ПЛАЗМЕННАЯ ГОРЕЛКА Российский патент 1997 года по МПК H05H1/34 H05H1/26 H05B7/22 

Данное изобретение относится к горелкам и более точно подводящей трубе для подачи реагента в плазменную горелку. Плазменная горелка используется для химической обработки реагента, и в нее может подаваться как плазмообразующий газ, так и реагент.

В патенте US 4122293 описана внешняя охлаждаемая жидкостью труба для подачи газа, смеси и электрического тока к полому электроду, который используется в электродуговой плавильной печи.

Кроме того, в ЕР 0178288 описано сопло для плазменной горелки, специально предназначенной для нагрева металлургического плавильного тигля. Это сопло содержит наконечник электрода, закрепленный на охлаждаемом жидкостью держателе электрода, который одновременно служит питающей трубой для плазмообразующего газа и электрического тока. Наконечник электрода содержит по центру отверстие для плазмообразующего газа и выход этого отверстия служит прежде всего как сопло Лаваля, а затем как диффузор, чтобы позволить газу разбрызгиваться, когда он выходит из электрода.

В GB 995152 описан электродуговой резак для режущего устройства, который выдает струю газа, нагретого до очень высокой температуры с помощью электрической дуги, образующейся между корпусом резака и обрабатываемой деталью. Корпус резака содержит один электрод в дуговой камере и выходной конец трубы, подводящей режущий газ, может быть снабжен соплом Вентури. Но это сопло не заменяемое.

В качестве прототипа выбрана публикация US А,4275287, в которой описана плазменная горелка, содержащая два трубчатых электpода, установленных коаксиально один внутри другого, подводящую трубу для подачи реагента в зону реакции, расположенную по оси внутреннего электрода, причем эта труба является водоохлаждаемой и нижняя часть ее выполнена съемной для обеспечения замены ее в случае износа.

Во время химической обработки реагента, например, при пиролизе, важно, чтобы газ имел нужную температуру, когда он достигает плазменного факела. Если температура этого газа превышает определенный предел, он вступит в реакцию слишком рано. Это нежелательно, т.к. пpодукты разложения могут возникать до того, как газ достигнет плазменного факела, что может привести к осаждению этих продуктов в подводящей трубе и на электродах.

Было обнаружено, что эти известные конструкции питающих устройство для подачи газа дают нежелательные результаты при использовании в плазменной горелке для химической обработки реагента.

Таким образом, достигаемый данным изобретением технический результат заключается в создании подводящего устройства, в котором достигаются необходимая температура и заданная скорость реагента, подаваемого в плазменную горелку.

Этот результат достигается за счет подводящей трубы, которая обладает существенными признаками, согласно настоящему изобретению.

Плазменная горелка состоит из трубчатых электродов, расположенных соосно один в другом. В простейшем варианте горелка состоит из двух электродов: внешнего и внутреннего. Плазменная горелка может также содержать большое число электродов.

Элементы могут быть полыми и снабжены каналами для транспортирования охлаждающей среды. Для охлаждаемых жидкостью электродов могут использоваться любые виды твердых материалов, обладающих хорошей тепло- и электропроводностью.

Предпочтительно использовать сплошные электроды. Сплошные электроды обычно выполняются из материала, имеющего высокую точку плавления и хорошую проводимость, например, из графита.

Реагент подается по отдельной подводящей трубе, расположенной соосно во внутреннем электроде.

Термин "реагент" относится к чистому газу или смеси газа с жидкими или твердыми частицами, с которыми будут происходить химические реакции в плазменном факеле.

Когда подводящая труба нагревается в зоне плазмы, ее необходимо охладить. Поэтому она снабжена каналами для транспортировки охлаждающей среды. Эти охлаждающие каналы могут быть, например, образованы за счет обеспечения трубы внутренней разделительной пластиной, которая заканчивается на некотором расстоянии над основанием подводящей трубы. Потоку охлаждающей среды придается такое направление, чтобы самая низкая температура достигалась во внутренней части подводящей трубы.

Важно, чтобы реагент имел нужную температуру, когда он поступает в зону плазмы. Такой температурой для метана, например, является 650 700 ^oС. Измеряя температуру на выпускном сопле подводящей трубы, например, с помощью термопар, расположенных в этой трубе, можно регулировать температуру охлаждающей среды таким образом, чтобы реагент достигал нужной температуры, когда он выходит из выпускного сопла.

На наружную поверхность подводящей трубы и, особенно, нижнюю поверхность, обращенную к плазменному факелу, нанесено теплоизоляционное покрытие.

Подводящая труба с изоляционным покрытием имеет диаметр меньше внутреннего диаметра внутреннего электрода. Через кольцевой канал, который образован между подводящей трубой и внутренним электродом, может подаваться плазмообразующий газ или реагент. Плазмообразующий газ или реагент имеет низкую температуру, когда он поступает, и поэтому также вносит свой вклад в охлаждение подводящей трубы.

В качестве плазмообразующего газа может использоваться, например, инертный газ, такой как азот или аргон, который обычно не вступает в реакцию, протекающую в пламенном факеле, и не влияет на нее. Реагент также может использоваться в качестве плазмообразующего газа.

Подводящая труба может перемещаться в осевом направлении, чтобы позволить регулировать положение сопла для достижения оптимального положения относительно плазменного факела. Таким образом можно достичь оптимальных температурных условий в реагенте, когда он достигает зоны плазмы, и оптимальной эффективности химического процесса.

В этой плазменной горелке могут использоваться расходуемые электроды, которые обладают некоторой степенью плавильных потерь, в результате чего изменяется длина электрода. По этой причине также желательно иметь возможность перемещения подводящей трубы, чтобы ее положение можно было регулировать в зависимости от износа электрода.

Сопло или нижняя часть подводящей трубы, обращенная к плазменному факелу, устанавливается с возможностью замены. Эта часть подводящей трубы подвергается воздействию высоких температур, которые могут вызывать разъедание и разрывы трубы. Поэтому предпочтительно иметь возможность заменять сопло через определенные интервалы времени.

Сопло подводящей трубы может быть снабжено коническим сужением, в виде сопла Вентури или Лаваля. Это обеспечит более высокую скорость потока, а значит более быстрое достижение плазменногофакела. Скорость потока газа это параметр, от которого зависит достижение оптимальных рабочих условий плазменной горелки, предназначенной для химических процессов. Поскольку сопло Вентури может заменяться, можно выбрать такое сопло, которое обеспечит оптимальную скорость потока конкретного используемого реагента.

За счет подводящей трубы, согласно данному изобретению, достигается возможность подавать реагент при заданной температуре и необходимой скорости потока, а также при правильном положении выпускного сопла относительно плазменного факела, что предотвращает вступление реагента в реакцию до того, как он достигнет реакционной зоны. Исключается также осаждение продуктов реакции или разложения в сопле подводящей трубы и на электродах.

В рамках объема изобретения подводящая труба может использоваться с многими различными видами плазменных горелок, в частности, с плазменной горелкой, описанной в норвежской заявке B 091 4907, поданной тем же заявителем, что и данная заявка.

Подводящая труба для плазменной горелки, согласно данному изобретению, будет описана более детально со ссылками на чертеж, на котором схематически изображен предпочтительный вариант.

На чертеже. 1 представлен вид плазменной горелки с подводящей трубой, согласно данному изобретению, в вертикальном разрезе.

На чертеже. 1 плазменная горелка показана позицией 1. В данном варианте она снабжена двумя электродами: внешним электродом 2 и внутренним электродом 3.

Электроды 2 и 3 предпочтительно имеют круглую и трубчатую форму, и расположены концентрично один в другом. Они могут быть сплошными или полыми, снабженными охлаждающими каналами для транспортировки охлаждающей среды. Сплошные электроды предпочтительно выполняются из материала, высокую точку плавления и хорошую электропроводимость, например, из графита или карбида кремния. Для охлаждаемых жидкостью электродов могут быть использованы любые виды твердых материалов с хорошей электро- и теплопроводимостью.

Плазменная горелка снабжена подводящей трубой 5 для реагента. Подводящая труба 5 состоит из верхней части 4 и нижней части 18, которая может заменяться. Подводящая труба 5 предпочтительно выполняется из материала, обладающего хорошей теплопроводимостью, например, из меди. Эта труба содержит внутреннюю стенку 6 и наружную стенку 7, и оборудована внутренней разделительной пластиной 8, которая заканчивается на некотором расстоянии над основанием трубы, образуя таким образом канал для охлаждающей среды.

Подача охлаждающей среды производится таким образом, что охлаждающая среда поступает в канал вдоль внутренней поверхности трубы 6 и выходит из канала вдоль внешней поверхности 7, как показано стрелками на чертеже. При таком направлении потока достигается наиболее низкая температура на внутренней поверхности подводящей трубы.

Внешняя поверхность 7 и особенно нижняя поверхность 9 трубы снабжены теплоизоляционным покрытием 10 и 11.

Реагент подается в плазменную горелку через подводящую трубу 5. Это показано стрелкой 12. Термин "реагент" в данном случае подразумевает газ или смесь газа с жидкими или твердыми частицами, с которыми будет происходить реакция в плазменном факеле.

Между подводящей трубой и внутренним электродом и между внутренним и внешним электродами образованы кольцевые каналы. Через эти каналы может подаваться плазмообразующий газ. Это показано стрелками 13 и 14. Плазмообразующим газом может быть, например, инертный газ, такой как азот или аргон, который обычно не вступает в реакцию, протекающую в плазменной факеле, и не влияет на нее.

Плазмообразующий газ, который подается через кольцевой канал между подводящей трубой и внутренним электродом, показан стрелками 13. Этот газ может предварительно охлаждаться и вносит свой вклад в охлаждение подводящей трубы.

Подводящая труба для реакционного газа может перемещаться в осевом направлении. Оборудование, обеспечивающее перемещение трубы, не показано на чертеже. Цель перемещения подводящей трубы состоит в том, чтобы позволит регулировать положение сопла таким образом, чтобы оно занимало правильное положение относительно плазменного факела.

Сопло или нижняя часть 18 подводящей трубы выполняются сменными. Внутренние и наружные стенки трубы предпочтительно снабжены резьбовой частью, чтобы позволить вывинчивать и заменять сопло. Резьбовая часть показана позицией 16 для внутренней стенки трубы и позицией 17 для внешней стенки трубы.

Нижняя часть подводящей трубы, обращенная к плазменному факелу, имеет коническую форму, образуя сужение к выходу трубы в виде сопла Вентури 15.

Когда реагент пропускается через сопло 15, скорость его потока будет возрастать и он будет скорее достигать плазменного факела. Скорость потока зависит от формы сопла Вентури. Поскольку нижняя часть 18 подводящей трубы 5 сменная, нужную скорость потока можно регулировать таким образом, чтобы получать заданную величину в зависимости от вида используемого реагента.

Использование: химическая обработка реагентов. Сущность: в плазменной горелке 1, состоящей из двух или более трубчатых электродов 2, 3, размещенных соосно один в другом, подводящая труба 4 и для подачи реагента размещена соосно во внутреннем электроде 3 и состоит из охлаждаемой жидкостью трубы, снабженной теплоизоляционным слоем 10, 11 на внешней поверхности. Подводящая труба 4 может перемещаться в осевом направлении для позиционирования сопла относительно плазменного факела. Нижняя часть подводящей трубы 4 выполнена сменной. Труба сужается у выходного отверстия в виде сопла Вентури, чтобы увеличить скорость реагента. Между подводящей трубой и внутренним электродом образован кольцевой канал, в который может подаваться плазмообразующий газ 13. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Плазменная горелка, содержащая по меньшей мере два трубчатых электрода, расположенных коаксиально один в другом, подводящую трубу для подачи реагента в зону реакции, расположенную по оси внутреннего электрода и оснащенную средствами жидкостного охлаждения, отличающаяся тем, что труба установлена с возможностью осевого перемещения, ее наружная и нижняя поверхности имеют теплоизоляционное покрытие, а нижний конец трубы имеет сужение по форме сопла Вентури и выполнен съемным. 2. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что выходное сопло подводящей трубы оснащено по меньшей мере одним элементом измерения температуры, снабженным средствами для подключения к блоку регулирования температуры.