ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ПЛАЗМОТРОН ДЛЯ СЖИГАНИЯ ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ
ELECTRIC ARC PLASMATRON FOR COMBUSTION OF SOLID WASTES

Изобретение относится к области электротермической техники, а именно к устройствам, вырабатывающим плазму для сжигания твердых отходов в электродуговых камерах сжигания.
Известен электродуговой нагреватель газа постоянного тока, содержащий разрядную камеру, катодный узел и выполненный в виде, по меньшей мере, двух одинаковых плазмотронов, каждый из которых снабжен торцевым и выходным вспомогательным электродами, катодный узел выполнен в виде, по меньшей мере, двух одинаковых плазмотронов, каждый из которых снабжен торцевым и выходным вспомогательными электродами заданного диаметра [1].
Недостатком данного устройства является сложность регулирования производительности плазмотрона.
Известен также электродуговой плазмотрон, содержащий анодный и катодный блоки, расположенные соосно вдоль оси плазмотрона, разделенные изолятором, в котором имеется узел подачи рабочего плазмообразующего газа в электро-газоразрядную камеру, при этом в анодном и катодном блоках имеются входное и выходное отверстия и полости для прохождения охлаждающего агента, кроме того в анодном блоке имеется радиальное отверстие для ввода порошкового материала. В анодном и катодном блоках дополнительно имеются отверстия, в которых закреплены штуцеры, при этом дополнительные отверстия расположены с диаметрально противоположной стороны относительно входного анодного и катодного отверстий, при этом дополнительные штуцеры соединены дугообразным электроизоляционным трубопроводом для прохождения охлаждающего агента из анодного в катодный блок, концы которого закреплены на анодном выходном и катодном входном штуцерах [2].
Недостатком данного устройства является сложность конструкции, и сложность регулирования подачи энергии и регулирования температуры в объеме электро-газоразрядной камеры.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является электродуговой плазмотрон, содержащий расположенный вертикально трубчатый корпус, выполненный из непроводящего ток тугоплавкого материала, с двумя герметичными крышками, в трубчатом корпусе перпендикулярно оси щелевой камеры выполнены два расположенных друг против друга отверстия, в одном из которых установлен анодный электрод, а в другом - катодный электрод, которые подключены к блоку питания с регулируемым по уровню и постоянным по знаку напряжением, а также к блоку зажигания дуги. Соосно с трубчатым корпусом установлен трубчатый магнитопровод, внутренний диаметр которого больше наружного диаметра трубчатого корпуса, в полости трубчатого магнитопровода между его внутренней поверхностью и внешней поверхностью корпуса расположены два полюса с обмотками, подключенными к другому источнику регулируемого напряжения постоянного тока, причем ось полюсов расположена перпендикулярно по отношению к оси положения электродов. В трубчатом корпусе выполнены отверстия для подачи плазмообразующего газа. В верхней крышке выполнены каналы для подвода сжигаемого материала и отвода газообразных продуктов горения, в нижней крышке - канал для отвода несгоревших остатков [3].
Недостатком данного плазмотрона является низкая производительность, из-за большого интервала времени, требуемого на замену электродов, вследствие выгорания электродов в процессе горения дуги, и новый запуск установки. Для нового зажигания дуги требуется специальный блок.
Задачей изобретения является повышение производительности и эффективности действия электродугового плазмотрона при сжигании промышленных отходов.
Решение поставленной задачи достигается тем, что электродуговой плазмотрон для сжигания твердых отходов, содержащий вертикально установленный трубчатый корпус, герметично закрытый с торцов крышками, выполненный из непроводящего ток тугоплавкого материала, внутренняя полость которого образует продольную камеру, в верхней крышке трубчатого корпуса выполнены окно для подачи сжигаемых материалов, герметично закрытое заглушкой, а так же отверстие для отвода газообразных продуктов горения, в трубчатом корпусе выполнены два расположенных друг против друга отверстия, в которых установлены анодный и катодный электроды, подключенные к блоку питания с регулируемым по уровню и постоянным по знаку напряжением, соосно с трубчатым корпусом установлен трубчатый магнитопровод, внутренний диаметр которого больше наружного диаметра трубчатого корпуса, в полости трубчатого магнитопровода между его внутренней поверхностью и внешней поверхностью трубчатого корпуса расположены два полюса с обмотками, подключенными к другому источнику регулируемого напряжения постоянного тока, ось полюсов расположена перпендикулярно по отношению к электродам, в трубчатом корпусе выше уровня расположения горящей дуги выполнены отверстия, наклоненные вниз в направлении расположения нижней точки горения дуги, которые соединены с узлом подачи рабочего плазмообразующего газа, отверстия в трубчатом корпусе для установки электродов выполнены с наклоном вниз в направлении к точке пересечения оси трубчатого корпуса с максимально допустимым уровнем сжигаемых твердых отходов, верхний край полюсов находится на одном уровне с нижними концами электродов, на внутренней поверхности нижней крышки трубчатого корпуса размещена спиралевидная обмотка из проводящего тугоплавкого неизолированного материала, концы которой выведены через отверстия, выполненные в нижней крышке, и подключены к еще одному регулируемому источнику электроэнергии, сверху обмотка закрыта пластиной из непроводящего тугоплавкого материала, прикрепленной к нижней крышке, нижняя крышка выполнена подвижной и соединена с реверсивным приводом ее открывания и закрывания, части электродов, находящиеся вне трубчатого корпуса, соединены с реверсивными толкателями и устройствами их наращивания.
На чертеже приведены продольный и поперечный разрезы плазмотрона.
Устройство содержит вертикально расположенный трубчатый корпус 1, выполненный из непроводящего электрический ток тугоплавкого материала, имеющего в стенке два сквозных отверстия, расположенных друг против друга и выполненных с наклоном вниз к оси трубчатого корпуса, в которых находятся наклоненные вниз анодный электрод 2 и катодный электрод 3, наружные концы которых подключены к выходам блока питания 4 с регулируемым по уровню и постоянным по знаку напряжением. Между электродами 2 и 3 имеется промежуток, через который в рабочем состоянии проходит электрическая дуга. Оба торцевых конца трубчатого корпуса герметично закрыты крышками из непроводящего электрический ток тугоплавкого материала верхней 5 и подвижной нижней 6. Корпус 1 и крышки 5 и 6 образуют рабочую камеру. Соосно с трубчатым корпусом установлен трубчатый магнитопровод 7, внутренние размеры полости которого больше наружных размеров трубчатого корпуса 1. В полости трубчатого магнитопровода между его внутренней поверхностью и внешней поверхностью корпуса соосно расположены два полюса 8 и 9 с обмотками 10, выводы которых подключены к источнику регулируемого напряжения постоянного тока 11, причем ось полюсов 8 и 9 расположена перпендикулярно по отношению к электродам 2 и 3, а верхний край полюсов 8 и 9 находится на одном уровне с нижними концами электродов 2 и 3. Анодный электрод 2 и катодный электрод 3 первоначально сближаются с помощью реверсивных толкателей 12 и 13 до момента контакта и загорания дуги, а затем разводятся реверсивными толкателями 12 и 13 на заданное расстояние, обеспечивающее устойчивое горение дуги. В верхней крышке 5 выполнено герметично закрываемое заглушкой 14 окно для подачи сжигаемого материала и отверстие 15 для удаления газов, образующиеся в результате сгорания загруженного материала. В трубчатом корпусе 1 выше уровня расположения горящей дуги выполнены, наклоненные вниз в направлении расположения нижней точки горения дуги, отверстия 16 для подачи под давлением плазмообразующего газа от узла подачи 17. На внутренней поверхности нижней крышки 6, размещена спиралевидная обмотка из проводящего тугоплавкого неизолированного материала 18, концы обмотки 18 выведены через отверстия 19 и 20, выполненные в крышке 6, и подключены к источнику электроэнергии 21. Спираль закрыта сверху пластиной 22, выполненной из непроводящего тугоплавкого материала, круглой формы с диаметром, равным внутреннему диаметру корпуса 1, прикрепленной крышке 6.
Части электродов 2 и 3, находящиеся вне трубчатого корпуса, соединены с реверсивными толкателями 12 и 13 и устройствам их наращивания 23 и 24. Нижняя крышка 6 является подвижной, она соединена с реверсивным приводом 25, служащим для ее открывания при удалении отходов горения сжигаемого материала и последующего закрывания.
Устройство работает следующим образом.
В полость трубчатого корпуса 1 через окно 13 в верхней крышке подается сжигаемый материал, падающий под действием силы тяжести на крышку 6 с размещенной на ней спиральной проводящей обмоткой 18. Сжигаемый материал заполняет корпус до уровня горения дуги.
К аноду 2 и катоду 3 от блока питания 4 подводится напряжение, инициируется электродуговой разряд и зажигается дуга. Включают источник регулируемого напряжения постоянного тока 11, ток возбуждения протекает по обмотке 10 установленной на полюсах 8 и 9, и создает электромагнитное поле, под действием которого возникает электромагнитная сила, растягивающая дугу вниз к загруженному материалу. Отклонение дуги вниз от оси положения электродов увеличивают путем повышения тока в обмотке 10. Через отверстия 16, наклоненные вниз в направлении нижней точки горения дуги, от узла подачи 17 в рабочую камеру подается плазмообразующий газ под давлением, который проходит через дугу, и образуется плазма, сжигающая загруженный материал. Давление и объем подаваемого рабочего плазмообразующего газа регулируется узлом подачи 17. Газы, образующиеся в результате сгорания загруженного материала, поднимаются вверх и удаляются через канал 15.
При необходимости увеличения мощности, выделяемой в дуге, увеличивают напряжение, подводимое от блока питания 4 к выводам анода 2 и катода 3, при этом возрастает ток, протекающий через дугу, возрастает температура и результирующая мощность выработанной плазмы.
Для дополнительного подогрева сжигаемого материала подключают к регулируемому источнику электроэнергии 21 спиралевидную обмотку из проводящего тугоплавкого неизолированного материала 18, установленную на внутренней поверхности нижней съемной крышки 6, обращенной к полости корпуса 1. Обмотка 18 может быть выполнена из нихрома, вольфрама, или другого проводящего тугоплавкого материала. По обмотке 18 протекает ток, она нагревается до высокой температуры, что ускоряет процесс сжигания твердых отходов. Регулируя величину тока, протекающего по обмотке 18, управляют температурным режимом и скоростью сжигания твердых отходов.
Обмотка 18 закрыта пластиной 22 круглой формы с диаметром, равным внутреннему диаметру трубчатого корпуса 1, выполненной из тугоплавкого непроводящего ток материала и прикрепленной на внутренней части подвижной нижней крышки 6.
Для удаления остаточных продуктов после сжигания твердых отходов прекращают подачу плазмообразующего газа и отключают источники электропитания электродов 2 и 3, обмотки 10, и спирали 18 и открывают крышку 6 с помощью реверсивного привода 25. После удаления остаточных продуктов закрывают крышку 6 с помощью реверсивного привода 25.
Электроды 2 и 3, выполненные из проводящего материала, в процессе горения дуги подгорают и укорачиваются. Электроды могут быть выполнены, например из графита. Для поддержания постоянного расстояния между концами электродов 2 и 3, толкатели 12 и 13 осуществляет их продвижение в полость трубчатого корпуса по мере из подгорания. В устройствах 23 и 24 осуществляется удлинение электродов 2 и 3 путем механического наращивания укорачивающегося постепенно подгорающего электрода, например, с помощью токопроводящих зажимов, а также подсоединение наращенных концов электродов к блоку питания 4.
Электродуговой плазматрон для сжигания твердых отходов характеризуется простотой конструкции, обеспечивает регулирование мощности потока плазмы и подведение дополнительной регулируемой мощности за счет электрического нагрева спирали из проводящего тугоплавкого материала, что обеспечивает регулирование и стабилизацию температурных режимов и производительности установки. Выполненное с наклоном вниз положение электродов, а также смещение оси полюсов ниже уровня положения нижних концов электродов позволяет сильнее вытягивать дугу и приблизить дугу к верхнему уровню сжигаемых твердых отходов, что повышает эффективность действия плазмотрона.
Список литературы
1. А.с. СССР №599732. Электродуговой нагреватель газа постоянного тока / Жуков М.Ф., Лыткин А.Я., Худяков Г.Н., Аньшаков А.С. Опубл. 07.09.1982. Бюл. №33.
2. Патент РФ №2465748. Электродуговой плазмотрон / Мчедалов С.Г. Опубл 27.10.2012. Бюл. №30.
3. Патент на полезную модель №188618. Электродуговой плазмотрон / Мещеряков В.Н., Евсеев A.M., Пикалов В.В., Чупров В.Б., Конев В.А. Опубл. 18.04.2019. Бюл. №11.