ПЛАЗМЕННЫЙ РЕАКТОР И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДУГОВЫМ РАЗРЯДОМ ПЛАЗМЕННОГО РЕАКТОРА Российский патент 1999 года по МПК H05B7/18 

Группа изобретений относится к преобразованию электрической энергии в тепловую с помощью электродугового разряда и может быть использована в энергетике для комплексной плазменной переработки углей или золы с целью извлечения из нее ценных компонентов, а также в химическом, металлургическом производстве плавленных огнеупорных материалов.

Известна плазменно-дуговая установка, содержащая дуговую камеру, два стержневых электрода, устройства для ввода и вывода реагентов и электромагнит с охватывающим камеру ярмом магнитопровода. Также имеются сериесные обмотки, расположенные в плоскости, перпендикулярной плоскости размещения электродов.

Введение отрицательной обратной связи по току дуги через поперечное магнитное поле, создаваемое сериесными обмотками, позволило получить восходящие вольт-амперные характеристики, вытянуть дугу вдоль оси дуговой камеры и увеличить напряжение на электродах (см. (1) - Шевцов В.П., Мельник Г.Е. и др. Плазменно-дуговая установка для переработки твердых мелкодисперсных материалов //Высокотемпературные энерготехнологические процессы и аппараты (лабораторные разработки). - М., 1980, - с. 131-135).

Известен способ стабилизации горения электродугового разряда, реализованный в указанной плазменно-дуговой установке, путем наложения на ток дуги поперечного магнитного поля, функционально связанного с величиной тока дуги. При реализации способа поперечное магнитное поле способствует вытягиванию дугового столба из межэлектродного промежутка вниз и в стороны, создавая дуговую петлю. Далее петля шунтируется в межэлектродном зазоре токопроводящим каналом, развивающимся в очередную дуговую петлю, таким образом реализуется объемный электродуговой разряд (см. 1).

В известной плазменно-дуговой установке при реализации известного способа при работе на газообразных реагентах образуется устойчивый электродуговой разряд, однако при работе с твердыми мелкодисперсными материалами устойчивость горения разряда в некоторых случаях является недостаточной. Кроме этого, отсутствует возможность управления мощностью установки при неизменном напряжении питания силовой цепи.

Известна также плазменная установка, содержащая механизм подачи материала, стержневые электроды, крышку реактора, дуговую камеру, устройство вывода продуктов переработки и электромагнитную систему, охватывающую дуговую камеру. Электромагнитная установка содержит сериесные катушки поперечного магнитного поля и катушки переменного продольного магнитного поля. Сериесные катушки обеспечивают отрицательную обратную связь по току дуги, а катушки переменного поля - рассредоточение электродугового разряда в объеме дугой камеры (см. (2) - Шевцов В.П., Мессерле В.Е. и др. Плазменная технологическая установка для термообработки мелкодисперсных материалов //Плазменная активация горения углей. - Алма-Ата, 1989, - с. 150-168).

Однако в известной плазменной установке также не обеспечивается достаточно устойчивой режим работы реактора и нет возможности управления мощностью реактора при неизменном напряжении питания силовой цепи.

Известен способ организации электродугового разряда путем воздействия на ток дуги совместно поперечным магнитным полем, индукция которого функционально связана с током дуги, и продольным переменным магнитным полем. Поперечное поле обеспечивает отрицательную обратную связь и стабилизацию горения дугового разряда, а продольное переменное магнитное поле обеспечивает рассредоточенный объемный разряд и выравнивание профиля температур по сечению дуговой камеры за счет колебаний прианодного и прикатодного столбов дуги (см. 2).

Однако способ не обеспечивает достаточного запаса устойчивости горения дуги и не дает возможности управления мощностью электродугового разряда цепи питания дуги.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявляемому устройству в группе изобретений по совокупности признаков является устройство для тепловой обработки потока огнеупорных сыпучих материалов, содержащее разрядную камеру, два стержневых электрода, устройство ввода-вывода реагентов и продуктов переработки и электромагнит, выполненный в виде охватывающего камеру ярма, на двух симметрично расположенных полюсных наконечниках которого размещены сериесные обмотки поперечного магнитного поля с выводами для подключения к источнику питания дуги плазменного устройства, и обмотки управления, подключенные к автономному источнику питания постоянного тока. Кроме этого, устройство содержит регулируемое сопротивление стабилизации, включенное в цепь сериесных обмоток, регулируемое сопротивление управления, включенное в цепь обмоток управления, задатчик параметров работы, формирователь сигналов управления и три механизма отработки. При зажигании дуги в разрядной камере между стержневыми электродами сериесные обмотки и обмотки управления создают поперечное магнитное поле между полюсами электромагнита, приводящие к появлению силы Лоренца, вытягивающей дуговой разряд в соответствии с заданным задатчиком параметров работы величинами регулируемых сопротивлений стабилизации и управления, отрабатываемых первыми двумя механизмами отработки. Третий механизм отработки отрабатывает регулируемую заслонку (дозатор) бункера, обеспечивая заданный поток исходного материала. Таким образом частицы исходного материала нагреваются до заданных температур при заданном токе дугового разряда (см. (3) - RU, 2061304 C1 (научно-производственное объединение "РАТЭМ", 27.05.96, H 05 B 7/18, H 05 H 1/00, 1/26, 6 стр., принято за прототип).

Однако в указанном устройстве управление мощностью реактора затрагивает силовые цепи, так как регулируемое сопротивление стабилизации включено в цепь тока дуги, что при больших мощностях реактора (выше 100 кВт) и больших токах дуги технически сложно реализуемо и снижает КПД плазменного устройства в целом. Также к причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится то, что в известном устройстве нет достаточного запаса по устойчивости горения дуги и может наблюдаться потеря этой устойчивости вследствие недостаточно высокой температуры в межэлектродном промежутке при приближении производительности устройства близко к расчетной.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному способу в группе изобретений по совокупности признаков является способ управления электродуговым разрядом плазменного реактора по прототипу, включающий воздействие на ток дуги поперечным магнитным полем, индукция которого пропорциональна току дуги, и поперечным магнитным полем управления. Поперечное магнитное поле, индукция которого пропорциональна току дуги, способствует вытягиванию петли тока электрической дуги и стабилизации ее горения за счет обеспечения отрицательной обратной связи по току. Введение поперечного магнитного поля управления дает возможность регулировать величину мощности плазмотрона. Это достигается тем, что при том же количестве витков обмотки стабилизации величина магнитного поля определяется суммой ампервитков обмотки стабилизации и обмотки управления, а регулирование величины магнитного поля ведет к изменению сил Лоренца, воздействующих на ток дуги и вытягивающих дуговую петлю. В известном способе управления мощностью электродугового разряда осуществляется регулированием тока как в цепи обмотки управления, так и в цепи обмотки стабилизации, путем включения в их цепи регулируемых сопротивлений управления и стабилизации. Режим управления определяется уставкой задатчика работы и согласуется с заданным регулируемым потоком частиц исходного материала, что позволяет получать материалы с заданными свойствами. Известный способ реализован в известном устройстве для тепловой обработки потока огнеупорных сыпучих материалов (см. 3, принято за прототип).

Однако реализация указанного известного способа не позволяет обеспечить необходимый запас устойчивости горения электродугового разряда плазменных устройств по переработке сыпучих материалов при их производительности, приближающейся к расчетной.

Также следует учесть, что электродуговой разряд формируется циклически развивающейся под действием поперечного магнитного поля дугой от токовой перемычки, образованной в результате пробоя газа между концами электродов, до дуговой петли, ограниченной стенками камеры. При этом наблюдаются пульсации напряжения на электродах, вызванные изменением электрического сопротивления дуги и колебаниями тока в электрической цепи, содержащей индуктивности сериесных катушек и сглаживающего дросселя источника питания. С ростом индукции поперечного магнитного поля, при увеличении мощности плазмотрона через обмотки управления, растет скорость движения дугового столба, уменьшается время пребывания дуги вблизи концов электродов, снижается температура газа в этой зоне и пикового напряжения на электродах может не хватить для пробоя "холодного" межэлектродного промежутка, что ведет к потери устойчивости горения дуги. Также к потере устойчивости может привести значительный занос холодных реагентов, подаваемых в разрядную камеру, в межэлектродный промежуток. В ряде случаев, при опытной проверке, приемлемый режим работы плазмотрона достигается только снижением в полтора-два раза расхода сырья, подаваемого в разрядную камеру, по сравнению с расходом, определенным по тепловому балансу.

Заявляемая группа изобретений направлена на решение единой задачи, заключающейся в повышении устойчивости горения электродугового разряда за счет введения отрицательной обратной связи по напряжению на дуге, сохранив отрицательную обратную связь по току дуги. Это позволяет повысить производительность плазменного реактора.

Для достижения обеспечиваемого группой изобретений технического результата в известном плазменном реакторе, содержащем разрядную камеру, два стержневых электрода, устройства ввода и вывода реагентов и продуктов переработки, электромагнит, выполненный в виде охватывающего камеру замкнутого ярма с симметрично расположенными полюсными наконечниками, на двух из которых, расположенных в плоскости, перпендикулярной плоскости расположения электродов, размещены сериесные обмотки поперечного магнитного поля, создаваемого протекающим через них током дуги, с выводами для подключения к источнику питания дуги реактора и обмотки управления постоянного тока, согласно изобретению на полюсных наконечниках поперечного магнитного поля размещены дополнительные обмотки с выводами, подключенными к клеммам электродов реактора, при этом полярность подключения выбрана так, что дополнительное поперечное магнитное поле направлено встречно создаваемому сериесными обмотками основному поперечному магнитному полю.

Кроме того, на дополнительных обмотках могут быть выполнены отводы, позволяющие изменять количество их витков в зависимости от выбранного режима работы.

Также в качестве дополнительных обмоток может быть использована часть обмоток управления полюсных наконечником поперечного магнитного поля, выводы которых подключены к клеммам электродов соответственно.

Достижение обеспечиваемого технического результата стало также возможным благодаря способу управления электродуговым разрядом плазменного реактора, включающему воздействие на ток дуги основным поперечным магнитным полем, индукция которого пропорциональна току дуги, и поперечным магнитным полем управления постоянного тока, в котором согласно изобретению на ток дуги воздействуют дополнительным поперечным полем, величина индукции которого функционально связана с напряжением на дуге, а его направление встречно основному поперечному магнитному полю.

Заявленная группа изобретений соответствует требованию единства изобретения, поскольку группа разнообъектных изобретений образует единый изобретательский замысел, причем один из заявленных объектов группы - способ управления электродуговым разрядом предназначен для использования в другом заявленном объекте группы - плазменном реакторе, при этом оба объекта направлены на решение одной и той же задачи с получением единого технического результата и на дату подачи заявки могут быть использованы лишь совместно.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена схема предлагаемого плазменного реактора, вид спереди; на фиг. 2 - то же, вид в плане.

На чертежах приняты следующие обозначения: 1 - разрядная камера плазменного реактора; 2 - стержневые электроды; 3 - устройства ввода реагентов; 4 - ярмо электромагнита; 5 - полюса поперечного магнитного поля тока дуги; 6 - полюса продольного магнитного поля; 7 - обмотки переменного магнитного поля; 8 - сериесные обмотки поперечного магнитного поля; 9 - обмотки управления; 10 - дополнительные обмотки.

Новыми элементами устройства являются дополнительные обмотки 10, размещенные на полюсных наконечниках 5. Причем выводы обмоток 10 подключены к клеммам электродом 2, а полярность подключения выбрана так, что магнитное поле, создаваемое ими, направлено встречно поперечному магнитному потоку, создаваемому сериесными обмотками 8.

Новым элементом способа управления электродуговым разрядом плазмотрона является воздействие на ток дуги поперечным магнитным полем, функционально связанным с напряжением на электродах реактора, то есть введение отрицательной обратной связи по напряжению на дуге.

Процесс формирования электрического разряда плазменного реактора и способ управления электродуговым разрядом осуществляется следующим образом.

В плазменном реакторе электрическая дуга горит в разрядной камере 1 (фиг. 1, 2) между концами подаваемых по мере износа стержневых электродов 2. При зажигании дугового разряда между электродами 2 через сериесные обмотки 8 протекает ток дуги, создающий основное поперечное магнитное поле (Bs), пропорциональное этому току и вытягивающее разряд в виде дуговой петли вдоль оси камеры 1. Взаимодействие тока дуги с магнитным полем определяется силой Лоренца, которая пропорциональна произведению тока дуги на магнитную индукцию, то есть в данном случае пропорциональна квадрату тока дуги. Квадратичная зависимость силы Лоренца от тока дуги положительно влияет на устойчивость ее горения: при уменьшении тока снижается скорость движения дугового столба и теплообмен с окружающим газом, что ведет к снижению его электрического сопротивления и способствует восстановлению тока на дуге. И наоборот, увеличение тока дуги ведет к увеличению индукции магнитного поля, в которой горит дуга, а следовательно, силы, действующей на дугу, и, следовательно, скорости ее движения и размера дуговой петли. Таким образом осуществляется стабилизация разряда путем введения отрицательной обратной связи по току дуги через поперечное магнитное поле. Но на практике для стабилизации разряда этого иногда оказывается недостаточно, так как устойчивость электрической дуги зависит и от величины напряжения на дуге. Повышению устойчивости горения дуги способствует введение отрицательной обратной связи по напряжению на дуге через дополнительное магнитное поле, направленное встречно сериесному полю. При нестабильной работе реактора в процессе подачи мелкодисперсных реагентов в разрядную камеру 1 через устройство подачи 3 и "холодной" дуге повышается напряжение на электродах 2, увеличивается ток в дополнительных обмотках 10, увеличивается поперечное магнитное поле, направленное встречно основному, уменьшается величина индукции суммарного поперечного магнитного поля и уменьшается сила Лоренца, действующая на дуговой столб. В результате дуговой разряд контрагируется, облегчается пробой межэлектродного промежутка и сопротивление дугового столба падает, что ведет к уменьшению напряжения на дуге и повышению устойчивости ее горения. И наоборот, при уменьшении напряжения на дуге за счет перегрева межэлектродного промежутка, а следовательно, и уменьшения мощности плазменного реактора, уменьшается величина дополнительного поля, направленного встречно основному. Это ведет к увеличению индукции суммарного магнитного поля, увеличению силы, действующего на дугу, увеличению скорости движения дугового столба и размера дуговой петли. При этом растет электрическое сопротивление дугового столба и при постоянном токе дуги, задаваемом в цепи источником питания, плазменным реактором - источником тока, повышается напряжение на электродах 2.

Введение управляющих обмоток 9, размещенных на двух полюсных наконечниках 5 замкнутого ярма, дает возможность регулирования мощности плазменного реактора путем изменения суммарных ампервитков, определяющих величину индукции поперечного магнитного поля, не затрагивая силовые цепи.

Величина отрицательной обратной связи по напряжению на дуге через поперечное магнитное поле пропорциональна количеству ампервитков обмоток 10. Поэтому в зависимости от выбранного режима работы реактора на дополнительных обмотках 10 сделаны отводы, позволяющие менять число витков в этих обмотках.

На практике, при работе плазменного реактора в установившихся процессах на одних и тех же реагентах часто не требуется большой глубины управления мощностью электродугового разряда через посредство управляющих обмоток 9. В таких случаях для упрощения конструкции реактора и экономии электротехнических материалов в качестве дополнительных обмоток 10 возможно использование части витков обмоток управления 9, выводы которых подключают к клеммам электродов 2 соответствующей полярности.

Следует отметить, что для получения более равномерного распределения температуры по сечению камеры 1 целесообразно ввести в разрядную камеру 1 перпендикулярно основному тянущему поперечному магнитному полю переменное магнитное поле, создаваемое обмотками переменного тока 7, расположенным на полюсных наконечниках 6. Продольное переменное магнитное поле способствует колебанию анодного и катодного столбов дуги, что способствует объемному заполнению плазмой разрядной камеры 1 и выравниванию температур по ее сечению.

Разрядная камера 1 может быть выполнена и металлической. В этом случае она изготавливается из продольных металлических, водоохлаждаемых и взаимоизолированных секций, исключающих шунтирование дуги на стенки камеры.

Рассмотрим пример конкретного выполнения способа управления электродуговым разрядом.

Плазменный реактор (плазмотрон) мощностью 120 кВт, средний диаметр (внутренний) камеры 150 мм, диаметр электродов 20 мм, число витков сериесной катушки 20, ток дуги 400 А (ампервитков 8000), число витков дополнительной катушки 40, ток 20 А (ампервитков 800), управляющих витков нет. Боковые катушки переменного тока с частотой 400 Гц, с числом витков 60, ток катушки 5 А (ампервитков 300).

Плазмотрон применяется (на опытной базе КазНИИЭ) для плавки муллитового огнеупора с целью получения плавленных гранул (3Al₂O₃•2SiO₂, T=1910^oC).

При мощности плазмотрона 120 кВт и рабочем токе 400 А рабочее напряжение составило 300-320 В при устойчивом горении электрической дуги.

Без подключения дополнительных обмоток устойчивая работа плазмотрона обеспечивалась при загрузке реактора не более 20 кг/ч сырья. После подключения дополнительных обмоток расход сырья был увеличен до 24 кг/ч, то есть в среднем производительность реактора повысилась на 15%.

Преимущества предложенного способа управления электродуговым разрядом и плазменного реактора, в котором он реализован, состоят в увеличении производительности плазменного реактора за счет повышения тепломассообмена между плазмой и перерабатываемым сырьем при сохранении возможности управления мощностью электродугового разряда реактора, не затрагивая силовые цепи тока дуги.

Изобретения относятся к технике преобразования электрической энергии в тепловую с помощью электродугового разряда и могут быть испольвованы в энергетике для комплексной плазменной переработки углей или золы с целью извлечения из нее ценных компонентов, а также в химическом, металлургическом производстве и производстве плавленных огнеупорных материалов. Достигаемый технический результат заключается в повышении производительности реактора за счет повышения устойчивости горения дуги. На полюсных наконечниках 5 поперечного магнитного поля плазменного реактора размещены дополнительные обмотки 10 с выводами, подключенными к клеммам электродов 2 реактора. Полярность подключения выбрана так, что дополнительное магнитное поле направлено встречно создаваемому сериесными обмотками 8 основному поперечному магнитному полю. На дополнительных обмотках 10 выполнены отводы, позволяющие изменять количество их витков в зависимости от выбранного режима работы реактора. В качестве дополнительных обмоток 10 может быть использована часть обмоток управления 9, выводы которых подключены к клеммам электродов 2 соответственно. Достижение технического результата стало возможным благодаря способу управления электродуговым разрядом реактора, согласно которому на ток дуги воздействуют основным поперечным магнитным полем, индукция которого пропорциональна току дуги, поперечным магнитным полем управления постоянного тока и дополнительным поперечным магнитным полем, величина индукции которого функционально связана с напряжением на дуге, а его направление встречно основному поперечному магнитному полю. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Плазменный реактор, содержащий разрядную камеру с размещенными в ней двумя стержневыми электродами, устройства ввода-вывода реагентов и продуктов переработки и электромагнит, выполненный в виде охватывающего камеру замкнутого ярма с симметрично расположенными полюсными наконечниками, на двух из которых размещены сериесные обмотки поперечного магнитного поля, создаваемого протекающим через них током дуги, с выводами для подключения цепи электродугового разряда реактора и обмотки управления постоянного тока, отличающийся тем, что на полюсных наконечниках поперечного магнитного поля размещены дополнительные обмотки с выводами, подключенными к клеммам электродов реактора, а полярность подключения выбрана так, что дополнительное магнитное поле направлено встречно создаваемому сериесными обмотками основному поперечному магнитному полю. 2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что на дополнительных обмотках выполнены отводы, позволяющие изменять количество их витков в зависимости от выбранного режима работы реактора. 3. Реактор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве дополнительных обмоток используется часть обмоток управления, расположенных на полюсных наконечниках поперечного магнитного поля, выводы которых подключены к клеммам электродов соответственно. 4. Способ управления электродуговым разрядом плазменного реактора, включающий воздействия на ток дуги основным поперечным магнитным полем, индукция которого пропорциональна току дуги, и поперечным полем управления постоянного тока, отличающийся тем, что на ток дуги воздействуют дополнительным поперечным магнитным полем, величина индукции которого функционально связана с напряжением на дуге, а его направление встречно основному поперечному полю.