ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ПЛАЗМОТРОН ДЛЯ СЖИГАНИЯ ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ

Полезная модель относится к области электротермической техники, а именно к устройствам, вырабатывающим плазму для сжигания твердых отходов в электродуговых камерах сжигания.
Известен 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 напротив друг 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 корпус 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 [1].
Недостатком данного плазмотрона является низкая производительность, из-за большого интервала времени, требуемого на замену электродов, вследствие сгорания электродов в процессе горения дуги, и новый запуск установки. Для нового зажигания дуги требуется специальный блок.
Известен также способ и система для обработки опасных отходов, использующий плазменную горелку. В плазменной горелке используется рабочий газ, который включает смесь углекислого газа и кислорода и исключает азот, чтобы избежать образования оксидов азота и других токсичных побочных продуктов. Плазменная горелка ионизирует рабочий газ, приводя к образованию моноксида углерода и реакционноспособного кислорода, который обеспечивает удаление сажи/копоти из отходящего газа. Кислород и пар распыляются и впрыскиваются в камеру (3), внутри которой находится система с плазменной горелкой. В системе управления процессом (6) с обратной связью регулируется содержание продуктового газа и контролируется работа форсунок и плазменной горелки [2].
Недостатком данного плазмотрона является невозможность быстрого регулирования параметров электрической дуги и объема плазмы, осуществляющей дожигание и глубокое разложение газообразных соединений.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели является 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 напротив друг 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 [3].
Недостатком данного устройства является неоднородный химический состав отводимых газов из-за неполного разложения всех газообразных соединений, что требует их дополнительного дожигания.
Задачей полезной модели является повышение эффективности действия электродугового плазмотрона и повышении качества переработки твердых отходов за счет дожигания отводимых из рабочего корпуса газов и более глубокого разложения всех газообразных соединений.
Решение поставленной задачи достигается тем, что электродуговой плазмотрон для сжигания твердых отходов содержит 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 также отверстие для отвода газообразных продуктов горения, в трубчатом корпусе выполнены два расположенных напротив друг друга отверстия с наклоном вниз в направлении к точке пересечения оси трубчатого корпуса с максимально допустимым уровнем сжигаемых твердых отходов, в которых установлены анодный и катодный электроды, подключенные к первому блоку питания с регулируемым по уровню и постоянным по знаку напряжением, соосно с трубчатым корпусом установлен первый 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 второму блоку питания с регулируемым по уровню и постоянным по знаку напряжением, ось полюсов расположена перпендикулярно по отношению к электродам, верхний край полюсов находится на одном уровне с нижними концами электродов, 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, 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, отверстие в верхней крышке для отвода газообразных продуктов горения герметично соединено с внешним трубчатым цилиндром из непроводящего ток тугоплавкого материала, в котором выполнены два расположенных напротив друг друга отверстия, в них установлены другие подвижные анодный и катодный электроды, расположенные на одной оси напротив друг друга, соединенные с устройствами наращивания и регулирования расстояния между ними, подключенные к третьему блоку питания с регулируемым по уровню и постоянным по знаку напряжением, соосно с трубчатым корпусом установлен второй трубчатый магнитопровод, внутренний диаметр которого больше наружного диаметра внешнего трубчатого цилиндра, в полости второго трубчатого магнитопровода между его внутренней поверхностью и внешней поверхностью трубчатого цилиндра расположены два полюса с обмотками, подключенными к четвертому источнику с регулируемым по уровню и постоянным по знаку напряжением, а ось полюсов расположена перпендикулярно по отношению к электродам.
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 напротив друг 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 зарываемое заглушкой 14 окно для подачи сжигаемого материала и отверстие 15 для удаления газов, образующихся 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.
Части электродов 2 и 3, находящиеся вне трубчатого корпуса, соединены с реверсивными толкателями 12 и 13 и устройствам их наращивания 18 и 19. Нижняя крышка 6 является подвижной, она соединена с реверсивным приводом 20, служащим для ее открывания при удалении отходов горения сжигаемого материала и последующего закрывания.
Отверстие 15 для отвода газообразных продуктов горения герметично соединено с внешним трубчатым цилиндром 21 из непроводящего ток тугоплавкого материала, в котором выполнены два расположенных напротив друг друга отверстия 22 и 23, в них установлены другие анодный и катодный электроды 24, 25, подключенные к третьему блоку питания с регулируемым по уровню и постоянным по знаку напряжением 26, соосно с трубчатым корпусом установлен второй трубчатый магнитопровод 27, внутренний диаметр которого больше наружного диаметра внешнего трубчатого цилиндра 21, в полости второго трубчатого магнитопровода 27 между его внутренней поверхностью и внешней поверхностью трубчатого цилиндра 21 расположены два полюса 28 и 29 с обмотками 30, подключенными к четвертому блоку питания 31 с регулируемым по уровню и постоянным по знаку напряжением, а ось полюсов 28, 29 расположена перпендикулярно по отношению к электродам 24, 25. Анодный и катодный электроды 24, 25 соединены с устройствами 32, 33 для их наращивания и регулирования расстояния между ними.
Устройство работает следующим образом.
В полость трубчатого корпуса 1 при открытой заглушке 14 через окно в верхней крышке 5 подается сжигаемый материал, падающий под действием силы тяжести на нижнюю крышку 6. 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, далее проходят через отверстие 15, попадают во внешний трубчатый цилиндр 21, дожигаются в нем за счет горения другой дуги между электродами 24, 25, и затем газообразные продукты горения удаляются.
При необходимости увеличения мощности, выделяемой в дуге электродами, находящимися в рабочем корпусе, увеличивают напряжение, подводимое от блока питания 4 к выводам анодного 2 и катодного 3 электродов, при этом возрастает ток, протекающий через дугу, возрастает температура и результирующая мощность выработанной плазмы. Стабильное положение дуги в рабочем корпусе обеспечивают путем регулирования тока в обмотках 10, расположенных на полюсах 8 и 9.
При необходимости увеличения мощности, выделяемой в дуге электродами, находящимися во внешнем трубчатом цилиндре, увеличивают напряжение, подводимое от блока питания 26 к выводам анодного 24 и катодного 25 электродов, при этом возрастает ток, протекающий через дугу, возрастает температура и результирующая мощность выработанной плазмы. Стабильное положение дуги во внешнем трубчатом цилиндре обеспечивают путем регулирования тока в обмотках 30, расположенных на полюсах 28 и 29.
Для удаления остаточных продуктов после сжигания твердых отходов прекращают подачу плазмообразующего газа и отключают источники электропитания электродов 2 и 3, а также 24 и 25, обмотки 10 и 30, открывают крышку 6 с помощью реверсивного привода 20. После удаления остаточных продуктов закрывают крышку 6 с помощью реверсивного привода 20.
Электроды 2 и 3 в процессе горения дуги подгорают и укорачиваются. Электроды могут быть выполнены, например из графита. Для поддержания постоянного расстояния между концами электродов 2 и 3, устройства 12 и 13 осуществляет их продвижение в полость трубчатого корпуса по мере из подгорания. В устройствах 18 и 19 осуществляется также удлинение электродов 2 и 3 путем механического наращивания постепенно подгорающего и укорачивающегося электрода, например, с помощью токопроводящих зажимов, а также подсоединение наращенных концов электродов к блоку питания 4.
Электроды 24 и 25 в процессе горения дуги подгорают и укорачиваются. Для поддержания постоянного расстояния между концами электродов, устройства 31 и 32 осуществляет их продвижение в полость трубчатого корпуса по мере из подгорания и удлинение электродов путем механического наращивания.
Регулирование расстояния между электродами 24,25, при регулировании тока в дуге с помощью регулируемого блока питания 26, и тока в обмотках электромагнита 30, расположенных на полюсах 28 и 29, с помощью регулируемого блока питания 31, позволяет регулировать параметры электрической дуги: длину дуги, положение дуги в трубчатом цилиндре 21, силу тока и электрическую мощность, выделяемую в дуге, и соответственно мощность потока выработанной плазмы, разлагающей газы в трубчатом цилиндре 21. Это позволяет дожигать и разлагать в трубчатом цилиндре 21 различные по своему составу газы, образующиеся при разном составе исходного сжигаемого в корпусе 1 материала, и поступающие из корпуса 1 через выходное отверстие 15 в трубчатый цилиндр 21.
Все процессы регулирования параметров электрической дуги характеризуются высоким быстродействием. Требование к высокому быстродействию процесса регулирования электрической дуги и выработки плазмы в трубчатом цилиндре 21 определяется быстрым движением дожигаемого газа.
Регулирование количества вырабатываемой плазмы осуществляется путем одновременного регулирования следующих блоков установки: блока питания дуги 4, источника регулируемого напряжения постоянного тока 11 для обмотки первого электромагнита, узла подачи плазмообразующего газа 17, блока питания дуги 26 во внешнем трубчатом цилиндре, блока 31 питания обмотки второго электромагнита.
Электродуговой плазматрон для сжигания твердых отходов характеризуется простотой конструкции, обеспечивает регулирование параметров электрической дуги и мощности потока плазмы. Дожигание газообразных продуктов горения после выхода из основной камеры, осуществляемого в трубчатом цилиндре с помощью регулируемого потока плазмы, обеспечивает более глубокое разложение всех газообразных соединений.
Список литературы
1. Патент на полезную модель №188618. Электродуговой плазмотрон / Мещеряков В.Н., Евсеев A.M., Пикапов В.В., Чупров В.Б., Конев В.А. Опубл. 18.04.2019. Бюл. №11.
2. Патент РФ №2286837. Способ и система для обработки опасных отходов / ЧАН Бенжамин Чун Понг. Опубл. 10.11.2006. Бюл. №31.
3. Патент РФ №2713736. Электродуговой плазмотрон / Мещеряков В.Н., Евсеев А.М., Пикапов В.В., Данилова О.В., Ласточкин Д.В. Опубл. 07.02.2020. Бюл. №4.