A1 (en) * | 2011-12-01 | 2013-06-06 | National Institute Of Clean-And-Low-Carbon Energy | A multi-stage plasma reactor system with hollow cathodes for cracking carbonaceous material |
| US9393542B2 (en) | 2011-12-01 | 2016-07-19 | National Institute Of Clean-And-Low-Carbon Energy | Multi-stage plasma reactor system with hollow cathodes for cracking carbonaceous material |
| CN102851083A (en) * | 2012-09-12 | 2013-01-02 | 衢州市广源生活垃圾液化技术研究所 | Plasma gasification spray gun |
| CN104869742A (en) * | 2015-06-22 | 2015-08-26 | 周开根 | Coal gasification spray gun |
| CN105567328A (en) * | 2016-03-11 | 2016-05-11 | 衢州迪升工业设计有限公司 | Plasma pyrolysis system |
| CN109868160A (en) * | 2017-12-01 | 2019-06-11 | 华东理工大学 | Plasma nozzle, gasification furnace and gasification process for coal water slurry gasification |
| CN109868160B (en) * | 2017-12-01 | 2024-01-26 | 华东理工大学 | Plasma nozzle for gasifying coal water slurry, gasifier and gasification method |
| CN110418487A (en) * | 2019-08-14 | 2019-11-05 | 成都金创立科技有限责任公司 | Long-life air plasma generator |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2009105470A (en) | 2010-08-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| WO2010095980A1 (en) | Dc electric arc plasmatron for apparatuses for plasma-processing solid waste | |
| Rutberg | Plasma pyrolysis of toxic waste | |
| RU2234457C2 (en) | Method of production of fulleren-containing carbon black and a device for its realization | |
| EP2827685A2 (en) | Plasma torch | |
| KR20070099345A (en) | Dc arc plasmatron and the method using the same | |
| KR101111207B1 (en) | Apparatus for generating plasma | |
| KR101041026B1 (en) | Hollow type plasma torch, Combusition apparatus plasma/gas bunner and method of melting using the appratus | |
| CN106937470B (en) | Heating method and heating device based on plasma arc and application | |
| KR100844976B1 (en) | Combustion apparatus combining plasma/gas burner and melting method using the apparatus | |
| CN105430863A (en) | Plasma generator based on glide arc discharge principle | |
| US6781087B1 (en) | Three-phase plasma generator having adjustable electrodes | |
| CN212310397U (en) | Quick high-efficient flying dust system of handling of plasma | |
| KR100568238B1 (en) | Plasma Apparatus for treating hazardous gas | |
| KR100459315B1 (en) | Plasma Torch with Hollow Electrodes for Hazardous Waste Treatment | |
| RU2392781C1 (en) | Electric arc dc plasmatron for installations of solid wastes plasma treatment | |
| KR101337047B1 (en) | Atomspheric pressure plasma apparatus | |
| CN217989275U (en) | Thermal plasma reactor protection device | |
| KR102228888B1 (en) | Thermal plasma processing apparatus | |
| CN212119507U (en) | Plasma gas phase treatment device for fly ash | |
| KR102263231B1 (en) | Thermal plasma processing apparatus | |
| CN107702096A (en) | A kind of double medium source of the gas plasma burners of single anode | |
| WO2010110694A1 (en) | Plasma furnace | |
| RU2575202C1 (en) | Direct-current electric arc plasmatron for waste plasma-processing plants | |
| CN112996211A (en) | Direct current arc plasma torch applied to hazardous waste treatment | |
| CN207720506U (en) | Plasma-arc processor and emission-control equipment |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 10744009 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 10744009 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |