Horákové zariadenie na chemické procesy

Číslo patentu: 278393

Dátum: 07.12.1994

Autori: Lynum Steinar, Haugsten Kjell, Hox Ketil, Myklebust Nils, Hugdahl Jan

Stiahnuť PDF súbor.

Zhrnutie / Anotácia

Plazmový horák, prednostne určený na privádzanie energie do chemických procesov, je vybavený niekoľkými trubicovými elektródami, ktoré sú umiestnené súosovo, jedna v druhej. Elektródy sú pripojené na zdroj elektrickej energie. Plyn je privádzaný vnútornou elektródou a priestormi spomedzi elektród. Vysokotepelná plazma sa vytvára pomocou plynu, ktorý je ohrievaný elektrickým oblúkom, natiahnutým medzi elektródami. Použité sú najmenej tri elektródy, ktoré tvoria súpravu skladajúcu sa z vonkajšej elektródy (1), pomocnej elektródy (2) a stredovej elektródy (3), pričom tieto elektródy (1, 2 a 3) môžu byť posúvané axiálne voči sebe a pričom pomocná elektróda (2) tvorí zapaľovaciu elektródu, ktorá je trvalo elektricky pripojená k jednej z ostatných elektród (1, 3), takže tieto dve elektródy (2,1) alebo (2, 3) majú zhodnú polaritu a napätie, pričom pomocná elektróda (2) môže byť stiahnutá z plazmovej zóny.

Text

Pozerať všetko

(51) Int. CLĎ Císlo prioritnej prihlášky 914907ÚRAD Dátum zverejnenia 07.12.94 PRIEMYSELNÉHO VLASTNÍCTVA Dátum zverejnenia udelenia vo Vestníku 05.03.97(73) Majiteľ patentu Kvaemer Engineering, a. s., Lysaker, NO(72) Pôvodca vynálezu Lynum Steinar, Oslo, NO Haugsten Kjell, Oslo, NO Hox Ketil, Trondheim, N 0 Hugdahl Jan, Trondheim, NO Myklebust Nils, Trondheim, NO(54) Názov vynálezu Horáková zariadenie na chemické procesyPlazmový horák, prednostne určený na privádzanie energie do chemických procesov, je vybavený niekoľkými trubicovýmí elektródami, ktoré sú umiestnene súosovo, jedna v druhej. Elektródy sú pripojene na zdroj elektrickej energie. Plyn je prívádzaný vnútomou elektródou a priestormi spomedzi elektród. Vysokotepelná plazma sa vytvára pomocou plynu, ktorý je ohrievaný elektrickým oblúkom, natiahnutým medzi elektródami. Použité sú najmenej tri elektródy, ktoré tvoria súpravu skladajúcu sa z vonkajšej elektródy (l), pomocnej elektródy (2) a stredovej elektródy (3), pričom tieto elektródy (l, 2 a 3) môžu byť posúvanć axiálne voči sebe a pričom pomocné elektróda (2) tvori zapaľovaciu elektródu, ktorá je trvalo elektricky pripojená k jednej z ostatných elektród (l, 3), takže tieto dve elektródy (2,1) alebo (2, 3) majú zhodnú polaritu a napätie, pričom pomocná elektróda (2) môže byť stiahnutá z plazmovej zony.Tento vynález sa týka plazmového horáka, prednostne určeného na privádzanie energie do chemických procesov. Plazmový horák je vybavený niekoľkými trubicovými elektródami, ktoré sú umiestnené súosovovo, jedna v druhej. Elektródy sú pripojené na zdroj elektrickej energie. Plyn je privádzaný vnútomou elektródou a priestormi spomedzi elektród. Vysokotepelná plazma sa vytvára pomocou plynu, ktorý je ohrievaný elektrickým oblúkom, natiahnutým medzi elektródami.S cieľom docieliť žiadane chemické reakcie v plynoch alebo v zmesi plynu a kvapaliny alebo tuhých častíc musí byť v niektorých prípadoch privedená energia. Niektoré takéto chemické reakcie sa uskutočňujú pri extrémne vysokých teplotách 1000 ° C až 3000 ° C. Tak isto je nutne umožniť merania množstva a teploty plynu na umožnenie riadenia regulácie chemického procesu tohto typu. Využitim technológie ohrevu plynu elektrickým oblúkom v plazmovom horáku je možné docieliť uvedené požiadavky.Doteraz známe plazmové horáky boli výhodne a hlavne používané na ohrev plynu s cieľom zvárať a rezať oceľ, na ohrev hutnickych procesov a na laboratóme pokusy. Pretože často vykazujú vysokú spotrebu plazmového plynu rovnako ako pri doprave plynu horákom, ktorý odvádza teplo vyvinuté V oblúku, v niektorých aplikáciàch budú tieto horaky menej výhodné z hľadiska ekonómie tepla.Cieľom tohto vynálezu je preto poskytnúť plazmový horák s dobrou tepelnou ekonómiou, s dlhou životnosťou elektród a prevádzkovo spoľahlivou konštrukciou,ktoráje vhodná na priemyselné aplikácie.Tento cieľ bol dosiahnutý pomocou plazmového horáka, vyznačujúceho sa znakmi uvedenými v predmete vynüezu.Plazmový horák sa skladá z niekoľkých trubicových elektród umiestených súosovo, jedna vnútri druhej. Plazmový horák je na jednom konci uzatvorený, zatiaľ čo druhý koniec je otvorený. Elektródy môžu byť axiálne posúvané vzájomne proti sebe. Elektródy sú prednostne izolované jedna od druhej a sú napojené na zdroj tepla elektrickej energie. Vnútomá elektróda a priestor medzi elektródami vytvorí priestor na prívod plynu. Vysokotepelna plazma sa vytvára plynom, ktorý je ohríevaný a ionizovaný elektrickým oblúkom.Vo vynáleze sú tri alebo viac trubicových elektród,ktore sú umiestnene súosovo jedna zvonka druhej. Vo svojom najjednoduchšom tvare je horak vybavený tromi elektródami stredovou elektródou, ďalej pomocnou elektródou a nakoniec vonkajšou elektródou. V inom uskutočnení môže jedna alebo viac elektród byť umiestnených súosovo zvonka vonkajšej elektródy. Medzi elektródami sú vytvorené prstencové priechody. Medzi stredovú elektródu a prstencové priechody plazmy sa môže zaviesť plazmu tvoriaci plyn a/alebo reagujúca zložka.lnertný plyn, ako napríklad dusík alebo argón, môžu byť použité ako plazmu tvoriaci plyn. Takýto plyn sa ob Ovykle nezúčastnl alebo neovplyvní chemickú reakciu prebiehajúcu V horáku. Plazmu tvoriaci plyn môže tiež byť rovnakého dmhu ako plyn vytvárajúci sa ako produkt reakcie v plazmovom horáku.Reagujúca zložka môže byť čistý plyn alebo plyn zmiešaný s kvapalinou alebo tuhými časticatni, ktorých prítomnosť je žiaduca pri chemických reakciách v plazmovom plameni, ako je napríklad rozklad. Reagujúca zložka tiež môže sama tvoriť plyn tvoriaci plazmu.Elektródy plazmového horáka sú tuhé a môžu byť odtaviteľné. Ako elektródový materiál sa používa prednostne grafu, ktorý má vysokú teplotu topenia a vyžaduje len málo chladenia.To umožňuje značné zjednodušenie konštrukcie plazmového horáka a je dôležité na zlepšenie energetickej účinnosti horáka.Elektródy sú axiálne posuvné navzájom voči sebe. Vzájomné nastavenie elektród poskytuje možnosť zmeny priememej diaľky oblúka, a tým i pracovného napätia, ktoré opäť ovplyvňuje tepelný výkon. Ďalej, tvar oblúka môže byť menený. Ak sa vonkajšia elektróda nastaví tak, že vyčnieva zo stredovej elektródy, plazmová zóna na seba zoberie lievikovitý tvar a prenesie intenzívny zdroj tepla do reagujúcej zložky, ktorá je privádzaná do stredu plazmovej zóny. Pri nastavení stredovej elektródy tak, že vyčnieva zvonka vonkajšej elektródy, plazmová zóna na seba vezme špicatý tvar a prevedie väčší podiel tepla do obklopujúcej komory a menej priamo do stredom privádzanej reagujúcej zložky. Axiálna poloha elektród tak môže byť nastavená podľa vlastností ohrievaného média.Plazmový horák je napájaný elektrickou energiou z energetického zdroja. Elektródy sú napojené na energetický zdroj pomocou vodičov, chladených podľa potreby. Plazmový horák môže byť napájaný stríedavým prúdom alebo výhodnejednosmerným prúdom.Elektródy plazmového horáka môžu byť napojené dvoma spôsobmi. Pomocná elektróda môže byť bud spojená so stredovou elektródou alebo s vonkajšou elektródou. Pri použití jednosmerného prúdu je preto možné použiť štyri rôzne zapojenia.Jedno možné zapojenie je tvorené prepojením pomocnej elektródy s vonkajšou elektródou tak, aby obe tieto elektródy mali rovnaké napätie. Prednostne sú pripojené na kladne napätie a tvoria anódu. Stredová elektróda je potom pripojená na zápomé napätie a tvori katódu.Pri tomto zapojení je možné zameniť polaritu na umožnenie pripojenia stredovej elektródy na kladné napätie ako anódu a zhora uvedené prepojené elektródy pripojiť na zápomé napätie ako katódu.Iné možné zapojenie je spojenie pomocnej elektródy so stredovou elektródou, takže tieto dve elektródy budú mať rovnaké napätie. Potom môžu byť pripojené výhodne na kladné napätie ako katóda. Rovnako v tomto zapojení je možné polaritu elektród zameniť na umožnenie pripojenia spojených dvoch elektród na zápome napätie, takže tvorí katódu, a vonkajšiu elektródu na kladné napätie, takže tvorí anódu.Pri použití prvého spomenutého zapojenia je vonkajšia elektróda a jej držiak spolu s pomocnou elektródou a jej držiakom výhodne uzemnená. A preto nenastáva nebezpečný stav, keď sa spomínané dve elektródy a ich držiaky vzájomne dotýkajú. Stredová elektróda a jej držiak sú pod určitým napätím proti uzemnenia a elektricky izolované od zariadenia použitom na axiálne polohovanie.Účelom konštrukcie horáka s vonkajšou elektródou a vnútornou pomocnou elektródou, ktoré sú pripojené na to isté napätie je docieliť spoľahlivé zapaľovanie oblúkom a stabilné movuzapaľovacie zariadenie na plazmový horák.Pomocná elektróda je životne dôležitá pri štartovam horáka so studeným plazmovým plynom a na docielenie stabilnej prevádzky pri nízkych teplotách elektródy.Skúšky takisto ukázali, že horák vybavený pomocnou elektródou poskytuje stabilnú prevádzku pri nižšej teplote elektródy, než horák bez pomocnej elektródy pri použití toho istého plazmového plynu.Pomocná elektróda poskytuje spoľahlivé zapaľovanie horáka pri napätí dodanom na elektródu. Pomocná elektróda je umiestnená tak blízko stredovej elektródy,že elektrická iskra preskočí medzi nimi po dodaní napätia a vytvorí sa okamžite oblúk. Pomocná elektróda preto môže byť charakterizovaná ako zapaľovacia elektróda. Vzdialenosť zvolená medzi elektródami je v prvom rade určemá pracovným napätím, ale tiež závisí od iných faktorov, ako napríklad od použitého typu plazrnu tvoriaceho plynu.Magnetické sily presunú oblúk na koniec elektród,von do priestoru mimo konca elektród, a ak je oblúk raz zapálený, má schopnosť docieliť väčšiu diaľku pri rovnakom napätí medzi elektródami. Tým sa pätný bod na pomocnej elektróde presunie smerom von, až preskočí na vonkajšiu elektróda, ktorá má rovnaké napätie. Pretože sa táto udalosť deje veľmi rýchlo, dôjde len k malej erózii pomocnej elektródy v porovnani s eróziou vonkajšej a stredovej elektródy, kde oblúk má svoje pätné body väčšinu času.Pomocná elektróda môže byť presúvaná v axiálnom smere voči vonkajšej elektróde. Počas prevádzky je stialmutá, ale len dosť ďaleko na zaistenie toho, aby povrch stredovej elektródy bol priamo nad koncom pomocnej elektródy a jeho teplota bola dostatočne vysoká ,aby mohla vysielat elektróny a tým znovu zaistiť zapálenie. Pomocná elektróda je však dostatočne stiahnuté,aby sa na nej zabránilo trvalej tvorbe pätného bodu oblúka.Vonkajšie a vnútorné elektródy majú rovnaké napätie. Prepojenie je možné vnútri alebo zvonka horáka. Ak sa prepojenie vykoná vnútri horáka, obyčajne sa nepoužije izolácia medzi týmito dvoma elektródami.Na nastavenie axiálnej polohy pomocnej elektródy sa môže zaistiť riadiaci systém, čím sa minimalizuje priememá intenzita prúdu pretekajúceho touto elektródou. Tým sa podstatne zníži opotrebenie pomocnej elektródy. Vonkajšia a pomocná elektróda sú v tomto prípade vzájomne odizolované. Elektrický prúd tečúci týmito elektródami sa potom môže merať nezávisle od seba a napájacie hodnoty sa potom môžu zavádzať do riadiaceho systému.Bolo zistené, že oblúk v plazmových horákoch konštruovaných podľa tohto vynálezu je tlačený smerom ku koncom elektród a von do priestoru zvonka koncov elektród. Je to výsledok elektromagnetických síl vytvorených oblúkom a skutočnosťou, že napájajúci plyn tlači oblúk smerom von. Nakoniec sa oblúk môže natialmuť natoľko, že sa pretrhne a následkom toho zhasne.Ak oblúk zhasne medzi vonkajšou a stredovou elektródou, bude okamžite movu zapálený medzi pomocnou a stredovou elektródou. Bolo zistené, že v priebehu normálnej prevádzky je oblúk ustavične zhasínaný a musí byť znovu zapaľovaný, čo robí pomocnú elektródu podľa opisu absolútne nevyhnutnou pre nepretržitú pre 10vádzku plazmového horaka podľa vynalezu.Plazmový horák je vybavený prstencovou budiacou cievkou alebo prstencovým permanentným rnagnetorn,umiestneným z vonkajšej strany elektród bud okolo koncov elektród v oblasti horáka, kde sa vytvára oblúk,alebo blízko tejto oblasti. Budiaca Cievka alebo permanentný magnet sú umiestnené tak, že sa v tejto oblasti vytvára axiálne magnetické pole, čím spôsobujú rotáciu oblúka okolo stredovej osi horáka. To je dôležité pre prevádzkovú stabilitu horáka.Pozdlž stredovej osi horáka je možné umiestniť jedno alebo viac telies z feromagnetického materiálu. Toto teleso sústredí magnetické pole do prevádzkovej oblasti oblúka a, ak je to žiaduce, presunie magnetické pole z oblasti so silnej ším magnetickým poľom do zóny oblúka. Tieto telesá a ich tuniestrtenie sú opísane v nórskej prihláške vynálezov č. 91 4910.Ďalej, magnetické pole zabráni oblúku v sťahovaní sa z konkrétneho bodu na vnútornej elektróde do konkrétneho bodu na vonkajšej elektróde, čím sa vytvárajú krátery a poškodzuje sa povrch elektród. Vplyvom magnetického poľa bude oblúk rotovať pozdĺž obvodu týchto elektród, čím sa docieli rovnomemá erózia povrchu elektród a podstatné zníženie opotrebenia elektród. V dôsledku toho je možné znížiť energetické zaťaženie elektród.V nasledujúcej časti bude vynález detailnejšie opísaný s odvolaním sa na výkresy, ktoré schematicky znázorňujú vytvorenie plazmového horáka.Prehľad obrázkov na výkreseNa obr. 1 je znázornený zvislý rez plazmovým horákom podľa vynálezu.Plazmový horák zobrazený v obr. l sa skladá z vonkajšej elektródy l, pomocnej elektródy 2 a stredovej elektródy 3. Elektródy sú trubícového tvaru a sú umiestnene súosovo, jedna v druhej. Elektródy môžu byť posúvané axiálne navzájom voči sebe. Zariadenie na axialne nastavenie elektród, napr. hydraulické alebo pneumatické priamočiare motory, nie je na obr. l zahmuté.Elektródy sú tuhé a môžu byť odtaviteľné, t. j. môžu byť trvalo posúvané dopredu v priebehu svojej erózie a opotrebenia. Preto nepotrebujú vnútorné chladenie. Tato skutočnosť predstavuje podstatné zjednodušenie plazmového horáka. Všetky typy elektricky vodivého nekovového materiálu môžu byť použite na elektródy, výhodne ale materiály s vysokou teplotou topenia, ako napr. karbid kremíka alebo grafit. Voľba materiálu bude tiež závisieť od ich odolnosti voči atmosfére v oblasti aplikácie v priebehu príslušného procesu.Plazmový horák je na jednom konci uzatvorený prstencovými izolačnými diskami 5, 6 a 7. Izolačné disky súčasne slúžia ako tesnenie medzi elektródami. Plazmu tvoriaci plyn a/alebo reagujúca zložka môžu byť privedené stredovou elektródou 3 a prstencovými medzerami medzi elektródami. Prívodné potrubie pre plyn do plazmového horáka izolačnými diskami nie je zahrnuté do výkresu.Plazmový horák je konštruovaný na umožnenieprívodu reagujúcej zložky stredovej elektródy 3 samostatnou prívodnou trubicou 4. Vhodná prívodná trubice je napr. opísaná v nórskej prihláške vynálezu č. 91 491 l. Pretože elektródy sú výhodne odtaviteľné, stredová elektróda 3 sa môže v priebehu prevádzky vysúvať a pohybovať axialne, čím je množnené nastavenie jej konca podľa potreby.Elektródy sú napájané elektrickou energiou z centrálneho zdroja, ktorý však na obr. l nie je zamačený. Elektródy sú napájané elektrickou energiou pomocou káblov 8, 9 a 10, naznačenýchna obr. l čiarami.Kábel 10 vonkajšej elektródy a kábel stredovej elektródy 9 sú vzájomne prepojené z vonkajšej strany horáka prepojením alebo spojkovou doskou 11. Toto spojenie je vykonané pred pripojením alebo zahmutím akýchkoľvek meracích prístrojov na zámam prúdu tečúceho elektródami. Vonkaj šia elektróda 1 a pomocná (medziležiaca) elektróda 2 sú preto na rovnakom napätí a sú výhodne pripojene na kladné napätie a tvoria anódu. Stredovà elektróda 3 je výhodne pripojená na zápomé napätie a tvorí katódu.Prstencová budiaca cievka 12 alebo prstencový permanentný magnet sú usporiadané okolo elektród, prednostne zvonka oblasti, v ktorej sa vytvára oblúk. Budiaca cievka 12 alebo permanentný magnet vzbudí v tejto oblasti horáka magnetické pole.Pomocná elektróda 2 a stredové elektróda 3 sú dimenzované tak, že radiálna vzdialenosť medzi nimi je malá. Pri dodaní napätia preskočí iskra medzi oboma elektródami a vytvorí sa oblúk. Pracovné napätie a vzdialenosť medzi elektródami sú také, že vždy príde k preskoku iskry. Týmto spôsobom je preto docielené spoľahlivé zapaľovanie plazmového horáka.Magnetické sily presunú oblúk na koniec elektród po zapálení oblúka má tento schopnosť docieliť väčšiu diaľku pri rovnakom napätí medzi elektródami. Pätný bod oblúka sa presunie za pomocnú elektródu 2 radiálnym smerom priečne na vonkajšiu elektródu 1 s rovnakým napätim. Po zapálení oblúka sa tento preto bude pohybovať medzi stredovou elektródou 3 a vonkajšou elektródou 1.Pomocná elektróda 2 je posuvná v axiálnom smere. Počas prevádzky je táto elektróda stiahnutá z plazmovej zóny. Pomocná elektróda 2 je potom dostatočne ďaleko stialmutá, aby sa na nej zabránilo akémukoľvek ďalšiemu vytvoreniu pätného bodu oblúka ten potom dáva prednosť putovať z vonkajšej elektródy 1 priečne ku stredovej elektróde. Optimálna poloha pomocnej elektródy 2 sa môže nastaviť pomocou ovládacieho zariadenia, ktoré napr. meria ňou pretekajúci prúd. optimálna poloha sa docieli, ked priemerná intenzita prúdu pretekajúceho pomocnou elektródou 2 dosiahneV plazmovom horáku podľa vynálezu je oblúk vytláčaný z koncov elektród. Dôvodom tohto javu sú separatne elektromagnetické sily v oblúku a plyn tečúci v priestore medzi elektródarni, ktorými je oblúk vytláčaný von. Nakoniec sa oblúk natialme natoľko, že sa preruší a zhasne.Ak zhasne oblúk medzi vonkajšou elektródou 1 a stredovou elektródou 3, zapáli sa ihneď znovu medzi pomocnou elektródou 2 a stredovou elektródou 3. Intenzita poľa medzi týmito elektródami je dostatočná na umďmenie vyžarovania elektrónov z povrchu katódy,ktorá má dostatočne vysokú teplotu, takže okamžite nastane znovuzapálenie oblúka. Týmto nedôjde k zaznamenaniu prerušenia energie, pretože hlavný prúd sa presunie z vonkajšej elektródy l na pomocnú elektródu 2.Pätný bod oblúka sa potom presunie z pomocnej elektródy 2 na vonkajšiu elektródu l. Elektródy majú takú vysokú teplotu, že vyžarujú elektróny do ich obklopujúcej oblasti a oblúk medzi vonkajšou elektródou 1 a stredovou elektródou 3 sa obnoví už po niekoľkých milisektmdách po tom, čo zhasol.Bolo zistené, že v priebehu prevádzky je oblúk sústavne zhášaný a znovu zapaľovaný, ako je to už opísané. Pomocná elektróda 2, ktorá môže byť tiež označená ako zapaľovacia elektróda, je preto absolútne neodmysliteľná pre plynulú prevádzku plazmového horáka podľa vynálezu.l. Plazmový horák s neprenesenýrn oblúkom, vytvorený na dodávame energie, napr. chemickým procesom, pričom plamiový horák sa skladá z niekoľkých trubicových elektród usporiadaných súosovo, jedna v druhej, pričom elektródy sú prednostné vzájomne elektricky izolované a sú vybavené napojením na zdroj elektrickej energie a môžu byť pripojené na striedavý alebo jednosmemý prúd a sú vybavené axiálnym magnetickým poľom v prevádzkovej oblasti oblúka, pričom elektródy sú zhotovené z nekovového materiálu s vysokou teplotou topenia, a pričom plazmu tvoriaci plyn a/alebo reagujúca zložka môže byť privádzaná stredovou elektródou a prstencovýrni priestormi medzi elektródamkvyznačujúci sa tým,žesúpoužité najmenej tri elektródy, ktoré tvoria súpravu skladajúcu sa z vonkajšej elektródy (l), pomocnej elektródy (2) a stredovej elektródy (3), pričom tieto elektródy(l, 2 a 3) môžu byť posúvané axiálne voči sebe a pričom pomocná elektróda (2) tvorí zapaľovaciu elektródu, ktorá je trvalo elektricky pripojená k jednej z ostatných elektród (l, 3), takže tieto dve elektródy (2,l) alebo (2, 3) majú zhodnú polaritu a napätie, pričom pomocná elektróda (2) môže byť stiahnuta z plazmovej zóny.2. Plazmový horák podľa nároku l, v y z n a čujúci sa tým,žemákontrolný systémna nastavenie vzdialenosti vonkajšej elektródy (2) V plazmovej zóne tak, aby pretekajúci prúd bol minimálny.3. Plazmový horák podľa nároku l, V y z n a čujúcí sa tým,žeradiálnavzdialenosťmedzi pomocnou elektródou (2), pripojenou na jeden pól,a elektródou (l alebo 3), pripojenou na druhý pól elektrického zdroja, je dimenzovaná tak, aby pri pripojení pracovného napätia medzi nimi preskočila elektrická iskra.

MPK / Značky

MPK: H05H 1/34

Značky: chemické, zariadenie, hořákové, procesy

Odkaz

<a href="http://skpatents.com/5-278393-horakove-zariadenie-na-chemicke-procesy.html" rel="bookmark" title="Databáza patentov Slovenska">Horákové zariadenie na chemické procesy</a>

Podobne patenty