專利名稱：電弧等離子體發生器的陽極的制作方法
技術領域：
本實用新 型涉及一種電弧等離子體發生器的陽極，使用該陽極的電弧等離子體發 生器能提供更加優質的熱源，該熱源能用于火力發電、垃圾處理和冶金等行業。
背景技術：
直流電弧等離子體發生器產生的電弧等離子體是研究與應用最廣泛的一種等離 子體，它具有高溫、高燴、高能量密度以及氣氛可控等特點，目前主要用于等離子體冶金、等 離子體噴涂、等離子體焊接、等離子體刻蝕、火力電站等離子體煤粉鍋爐點火和廢物垃圾處 理等領域。工業應用不僅僅要求電弧等離子體發生器具有高穩定性、高效率和長壽命的特 點，而且各個行業對等離子體射流電熱特性的要求也不相同。而等離子體射流的特性與等 離子體發生器陽極的結構密切相關。同一個等離子體發生器利用不同的陽極結構時可以得到不同流速、不同溫度場的 等離子體射流。圓柱形通道的噴嘴易于產生溫度較高的亞音速射流，而類似于拉瓦爾結構 的收縮擴張形噴嘴可獲得音速甚至超音速的射流，這在某些行業如噴涂、金屬切割行業中 應用。因此，不同結構的陽極應用于不同的場合。如圖1所示的等離子體陽極包括依次連接的入口段10、漸縮段11和直管段12，由 其產生的等離子體射流剛性大，等離子體射流熱量集中、核心溫度高、溫度場梯度大，一般 用于金屬切割行業。如圖2所示的等離子體陽極包括依次連接的入口段20、漸縮段21和漸擴段22，由 其產生的等離子體射流速度較高，溫度場均勻，一般用于材料表面噴涂。如圖3所示的等離子體陽極包括依次連接的入口段30、漸縮段31、漸擴段32和直 管段33，由其產生的等離子體射流，徑向溫度梯度大，電弧穩定性好，電壓相對較高，一般用 于火力發電廠的等離子體燃燒系統和垃圾處理系統中。但是由于等離子體射流剛性較大， 被處理物料很難進入等離子體射流中心與高溫部分接觸。這種結構的等離子體陽極對水分 高的垃圾處理效果不好，對低揮發分、高水分煤粉點燃很困難。所以，要更好地點燃劣質煤和處理好水分高的垃圾，就需提高等離子體射流的截 面積，降低等離子體射流的剛性，使物料顆粒能進入等離子體射流內部，與高溫部分充分接 觸。上述現有技術中的陽極結構均不能滿足要求。
實用新型內容本實用新型的目的是提供一種電弧等離子體發生器的陽極，使用該陽極的電弧等 離子體發生器產生的電弧和電弧等離子體射流截面積大，剛性適中，待處理物料能進入到 高溫的電弧和電弧等離子體射流中心并與之充分接觸，達到更好的處理效果。該陽極包括一個電弧運動通道，該電弧運動通道包括沿著電弧在該電弧運動通道 中的運動方向依次彼此連接的漸縮段、直管段和漸擴段。其中，漸縮段起電弧機械壓縮的作用；直管段起壓縮電弧、穩定電弧和控制電弧長度的作用，通道直徑的大小對等離子體射流 的特性和形貌產生較大的影；漸擴段能優化電弧等離子體射流的溫度場，使電弧和電弧等 離子體射流與被處理物料充分接觸。優選地，該電弧運動通道的直管段的直徑為36mm。通道直徑較小的陽極，產生 的射流剛性較好，速度更快，同時，較小的通道直徑可以獲得較高的弧壓。優選地，該電弧運動通道的直管段的長度1 < 80mm。直管段的長度決定電弧電壓 的大小，在該長度范圍內的陽極使得等離子體發生器起動容易，等離子體射流較小。優選地，該電弧運動通道漸擴段的張角為15° SaS 150°，陽極的弧根在擴張段 處工作能夠優化等離子體射流的溫度場。優選地，所述電弧運動通道還包括沿著電弧在所述電弧運動通道中的運動方向在 漸縮段前面與漸縮段連接的入口段。本實用新型的積極效果等離子體發生器所產生的高溫電弧和電弧等離子體射流剛性小，溫度場合理，能 與被處理物料充分接觸，使被處理物料瞬間進入高溫環境、與等離子體活性物質反應，達到 預期處理的目的。
下面借助附圖示出的實施例詳細描述本實用新型。其中圖1-3示中現有技術中的三種陽極的結構剖面圖；圖4示出按本實用新型的一個實施例的陽極的結構剖面圖；和圖5示出安裝有按本實用新型的陽極的等離子體發生器的示意剖面圖。
具體實施方式
圖4示出按本實用新型的陽極的示意結構剖面圖。如圖4所示，該陽極2包括電弧 運動通道，該電弧運動通道包括沿著電弧在該電弧運動通道中的運動方向依次彼此連接的 漸縮段41、直管段42和漸擴段43。沿著電弧在電弧運動通道中的運動方向，漸縮段41和 漸擴段43的直徑分別逐漸縮小和逐漸增大，而直管段42的直徑保持不變。漸縮段41為電 弧機械壓縮段；直管段42起壓縮電弧、穩定電弧和控制電弧長度的作用。通道直徑的改變 將對等離子體射流的特性和形貌產生較大的影響。漸擴段43能優化電弧等離子體射流的 溫度場，使電弧和電弧等離子能與被處理物料充分接觸。必要時，電弧運動通道還可以包括 沿著電弧在所述電弧運動通道中的運動方向在漸縮段41前面與漸縮段連接的入口段40; 該入口段40也類似于直管段，其直徑保持不變。在本實用新型中，如果直管段的直徑d > 36mm,電弧的機械壓縮強度達不夠，等 離子體發生器不穩定，等離子體發生器的電壓太低，因此電弧運動通道的直管段的直徑 d ^ 36mm比較合適。通道直徑較小的陽極，產生的射流剛性較好，速度更快，同時，較小的通 道直徑可以獲得較高的弧壓。如果直管段的長度1 > 80mm，則容易導致電弧與氣流在放電 通道內發生電弧阻塞的現象，因此流動通道的直管段的長度1 ( 80mm比較合適，此長度范 圍內的陽極使得等離子體發生器起動容易，等離子體射流較小。陽極弧根工作在陽極流動 通道的擴張段43處，其中，如果漸擴段的張角a< 15°，等離子體發生器產生的射流電弧剛性比較強，如果張角a > 150°，等離子體發生器工作不穩定，因此漸擴段的張角一般為 15° < a < 150°。圖5為安裝有本實用新型陽極的等離子體發生器的示意剖面圖。如圖5所示，陰 極1穿過陽極2的入口段插入陽極2中漸縮段處。該等離子體發生器的工作原理為電弧 等離子體發生器啟動后，陽極弧根3落在漸擴段處，并在漸擴段內做螺旋運動。由于陽極弧 根3離陽極噴口(漸擴段)很近，高溫的陽極弧梢4逸出陽極噴口，在陽極2周圍形成一個 高溫(大于7000°C)的熱等離子體層。工作氣體經過電弧產生的等離子體射流5，由于陽 極2結構原因，該溫度場在徑向和軸向的梯度均較小，電弧和電弧等離子體的剛性較小，物 料能夠很輕易的進入高溫部分，適合于電站煤粉鍋爐等離子體的點燃和垃圾處理。使用該陽極后，電弧等離子體發生器的電弧運動情況為陰極1與陽極2的漸縮段41 (起弧段)之間產生電弧后，電弧在旋轉氣流的作用 下，向陽極噴口方向運動，在直管段42中，由于氣體處于層流狀態，不能產生陽極弧根，所 以直管段42的長度決定了電壓的大小；在漸擴段43段中，氣流速度迅速變大，氣流由層流 向紊流狀態逐漸過渡，電弧和紊流氣流之間的相互作用造成電弧橫向振動，導致電弧與漸 擴段43的壁面發生擊穿現象，并產生陽極弧根3。陽極弧根3在旋流氣體的作用下，在漸擴 段43中作周期性螺旋運動，旋轉的電弧和電弧等離子體射流與外界空氣相互作用，部分冷 空氣被旋轉的電弧卷吸進來，使電弧等離子體射流速度降低，電弧等離子體射流的徑向和 軸向溫度場梯度降低，電弧等離子體剛性變弱。
權利要求1.一種電弧等離子體發生器的陽極，其特征在于所述陽極包括一個電弧運動通道， 所述電弧運動通道包括沿著電弧在所述電弧運動通道中的運動方向依次彼此連接的漸縮 段(41)、直管段(42)和漸擴段(43)。
2.按照權利要求1所述的電弧等離子體發生器的陽極，其特征在于，所述漸擴段的張 角(α)大小為15° 150°。
3.按照權利要求1所述的電弧等離子體發生器的陽極，其特征在于，所述直管段的長 度小于等于80mm。
4.按照權利要求1所述的電弧等離子體發生器的陽極，其特征在于，所述直管段的直 徑小于等于36mm。
5.按照權利要求1所述的電弧等離子體發生器的陽極，其特征在于，所述電弧運動通 道還包括沿著電弧在所述電弧運動通道中的運動方向在漸縮段(41)前面與漸縮段(41)連 接的入口段(40)。
專利摘要本實用新型涉及一種電弧等離子體發生器的陽極，該陽極包括一個電弧運動通道，該電弧運動通道包括沿著電弧在電弧運動通道中的運動方向依次彼此連接的漸縮段(41)、直管段(42)和漸擴段(43)。使用該陽極后，等離子體發生器產生的電弧和電弧等離子體射流能與待處理物料直接接觸，更好的完成處理過程。本實用新型可應用于等離子體煤粉燃燒和垃圾處理等系統。
文檔編號H05H1/34GK201839502SQ20102055772
公開日2011年5月18日 申請日期2010年10月12日 優先權日2010年10月12日
發明者劉鵬, 楊金華, 楊金杰, 楊錫信, 王學東, 紀書信 申請人:煙臺龍源電力技術股份有限公司