Загрузочное устройство плазменного реактора
Загрузочное устройство плазменного реактора, включающее загрузочный канал, сообщенный с источником сырьевой смеси и полые стержневые электроды, пропущенные через верхнюю крышку рабочей камеры, выполненные с возможностью сообщения их полости с источником сырьевой смеси и источником плазмообразующего газа, в качестве которого использован диоксид углерода, при этом в их полости установлены наклонные пересыпные полки, отличается тем, что стержневые электроды, выполнены с возможностью поворота в одной вертикальной плоскости, для чего верхний конец полого стержневого электрода разъемно закреплен в полости оголовка, выполненного в виде полого стакана, соосного с полым стержневым электродом с возможностью надевания на его верхний конец, при этом корпус каждого оголовка снабжен маской, выполненной в виде пластины изогнутой по дуге окружности, причем поверхность верхней крышки на участке ее контакта с маской выполнена вогнутой и конгруэнтной с обращенной к ней поверхностью маски, причем длина маски превышает длину отверстия для прохода полого стержневого электрода, с возможностью его перекрытия при крайних положениях стержня, кроме того, оголовки шарнирно связаны с концами силового раздвижного цилиндра, при этом, отверстие для ввода сырьевой смеси выполнено в боковой стенке оголовка выше верхней кромки полого стержневого электрода, причем на верхнем торце оголовка зафиксирован по меньшей мере один плазмотрон, сопло которого ориентировано под острым углом к продольной оси оголовка, причем кромки пересыпных полок размещены с зазором относительно диаметральной плоскости полого стержневого электрода параллельной оси поворота оголовка, в котором локализованы плазменные шнуры, формируемые плазмотронами. Устройство обеспечивает эффективность предварительной подготовки сырья к плазмохимическому синтезу (его прогрев до температуры диссоциации карбонатов) и подвижность электродов. 1 илл.
Предлагаемая полезная модель относится к устройствам для загрузки материалов в термические печи и может быть использовано для подачи шихты и плазмообразующего газа в плазменный реактор для плазмохимической обработке шихты в производстве карбида кальция или цементного клинкера.
Известно загрузочное устройство плазменного реактора, выполненное в виде отверстий выполненных в верхней крышке рабочей камере и стержневой электрод, пропущенный в полость камеры через верхнюю крышку (см. SU 
1020738, МКИ F27B 14/06, 1981 г.)
Недостатком указанного устройства является отсутствие возможности предварительной подготовки сырьевых материалов (твердого дробленого известняка, используемого для производства цементного клинкера) и отсутствие возможности утилизации избытка тепловой энергии выделяющейся в процессе работы плазменного реактора.
Известно также загрузочное устройство плазменного реактора, включающее загрузочный канал, сообщенный с источником сырьевой смеси и полые стержневые электроды, пропущенные через верхнюю крышку рабочей камеры, выполненные с возможностью сообщения их полости с источником сырьевой смеси и источником плазмообразующего газа, в качестве которого используют диоксид углерода, при этом в их полости установлены наклонные пересыпные полки (см. RU 2176277, C22B 9/22, 2000 г.).
Описывая работу электродов заявитель указывает, что концы электродов сводят до контакта, а при их разведении образуется электрический дуговой разряд (дуга), представляющий собой низкотемпературную плазму
Вместе с тем ни в описании, ни в формуле изобретения отсутствует описание средств, обеспечивающих сведение-разведение электродов. Кроме того, из-за кратковременности контакта сырьевого материала пересыпающегося по наклонным пересыпным полкам, особенно если загружается объем материала, при котором толщина слоя превышает толщину нескольких частиц теплопередача от полок к частицам сырья не сможет довести его до температуры диссоциации карбонатов, как это утверждает заявитель, тем более, что по его данным разогрев электродов и соответственно полок составит порядка 1000°C. Таким образом, эффективность предварительной подготовки сырья недостаточна.
Решаемая техническая задача - повышение эффективности предварительной подготовки сырья к плазмохимическому синтезу.
Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в доведении сырья подаваемого через полости электродов до температуры диссоциации карбонатов и обеспечении подвижности электродов.
Для решения поставленной задачи загрузочное устройство плазменного реактора, включающее загрузочный канал, сообщенный с источником сырьевой смеси и полые стержневые электроды, пропущенные через верхнюю крышку рабочей камеры, выполненные с возможностью сообщения их полости с источником сырьевой смеси и источником плазмообразующего газа, в качестве которого использован диоксид углерода, при этом в их полости установлены наклонные пересыпные полки, отличается тем, что стержневые электроды, выполнены с возможностью поворота в одной вертикальной плоскости, с возможностью встречного отклонения от вертикали до 30°, с сохранением герметичности в их шарнирном соединении с верхней крышкой камеры, для чего верхний конец полого стержневого электрода разъемно закреплен в полости оголовка, выполненного в виде полого стакана, соосного с полым стержневым электродом с возможностью надевания на его верхний конец, при этом корпус каждого оголовка снабжен маской, выполненной в виде пластины изогнутой по дуге окружности, причем поверхность верхней крышки на участке ее контакта с маской выполнена вогнутой и конгруэнтной с обращенной к ней поверхностью маски, причем длина маски превышает длину отверстия для прохода полого стержневого электрода, с возможностью его перекрытия при крайних положениях стержня, кроме того, оголовки шарнирно связаны с концами силового раздвижного цилиндра, при этом, отверстие для ввода сырьевой смеси выполнено в боковой стенке оголовка выше верхней кромки полого стержневого электрода, причем на верхнем торце оголовка зафиксирован по меньшей мере один плазмотрон, сопло которого ориентировано под острым углом к продольной оси оголовка, причем кромки пересыпных полок размещены с зазором относительно диаметральной плоскости полого стержневого электрода параллельной оси поворота оголовка, в котором локализованы плазменные шнуры, формируемые плазмотронами.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Совокупность признаков полезной модели обеспечивает решение заявленной технической задачи, а именно, обеспечивает повышение эффективности предварительной подготовки сырья к плазмохимическому синтезу.
На фиг.1 показан схематически общий вид верхней части плазменного реактора с загрузочным устройством.
На чертежах показаны верхняя часть корпуса 1 плазменного реактора, загрузочный канал 2, источник сырьевой смеси 3, полые стержневые электроды 4, верхняя крышка 5 рабочей камеры плазменного реактора, источник плазмообразующего газа 6, наклонные пересыпные полки 7, оголовок 8, силовой раздвижной цилиндр 9, с шарнирами 10 на концах, маска 11, отверстие 12 для прохода полого стержневого электрода 4, поверхность 13 верхней крышки на контакте с маской 11, отверстие для ввода сырьевой смеси 14, боковая стенка 15 оголовка, верхняя кромка 16 полого стержневого электрода 4, верхний торец 17 оголовка 8, плазмотрон 18 с соплом 19, продольная ось 20 оголовка 8, кромки 21 пересыпных полок 7, диаметральная плоскость 22 полого стержневого электрода.
Корпус 1 плазменного реактора выполнен в виде водоохлаждаемой цилиндрической камеры. Загрузочный канал 2, пропущен через верхнюю крышку рабочей камеры, выполнен известным образом, снабжен герметичной крышкой и сообщен с источником сырьевой смеси (бункером-накопителем дисперсного сухого материала), размещенным выше корпуса 1, что обеспечивает самотечное перемещение смеси в реактор при открытых затворах (на чертежах не показаны).
Полые стержневые электроды 3, выполнены из графита, при этом в их полости установлены наклонные пересыпные полки 7 выполненные из металла. Верхняя часть полых стержневых электродов 4 разъемно скреплена с оголовком 8. Корпус каждого оголовка снабжен маской 11, выполненной в виде выпуклой вниз пластины, изогнутой по дуге окружности, причем поверхность верхней крышки на участке ее контакта с маской 11 выполнена вогнутой и конгруэнтной с обращенной к ней поверхностью маски, причем длина маски превышает длину отверстия для прохода полого стержневого электрода, с возможностью его перекрытия при крайних положениях стержня, кроме того, оголовки 8 шарнирно (посредством шарниров 10) связаны с концами силового раздвижного цилиндра 9.
Корпус каждого оголовка 8 пропущен через верхнюю крышку 5 рабочей камеры (через отверстие 12). Полость оголовка 8 выполнена с возможностью сообщения известным образом с источником сырьевой смеси 3 и источником плазмообразующего газа 6 (в качестве которого используют диоксид углерода). Отверстие для ввода сырьевой смеси 14 выполнено в боковой стенке оголовка 8, выше верхней кромки 16 полого стержневого электрода 4. На верхнем торце оголовка зафиксирован плазмотрон известной конструкции, мощностью до 25-50 квт, обеспечивающий формирование плазменного шнура ориентированного вниз, в зазор между кромками 21 пересыпных полок 7. Целесообразно, чтобы плазмотронов было бы хотя бы два, при этом формируемые ими плазменные шнуры 23 должны быть ориентированы под острым углом к продольной оси оголовка и принадлежать диаметральной плоскости 22 полого стержневого электрода 3.
В качестве средств нагрева сырьевой смеси в плазменном реакторе используют поворотные стержневые полые электроды 4 и электромагнитные катушки: нижнюю и верхнюю обеспечивающие индукционный подогрев расплава сырьевого материала (на чертежах не показаны), выполненные известным образом и размещенные на разной высоте относительно корпуса плазменного реактора.
Плазменный реактор работает известным образом следующим образом.
На этапе запуска плазменного реактора по загрузочному каналу 2 от источника сырьевой смеси 3, подают сухую сырьевую шихту, содержащую в расчетном количестве химические соединения, обеспечивающие при их плавлении получение карбида кальция (коммуникации связывающие источник сырьевой смеси 3 и загрузочный канал 2 выполнены известным образом и на чертежах не показаны).
Концы электродов 4 внутри корпуса 1 сводят (увеличивая общую длину раздвижного цилиндра 9) и опускают в его нижнюю часть ниже нижней электромагнитной катушки. При поднятии уровня сырьевого материала до концов электродов на последние подается напряжение, например, постоянного тока от соответствующего преобразователя.
Концы электродов 4 сводят до контакта. При последующем их разведении (сдвижкой раздвижного цилиндра 9) образуется электрический дуговой разряд (дуга), представляющий собой низкотемпературную плазму. При этом в полость электродов подают плазмообразующий газ (диоксид углерода). Материал в камере нагревается до температуры плавления. При этом температура расплава достигает 2000-2100°C.
Далее, для ускорения процессов плавки сырьевой смеси загрузку камеры плазмотрона целесообразно вести через полости электродов 4. При этом сырьевой материал пересыпается с полки 7 на полку 7. При относительно медленном (по сравнению с вертикальным падением) перемещении сырьевого материала и происходит его взаимодействие непосредственно с плазменными шнурами 23, формируемыми работой плазматронов, фактически полностью пересекающими поток сырьевого материала. Это приводит к разогреву сырьевого материала и потому последний, доведенный до температуры диссоциации карбонатов, попадает на поверхность расплава и расплавляется с большой скоростью, т.к. в этом случае идут уже экзотермические реакции,
При подъеме уровня расплава выше уровня нижней катушки подается напряжение на ее обмотку. Стенки камеры плазменного реактора выполняются из немагнитного материала, например стали, содержащей большое количество никеля, хрома и титана. Образующееся в результате прохождения тока через катушку электромагнитное поле воздействует на расплав, который в жидком состоянии становится токопроводным. Индуктивный ток поддерживает температуру на достигнутом (благодаря дуговому разряду) уровне.
При наборе некоторой массы расплава и разогреве электродов внутри камеры выше 1000°C эффективность подготовки сырьевого материала возрастает, поскольку он пересыпается с полки на полку 7, которые нагреты до температуры, близкой к температуре электрода. При относительно медленном (по сравнению с вертикальным падением) перемещении материала и непосредственном контактом с нагретой поверхностью полок происходит передача тепла от полок к материалу, которая усиливается подводом энергии от плазматронов. При этом производительность камеры плавления повышается. При подъеме расплава выше верхней электромагнитной катушки, подается напряжение на последнюю. Это обеспечивает индукционный прогрев остального объема расплава в камере плазменного реактора.
Диоксид углерода, выделяемый в результате декарбонизации карбонатных компонентов сырьевой смеси, выходит под действием разрежения, создаваемого в газоотводном канале, расположенном в верхней части плазменного реактора (на чертежах не показан), где может использоваться для получения сухого льда или снова вводится в реактор через электроды. Расплав карбида кальция периодически или непрерывно (при согласованном вводе в корпус 1 сырья) выливают через разгрузочное отверстие (на чертежах не показано) в холодильник или гранулятор, в которых утилизируют тепло расплава.
Для снижения вязкости расплава карбида кальция во время периодического слива, нижняя катушка должна быть подвижной по высоте корпуса 1, чтобы ее можно было перемещать в зону разгрузочного отверстия.
Остывший карбид кальция известным образом измельчают для получения кондиционного материала.
Таким образом, предлагаемое устройство за счет предварительной тепловой обработки шихты позволяет повысить производительность, а за счет активного перемешивания расплава - качество готовых продуктов. Вместе с тем конструктивное выполнение реактора позволяет получать попутные продукты в виде их расплава и возгонов.
Загрузочное устройство плазменного реактора, содержащее загрузочный канал, сообщенный с источником сырьевой смеси, и полые стержневые электроды, пропущенные через верхнюю крышку рабочей камеры, выполненные с возможностью сообщения их полости с источником сырьевой смеси и источником плазмообразующего газа, в качестве которого использован диоксид углерода, при этом в полости электродов установлены наклонные пересыпные полки, отличающееся тем, что стержневые полые электроды выполнены с возможностью поворота в одной вертикальной плоскости, с возможностью встречного отклонения от вертикали до 30° и сохранения герметичности в их шарнирном соединении с верхней крышкой камеры, а верхний конец полого стержневого электрода разъемно закреплен в полости оголовка, выполненного в виде полого стакана, соосного с полым стержневым электродом, с возможностью надевания на его верхний конец, при этом корпус каждого оголовка снабжен маской, выполненной в виде пластины, изогнутой по дуге окружности, причем поверхность верхней крышки на участке ее контакта с маской выполнена вогнутой и конгруэнтной с обращенной к ней поверхностью маски, причем длина маски превышает длину отверстия для прохода полого стержневого электрода с возможностью его перекрытия при крайних положениях стержня, при этом оголовки шарнирно связаны с концами силового раздвижного цилиндра, а отверстие для ввода сырьевой смеси выполнено в боковой стенке оголовка выше верхней кромки каждого полого стержневого электрода, причем на верхнем торце оголовка зафиксирован по меньшей мере один плазмотрон, сопло которого ориентировано под острым углом к продольной оси оголовка, причем кромки пересыпных полок размещены с зазором относительно диаметральной плоскости полого стержневого электрода, параллельной оси поворота оголовка, в котором локализованы плазменные шнуры, формируемые плазмотронами.
