[发明专利]一种气动-磁场扫描管状电弧等离子加热器及使用方法

说明书

本发明提供了一种气动‑磁场扫描管状电弧等离子加热器及使用方法，包括内电极、输出电极、极间进气孔、尾端进气孔、尾端气路、供气调压阀和励磁线圈；内电极与输出电极前后同轴布置，输出电极和内电极之间布置周向均匀分布的切向极间进气孔；尾端气路包括n条通道，每条通道上有不同喉道面积的声速喷嘴，同一时刻有且只有一条通道处于打开状态；励磁线圈同轴缠绕在内电极的外部。通过极间进气孔和尾端进气孔进气量比例的调节，使弧根在加热器内电极壁面上的烧蚀沟环由1条扩展为n条；通过励磁电流在一定范围内按照设计频率变化，实现弧根以某一烧蚀沟环所在横截面为中心在一定宽度范围内进行扫描，增加了弧根的扫略面积，提高了电极的使用寿命。

技术领域

本发明属于低温热等离子体技术领域，特别涉及一种气动-磁场扫描管状电弧等离子加热器及使用方法，该加热器及使用方法实现了内电极的长使用寿命。

背景技术

电弧等离子体具有温度高、活性高、工作状态稳定、环境气氛可控等优点，在航空航天、机械加工、冶金、电力、材料和环保等多个领域都具有很高的应用价值，尤其是近年全球爆发的新冠疫情产生了更大量的医疗废弃物，等离子体对以医疗废弃物为代表的危险固体废弃物进行无害化、减量化处理，更使得这一技术成为重点研究和关注的对象。

电弧等离子加热器是工业中用来产生稳定的热等离子体的主要装备，在电弧等离子加热器的内电极和输出电极间产生电弧，电极间隙内的气体被击穿，之后在电磁与气动等作用下在加热器内形成自持的具有一定长度的电弧，进入加热器内的工作气体在电热转化作用下受热并部分产生电离，形成等离子体。电弧等离子加热器有多种形式，从电弧长度方面区分，可分为自稳弧长型、台阶形电极固定弧长型(弧长小于自稳弧长)和电极间插入段型(弧长大于自稳弧长)电弧等离子加热器，其中自稳弧长型等离子加热器在工业应用中最为广泛。自稳弧长型电弧等离子加热器又包括平端内电极、杯状内电极、管状内电极以及同轴式等多种形式的加热器，其中管状内电极电弧等离子加热器由于其结构相对简单、运行稳定可靠等优点，尤其受到人们的青睐。管状内电极电弧等离子加热器采用水冷的内电极和输出电极，但由于弧根在电极上的落点(弧斑)处热流密度高，电极仍不可避免的会产生熔融、蒸发和氧化等，造成电极材料的损失。电极的烧蚀速率决定了电极的使用寿命，目前国内研发的先进的百千瓦级电弧等离子体加热器电极工作寿命仅为300-400h左右，国外先进的等离子发生器电极使用寿命在也仅能达到800-1000h左右，且成本较高。与此同时，随着加热器输出功率的提高，电极的使用寿命降低，电极使用寿命受限这一难题很大程度上制约了该技术的发展、工业化应用和推广。

如何延长电极，尤其是内电极(通常情况下，内电极烧蚀速率大于输出电极的烧蚀速率)的工作寿命，对于管状电弧等离子加热器向更大功率方向的发展和更大规模的应用具有重要的意义。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种气动-磁场扫描管状电弧等离子加热器及使用方法，增加内电极的烧蚀面积，降低烧蚀速率，提高内电极的使用寿命，从而完成本发明。

本发明提供的技术方案如下：

第一方面，一种管状电弧等离子加热器，包括内电极、输出电极、极间进气孔、尾端进气孔、尾端气路和供气调压阀；所述内电极为带有尾端进气孔的深杯状结构，所述输出电极为圆管状薄壁结构，输出电极和内电极前后同轴布置；所述极间进气孔布置在输出电极和内电极之间，尾端进气孔布置在内电极的尾部；供气调压阀布置在主供气管道上，工作气体经过供气调压阀降压之后分别由极间进气孔、以及经尾端气路后由尾端进气孔进入电弧等离子加热器；内电极和输出电极之间施加直流电后形成电弧；

所述尾端气路包括n条通道，n＞1，第一通道上包括通道1声速喷嘴和通道1电磁阀，…，第n条通道上包括通道n声速喷嘴和通道n电磁阀，各通道声速喷嘴的喉道面积不完全一致；工作气体由尾端进气孔进入电弧等离子加热器时，通道1电磁阀到通道n电磁阀设计只有一个电磁阀处于打开状态，各通道电磁阀按照间隔时间t依次交替打开，通过打开不同通道上的电磁阀实现尾端气通过不同的通道进入等离子加热器。