RU2392781C1 - Electric arc dc plasmatron for installations of solid wastes plasma treatment - Google Patents
Electric arc dc plasmatron for installations of solid wastes plasma treatment Download PDFInfo
- Publication number
- RU2392781C1 RU2392781C1 RU2009105471/28A RU2009105471A RU2392781C1 RU 2392781 C1 RU2392781 C1 RU 2392781C1 RU 2009105471/28 A RU2009105471/28 A RU 2009105471/28A RU 2009105471 A RU2009105471 A RU 2009105471A RU 2392781 C1 RU2392781 C1 RU 2392781C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cathode
- nozzle
- rods
- anode
- plasma
- Prior art date
Links
- 239000002910 solid waste Substances 0.000 title claims abstract description 9
- 238000009434 installation Methods 0.000 title claims description 3
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 title abstract description 12
- 238000004157 plasmatron Methods 0.000 title abstract description 7
- 238000009832 plasma treatment Methods 0.000 title 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 claims abstract description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 34
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 9
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 9
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 7
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims description 4
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N hafnium atom Chemical compound [Hf] VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 2
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims description 2
- 102000010410 Nogo Proteins Human genes 0.000 claims 1
- 108010077641 Nogo Proteins Proteins 0.000 claims 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 4
- 230000005611 electricity Effects 0.000 abstract 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 16
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 14
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 9
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 9
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 9
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 6
- MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N nitrogen oxide Inorganic materials O=[N] MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000002309 gasification Methods 0.000 description 5
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 239000000571 coke Substances 0.000 description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 3
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 3
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 3
- 239000003546 flue gas Substances 0.000 description 3
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 3
- 239000002893 slag Substances 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 229910000449 hafnium oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- WIHZLLGSGQNAGK-UHFFFAOYSA-N hafnium(4+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[Hf+4] WIHZLLGSGQNAGK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002440 industrial waste Substances 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 2
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 229910001928 zirconium oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010425 asbestos Substances 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000010406 cathode material Substances 0.000 description 1
- 230000003749 cleanliness Effects 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 150000002484 inorganic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 229910001338 liquidmetal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010812 mixed waste Substances 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 239000012768 molten material Substances 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 description 1
- 229910052895 riebeckite Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
- F23G5/00—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor
- F23G5/02—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor with pretreatment
- F23G5/027—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor with pretreatment pyrolising or gasifying stage
- F23G5/0276—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor with pretreatment pyrolising or gasifying stage using direct heating
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B09—DISPOSAL OF SOLID WASTE; RECLAMATION OF CONTAMINATED SOIL
- B09B—DISPOSAL OF SOLID WASTE NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B09B3/00—Destroying solid waste or transforming solid waste into something useful or harmless
- B09B3/20—Agglomeration, binding or encapsulation of solid waste
- B09B3/25—Agglomeration, binding or encapsulation of solid waste using mineral binders or matrix
- B09B3/29—Agglomeration, binding or encapsulation of solid waste using mineral binders or matrix involving a melting or softening step
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
- C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
- C03B5/00—Melting in furnaces; Furnaces so far as specially adapted for glass manufacture
- C03B5/005—Melting in furnaces; Furnaces so far as specially adapted for glass manufacture of glass-forming waste materials
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
- C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
- C03B5/00—Melting in furnaces; Furnaces so far as specially adapted for glass manufacture
- C03B5/02—Melting in furnaces; Furnaces so far as specially adapted for glass manufacture in electric furnaces, e.g. by dielectric heating
- C03B5/025—Melting in furnaces; Furnaces so far as specially adapted for glass manufacture in electric furnaces, e.g. by dielectric heating by arc discharge or plasma heating
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
- C10G—CRACKING HYDROCARBON OILS; PRODUCTION OF LIQUID HYDROCARBON MIXTURES, e.g. BY DESTRUCTIVE HYDROGENATION, OLIGOMERISATION, POLYMERISATION; RECOVERY OF HYDROCARBON OILS FROM OIL-SHALE, OIL-SAND, OR GASES; REFINING MIXTURES MAINLY CONSISTING OF HYDROCARBONS; REFORMING OF NAPHTHA; MINERAL WAXES
- C10G1/00—Production of liquid hydrocarbon mixtures from oil-shale, oil-sand, or non-melting solid carbonaceous or similar materials, e.g. wood, coal
- C10G1/10—Production of liquid hydrocarbon mixtures from oil-shale, oil-sand, or non-melting solid carbonaceous or similar materials, e.g. wood, coal from rubber or rubber waste
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
- F23G5/00—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor
- F23G5/02—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor with pretreatment
- F23G5/04—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor with pretreatment drying
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
- F23G5/00—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor
- F23G5/08—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor having supplementary heating
- F23G5/085—High-temperature heating means, e.g. plasma, for partly melting the waste
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
- F23G5/00—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor
- F23G5/24—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor having a vertical, substantially cylindrical, combustion chamber
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
- F23G2201/00—Pretreatment
- F23G2201/30—Pyrolysing
- F23G2201/303—Burning pyrogases
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
- F23G2202/00—Combustion
- F23G2202/20—Combustion to temperatures melting waste
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Wood Science & Technology (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Processing Of Solid Wastes (AREA)
- Gasification And Melting Of Waste (AREA)
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области переработки твердых отходов и может быть использовано на промышленных предприятиях, а также в коммунальном хозяйстве.The invention relates to the field of solid waste processing and can be used in industrial enterprises, as well as in public utilities.
Одним из перспективных направлений в области технологии переработки отходов является применение низкотемпературной плазмы, благодаря чему достигается высокая степень разложения веществ, что, в свою очередь, может решить проблему экологической чистоты процесса переработки твердых отходов и повышения его экономической эффективности..One of the promising areas in the field of waste processing technology is the use of low-temperature plasma, due to which a high degree of decomposition of substances is achieved, which, in turn, can solve the problem of environmental cleanliness of the solid waste processing process and increase its economic efficiency ..
Известен способ переработки золы сжигаемого городского мусора в плазменной плавильной системе, включающий подачу золы, ее подогрев и плавление с помощью плазмы, удаление расплава, дожигание, охлаждение и очистку дымовых газов (Kouji Ariake, Akira Kaga, Yoshihito Matsuoka, Hideto Tomura, Manabu Ishisaka, Masahiro Hara. Plasama Slagging Sistem for Insineration Ash. // Techical report of Kawasaki Heavy Industry. 1995. - 125, april. - P.2-7). Из-за высокой температуры плазмы азот и кислород реагируют между собой и образуют оксиды азота. Для снижения их выбросов до допускаемого стандартами уровня к вводимой золе добавляют определенное количество кокса, что создает в плавильной камере восстановительную атмосферу, а расплав при этом состоит из шлака, непрерывно выводимого из печи, и металла, выводимого периодически при наклоне печи.A known method of processing ash from combustible urban waste in a plasma melting system, including feeding ash, heating and melting it using a plasma, removing the melt, afterburning, cooling and purifying flue gases (Kouji Ariake, Akira Kaga, Yoshihito Matsuoka, Hideto Tomura, Manabu Ishisaka, Masahiro Hara. Plasama Slagging Sistem for Insineration Ash. // Techical report of Kawasaki Heavy Industry. 1995 .-- 125, april. - P.2-7). Due to the high temperature of the plasma, nitrogen and oxygen react with each other and form nitrogen oxides. To reduce their emissions to the level allowed by the standards, a certain amount of coke is added to the introduced ash, which creates a reducing atmosphere in the melting chamber, and the melt in this case consists of slag continuously discharged from the furnace and metal removed periodically when the furnace is tilted.
Недостатком известного способа является необходимость периодического удаления расплавленного металла, что требует усложнения конструкции печи и останова технологического процесса переработки золы.The disadvantage of this method is the need for periodic removal of molten metal, which requires complicating the design of the furnace and stopping the technological process of processing ash.
Известен также плазменный способ уничтожения промышленных отходов (Guenard J., Bourdil С.Precede EDF d'inertage des dechets industriels a haute temperature par torch a plasma electrobleur. - // J. High Temper. Chem. Processes. - 1992. - Vol.1, 3. - P.167-181), включающий периодическую подачу смешанных отходов, пиролиз органической составляющей отходов и сложных неорганических соединений с выделением летучих горючих веществ, сжигание при недостатке воздуха горючих веществ, плавление оставшихся твердых инертных материалов под действием воздушной плазмы, удаление жидкого шлака и расплавленного металла, дожигание, охлаждение и очистку дымовых газов. Устройство для осуществления известного способа содержит узлы подачи отходов и воздуха, камеру термообработки с установленным в ней плазмотроном и оснащенную леткой для вывода расплава, газоход и блоки дожигания и газоочистки.There is also known a plasma method for the destruction of industrial waste (Guenard J., Bourdil C. Precede EDF d'inertage des dechets industriels a haute temperature par torch a plasma electrobleur. - // J. High Temper. Chem. Processes. - 1992. - Vol. 1, 3. - P.167-181), including the periodic supply of mixed waste, pyrolysis of the organic component of the waste and complex inorganic compounds with the release of volatile combustible substances, combustion of flammable substances with insufficient air, melting of the remaining solid inert materials under the influence of air plasma, removal liquid slag and molten metal, afterburning, cooling ix and flue gas purification. A device for implementing the known method comprises units for supplying waste and air, a heat treatment chamber with a plasma torch installed in it and equipped with a notch for outputting the melt, a gas duct and afterburning and gas purification units.
Недостатком известных способа и устройства является периодичность процесса уничтожения промышленных отходов из-за последовательного проведения всех его стадий в едином технологическом пространстве и обусловленные этим выбросы большого количества оксидов азота в период расплавления зольного остатка, что требует установки дорогостоящих устройств по очистке отходящих газов. Кроме того, периодическое удаление по мере накопления жидкого металла и шлака требует останова технологического процесса.A disadvantage of the known method and device is the frequency of the process of destruction of industrial waste due to the sequential implementation of all its stages in a single technological space and the resulting emissions of a large amount of nitrogen oxides during the melting of the ash residue, which requires the installation of expensive devices for purification of exhaust gases. In addition, periodic removal as liquid metal and slag accumulate requires shutting down the process.
Известен способ переработки твердых отходов (Патент США 5370067), включающий непрерывную подачу воздуха и отходов, их газификацию и плавление золы плазменной струей, удаление расплава, дожигание, охлаждение и очистку дымовых газов, причем газификацию отходов с образованием коксового остатка и выделением газообразных продуктов разложения, сжигание коксового остатка и плавление золы осуществляют непрерывно и одновременно в разных зонах, при этом сжигание и плавление проводят при избытке кислорода, а выделяющиеся при этом газообразные продукты смешивают при недостатке кислорода с газообразными продуктами разложения и направляют на дожигание. Устройство для осуществления известного способа содержит узлы подачи отходов и воздуха, камеру термообработки с установленным в ней плазмотроном, оснащенную леткой для вывода расплава, газоход, блоки дожигания и газоочистки, камеру газификации отходов с узлом подвода воздуха, расположенную последовательно с камерой термообработки и сообщенную с ней, причем под камеры газификации расположен выше уровня расплава в камере термообработки, при этом смешение газообразных продуктов газификации отходов и газообразных продуктов сжигания и плавления осуществляют в камере дожигания с циркулирующим кипящим слоем. Недостатком известных способа и устройства является то, что в случае использования установок небольшой мощности для переработки крупногабаритных или упакованных отходов вследствие непрерывной подачи отходов, предусмотренной технологией, усложняется процесс предварительной подготовки отходов к сжиганию (дробление), что ведет к удорожанию всего процесса переработки твердых отходов.A known method of processing solid waste (US Patent 5370067), including the continuous supply of air and waste, their gasification and melting of the ash by a plasma jet, removing the melt, afterburning, cooling and purification of flue gases, the gasification of waste with the formation of coke residue and the release of gaseous decomposition products, burning of coke residue and ash melting is carried out continuously and simultaneously in different zones, while burning and melting is carried out with an excess of oxygen, and gaseous products emitted at the same time Cts are mixed with a lack of oxygen with gaseous decomposition products and sent for afterburning. A device for implementing the known method comprises units for supplying waste and air, a heat treatment chamber with a plasma torch installed in it, equipped with a notch for outputting the melt, a gas duct, afterburning and gas purification units, a waste gasification chamber with an air supply unit located in series with and communicated with the heat treatment chamber moreover, under the gasification chamber is located above the level of the melt in the heat treatment chamber, while mixing the gaseous products of gasification of waste and gaseous products of combustion and ION carried afterburning chamber with circulating fluidized bed. A disadvantage of the known method and device is that in the case of using small-capacity plants for the processing of bulky or packaged waste due to the continuous supply of waste provided by the technology, the process of preliminary preparation of waste for incineration (crushing) is complicated, which leads to an increase in the cost of the entire process of processing solid waste.
Известен ряд технических решений плазмотронов для подачи нагретого до высоких температур плазмообразующего газа, используемого для плазменной переработки твердых отходов, таких как плазмотроны с «длинной» дугой, используемые для нагрева газа (патенты US №3673375, №4559439).A number of technical solutions are known for plasmatrons for supplying plasma-forming gas heated to high temperatures, used for plasma processing of solid wastes, such as plasmatrons with a "long" arc, used for heating gas (US patents No. 3673375, No. 4559439).
Известен плазмотрон для установок по переработке отходов, приведенный в работе «Treatment technology for waste containing asbestos by plasma energy», H.S.Park, H.N.Lee, S.S.Kwon, H.I.Kim, S.J.Kim, Y.G.Hong, V International Conference "Plasma Physics and Plasma Technologies", Minsk, 2006, p.828-831, выбранный в качестве прототипа.Known plasmatron for waste processing plants, given in the work "Treatment technology for waste containing asbestos by plasma energy", HSPark, HNLee, SSKwon, HIKim, SJKim, YGHong, V International Conference "Plasma Physics and Plasma Technologies ", Minsk, 2006, p.828-831, selected as a prototype.
Недостаткам прототипа является ограничение срока службы плазмотрона. Технически в его конструкции отсутствует «посадка» дугового разряда на торцевую поверхность полого, глухого электрода (анода или катода, в зависимости от полярности), выполненного в виде стакана. В результате чего дуговой разряд (анодное или катодное пятно разряда в зависимости от полярности) «садится» на боковую поверхность электрода, толщина боковой стенки которого меньше толщины торцевой стенки. Следствием такой «посадки» дугового разряда является ограничение срока службы электродов. Кроме того, большая глубина (более 3-х диаметров) электрода приводит к нестабильности газодинамического режима течения газа в канале плазмотрона, проявляющейся при изменении расхода рабочего (плазмообразующего) газа. Следствием нестабильности газодинамического режима течения газа в канале плазмотрона является нестабильность рабочих характеристик плазмотрона при различных значениях тока дуги и расхода рабочего, плазмообразующего) газа.The disadvantages of the prototype is the limitation of the life of the plasma torch. Technically, in its design there is no “landing" of an arc discharge on the end surface of a hollow, dull electrode (anode or cathode, depending on polarity), made in the form of a glass. As a result, the arc discharge (anode or cathode discharge spot, depending on the polarity) "sits" on the side surface of the electrode, the thickness of the side wall of which is less than the thickness of the end wall. The consequence of such a "landing" of the arc discharge is to limit the life of the electrodes. In addition, the large depth (more than 3 diameters) of the electrode leads to instability of the gas-dynamic regime of the gas flow in the plasma torch channel, which manifests itself when the flow rate of the working (plasma-forming) gas changes. A consequence of the instability of the gas-dynamic regime of gas flow in the plasma torch channel is the instability of the plasma torch operating characteristics at various values of the arc current and the flow rate of the working, plasma-forming) gas.
Техническим результатом, на который направлено данное изобретении, является увеличение срока службы плазмотрона и расширение диапазона его рабочих характеристик (изменения тока дуги в пределах от Imin до Imax=(5÷7)Imin и изменения расхода рабочего газа в пределах от Qmin до Qmax=(2÷4)Qmin).The technical result to which this invention is directed is to increase the life of the plasma torch and expand the range of its operating characteristics (changes in arc current in the range from I min to I max = (5 ÷ 7) I min and changes in the flow rate of the working gas in the range from Q min to Q max = (2 ÷ 4) Q min ).
Достижение этого результата обеспечивается в электродуговом плазмотроне постоянного тока для установок плазменной переработки отходов, рабочая часть которого представлена на Фиг.1, где показаны:Achieving this result is ensured in the DC electric arc plasma torch for plasma processing plants, the working part of which is presented in figure 1, which shows:
1. Катод.1. The cathode.
2. Анод.2. The anode.
3. Форсунка.3. The nozzle.
Электродуговой плазмотрон постоянного тока предназначен для нагрева воздуха и других кислородосодержащих газов и газовых смесей. Он имеет соосные полые цилиндрические водоохлаждаемые электроды (анод и катод) с вихревой подачей плазмообразующего (нагреваемого) газа в зазор между анодом и катодом с помощью форсунки (межэлектродной вставки), выполненной из изолирующего материала. Форсунка выполнена соосной с анодом и катодом и имеет тангенциальные отверстия для подачи газа, выполненные в плоскости, перпендикулярной оси электродов по касательной к внутренней поверхности форсунки. Для получения широкого диапазона рабочих характеристик (изменения тока дуги в пределах от Imin до Imax=(5÷7)Imin и изменения расхода рабочего газа в пределах от Qmin до Qmax=(2÷4)Qmin) анод имеет внутренний диаметр da канала, длину канала Ia=(8÷12)da, катод выполнен в виде стакана с внутренним диаметром dc=(1÷1,15)da и глубиной Ic=(1÷3)da, внутренний диаметр форсунки составляет di=(2÷2,5)da, толщина стенки форсунки, в которой выполнены отверстия для подачи газа, составляет (0,2÷0,3)da, отверстия в форсунке имеют диаметр (0,08÷0,1)da, количество отверстий - 4÷6, отверстия равномерно расположены по окружности форсунки. Для повышения ресурса работы катода на больших токах при нагреве кислородосодержащих газов катод выполнен в виде водоохлаждаемого стакана глубиной Ic=(1÷2,5)dc, где dc - внутренний диаметр стакана, из металла с высокой тепло- и электропроводностью, например меди, в донной части которого запрессованы 7 стержней из металла, обеспечивающего термохимическую эмиссию электронов в кислородной среде, например из гафния или циркония, длиной Ici=(0,25÷0,5)dc, диаметром dcm=1,5÷3 мм, причем центральный стержень запрессован точно по оси стакана, а остальные 6 стержней окружают центральный стержень, и оси их параллельны оси центрального стержня, образуя правильный шестиугольник, периферические стержни отстоят от центрального на расстоянии а=(0,5÷1)dcm, внешняя стенка катода охлаждается водой на всей длине запрессовки стержней. Катод по п.2, отличающийся тем, что глубина его в начале ресурса Ic=(1÷2)dc, за первым периферийным кольцом из шести стержней расположено второе кольцо из 12 стержней, расположенных по вершинам правильного 12-угольника таким образом, что расстояние между соседними стержнями всегда равно а=(0,5÷1)dcm, а оси их параллельны оси центрального стержня, длина всех стержней Ici=(0,5÷1)dc.DC arc plasma torch is designed to heat air and other oxygen-containing gases and gas mixtures. It has coaxial hollow cylindrical water-cooled electrodes (anode and cathode) with a swirling supply of plasma-forming (heated) gas into the gap between the anode and cathode using a nozzle (interelectrode insert) made of insulating material. The nozzle is made coaxial with the anode and cathode and has tangential openings for gas supply made in a plane perpendicular to the axis of the electrodes tangent to the inner surface of the nozzle. To obtain a wide range of operating characteristics (changes in the arc current in the range from I min to I max = (5 ÷ 7) I min and changes in the flow rate of the working gas in the range from Q min to Q max = (2 ÷ 4) Q min ), the anode has the inner diameter d a of the channel, the length of the channel I a = (8 ÷ 12) d a , the cathode is made in the form of a glass with an inner diameter d c = (1 ÷ 1,15) d a and a depth of I c = (1 ÷ 3) d a , the inner diameter of the nozzle is d i = (2 ÷ 2.5) d a , the wall thickness of the nozzle in which the holes for gas supply are made is (0.2 ÷ 0.3) d a , the holes in the nozzle have a diameter ( 0,08 ÷ 0,1) d a, number of holes - 4 ÷ 6 holes p vnomerno nozzles located circumferentially. To increase the cathode life at high currents when heating oxygen-containing gases, the cathode is made in the form of a water-cooled cup with a depth of I c = (1 ÷ 2.5) d c , where d c is the inner diameter of the cup, made of metal with high thermal and electrical conductivity, for example copper, in the bottom of which 7 rods of metal are pressed in, providing thermochemical emission of electrons in an oxygen medium, for example, of hafnium or zirconium, length I ci = (0.25 ÷ 0.5) d c , diameter d cm = 1.5 ÷ 3 mm, with the central rod pressed in exactly along the axis of the cup, and the remaining 6 s erzhney surround the central core and their axes are parallel to the central axis of the rod to form a regular hexagon, the peripheral rods being spaced from the center at a distance a = (0,5 ÷ 1) d cm, the outer wall of the cathode is cooled with water on pressing the entire length rods. The cathode according to claim 2, characterized in that its depth at the beginning of the resource I c = (1 ÷ 2) d c , behind the first peripheral ring of six rods is a second ring of 12 rods located at the vertices of a regular 12-gon in such a way that the distance between adjacent rods is always equal to a = (0.5 ÷ 1) d cm , and their axes are parallel to the axis of the central rod, the length of all rods I ci = (0.5 ÷ 1) d c .
Глубина катода в начале ресурса составляет Ic=(1÷1,2)dc, при этом стержни заполняют всю донную поверхность стакана и расположены таким образом, что соседние стержни всегда расположены по вершинам равностороннего треугольника, со стороной b=(1,5÷3)dcm, т.е. расстояние между ними а=(0,5÷1)dcm, а оси их параллельны оси центрального стержня, длина стержней составляет Ici=(1,8÷2)dc.The cathode depth at the beginning of the resource is I c = (1 ÷ 1.2) d c , while the rods fill the entire bottom surface of the glass and are located so that adjacent rods are always located at the vertices of an equilateral triangle, with side b = (1,5 ÷ 3) d cm , i.e. the distance between them is a = (0.5 ÷ 1) d cm , and their axes are parallel to the axis of the central rod, the length of the rods is I ci = (1.8 ÷ 2) d c .
Электродуговой плазмотрон постоянного тока для установок плазменной переработки отходов работает следующим образом.DC arc plasma torch for plasma processing plants works as follows.
Катод плазмотрона 1 присоединен к отрицательному полюсу источника электропитания дугового разряда плазмотрона (источника тока). Анод плазмотрона 2 присоединен к положительному полюсу источника электропитания дугового плазмотрона. Плазмообразующий газ подается в канал плазмотрона, образуемый катодом 1 и анодом 2 через тангенциальные отверстия в форсунке 3. За счет подачи плазмообразующего газа через тангенциальные отверстия в форсунке обеспечивается вращение газа в канале плазмотрона. Дуговой разряд поджигается в плазмотроне с помощью осциллятора путем подачи импульса высокого напряжения между анодом 2 и катодом 1. При подаче в плазмотрон рабочего расхода газа дуговой разряд занимает центральную зону канала плазмотрона между донной частью катода 1 и торцевой частью анода 2 на внешней поверхности плазмотрона. Внешняя поверхность катода 1 и анода 2 охлаждается протоком воды или другой охлаждающей жидкости. Стабилизация дугового разряда в канале плазмотрона осуществляется за счет холодной стенки катода 1 и анода 2 и вращением потока рабочего газа в канале плазмотрона (при этом в центральной зоне канала образуется зона пониженного давления). Движение катодного пятна на поверхности катода и анодного пятна на поверхности анода обеспечивается вращением рабочего газа в канале плазмотрона. Геометрические параметры канала плазмотрона, образованного внутренними полостями катода 1 и анода 2, а также геометрические параметры форсунки 3, через тангенциальные отверстия которой подается рабочий газ в канал плазмотрона, обеспечивают стабильную форму линий тока течения рабочего в канале плазмотрона и посадку анодного и катодного пятен дугового разряда на внешней поверхности анода 2 и донной части катода 1 во всем диапазоне рабочих параметров плазмотрона (потока рабочего газа и тока дуги).The plasma torch cathode 1 is connected to the negative pole of the arc discharge power supply of the plasma torch (current source). The anode of the plasma torch 2 is connected to the positive pole of the power source of the arc plasma torch. The plasma-forming gas is supplied to the plasma torch channel formed by the cathode 1 and the anode 2 through the tangential holes in the nozzle 3. By supplying the plasma-forming gas through the tangential holes in the nozzle, the gas is rotated in the plasma torch channel. An arc discharge is ignited in the plasmatron by means of an oscillator by applying a high voltage pulse between the anode 2 and cathode 1. When a gas flow rate is applied to the plasma torch, the arc discharge occupies the central zone of the plasma torch channel between the bottom of the cathode 1 and the end part of the anode 2 on the outer surface of the plasma torch. The outer surface of the cathode 1 and anode 2 is cooled by a flow of water or other coolant. The arc discharge is stabilized in the plasma torch channel due to the cold wall of the cathode 1 and anode 2 and by rotation of the working gas stream in the plasma torch channel (in this case, a reduced pressure zone forms in the central zone of the channel). The movement of the cathode spot on the cathode surface and the anode spot on the anode surface is provided by the rotation of the working gas in the plasma torch channel. The geometric parameters of the plasma torch channel formed by the internal cavities of the cathode 1 and the anode 2, as well as the geometric parameters of the nozzle 3, through the tangential openings of which the working gas is fed into the plasma torch channel, provide a stable form of the flow lines of the worker in the plasma torch channel and the landing of the anode and cathode spots of the arc discharge on the outer surface of the anode 2 and the bottom of the cathode 1 in the entire range of operating parameters of the plasma torch (working gas flow and arc current).
Повышение ресурса работы катода на больших токах при нагреве кислородосодержащих газов обеспечивается в катоде плазмотрона, представленном на Фиг.2.The increase in cathode life at high currents when heating oxygen-containing gases is provided in the cathode of the plasma torch, shown in Fig.2.
Катод плазмотрона работает следующим образом: катодное пятно дугового разряда располагается на торцевой поверхности стержня (из гафния или циркония), температура которого выше, чем температура основного материала катода, вследствие более высокого значения теплопроводности материала катода. Под действием прикатодного падения потенциала ионы рабочего газа разгоняются и бомбардируют катодное пятно, результатом чего является разогрев пятна и расплавление торцевой поверхности стержня. Поверхность расплавленного материала стержня окисляется кислородом, входящим в состав рабочего газа. Твердая окись металла стержня (окись циркония или окись гафния), покрывая расплавленную зону, существенно снижает испарение расплавленного металла и позволяет избежать кластерной эрозии материала стержня. Окись металла (окись циркония или окись гафния) является проводником при температурах расплавленного металла и обеспечивает необходимую эмиссию электронов из катодного пятна. Под действием газодинамических сил вращающегося потока рабочего газа, а также сил взаимодействия тока дуги и поля тока происходит перемещение пятна дуги на другой стержень. Теплоотвод от катодного пятна осуществляется в радиальном направлении к внешней охлаждаемой поверхности катода. По мере эрозии стержней под действием катодного пятна дуги и эрозии основного материала катода между стержнями увеличивается глубина катода. Ресурс работы катода определяется количеством стержней и их длиной. Эксплуатация катода заканчивается при достижении максимальной глубины катода, при которой обеспечивается работа плазмотрона во всем диапазоне его рабочих параметров.The plasma torch cathode operates as follows: the cathode spot of the arc discharge is located on the end surface of the rod (made of hafnium or zirconium), the temperature of which is higher than the temperature of the cathode base material, due to the higher thermal conductivity of the cathode material. Under the action of a near-cathode potential drop, the working gas ions accelerate and bombard the cathode spot, which results in heating of the spot and melting of the end surface of the rod. The surface of the molten material of the rod is oxidized by oxygen, which is part of the working gas. Solid metal oxide of the rod (zirconium oxide or hafnium oxide), covering the molten zone, significantly reduces the evaporation of the molten metal and avoids cluster erosion of the rod material. Metal oxide (zirconium oxide or hafnium oxide) is a conductor at molten metal temperatures and provides the necessary electron emission from the cathode spot. Under the action of the gas-dynamic forces of the rotating flow of the working gas, as well as the forces of interaction of the arc current and the current field, the arc spot moves to another rod. Heat removal from the cathode spot is carried out in the radial direction to the external cooled surface of the cathode. As the erosion of the rods under the action of the cathode spot of the arc and erosion of the main material of the cathode between the rods increases the depth of the cathode. The cathode life is determined by the number of rods and their length. The operation of the cathode ends when the maximum depth of the cathode is reached, at which the plasma torch operates in the entire range of its operating parameters.
Преимуществом предлагаемого изобретения является увеличение срока службы плазмотрона и расширение диапазона его рабочих характеристик, что приводит к повышению экологической и экономической эффективности процесса плазмотермической переработки твердых отходов.An advantage of the invention is to increase the service life of the plasma torch and expand the range of its operating characteristics, which leads to an increase in the environmental and economic efficiency of the process of plasma-thermal processing of solid waste.
Claims (4)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009105471/28A RU2392781C1 (en) | 2009-02-18 | 2009-02-18 | Electric arc dc plasmatron for installations of solid wastes plasma treatment |
| PCT/RU2010/000073 WO2010095981A1 (en) | 2009-02-18 | 2010-02-17 | Plasmochemical reactor for processing solid waste |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009105471/28A RU2392781C1 (en) | 2009-02-18 | 2009-02-18 | Electric arc dc plasmatron for installations of solid wastes plasma treatment |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2392781C1 true RU2392781C1 (en) | 2010-06-20 |
Family
ID=42634085
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2009105471/28A RU2392781C1 (en) | 2009-02-18 | 2009-02-18 | Electric arc dc plasmatron for installations of solid wastes plasma treatment |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2392781C1 (en) |
| WO (1) | WO2010095981A1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2575202C1 (en) * | 2014-10-06 | 2016-02-20 | Сергей Александрович Вощинин | Direct-current electric arc plasmatron for waste plasma-processing plants |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102389887A (en) * | 2011-08-26 | 2012-03-28 | 陈开明 | High-temperature treatment and super-high-temperature plasma gasification method of municipal domestic wastes |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4559439A (en) * | 1983-01-21 | 1985-12-17 | Plasma Energy Corporation | Field convertible plasma generator and its method of operation |
| RU2165130C2 (en) * | 1999-05-05 | 2001-04-10 | Жан Капашевич Кульжанов | Method and device for generating electric arc discharge |
| ES2306536T3 (en) * | 1998-08-27 | 2008-11-01 | Retech Services, Inc. A Lockheed Martin Heed Company | PROCESS OF TREATMENT BY PLASMA ARCH USING A PLASMA ARCH BRUSH IN DUAL MODE. |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2136939B (en) * | 1983-03-23 | 1986-05-08 | Skf Steel Eng Ab | Method for destroying refuse |
| RU75095U1 (en) * | 2008-03-12 | 2008-07-20 | Валерий Герасимович Гнеденко | REACTOR FOR THERMAL WASTE PROCESSING |
-
2009
- 2009-02-18 RU RU2009105471/28A patent/RU2392781C1/en active IP Right Revival
-
2010
- 2010-02-17 WO PCT/RU2010/000073 patent/WO2010095981A1/en not_active Ceased
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4559439A (en) * | 1983-01-21 | 1985-12-17 | Plasma Energy Corporation | Field convertible plasma generator and its method of operation |
| ES2306536T3 (en) * | 1998-08-27 | 2008-11-01 | Retech Services, Inc. A Lockheed Martin Heed Company | PROCESS OF TREATMENT BY PLASMA ARCH USING A PLASMA ARCH BRUSH IN DUAL MODE. |
| RU2165130C2 (en) * | 1999-05-05 | 2001-04-10 | Жан Капашевич Кульжанов | Method and device for generating electric arc discharge |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| H.S.PARK et all. Treatment technology for waste containing asbestos by plasma energy. V International Conference "Plasma Physics and Plasma Technologies", Minsk, 2006, p.828-831. * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2575202C1 (en) * | 2014-10-06 | 2016-02-20 | Сергей Александрович Вощинин | Direct-current electric arc plasmatron for waste plasma-processing plants |
| RU2821959C1 (en) * | 2020-02-26 | 2024-06-28 | Термал Просессинг Солюшенз ГмбХ | Metal melting plant |
| RU237203U1 (en) * | 2025-05-16 | 2025-09-12 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Electric arc plasma torch with magnetic arc stabilization based on the use of permanent magnets on the plasma torch anode |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2010095981A1 (en) | 2010-08-26 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR100807806B1 (en) | DC arc plasmatron device and method of use | |
| Rutberg | Plasma pyrolysis of toxic waste | |
| CN103493601B (en) | Plasma torch | |
| WO2010095980A1 (en) | Dc electric arc plasmatron for apparatuses for plasma-processing solid waste | |
| KR101041026B1 (en) | Cavity Plasma Torch, Plasma / Gas Combustion Apparatus and Melting Method Using the Same | |
| CN106937470B (en) | Heating method and heating device based on plasma arc and application | |
| KR101111207B1 (en) | Apparatus for generating plasma | |
| CN113330824B (en) | Thermal plasma treatment equipment | |
| US6781087B1 (en) | Three-phase plasma generator having adjustable electrodes | |
| KR100568238B1 (en) | Plasma Hazardous Gas Treatment System | |
| KR100844976B1 (en) | Plasma / Gas Mixture Combustor and Melting Method Using the Same | |
| RU2392781C1 (en) | Electric arc dc plasmatron for installations of solid wastes plasma treatment | |
| RU2002122412A (en) | Method and device for processing solid powder fluoropolymer | |
| RU2320102C1 (en) | Spraying plasmatron | |
| TWI581671B (en) | Plasma torch device | |
| CN217989275U (en) | Thermal plasma reactor protection device | |
| RU2575202C1 (en) | Direct-current electric arc plasmatron for waste plasma-processing plants | |
| RU237203U1 (en) | Electric arc plasma torch with magnetic arc stabilization based on the use of permanent magnets on the plasma torch anode | |
| JP2005293945A (en) | Plasma heating device, and electrode with nozzle | |
| JP2004156819A (en) | Plasma arc melting furnace | |
| KR100253723B1 (en) | High-temperature DC plasma torch that increases the durability of the electrode by forming a vacuum atmosphere | |
| Anshakov et al. | Investigation of thermal plasma generator of technological function | |
| KR100604961B1 (en) | Air plasma torch | |
| Landes et al. | New developments in DC-plasma torches | |
| RU60937U1 (en) | ASSEMBLY OF THE BATTERY AND REDUCING GAS INTO THE ARC ELECTRIC FURNACE |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20120219 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20150220 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180219 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20191220 |