一种用于气化炉的内电弧等离子体喷枪的制作方法
【专利摘要】一种用于气化炉的内电弧等离子体喷枪，涉及到一种等离子体加热设备，主要由前枪体、后座、第一电极和第四电极组成，前枪体的构造内有弧腔和冷却水套，弧腔的两端分别有入口和压缩喷口，冷却水套在弧腔的外侧，第一电极的头部设置在前枪体的弧腔之外，并接近入口；第四电极（8）的头部通过压缩喷口伸入到弧腔内的压缩喷口侧，压缩喷口处的金属构件形成第三电极，第三电极上有第二环形放电面，入口处的金属构件形成第二电极，第二电极上有第一环形放电面；或者，第四电极的头部进一步从压缩喷口伸入到弧腔之内并接近入口，入口处的金属构件形成辅助电极。本发明使水蒸汽在弧腔内被加热分解，能量集中作用在水分子上，使水分子很容易分解。
【专利说明】—种用于气化炉的内电弧等离子体喷枪
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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】
[0007]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。
[0008]本发明的一种用于气化炉的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(6)、后座(I)和第一电极(4)组成，其中:前枪体(6)的构造内有弧腔(νπ)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Π (IX), An(V)和压缩喷口(IX)各为圆形通孔，冷却水套(珊)在弧腔(νπ)的外侧，前枪体(6)安装在后座(I)上，后座(I)的前端与前枪体(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)中穿过伸入到弧腔(νπ)之内，弧腔(νπ)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，第二电极上有第一环形放电面(15);工作时，弧腔(νπ)内生成电弧，弧根分别由第一电极(4)的头部和第二电极的第一环形放电面(15)生成，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。
[0009]上述的内电弧等离子体喷枪中，前枪体(6)的冷却水套(珊)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(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)、第十冷却剂通道(XVDI)和第一冷却剂通道(I )。
[0010]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)内有第一导流管(4-3),第一导流管(4-3)的外壁和第一电极(4)的圆棒体内壁之间空间构成第一冷却剂回路，第一导流管(4-3)上有第一冷却剂接口(4-5)，第一导流管(4-3)内有第二冷却剂通道(XX)，第一冷却剂回路、第二冷却剂通道(XX)和第一冷却剂接口(4-5)相通。
[0011]上述的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，第三电极上有第二环形放电面(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第一环形放电面(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第二环形放电面(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。
[0012]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)内有第二导流管(8-3)，第二导流管(8-3)的外壁和第四电极(8)的圆棒体内壁之间空隙构成第二冷却剂回路，第二导流管(8-3)上有第二冷却剂接口(8-1)，第二导流管(8-3)有第三冷却剂通道(XIII)，第二冷却剂回路、第二冷却剂接口(8-1)和第三冷却剂通道(XIII)相通；当第四电极(8)的尾端安装在服务设备的壁体上时，第二导流管(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，第二导流管(8-3 )的基座同时连接在前端头(11)上；前端头
(11)上有第六冷却剂通道(XI)、第七冷却剂通道(XV)、环形冷却腔(ΧΠ)和第三冷却剂接口(11-1)。
[0013]上述的内电弧等离子体喷枪中，前枪体(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α/Π)至压缩喷口有逐渐收窄的压缩角，压缩角度为75°?180°。
[0014]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(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)。
[0015]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的弧腔(νπ)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?10mm，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(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，第三电极上有第二环形放电面(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，第二电极上有第一环形放电面(15)，工作时，第一电极(4)的头端和第二电极的第一环形放电面(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第一环形放电面(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第二环形放电面(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第二环形放电面(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(YD)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(W)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D(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。
[0016]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。
[0017]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、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。
[0018]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(6)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(6)或前枪体的内套不应使用碳钢和球墨铸铁，且前枪体(6 )或前枪体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(6)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。
[0019]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(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(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(6)采用抱箍作电气连接件或在前枪体(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。
[0020]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。
[0021]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(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(6)的外壳上设置底座。
[0022]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
0.5 ?IMPa。
[0023]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。
[0024]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。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1是本发明其中之一的内电弧等离子体喷枪结构图。
[0026]图2是本发明其中之二的内电弧等离子体喷枪结构图。
[0027]图3是本发明其中之三的内电弧等离子体喷枪结构图。
[0028]图4是图3的B-B剖面图。
[0029]图5是图3的A-A剖视图。
[0030]图6是本发明其中之四的内电弧等离子体喷枪结构图。
[0031]图7是图6的E-E剖面图。
[0032]图8是图6的D-D剖视图。
[0033]图9是图6的C-C剖面图。
[0034]图10是本发明的一种用于气化炉的内电弧等离子体喷枪结构图。
[0035]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.第一导流管，4-4.第四冷却剂接口，4-5.第一冷却剂接口，5.密封圈b，6.前枪体，6 ’.前枪体b,6-1.第五冷却剂接口，6-2.前枪体的内套,6-3.前枪体的外壳,6-4.第三电极,6-5.第六冷却剂接口，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.第二冷却剂接口，8-2.第四电极杆，8-3.第二导流管，8-4.第四电极头，9.绝缘支持件，10.绝热衬筒，11.?υ?而头，11-1.弟二冷却剂接口，11-2.如?而头外套，11-3.1ll立而头王件，12.压缩线圈，13.密封圈c, 14.密封圈d, 15.第一环形放电面，16.第二环形放电面；1.第一冷却剂通道，I1.工作气通道，II1.第四冷却剂通道，IV.气室，V.前枪体入口，V1.第五冷却剂通道，VI1.弧腔，VD1.前枪体的冷却水套，IX.压缩喷口，X.产物气通道，X1.第六冷却剂通道，ΧΠ.前端头环形冷却腔，XII1.第三冷却剂通道，XIV.产物气出口，X V.第七冷却剂通道，XV1.第八冷却剂通道，XW.第九冷却剂通道，XVD1.第十冷却剂通道，XIX.冷却剂环道，X X.第二冷却剂通道。
【具体实施方式】
[0036]实施例1 图1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(6 )、后座(I)和第一电极(4)组成，其中:前枪体(6 )的构造内有弧腔(νπ)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(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(6)安装在后座(I)上，后座(I)的前端与前枪体(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(νπ)之内，弧腔(νπ)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，第二电极上有第一环形放电面(15)。本实施例中,第一电极(4)为鹤铺合金材质的圆棒实体结构；前枪体(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1.6，前枪体(6)的冷却水套(VDI)有第五冷却剂接口(6-1)和第六冷却剂接口(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(6)之间采用螺纹连接。第五冷却剂接口(6-1)和第六冷却剂接口(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(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(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(νπ)内生成电弧，弧根分别在第一电极(4)的头部和第二电极的第一环形放电面(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。
[0037]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(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(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(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3mm，孔道比为1.6，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)内有第一导流管(4-3),第一导流管(4-3)的外壁和第一电极(4)圆棒体内壁之间的空间构成第一冷却剂回路,第一导流管(4-3)内有第二冷却剂通道(XX)，第二冷却剂通道(XX)和第一冷却剂接口(4-5)相通，第一导流管(4-3)上有第一冷却剂接口(4-5)接入，第一冷却剂回路有第四冷却剂接口(4-4)接出，把第一电极(4)分解为电极杆(4-2)、第一导流管(4-3)和电极头(4-1)三个部件进行加工，第一导流管(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，第一导流管(4-3)伸入电极杆(4-2)之内，第一导流管(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(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。
[0038]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(νπ)内增加绝热内衬(7)，在前枪体(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(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(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)的壁体上有第四冷却剂通道(III)和第九冷却剂通道(X VD ;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)、第十冷却剂通道(XVDI)和第一冷却剂通道(I );第一电极(4)为圆棒空心结构,第一电极(4)内有第一导流管(4-3),第一导流管(4-3)的外壁和第一电极(4)圆棒体内壁之间的空间构成第一冷却剂回路,第一导流管(4-3 )的基座连接在后座(I)上，第一导流管(4-3 )上有第一冷却剂接口( 4-5 )，第一导流管(4-3)内有第二冷却剂通道(XX)，第二冷却剂通道(XX)和第一冷却剂接口(4-5)相通，把第一电极(4)分解为电极杆(4-2)、第一导流管(4-3)和电极头(4-1)三个部件进行加工，电极杆(4-2)和第一导流管(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，然后把第一导流管(4-3)伸入到电极杆(4-2)之内，把第一导流管(4-3)的基座焊接在后座主件(1-2)的外中心孔中；前枪体(6)的构造内有冷却水套(VDI)、第五冷却剂通道(VI)和第八冷却剂通道(XVI)，冷却水套(VDI)通过内套包围弧腔(VD，把前枪体(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(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:第一冷却剂接口(4-5)通过第二冷却剂通道(XX)连通到第一电极
(4)内的第一冷却剂回路，第一冷却剂回路连通到后座(I)的冷却剂环道(XIX)，冷却剂环道(XIX)通过第一冷却剂通道(I )连通到绝缘隔离件(1-5)的第四冷却剂通道(III)，第四冷却剂通道(III)通过第五冷却剂通道(VI)连通到前枪体的冷却水套(珊)，冷却水套(VDI)通过第八冷却剂通道(XVI)连通到绝缘隔离件(1-5)的第九冷却剂通道(XVII)，第九冷却剂通道(X VD通过第十冷却剂通道(X VID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，冷却剂回流口和第一冷却剂接口(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。
[0039]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(νπ)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 αχ)之间有放电空间，压缩喷口(IX)处的金属构件形成第三电极，第三电极上有第二环形放电面(16)。本实施例中，第四电极(8)为圆棒空心结构，由电极杆(8-2)、第二导流管(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)和第二导流管(8-3)选用不锈钢材料，第二导流管(8-3)上有第二冷却剂接口(8-1)，第二导流管(8-3)内有第三冷却剂通道(XIII)，第二冷却剂接口(8-1)和第三冷却剂通道(XIII)相通，第二导流管(8-3)在电极杆(8-2)之内，第二导流管(8-3)外壁和电极杆(8-2)内壁之间的空隙构成第二冷却剂回路，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，把第二导流管(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(11-3)外侧的中心孔上，然后把外套(11-2)定位并焊接在前端头主件(11-3)上，把第三冷却剂接口(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
(6)的冷却水套(VDI)有第六冷却剂接口(6-5)接出；取消了第八冷却剂通道(XVI)、第九冷却剂通道(XVn)和第十冷却剂通道(XVDI);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:第一冷却剂接口(4-5)通过第二冷却剂通道(X X)连通到第一电极(4)内的第一冷却剂回路，第一冷却剂回路连通到后座(I)的冷却剂环道(XIX)，冷却剂环道(XIX)通过第一冷却剂通道(I )连通到绝缘隔离件(1-5)的第四冷却剂通道(III)，第四冷却剂通道(III)通过第五冷却剂通道(VI)连通到前枪体的冷却水套(珊)，冷却水套(VDI)的第六冷却剂接口(6-5)通过外接管道连通到前端头的第三冷却剂接口( 11-1)，第三冷却剂接口( 11-1)通过环形冷却腔(ΧΠ)和第七冷却剂通道(XV)连通到第四电极(8)内的第二冷却剂回路，第二冷却剂回路通过第三冷却剂通道(XIII)连通到第二冷却剂接口(8-1);本实施例采用去离子水作为冷却剂，第二冷却剂接口(8-1)和第一冷却剂接口(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第一环形放电面(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第二环形放电面(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。
[0040]实施例5 图10所示的实施方式是本发明的一种用于气化炉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的弧腔(YD)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，第二电极上有第一环形放电面(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，第三电极上有第二环形放电面(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第一环形放电面(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第一环形放电面(15)，电弧经入D(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第二环形放电面(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第二环形放电面(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1.2，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。
[0041]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(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。
【权利要求】
1.一种用于气化炉的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(6)、后座(I)、第一电极(4)和第四电极(8)组成，其中:前枪体(6)的构造内有弧腔α/Π)和冷却水套(珊)，弧腔(VD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)，An(V)和压缩喷口 αχ)各为圆形通孔，冷却水套(珊)在弧腔(νπ)的外侧，前枪体(6)安装在后座(I)上，后座(I)的前端与前枪体(6)的弧腔入口端相接；第一电极(4)为圆棒体结构，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)的头部设置在前枪体的弧腔(VD之外，并接近入口(V);第四电极(8)为圆棒体结构，第四电极(8)以下列其中的一种方式伸入到弧腔(YD)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，第三电极上有第二环形放电面(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，第二电极上有第一环形放电面(15);工作时,第一电极(4)的头端和第二电极的第一环形放电面(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第一环形放电面(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第二环形放电面(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第二环形放电面(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(YD)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(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。
2.根据权利要求1所述的一种用于气化炉的内电弧等离子体喷枪，其特征是前枪体(6)的冷却水套(VDI)有冷却剂接口接出。
3.根据权利要求1所述的一种用于气化炉的内电弧等离子体喷枪，其特征是后座(I)为组合式结构，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(6)之间的电气隔离元件；后座(I)上有工作气输入接口(1-4)、工作气通道(II)、冷却剂环道(XIX)和第一冷却剂通道(I )。
4.根据权利要求1所述的一种用于气化炉的内电弧等离子体喷枪，其特征是第一电极(4)为圆棒空心结构,第一电极(4)内有第一导流管(4-3),第一导流管(4-3)的外壁和第一电极(4)的圆棒体内壁之间空间构成第一冷却剂回路,第一导流管(4-3)上有第一冷却剂接口(4-5)，第一导流管(4-3)内有第二冷却剂通道(XX)，第一冷却剂回路、第二冷却剂通道(X X )和第一冷却剂接口(4-5)相通。
5.根据权利要求1所述的一种用于气化炉的内电弧等离子体喷枪，其特征是第四电极(8)为圆棒空心结构，第四电极(8)内有第二导流管(8-3)，第二导流管(8-3)的外壁和第四电极(8)的圆棒体内壁之间空隙构成第二冷却剂回路，第二导流管(8-3)上有第二冷却剂接口(8-1 )，第二导流管(8-3)有第三冷却剂通道(XIII)，第二冷却剂回路、第二冷却剂接口(8-1)和第三冷却剂通道(XIII)相通；第四电极(8)的尾端安装在服务设备的壁体上，第二导流管(8-3)的基座同时连接在服务设备的壁体上。
6.根据权利要求1所述的一种用于气化炉的内电弧等离子体喷枪，其特征是前枪体(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。。
7.根据权利要求1所述的一种用于气化炉的内电弧等离子体喷枪，其特征是在弧腔α/Π)内有绝热内衬(7);在前枪体(6)的外壁上有压缩线圈(12)。
【文档编号】H05H1/34GK104202899SQ201410485093
【公开日】2014年12月10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