Устройство для высокотемпературного плазменного нагрева дутья
DEVICE FOR HIGH-TEMPERATURE PLASMA BLAST HEATING

Изобретение относится к устройствам получения горячего дутья для промышленности, в частности, для доменных печей и устройств.
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.
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.
а
Для получения высокотемпературного дутья, с повышенным КПД, без ограничений по ресурсу непрерывной работы, предлагается устройство для высокотемпературного плазменного нагрева дутья 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.
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).
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.
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.
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.
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.
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.
Каждый их электродов электродных узлов плазменного нагревателя соединен соответствующими токоподводами с источником питания плазменной дуги.
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.
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.
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.
Температура подаваемого на вход нагревателя газа не превышает предельной рабочей температуры стенок газового тракта, и может достигать 1000 и более градусов Цельсия.
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.
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.
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.
Перемещением электродных узлов плазменного нагревателя обеспечивают заданную длину плазменной дуги и мощность плазмотронов.
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.
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.
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.
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.