Спосіб зіштовхувальної плазмової іонізації сировини

1. Спосіб зіштовхувальної плазмової іонізації сировини, що передбачає її іонізацію при зіткненні з плазмою, який відрізняється тим, що використовують розплавну плазму, причому сировину C2 2 (19) 1 3 Використання такої можливості може дати зокрема мінерально-органічна суміш, яка дає змогу досягнення фази плавлення з виходом компонентів з відтворенням сполучень іонів, тобто катіонний газ, як і дисоційовані продукти горіння органічних речовин, що використовуються для нагріву та плавлення мінерально-органічної суміші. Процес плазмотворення проходить на межі розділу двох фаз: газової, у вигляді продуктів горіння органічних речовин та тугоплавкого розплаву. Найбільш близьким за сукупністю суттєвих ознак пропонованому способу іонізації сировини з метою її подальшого використання у якості енергоносія вибраний спосіб переробки дисперсної мінеральної сировини шляхом її іонізації при зіткненні з газовою плазмою (4). У відомому способі іонізація дисперсної сировини здійснюється разом з відновлюваним газом при їх зіштовхуванні з зустрічним плазмовим потоком, в результаті відновлювальної реакції одержують чистий елемент. Недоліком відомого способу іонізації є низька температура газової плазми, що не дає можливість для більш глибинної іонізації сировини з відривом внутрішніх електронів з орбіт її елементів. В основу винаходу поставлена задача розробки способу глибинної іонізації сировини для подальшого її використання у якості енергоносія що дає змогу зниження енергетичних затрат у реакції горіння та одержання додаткової теплової енергії. Поставлена задача вирішується тим, що у способі зіштовхувальної плазмової іонізації сировини, який передбачає її іонізацію при зіткненні з плазмою, відповідно до пропонованого технічного рішення у якості плазми використовують розплавну плазму, причому сировину спрямовують на її поверхню вузько каналізованим пучком. У конкретних варіантах реалізації способу розплавну плазму утворюють шляхом електродугового розплавлення подрібнених оксидів заліза, при цьому у процесі горіння в розплавну плазму вводять подрібнені тугоплавкі компоненти: оксиди металів, карбіди, силіциди, нитріди, а у якості сировини використовують спрямований на поверхню розплавної плазми пучок води або водної суспензії. У якості зважених часток водної суспензії використовують циклонний пил горно-збагачувального виробництва, а розбіжність пучка знаходиться у межах 5°-8°. Приготування легкоплавного розплаву шляхом оплавлення електродуговим способом оксидів заліза з послідуючим додаванням в отриманий розплав подрібнених до 0,05-0,3мм тугоплавких компонентів, наприклад, нітридів, оксидів металів, карбідів, силіцидів з відтворенням в міжелектродному просторові плазмового розплаву гідридів створює можливість підвищення температури плавлення понад 3000°С, а спрямовування в одну точку поверхні плазми вузько-каналізованого пучка води під тиском 10-50кг/см2 з діаметром формуючого отвору 0,1-0,4мм дає змогу підвищити температуру утвореного таким чином плазмогазу до 5000°С, що створює можливість швидкого розкладання молекул води на складові частини. Введення в розплавну плазму часток водної суспензії у вигляді циклонного пилу горно-збагачувального 93111 4 виробництва (польовий шпат, монтморилоніт тощо) додатково підвищує температуру плазми, а тому і ефективність процесу. Окрім того, у якості сировини можливо використовувати топкові та димові гази ТЕЦ. Спосіб зіштовхувальної іонізації сировини характеризується ще і тим, що в результаті взаємодії доданих тугоплавких компонентів в міжелектродну область, створюється супротидіюча плазма, яка дає змогу підвищити температуру в зоні іонізації молекул води. На кресленні наведена технологічна схема реактора зіштовхувальної плазмової іонізації сировини. Система включає реактор 1, закритий герметично кришкою 2, усередині реактора 1 розміщена легкоплавка речовина 3 з оксидів заліза, усередині якої розташовані електроди 4, підключені до джерела змінного струму через знижувальний трансформатор 5. На поверхню легкоплавкої речовини 3 в зону 6 розплаву спрямовані формувачі 7 високонапірних потоків сировини. В верхній частині реактора 1 на його бічній поверхні знаходиться стравлюючий клапан 8. Реалізується спосіб зіштовхувальної плазмової іонізації сировини таким чином. Згідно з технологічною схемою, з бункера легкоплавної речовини (не показаний) оксиди заліза подають на дробарку, з якої подрібнені оксиди заліза 3 завантажують до реактора 1, герметично закривають його кришкою 2 та подають змінний струм від 100 до 800 ампер напругою від 10 до 35 вольт на електроди 4 через знижувальний трансформатор 5. В результаті виникає електрична дуга, що розплавляє легкоплавну речовину, в якій присутні FeO, Fе2О3, Fе3О4 та в зоні розплаву 6 утворюється рідка плазмова субстанція. Регулюючи напругу на електродах 4, підтримують задану температуру роз-плавної плазми в межах 3000°С. Для підвищення температури розплаву через окремий люк у кришці (не показаний) в зону розплаву 6 можуть подати також подрібнені тугоплавкі компоненти (оксиди металів, карбіди, силіциди, нітриди а також солі лужних та лужноземельних сполук). При цьому температура плазми підвищується та знаходиться в межах 3200°С-3500°С. Далі із бака (не показаний) за допомогою високонапірного насосу подають на формувачі 7 воду, з яких високонапірні струмені води діаметром формуючого отвору пучка 0,1-0,4мм. направляють під тиском 10-50кг/см вузько каналізованими пучками на поверхню розплаву плазми (швидкість подачі сировини на поверхню розплаву при цьому знаходиться у межах Vп=50-70м/сек). Оскільки дугові плазмогенератори потребують значних затрат електроенергії при відносно малому об'ємі іонізаційного середовища, то для уникнення цих недоліків процес створення плазми, процес горіння та процес відтворення іонізаційного середовища проводиться сумісно. При цьому плазмогаз проходить на межі розподілу газового середовища та тугоплавкого розплаву. В умовах плазмового середовища гази стають іонізованими, що створює можливість використати їх у якості енергоносіїв. Іонізація досягається за рахунок контактів на поверхні мінерального розплаву з зустрічними потоками газів та шляхом ультрафіолетового опромі 5 93111 нення розплаву. Ультрафіолетове випромінювання розплаву дає можливість більш ефективно іонізувати середовище, діючи як фотоплазмовий іонізатор. При цьому частина поступаючої води із високонапірних струменів переходить в пару, яка реагує з оксидами заліза з відтворенням гідрогену згідно з реакцією 3FeO+Н2О=Fe3O4. При утворенні тонкодисперного водяного пилу проходить електризація як самої води, так і розчинених в них часток. Тому над поверхнею розплаву формується плазмова взаємодія, що призводить до підвищення температури в фокусі зустрічного удару водопарового електрично зарядженого пучка з поверхнею розплаву зі створенням плазмогазу над поверхнею розплаву. В умовах високого температурного градієнта, водопилові частки при підльоті до розплаву переходять в водяний газ, що дає додаткову електризацію пиловидних часток. Вузькоканалізована подача розчинених в воді час 6 ток іонообмінного матеріалу шляхом фотоіонізації перетворює їх в висококалорійний газ. Заявником розроблена та випробувана на макетних пристроях технологія одержання плазмового газу, використовуючи яку можна ефективно одержу вати теплову та електричну енергію. На відміну від традиційного палива, робочий матеріал тугоплавкого розплаву є практично невитратним, а величина одержуваного плазмогазу в основному визначається витратою пучкової води або водної суспензії. В атмосфері плазмогазу вода ефективно розкладається на водень і кисень, тим самим збільшуючи калорійність первісного плазмогазу. При подальшому збільшенні енергетичної щільності водного пучка відбувається прискорення утворення плазмогазу на поверхні розплаву. Приклади ефективності використання способу зіштовхувальної плазмової іонізації сировини для одержання додаткової теплової енергії наведені у табл.1. Таблиця 1 № п/п Т° розплаву С° 1 2 2900°С 3100°С Енергетична Електрична ΔΝ - різниця Кількість води, потужність, що Т° випромінювання потужність між витрачещо подається необхідна для С° дугового розною та вироб(л/год) випаровування ряду Ν1 (кВт) леною енергією води N2 3400°С 3,7кВт 35л 50кВт 46кВт 3600°С 4,5кВт 45л 65кВт 65кВт Струм І1=150Α. ΔΝ=Ν2-Ν1≈46кВт. Струм I2=180Α. ΔΝ=Ν2-Ν1≈60кВт. Проведені випробування показують, що на площі розплаву близько 20см2 з температурою 2500°-2800°можна випарувати близько 150л пучкової води, затративши для цього 5квт/год електричної енергії (для одержання тугоплавного розплаву дуговим нагріванням). Додаткова енергія (близько 140квт/годину), що необхідна для випаровування води, міститься у знов утвореному плазмогазі, що складається з водню іонізованої води та іонів, що випаровуються з розплаву. При досягненні температури розплаву 3800°4000° можна одержати теплову потужність установки близько 1Мвт, при цьому площа випромінювання буде складати 20-25см2, а обсяг витратного тепла-води - близько 900л/год. Розмір подібного парогенератора не перевершує 1м3, що приблизно в 5-7 раз менше габаритів існуючих котлоагрегатів потужністю 1Мвт. Список літератури, взятої до уваги при підготовці заявки: 1. Патент Російської Федерації на винахід №2170617, кл. В02С19/06, публ. 20.07.2001p. 2. Патент ЕР №0415858 на винахід, кл. Н05Н1/42, публ. 25.01.1995p. 3. Заявка США № US 2008138534, кл. Н05Н1/42, публ. 12.06.2008p. 4. Патент Російської Федерації на винахід №2291211, кл. Н05Н1/42, публ. 10.01.2007р. (прототип). 7 Комп’ютерна верстка А. Рябко 93111 8 Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601