Електродуговий плазмотрон

Реферат: Винахід належить до пристроїв генерування плазми водяної пари. Електродуговий плазмотрон включає послідовно встановлені співвісні охолоджуваний катод із розміщеним навколо нього соленоїдом катода, вихрову камеру, кільцевий ізолятор, порожнисте охолоджуване сопло-анод із розміщеним навколо нього соленоїдом анода з осьовим циліндричним каналом, виконаним із ступінчастим збільшенням внутрішнього діаметра, і рекуперативний насадок сопла-анода. Для можливості регулювання параметрів пароплазмового струменя плазмотрон забезпечений приєднаним до рекуперативного насадка співвісним циліндричним реакторним насадком з кільцевим каналом, на кінці якого встановлено кільцевий колектор реакторного насадка з отворами в боковій стінці для часткового виходу газу та з розташованим перпендикулярно осі плазмотрона циліндричним прохідним каналом, з'єднаним з рекуперативним насадком. UA 98271 C2 (12) UA 98271 C2 UA 98271 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до пристроїв генерування плазми водяної пари з високими термодинамічними параметрами для плазмових реакторів з електродуговими плазмотронами непрямої дії. Електродуговий плазмотрон призначений для проведення плазмохімічних реакцій, зокрема для високотемпературної газифікації вуглецевмісних речовин - некондиційних палив, відходів (твердих, пастоподібних, рідких), зокрема невідомого походження. Пристрої для цих потреб повинні задовольняти важкосумісним вимогам: працювати на повітрі, водяній парі та їх суміші, мати широкий діапазон регулювання параметрів (температури і витрати пари на виході), мати високий ресурс і коефіцієнт корисної дії, легко вбудовуватися в конструкцію реакційної камери (печі) та бути зручними в обслуговуванні. Роздільне виконання цих вимог не викликає особливих проблем. Відомий електродуговий плазмотрон (генератор пароводяної плазми) [а. с. SU 1620032 М. кл. 6Н05В 7/22 1995] з водяною парою як плазмоутворююче середовище, що використовується в плазмохімії, металургії та для руйнування гірських порід. Електродуговий плазмотрон містить послідовно встановлені співвісні охолоджуваний парогенераторною водою стрижньовий катод з розміщеним навколо нього соленоїдом катода, теплоізоляційний екран, міжелектродний електроізолятор, вузол подачі плазмоутворюючого газу з вихровими камерами для повітря і пари, анодну вставку і сопло-анод із каналами охолодження, виконане у вигляді порожнистого циліндра з гвинтовими каналами і розміщеним навколо нього соленоїдом анода. Середньомасову температуру струменя такого плазмотрона регулюють в межах 35007000 °C, швидкість витікання плазми - 500-3000 м/с. Поздовжній і поперечний розподіл реальних температур і швидкостей в струмені характеризується високими градієнтами. Це сотні градусів і метрів в секунду для радіальних і осьових перепадів температур і швидкостей в струмені. Такі значення температури струменя плазмотрона і швидкості витікання плазми є високими для матеріалу футерування реакційного об'єму печі, а також для проведення реакції газифікації органічних відходів. Найбільш близьким технічним рішенням є пристрій плазмотрона для генерування парової плазми [Water steam plasmatron for hazardous waste treatment. Romualdas Kezelis, Romualdas Juskevicius, Valdas Mecius // PLASMA-99, 2nd INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON HEAT AND MASS TRANSFER UNDER PLASMA CONDITIONS, 18-23 April 1999. Corinthia Club Hotel, Tekirova, Antalya, Turkey]. Відомий плазмотрон містить послідовно встановлені співвісні водоохолоджуваний катод з розміщеним навколо нього соленоїдом катода, вихрову камеру, кільцевий ізолятор і водоохолоджуване сопло-анод з розміщеним навколо нього соленоїдом анода, виконане у вигляді порожнистого циліндра з каналами. Відомий плазмотрон містить рекуперативну секцію анода, встановлену за соплом-анодом. Вихід цієї секції з'єднаний по зовнішньому контуру з входом у дуговий канал плазмотрона. Відомий плазмотрон має середнє значення температури струменя на виході за рекуперативною секцією анода в діапазоні 2200-3200 К. Такі значення температури також є надто високими для проведення реакції газифікації органічних відходів. При цьому плазмотрон працює практично в одній робочій точці (на одному режимі, заданому з теплового балансу), і не забезпечує стабільне генерування потоку водяної пари навіть у вузькому діапазоні параметрів, необхідних для оптимальної газифікації органічних матеріалів. Відомий плазмотрон не може забезпечити без охолоджування необхідну температуру робочої стінки печі (1300-1700 °C) з умов оптимального ведення процесу газифікації та стійкості матеріалу футерування робочої стінки печі. В основу пропозиції поставлено задачу удосконалення пристрою електродугового плазмотрона, в якому в результаті приєднання до рекуперативного насадку циліндричного реакторного насадка забезпечується пониження температури струменя на виході з пристрою та за рахунок цього досягається необхідний робочий діапазон регулювання параметрів (температури і швидкості) пароплазмового потоку, що генерується для ведення процесу газифікації вуглецевмісних речовин різного морфологічного складу з отриманням синтез-газу, а також забезпечується збільшення ресурсу роботи, як частин конструкції електродугового плазмотрона, так і матеріалу футерування робочої стінки печі. Поставлена задача вирішується тим, що електродуговий плазмотрон, що включає послідовно встановлені співвісні охолоджуваний катод із розміщеним навколо нього соленоїдом катода, вихрову камеру, кільцевий ізолятор, порожнисте охолоджуване сопло-анод із розміщеним навколо нього соленоїдом анода з осьовим циліндричним каналом, виконаним із ступінчастим збільшенням внутрішнього діаметра, і рекуперативний насадок сопла-анода, згідно з винаходом, забезпечений приєднаним до рекуперативного насадка співвісним 1 UA 98271 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 циліндричним реакторним насадком з кільцевим каналом, на кінці якого встановлено кільцевий колектор реакторного насадка з отворами в боковій стінці для часткового виходу газу та з розташованим перпендикулярно осі плазмотрона циліндричним прохідним каналом, з'єднаним з рекуперативним насадком, причому в соплі-аноді також виконані циліндричні прохідні канали, що з'єднані з кільцевим колектором. Додатковою відмінністю є те, що співвідношення довжини кільцевого каналу циліндричного реакторного насадка і його діаметра виконане в межах 0,5-5, а відношення площі перерізу отворів в боковій стінці кільцевого колектора реакторного насадка до сумарної площі перерізу прохідних каналів циліндричного реакторного насадка і сопла-анода - в межах 0,5-3,5. Введення циліндричного реакторного насадка в плазмотрон дозволяє удосконалити відомий плазмотрон і вирішити поставлену задачу отримання парової плазми з необхідними параметрами за рахунок поділу потоку пари на дві частини. Циліндричний реакторний насадок з кільцевим каналом, на кінці якого встановлено кільцевий колектор реакторного насадка, який має отвори в боковій стінці кільцевого колектора реакторного насадка для часткового виходу пари в циліндричний реакторний насадок і розташований перпендикулярно осі плазмотрона, циліндричний прохідний канал в рекуперативний насадок, який з'єднаний циліндричними прохідними каналами з кільцевим колектором, дає можливість розділити потік пари на дві частини: одну частину направити в осьовий циліндричний канал плазмотрона для забезпечення отримання парової плазми і здійснення додаткового знімання тепла з частин плазмотрона, підвищуючи ресурс роботи пристрою, а іншу частину - в циліндричний реакторний насадок, де її перемішують із струменем парової плазми (першою частиною пари), з вирівнюванням усіх параметрів, що дозволяє отримати потік водяної пари з характеристиками, необхідними для умов оптимального ведення процесу газифікації і стійкості матеріалу футерування робочої стінки печі. Співвідношення довжини кільцевого каналу циліндричного реакторного насадка і його діаметра в межах 0,5-5,0 прийняте для забезпечення повноцінного перемішування парового плазмового струменя з первинною парою, що дозволяє отримати потік водяної пари з необхідними показниками. Відношення площі перерізу отворів в боковій стінці колектора реакторного насадка до сумарної площі перерізу прохідних каналів циліндричного реакторного насадка та сопла-анода вибирають в межах 0,5-3,5 з міркувань забезпечення умов стійкої роботи плазмотрона. На кресленні представлений запропонований електродуговий плазмотрон у поздовжньому перерізі. Електродуговий плазмотрон містить порожнистий охолоджуваний катод 1 з осьовим циліндричним заглибленням. Навколо катода 1 в області заглиблення розміщений соленоїд катода 2 для створення магнітного поля в порожнині заглиблення. До катода 1 приєднаний кільцевий ізолятор 3 і вихідне порожнисте охолоджуване сопло-анод 4 плазмотрона з осьовим циліндричним каналом 5, виконаним із ступінчастим збільшенням внутрішнього діаметра. Сопло-анод 4 встановлене із зазором відносно катода 1. Внутрішні суміжні торцеві стінки катода, сопла-анода і внутрішні циліндричні стінки ізолятора утворюють вихрову камеру 6 плазмотрона. У стінках сопла-анода 4 виконані прохідні поздовжні циліндричні канали (теплоізольовані) 7 і кільцевий колектор 8, вихідна частина якого звернена до катода. Кільцевий колектор 8 виконаний з різьбою для завихорення потоку і подачі плазмоутворюючої водяної пари у вихрову камеру 6. Навколо сопла-анода 4 в області осьового циліндричного каналу більшого внутрішнього діаметра розміщений соленоїд анода 9 для створення тут магнітного поля. До виходу сопла-анода 4 приєднаний порожнистий кільцевий рекуперативний насадок 10, що з іншого боку з'єднаний з кільцевим колектором 8 прохідними циліндричними каналами 7 і циліндричний реакторний насадок 11 з кільцевим каналом 12, на кінці якого встановлено кільцевий колектор 13 реакторного насадка з отворами 14 в боковій стінці колектора реакторного насадка для часткового виходу газу в циліндричний реакторний насадок, і розташованим перпендикулярно осі плазмотрона циліндричним прохідним каналом 15, з'єднаним з рекуперативним насадком. На вході циліндричного реакторного насадка 11 до бокової поверхні прикріплено два штуцери: один 16 для подачі повітря, другий 17 для подачі водяної пари. Електродуговий плазмотрон працює таким чином. Для запуску і прогрівання електродугового плазмотрона в нього подають повітря через штуцер 16 на вході циліндричного реакторного насадка 11. Водяну пару подають при заданій температурі електродів плазмотрона і рекуперативного насадка через другий штуцер 17 на вході циліндричного реакторного насадка 11. При цьому подача повітря може бути відключена, або залишена в кількості, необхідній для оптимального ведення процесу високотемпературної газифікації. Через штуцер 16 в кільцевий 2 UA 98271 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 канал 12 циліндричного реакторного насадка 11 подають плазмоутворюючий газ (повітря), що проходить в кільцевий колектор реакторного насадка 13, з якого одну частину газу через отвори 14 подають в циліндричний реакторний насадок 11, а іншу частину - через розташований перпендикулярно осі плазмотрона циліндричний прохідний канал 15-в рекуперативний насадок 10, з якого через прохідні циліндричні канали 7 сопла-анода 4 - в кільцевий колектор 8 і через вихрову камеру 6 плазмотрона в осьовий (дуговий) циліндричний канал 5, де газ послідовно подають через осьовий канал меншого, а потім більшого перерізу сопла-анода 4, рекуперативний насадок 10 в циліндричний реакторний насадок 11, де його перемішують з першою частиною газу. Електрична дуга постійного струму горить уздовж осі газового вихору в осьовому (дуговому) циліндричному каналі, її катодна опорна пляма переміщується з великою швидкістю по поверхні заглиблення катода 1, а анодна опорна пляма - по поверхні осьового циліндричного каналу сопла-анода 4. Рівномірному переміщенню опорних плям дуги з великою швидкістю сприяє магнітне поле соленоїдів 2, 9. Завдяки розподілу теплового навантаження по великій поверхні електродів їх ерозія є мінімальною. Повітря використовують для збудження електричної дуги і попереднього прогрівання реакційного простору. В іншому випадку на холодних водоохолоджуваних електродах плазмотрона конденсуватиметься водяна пара, а пробій зазору катод-анод високою напругою осцилятора, передуючий збудженню силової дуги, буде неможливим. Тому збудження електричної дуги спочатку проводять при подачі повітря, потім подають водяну пару через штуцер 17, а подачу повітря відключають. Електрична дуга нагріває водяну пару до середньомасової температури 3000-5000 °C і вона витікає з соплаанода 4 через рекуперативний насадок 10 в циліндричний реакторний насадок 11. Струмінь парової плазми має високу температуру і швидкість з максимумом на осі, що досягають 5000 °C і 2000 м/с. Для технології газифікації вуглецевмісних речовин необхідні параметри пари з регульованими температурою в діапазоні 1000-2000 °C і швидкістю 50-400 м/с. Цього досягають завдяки подачі в циліндричний реакторний насадок 11 через кільцевий колектор 13 реакторного насадка і отвори 15 першої частині пари, яку на короткій дистанції 0,5-5 співвідношення довжини кільцевого каналу 12 циліндричного реакторного насадка 11 і його діаметра інтенсивно перемішують із струменем парової плазми з вирівнюванням усіх параметрів (температури, швидкості, концентрації) по перерізу циліндричного реакторного насадка. Електродуговий плазмотрон, що заявляється, випробуваний на установці газифікації медичних та інших небезпечних відходів з отриманням цінного високочистого синтез-газу. Установка містить наступні вузли: електродуговий плазмотрон, джерело електроживлення плазмотрона, пульт управління, систему підготування пари та газу, вузли завантаження сировини і вивантаження твердого залишку продуктів переробки, реакційну камеру (піч), систему гартування і очищення газів, що відходять з реакційної камери, вентиляційну систему з димарем. Плазмотрон здійснює перетворення тепла Джоуля електричної дуги в струмінь водяної плазми. Запропонований плазмотрон виконаний по двоелектродній осьовій схемі з порожнистими електродами - порожнистим глухим катодом і вихідним соплом-анодом із ступінчастим збільшенням внутрішнього діаметру. Стабілізація прив'язки катодної ділянки електричної дуги в порожнині катода здійснюється магнітним полем від соленоїда катода, що живиться послідовно з електричною дугою. Газодинамічна стабілізація прив'язки анодної ділянки дуги здійснюється за допомогою ступінчастого збільшення внутрішнього діаметра в осьовому каналі сопла-анода і магнітним полем від соленоїда анода, що живиться послідовно з електричною дугою. Стовп електричної дуги стабілізували по осі дугового каналу в зоні найменшого тиску (повітря) парового вихору. як робочі гази застосовували стиснуте повітря і водяну пару. Запуск плазмотрона здійснювали при подачі повітря з подальшим переходом на пару як плазмоутворюючий газ. Як рідина для охолодження катода і анода застосовували воду. Потужність плазмотрона 25-140 кВт, напруга на дузі 250-350 В, струм дуги 100-400 А, к. к. д. - 0,71. Напруга холостого ходу джерела електроживлення 500 В, витрата повітря 0-80 г/с, витрата пари 0-40 г/с. Діаметр сопла-анода 10-16 мм. Діаметр кільцевого каналу циліндричного реакторного насадка 60-100 мм, довжина циліндричного реакторного насадка 30-500 мм. Середньомасова температура парової плазми 3000 °C, температура пари на виході циліндричного реакторного насадка 1200-2000 °C. Повноту процесу пароплазмової газифікації визначали за повним реагуванням вуглецю і відсутністю аерозолів (дрібнодисперсних частинок) в газах, що відходять. Для моделювання процесу пароплазмової газифікації медичних відходів використовували целюлозу: С6Н10О5 + Н2О + тепло  6СО + 6Н2, поліетилен: 3 UA 98271 C2 5 [-СН2-СН2-]n + Н2О + тепло  хСН4 +уН2+zCO+H2O  nCO+mH2O або їх суміш з різним складом інгредієнтів. Контролювали температуру в реакційній зоні, склад газової атмосфери на виході, наявність аерозолів і тепловий баланс всього процесу. Температуру перегрітої пари на виході з електродугового плазмотрона з циліндричним реакторним насадком змінювали від 1000 °C до 2000 °C. Сумарна витрата пари 0,5-5 г/с. Витрата відходів 10-100 кг/год. У таблиці 1 наведені характеристики прототипу - плазмотрона з рекуперативним насадком і запропонованого винаходу - плазмотрона з рекуперативним і реакторним насадками. Таблиця 1 Порівняльні характеристики прототипу і запропонованого винаходу Параметри Середньомасова температура газів°С Швидкість витікання газів, м/с Прототип 2000-3000 400-700 Запропонований винахід 1000-2000 50-400 10 15 Як видно з наведеної таблиці 1, запропонований пристрій дозволяє отримати потік водяної пари з характеристиками, найближчими для умов оптимального ведення процесу газифікації вуглецевмісних речовин і необхідними для стійкості матеріалу футерування робочої стінки печі, а саме: регульовані температура парової плазми в діапазоні 1000-2000 °C та її швидкість - 50400 м/с. У таблиці 2 показаний вплив відношення площі перерізу отворів в боковій стінці колектора реакторного насадка до сумарної площі перерізу прохідних каналів циліндричного реакторного насадка і сопла-анода (відношення площ перерізів) на параметри роботи плазмотрона в загальному пристрої. 20 Таблиця 2 Вплив відношення площ перерізів на робочі параметри парової плазми при корисній потужності плазмотрона 100 кВт, сумарній витраті пари 22 кг/год., діаметрі сопла плазмотрона 16 мм Параметри Витрата пари через плазмотрон, кг/год. Середньомасова температура на зрізі сопла плазмотрона, °C Швидкість витікання плазми на зрізі сопла плазмотрона, м/с 25 30 35 40 0,3 13,5 Відношення площ перерізів 0,5 2 3 3,5 4,0 11 8 6,5 5 3 2000 2320 2670 2940 3200 3540 1550 1450 1280 1112 937 760 Відношення площ перерізів вибране в межах 0,5-3,5. Як видно з наведеної таблиці 2, підтримання відношення перерізів в обраному діапазоні забезпечує умови стійкої роботи плазмотрона. При відношенні площ перерізів менше 0,5 витрата пари (газу) через плазмотрон перевищує рівень його стійкої роботи по критичному параметру - швидкість вдування газу (пари) в осьовий (дуговий) канал має бути меншою, ніж 0,9 від швидкості звуку. При цьому різко знижується ефективність охолодження стінок циліндричного реакторного насадка і змішування парового плазмового струменя з первинною парою через погіршення структури потоку та його швидкого затухання. Ресурс роботи пристрою при цьому істотно зменшується. При відношенні площ перерізів більше 3,5 витрата газу (пари) через плазмотрон знижується нижче за рівень його стійкої роботи по критичному параметру газового вихору в осьовому (дуговому) циліндричному каналі. Стабілізація стовпа дуги здійснюється за рахунок сил Архімеда, а з ослабленням закручування (зниженням тангенціальної швидкості газу) погіршується аж до аварії. Нижня межа стійкої роботи плазмотрона запропонованої конструкції (це співвідношення між площею поперечного перерізу осьового (дугового) циліндричного каналу і сумарною площею перерізів прохідних каналів в плазмотроні, по яких пару подають в осьовий (дуговий) канал) по витраті газу визначається експериментально. У запропонованому пристрої при відношенні перерізів більше ніж 3,5 необхідно збільшувати сумарну витрату пари для підтримки необхідного рівня тиску на вході, що веде до різкого падіння температури і зрештою до втрати сенсу використання плазми для процесу газифікації. 4 UA 98271 C2 У таблиці 3 показаний вплив співвідношення довжини кільцевого каналу циліндричного реакторного насадка і його діаметра (співвідношення L/D - дивись рисунок) на робочі параметри парової плазми при корисній потужності плазмотрона 100 кВт, сумарній витраті пари 22 кг/год., діаметрі сопла плазмотрона 16 мм. 5 Таблиця 3 Вплив співвідношення L/D на робочі параметри парової плазми Співвідношення L/D 0,3 0,5 2 5 5,5 Параметри Середньомасова температура на виході циліндричного реакторного 2500 2000 1600 1000 950 насадка, °C Швидкість витікання плазми на виході циліндричного реакторного 150 140 130 100 90 насадка, м/с 10 15 20 25 Як видно з наведеної таблиці 3, в прийнятому діапазоні співвідношень L/D (0,5-5,0) забезпечується необхідний температурний і швидкісний діапазон для ведення процесу газифікації органічних відходів. Підтримка даного співвідношення L/D у вибраному діапазоні забезпечує роботу пристрою за умов оптимального ведення процесу газифікації та стійкості матеріалу футерування робочої стінки печі. Зі зменшенням відносної довжини циліндричного реакторного насадка нижче 0,5 не відбувається повноцінне перемішування парового плазмового струменя з первинною парою і не досягають необхідних показників водяної пари (значення температури в 2500 °C істотно відрізняється від оптимальної). При відносній довжині каналу, що дорівнює 5, потік високотемпературної пари вже має рівномірні профілі всіх параметрів і подальша зміна відносної довжини може бути пов'язана тільки з технологічними вимогами та істотного ефекту не дає. Відмінні ознаки пропозиції забезпечують зниження градієнта параметрів (температури і швидкості) в 5-10 разів, глибину регулювання параметрів водяної пари і пароповітряної суміші в 2-3 рази, що узгоджується з умовами роботи печі (реакційної камери) і технологією повної пароплазмової газифікації вуглецевмісних речовин і отримання синтез-газу. Заявлений пристрій електродугового плазмотрона забезпечує можливість регулювання параметрів пароплазмового струменя у всьому, потрібному за технологією робочому діапазоні температур і швидкостей, при значному спрощенні (відповідно, підвищення надійності) всієї плазмової установки, оскільки в даному випадку плазмотрон працюватиме на оптимальному за витратою пари режимі та з одним регулятором витрати. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 30 35 40 45 1. Електродуговий плазмотрон, що включає послідовно встановлені співвісні охолоджуваний катод із розміщеним навколо нього соленоїдом катода, вихрову камеру, кільцевий ізолятор, порожнисте охолоджуване сопло-анод із розміщеним навколо нього соленоїдом анода з осьовим циліндричним каналом, виконаним із ступінчастим збільшенням внутрішнього діаметра, і рекуперативний насадок сопла-анода, який відрізняється тим, що він забезпечений приєднаним до рекуперативного насадка співвісним циліндричним реакторним насадком з кільцевим каналом, на кінці якого встановлено кільцевий колектор реакторного насадка з отворами в боковій стінці для часткового виходу газу та з розташованим перпендикулярно осі плазмотрона циліндричним прохідним каналом, з'єднаним з рекуперативним насадком, причому в соплі-аноді також виконані циліндричні прохідні канали, що з'єднані з кільцевим колектором. 2. Електродуговий плазмотрон за п. 1, який відрізняється тим, що співвідношення довжини кільцевого каналу циліндричного реакторного насадка і його діаметра виконане в межах 0,5-5, а відношення площі перерізу отворів в боковій стінці кільцевого колектора реакторного насадка до сумарної площі перерізу прохідних каналів циліндричного реакторного насадка і сопла-анода - в межах 0,5-3,5. 5 UA 98271 C2 Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6