专利名称：200kw非转移弧等离子发生器及引弧方法
技术领域：
本发明涉及ー种大功率(100KW以上)等离子发生器，属离子产生和火花隙类(HOlT)。
(ニ)
背景技术：
我们知道，随着温度上升物质存在固态、液态、气态三态的转化过程，当气态物质温度升至几千度时，使气体分子产生电离，这样物质就变成自由运动并相互作用的正离子和电子组成混合物，这称为物质的第四态即等离子体。其温度分布从100K的低温等离子体到超高温核骤变等离子体的IO8 IO9Kd 10亿。c )。现使用的热等离子体发生装置中，是阴极和阳极间的电弧放电作用使流入工作气体发生电离，输出的等离子体呈喷射状，用作等离子体射流或等离子体喷焰等。传统采用的是直流放电法，将直流电源的正极与热等离子体发生器阳极连接，负极与阴极连接，当所加电压达到一定值后，电极间的工作气体被电离形成等离子体，高速喷射出发生器ロ，形成等离子体喷焰。此时喷焰具有很高的热焓，其焰芯温度可达10000°c 20000°C，外焰部份也可达到3000°C。正是电弧放电等离子体的高温高热焓等特性已被国外先进国家首选为无害化处理各种エ业有毒有害废弃物的技木。功率从25kW到250kW不等，当使用空气作为工作气体时连续工作时间可达30小吋，当使用氮气作为工作气体时连续工作时间可达100小时以上。非转移弧等离子体发生器，适用于任何形式的エ业废弃物，不管被处理物是固态、液态、气态及是否属于导电性质的都能处理。所述非转移弧就是电弧必须在等离子发生器腔内自己产生，不转移在腔体外；所述转移弧是指必须在腔外放导体，导体与腔体外部产生电弧。现有的小功率非转移弧等离子发生器(100KW以下)一般结构如图4，设有ー个阴极In在上方中心，设ー个有中心孔的阳极2n，两者之间有火花隙3n，直流电源U0两端通过分别固定在阴极和阳极的导线将电压施加于火花隙3n产生电弧4n。从上可知，小功率非转移弧等离子发生器的阴极和阳极距离很近，弧压低，其缺点如下1)弧压低，同样功率エ作电流大，损耗大，一方面导致效率低；另一方面电流大对电极烧蚀快，寿命短。2)弧压低，相对火焰短，一般只能适用于产生局部发热，如用于切割金属等，应用范围小。3)小功率(100KW以下)和低弧压(几十-100伏)不适宜エ业化大規模生产和应用。
发明内容
本发明提供的200KW非转移弧等离子发生器及引弧方法，就是解决现有的小功率(100KW以下)等离子发生器损耗大、效率低、电极寿命短、应用范围小和不适宜エ业化大规模生产和应用的问题。技术方案如下200KW非转移弧等离子发生器，其特征是I)从电弧产生至喷出方向顺次设置有阴极I和阴极外周的绝缘筒2、间隙3、小阳极4和支撑小阳极的可调绝缘座5、将主气从外引入中心孔的主气环6、ニ阳极7、ニ阳极与主气环间的密封8、ニ阳极外调节螺母9和最下端有喇叭喷ロ的大阳极10 ；2)阴极为实心紫铜电极I. 1，阴极外圈为不锈钢筒I. 3，紫铜电极和不锈钢筒间的夹层为冷却水道I. 2 ;小阳极、二阳极和大阳极均为紫铜电极，且中心为连通的供电弧送出的孔径相同的中心孔，三个阳极紫铜电极内均设有冷却水道；阴极外圈不锈钢筒从前端至后端为紧套阴极的密封收缩筒颈I. 31、锥形筒I. 32和直形筒I. 33，其中收缩筒颈和直形筒与外部绝缘筒间均用螺纹密封连接；3)在绝缘筒和可调绝缘座外周套螺纹压环11将两者轴向可调连接；在可调绝缘座外装异形法兰12，并用螺钉将可调绝缘座轴向固定于主气环；二阳极和大阳极轴向用法兰连接固定，两法兰间装有绝缘层13 ；4)用惰性气体作付气15通过可调绝缘座引入小阳极顶部；主气16通过主气环旋入二阳极顶部；保护气17从二阳极和大阳极间旋入大阳极顶部；5)直流电源Utl的负极与阴极连接；直流电源的正极与三个阳极用导线18连接，且各阳极与导线18的连接线上均各装一个转移电弧开关。 上述等离子发生器的具体优化结构和设计参数，在实施例中结合
。使上述200KW非转移弧等离子发生器工作的引弧方法，其特征是包括如下步骤I)在小阳极电极线上进行耐高压处理，加强绝缘；2)将四根电极线固定在四个电极的电极连接片上；3)调节主气和付气阀门，保护气气瓶，三处均通入气体；4)将直流电源施加在小阳极和阴极间并进行升压，空载直流电压大于600伏；5)在小阳极和阴极间施加大于10000伏的高频电压，使两极间击穿，产生电弧；6) I秒后，先接通二阳极开关K7，然后断开小阳极开关K4，二阳极和阴极间产生电弧；7) I秒后，先接通大阳极开关K10，然后断开二阳极开关K7，大阳极和阴极间产生电弧，电压升高最大450伏，引弧完成。本发明有益效果I)设置了小阳极、二阳极和大阳极的多阳极结构，增加了阴极和阳极之间的距离，提高了弧压，在保持同样电流时，功率大大提高，实现达到200KW。2)通入付气作为产生等离子气体；通入旋转的主气使电弧稳定均匀，保护二阳极顶部；通入旋转的保护气使电弧稳定均匀，保护大阳极顶部。3)阴极和各阳极均采用水冷，以满足大功率电极的散热需求。
4)阴极设在等离子发生器后端端部且有露出端头，并采用螺纹与外部绝缘筒间连接，安装更换较为方便。5)各种控制参数在一定范围内均可根据运行工况修改，使用寿命较长即设有可调绝缘座5、螺纹压环11和调节螺母9，实现可根据运行工况修改调整各电极间间距从而调整工作参数。且本文提供了各电极距离的优化设计尺寸范围，以实现调节达到所需功率。6)大阳极下方内孔为喇叭口，使出口处火焰增大，火焰长度达60-70cm。7)冷却水道内有螺纹，增强散热。8)采用的引弧方法能保证引弧中电弧产生的连续稳定可靠，引弧成功率较高可达95%以上。9)由于功率达200KW，适用范围大，可适用如下领域①环保领域高危工业废弃物的无毒化处理(固体、液体、气体均可)；医疗垃圾的处理；电子垃圾处置。②冶金领域各种矿石的冶炼；耐火保温材料的溶制；旧物品回收。③核电领域放射性废料的安全处置。④殡葬火化业。
图I本发明纵剖视结构示意图。图2本发明外形立体示意图。图3图IA-A剖视图(主气环俯视图)。图4现有小功率非转移弧等离子发生器结构示意图。具体实施例方式本实施例200KW非转移弧等离子发生器，如下组成I)总体布置见图1，从电弧产生至喷出方向顺次设置有阴极I和阴极外周的绝缘筒2、间隙3、小阳极4和支撑小阳极的可调绝缘座5、将主气从外引入中心孔的主气环6、ニ阳极7、ニ阳极外上部与主气环间的密封8、 ニ阳极外圆装的调节螺母9和最下端有喇叭喷ロ的大阳极10。2)各电极结构见图1，阴极I为实心紫铜电极I. 1，阴极外圈为不锈钢筒I. 3，实心紫铜电极I. I和不锈钢筒I. 3间的夹层为冷却水道I. 2。冷水由冷却水道I. 2上方引入和引出(同时见图2)。阴极外圈不锈钢筒从前端至后为紧套阴极并密封的收缩筒颈I. 31、锥形筒I. 32和直筒I. 33，其中收缩筒颈和直筒与外部绝缘筒间分别用螺纹I. 31a、I. 33a并密封连接。阴极实心紫铜电极与不锈钢筒间靠收缩筒颈I. 31紧密密封连接。不锈钢筒I. 3靠上下螺纹I. 31a、I. 33a旋入外部绝缘筒2内并固定为一体。小阳极4为有中心孔4. I的紫铜电极，小阳极紫铜电极内设有冷却水道4. 2，并从下方的主气环6引入引出(同时见图
2)。ニ阳极7为有中心孔7. I的紫铜电极，ニ阳极紫铜电极内设有冷却水道7.2，并从ニ阳极紫铜电极径向引入引出(同时见图2)。大阳极10为有中心孔10. I的紫铜电极，大阳极紫铜电极内设有冷却水道10.2，并从ニ阳极法兰7.3径向引入引出(同时见图2)。大阳极中心孔为喇叭形。三个阳极中心孔孔径相同。三个阳极的冷却水道设有增大传热的螺纹。阴极与小阳极间距离范围h4 = I 4mm ;阴极与ニ阳极间距离范围h7 = 150 200mm ;阴极与大阳极间距离范围h1(l = 350 400mm ;三个阳极中心孔孔径取值范围d = 20_40mm。且产品总长为600-700mm、产品最大外径(主气环处)为150_200mm。3)各电极外部连接、调整、密封结构见图1，绝缘筒2和可调绝缘座5均用聚四氟烯制作，在两者外周套不锈钢螺纹压环11将两者轴向可调连接；即当旋转螺纹压环，可调节阴极和小阳极间间隙3的长度(内置垫圈进行细微调整)。可调绝缘座为有中心孔5. I的异形体，内装并支撑小阳极4，外装异形法兰12，用螺钉12. I将可调绝缘座5轴向固定于主气环6上端面；旋转螺钉12. 1，通过异形法兰端面将可调绝缘座压紧固定于主气环6上端面。可调绝缘座上设有放在小阳极下方的可调垫片5. 2和支撑件5. 3，可通过增减垫片调整间隙3、小阳极4、主气环6间的轴向距离。ニ阳极与主气环间装的密封8为如下型式在ニ阳极外圆上端与主气环间装密封圈8. 1，并在ニ阳极外固定法兰8. 2，法兰周向装多个拧入主气环下端面的螺栓8. 3。在ニ阳极7外圆柱面上套装设调节螺母9，相互间用螺纹连接；当ニ阳极轴向位置调整合适后，用轴向穿过调节螺母的螺钉9. I顶在法兰7. 3上固定ニ阳极和调节螺母相对位置。ニ阳极用法兰7. 3和大阳极法兰10. 3轴向连接固定，两法兰间装有有中心孔的绝缘层13 (同时见图2)。4)各部分气路见图I、图2，用椭性气体作付气15通过可调绝缘座5引入小阳极4顶部；主气16通过主气环6旋入ニ阳极顶部；保护气17从ニ阳极和大阳极间绝缘层13旋入大阳极顶部。见图3，主气环6外层为开有进气ロ的不锈钢筒6. 1，内层为有中心通孔
6.4且周向布有多个斜向进气道的不锈钢筒6. 3，两筒间为空腔气道6. 2。5)电路见图1，直流电源U0的负极用导线Ia与阴极I连接；直流电源的正极与三个阳极用总导线18连接，且各阳极分别用分导线4a、7a、IOa与总导线18连接，各分导线4&、7&、10&线上均各装一个转移电弧开关1(4、1(7、1(1(|。各电极上设电极连接片分别与导线Ia和各分导线4a、7a、10a另一端连接固定。本实施例使200KW非转移弧等离子发生器工作的引弧方法，包括如下步骤1)在小阳极电极线上进行耐高压处理，加强绝缘；2)将四根电极线固定在四个电极的电极连接片上；3)调节主气和付气阀门，保护气气瓶，三处均通入气体；4)将直流电源施加在小阳极和阴极间进行升压，空载直流电压大于600伏；5)在小阳极和阴极间施加大于1000伏的高频电压，使两极间击穿，产生电弧；6) 1秒后，先接通二阳极开关K7，然后断开小阳极开关K4,二阳极和阴极间产生电弧；7) I秒后，先接通大阳极开关Kltl，然后断开二阳极开关K7，大阳极和阴极间产生电弧，电压升高最大450伏，引弧完成。
权利要求
1.200KW非转移弧等离子发生器，其特征是 1)从电弧产生至喷出方向顺次设置有阴极I和阴极外周的绝缘筒(2)、间隙(3)、小阳极(4)和支撑小阳极的可调绝缘座(5)、将主气从外引入中心孔的主气环￠)、二阳极(7)、二阳极与主气环间的密封(8)、二阳极外调节螺母(9)和最下端有喇叭喷口的大阳极(10)； 2)阴极为实心紫铜电极(I.I)，阴极外圈为不锈钢筒(I. 3)，紫铜电极和不锈钢筒间的夹层为冷却水道(1.2);小阳极、二阳极和大阳极均为紫铜电极，且中心为连通的供电弧送出的孔径相同的中心孔，三个阳极紫铜电极内均设有冷却水道；阴极外圈不锈钢筒从前端至后端为紧套阴极的密封收缩筒颈(I. 31)、锥形筒(1.32)和直形筒(I. 33)，其中收缩筒颈和直形筒与外部绝缘筒间均用螺纹密封连接； 3)在绝缘筒和可调绝缘座外周套螺纹压环(11)将两者轴向可调连接；在可调绝缘座外装异形法兰(12)，并用螺钉将可调绝缘座轴向固定于主气环；二阳极和大阳极轴向用法兰连接固定，两法兰间装有绝缘层(13)； 4)用惰性气体作付气(15)通过可调绝缘座引入小阳极顶部；主气(16)通过主气环旋入二阳极顶部；保护气(17)从二阳极和大阳极间旋入大阳极顶部； 5)直流电源Utl的负极与阴极连接；直流电源的正极与三个阳极用导线(18)连接，且各阳极与导线的连接线上均各装一个转移电弧开关。
2.按权利要求I所述等离子发生器，其特征是阴极与小阳极间距离范围比=I 4_;阴极与二阳极间距离范围h7 = 150 200mm ;阴极与大阳极间距离范围h1(l = 350 400mm ；三个阳极中心孔孔径取值范围d = 20-40mm。
3.按权利要求I所述等离子发生器，其特征是可调绝缘座下面设调整用绝缘垫片(5. 2)。
4.按权利要求I所述等离子发生器，其特征是三个阳极的冷却水道设有螺纹。
5.按权利要求I所述等离子发生器，其特征是所述二阳极与主气环间的密封(8)设有密封圈(8. I)、二阳极外固定的法兰(8. 2)，法兰周向装多个拧入主气环下端面的螺栓(8.3);在二阳极外圆装调节螺母(9)，且装有轴向固位螺拴(9. I)。
6.按权利要求I所述等离子发生器，其特征是所述主气环外层为开有进气口的不锈钢筒(6. I)，内层为有中心通孔(6. 4)且周向布有多个斜向进气道的不锈钢筒(6. 3)，两筒间为空腔气道(6. 2)。
7.使权利要求1-6所述等离子发生器工作的引弧方法，其特征是包括如下步骤 I)在小阳极电极线上进行耐高压处理，加强绝缘；2)将四根电极线固定在四个电极的电极连接片上；3)调节主气和付气阀门，保护气气瓶，三处均通入气体；4)将直流电源施加在小阳极和阴极间并进行升压，空载直流电压大于600伏；5)在小阳极和阴极间施加大于10000伏的高频电压，使两极间击穿，产生电弧；6) I秒后，先接通二阳极开关K7，然后断开小阳极开关K4，二阳极和阴极间产生电弧；7) I秒后，先接通大阳极开关K10，然后断开二阳极开关K7，大阳极和阴极间产生电弧，电压升高最大450伏，引弧完成。
全文摘要
200KW非转移弧等离子发生器及引弧方法。沿喷射方向顺次设阴极和绝缘筒、间隙、小阳极和可调绝缘座、主气环、二阳极、外部密封、调节螺母和大阳极。阴极为实心紫铜、外圈为不锈钢筒，两者间为冷却水道。各阳极为有中心孔和冷却水道的紫铜。外设螺纹压环、异形法兰轴向可调连接。椭性气体作付气通入小阳极顶部；主气、保护气分别旋入二阳极、大阳极顶部。直流电源负极接阴极；正极接三个阳极，且各阳极装有转移电弧开关。用多阳极，提高弧压，使功率高达200KW。旋入主气和保护气电弧稳定均匀。用水冷满足大功率散热需求。阴极在最后端，安装更换方便。能调正距离修改各种控制参数，使用寿命长。可用于垃圾无毒化处理、矿石冶炼耐火保温材料溶制、放射性废料处置、殡葬火化业。
文档编号H05H1/34GK102625561SQ201210079650
公开日2012年8月1日 申请日期2012年3月23日 优先权日2012年3月23日
发明者李裔红 申请人:成都金创立科技有限责任公司