RU2787915C1 - Device for high-temperature plasma blast heating - Google Patents
Device for high-temperature plasma blast heating Download PDFInfo
- Publication number
- RU2787915C1 RU2787915C1 RU2022102425A RU2022102425A RU2787915C1 RU 2787915 C1 RU2787915 C1 RU 2787915C1 RU 2022102425 A RU2022102425 A RU 2022102425A RU 2022102425 A RU2022102425 A RU 2022102425A RU 2787915 C1 RU2787915 C1 RU 2787915C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- pipe
- gas
- electrode
- plasma
- arc
- Prior art date
Links
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 title claims description 14
- 210000003720 plasmablast Anatomy 0.000 title 1
- 230000000712 assembly Effects 0.000 claims abstract description 24
- 238000000429 assembly Methods 0.000 claims abstract description 24
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims abstract description 7
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 63
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims description 13
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 4
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 3
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 238000007664 blowing Methods 0.000 claims description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims 1
- 230000003134 recirculating effect Effects 0.000 claims 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 abstract 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 238000004157 plasmatron Methods 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000009931 harmful effect Effects 0.000 description 1
- 238000005065 mining Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к устройствам получения горячего дутья для промышленности, в частности, для доменных печей и устройств.The invention relates to devices for producing hot blast for industry, in particular for blast furnaces and devices.
Известно устройство плазменного высокотемпературного нагрева дутья в химических реакторах и гиперзвуковых аэродинамических трубах - группа плазмотронов линейной схемы, закрепленных на стенках трубы, например, аэродинамической трубы, с последующей подачей нагретых струй газа одновременно в общую емкость; нагретые в плазмотронах струи газа суммируются в общем канале, смешиваются между собой и с газовым потоком, и образуют нагретую струю в общем канале, используемую далее по назначению (Техника электродугового нагрева газа: Учеб. пособие / М. Ф. Жуков, Г.-Н. Б. Дандарон, В. К. Литвинов; Под ред. М. Ф. Жукова; Урал, политехи, ин-т им. С.М. Кирова, Магнитогор. горно-металлург. ин-т им. Г. И. Носова. - Свердловск: УПИ, 1988. стр. 24-29). Плазменные электротехнологические установки. B.C. Чередн.,2005 г с 263, 297.A device for high-temperature plasma heating of the blast in chemical reactors and hypersonic wind tunnels is known - a group of linear plasma torches mounted on the walls of the pipe, for example, a wind tunnel, with the subsequent supply of heated gas jets simultaneously into a common container; the gas jets heated in the plasma torches are summed up in a common channel, mixed with each other and with the gas flow, and form a heated jet in the common channel, which is used further for its intended purpose (Technique of electric arc heating of gas: Textbook / M.F. Zhukov, G.-N B. Dandaron, V. K. Litvinov, Edited by M. F. Zhukov, Ural Polytechnic Institute, S. M. Kirov Institute, Magnitogorsk Mining and Metallurgical Institute named after G. I. Nosov, Sverdlovsk: UPI, 1988, pp. 24-29). Plasma electrotechnological installations. B.C. Cheredn., 2005, p. 263, 297.
Недостатком известного нагревателя дутьевого воздуха является низкий КПД нагрева, вследствие высоких потерь энергии в плазмотроны, в конструкцию аэродинамической трубы, а так же высокие тепловые потери в стенки камеры смешивания газовых потоков, ограниченный ресурс работы, вследствие ограничения ресурса работы электродов линейных плазмотронов без их замены. Замена электродов приводит к прекращению процесса нагрева, что недопустимо в непрерывной промышленной технологии.The disadvantage of the known blast air heater is the low heating efficiency, due to high energy losses in the plasma torches, in the design of the wind tunnel, as well as high heat losses in the walls of the gas flow mixing chamber, limited service life, due to the limited service life of the electrodes of linear plasma torches without replacing them. Replacing the electrodes leads to the termination of the heating process, which is unacceptable in continuous industrial technology.
Для получения высокотемпературного дутья, с повышенным КПД, без ограничений по ресурсу непрерывной работы, предлагается устройство для высокотемпературного плазменного нагрева дутьяа в котором горение плазменной дуги осуществляется непосредственно внутри трубы (газохода), в потоке газа, при этом в трубе, как составной части нагревателя, за счет ее геометрии организуется специальный режим течения газа, через локальное плавное сужение и последующее резкое расширение за уступом, электродные узлы плазменного нагревателя и плазменная дуга плазмотрона помещены в зоне оси вихря, за уступом. Устройство для высокотемпературного плазменного нагрева дутья так же включает в себя' попарно идентичные электродные узлы плазменного нагревателя с электродами, расположенные перпендикулярно потоку. Таких узлов может быть несколько, они расположены внутри трубы (газохода), в потоке газа, один за другим, при этом в трубе, перед каждым узлом, организуется локальное плавное сужение и последующее резкое расширение за уступом, и электродные узлы плазменного нагревателя помещены, и плазменная дуга горит, в зоне оси вихря за уступом.To obtain a high-temperature blast, with increased efficiency, without restrictions on the resource of continuous operation, a device for high-temperature plasma heating of the blast is proposed, in which the plasma arc is burned directly inside the pipe (gas duct), in the gas flow, while in the pipe, as an integral part of the heater , due to its geometry, a special gas flow regime is organized, through a local smooth narrowing and subsequent sharp expansion behind the ledge, the electrode assemblies of the plasma heater and the plasma arc of the plasma torch are placed in the zone of the vortex axis, behind the ledge. The device for high-temperature plasma heating of the blast also includes pairs of identical electrode assemblies of the plasma heater with electrodes located perpendicular to the flow. There can be several such nodes, they are located inside the pipe (gas duct), in the gas flow, one after the other, while in the pipe, in front of each node, a local smooth narrowing and subsequent sharp expansion behind the step are organized, and the electrode nodes of the plasma heater are placed, and the plasma arc burns in the zone of the vortex axis behind the step.
Уступ образуется тем, что внутри труба выполнена с несимметричным односторонним сужением сечения по направлению движения газового потока на величину 30-80% от площади ее сечения с одной стороны, в виде плавно сужающегося участка трубы газового тракта, длиной 100-300% от величины высоты и ширины стенки трубы (или диаметра).The ledge is formed by the fact that inside the pipe is made with an asymmetric one-sided narrowing of the section in the direction of gas flow by 30-80% of its cross-sectional area on the one hand, in the form of a smoothly tapering section of the gas path pipe, with a length of 100-300% of the height and pipe wall width (or diameter).
Электродные узлы плазменного нагревателя за уступом размещены таким образом, что образующая электрода скрыта от потока газа уступом, и не выступает выше верхней точки уступа. Этим обеспечивается отсутствие растягивания и сноса по потоку плазменной дуги.The electrode assemblies of the plasma heater behind the ledge are placed in such a way that the generatrix of the electrode is hidden from the gas flow by the ledge and does not protrude above the upper point of the ledge. This ensures that there is no stretching and drift along the plasma arc flow.
Расстояние между парами электродных узлов плазменного нагревателя выбирается не менее трех характерных размеров трубы (диаметра или стороны), чтобы газовый поток в достаточной степени снизил турбулентность перед следующим уступом для формирования за ним вихря.The distance between the pairs of electrode assemblies of the plasma heater is chosen to be at least three characteristic dimensions of the pipe (diameter or side) so that the gas flow sufficiently reduces the turbulence in front of the next ledge to form a vortex behind it.
Каждый из электродов снабжен кожухом, который выполнен в виде замкнутой трубы, охватывающей весь электрод по периметру, таким образом, что из кожуха в трубе выступает только торцевая часть электрода, при этом длина выступающей из кожуха части электрода выбрана из условия обеспечения защиты поверхности кожуха от попадания дуги. Между кожухом электродного узла плазменного нагревателя и электродом выполнен зазор, с возможностью подачи защитного газа между ними. Кожух электродов снабжен каналами охлаждения и каналами подачи вдоль электрода защитного газа, например, аргона или азота, расход и скорость защитного газа выбираются из условий обеспечения защиты рабочей части электрода в зоне горения дуги в трубе (газоходе) обдувом защитным газом. Защитный газ снижает вредное воздействие нагреваемого в трубе газа на электроды и увеличивает ресурс работы. В частности, опытным путем установлено, что замена воздуха азотом увеличивает ресурс работы графитового электрода в вышеописанных условиях работы данного плазменного нагревателя более, чем втрое.Each of the electrodes is equipped with a casing, which is made in the form of a closed pipe, covering the entire electrode along the perimeter, so that only the end part of the electrode protrudes from the casing in the pipe, while the length of the electrode part protruding from the casing is selected from the condition of ensuring protection of the casing surface from ingress arcs. A gap is made between the casing of the electrode assembly of the plasma heater and the electrode, with the possibility of supplying a protective gas between them. The electrode casing is provided with cooling channels and channels for supplying a protective gas along the electrode, for example, argon or nitrogen, the flow rate and speed of the protective gas are selected from the conditions for protecting the working part of the electrode in the arc burning zone in the pipe (gas duct) by blowing with protective gas. Protective gas reduces the harmful effect of the gas heated in the pipe on the electrodes and increases the service life. In particular, it has been experimentally established that the replacement of air with nitrogen increases the service life of the graphite electrode under the above-described operating conditions of this plasma heater by more than three times.
Вторые концы каждого из электродных узлов плазменного нагревателя, с помещенными в них электродами, через герметичное уплотнение вынесены за стенки трубы газового тракта, электроизолированы друг от друга и корпуса трубы, закреплены на подвижных основаниях, с возможностью их взаимного перемещения друг относительно друга в газовом канале трубы и относительно корпуса трубы. Таким образом, управлением перемещением каждого электрода достигается необходимое положение электрода в трубе, положение дуги и длина дуги.The second ends of each of the electrode assemblies of the plasma heater, with the electrodes placed in them, are taken out through the hermetic seal outside the walls of the gas path pipe, electrically insulated from each other and the pipe body, fixed on movable bases, with the possibility of their mutual movement relative to each other in the gas channel of the pipe and relative to the pipe body. Thus, by controlling the movement of each electrode, the required position of the electrode in the pipe, the position of the arc and the length of the arc are achieved.
Электродный узел плазменного нагревателя снабжен с внешней стороны стенок трубы газового канала устройством для подачи и устройством для наращивания электродов в процессе работы, без остановки для процесса. Это позволяет, при расходовании электрода со стороны рабочего торца, непрерывно компенсировать расходуемую часть, подавать его в направлении другого электрода, и, по мере расходования, наращивать его с внешней стороны, например, свинчиванием, при помощи дополнительных секций электродов, которые подаются в устройство для наращивания электродов в процессе работы, без остановки для процесса.The electrode assembly of the plasma heater is provided on the outer side of the walls of the gas channel pipe with a device for supplying and a device for building up electrodes during operation, without stopping the process. This allows, when the electrode is consumed from the side of the working end, to continuously compensate for the consumable part, feed it in the direction of another electrode, and, as it is consumed, build it up from the outside, for example, by screwing, using additional sections of electrodes that are fed into the device for build-up of electrodes in the course of work, without a stop for process.
Каждый их электродов электродных узлов плазменного нагревателя соединен соответствующими токоподводами с источником питания плазменной дуги.Each of the electrodes of the electrode assemblies of the plasma heater is connected by the corresponding current leads to the power source of the plasma arc.
После поджигания дуги между электродами электродных узлов плазменного нагревателя, перемещением горячих торцов электродных узлов плазменного нагревателя дугу устанавливают до требуемого положения, обеспечивая горение дуги в перпендикулярном положении относительно оси трубы, обеспечивая поперечно-вихревое обтекание газом горячих торцов электродов и дуги с контролем температуры стенок. При этом дуга горит в вихревом канале, ее положение стабилизируется вихрем, без сноса дуги потоком газа ниже по направлению движения газа в канале, чем стабилизируются параметры нагреваемого газа.After ignition of the arc between the electrodes of the electrode assemblies of the plasma heater, by moving the hot ends of the electrode assemblies of the plasma heater, the arc is set to the required position, ensuring that the arc burns in a perpendicular position relative to the pipe axis, providing a transverse-vortex gas flow around the hot ends of the electrodes and the arc with wall temperature control. In this case, the arc burns in the vortex channel, its position is stabilized by the vortex, without the arc being blown away by the gas flow lower in the direction of gas movement in the channel, which stabilizes the parameters of the heated gas.
В зависимости от требований к температуре газового потока, в работе может находиться одна, две и более пары электродных узлов плазменного нагревателя для высокотемпературного плазменного нагрева дутья.Depending on the requirements for the temperature of the gas flow, one, two or more pairs of electrode assemblies of the plasma heater for high-temperature plasma heating of the blast can be in operation.
Принцип работы устройства состоит в следующем. По трубе подающего газового тракта 2 на объект-потребитель подается полный расход газа 1, возможно, предварительно подогретый (см. фиг. 1). Труба подающего газового тракта 3 может иметь круглое или прямоугольное сечение при этом соотношение сторон (высоты и ширины) - любое, причем, на фиг. 2 и 3 представлены случаи, когда сужение сечения по направлению движения газового потока может составлять до 30% от общего сечения, а на фиг. 4 представлен случай, когда сужение сечения по направлению движения газового потока может составлять до 80% от общего сечения, длина участка сужения составляет 100-300% от величины диаметра трубы, либо эквивалентного диаметра, в случае, если труба имеет прямоугольное сечение. Весь расход газа проходит транзитом через плазменный узел - устройство для высокотемпературного плазменного нагрева дутья, являющегося частью указанного газового тракта.The principle of operation of the device is as follows. Through the pipe of the
Температура подаваемого на вход нагревателя газа не превышает предельной рабочей температуры стенок газового тракта, и может достигать 1000 и более градусов Цельсия.The temperature of the gas supplied to the inlet of the heater does not exceed the maximum operating temperature of the walls of the gas path, and can reach 1000 degrees Celsius or more.
С помощью механизмов перемещения 5 дуговые нагревательные электродные узлы плазменного нагревателя 4 устанавливают в рабочее положение. Устанавливают в рабочее положение дуговые нагревательные узлы, поджигают плазменную дугу. На источнике питания дуговых нагревательных узлов и самих узлах обеспечивают установку технологических параметров (положение, токи, напряжения, расход защитного газа), соответствующие требуемому рабочему режиму. Газовый поток в трубе, проходя завихритель 3, частично продувается через плазменную дугу 9 и дополнительно нагревается под действием плазменного разряда, образованного на элементе участка плазменным агрегатом, а частично проходит мимо нее по газоходу.Using the
Положение электродных узлов плазменного нагревателя выбирают из соображения устойчивого горения плазменной дуги, в перпендикулярном расположении относительно оси трубы. Длина выступающей из кожуха части электрода выбрана из условия обеспечения защиты поверхности кожуха от попадания дуги. Дуга горит в стабилизированным уступом вихревом потоке.The position of the electrode assemblies of the plasma heater is chosen from the consideration of stable burning of the plasma arc, in a perpendicular arrangement relative to the axis of the pipe. The length of the part of the electrode protruding from the casing is chosen from the condition of ensuring the protection of the casing surface from arcing. The arc burns in a vortex flow stabilized by a ledge.
Часть тепловой мощности от дуги излучением доходит до завихрителя 3, а затем излучением и конвекцией рассеивается вдоль общего газового потока и догревает перемещаемый газовый поток.Part of the thermal power from the arc reaches the
Перемещением электродных узлов плазменного нагревателя обеспечивают заданную длину плазменной дуги и мощность плазмотронов.By moving the electrode assemblies of the plasma heater, a given length of the plasma arc and the power of the plasma torches are provided.
При наличии двух и более пар плазмотронов, расположенных последовательно один за другим, обеспечивают согласованное распределение мощности между плазмотронами. При необходимости регулирования температуры, либо отключения одного из плазмотронов, оставшиеся изменяют мощность для поддержания температуры газа на заданном уровне.In the presence of two or more pairs of plasma torches located in series one after the other, a consistent power distribution between the plasma torches is ensured. If it is necessary to regulate the temperature, or turn off one of the plasmatrons, the remaining ones change the power to maintain the gas temperature at a given level.
По мере расходования рабочих участков электродов плазмотронов, на наружную часть электрода наращивается, например, путем подачи и навинчивания, с использованием специальных механизмов 6, без прекращения работы, новая секция электродов 7, после чего механизмом подачи электрода 8 в электродном узле плазменного нагревателя перемещается, при необходимости, в рабочем пространстве, на заданное расстояние.As the working sections of the plasmatron electrodes are consumed, a new section of
На фиг. 2-5 представлены возможные конструктивные исполнения завихрителя 3 и выбор которого определяется конкретным набором технических требований в зависимости от решаемых задач по нагреву дутья.In FIG. 2-5 shows the possible designs of the
На фиг. 6 представлен электродный узел плазменного нагревателя, который интегрирован в существующий участок газохода или трубы 2 и включает в себя электрод графитированный 11, расположенный в защитном кожухе 12 и обдуваемый вдоль боковой поверхности защитным газом 15, поступающим через канал ввода защитного газа 10. Защитный кожух выполнен водоохлаждаемым, где по каналам водоохлаждения 13 циркулирует вода, также электродный узел плазменного нагревателя снабжен токоподводом 14. По мере расходования графитированного электрода осуществляется установка с холодного торца новой секции наращиваемого электрода 7.In FIG. 6 shows the electrode assembly of the plasma heater, which is integrated into the existing section of the gas duct or
Claims (4)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2787915C1 true RU2787915C1 (en) | 2023-01-13 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1740425A1 (en) * | 1989-11-20 | 1992-06-15 | Грузинский политехнический институт | Shaft plasma furnace for metal reduction |
| CA2136692A1 (en) * | 1993-12-13 | 1995-06-14 | Donald Prentice Satchell, Jr. | Method and apparatus for producing iron |
| RU2277127C1 (en) * | 2005-01-17 | 2006-05-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский государственный технический университет - УПИ" | Method of injection of the hot reducing gases in the blast furnace |
| JP5009526B2 (en) * | 2005-12-27 | 2012-08-22 | 住友ゴム工業株式会社 | Rubber composition for inner liner |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1740425A1 (en) * | 1989-11-20 | 1992-06-15 | Грузинский политехнический институт | Shaft plasma furnace for metal reduction |
| CA2136692A1 (en) * | 1993-12-13 | 1995-06-14 | Donald Prentice Satchell, Jr. | Method and apparatus for producing iron |
| RU2277127C1 (en) * | 2005-01-17 | 2006-05-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский государственный технический университет - УПИ" | Method of injection of the hot reducing gases in the blast furnace |
| JP5009526B2 (en) * | 2005-12-27 | 2012-08-22 | 住友ゴム工業株式会社 | Rubber composition for inner liner |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ЖУКОВ М.Ф. и др. Техника электродугового нагрева газа. Учебное пособие, Свердловск, УПИ, 1988, сс.24-29. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP1195077B1 (en) | Anode electrode for plasmatron structure | |
| KR101041026B1 (en) | Cavity Plasma Torch, Plasma / Gas Combustion Apparatus and Melting Method Using the Same | |
| US11032900B2 (en) | Plasma torch with structure capable of performing reversed polarity/straight polarity operation | |
| HU215324B (en) | Plasma burner, primarily for the energy supply of chemical processes | |
| EP0571374B1 (en) | A gas cooled cathode for an arc torch | |
| JP7730332B2 (en) | Metal melting equipment | |
| CS218814B1 (en) | Method of generating the plasma in the plasma electric arc generator and device for executing the same | |
| US6781087B1 (en) | Three-phase plasma generator having adjustable electrodes | |
| RU2787915C1 (en) | Device for high-temperature plasma blast heating | |
| CN101802231B (en) | Apparatus and method for heating metallic materials | |
| US4896017A (en) | Anode for a plasma arc torch | |
| CN111491437B (en) | Non-jet normal-pressure large-volume microwave plasma generation method | |
| RU2808499C1 (en) | Method for high-temperature heating of blast furnaces and device for its implementation | |
| RU2222121C2 (en) | Electric-arc plasmatron | |
| US3136835A (en) | Method and means for equalizing the heat balance within an electric furnace | |
| KR102427546B1 (en) | An arc ignition apparatus with arc-length stabilization struscture | |
| RU202987U1 (en) | AC THREE-PHASE PLASMA TORCH | |
| KR101227717B1 (en) | Steam plasma torch | |
| KR100493731B1 (en) | A plasma generating apparatus | |
| Anshakov et al. | Investigation of thermal plasma generator of technological function | |
| RU2524173C1 (en) | Melting plasmatron | |
| Isakaev et al. | Effect of the opening angle of the gas-discharge path on the power efficiency of a plasmatron | |
| SU792614A1 (en) | Electric-arc gas heater | |
| RU2812313C2 (en) | Method of plasma ignition of hard-flammable fuel-air mixtures and burner device for its implementation when starting boiler | |
| Anshakov et al. | Laboratory and technological electric-arc plasma generators |