一种引入外加磁场的多弧等离子体反应器及运行方法与流程

本发明涉及等离子体发生技术领域，具体是一种引入外加磁场的多弧等离子体反应器及运行方法。

背景技术：

相比于单电弧等离子体技术，通过多电极产生的多电弧等离子体技术，具有放电面积更大，温度更高等优点，对于粉体材料处理等应用而言，是一种很有潜力很有前景的技术手段，但是目前的多弧等离子体也存在一定的问题，首先是多个电弧之间存在的相互排斥力造成电弧无法运动到电弧室的中心区域，进而在此区域内无法形成大面积的高温区，其次是仅仅依靠涡旋气流无法很好的约束并调控等离子体，等离子体中的带电粒子会被涡旋气流卷吸到电弧室内壁，对电弧室内壁造成污染和烧蚀，再然后就是如果电弧发生器进一步采用电弧喷嘴对等离子体进行约束和压缩，由于在喷嘴处电弧的热传导很强，电弧喷嘴承受的热压力很大，很容易被烧蚀，进而缩短了整个反应器的寿命。因此，如何在多弧模式下提高电弧室中心区域的高温区温度和面积，并且降低电弧喷嘴的热压力或者采用其他方式取代现有的机械式电弧喷嘴，以及减少带电粒子对电弧室内壁的污染和烧蚀，对其更好地应用于工业领域具有重要的意义。

现有技术中，专利文件cn109618483a通过多阴极共阳极的方式，并调控气流和添加收缩喷嘴来约束多个电弧等离子体，获得了大面积稳定的等离子体。专利文件cn105682334b公开了使用多炬或者多电弧等离子体来扩大等离子体面积，但是由于多个电弧通道交错分布，多个电弧产生的轴向磁场造成电弧之间相互排斥，阻碍电弧运动到电弧室中心区域，造成电弧等离子体容易分布在靠近电弧室的内壁附近，不仅无法在电弧室的中心区域形成一个高温区，还容易对电弧室内壁造成烧蚀和污染，此外在电弧室内采用涡旋气流进行等离子体进行约束时，很难达到理想的效果，原因有两个方面，一方面是由于涡旋气流会产生较强的湍流，很容易将高温的气体粒子输运到电弧室内壁，对其造成污染和烧蚀；另外一个方面是涡旋气流的流速不好控制，流速低了，达不到对气体粒子的控制效果，流速高了，使得气体粒子快速冷却，等离子体体积减小。为了配合涡旋气流对等离子体中气体粒子的约束，专利文件cn109618483a、cn105682334b和cn104254425b均配设收缩喷嘴，用于压缩等离子体，从而提高电弧的能量密度、电弧的指向性以及挺度。但是，喷嘴由于承受较大的热压力，很容易被烧蚀，因此，多电极的方式虽然可以产生大面积电弧，但是单单依靠气流和喷嘴，很难十分理想地调控等离子体的空间分布，并且引入喷嘴又会带来喷嘴烧蚀等新问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种引入外加磁场的多弧等离子体反应器及运行方法，以解决现有技术难以在电弧室中心区域产生大面积的高温区，现有的机械式电弧喷嘴结合涡旋气流难以很好约束带电粒子，造成电弧喷嘴承受热压力较大和电弧室内壁容易受到带电粒子的轰击等问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种引入外加磁场的多弧等离子体反应器，包括电弧室、磁场线圈以及多对电极组件；每对所述的电极组件包括一套阳极组件和一套阴极组件，所述的阴极组件和所述的阳极组件的数量和结构相同，均由棒状的导电电极、电极套管和固定于所述导电电极与电极套管两者之间的旋气环构成；所述电弧室由变径圆管构成，所述变径圆管在轴向上依次分为两段，其中第一段为内径渐变增大的扩张段，第二段为内径不变的直管段，所述直管段的一端设有气体流出端，所述的变径圆管的扩张段的一端设有气体流入口，所述的电弧室的直管段外围包覆着磁场线圈，产生轴向的外加磁场；

所述的阳极组件和阴极组件插入到电弧室内的扩张段，围绕电弧室的中轴线交错均匀排布，所述阳极组件和阴极组件的中轴线与所述电弧室的中轴线之间的夹角均为α，夹角α的大小范围为0°～90°，所述每对电极组件中的导电电极间可形成电弧。

进一步的，所述的磁场线圈所产生的外加磁场方向与方向相反，所述的为所述电弧产生的自感应磁场之和在轴向的分量，的大小所述的θ为和所述电弧室中轴线的夹角。

进一步的，所述的磁场线圈所产生的外加磁场磁感应强度的大小所述的为让电弧射流中的带电粒子围绕外加磁场的磁力线做螺旋线运动，并且运动半径小于电弧室半径所需的磁场大小。

进一步的，电弧室的直管段内安装有进气口，进气口采用旋流结构，当外加磁场的方向为竖直向下时，进气旋流方向为逆时针方向，当外加磁场的方向为竖直向上时，进气旋流方向为顺时针方向。

进一步的，所述的磁场线圈的中轴线与电弧室的中轴线重合。

进一步的，所述的磁场线圈由永磁物质替代。

进一步的，所述的电弧室扩张段的顶端能够选择添加进料口。

进一步的，所述的电极组件的数量为n，n为大于等于2的正整数，每对所述的电极组件由一个等离子体电源供电，等离子体电源的数量与所述电极组件的数量相同。

进一步的，所述的阴极组件和阳极组件的进气方式相同，气体均由所述的导电电极和电极套管之间的间隙通入，并进入固定于两者之间的旋气环，产生的涡旋气流通过电极尖端进入电弧室内，这部分涡旋气流的方向与电弧室内直管段产生的涡旋气流的方向一致。

另一方面，本发明提出一种用于如权利要求1所述的引入外加磁场的多弧等离子体反应器的运行方法，包括如下步骤：

第一步：电弧室、三个阴极组件和三个阳极组件通入冷却水；

第二步：接通等离子体电源，确定三个阴极组件和三个阳极组件与等离子体电源之间的连接顺序；

第三步：为三个阴极组件、三个阳极组件和电弧室通气，通气产生的涡旋气流方向由电极的连续顺序确定；

第四步：采用高频引弧或者短路引弧的方式引燃电弧，开启等离子体电源，电弧室内产生多个电弧；

第五步：开启外加磁场，外加磁场的大小和方向如上述所述。

本发明的有益效果在于：

通过引入磁场的方式，对多弧等离子体的空间分布进行调控，在电弧交汇区，通过外加磁场与多个电弧产生的自感应磁场的轴向分量相抵消，减少了电弧之间的排斥力，使得电弧更易集中于电弧室的中心区域，进而在电弧室的中心区域形成了一个高温区，在电弧射流区，磁场强度与电弧室的中轴线相平行，等离子体产生射流中的带电粒子只能围绕磁力线做螺旋线运动，可以有效地避免带电粒子飞向电弧室的内壁，不仅实现了在电弧室中心区域产生高温区温度高、面积大的多弧等离子体，还可以利用磁约束的方式来取代现有的机械式电弧喷嘴，减少带电粒子对电弧室的污染和烧蚀问题。

附图说明：

图1是本发明设计的一种引入外加磁场的多弧等离子体反应器的正面部分剖视图。

图2是本发明设计的一种引入外加磁场的多弧等离子体反应器电极布置及磁场分布的俯视剖面图。

附图标记说明：1电弧室、1-1进料口、1-2气体流入口、1-3电弧室旋气环、1-4冷却水流入口、1-5冷却水流出口，2阴极组件、2-1阴极导电电极、2-2阴极电极套管、2-3阴极旋气环，3阳极组件、3-1阳极导电电极、3-2阳极电极套管、3-3阳极旋气环，4磁场线圈，5磁场线圈中轴线，6电弧室中轴线，7阴极组件中轴线，8阳极组件中轴线，9电弧、9-1电弧交汇区、9-2电弧射流区，10外加磁场，11电弧自身产生的磁场，12带电气体粒子，13阴极组件产生的旋气，14阳极组件产生的旋气。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

以下结合附图对本发明进行详细说明，如图1-2所示，以三个阴极组件和三个阳极组件为例的一种引入外加磁场的多弧等离子体反应器及运行方法，所述的反应器包括有电弧室1、三个阴极组件2、三个阳极组件3和磁场线圈4。

电弧室1包括有进料口1-1、气体流入口1-2、电弧室旋气环1-3、冷却水流入口1-4和冷却水流出口1-5，电弧室1轴向方向上依次分别为内径渐变增大的扩张段(图1中a点-b点段)和内径不变的直管段(图1中b点-c点段)，进料口1-1和气体流入口1-2固定在电弧室1的内径扩张段，电弧室旋气环1-3、冷却水流入口1-4和冷却水流出口1-5固定在电弧室1的直管段。

电弧室1的直管段(图1中b点-c点段)外围包覆着磁场线圈4，磁场线圈中轴线5与电弧室中轴线6重合，磁场线圈4由通电导线通过顺时针或者逆时针绕制而成。

如图2所示，三个阴极组件2均由棒状的阴极导电电极2-1和出口段收缩的阴极电极套管2-2，以及它们之间的阴极旋气环2-3组成，三个阳极组件3均由棒状的阳极导电电极3-1和出口段收缩的阳极电极套管3-2，以及它们之间的阳极旋气环3-3组成；三个阴极组件2和三个阳极组件3周向均匀交错地插入电弧室1的内径扩张段(图1中a点-b点段)，电弧室1和三个阴极组件2以及三个阳极组件3之间电隔离，三个阴极组件中轴线7和三个阳极组件中轴线8均与电弧室中轴线6之间的夹角α为45°。

将三个阴极组件2的阴极导电电极2-1接三个电源的负极，将三个阳极组件3的阳极导电电极3-1接三个电源的正极，每对电极组件相邻分布，三对正负电极组件交错排布同一个圆周上，排布的方向既可以按照“正负-正负-正负”的顺时针方向连接，简称“电极顺时针连接”，也可以按照“负正-负正-负正”的逆时针方向连接，简称“电极逆时针连接”，给三个阴极导电电极2-1和三个阳极导电电极3-1通电，在三个阴极导电电极2-1和三个阳极导电电极3-1之间击穿产生电弧9。

如图1所示，电弧9划分为电弧交汇区9-1和电弧射流区9-2，在电弧交汇区9-1内，外加磁场10在此区域内的方向与电弧自身产生的磁场11相反，三个阴极组件2和三个阳极组件3交错顺时针连接时，外加磁场10的方向为竖直向下，三个阴极组件2和三个阳极组件3交错逆时针连接时，外加磁场10的方向为竖直向上。

关于外加磁场10的大小，为了满足对电弧交汇区9-1的约束，以如下条件为例，以放电电流i＝100a，弧柱平均间距r0＝10mm，θ取45°，外加磁场10的大小取：

关于外加磁场10的大小，为了满足对电弧射流区9-2的约束，当添加了外加磁场10，放电产生的带电气体粒子12以氩离子为例，离子质量mp＝18*1.66*10^(-27)kg，v＝1000m/s，qp＝1.6*10^(-19)c，r1＝0.05m，外加磁场10的大小取：

为了以上两个条件都满足，外加磁场10的大小为0.0037t。

引入外加磁场10的多弧反应器的工作步骤如下：

第一步：电弧室1、三个阴极组件2和三个阳极组件3通入冷却水；

第二步：接通等离子体电源，确定三个阴极组件2和三个阳极组件3之间的连接顺序，顺时针或者逆时针连接；

第三步：为三个阴极组件2、三个阳极组件3和电弧室1通气，通气产生的涡旋气流方向由电极的连续顺序确定，当三个阴极组件2和三个阳极组件3之间顺时针连接时，电弧室1内的电弧室旋气环1-3产生的旋气、三个阴极组件产生的旋气13和三个阳极组件产生的旋气14在电弧室内汇聚后产生的旋气方向为顺时针方向，当三个阴极组件2和三个阳极组件3之间交错逆时针连接时，电弧室1内的电弧室旋气环1-3产生的旋气、三个阴极组件产生的旋气13和三个阳极组件产生的旋气14在电弧室1内汇聚后产生的旋气方向为逆时针方向。

第四步：采用高频引弧或者短路引弧的方式引燃电弧，开启等离子体电源，电弧室1内产生多个电弧9；

第五步：开启外加磁场10，外加磁场10的大小和方向如上述所述。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。