Спосіб зіштовхувальної плазмової іонізації сировини

Реферат: Спосіб зіштовхувальної плазмової іонізації сировини включає іонізацію сировини при зіткненні з розплавною плазмою, утвореною шляхом електродугового розплавлення робочої суміші, де на поверхню плазми спрямовують сировину вузькоканалізованим пучком з розбіжністю у межах від 5° до 8°. Як сировину застосовують воду або водну суспензію. Для утворення плазми застосовують робочу суміш, до складу якої входять як мінімум одна легкоплавка речовина та порошкоподібні карбіди і кристалогідрати. UA 99953 U (54) СПОСІБ ЗІШТОВХУВАЛЬНОЇ ПЛАЗМОВОЇ ІОНІЗАЦІЇ СИРОВИНИ UA 99953 U UA 99953 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до способів іонізації сировини для подальшого її використання як енергоносія і включає зіткнення вузькоспрямованого пучка первинних реагентів з розплавною (рідинно-текучою) плазмою та може бути застосована в енергетиці, металургії, машинобудуванні, хімічній промисловості, галузі виробництва будівельних матеріалів та інших галузях. З рівня техніки відомий спосіб іонізації води для виготовлення енергоносія у високотемпературній зоні за реакцією 2H2O+Δq↔2H2+O2 (Вільямс, теорія горіння, переклад з англ. - М., 1971). Особливістю горіння органічних речовин є те, що в процесі їх окислення приймають участь лише валентні електрони зовнішніх орбіт атомів, а електрони внутрішніх орбіт атомів не беруть участі в процесі створення хімічних зв'язків. Тому енергія, виділена при реакції горіння, недостатня для відриву електронів із внутрішніх орбіт атомів, внаслідок чого навіть ступінь іонізації полум'я органічних палив при температурах від 2000 °С до 2500 °С не достатній для цього, оскільки ступінь виділення теплової енергії хімічними способами проходять на атомарно-молекулярному рівні без збудження стану ядра атома. Також відомі способи здійснення фізико-хімічних процесів зокрема шляхом введення в газовий плазмовий потік первинних реагентів (патент РФ на винахід № 2170617, МПК: В02С 19/06, опубл. 20.07.2001; патент ЕР на винахід № 0415858, МПК: Н05Н 01/42, опубл. 25.01.1995; заявка на отримання патенту США № US 2008138534, МПК: Н05Н 01/42, опубл. 12.06.2008). Але дугові плазмогенератори характеризуються значними затратами енергії та відносно малими об'ємами іонізованого середовища. Тому виникає потреба проведення більш глибинного та ефективного процесу іонізації сировини при зіткненні з плазмовим потоком з метою його використання як додаткового теплового енергоносія у спільному процесі горіння. 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. Відомий спосіб переробки дисперсної мінеральної сировини шляхом її іонізації при зіткненні з газовою плазмою (патент РФ на винахід № 2291211, МПК: Н05Н 1/42, опубл. 10.01.2007), де іонізація дисперсної сировини здійснюється разом з відновлюваним газом при їх зіштовхуванні з зустрічним плазмовим потоком, в результаті відновлювальної реакції одержують чистий елемент. Недоліком цього способу іонізації є низька температура газової плазми, що не дає можливість для більш глибинної іонізації сировини з відривом внутрішніх електронів з орбіт її елементів. Також відомий спосіб глибинної іонізації сировини для подальшого її використання як енергоносія, який забезпечує суттєве зниження енергетичних витрат на реакцію горіння та отримання додаткової теплової енергії (патент України на винахід № 93111, МПК: Н05Н 1/00, опубл. 10.01.2011, бюл. № 1). Вказаний спосіб включає іонізацію сировини при зіткненні з плазмою, як плазму використовують розплавну плазму, причому сировину спрямовують на її поверхню вузько каналізованим пучком з розбіжністю у межах від 5° до 8°. Розплавну плазму утворюють шляхом електродугового розплавлення подрібнених оксидів заліза, при цьому у процесі горіння в розплавну плазму вводять такі подрібнені тугоплавкі компоненти, як оксиди металів, карбіди, силіциди, нітриди. А як сировину використовують спрямований на поверхню розплавної плазми пучок води або водної суспензії. Недоліком описаного способу зіштовхувальної плазмової іонізації сировини є недостатнє зниження енергетичних витрат на реакцію горіння та одержання додаткової теплової енергії. Саме останнє рішенняспособу зіштовхувальної плазмової іонізації сировини вибране як найбільш близький аналог. Спільними ознаками з рішенням, що заявляється, є: іонізація сировини при зіткненні з розплавною плазмою; утворення розплавної плазми шляхом електродугового розплавлення; спрямування сировини на поверхню плазми вузькоканалізованим пучком з розбіжністю у межах від 5° до 8°; застосування як сировини води або водної суспензії. Задачею корисної моделі є створення способу зіштовхувальної плазмової іонізації сировини для подальшого її використання як енергоносій, що забезпечує можливість зниження енергетичних витрат на реакцію горіння за рахунок збільшення об'єму плазмогазу, що виділяється в одиницю часу. Поставлена задача вирішується тим, що у способі зіштовхувальної плазмової іонізації сировини, що включає іонізацію сировини при зіткненні з розплавною плазмою, утвореною шляхом електродугового розплавлення робочої суміші, де на поверхню плазми спрямовують 1 UA 99953 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 сировину вузькоканалізованим пучком з розбіжністю у межах від 5° до 8°, а як сировину застосовують воду або водну суспензію, відповідно до корисної моделі, для утворення плазми застосовують робочу суміш, до складу якої входять як мінімум одна легкоплавка речовина та порошкоподібні карбіди і кристалогідрати. В окремих випадках виконання цього способу, як легкоплавку речовину застосовують подрібнений оксид заліза, а в розплавну плазму вводять подрібнені тугоплавкі оксиди металів та/або силіциди, та/або нітриди. Крім цього при застосуванні сировини у вигляді води її можливо спрямовувати пучком під 2 тиском від 10 до 50 кг/см з діаметром формуючого отвору від 0,1 до 0,4 мм. А при застосуванні сировини у вигляді водної суспензії, як її зважені частки може бути застосований циклонний пил гірничо-збагачувального виробництва. Саме застосування робочої суміші, до складу якої входять як мінімум одна легкоплавка речовина та порошкоподібні карбіди і кристалогідрати, дозволяє отримати ефект іонізації молекулярно-плівкової води, яка утворюється на поверхні мінеральних агрегатів і іонізується під впливом надвисокочастотного випромінювання з боку плазми. Порошкоподібний вигляд карбідів і кристалогідратів забезпечує найбільшу площу активації для утворення молекулярно-плівкової води. Іонізація отриманої молекулярно-плівкової води дозволяє отримати суміш водню та кисню, яка при згорянні знов перетворюється у водяний газ. Механізм збільшення іонноелектронної температури плазмогазу в процесі його спалювання заснований на трансмутаційній зміні ізотопного складу мінеральної суміші, утворенні анігіляційних пар та інших явищах. Саме завдяки додаванню порошкоподібних карбідів і кристалогідратів забезпечується утворення молекулярно-плівкової води та утворення плазмоводяного газу високої температури до 40005000 °С із забезпеченням зниження енергетичних витрат на реакцію горіння за рахунок збільшення об'єму плазмогазу, що виділяється в одиницю часу. Приготування розплаву шляхом оплавлення електродуговим способом робочої суміші, до складу якої входять як мінімум одна легкоплавка речовина та порошкоподібні карбіди і кристалогідрати, де як легкоплавка речовина може бути застосований подрібнений оксид заліза, з відтворенням в міжелектродному просторові плазмового розплаву гідридів створює можливість підвищення температури плавлення понад 3000 °С. А можливе додавання в розплавну плазму подрібнених тугоплавких оксидів металів та/або силіцидів, та/або нітридів, надає можливість додаткового підвищення температури плавлення. При цьому спрямовування 2 в одну точку поверхні плазми вузько каналізованого пучка води під тиском від 10 до 50 кг/см з діаметром формуючого отвору від 0,1 до 0,4 мм 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 виробництва (польовий шпат, монтморилоніт тощо) додатково підвищує температуру плазми, а тому і ефективність процесу. 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. Заявлений спосіб може бути реалізований за допомогою реактора зіштовхувальної плазмової іонізації сировини з герметичноюкришкою, всередині якого розміщують робочу суміш, до складу якої входять легкоплавкі речовини у вигляді подрібнених оксидів заліза та порошкоподібні карбіди і кристалогідрати. В середині вказаного реактора розташовані електроди, що підключені до джерела змінного струму через знижувальний трансформатор. На поверхню робочої суміші, у зону між кінцями електродів, спрямовані трубчасті формувачі високонапірних потоків сировини. В верхній частині реактора, на його бічній поверхні, знаходиться стравлюючий клапан. Реалізується спосіб зіштовхувальної плазмової іонізації сировини наступним чином. На вищевказані електроди через вищевказаний трансформатор подають змінний струм від 100 до 800 ампер напругою від 10 до 35 вольт. В результаті виникає електрична дуга, що розплавляє робочу суміш, в якій присутні FeO, Fe2O3, Fe3O4 та в зоні розплаву утворюється рідка плазмова субстанція. Регулюючи напругу на електродах, підтримують задану температуру розплавної плазми в межах 3000 °С. Для підвищення температури розплаву через окремий люк у кришці в зону розплаву можуть подати також подрібнені тугоплавкі компоненти (оксиди металів, силіциди, нітриди). При цьому температура плазми підвищується та знаходиться в межах від 3200 °С до 3500 °С. Далі з бака за допомогою високонапірного насоса подають на вищевказані формувачі воду, з яких високонапірні струмені води діаметром формуючого отвору пучка від 0,1 до 0,4 мм направляють під тиском від 10 до 50 кг/см вузько каналізованими пучками на поверхню розплаву плазми. Швидкість подачі сировини на поверхню розплаву при 2 UA 99953 U 5 10 15 20 25 30 35 40 цьому знаходиться у межах Vп = 30-70 м/сек. Оскільки дугові плазмогенератори потребують значних витрат 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 як енергоносії. Іонізація досягається за рахунок контактів на поверхні мінерального розплаву з зустрічними потоками газів та шляхом ультрафіолетового опромінення розплаву. Ультрафіолетове випромінювання розплаву дає можливість більш ефективно іонізувати середовище, діючи як фотоплазмовий іонізатор. Частина води, що надходить з високонапірних струменів, переходить в пару, яка реагує з оксидами заліза з відтворенням гідрогену згідно з реакцією 3FeO + Н2О = Fe3O4. При цьому, як вже було зазначено вище, відбувається ефект іонізації молекулярно-плівкової води, яка утворюється на поверхні мінеральних агрегатів і іонізується під впливом надвисокочастотного випромінювання з боку плазми. Іонізація отриманої молекулярно-плівкової води дозволяє отримати суміш водню та кисню, яка при згорянні знов перетворюється у водяний газ. 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 у воді часток іонообмінного матеріалу шляхом фотоіонізації перетворює їх в висококалорійний газ. Заявником розроблена та випробувана на макетних пристроях технологія одержання плазмового газу, використання якої дозволяє ефективно одержувати теплову та електричну енергію. На відміну від традиційного палива, вищевказана робоча суміш для отримання розплаву є практично невитратною, 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. При цьому додавання порошкоподібних карбідів і кристалогідратів забезпечує зниження енергетичних витрат на реакцію горіння за рахунок збільшення об'єму плазмогазу, що виділяється в одиницю часу. Приклади ефективності використання запропонованого способу зіштовхувальної плазмової іонізації сировини наведені у таблиці, де здійснено порівняння результатів реалізації найбільш близького аналога (пункти 1, 2) та рішення, що заявляється (пункти 3, 4). Струм I1 = 150А. ΔN = N2-N1 ≈ 46 кВтгод. Струм І2 = 180А. ΔN = N2-N1 ≈ 65 кВтгод. Струм І3 = 150А. ΔN = N2-N1 ≈ 61,3 кВтгод. Струм І4 = 180А. ΔN = N2-N1 ≈ 70,5 кВтгод. Таблиця Електрична Енергія, що ΔN-різниця між Кількість робота необхідна для витраченою та Температура Температура води, що дугового випаровування виробленою № п/п випромінюван розплаву, С° подається, розряду N1, води N2, енергією, ня, С° л/год. кВтгод. кВтгод. кВтгод. 1 2900 3400 3,7 35 50 46 2 3100 3600 4,5 45 65 65 3 2900 3400 3,7 50 65 61,3 4 3100 3600 4,5 60 75 70,5 2 45 50 Проведені випробування показують, що на площі розплаву близько 20 см з температурою 2500 °С - 2800 °С можна випарувати близько 150 л пучкової води, затративши для цього 5 кВтгод електричної енергії (для одержання тугоплавного розплаву дуговим нагріванням). Додаткова енергія (близько 140 кВтгод.), 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 °С - 4000 С° можна одержати теплову потужність установки близько 1 Мвт, при цьому площа плазмового випромінювання буде 3 UA 99953 U 2 5 складати від 20 до 25 см , а обсяг одержаного тепла водневої пари - близько 900 кггод. Розмір 3 подібного парогенератора не перевершує 1 м , що приблизно в 5-7 разів менше габаритів існуючих котлоагрегатів потужністю 1 Мвт. Вищевказані у таблиці дані свідчать про те, що саме завдяки додаванню у робочу суміш порошкоподібних карбідів і кристалогідратів забезпечується зниження енергетичних витрат на реакцію горіння за рахунок збільшення об'єму плазмогазу, що виділяється в одиницю часу. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 15 20 1. Спосіб зіштовхувальної плазмової іонізації сировини, що включає іонізацію сировини при зіткненні з розплавною плазмою, утвореною шляхом електродугового розплавлення робочої суміші, де на поверхню плазми спрямовують сировину вузькоканалізованим пучком з розбіжністю у межах від 5° до 8°, а як сировину застосовують воду або водну суспензію, який відрізняється тим, що для утворення плазми застосовують робочу суміш, до складу якої входять як мінімум одна легкоплавка речовина та порошкоподібні карбіди і кристалогідрати. 2. Спосіб зіштовхувальної плазмової іонізації сировини за п. 1, який відрізняється тим, що як легкоплавку речовину застосовують подрібнений оксид заліза, а в розплавну плазму вводять подрібнені тугоплавкі оксиди металів та/або силіциди, та/або нітриди. 3. Спосіб зіштовхувальної плазмової іонізації сировини за п. 1, який відрізняється тим, що при 2 застосуванні сировини у вигляді води її спрямовують пучком під тиском від 10 до 50 кг/см з діаметром формуючого отвору від 0,1 до 0,4 мм, а при застосуванні сировини у вигляді водної суспензії, як її зважені частки застосовують циклонний пил гірничо-збагачувального виробництва. Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4