УДК 533.9.03
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДУГ В ПАРОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ В ПЛАЗМОТРОНАХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
© 2013 г. Ф. Г. Рутберг, В. А. Кузнецов, Е. О. Серба, Г. В. Наконечный, А. В. Никонов, С. Д. Попов, А. В. Суров
Институт электрофизики и электроэнергетики РАН(ИЭЭ РАН), Санкт-Петербург
E-mail: rc@iperas.nw.ru Поступила в редакцию 19.10.2012 г.
В работе представлен обзор существующих плазмотронов, предназначенных для получения паровой плазмы. Вместе они охватывают следующие диапазоны важнейших технических параметров: КПД — 51—95%, теплосодержание плазмы — 12—84 МДж/кг и доля пара в плазмообразующем газе — 17—100%. Обосновывается перспективность использования переменного тока для получения плазмы. Описываются проблемы создания парового плазмотрона. Представлено описание экспериментов, проведенных на плазмотроне переменного тока, в ходе которых суммарный расход плазмообразую-щей паровоздушной смеси и действующее значение силы тока поддерживались постоянными ~6.7 г/с и ~28.4 А соответственно, а доля пара менялась от 54 до 85%. С ростом доли пара напряжение увеличивалось с 1.03 до 1.59 кВ, при этом по оценкам температура дуги снизилась с 11600 до 10200 K, что обусловлено интенсификацией теплообмена. На всех режимах наблюдался высокий КПД 94.3— 95.3% при существенном изменении удельного ввода энергии от 8.3 до 12.4 МДж на 1 кг плазмооб-разующего газа.
Б01: 10.7868/80040364413050189
ВВЕДЕНИЕ
Несмотря на влияние мирового финансово-экономического кризиса, экономический рост продолжается. Причем экономики развивающихся стран растут быстрее, чем развитых [1]. В целом это приводит к увеличению уровня жизни и, соответственно, росту потребления энергии.
Сырая нефть является одним из самых важных энергетических ресурсов, не менее двух третей производства которого нужно будет заменить уже к 2030 году [2]. Поэтому актуальность разработки современных технологий производства синтетических жидких топлив постоянно растет.
Газификация [3—5] и конверсия [6] различных видов углеводородного сырья низкотемпературной плазмой позволяют увеличить удельные выходы жидких топлив [7] и водорода [6]. Причем наибольшие значения выходов достигаются при использовании паровой плазмы, с ростом теплосодержания которой снижается доля балластных примесей (С02 и Н20) в синтез-газе. Присутствие перегретого пара или паровой плазмы в реакторе приводит к повышению эффективности крекинга и каталитической конверсии смол [8—10]. Использование паровой плазмы при газификации перспективно для получения водорода [11], газификации отходов пластика [12] и для получения синтез-газа, состоящего в основном из водорода,
монооксида углерода и метана [13]. При получении водорода из биоэтанола с помощью паровой плазмы можно интенсифицировать процессы газификации и паровой конверсии монооксида углерода [14].
Наиболее эффективным устройством для получения паровой плазмы являются электродуговые плазмотроны. Поэтому создание паровых плазмотронов весьма актуально [15].
ОБЗОР ПАРОВЫХ ПЛАЗМОТРОНОВ
В основном современные паровые плазмотроны работают на постоянном токе.
Среди них в первую очередь заслуживает внимания гибридно-стабилизованный плазмотрон ^^Р®Н [16], созданный в Институте физики плазмы Чешской академии наук (Чехия). Он обладает высокой мощностью 43.2—98.4 кВт (напряжение — 144—164 В, ток — 300—600 А) и генерирует плазму с высоким теплосодержанием 24.9—84.0 МДж/кг при сравнительно высоком КПД 77—84%. Однако для защиты электрода используется аргон, массовая доля которого в общем потоке плазмообразующего газа (0.84—1.45 г/с) составляет 62.8—82.7%, причем вместо пара в плазмотрон вводится вода. С точки зрения его использования для газификации это скорее аргоновый плазмотрон, нежели паровой. Тем не менее за
счет высокой энтальпии получаемой плазмы массовую долю пара можно повысить до 87.9% смешением полученной плазмы с низкотемпературным паром при снижении общего теплосодержания до 20 МДж/кг, что является приемлемым показателем для многих технологий, основанных на использовании паровой плазмы. Технической особенностью плазмотрона является стабилизация разряда в аргоне водяным вихрем, организованным вдоль его длины. Разряд горит между циркониевым стержневым катодом и вращающимся медным дисковым анодом.
В работе [17] учеными из Южной Кореи и США представлена вольт-амперная характеристика (напряжение — 250—460 В, ток — 210—570 А) мощного (70—230 кВт) парового плазмотрона постоянного тока. Расход пара составляет от 1 до 5 г/с. Защитные газы — аргон или азот. Срок службы электродов — 300—500 ч. К сожалению, без данных о расходе защитного газа и эффективности плазмотрона определение энтальпии получаемой плазмы и массовой доли пара в плазмообразую-щем газе невозможно. Конструктивно плазмотрон выполнен по классической схеме: плазмооб-разующий газ подается в разрядную камеру тангенциально, дуга зажигается между стержневым катодом (защищаемым инертным газом) и кольцевым анодом. Материал электродов — вольфрам.
Другой представитель паровых плазмотронов линейной схемы — PBR 8 (Центр внедрения космических систем Стейнбейс, 81етЬе18 ТгашГег-/еПгат Raumfahrtsysteme (нем.), Германия), согласно его вольт-амперной характеристике (101— 190 А, 123—153 В) [18], обладает более низкими мощностью 14.2-27.4 кВт и КПД 57.0-78.1% по сравнению с ^ВР®И. При этом расход пара составляет 0.3-0.7 г/с, а расход защитного аргона ~0.055 г/с. Таким образом, это устройство генерирует плазму с теплосодержанием 21.0-37.3 МДж/кг, а доля пара в плазмообразующем газе составляет
84.5-92.7%. Плазмотрон построен по линейной схеме с центральным катодом и водоохлаждае-мым анодом. По соотношению доли пара и энтальпии плазмы PBR 8 выглядит лучше, чем ^ВР®И, однако более низкая эффективность делает его менее привлекательным для энергоемких приложений.
В работе [19], выполненной коллективом Литовского энергетического института (Литва), представлены основные характеристики еще одного плазмотрона линейной схемы: мощность - 29-39 кВт, напряжение - 179-260 В, ток - 138-182 А, КПД -51-70%, расходы пара - 128-133 л/мин (~1.71— 1.78 г/с) и защитного аргона - 18.2 л/мин (~0.24г/с). Данный плазмоторон позволяет получать плазму с теплосодержанием 7.6-13.5 МДж/кг, массовой долей пара в плазмообразующем газе -
87.6-88.0%, проигрывая по этим показателям мо-
делям и PBR 8. Защищаемый аргоновым
дутьем катод выполнен из вольфрама в виде конуса, анод имеет ступенчатую форму и сделан из меди.
Мощных паровых плазмотронов, не использующих защитного дутья, практически нет, а маломощные представляют интерес только для специальных задач или моделирования лабораторного масштаба. Один из таких плазмотронов представлен в работе [20], выполненной коллективом авторов из Института физики плазмы Китайской академии наук (Китай) и Нагойского университета (Япония). Мощность этого плазмотрона составляет ~1 кВт, падение напряжения на дуге -124-142 В, ток - ~7 А при КПД ~90% и расходе плазмообразующей воды ~0.05 г/с, что обеспечивает теплосодержание плазмы ~15.6 МДж/кг. Катод выполнен из циркония, анод - из меди. После ~1 ч работы корпус плазмотрона начинает перегреваться.
В целом вопросы стабильности работы и срока службы электродов для паровых плазмотронов имеют высокую важность для их внедрения в промышленность и изучаются уже довольно продолжительное время. В частности, в работе [21] рассматривается эрозия медных электродов генерации плазмы из водяного пара и его смесей с аргоном для токов до 100 А. Однако в настоящее время единственным действенным способом снижения эрозии является использование защитного дутья и понижение рабочего тока. В качестве защитного дутья в основном применяются аргон или азот, в то время как воздух является значительно более доступным технологическим газом. Кроме того, очень мало информации о ресурсных испытаниях.
РАЗРАБОТКА ПРОМЫШЛЕННОГО
ПЛАЗМОТРОНА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Создание промышленных систем целесообразно осуществить с использованием переменного тока [22]. Это в значительной мере позволяет упростить и удешевить систему питания, максимально использовать стандартное оборудование, существенно повысить КПД системы в целом, значительно поднять величину падения напряжения на дугах и рабочий ресурс электродов, не увеличивая их массу и стоимость [23, 24]. Типичная схема представлена на рис. 1. Она не включает в себя, за исключением самой дуги, элементов активного сопротивления, незначительное активное сопротивление подводящих кабелей не превышает величины порядка процента. Таким образом, практически вся активная мощность, реализуемая в цепи, выделяется на дугах. Стабилизация дуг и регулирование тока осуществляются при помощи включенных последовательно индуктивностей. Реактивная мощность цепи сводится к нулю при помощи включенных в цепь емкостных компенса-
торов. Таким образом, удается достичь суммарного энергетического КПД системы более 93-94%. На аналогичных принципах реализованы системы, работающие на неконденсирующихся газах, включая окислительные и водород, стационарной мощностью до 600 кВт и кратковременной мощностью (десятки часов) до 6 МВт [25-27].
Охлаждение стержневых электродов плазмотрона осуществляется подведением охлаждающей воды к торцу электрода по коаксиальному каналу типа "труба в трубе". Вода движется по центральной трубке, омывает торец электрода и сливается через внешний кольцевой канал. Через этот же коаксиальный канал подается напряжение на электроды. Присоединение электрода к каналу охлаждения выполнено с помощью резьбового соединения с резиновым уплотнительным кольцом.
Особенностью пароводяных плазмотронов является необходимость поддержания высокой температуры стенок разрядных каналов (выше температуры кипения воды). Это необходимо для предотвращения конденсации рабочего водяного пара. Наличие капель конденсата в результате их перегрева и взрывообразного испарения приводит к нежелательным пульсациям, которые могут вызвать дестабилизацию дуги.
Для того чтобы исключить конденсацию рабочего водяного пара на стенках разрядных каналов, на корпусе плазмотрона в зоне электродов и в зоне
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.