ЭЛЕКТРОДНЫЙ БЛОК ПЛАЗМЕННО-ДУГОВОЙ ОБРАБОТКИ ТРАНЗИТНОГО ГЕТЕРОГЕННОГО ПОТОКА Российский патент 2002 года по МПК H05B7/18 H05B7/08 C10J3/18 

Изобретение относится к дуговой и плазменно-дуговой технике, в частности к электродам, и может быть применено в металлургической, химической, энергетической промышленности и других отраслях техники, использующих дуговые межэлектродные разряды.

Известны устройства, предназначенные для электродуговой обработки материалов в гетерогенном транзитном потоке реагирующих веществ с целью инициации и обеспечения оптимального протекания предусмотренных технологией химических процессов, в частности электротермохимической подготовки, воспламенения и частичного выгорания дисперсного топлива, транспортируемого используемым при его горении воздухом (например, патенты на изобретения RU 2062287 С1, кл. 6 С 10 J 3/18, Н 05 В 7/18 и RU 2128408 С1, кл. 6 Н 05 В 7/18, Н 05 Н 1/32, С 10 L 11/00).

В упомянутых устройствах поток аэросмеси транзитом проходит подготовительную камеру, выполненную в виде муфеля (футерованного огнеупорным материалом канала), в объеме которого производят смешение топливовоздушного потока с низкотемпературной электродуговой плазмой, вводимой в муфель из специального электродугового генератора (плазмотрона), в результате чего происходят нагрев и возгорание аэросмеси, а также частичная газификация топлива (угля) в условиях совместного воздействия высокой температуры и сверхравновесного содержания в образовавшейся смеси активных компонентов газовой плазмы.

Недостатком описанных устройств является то, что для образования и поддержания электрической дуги, генерирующей низкотемпературную плазму, используются медные, имеющие низкий временной ресурс дорогие водоохлаждаемые электроды. В результате устройства характеризуются малой надежностью и относительно низкой степенью использования затраченной на плазмообразование электрической энергии, значительная часть которой, выделяющаяся непосредственно в приэлектродных зонах дуги, уносится охлаждающей водой; излишними являются также энергозатраты на подачу охлаждающей воды и сжатого воздуха.

Известны устройства, в которых практически вся энергия, выделяемая электрической дугой, используется полезно для электротермического воздействия на гетерогенную реакционную смесь (например, авторское свидетельство СССР на изобретение 537459, М. Кл.² Н 05 В 7/18, Н 05 Н 1/50 и патент на изобретение RU 2087525 С 1, кл. 6 С 10 J 3/18).

В первом из упомянутых устройств активные зоны всех дуговых электродов - трех стержневых и одного кольцевого (графитовой стенки реакционной камеры) внесены непосредственно в реакционную камеру. Такое решение наряду с более высоким КПД использования электроэнергии, затраченной на создание дугового разряда, не требует дополнительных энергозатрат на подачу охлаждающей воды и сжатого воздуха. Недостатками этого решения являются использование в качестве материала расходуемых электродов чрезвычайно дефицитного и дорогого электродного графита, что существенно снижает экономические выгоды "погруженной" в реакционный объем дуговой системы, а также специфические инженерные трудности организации синхронизированной с эрозией подачей расходуемого электрода. Нельзя также признать удачным вариант, принятый во втором упомянутом изобретении, где, с целью экономии графита, в качестве одного из электродов используется особым образом сформированный расплав зольного компонента газифицируемого топлива, поскольку топливный шлак обладает необходимой электропроводностью лишь в расплавленном состоянии, что потребует организации специальных мероприятий и аппаратурного обеспечения пускового режима: механическое разрушение застывшего на кольцевом электроде слоя шлака или расплавление его путем повышения температуры, что может быть достигнуто дуговым нагревом с использованием вспомогательных пусковых электродов либо сжиганием порции высокореакционного органического энергоносителя (газа, жидкого топлива). Естественно, такого рода усложнение конструкции и условий эксплуатации устройства (включая экологические осложнения, сопровождающие процесс жидкого шлакоудалення) не повышают его надежности, экономичности и неагрессивности по отношению к окружающей среде.

Известно устройство, реализующее способ формирования дуговых электродов (патент RU 2141747 С1, кл. 6 Н 05 В 7/18, 7/08), представляющее собой реакционную камеру, в которой размещен комплект самовосстанавливающихся дуговых электродов.

Конструктивно обсуждаемое устройство содержит установленные коаксиально в горизонтальном положении электроизоляционные жароупорные кольцевой под и центральную опору с образованием между ними, для ввода газа, кольцевой щели шириной меньше расстояния электрического пробоя для напряжения холостого хода источника электрического питания дуги и меньше поперечника минимального размера частиц применяемого дисперсного материала. В нижней части цилиндрического вертикального корпуса, изготовленного из материала, аналогичного материалу пода и центральной опоры, выполнены равномерно распределенные по кругу радиальные горизонтальные каналы, струи газа из которых, направленные перпендикулярно к вертикальной оси установки, формируют н поддерживают границы между соседними радиальными электродами. Напряжение от источника питания к электродам подводится токовводами, размещенными под слоем дисперсного материала для радиальных электродов - со сдвигом по окружности относительно радиальных каналов, а для центрального электрода - по оси центральной опоры
Подача дисперсного материала как первоначальная, так и для восполнения его убыли в процессе электрохимического реагирования производится непосредственно в кипящий слой в объеме реакционной камеры
Самовосстанавливающиеся дисперсные электроды формируются на огнеупорном электроизоляционном основании - опоре из исходно электропроводного (или ставшего электропроводным под воздействием дуговых температур) дисперсного материала в результате совместного действия гравитационных сил (силы тяжести) и аэродинамических факторов, обеспеченных функционированием организованной системы газовых струй.

Аэродинамические воздействия обеспечивают перемещение дисперсного материала в объеме устройства, периметрическое динамическое разделение (недопущение электрического контакта) подошв электродов, повторный многократный вынос излишков частиц дисперсного материала, не встроившихся в состав активных поверхностей электродов, вновь в объем фонтанирующего кипящего слоя и удаление за пределы устройства частиц с существенно уменьшенными (до заданной величины) размерами, а также конденсированных и газообразных продуктов плазмохимической переработки компонентов гетерогенной смеси.

В поле силы тяжести, а также под воздействием инерционных сил при изменении направления струй происходит седиментация частиц дисперсного материала, они выпадают в зоне "аэродинамической тени" из объема кипящего слоя, скатываются по активным поверхностям электродов, заполняя их дефекты, возникшие под воздействием электротермохимических процессов, и обеспечивая постоянство формы и наклона этих поверхностей к горизонту.

Дисперсный материал подается в количестве, необходимом для восполнения его расходования в процессе реагирования; то же следует сказать и о газообразном реакционом компоненте, который подается организованными струями в количестве, необходимом для обеспечения термохимического реагирования; условия аэродинамического распределения дисперсного материала, если не могут быть обеспечены реакционно обусловленным количеством газа, выполняются за счет ввода необходимого количества инертного газа или рециркуляции газообразных продуктов реагирования.

Описанное устройство, принятое нами в качестве прототипа, обладает так же, как и обсужденные выше устройства-аналоги, имеющие погруженные в поток активные поверхности электродов, высоким КПД по затраченной электроэнергии, но гораздо экономичней их, поскольку использует в качестве материала дуговых электродов твердый компонент реагирующей гетерогенной смеси, т.е. исключает затраты на материал электродов, поскольку дисперсный материал подлежит расходованию.

В то же время в устройстве-прототипе не может быть произведена плазмохимическая обработка транзитного потока гетерогенной смеси - взвеси полидисперсного твердого материала в газе. Компоненты транзитного потока поступают в зону плазмотермических воздействий, как следует из обсуждения условий работы аналогов, в общем случае в количествах, существенно превышающих необходимые для формирования и регенерации самовосстанавливающихся дуговых электродов. В устройстве-прототипе сечения щелевых и компактных сопел (кольцевая щель и радиальные горизонтальные каналы), формирующих организованную систему действующих в нем газовых струй, имеют поперечный размер меньше минимального размера частиц применяемого дисперсного материала, что исключает возможность транзитного прохода через них гетерогенной смеси полидисперсных частиц с газом-носителем.

В прототипе дисперсный материал многократно циркулирует между объемом реакционной камеры и поверхностью электрода, и там, и там подвергаясь воздействию дугового разряда, что приводит к приобретению им необходимых электрических свойств; дисперсный материал транзитного потока, как следует из анализа работы аналогов, в основной своей массе лишь однократно взаимодействует с дуговой плазмой, чего хватает для инициации химического реагирования его с остальными компонентами смеси, но время термообработки материала в потоке может оказаться слишком коротким для его термической модификации с приобретением электропроводности. Таким образом возникает особое условие самовосстановления активных поверхностей дисперсных электродов, определяемое локализацией модификационного воздействия дуги на частицы дисперсного материала в основном лишь на поверхности электродов, в зоне дуговых пятен; обеспечить удовлетворительное протекание данного процесса может создание условий для поступления на активные поверхности электродов в основном крупных фракций дисперсного материала, поскольку крупная частица успеет приобрести электропроводность (процесс, происходящий в объеме материала) до ее полной химической и термической газификации (процесс при действующем "дуговом" уровне температур, протекающий преимущественно на поверхности частицы).

Целью изобретению является конструктивное обеспечение плазменной термохимической обработки транзитного потока смеси газов с твердыми дисперсными частицами с помощью одной или нескольких электрических дуг, инициирующихся и горящих на пути этого потока между самовосстанавливающимися дисперсными дуговыми электродами, формирующимися в объеме потока и поддерживающими постоянство своей формы за счет осаждения частиц дисперсного материала, исходно электропроводного или приобретающего электропроводность уже в составе электрода под воздействием дуговых температур, и являющегося компонентом этого гетерогенного потока, причем задачей такого воздействия электродуговой низкотемпературной плазмы на поток может служить, например, нагрев, придание электропроводности или инициация и поддержание протекания индивидуального и(или) взаимного химического реагирования компонентов данной смеси.

Указанная цель достигается тем, что в пространственной ориентации и конструкции термостойких электроизоляционных опор под дисперсные электроды, создающих вихревую зону в аэродинамической тени элементов этих пор, на верхних поверхностях которых электроды формируются и самовозобновляются за счет "иммобилизующихся" - выпадающих из гетерогенной смеси и прекращающих на этих поверхностях свое движение, совершающееся под воздействием аэродинамических и гравитационных сил частиц исходно электропроводного или приобретающего проводимость под воздействием электрической дуги дисперсного материала, и под слой которого подводятся напряжение инициации и ток электропитания дуги заглубленными для защиты от прямого воздействия дуговых температур электропроводными токовводами, и обеспечивающих расстояние между заданными оппозитными участками краев пары электродов, питающих одну дуг, гарантирующее возможность инициации дуги напряжением, не превышающим напряжение холостого хода источника питания, новыми признаками согласно изобретению являются:
- блок электродов, представляющий собой комплекс определенным образом скомпонованных опор с расположенными на них дисперсными электродами, размещают непосредственно в канале, "в рассечку" потока гетерогенной смеси веществ, предназначенных для плазменно-дуговой обработки;
- количество опор и их относительное положение в блоке и канале определяются в зависимости от количества одновременно горящих дуг, фазности и конструкции источника (источников) питания, а также конфигурации канала и строения потока;
- верхние грани опор выполняют горизонтальными или с углом наклона к горизонту, меньшим угла естественного откоса используемого для формирования электродов дисперсного материала, обеспечивая при иммобилизации на них частиц этого материала глубину отложений, необходимую для достижения оптимальных условий тепломассообмена между активными поверхностями электродов, материалом опор и токовводов, а также повышения вибрационной устойчивости дисперсных электродов;
- боковые грани опор, не направленные навстречу потоку гетерогенной обрабатываемой смеси, выполняют преимущественно вертикальными; на участках граней, примыкающих к наиболее узкому зазору между соседними электродами (участки инициации дуг), оппозитные боковые грани выполняют с незначительным отрицательным уклоном (с расширением зазора книзу, т.н. "колосниковый зазор"), таким образом, чтобы скатившаяся со склона дисперсного электрода частица размером менее ширины зазора, имеющая скорость витания больше скорости газа в зазоре, непременно провалилась бы между опорами, не создав препятствия для прохождения направляющейся в данный зазор струи основного потока гетерогенной аэросмеси;
- обращенные навстречу потоку грани опор (нижние или боковые) выполняют клиновидными, обеспечивающими, при минимальном их аэродинамическом сопротивлении, разделение гетерогенного потока на отдельные струи и распределение этих струй по зазорам, образовавшимися между опорами, а также между опорами и стенками канала, в который помещен электродный блок;
- соотношение суммарного живого сечения зазоров для прохода потока между опорами F_пp, сечением F_пд подводящего канала и сечением зоны развитого реагирования определяется из условия практического равенства средней скорости W_пp гетерогенного потока, имеющего температуру Т_од, истекающего из этих каналов в начало дуговой зоны (непосредственно за гранями опор, на уровне электродов) и скорости W_pp смеси, нагретой дуговым н реакционным теплом в конце дуговой зоны до конечной температуры потока (температуры развитого реагирования) Т_рр, при которой обеспечивается надежное транспортирование основной массы взвешенного дисперсного материала, для того, чтобы избежать массового выпадания дисперсного материала, в том числе и мелких его фракций, из потока на активные поверхности электродов (их "завала") при резком расширении сечения непосредственно за выходным срезом проходов для потока между опорами, ограничив гранулометрический состав седиментата лишь самыми крупными частицами, наиболее пригодными для функционирования в качестве элементов активной поверхности электродов; например, при условии равенства сечений на всем протяжении незагроможденного канала как перед электродным блоком, так и за ним и температурах Т_пд=300^oС (исходной) и Т_рр=1200^oС (конечной), скорости в конце реакционной зоны в четыре раза выше скорости в подводящем канале и условие W_np≈W_pp обеспечивается соотношением F_np≤0,25 F_pp (т.е. площадь, занимаемая электродным блоком, может составлять 0,75 исходного сечения канала, что конструктивно, с учетом характеристик используемых материалов, вполне приемлемо; естественно, при ином соотношении исходных данных конструктивные размеры элементов электродного узла могут оказаться другими).

Сравнение заявляемого технического решения с прототипом позволяет установить его соответствие критерию "новизна". Описанные выше особенности формы опор под электроды, а также принцип их размещения по отношению друг к другу, к стенкам канала и к транзитному потоку функционально обоснованно отличаются от таковых в прототипе, что позволяет оценить их как соответствующие критерию "существенные отличия".

Реализация предлагаемого технического решения, обладающего отмеченными выше новизной и существенными отличиями по отношению к прототипу, дает возможность внедрить в процессы, протекающие в условиях транзитного потока гетерогенной смеси дисперсных частиц с газом, способ по патенту 2141747, превосходящий по основным характеристикам способы, использованные в обсужденных аналогах, что позволяет констатировать соответствие этого решения критерию "полезность".

Заявляемое устройство, в зависимости от геометрических характеристик и пространственной ориентации каналов, по которым транспортируется обрабатываемый гетерогенный поток, особенностей гранулометрического состава и распределения фракций по его сечению, а также от физико-механических и химических свойств компонентов этой смеси, может быть выполнено, естественно, с соблюдением описанных выше конструктивных особенностей, в различных вариантах.

1. Примеры реализации устройства
1.1. Вертикальный (восходящий) поток
На чертежах (фиг.1.1 - вертикальный разрез, фиг.1.2 - план) показаны конструктивные особенности электродного блока (в данном случае - комплекта из четырех опор с сформированными на них дисперсными самовосстанавливающимися электродами), обеспечивающего горение четного количества электрических дуг, с помощью которых производится электротермохимическая обработка транзитного восходящего потока газа, несущего твердый дисперсный материал (в частном случае - поток воздуха со взвешенным в нем молотым углем, подаваемого в топку котла).

Устройство содержит вертикальный канал 1 квадратного сечения. Форма сечения обусловлена применением стандартных изделий из огнеупорного электроизоляционного материала: в частном случае - шамотного кирпича. В принципе форма сечения может быть любой (желательно - осесимметричной).

В перпендикулярном сечении вертикального канала 1 размещена группа опор 2, сдвинутых друг относительно друга на 90^o, на которых расположены самовосстанавливающиеся дисперсные электроды 3. Между опорами 2, выполненными из огнеупорного электроизоляционного материала, создается главный проход 4 блока электродов, в данном случае - квадратное окно, образованное боковыми поверхностями опор 2 коаксиально каналу 1. Между опорами 2, а также между опорами 2 и стенками канала 1 оставлены зазоры, сечение каждого из которых меньше сечения прохода 4, обеспечивающие транзит гетерогенного потока, при этом зазоры 5 выполнены наиболее узкими и имеют ширину меньше расстояния пробоя для напряжения холостого хода источников электропитания устройства.

Начиная от уровня размещения опор 2 стенки части канала 1, находящейся по направлению движения после электродного узла, в которой собственно и протекает процесс плазменно-дуговой обработки потока (реакционная зона), выполняют из огнеупорного электроизоляционного материала (в данном случае по признаку ориентации в пространстве, эта часть канала верхняя).

Верхние грани опор 2 имеют форму усеченной пирамиды со скосами, имеющими угол наклона к горизонту меньше угла естественного откоса дисперсного компонента гетерогенной смеси, в сторону краев опор 2. По плоским вершинам пирамидальных верхних граней опор 2 в реакционную зону канала 1 введены тепло- и электропроводные токовводы 6, через которые подается напряжение для инициации и поддержания горения электрических дуг 7. Токовводы 6 полностью погружены в слой дисперсного материала, из которого состоят электроды 3. Толщина слоя дисперсного материала, обладающего ввиду высокой порозности малой теплопроводностью, над токовводами 6 выбирается такой, чтобы при установившемся тепловом потоке по пути дуга 7 - слой дисперсного материала электрода 3 - материал токоввода 6 - окружающая среда температура поверхности токоввода 6 не превышала предела термостойкости материала, из которого он изготовлен, но была выше температуры конденсации паров минеральных веществ, неэлектропроводных в конденсированном состоянии, сублимированных из материала дисперсного компонента потока или синтезировавшихся в реакционном объеме или в слое материала электродов 3 в результате химического взаимодействия компонентов гетерогенной смеси. Степень заглубления токовводов 6 в дисперсный материал обеспечивается конструктивным соотношением высоты электрода 3, определяемой шириной основания 2 и углом естественного откоса используемого дисперсного материала, с высотой пирамидальной верхней грани опоры 2.

Нижние грани опор 2, направленные навстречу набегающему потоку аэросмеси, для снижения их аэродинамического сопротивления выполнены клиновидными, рассекающими поток на отдельные струи (показанные на чертеже плоские переходы между скосами клина определяются чисто технологическими условиями обработки и эксплуатации хрупкого материала, используемого для изготовления опор 2).

Боковые грани опор 2, играющие роль стенок широких зазоров для прохода основного объема аэросмеси, выполнены вертикальными, а оппозитные стенки наиболее узких зазоров 5 выполнены с отрицательным углом наклона к вертикали ("колосниковый угол", обычно 1...5^o) дня исключения застревания провалившихся в зазор частиц дисперсного материала.

Электрическое питание к четырем электродам 3 подается через токовводы 6, в зависимости от количества одновременно горящих дуг 7, индивидуально дня каждой дуги к соседствующим парам электродов 3 по схеме "а-b", "b-с ", "с-d " и "d-а" (четыре дуги); если необходимо обеспечить горение двух осесимметрично расположенных дуг 7 (как изображено на иллюстрации), то питание подается к парам "а-b" и "с-d" (естественно, не исключены варианты "b-с" и "d-а", а также несимметричное расположение дуг).

1.2. Циркуляционный (вихревой) поток
На чертежах (фиг.2.1 - поперечный разрез, Фиг.2.2 - горизонтальный разрез, фиг.2.3 - вертикальный разрез) показаны конструктивные особенности блока электродов (двух комплектов по две зеркальные опоры с сформированными на них четырьмя дисперсными самовосстанавливающимися электродами), обеспечивающего горение двух электрических дуг, с помощью которых производится электротермохимическая обработка транзитного вихревого потока газа, смешанного с дисперсным твердым материалом (в конкретном случае - поток воздуха, обеспечивающий циркуляционное движение и горение мелкодробленного угля).

Устройство содержит кольцевой канал 1 с тангенциальным вводом исходной и аксиальным выводом плазмотермически обработанной аэросмеси, на восходящей ветви циркуляции которой установлен блок из четырех попарно зеркальных опор 2, имеющих верхние грани, выполненные в виде усеченной пирамиды, с расположенными на них самовосстанавливающимися дисперсными электродами 3. Нижние грани опор 2 выполнены обтекаемыми, рассекающим углом направленными навстречу набегающему потоку, оппозитные боковые грани опор 2, ограничивающие наиболее узкие зазоры 5, имеют отрицательный ("колосниковый") уклон, остальные боковые грани опор 2, в том числе и обрамляющие наибольшие проходы 4 блока, выполнены вертикальными.

Электропитание осуществляется раздельно для каждой из дуг 7, горящих между парами электродов 3, и подводится токовводами 6, размещенными на плоских вершинах пирамидальных верхних граней опор 2. Электро- и теплопроводные токовводы 6 полностью погружены в дисперсный материал электродов 3. Питание подается по схеме "а-b" и "с-d".

Поскольку обрабатываемый электродуговой плазмой и реагирующий транзитный поток аэросмеси, имеющий высокую температуру и обладающий значительным объемным электрическим зарядом, в своем вихревом (спиральном) движении неоднократно обходит периметр кольцевого канала 1, этот канал, так же, как и опоры 2, полностью выполнен из термостойкого электроизоляционного материала (такими свойствами при уровне температур до 1100^oС обладает примененный нами шамот).

1.2. Горизонтальный (слабонаклонный) поток
На чертежах (фиг.3.1 - продольный разрез, фиг.3.2 - поперечные разрезы) показаны конструктивные особенности электродного блока, состоящего из двух опор с сформированными на них двумя дисперсными самовосстанавливающимися электродами, обеспечивающего горение одной электрической дуги, с помощью которой производится электротермохимическая обработка горизонтального транзитного гетерогенного потока (конкретное применение - воспламенение и поддержание горения угольной пыли, взвешенной в потоке воздуха, перед ее поступлением в топку котла).

Устройство содержит горизонтальный канал 1, по которому поступает исходная и отводится реагирующая аэросмесь, в поперечном сечении которого (оппозитно друг другу и симметрично относительно вертикальной продольной плоскости симметрии канала 1), образуя над собой большой проход 4 для пропускания основного объема аэросмеси, размещены две зеркальные опоры 2, выполненные из огнеупорного электроизоляционного материала и имеющие: плоскую нижнюю грань; боковую грань, заостренную навстречу набегающему потоку в виде подъемной в направлении движения аэросмеси наклонной плоскости; верхнюю грань, сниженную относительно высшей точки боковой грани и имеющую в параллельном оси потока вертикальном сечении форму узкой горизонтальной площадки с примыкающим к ней скосом в сторону движения потока, имеющим угол наклона к горизонту меньше угла естественного откоса используемого дисперсного материала и смыкающимся с нижней гранью опоры 2; оппозитные торцевые боковые грани, образующие наименьший (инициационный) зазор 5, выполненные с отрицательным наклоном к вертикали, препятствующим застреванию в зазоре твердых частиц. Канал 1 в части, лежащей по направлению движения потока ниже опор 2, в зоне воздействия электродуговой плазмы и реагирования компонентов аэросмеси, футерован жароупорным электроизоляционным материалом, аналогичным материалу опор 2. Все углы, меньшие 90^o, затуплены из технологических условий работы используемого хрупкого материала.

2. Функционирование описанных устройств
2.1. Фаза подготовки к работе
2.1.1. Если на верхних пирамидальных гранях опор 2 отсутствуют сформированные ранее дисперсные электроды 3 (первоначальный пуск, пуск после ремонта и т. п. ), формируют временные электроды путем насыпания на опоры 2 исходно электропроводного дисперсного материала (основной дисперсный материал, прошедший термообработку в предыдущих циклах работы устройства, измельченный графит и т.п.). При сохранившихся от работы до остановки дисперсных электродах 3 описанное действие производить нет необходимости.

2.1.2. По подводящему каналу 1 подают 10...20% номинального расхода газа-носителя, не содержащего дисперсного материала.

2.1.3. На электроды 3 через токовводы 6 подают напряжение от источника электрического питания.

Ширина зазора 5 между краями опор 2 и, соответственно, между электродами 3 меньше расстояния электрического пробоя для напряжения холостого хода источника питания, а с обеих сторон зазора имеется электрическая цепь источник - токоввод - материал электрода, поэтому при подаче напряжения происходит электрический пробой зазора 5. Загоревшаяся дуга 7 вытягивается совместным действием свободной и искусственной конвекции (вверх - в результате "всплывания" горячей плазмы в холодном газе, в направлении основного потока - в результате сноса вынужденным движением газа-носителя). Тело дуги 7 эжектируется высокоскоростной струей, истекающей из наиболее широкого зазора 4 между опорами 2, вытягиваясь вдоль линии тока струи, а электродные пятна мигрируют, выполняя условие минимизации сопротивления цепи, по поверхности электрода 3 в точки, наиболее приближенные к концам токовводов 6, заглубленных под слой дисперсного материала, обладающего, в частности, вследствие сильно развитой порозности, более высоким омическим сопротивлением, чем материал токовводов 6.

Процесс инициации и ориентирования дуги 7 повторяется с частотой применяемого тока после каждого ее погасания при переходе напряжения используемого переменного тока через нуль со сменой полярности. При этом дуговые пятна сканируют поверхность электродов 3, гарантируя термическую безопасность краев опор 2 у зазоров 5, а также распределение электро-, термо- и хемиэрозионных процессов по достаточно большой части активной поверхности электродов 3. Это смягчает режим работы и облегчает процесс восстановления электрода, в частности, обеспечивая достаточно длительное время и многократность термообработки для достижения электропроводности вновь внедряющимися в поверхность частицами дисперсного материала.

2.1.4. После стабилизации горения дуг 7 и по мере нагрева огнеупорного материала футерованной части канала 1 к потоку газа добавляют дисперсный материал и расход гетерогенной смеси постепенно увеличивают до номинальных значений.

2.2. Фаза стабилизированного режима
2.2.1. Набегающий на электродный блок гетерогенный поток имеет характерное для турбулентного течения распределение скоростей: в каналах (варианты 1.1 и 1.3) - скорость практически постоянна по всему сечению с резким спадом до нуля у стенок; для вихревой камеры (вариант 1.2) - скорость, нарастая от центра вращения к периферии по радиусу, также резко спадает у стенки (качественные характеристики набегающих потоков видны из приведенных на иллюстрациях эпюр Х скоростей).

Поток аэросмеси разделяется опорами 2 на струи, движущиеся в зазорах между соседними опорами 2, а также между опорами 2 и стенками канала 1.

Вследствие загромождения опорами 2 сечения потока среднемассовая скорость аэросмеси в зазорах увеличивается относительно скорости в незагроможденном потоке пропорционально уменьшению живого сечения для ее прохода и на электродном блоке устанавливается перепад давления, равный его аэродинамическому сопротивлению. В соответствии с известным соотношением между эквивалентным диаметром некруглого прохода и коэффициентом его аэродинамического сопротивления фактические скорости в зазорах устанавливаются самопроизвольно в зависимости от их формы, а также соотношения площади проходного сечения и периметра зазора (чем больше диаметр сечения, тем выше скорость в нем), что обеспечивает транспортировку самых крупных фракций дисперсного материала через наиболее широкие проходы и, следовательно, снижает вероятность засорения зазоров твердыми частицами.

2.2.2. При выходе гетерогенного потока, разделенного опорами 2 на отдельные струн в часть канала 1, лежащую за электродным блоком, эти струи оказываются затопленными в резко расширившемся сечении, индивидуальные струи, некоторое время инерционно сохраняющие свое сечение, "размываются", способствуя возникновению за кормовыми (по направлению движения транзитного потока) гранями опор 2 течения (эпюры Y), характеризующегося резкими перепадами скоростей (вплоть до возникновения обратных токов - вариант 1.2), что приводит к возникновению вихревых зон, в которых происходит отложение на активных поверхностях дисперсных электродов 3 частиц дисперсного материала.

Уже в набегающем потоке под воздействием инерционных и гравитационных сил имеет место неравномерное распределение взвешенного в газе-носителе дисперсного материала (эпюры U) - повышенная концентрация частиц, преимущественно крупных, в направлении действия этих сил. Указанное обстоятельство, наряду со скоростными факторами, также способствует избирательному осаждению на опорах крупных частиц.

2.2.3. Вытянутое струями транзитного потока гетерогенной смеси тело электрической дуги 7 производит свое тепловое и химическое воздействие на контактирующие с нею вещества на всей своей протяженности, экзотермические химические процессы, вызывающие нагрев газа, также достигают существенного развития уже на достаточном удалении от электродного блока. Отмеченное обстоятельство приводит к тому, что общая температура и связанные с нею понижение плотности газа и ускорение потока нарастают постепенно, по пути движения транзитного потока, что гарантирует сохранение аэродинамического режима воспроизводства активной поверхности электродов 3 в вихревой зоне, непосредственно следующей за опорами 2.

На достаточном удалении от электродного блока в симметричном и ровном канале течение гетерогенной смеси снова выравнивается (например, эпюра Z, фиг.2.3), приобретая стандартный характер распределения скоростей при их уровне, определяемом геометрией канала и новыми физпараметрами компонентов потока.

В отличие от прототипа в восстановлении дисперсных электродов принимает участие лишь малая часть дисперсного материала, несомого транзитным потоком, причем осаждающиеся частицы не прошли процесса термообработки дуговыми температурами и, в общем случае, могут не обладать необходимой электропроводностью. Обсужденные выше аэродинамические обстоятельства способствуют тому, что выпадают из потока в основном наиболее крупные частицы, чем гарантируется продолжительность их существования в составе активной поверхности электрода 3, достаточная для завершения процесса достижения ими необходимой электропроводности под влиянием температуры дугового пятна, сканирующего эту поверхность.

Электродный блок плазменно-дуговой обработки транзитного гетерогенного потока относится к дуговой и плазменно-дуговой технике. В конструкции термостойких электроизоляционных опор под дисперсные электроды, создающих вихревую зону в аэродинамической тени элементов этих опор, на верхних поверхностях которых электроды формируются и самовозобновляются за счет "иммобилизующихся" - выпадающих из гетерогенной смеси и прекращающих на этих поверхностях свое движение, совершающееся под воздействием аэродинамических и гравитационных сил частиц исходно электропроводного или приобретающего проводимость под воздействием электрической дуги дисперсного материала, и под слой которого подводятся напряжение инициации и ток электропитания дуги заглубленными для защиты от прямого воздействия дуговых температур электропроводными токовводами, и обеспечивающих расстояние между заданными оппозитными участками краев пары электродов, питающих одну дугу, гарантирующее возможность инициации дуги напряжением, не превышающим напряжение холостого хода источника питания, блок электродов, представляющий собой комплекс определенным образом скомпонованных опор с расположенными на них дисперсными электродами, размещают непосредственно в канале, "в рассечку" потока гетерогенной смеси веществ, предназначенных для плазменно-дуговой обработки. Технический результат - устройство позволит вынести диапазон применения формирующихся и самовосстанавливающихся за счет твердых компонентов гетерогенных смесей дисперсных дуговых электродов, разработанных для использования в плазменно-дуговых реакторах кипящего слоя, в область транзитных потоков, т.е. в технологию поточных многотоннажных реакций, в частности, для розжига и поддержания горения в топках современных энергетических котлов без использования обычно применяемого растопочного высокореакционного топлива. 5 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Электродный блок плазменно-дуговой обработки транзитного потока гетерогенной смеси веществ, состоящий из термостойких электроизоляционных опор, поддерживающих дуговые электроды с неограниченным ресурсом работы, электрически изолированные друг от друга, получающие электрическое питание с помощью токовводов, погруженных для защиты от прямого воздействия электрической дуги под слой частиц дисперсного исходно электропроводного или ставшего электропроводным под влиянием дуговых температур материала, поступающего в результате седиментации под воздействием гравитационных и инерционных сил из аэровзвеси, организованной в виде системы газовых струй, и иммобилизирующегося на опорах, формируя электроды и восстанавливая их эродирующие под влиянием электрических, температурных и химических процессов поверхности, отличающийся тем, что комплекс входящих в его состав опор размещают непосредственно в канале, по которому движется поток подвергаемой плазменно-дуговой обработке гетерогенной смеси. 2. Электродный блок по п. 1, отличающийся тем, что количество и положение опор и соответственно размещенных на них электродов относительно друг друга и стенок канала определяют в зависимости от принятого количества и заданных характеристик питания одновременно горящих электрических дуг, обеспечивающих заданную степень обработки плазмой компонентов гетерогенной смеси. 3. Электродный блок по п. 1, отличающийся тем, что верхние грани опор, на которых формируются и самовосстанавливаются дисперсные дуговые электроды, выполняют в форме усеченной пирамиды с углом наклона боковых граней к горизонту меньше угла естественного откоса дисперсного материала, что обеспечивает достаточную защиту материала токовводов от прямого воздействия температуры дуги, в то же время поддерживая его температуру не ниже необходимого технологического уровня, а также минимизируя омическое сопротивление слоя дисперсного материала. 4. Электродный блок по п. 1, отличающийся тем, что обращенные навстречу потоку грани опор выполняют клиновидными, обеспечивающими, при минимальном их аэродинамическом сопротивлении, разделение гетерогенного потока на отдельные струи и оптимальное распределение этих струй и взвешенного в потоке дисперсного материала по зазорам между опорами и у стенок канала. 5. Электродный блок по п. 1, отличающийся тем, что оппозитно расположенные участки граней каждой пары соседствующих опор по обе стороны от минимального зазора между ними, в котором происходит электрический пробой и инициация горения дуги, выполняют с отрицательным уклоном к вертикали, обеспечивающим расширение зазора книзу и невозможность перекрытия его скатившимися в него с поверхности электрода дисперсными частицами. 6. Электродный блок по п. 1, отличающийся тем, что величину суммарного живого сечения зазоров для прохода потока между элементами электродного блока выбирают из условия примерного равенства средней скорости гетерогенной смеси в этих зазорах при исходной температуре скорости потока в свободном сечении канала после установления конечной температуры смеси, чем обеспечивают седиментацию из гетерогенной смеси и иммобилизацию на поверхности электродов преимущественно крупных, наиболее долгоживущих в условиях плазменно-дуговых воздействий частиц дисперсного материала.