【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电弧等离子体放电，特别涉及一种用于煤气生产和加热的大功率(>100kw)电弧等离子体炬及应用。
技术介绍
1、大于100kw的大功率电弧等离子体炬(或称电弧等离子体发生器、电弧加热器等)是通过电弧加热来产生高温气体，可在氧化、还原或惰性环境下工作，可以为气化、裂解、反应、熔融和冶炼等各种功能的工业炉提供高温气体。电弧等离子体炬上有一个电极(另一个电极用工件代替)或阴阳两极，阴阳电极之间有一定的间隙，通过短路或电弧过渡方式在阴极和阳极之间电产生电弧，电弧弧柱部分或全部位于电弧通道内，在电弧通道中产生等离子体，再通过将气流通入电弧通道将等离子体热能带出，产生高温进行加热。
2、大功率电弧等离子体炬广泛应用于冶金、材料、化工和废物处理等工业领域。但在工业应用过程中还存在很多问题：
3、大功率等离子体炬的有很大的热损耗，可以达到10％～40％，是影响应用经济性的主要因素；并且，需要冷却功率非常巨大，等离子体炬的冷却结构的设计也是一个难题。故降低等离子体炬热损耗、提高等离子体炬的热效率，并简化等离子体炬的结构具有巨大的经济效益和实用价值。专利gb1380966a提出了一种液态水发散冷却电弧等离子体炬电弧管壁的技术，原理上解决了低功率等离子体炬简化冷却问题。虽然该专利技术可以提高电弧的温度，但不能解决等离子体炬辐射损耗问题，导致能量效率低下，且不适用于大功率电弧等离子体炬。
4、目前采用等离子体炬可以直接加热煤气，还原二氧化碳生产煤气过程一般是在专用煤气炉内、或在高炉内发生。如专利zl
技术实现思路
1、基于现在技术存在的技术问题，本专利技术提出了一种用于高温气体、煤气生产和加热的高效率的大功率电弧等离子体炬及应用。本申请提高了电弧等离子体炬的电能利用率；本申请还解决了电弧等离子体炬电弧通道壁的冷却问题，简化等离子体炬冷却结构设计；本申请还解决了电弧通道壁容易结焦的问题。
2、本专利技术的技术方案具体如下：
3、一种大功率电弧等离子体炬，包括管体，管体的轴心处开设有贯通的腔体，所述腔体的一端为第一流体通道、另一端为电弧通道，第一流体通道内电弧通道入口端同轴设置有第一电极，位于腔体外周的管体内开设有第二流体通道，位于电弧通道的出口端连通有喷嘴；所述电弧通道的截面直径从第一电极向喷嘴方向逐渐变大；所述电弧通道的长径比大于5；位于第二流体通道和电弧通道之间的电弧通道壁上开设有将第二流体通道和电弧通道进行连通的分散的流体通路。
4、进一步方案，所述第一流体通道和电弧通道之间连接有汇聚部，所述汇聚部为喇叭状的渐缩管路；为固体粉末进入电弧通道的入口。
5、所述电弧通道的截面从第一电极向喷嘴方向为直管段与连续性渐扩或台阶式渐扩段构成。
6、为了避免电弧在电弧通道中将电弧通道壁击穿而形成串联电弧，所述电弧通道壁为电阻材料，所述电阻材料的电阻率大于1000ω·cm；或者，
7、所述电弧通道壁是由金属材料层和电阻材料层沿轴向间隔排布而成，所述电阻材料层的材料电阻率大于10kω·cm；所述金属材料层和电阻材料层间进行密封连接，一般采用耐高温的软体胶进行密封粘接，如耐高温密封胶；为了冷却效果，所述电阻材料层的长度小于所述金属材料层的长度，具体可为：金属材料层的长度优选20～60mm；金属材料层的材质为耐高温或耐磨的合金材料，如镍、钨、铼、锆、铪合金等；所述电阻材料层长度2～10mm，电阻材料层的材质为氧化铝、氧化锆陶瓷、氮化物陶瓷或碳化硅陶瓷。
8、进一步，本专利技术中电弧通道壁分布孔的结构有以下几种：
9、(一)电弧通道壁的整体结构：
10、第一种是：所述金属材料层和电阻材料层中为网状多微孔结构，使电弧通道壁上构成多微孔结构，并构成第二流体通道与第一流通道之间的流体通路；
11、优选的方案，所述微孔的孔径为5～500μm或10～1000μm；即微孔的孔径可以根据具体的介质来设置，如当第二流体通道中流体为气态时，则电弧通道壁上微孔的孔径为5～500μm；当第二流体通道中流体为液态，所述电弧通道壁上微孔的孔径为10～1000μm。为了保证微孔不堵塞，故通过微孔的流体(载能介质)可为深度净化的气体，或采用净化过的软水或液态二氧化碳，包括固体颗粒物、有机物、溶盐等。
12、第二种是：所述第二流体通道的外周或第二流体通道内部还开设有第三流体通道，所述电弧通道壁上还分布开设有多个直通孔，所述直通孔均匀分布且有同向旋转的切向分量。其中当第三流体通道设置在第二流体通道的外周，所述直通孔将第三流体通道与电弧通道连通；当第三流体通道设置在第二流体通道的内部，所述直通孔将第二流体通道与电弧通道连通；
13、优选，直通孔切圆贴近电弧通道壁的内壁。
14、所述直通孔的横断面为矩形或圆形，或其他规则的形状；直通孔的横断面面积为0.01～1000mm2，优选为0.1～10mm2。
15、(二)电弧通道壁的三种分层结构：
16、第一种分层结构是：
17、所述金属材料层和电阻材料层中至少一个为网状多微孔结构，从而连通第二流体通道和电弧通道；
18、优选金属材料层的材料为网状多微孔结构。
19、第二种分层结构是：
20、所述第二流体通道的外周或内部还开设有第三流体通道；所述金属材料层或电阻材料层上还分布开设有多个直通孔，所述直通孔均匀分布、且具有同向旋转的切向分量。当第三流体通道设置在第二流体通道的外周，所述直通孔将第三流体通道与电弧通道连通；当第三流体通道设置在第二流体通道的内部，所述直通孔将第二流体通道与电弧通道连通。
21、其中直通孔可开设在金属材料层上，或开设在电阻材料层上，或开设在金属材料层和电阻材料层的连接处。即，流体通路将第二流体通道与电弧通道连通，则第三流体通道可通入冷却介质(如冷却水)对电弧通道壁进行冷却，第二流体通道为载能气体通道；直通孔将第三流体通道与电弧通道连通，则第二流体通道可通入冷却介质通过流体通路进入电弧通道对电弧通道壁进行冷却，第三流体通道为载能气体通道，通入待加热的气体，如煤气、二氧化碳等，通过直通孔进入电弧通道中进行加热。
22、第三种分层结构是：
23、所述第二流体通道的外周或内部还开设有第三流体通道，所述金属材料层和电阻材料层中一个为网状多微孔结构、另一个开设有直通孔，从而实现将第二流体通道、第三流体通道分别与电弧通道连通。
24、优选，金属材料层为网状多微孔结构。
25、进一步方案，所述第一流体通道的入口包括2个固体粉本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种大功率电弧等离子体炬，包括管体(1)，管体的轴心处开设有贯通的腔体，所述腔体的一端为第一流体通道(3)、另一端为电弧通道(5)，第一流体通道(3)内电弧通道(5)入口端同轴设置有第一电极(9)，位于腔体外周的管体(1)内开设有第二流体通道(2)，位于电弧通道(5)的出口端连通有喷嘴(7)；其特征在于：所述电弧通道(5)的截面直径从第一电极(9)向喷嘴(7)方向逐渐变大，所述电弧通道的长径比大于5；位于第二流体通道(2)和电弧通道(5)之间的电弧通道壁(6)上开设有连通第二流体通道(2)与电弧通道(5)的分散的流体通路。
2.根据权利要求1所述的一种大功率电弧等离子体炬，其特征在于：所述第一流体通道(3)和电弧通道(5)之间连接有汇聚部(4)，所述汇聚部(4)为喇叭状的渐缩管路；
3.根据权利要求1所述的一种大功率电弧等离子体炬，其特征在于：所述电弧通道壁(6)是由网状多微孔材料制成的，所述网状多微孔材料中的微孔构成第二流体通道与第一流通道之间分散的流体通路。
4.根据权利要求1所述的一种大功率电弧等离子体炬，其特征在于：所述电弧管道壁材
5.根据权利要求4所述的一种大功率电弧等离子体炬，其特征在于：所述金属材料层(6-1)和电阻材料层(6-2)中至少一个为网状多微孔结构。
6.根据权利要求4所述的电弧等离子体炬，其特征在于：所述第二流体通道(2)的外周还开设有第三流体通道(10)，所述金属材料层(6-1)或/和电阻材料层(6-2)上还分布开设有多个直通孔(6-3)，所述直通孔将第三流体通道(10)与电弧通道(5)连通；所述直通孔(6-3)均匀分布且具有同向旋转的切向分量。
7.根据权利要求4所述的一种大功率电弧等离子体炬，其特征在于：所述第二流体通道(2)的外周还开设有第三流体通道(10)；所述金属材料层(6-1)和电阻材料层(6-2)中一个为网状多微孔结构、另一个分布开设有多个直通孔(6-3)；所述直通孔(6-3)均匀分布且具有同向旋转的切向分量，从而实现将第二流体通道(2)、第三流体通道(10)分别与电弧通道(5)连通。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种大功率电弧等离子体炬，其特征在于：所述第一流体通道(3)的入口包括第一入口(3-1)和第二入口(3-2)；所述第一入口(3-1)使流体切向进入第一流体通道，所述第二入口(3-2)使流体周向均匀且具有径向进入第一流体通道；
9.根据权利要求1-5任一项所述的一种大功率电弧等离子体炬，其特征在于：所述第二流体通道(2)的外周或内部还开设有第三流体通道(10)，所述喷嘴(7)为第二电极(13)，所述第二电极(13)与第一电极(9)的极性相反；所述第二电极(13)内设有环形的冷却通道(12)；位于电弧通道壁与所述第二电极之间设有保护气通道(11)，其将第二流体通道与第二电极(13)的内腔连通、或将第三流体通道与第二电极(13)的内腔连通，形成贴着第二电极(13)的内腔表面旋转的气流。
10.根据权利要求6-7任一项所述的一种大功率电弧等离子体炬，其特征在于：所述喷嘴(7)为第二电极(13)，所述第二电极(13)与第一电极(9)的极性相反；所述第二电极(13)内设有环形的冷却通道(12)；位于电弧通道壁与所述第二电极之间设有保护气通道(11)，其将第二流体通道与第二电极(13)的内腔连通、或将第三流体通道与第二电极(13)的内腔连通，形成贴着第二电极(13)的内腔表面旋转的气流。
11.一种如权利要求1-7任一项所述的大功率电弧等离子体炬的应用，其特征在于：用于加热气体，其包括以下步骤：
12.根据权利要求11所述的应用，基特征在于：步骤s2中还包括气体进入第三流体通道，穿过电弧通道管壁上的直通孔进入电弧通道。
13.一种如权利要求9所述的大功率电弧等离子体炬的应用，其特征在于：用于加热气体，其包括以下步骤：
14.一种如权利要求10所述的大功率电弧等离子体炬的应用，其特征在于：用于加热气体，其包括以下步骤：
15.一种如权利要求1-7任一项所述的大功率电弧等离子体炬在炼铁高炉上的应用，其特征在于：
16.一种如权利要求8所述的大功率电弧等离子体炬在炼铁高炉上的应用，其特征在于：
17.一种如权利要求9所述的大功率电弧等离子体炬在炼铁高炉上的应用，其特征在于：
18.根据权利要求15所述的应用，其特征在于：包括多组所述电弧等离子体炬(14)安装在高炉(15)的下部炉壁四周，电弧等离子体炬的喷嘴内嵌在高炉(15...
【技术特征摘要】
1.一种大功率电弧等离子体炬，包括管体(1)，管体的轴心处开设有贯通的腔体，所述腔体的一端为第一流体通道(3)、另一端为电弧通道(5)，第一流体通道(3)内电弧通道(5)入口端同轴设置有第一电极(9)，位于腔体外周的管体(1)内开设有第二流体通道(2)，位于电弧通道(5)的出口端连通有喷嘴(7)；其特征在于：所述电弧通道(5)的截面直径从第一电极(9)向喷嘴(7)方向逐渐变大，所述电弧通道的长径比大于5；位于第二流体通道(2)和电弧通道(5)之间的电弧通道壁(6)上开设有连通第二流体通道(2)与电弧通道(5)的分散的流体通路。
2.根据权利要求1所述的一种大功率电弧等离子体炬，其特征在于：所述第一流体通道(3)和电弧通道(5)之间连接有汇聚部(4)，所述汇聚部(4)为喇叭状的渐缩管路；
3.根据权利要求1所述的一种大功率电弧等离子体炬，其特征在于：所述电弧通道壁(6)是由网状多微孔材料制成的，所述网状多微孔材料中的微孔构成第二流体通道与第一流通道之间分散的流体通路。
4.根据权利要求1所述的一种大功率电弧等离子体炬，其特征在于：所述电弧管道壁材料为电阻材料，所述电阻材料的电阻率大于1000ω·cm；
5.根据权利要求4所述的一种大功率电弧等离子体炬，其特征在于：所述金属材料层(6-1)和电阻材料层(6-2)中至少一个为网状多微孔结构。
6.根据权利要求4所述的电弧等离子体炬，其特征在于：所述第二流体通道(2)的外周还开设有第三流体通道(10)，所述金属材料层(6-1)或/和电阻材料层(6-2)上还分布开设有多个直通孔(6-3)，所述直通孔将第三流体通道(10)与电弧通道(5)连通；所述直通孔(6-3)均匀分布且具有同向旋转的切向分量。
7.根据权利要求4所述的一种大功率电弧等离子体炬，其特征在于：所述第二流体通道(2)的外周还开设有第三流体通道(10)；所述金属材料层(6-1)和电阻材料层(6-2)中一个为网状多微孔结构、另一个分布开设有多个直通孔(6-3)；所述直通孔(6-3)均匀分布且具有同向旋转的切向分量，从而实现将第二流体通道(2)、第三流体通道(10)分别与电弧通道(5)连通。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种大功率电弧等离子体炬，其特征在于：所述第一流体通道(3)的入口包括第一入口(3-1)和第二入口(3-2)；所述第一入口(3-1)使流体切向进入第一流体通道，所述第二入口(3-2)使流体周向均匀且具有径向进入第一流体通道；
9.根据权利要求1-5任一项所述的...
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