专利名称：内电弧等离子体喷枪的制作方法
技术领域：
本发明涉及电加热设备，特别是涉及到一种等离子体加热设备。
背景技术：
当前，等离子技术已得到广泛的应用，工业上应用于等离子点火、等离子喷涂、金属冶炼、等离子加热制造纳米材料、切割、垃圾焚烧和废物处理等。近几年来，利用等离子体处理危险有害的废弃物和生活垃圾的技术发展很快，等离子体的处理方式和一般的焚烧方式大不一样，等离子体是在电离层或放电现象下所形成的一种状态，伴随着放电现象将会生成了激发原子、激发分子、离解原子、游离原子团、原子或分子离子群的活性化学物以及它们与其它的化学物碰撞而引起的反应。在等离子体发生器中，放电作用使得工作气分子失去外层电子而形成离子状态，经相互碰撞而产生高温，温度可达几万度以上。 当前，常规煤气化装置中使用的气化剂为水蒸汽+空气或水蒸汽+氧气，在气化炉工作时，直接把水蒸汽+空气或水蒸汽+氧气送入气化炉，使水蒸汽与炭发生造气反应生成合成气，其反应为吸热反应，需要由空气或氧气与炭发生氧化反应为其提供热量，这种气化方式的气化率仅为70%左右，这将增加煤炭资源消耗，同时，合成气中产生大量的二氧化碳废气，不仅影响到合成气的品质，而且使后级生产中排放大量的温室气体。如利用等离子体喷枪把水蒸汽加热分解后再喷入气化炉内与焦炭进行化学反应，所发生的反应是放热反应，可以为气化炉提供原料烘干和热解所需的热量，从而使气化炉不需输入空气或氧气，生产的合成气中氢气的分数比例高，废气的含量低。生活垃圾由于热值低，化学成分中的固定炭含量少，如用常规的水蒸汽、空气或氧气作气化剂来气化生活垃圾，水蒸汽与炭反应生成合成气所进行的是吸热反应，将会消耗气化炉的热量，气化炉需要输入空气或氧气，并且消耗燃料，使得合成气中废气含量高，所得到的合成气中有用成分相当低，几乎是废气。利用等离子体喷枪把气化剂水蒸汽加热，使水分子分解为氢、氧的活性化学物喷入气化炉，与垃圾炭进行化学反应，所进行的是放热反应，可以为气化炉提供原料烘干和热解所需的热量，从而使气化炉不需输入空气或氧气，使生活垃圾转化的合成气品质好，达到化工原料的要求，合成气再通过后级设备生产甲醇或二甲醚产品，实现无污染处理生活垃圾，同时把垃圾废物转化为人类需要的化工原料。因此,如要将生活垃圾气化的合成气成为有用之材,应优选等离子体加热分解水蒸汽作为气化剂的气化技术。等离子热解水制氢技术是最近几年提出来的水制氢候选技术之一，因为水是一种相当稳定的物质，在常压条件下，温度在2000K时水分子几乎不分解，2500K时有25%的水发生分解，3400 3500K时氢气和氧气的摩尔分数达到最大，分别为18%和6%，当温度达到4200K时,水分子将全部分解为氢气、氢、氧气、氧和氢氧原子团，一般的加热方式难以达到这么高的温度，而使用等离子体喷枪则能做到。虽然等离子体技术在生活垃圾处置领域、煤气化领域和制氢领域的应用前景美好，但目前的等离子体喷枪的电弧火炬是在喷嘴之外，火炬的作用区域是在枪体外，如用来加热分解水分子，存在加热效率不高、水分子分解率低的缺点。
发明内容
本发明的目的是要克服现有等离子体喷枪存在的效率不高和水分子分解率低的缺点，设计制造一种能提高水分子的加热效率及提高水分子分解率的内电弧等离子体喷枪，用于煤气化装置、垃圾生物质气化装置或热解水制氢装置，普及应用后，能克服直接使用水蒸汽作为气化剂所存在的气化率低、煤炭资源消耗量大、排放的温室气体多及生产的合成气品质不高的缺点，以降低煤炭资源消耗和减排温室气体。本发明的一种内电弧等离子体喷枪，主要由前枪体a (6)、后座(I)和第一电极(4)组成，其中前枪体a (6)的构造内有弧腔(YD)和冷却水套(珊)，弧腔(YD)的空间呈圆柱体结构，弧腔(νπ)的两端分别有入口(V)和压缩喷口(IX)，入口(V)和压缩喷口(IX)各为圆形通孔，冷却水套(VDI)在弧腔(νπ)的外侧，前枪体a (6)安装在后座(I)上，后座(I)的前端与前枪体a (6)的弧腔入口端相接；第一电极(4)连接在后座(I)上，并且与弧腔入口(V)同轴，第一电极(4)为圆棒体结构，第一电极(4)的头部从入口(V)伸入到弧腔(YD)之内， 弧腔(YD)和伸入其内的第一电极(4)的头部构成内电弧发生器；第一电极(4)外壁与入口(V)内壁之间的空隙为工作气或加热介质的通道，第一电极(4)的头部与入口(V)处的金属构件之间有放电空间，入口(V)处的金属构件形成第二电极，第二电极上有环形放电面j
(15);工作时，弧腔(YD)内生成电弧，弧根分别在第一电极(4)的头部和第二电极的环形放电面j (15)，电弧从压缩喷口(IX)喷出，电弧经压缩后加剧升温形成等离子体火炬。上述的内电弧等离子体喷枪中，前枪体a (6)的冷却水套(VDI)有冷却剂通道或冷却剂接口接出；后座(I)可采用圆柱体、圆盘体、四方体其中的一种或几种组合的结构，本发明优选圆柱体结构。后座(I)为一体化圆柱体结构或为组合式结构，当后座(I)为组合式结构时，后座(I)由后座主件(1-2)和绝缘隔离件(1-5)组成,或后座(I)由后座主件(1-2)、后端盖(1-3)和绝缘隔离件(1-5)组成，其中，绝缘隔离件(1-5)为圆筒体结构，绝缘隔离件(1-5)为后座主件(1-2 )和前枪体a (6 )之间的电气隔离元件；后座(I)上有工作气输入接口( 1-4)和工作气通道(II )，或后座(I)上有工作气输入接口( 1-4)、工作气通道(II )、冷却剂回流口、冷却剂环道(XIX)、冷却剂通道j (XVIII)和冷却剂通道a (I)。第一电极(4)为圆棒实体结构或圆棒空心结构，当第一电极(4)为圆棒空心结构时，第一电极(4)内有导流管a (4-3),导流管a (4_3)的外壁和第一电极(4)的圆棒体内壁之间空间构成冷却剂回路a，导流管a (4-3)上有冷却剂接口 b (4_5)，导流管a (4_3)内有冷却剂通道k (X X)，冷却剂回路a、冷却剂通道k (XX)和冷却剂接口 b (4-5)相通。上述的内电弧等离子体喷枪中还有第四电极(8)，第四电极(8)为圆棒体结构，第四电极(8)的尾端安装在服务设备的壁体上或连接在前端头(11)上，当第四电极(8)的尾端连接在前端头(11)上时,前端头(11)通过绝缘支持件(9 )连接到前枪体a的压缩喷口端；第四电极(8)的头部通过压缩喷口(IX)伸入到弧腔(YD)内，第四电极(8)的外壁与压缩喷P(IX)的内壁之间的空隙实现压缩电弧的功能，第四电极(8)的头部与压缩喷口(IX)之间有放电空间，压缩喷口(IX)处的金属构件形成第三电极，第三电极上有环形放电面k (16)；工作时，弧腔(νπ)内的入口(V)侧和压缩喷口(IX)侧各有电弧生成，入口(V)侧的电弧弧根分别在第一电极(4)的头部和第二电极的环形放电面j (15)，压缩喷口(IX)侧的电弧弧根分别在第四电极(8)的头部和第三电极的环形放电面k (16);两股电弧合并从压缩喷口(IX)喷出，电弧经压缩后加剧升温形成等离子体火炬。上述的内电弧等离子体喷枪中，第四电极(8)为圆棒实体结构或圆棒空心结构，当第四电极(8)为圆棒空心结构时，第四电极(8)内有导流管b (8-3)，导流管b (8-3)的外壁和第四电极(8)的圆棒体内壁之间空隙构成冷却剂回路b，导流管b (8-3)上有冷却剂接口 d (8-1)，导流管b (8-3)有冷却剂通道e (XIII)，冷却剂回路b、冷却剂接口 d (8_1)和冷却剂通道e (XIII)相通；当第四电极(8)的尾端安装在服务设备的壁体上时，导流管b(8-3)的基座同时连接在服务设备的壁体上；当第四电极(8)的尾端连接在前端头(11)上时，导流管b (8-3)的基座同时连接在前端头(11)上；前端头(11)上有冷却剂通道d (XI)、冷却剂通道f (XV)、环形冷却腔(ΧΠ)和冷却剂接口 e (11-1)。上述的内电弧等离子体喷枪中，前枪体a (6)的弧腔入口(V)的进口处为喇叭口收窄结构，收窄角度为60° 90°，入口(V)在弧腔(YD)内侧的扩散角为120° 180°，弧腔(YD)至压缩喷口有逐渐收窄的压缩角，压缩角度为75° 180°。
上述的内电弧等离子体喷枪中，在弧腔α/Π)内有绝热内衬(7);在前枪体a (6)的外壁上有压缩线圈(12);在绝缘支持件(9)内有绝热衬筒(10)。本发明的另一种包含上述部件的内电弧等离子体喷枪，其特征是第一电极(4)的头部设置在前枪体a的弧腔(YD)之外，并接近入口(V)，具体实施时，第一电极(4)的头端距离入口(V) 3 IOmm;内电弧等离子体喷枪中有第四电极(8)，第四电极(8)以下列其中的一种方式伸入到弧腔(VD)之内a.第四电极(8)的头部通过压缩喷口(IX)伸入到弧腔(YD)内的压缩喷口(IX)侧，第四电极(8)的头部与压缩喷口(IX)之间有放电空间，压缩喷口(IX)处的金属构件形成第三电极，第三电极上有环形放电面k (16);第一电极(4)的头端与入口(V)之间有放电空间，入口(V)处的金属构件形成第二电极，第二电极上有环形放电面j (15);工作时，第一电极(4)的头端和第二电极的环形放电面j (15)之间形成电弧，弧根分别在第一电极(4)的头端和第二电极的环形放电面j (15)，电弧经入口(V)压缩后进入弧腔(YD)内；同时在第四电极(8)的头部与第三电极上的环形放电面k (16)之间形成电弧，弧根分别第四电极
(8)的头部与第三电极上的环形放电面k (16)，两股电弧合并从压缩喷口(IX)喷出，电弧经压缩喷口(IX)的第二次压缩后，加剧升温形成等离子体火炬；b.第四电极(8)的头部进一步从压缩喷口(IX)伸入到弧腔(νπ)之内并接近入口(V)，具体实施时，第四电极(8)的头端距离入口(V)5 12mm，第四电极(8)的头端与第一电极(4)的头端之间有放电空间，入口(V)处的金属构件形成辅助电极；工作时，弧腔(YD)内有电弧生成，弧根分别在第一电极(4)的头端和第四电极(8)的头端，电弧从压缩喷口(IX)喷出，电弧经入口(V)和压缩喷口(IX)的二次压缩后，加剧升温形成等离子体火炬。本发明的又一种内电弧等离子体喷枪，其特征是用前枪体b (6')来替代以上所述的前枪体a (6)，前枪体b (6 ;)主要由前枪体主件(6-7)、绝缘支持件(9)和前端头(11)组合而成，其中，前枪体主件(6-7)和前端头(11)分别在绝缘支持件(9)的两端,绝缘支持件(9)为圆筒体结构，绝缘支持件(9)内有绝热内衬(7)，绝热内衬(7)的内空间构成弧腔(vn);弧腔(νπ)的空间呈圆柱体结构，弧腔(νπ)的两端分别有入口(V)和压缩喷口(IX)，入口(V)设置在前枪体主件(6-7)上，压缩喷口(IX)设置在前端头(11)上，冷却水套(VDI)在前枪体主件的入口(V)的外侧；第一电极(4)的头部设置在前枪体a的弧腔α/Π)之外并接近入口(V);第四电极(8)连接在前端头(11)上，第四电极(8)的头部由压缩喷口(IX)伸入到弧腔(YD)内并接近入口(V)，第一电极(4)的头端与第四电极(8)的头端之间有放电空间，入口(V)处的金属构件形成辅助电极。工作时，第一电极(4)的头端和第四电极(8)的头端之间形成电弧，电弧经入口(V)和压缩喷口(IX)的二次压缩后，加剧升温形成等离子体火炬。以上的发明中，所述的放电空间定义为能使两电极之间通过引弧形成电弧的距离空间，考虑到工作气的性质和气流的干涉影响，本发明应用水蒸汽为工作气体，在等离子体喷枪内两电极之间的距离按小于6kv/mm进行计算确定，具体实施时，在确定工作气压力的情况下，按引弧电源和工作电源的电压来设计两电极之间的距离，或者按确定的两电极之间的距离来设计引弧电源和工作电源的电压。上述的内电弧等离子体喷枪，后座(I)、绝缘隔离件(1-5)、前枪体a、绝缘支持件
(9)和前端头(11)之间的连接采用螺纹连接方式或法兰连接方式。 上述的内电弧等离子体喷枪中一体化的后座(I)选用非金属绝缘材料；后座主件(1-2)选用一般常用金属材料或非金属材料，所述的一般常用金属材料包括碳钢、球墨铸铁、锰钢、不锈钢、黃铜、紫铜，所述的非金属材料包括胶木、陶瓷，当选用非金属材料时，须有导电体由第一电极(4)引出枪体外，以便作电气连接；绝缘隔离件(1-5)选用胶木或陶瓷材料；前枪体a (6)、前枪体a选用一般常用金属材料或难熔金属材料，所述的难熔金属材料包括钨、钽、钥、铌的合金材料，当选用一般常用金属材料时，前枪体a (6)或前枪体a的内套不应使用碳钢和球墨铸铁，且前枪体a (6)或前枪体a内的第二电极和第三电极须用钨铈或钨鑭合金材料；绝缘支持件(9)选用耐高温的陶瓷、石英玻璃材料；前端头(11)选用不锈钢材料；第一电极(4)和第四电极(8)选用一般常用金属材料或难熔金属材料，当选用一般常用金属材料时，电极的头部应使用钨铈合金材料。后座(I)、前枪体a (6)、前枪体a和前端头(11)零件，由于车床加工不能全部到位，采用溶模铸造工艺制造毛坯，然后通过精加工完成，或采用分解加工进行组合的方式制造。上述的内电弧等离子体喷枪的电气连接方式为电气连接在第一电极(4)和前枪体a (6)上,或电气连接在第一电极(4)和前端头(11)上，或电气连接在第一电极(4)和第四电极(8)所连接的服务设备壁体上，其中，第一电极(4)连接在直流供电电源的正极或负极其中的一极，前枪体a (6 )或前端头(11)或第四电极(8 )所连接的服务设备壁体连接在直流供电电源的另一极，当电气连接在第一电极(4)和第四电极(8)所连接的服务设备壁体上时，服务设备的壁体上应有保护接地装置且供电电源应使用隔离变压器；当后座主件(1-2)选用非金属材料制造时，有导电体由第一电极(4)引出枪体外作为电气接线端，当后座主件(1-2)选用金属材料制造时，在后座主件(1-2)上设置接线端或在后座主件(1-2)上使用抱箍作为第一电极(4)的电气连接件；前枪体a (6)采用抱箍作电气连接件或在前枪体a (6)的外壳上设置接线端；前端头(11)以设置接线端的方式或使用抱箍作电气连接件。上述内电弧等离子体喷枪各零件的冷却回路采用并联方式或串联方式连接到冷却系统的管网上。上述的内电弧等离子体喷枪安装在服务设备上使用，采用法兰安装或底座螺栓安装或抱箍安装方式，当采用法兰安装方式时，在前枪体a (6)前部的外壳上或在前端头(11)上设置法兰盘及在服务设备上设置配对的法兰盘；当采用底座螺栓安装方式时，在前枪体a (6)的外壳上设置底座。上述的内电弧等离子体喷枪工作时，把水蒸汽作为工作气体并同时作为被加热对象，内电弧发生器入口(V)的作用是生成等离子体电弧并在工作气的作用下使电弧进入到弧腔α/Π)内，同时水蒸汽经第一电极(4)与入口(V)之间的空隙进入内电弧发生器的弧腔(VD内，入口( V)是第一电极(4)和第二电极之间的放电空间，水蒸汽在通过入口( V)时水分子被电离活化，然后进入弧腔(νπ)内；弧腔(νπ)的作用是形成高温等离子体电弧环境，等离子体电弧的能量集中作用在活化了的水分子上，使水分子很容易分解，压缩喷口(IX)的作用是压缩电弧及输出产物气，令高温等离子体电弧再升温，使未分解的水分子得到进一步分解；水蒸汽在喷枪内经过电场电离和活化、分解成为氢和氧的活性化学物，由喷枪的喷口喷出，喷出的活性化学物作气化剂利用或直接作燃料利用。所述的压缩电弧同时受到冷压缩和磁场压缩。本发明把水蒸汽通过等离子体电弧活化和加热进行分解，具有加热效率闻、水分子分解率闻的特点。具体实施时，内电弧等尚子体喷枪的工作气的供汽压力为O. 5 IMPa0 本发明用于把水分解为氢、氧作气化剂利用或作能源利用的场合，所述的内电弧等离子体喷枪安装在服务设备上使用，所述的服务设备包括生活垃圾气化炉、煤气化炉、工业高分子废弃物气化装置、热解水制氢装置和锅炉。当内电弧等离子体喷枪安装在生活垃圾气化炉、煤气化炉、工业高分子废弃物气化装置上使用时，以水为气化剂，水分子被分解为氢气、氢、氧气、氧和氢氧原子团的活性化学产物，直接喷入气化炉内，与炉内的有机物质进行化学反应生成合成气；当内电弧等离子体喷枪安装在热解水制氢装置上使用时，以氢气为工作气，以水为制氢原料，水分子被分解为氢气、氢、氧气、氧和氢氧原子团的活性化学产物，送入制氢装置进行氢、氧分离，制取氢气；当内电弧等离子体喷枪安装在锅炉上使用时，以空气或水蒸汽为工作气，水或水蒸汽为制氢原料，水分子被分解为氢气、氢、氧气、氧和氢氧原子团的活性化学产物，直接送入锅炉炉膛内进行逆反应燃烧。本发明的有益效果是水蒸汽在内电弧等离子体喷枪的弧腔(YD)内被加热分解，高温等离子体电弧的能量集中作用在水分子上，使水分子很容易分解，压缩喷口(IX)令高温等离子体电弧再升温，使未分解的水分子得到进一步分解，因此，本发明具有加热效率高、水分子分解率高的特点。与常规技术相比，本发明可以降低煤炭资源消耗、提高合成气品质和减排温室气体；作为生活垃圾的气化措施，把生活垃圾转化为高品质的合成气，符合生产甲醇或二甲醚的原料气要求，为实现生活垃圾零排放、无污染、资源化处置提供支持。
图I是本发明其中之一的内电弧等离子体喷枪结构图；图2是本发明其中之二的内电弧等离子体喷枪结构图；图3是本发明其中之三的内电弧等离子体喷枪结构图；图4是图3的B-B剖面图；图5是图3的A-A剖视图；图6是本发明其中之四的内电弧等离子体喷枪结构图7是图6的E-E剖面图；图8是图6的D-D剖视图；图9是图6的C-C剖面图；图10是本发明其中之五的内电弧等离子体喷枪结构图。图11是本发明其中之六的内电弧等离子体喷枪结构图。图中1.后座，1-1.冷却剂回流口，1-2.后座主件，1-3.后端盖，1_4.工作气输入接口，1-5.绝缘隔离件,2.密封圈a, 4.第一电极,4-1.第一电极头, 4-2.第一电极杆,4-3.第一电极的内导流管a，4_4.冷却剂接口 a，4_5.冷却剂接口 b，5.密封圈b，6.前枪体a，6 ’ .前枪体b，6-1.冷却剂接口 C，6-2.前枪体a的内套，6-3.前枪体a的外壳，6-4.第三电极，6-5.冷却剂接口 f，6-6.第二电极，6-7.前枪体主件，7.绝热内衬，8.第四电极，8-1.冷却剂接口 d，8-2.第四电极杆，8-3.第四电极的内导流管b，8-4.第四电极头，9.绝缘支持件，10.绝热衬筒，11.前端头，11-1.冷却剂接口 e，ll-2.前端头外套，11_3.前端头主件，12.压缩线圈，13.密封圈C，14.密封圈d，15.第二电极的环形放电面j，16.第三电极的环形放电面k ; I .冷却剂通道a，II .工作气通道，III.冷却剂通道b，IV .气室，V .前枪体入口，VI.冷却剂通道c，VII.弧腔，VDI.前枪体a的冷却水套，IX.压缩喷口，X .产物气通道，XI.冷却剂通道d，XD.前端头环形冷却腔，XIII.冷却剂通道e，XIV.产物气出口，X V .冷却剂通道f，XVI.冷却剂通道g，XVII.冷却剂通道h，XVIII.冷却剂通道j，XIX.冷却剂环道，X X .冷却剂通道k。
具体实施例方式实施例I图I所示的实施方式是本发明其中之一的内电弧等离子体喷枪，由前枪体a (6)、后座(I)和第一电极(4)组成，其中前枪体a (6)的构造内有弧腔(VD和冷却水套(珊)，弧腔(νπ)的空间呈圆柱体结构，弧腔(νπ)的两端分别有入口(V)和压缩喷口 αχ)，入口(V)和压缩喷口(IX)各为圆形通孔，冷却水套(珊)在弧腔α/Π)的外侧，前枪体a (6)安装在后座(I)上，后座(I)的前端与前枪体a (6)的弧腔入口端相接；后座(I)选用具有绝缘性能的胶木材料制造，后座(I)为圆柱体结构，后座(I)的前部体内有气室(IV)，气室(IV)有工作气输入接口( 1-4)接入，后座(I)的后部中心有通孔，通孔与弧腔入口( V)同轴；第一电极(4)通过后座的后部通孔连接在后座(I)上，第一电极(4)为圆棒体结构，第一电极(4)的头部从入口(V)伸入到弧腔(YD)之内，弧腔(YD)和伸入其内的第一电极(4)的头部构成内电弧发生器；第一电极(4)外壁与入口(V)内壁之间的空隙为工作气或加热介质的通道，第一电极(4)的头部与入口(V)处的金属构件之间有放电空间，入口(V)处的金属构件形成第二电极，第二电极上有环形放电面j (15)。本实施例中，第一电极(4)为钨铈合金材质的圆棒实体结构；前枪体a (6)选用不锈钢材料，采用溶模铸造工艺制造毛坯，然后通过精加工完成，入口(V)的进气处为90°的喇叭口收窄结构，入口(V)在弧腔(νπ)的扩散角为180°，弧腔(νπ)至压缩喷口逐渐收窄的压缩角为90°，压缩喷口(IX)的直径为3mm，孔道比为I. 6，前枪体a (6)的冷却水套(VDI)有冷却剂接口 c (6-1)和冷却剂接口 f (6-5)接出；第一电极(4)处在气室(IV)内，气室(IV)内的蒸汽温度< 200°C，第一电极(4)的温度> 1000°C，二者的温差使第一电极(4)得到冷却。本实施例中，后座(I)和前枪体a (6)之间采用螺纹连接。冷却剂接口 c (6-1)和冷却剂接口 f (6-5)接入冷却系统的管网。第一电极(4)与直流供电电源的正极进行电气连接,前枪体a (6)的外壳与直流供电电源的负极进行电气连接。本实施例安装在生活垃圾气化炉上应用，采用抱箍方式，把前枪体a (6)的外壁抱箍在气化炉的支架上，喷枪的喷口指向气化炉内，工作时，以水蒸汽作为工作气体及加热介质，水蒸汽从工作气输入接口(1-4)送入喷枪内，在气流的作用下，弧腔(YD)内生成电弧，弧根分别在第一电极(4)的头部和第二电极的环形放电面j (15)，电弧从压缩喷口(IX)喷出，电弧经压缩后加剧升温形成等离子体火炬，水蒸汽被分解为氢气、氢、氧气、氧和氢氧原子团的活性化学产物，直接喷入生活垃圾气化炉内，与垃圾炭进行化学反应生成合成气。实施例2图2所示的实施方式是本发明其中之二的内电弧等离子体喷枪，是在第I实施例的基础上，在弧腔(νπ)内增加绝热内衬(7)。本实施例中，后座(I)的前端与前枪体a (6)的弧腔入口端相接；后座(I)为圆柱体结构，选用具有绝缘性能的氧化铝材料制造，后座(I)的轴线中心有通孔，通孔与弧腔入口(V)同轴，第一电极(4)连接在后座(I)的轴线中心通孔上；前枪体a (6)的后部体内有气室(IV)，气室(IV)有工作气输入接口(1-4)接入，把前枪体a (6)分解为内套(6-2)、外壳(6-3)、第二电极(6-6)、前枪体主件(6-7)进行 加工，然后把这些部件装配成一个零件，其中，第二电极(6-6 )选用钨铈合金材料，其它部件选用不锈钢材料，入口(V)的进气处为90°的喇叭口收窄结构，入口(V)在弧腔(νπ)内的扩散角为180°，弧腔(YD)至压缩喷口逐渐收窄的压缩角为90°，压缩喷口(IX)的直径为mm，孔道比为I. 6，装配时，先把第二电极(6-6)嵌入到前枪体主件(6-7)的入口上，把外壳(6-3)焊接在前枪体主件(6-7)上，把密封圈c (13)安装在前枪体主件(6-7)水套侧的垫座上，把绝热内衬(7 )装入内套(6-2 )中，然后把内套(6-2 )通过螺纹旋紧在外壳(6-3 )之内；第一电极(4)为圆棒空心结构,第一电极(4)内有导流管a (4-3),导流管a (4_3)的外壁和第一电极(4)圆棒体内壁之间的空间构成冷却剂回路a，导流管a (4-3 )内有冷却剂通道k (父父)，冷却剂通道1^ (XX)和冷却剂接口 b (4-5)相通，导流管a (4-3)上有冷却剂接口 b (4-5)接入，冷却剂回路a有冷却剂接口 a (4_4)接出，把第一电极(4)分解为电极杆(4-2)、导流管a (4-3)和电极头(4-1)三个部件进行加工，导流管a (4_3)和电极杆(4_2)选用不锈钢材料，电极头(4-1)选用钨铈合金材料，电极头(4-1)装配在电极杆(4-2)的前端，导流管a (4-3)伸入电极杆(4-2)之内，导流管a (4_3)的基座焊接在电极杆(4_2)的尾端。本实施例采用去离子水作为冷却剂，第一电极(4)和前枪体a (6)的冷却剂接口连接到冷却系统的管网上。本实施例的电气连接、设备安装和应用如第I实施例所述。实施例3图3所示的实施方式是本发明其中之三的内电弧等离子体喷枪，是在第I实施例的基础上，在弧腔(Vn)内增加绝热内衬(7)，在前枪体a (6)的外壁上增加压缩线圈(12)。本实施例中，后座(I)的前端与前枪体a (6)的弧腔入口端相接，第一电极(4)连接在后座(I)上，并且与弧腔入口(V)同轴；后座(I)为组合式结构，后座(I)由后座主件(1-2)和绝缘隔离件(1-5)组成，其中，绝缘隔离件(1-5)为后座主件(1-2)和前枪体a (6)之间的电气隔离元件，绝缘隔离件(1-5)选用氧化铝陶瓷材料加工，绝缘隔离件(1-5)为圆筒体结构，圆筒体的内空间构成气室(IV)，绝缘隔离件(1-5)的壁体上有冷却剂通道b (III)和冷却剂通道h (XVII);后座主件(1-2)选用不锈钢材料，后座主件(1-2)上有工作气输入接口(1-4)、工作气通道(II)、冷却剂回流口、冷却剂环道(XIX)、冷却剂通道j (XVIII)和冷却剂通道a (I);第一电极(4)为圆棒空心结构，第一电极(4)内有导流管a (4_3)，导流管a (4-3)的外壁和第一电极(4)圆棒体内壁之间的空间构成冷却剂回路a，导流管a (4-3)的基座连接在后座(I)上，导流管a (4-3)上有冷却剂接口 b (4-5)，导流管a (4_3)内有冷却剂通道k (父父)，冷却剂通道1^ (XX)和冷却剂接口 b (4-5)相通，把第一电极(4)分解为电极杆(4-2 )、导流管a (4-3 )和电极头(4-1)三个部件进行加工，电极杆(4-2 )和导流管a (4-3)选用不锈钢材料，电极头(4-1)选用钨铈合金材料，电极头(4-1)装配在电极杆(4-2)的前端，第一电极(4)和后座(I)进行装配时，先把电极杆(4-2)的尾端焊接在后座主件(1-2)的内中心孔中，然后把导流管a (4-3)伸入到电极杆(4-2)之内，把导流管a (4-3)的基座焊接在后座主件(1-2)的外中心孔中；前枪体a (6)的构造内有冷却水套(珊)、冷却剂通道c (VI)和冷却剂通道g (XVI)，冷却水套(VDI)通过内套包围弧腔(VII)，把前枪体a (6)分解为内套(6-2)、外壳(6-3)、第二电极(6-6)、前枪体主件(6-7)进行加工，然后把这些部件装配成一个零件，其中，第二电极(6-6)选用钨铈合金材料，其它部件选用不锈钢材料，入口(V)的进气处为90°的喇叭口收窄结构，入口(V)在弧腔(νπ)的扩散角为180°，弧腔(YD)至压缩喷口逐渐收窄的压缩角为90°，压缩喷口(IX)的直径为3mm，孔道比为1. 6，装配时，先把内套(6-2 )定位在外壳(6-3 )之内焊接好，把绝热内衬(7 )装入内套(6-2)中，把第二电极(6-6)嵌入到前枪体主件(6-7)的入口上，把密封圈c (13)和密封圈d (14)安装在前枪体主件(6-7)水套侧的垫座上，然后用锁紧螺母把内套(6-2)和外壳 (6-3)连接到主件(6-7)上。本实施例的内电弧等离子体喷枪装配好之后，将形成冷却剂接口 b (4-5)通过冷却剂通道k (XX)连通到第一电极(4)内的冷却剂回路a，冷却剂回路a连通到后座(I)的冷却剂环道(XIX)，冷却剂环道(XIX)通过冷却剂通道a ( I )连通到绝缘隔离件(1-5)的冷却剂通道b (III)，冷却剂通道b (III)通过冷却剂通道c (VI)连通到前枪体a的冷却水套(VDI)，冷却水套(VDI)通过冷却剂通道g (XVI)连通到绝缘隔离件(1-5)的冷却剂通道h (XVII)，冷却剂通道h (XVII)通过冷却剂通道j (XVIII)连通到后座(I)的冷却剂回流口 ；本实施例采用去离子水作为冷却剂，冷却剂回流口和冷却剂接口 b (4-5)连接到冷却系统的管网上。本实施例的电气连接、设备安装和应用如第I实施例所述。实施例4图6所示的实施方式是本发明其中之四的内电弧等离子体喷枪，是在第I实施例和第3实施例的基础上增加有第四电极(8)和前端头(11)，第四电极(8)的尾端连接在前端头(11)上，前端头(11)通过绝缘支持件(9)连接到前枪体a的压缩喷口端,绝缘支持件(9)为圆筒体结构，在绝缘支持件(9)内有绝热衬筒(10);第四电极(8)的头部通过压缩喷口(IX)伸入到弧腔α/Π)内，第四电极(8)的外壁与压缩喷口(IX)的内壁之间的空隙实现压缩电弧的功能，第四电极(8)的头部与压缩喷口(IX)之间有放电空间，压缩喷口(IX)处的金属构件形成第三电极，第三电极上有环形放电面k (16)。本实施例中，第四电极(8)为圆棒空心结构，由电极杆(8-2)、导流管b (8-3)和电极头(8-4)组合而成，电极头(8_4)选用钨铈合金材料，电极杆(8-2)和导流管b (8-3)选用不锈钢材料，导流管b (8-3)上有冷却剂接口 d (8-1)，导流管b (8-3)内有冷却剂通道e (XIII)，冷却剂接口 d (8_1)和冷却剂通道e (XIII)相通，导流管b (8-3)在电极杆(8-2)之内，导流管b (8_3)外壁和电极杆(8-2)内壁之间的空隙构成冷却剂回路b，第四电极(8)与前端头(11)进行装配时，把电极杆(8-2)的尾部焊接在前端头主件(11-3)内侧的中心孔上，把导流管b (8-3)伸入到电极杆(8-2)内并把电极杆(8-2)的基座焊接在前端头主件(I 1-3)外侧的中心孔上，然后把外套(I 1-2)定位并焊接在前端头主件(I 1-3)上，把冷却剂接口 e (11-1)焊接在外套(11-2)上。本实施例与第3实施例相比，在前枪体a (6)的冷却水套(珊)有冷却剂接口 f(6-5)接出；取消了冷却剂通道g (XVI)、冷却剂通道h (XVII)和冷却剂通道j (XVIII);内套(6-2)的出口上有钨铈合金材料的第三电极(6-4)嵌入；压缩喷口的压缩角均为180°，压缩喷口(IX)的出气处为喇叭口扩散结构。本实施例的冷却回路为冷却剂接口 b (4-5)通过冷却剂通道k (XX)连通到第一电极(4)内的冷却剂回路a，冷却剂回路a连通到后座(I)的冷却剂环道(XIX)，冷却剂环道(XIX)通过冷却剂通道a ( I )连通到绝缘隔离件(1-5)的冷却剂通道b (III)，冷却剂通道b (III)通过冷却剂通道c (VI)连通到前枪体a的冷却水套(珊)，冷却水套(VDI)的冷却剂接口 f (6-5)通过外接管道连通到前端头的冷却剂接口 e (11-1)，冷却剂接口 e (11-1)通过环形冷却腔(ΧΠ)和冷却剂通道f (XV)连通到第四电极(8)内的冷却剂回路b，冷却剂回路b通过冷却剂通道e (XIII)连通到冷却剂接口 d (8-1);本实施例采用去离子水作为冷却剂，冷却剂接口 d (8-1)和冷却剂接口 b (4-5)连接到冷却系统的管网。本实施例的电气连接方式为第一电极(4)通过后座(I)与直流供 电电源的正极进行电气连接，前端头(11)的外套与直流供电电源的负极进行电气连接。本实施例安装在煤气化炉上应用，采用抱箍方式，把前枪体a的外壁抱箍在气化炉的支架上，喷枪的喷口指向气化炉内，工作时，以水蒸汽作为工作气体及加热介质，水蒸汽从枪体后部的工作气输入接口(1-4)送入喷枪内，在气流的作用下，弧腔(νπ)内的入口(V)侧和压缩喷口 αχ)侧各有电弧生成，入口(V)侧的电弧弧根分别在第一电极(4)的头部和第二电极的环形放电面j (15)，压缩喷口(IX)侧的电弧弧根分别在第四电极(8)的头部和第三电极的环形放电面k (16);两股电弧合并从压缩喷口(IX)喷出，电弧经压缩后加剧升温形成等离子体火炬，水蒸汽被分解为氢气、氢、氧气、氧和氢氧原子团的活性化学产物，直接喷入煤气化炉内，与煤炭进行化学反应生成合成气。实施例5图10所示的实施方式是本发明其中之五的内电弧等离子体喷枪，是一种包含上述实施例的部件和结构的设备，其中，第一电极(4)的头部设置在前枪体a的弧腔α/Π)之外，并距离入口(V)6mm，第一电极(4)的头端与入口(V)之间有放电空间，入口(V)处的金属构件形成第二电极，第二电极上有环形放电面j (15);第四电极(8)的头部通过压缩喷口(IX)伸入到弧腔(νπ)内的压缩喷口(IX)侧，第四电极(8)的头部与压缩喷口(IX)之间有放电空间，压缩喷口(IX)处的金属构件形成第三电极，第三电极上有环形放电面k
(16);工作时，工作气从枪体的后部接入，在工作气流的作用下，第一电极(4)的头端和第二电极的环形放电面j (15)之间形成电弧，弧根分别在第一电极(4)的头端和第二电极的环形放电面j (15)，电弧经入口(V)压缩后进入弧腔(YD)内，同时在第四电极(8)的头部与第三电极上的环形放电面k (16)之间形成电弧，弧根分别第四电极(8)的头部与第三电极上的环形放电面k (16)，两股电弧合并从压缩喷口(IX)喷出，电弧经压缩喷口(IX)的二次压缩后，加剧升温形成等离子体火炬。本实施例中，入口(V)的压缩角为90°，通孔直径为
3.5mm，孔道比为I. 2，入口(V)在弧腔(VD的扩散角和压缩喷口的压缩角均为180°，压缩喷口(IX)的出气处为90°的喇叭口扩散结构。本实施例中，第四电极(8)安装在服务设备的壁体上，第四电极(8)的冷却回路接入服务设备的冷却水循环系统。上述的第5实施例中，把第四电极(8)的头部从压缩喷口(IX)更进一步地伸入到弧腔(νπ)之内并接近入口(V)，使第四电极(8)的头端距离入口(V) 8mm，第四电极(8)的头端与第一电极(4)的头端之间形放电空间，入口(V)处的金属构件形成辅助电极。工作时，弧腔(νπ)内有电弧生成，弧根分别在第一电极(4)的头端和第四电极(8)的头端，电弧从压缩喷口(IX)喷出，电弧经入口(V)和压缩喷口(IX)的二次压缩后，加剧升温形成等离子体火炬。实施例6图11所示的实施方式是本发明其中之六的内电弧等离子体喷枪，是用前枪体b (6 ;)来替代以上实施例中所述的前枪体a (6)，前枪体b (6 ;)主要由前枪体主件(6-7 )、绝缘支持件(9 )和前端头(11)组合而成，其中，前枪体主件(6-7 )和前端头(11)分别在绝缘支持件(9)的两端,绝缘支持件(9)为圆筒体结构,绝缘支持件(9)内有绝热内衬(7)，绝热内衬(7)的内空间构成弧腔(vn);弧腔(νπ)的空间呈圆柱体结构，弧腔(νπ)的两端分别有入口(V)和压缩喷口(IX)，入口(V)设置在前枪体主件(6-7)上，压缩喷口(IX)设置在前端头(11)上，冷却水套(VDI)在前枪体主件的入口(V)的外侧；第一电极(4)的头部设置在前枪体a的弧腔(VD之外并接近入口( V)，第一电极(4)的头端距离入口( V ) 6mm ;第四电极(8)连接在前端头(11)上，第四电极(8)的头部由压缩喷口(IX)伸入到弧腔(νπ)内并接近入口(V)，第四电极(8)的头端距离入口(V)8mm，第一电极(4)的头端与第四电极 (8)的头端之间有放电空间，入口(V)处的金属构件形成辅助电极。本实施例中，入口(V) 的压缩角为90°，通孔直径为3. 5mm，孔道比为I. 2，入口(V )在弧腔(VD的扩散角和压缩喷口的压缩角均为180°，压缩喷口(IX)的出气处为90°的喇叭口扩散结构。工作时，工作气从枪体的后部接入，在工作气流的作用下，第一电极(4)的头端和第四电极(8)的头端之间形成电弧，弧根在第一电极(4)的头端和第四电极(8)的头端，弧体在弧腔(YD)内，电弧 经入口(V)和压缩喷口(IX)的二次压缩后，加剧升温形成等离子体火炬。
权利要求
1.一种内电弧等离子体喷枪，其特征是内电弧等离子体喷枪主要由前枪体a (6)、后座(I)和第一电极(4)组成，其中前枪体a (6)的构造内有弧腔(VD和冷却水套(珊)，弧腔(vn)的空间呈圆柱体结构，弧腔(vn)的两端分别有入口(V)和压缩喷口(IX)，入口(V)和压缩喷口(IX)各为圆形通孔，冷却水套(珊)在弧腔(vn)的外侧，前枪体a (6)安装在后座(I)上，后座(I)的前端与前枪体a (6)的弧腔入口端相接；第一电极(4)连接在后座(I)上，并且与弧腔入口(V)同轴，第一电极(4)为圆棒体结构，第一电极(4)的头部从入口(V)伸入到弧腔(vn)之内，弧腔(vn)和伸入其内的第一电极(4)的头部构成内电弧发生器；第一电极(4)外壁与入口(V)内壁之间的空隙为工作气或加热介质的通道，第一电极(4)的头部与入口(V)处的金属构件之间有放电空间，入口(V)处的金属构件形成第二电极，第二电极上有环形放电面j (15);工作时，弧腔(vn)内生成电弧，弧根分别在第一电极(4)的头部和第二电极的环形放电面j (15)，电弧从压缩喷口(IX)喷出，电弧经压缩后加剧升温形成等离子体火炬。
2.根据权利要求I所述的一种内电弧等离子体喷枪，其特征是前枪体a(6)的冷却水套(VDI)有冷却剂通道或冷却剂接口接出。
3.根据权利要求I所述的一种内电弧等离子体喷枪，其特征是后座(I)为一体化圆柱体结构或为组合式结构，当后座(I)为组合式结构时，后座(I)由后座主件(1-2)和绝缘隔离件(1-5)组成，或后座(I)由后座主件(1-2)、后端盖(1-3)和绝缘隔离件(1-5)组成，其中，绝缘隔离件(1-5)为圆筒体结构，绝缘隔离件(1-5)为后座主件(1-2)和前枪体a (6)之间的电气隔离元件；后座(I)上有工作气输入接口(1-4)和工作气通道(II)，或后座(I)上有工作气输入接口( 1-4)、工作气通道(II )、冷却剂回流口、冷却剂环道(XIX)、冷却剂通道j (XVIII)和冷却剂通道a (I)。
4.根据权利要求I所述的一种内电弧等离子体喷枪，其特征是第一电极(4)为圆棒实体结构或圆棒空心结构，当第一电极(4)为圆棒空心结构时,第一电极(4)内有导流管a(4-3),导流管a (4-3)的外壁和第一电极(4)的圆棒体内壁之间空间构成冷却剂回路a，导流管a (4-3)上有冷却剂接口 b (4-5)，导流管a (4_3)内有冷却剂通道k (XX)，冷却剂回路a、冷却剂通道k (XX)和冷却剂接口 b (4-5)相通。
5.根据权利要求I所述的一种内电弧等离子体喷枪，其特征是内电弧等离子体喷枪中有第四电极(8)，第四电极(8)为圆棒体结构，第四电极(8)的尾端安装在服务设备的壁体上或连接在前端头(11)上，当第四电极(8)的尾端连接在前端头(11)上时，前端头(11)通过绝缘支持件(9)连接到前枪体a的压缩喷口端；第四电极(8)的头部通过压缩喷口(IX)伸入到弧腔(VD内，第四电极(8)的外壁与压缩喷口(IX)的内壁之间的空隙实现压缩电弧的功能，第四电极(8)的头部与压缩喷口(IX)之间有放电空间，压缩喷口(IX)处的金属构件形成第三电极，第三电极上有环形放电面k (16);工作时，弧腔(vn)内的入口(V)侧和压缩喷口(IX)侧各有电弧生成，入口(V)侧的电弧弧根分别在第一电极(4)的头部和第二电极的环形放电面j (15)，压缩喷口(IX)侧的电弧弧根分别在第四电极(8)的头部和第三电极的环形放电面k (16);两股电弧合并从压缩喷口(IX)喷出，电弧经压缩后加剧升温形成等离子体火炬。
6.根据权利要求5所述的一种内电弧等离子体喷枪，其特征是第四电极(8)为圆棒实体结构或圆棒空心结构，当第四电极(8)为圆棒空心结构时,第四电极(8)内有导流管b(8-3)，导流管b (8-3)的外壁和第四电极(8)的圆棒体内壁之间空隙构成冷却剂回路b，导流管b (8-3)上有冷却剂接口 d (8-1)，导流管b (8-3)有冷却剂通道e (XIII)，冷却剂回路b、冷却剂接口 d (8-1)和冷却剂通道e (XIII)相通；当第四电极(8)的尾端安装在服务设备的壁体上时，导流管b (8-3)的基座同时连接在服务设备的壁体上；当第四电极(8)的尾端连接在前端头(11)上时，导流管b (8-3)的基座同时连接在前端头(11)上；前端头(11)上有冷却剂通道d (XI)、冷却剂通道f (XV)、环形冷却腔(XD和冷却剂接口 e(11-1)。
7.根据权利要求I或5所述的一种内电弧等离子体喷枪，其特征是前枪体a(6)的弧腔入口(V)的进口处为喇叭口收窄结构，收窄角度为60° 90°，入口(V)在弧腔(vn)内侧的扩散角为120° 180°，弧腔(Vn)至压缩喷口有逐渐收窄的压缩角，压缩角度为75° 180。。
8.根据权利要求I或5所述的一种内电弧等离子体喷枪，其特征是在弧腔(vn)内有绝热内衬(7);在前枪体a (6)的外壁上有压缩线圈(12);在绝缘支持件(9)内有绝热衬筒(10)。
9.一种包含权利要求I的部件的内电弧等离子体喷枪，其特征是第一电极(4)的头部设置在前枪体a的弧腔(vn)之外，并接近入口( V );内电弧等离子体喷枪中有第四电极(8 )，第四电极(8)以下列其中的一种方式伸入到弧腔(vn)之内 a.第四电极(8)的头部通过压缩喷口(IX)伸入到弧腔(vn)内的压缩喷口(IX)侧，第四电极(8)的头部与压缩喷口(IX)之间有放电空间，压缩喷口(IX)处的金属构件形成第三电极，第三电极上有环形放电面k (16);第一电极(4)的头端与入口(V)之间有放电空间，入口(V)处的金属构件形成第二电极，第二电极上有环形放电面j (15);工作时，第一电极(4)的头端和第二电极的环形放电面j (15)之间形成电弧，弧根分别在第一电极(4)的头端和第二电极的环形放电面j (15)，电弧经入口(V)压缩后进入弧腔(vn)内；同时在第四电极(8)的头部与第三电极上的环形放电面k (16)之间形成电弧，弧根分别第四电极(8)的头部与第三电极上的环形放电面k (16)，两股电弧合并从压缩喷口(IX)喷出，电弧经压缩喷口(IX)的第二次压缩后，加剧升温形成等离子体火炬； b.第四电极(8)的头部进一步从压缩喷口(IX)伸入到弧腔(VD之内并接近入口(V )，第四电极(8)的头端与第一电极(4)的头端之间有放电空间，入口(V)处的金属构件形成辅助电极；工作时，弧腔(Vn)内有电弧生成，弧根分别在第一电极(4)的头端和第四电极(8)的头端，电弧从压缩喷口(IX)喷出，电弧经入口(V)和压缩喷口(IX)的二次压缩后，加剧升温形成等离子体火炬。
10.根据权利要求I或9所述的一种内电弧等离子体喷枪，其特征是用前枪体b(6')来替代前枪体a (6)，前枪体b (6 ;)主要由前枪体主件(6-7)、绝缘支持件(9)和前端头(11)组合而成，其中，前枪体主件(6-7)和前端头(11)分别在绝缘支持件(9)的两端，绝缘支持件(9 )为圆筒体结构，绝缘支持件(9 )内有绝热内衬(7 )，绝热内衬(7 )的内空间构成弧腔(vn);弧腔(vn)的空间呈圆柱体结构，弧腔(vn)的两端分别有入口(v)和压缩喷口 ax)，入口(V)设置在前枪体主件(6-7)上，压缩喷口(IX)设置在前端头(11)上，冷却水套(VDI) 在前枪体主件的入口(V)的外侧；第一电极(4)的头部设置在前枪体a的弧腔(vn)之外并接近入口(V);第四电极(8)连接在前端头(11)上，第四电极(8)的头部由压缩喷口(IX)伸入到弧腔(vn)内并接近入口(V)，第一电极(4)的头端与第四电极(8)的头端之间有放电空间，入口(V)处的金属构件形成辅助电极；工作时，第一电极(4)的头端和第四电极(8)的头端之间形成电弧，从压缩喷口(IX)喷出，电弧经入口(V)和压缩喷口(IX)的二次压缩后， 加剧升温形成等离子体火炬。
全文摘要
一种内电弧等离子体喷枪，涉及到等离子体加热设备，由前枪体、后座和第一电极组成，其中前枪体的构造内有弧腔和冷却水套，第一电极的头部伸入到弧腔之内，弧腔和伸入其内的第一电极的头部构成内电弧发生器，入口处的金属构件形成第二电极，工作时，弧腔内生成电弧，电弧从压缩喷口喷出，电弧经压缩后加剧升温形成等离子体火炬。本发明在弧腔内分解水分子的措施，使高温等离子体电弧的能量集中，具有加热效率高、水分子分解率高的特点，适合在生活垃圾气化炉、煤气化炉、工业高分子废弃物气化装置、热解水制氢装置和锅炉上应用，与常规技术相比，可以降低煤炭资源消耗、提高合成气品质和减排温室气体。
文档编号H05H1/28GK102802335SQ20121029627
公开日2012年11月28日 申请日期2012年8月19日 优先权日2012年8月19日
发明者周开根 申请人:周开根