一种环状阵列式直流电弧等离子体加热器及加热方法与流程

1.本发明属于等离子体加热技术领域，具体涉及一种环状阵列式直流电弧等离子体加热器及加热方法。


背景技术：

2.工业生产中常常有金属熔炼和非金属熔化等原材料加热需求，这种原材料加热过程往往需要消耗大量能源并产生污染物排放。在当前能源日趋紧张和国家双碳战略的背景下，对能源利用和环境保护提出了更高的技术要求。
3.目前工业生产过程中的常用加热方式包括焦炭加热、电磁感应加热和油、气燃烧火焰加热。焦炭加热由于环境污染大、能源利用率低已经基本取消。电磁感应加热只能加热金属，对非金属材料无法实现高频感应加热，且由于电力紧张，一次性投资大，需要避让错峰等原因，一些中小型企业无法普及，主要采用燃气火焰加热方法居多。
4.一般燃气燃烧火焰加热是传统的以自由火焰为特征的空间燃烧，由于气体的导热和辐射性能较差，使得火焰面附近温度梯度很陡，分布不均匀，容易形成局部高温区，并且火焰面很窄，造成大量氮氧化合物生成；这种燃烧方式还需要较大的空间，要求燃烧设备体积庞大，燃烧稳定性差、负荷调节能力小。高温烟气经除尘后直接排入大气，能源浪费极大，有效热利用率低，对环境造成很大的污染。
5.随着工业可持续发展改革的提出，绿色环保的能源利用越来越急迫。需要针对绿色工业能源需求，在技术上改进燃烧加热方法，提高能源利用效率，实现能源高效清洁利用与降低生态环境压力，达到节能环保与工业发展的平衡。为此，我们提出一种环状阵列式直流电弧等离子体加热器及加热方法，以解决现有燃烧设备体积庞大，燃烧稳定性差、负荷调节能力小的技术问题、能源浪费极大，有效热利用率低、环境污染严重等问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种环状阵列式直流电弧等离子体加热器及加热方法，以解决上述背景技术中提出的问题。本发明的目的是采用直流电弧等离子体放电技术高效利用电能电离空气，获得精确可调的高温等离子体火焰，加热熔融固体，改进燃烧加热方法，提高能源利用效率。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种环状阵列式直流电弧等离子体加热器，包括等离子体加热器本体，所述等离子体加热器本体侧面均布有若干个等离子体发生器，所述等离子体发生器包括负极本体，所述负极本体为采用抗烧蚀的金属材质制成的中空圆柱形结构，其上方开设有工作气体入口，负极本体右端设有高温等离子体喷口，负极本体左端设有用于安装定位中心正极的第一绝缘筒和第二绝缘筒；
8.所述中心正极固定在负极本体左端内腔，中心正极采用抗烧蚀的金属材质制成，其右端为锥状放电尖端，左端设置螺纹，中间设有凸起台阶，凸起台阶用于限定中心正极固定在负极本体内腔里的位置；
9.所述第一绝缘筒和第二绝缘筒均套设在中心正极外侧，且第二绝缘筒通过中心正极左端的螺纹螺接在中心正极左端外侧；
10.所述第二绝缘筒外侧套设有负极压螺盖，且负极压螺盖螺接于负极本体的左端外侧；
11.所述第一绝缘筒和第二绝缘筒均为采用抗烧蚀绝缘材料制成的圆筒状结构，用于保证负极本体和中心正极的正负极间的电气绝缘；
12.所述负极压螺盖为金属材质，用于固定负极本体、中心正极和第一绝缘筒、第二绝缘筒，保证等离子体发生器的整体结构强度；
13.所述等离子体加热器本体内腔靠近等离子体发生器的高温等离子体喷口下方设置有用于固定筛网的台阶，若干个等离子体发生器均通过放电开关电性连接于等离子体驱动电源。
14.本发明还提供了一种环状阵列式直流电弧等离子体加热器的加热方法，具体包括以下步骤：
15.s1、装配同轴部件负极本体、中心正极、第一绝缘筒、第二绝缘筒和负极压螺盖，完成等离子体发生器的组装；
16.s2、然后将筛网放置到等离子体加热器本体的内腔里，将等离子体发生器固接到等离子体加热器本体上；
17.s3、将等离子体驱动电源的正极与等离子体发生器的中心正极相连接，将等离子体驱动电源的负极与等离子体加热器本体相连接；
18.s4、工作时，闭合放电开关，等离子体驱动电源向等离子体发生器释放电能，使得负极本体和中心正极间的空气被电离击穿，产生高温等离子体，并随着气流的流动由高温等离子体喷口喷射入等离子体加热器本体的内腔，熔融气化筛网上方的待加热固体，熔化后的液体经筛网的网孔流到下方。
19.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供的一种环状阵列式直流电弧等离子体加热器及加热方法，本发明利用直流电流电离空气所产生的高温等离子体火焰来完成固体加热和熔融。通过选择和控制等离子体驱动电源的电流电压幅值，可有效调节和获得不同温度状态的等离子体火焰，从而获得不同程度和范围的加热区域，适应不同固体材料的加热熔融需求。
20.本发明不涉及气液态燃料，大大提高了作业安全性和储运勤务便捷性。该装置工作时，空气电离可形成等离子体火焰，加热过程中高温等离子体火焰与固体直接作用，能量利用效率高，加热效果好，余气污染物较少。且火焰温度状态与驱动电流直接相关，受环境影响较小，装置体积紧凑、节能环保、具有较宽的负荷调节范围。
附图说明
21.图1为本发明的等离子体加热器本体、等离子体发生器和筛网安装的侧剖结构示意图；
22.图2为本发明的等离子体发生器、放电开关和等离子体驱动电源连接的结构示意图；
23.图3为本发明的等离子体发生器的剖视结构示意图。
24.图中：1、等离子体加热器本体；2、等离子体发生器；21、负极本体；22、中心正极；23、第一绝缘筒；24、第二绝缘筒；25、负极压螺盖；26、高温等离子体喷口；27、工作气体入口；3、筛网；4、放电开关；5、等离子体驱动电源。
具体实施方式
25.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.本发明提供了如图1-3的一种环状阵列式直流电弧等离子体加热器，包括等离子体加热器本体1，所述等离子体加热器本体1侧面均布有若干个等离子体发生器2，所述等离子体发生器2包括负极本体21，所述负极本体21为采用抗烧蚀的金属材质制成的中空圆柱形结构，其上方开设有工作气体入口27，负极本体21右端设有高温等离子体喷口26，负极本体21左端设有用于安装定位中心正极22的第一绝缘筒23和第二绝缘筒24；
27.所述中心正极22固定在负极本体21左端内腔，中心正极22采用抗烧蚀的金属材质制成，其右端为锥状放电尖端，左端设置螺纹，中间设有凸起台阶，凸起台阶用于限定中心正极22固定在负极本体21内腔里的位置；
28.所述第一绝缘筒23和第二绝缘筒24均套设在中心正极22外侧，且第二绝缘筒24通过中心正极22左端的螺纹螺接在中心正极22左端外侧；
29.所述第二绝缘筒24外侧套设有负极压螺盖25，且负极压螺盖25螺接于负极本体21的左端外侧；
30.所述第一绝缘筒23和第二绝缘筒24均为采用抗烧蚀绝缘材料制成的圆筒状结构，用于保证负极本体21和中心正极22的正负极间的电气绝缘；
31.所述负极压螺盖25为金属材质，用于固定负极本体21、中心正极22和第一绝缘筒23、第二绝缘筒24，保证等离子体发生器2的整体结构强度；
32.所述等离子体加热器本体1内腔靠近等离子体发生器2的高温等离子体喷口26下方设置有用于固定筛网3的台阶，若干个等离子体发生器2均通过放电开关4电性连接于等离子体驱动电源5。
33.所述等离子体加热器本体1为耐高温金属材质的中空圆柱形，根据实际需要调整等离子体发生器2的数量。
34.所述等离子体加热器本体1的上下端面设置有与上下游设备连接的连接法兰或螺纹。
35.所述筛网3为耐高温金属材质制成，用于承接被加热固体，被加热固体加热熔化后形成的液体在重力作用下经筛网3的网孔流入下游设备。
36.所述放电开关4用于控制等离子体发生器2的工作状态，等离子体驱动电源5为等离子体发生器2提供直流电能。
37.一种环状阵列式直流电弧等离子体加热器主要包括等离子体加热器本体1、等离子体发生器2、筛网3、放电开关4和等离子体驱动电源5。
38.等离子体加热器本体1为耐高温金属材质的中空圆柱形，侧面均布等离子体发生
器2(本实施例中为4个，可根据实际需要调整数量)，上下端面设置连接法兰或螺纹，便于与上下游设备连接，图2中为法兰接口示意。
39.等离子体加热器本体1内腔靠近等离子体发生器2喷口下方设置台阶，用于固定筛网3，等离子体加热器本体1外壳作为放电回路的共用负极。筛网3为耐高温金属材质制成，用于承接被加热固体。
40.该结构布局能够保证固体进入加热器后其底层的固体首先受热熔化，同时上升的高温气体预热上层的待加热固体。固体加热熔化后形成的液体在重力作用下经筛网3的网孔流入下游设备。放电开关4用于控制等离子体发生器2的工作状态，等离子体驱动电源5为等离子体发生器2提供直流电能，放电开关4和等离子体驱动电源5均为现有成熟技术，本发明不再展开叙述。
41.等离子体发生器2的主要结构如图3所示，包括负极本体21、中心正极22、第一绝缘筒23、第二绝缘筒24、负极压螺盖25、高温等离子体喷口26和工作气体入口27。负极本体21采用抗烧蚀的金属材质的中空圆柱形结构，上方适当位置开设工作气体入口27，右端为高温等离子体喷口26，左端用于安装定位中心正极22和第一绝缘筒23。中心正极22采用抗烧蚀的金属材质制成，右端为锥状放电尖端，左端设置螺纹，中间凸起台阶用于固定中心正极22在负极本体21内腔里的位置。第一绝缘筒23和第二绝缘筒24均采用抗烧蚀绝缘材料制成的圆筒状结构，用于保证正负极间的电气绝缘。负极压螺盖25为金属材质，用于固定正负极和极间绝缘筒，保证等离子体发生器2的整体结构强度。
42.本发明还提供了一种环状阵列式直流电弧等离子体加热器的加热方法，具体包括以下步骤：
43.s1、装配同轴部件负极本体21、中心正极22、第一绝缘筒23、第二绝缘筒24和负极压螺盖25，完成等离子体发生器2的组装；
44.s2、然后将筛网3放置到等离子体加热器本体1的内腔里，将等离子体发生器2固接到等离子体加热器本体1上；
45.s3、将等离子体驱动电源5的正极与等离子体发生器2的中心正极22相连接，将等离子体驱动电源5的负极与等离子体加热器本体1相连接；
46.s4、工作时，闭合放电开关4，等离子体驱动电源5向等离子体发生器2释放电能，使得负极本体21和中心正极22间的空气被电离击穿，产生高温等离子体，并随着气流的流动由高温等离子体喷口26喷射入等离子体加热器本体1的内腔，熔融气化筛网3上方的待加热固体，熔化后的液体经筛网3的网孔流到下方。
47.通过选择和控制等离子体驱动电源5的电流电压幅值，可有效调节和获得不同温度状态的等离子体火焰，从而获得不同程度和范围的固体加热区域。
48.综上所述，与现有技术相比，本发明利用直流电流电离空气所产生的高温等离子体火焰来完成固体加热和熔融。通过选择和控制等离子体驱动电源的电流电压幅值，可有效调节和获得不同温度状态的等离子体火焰，从而获得不同程度和范围的加热区域，适应不同固体材料的加热熔融需求。
49.本发明不涉及气液态燃料，大大提高了作业安全性和储运勤务便捷性。该装置工作时，空气电离可形成等离子体火焰，加热过程中高温等离子体火焰与固体直接作用，能量利用效率高，加热效果好，余气污染物较少。且火焰温度状态与驱动电流直接相关，受环境
影响较小，装置体积紧凑、节能环保、具有较宽的负荷调节范围。
50.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。