научная статья по теме ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ГЕНЕРАТОРОВ ПЛАЗМЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ПРИ РАБОТЕ В СОСТАВЕ ПЛАЗМЕННОГО РЕАКТОРА Физика

Текст научной статьи на тему «ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ГЕНЕРАТОРОВ ПЛАЗМЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ПРИ РАБОТЕ В СОСТАВЕ ПЛАЗМЕННОГО РЕАКТОРА»

ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2007, том 45, № 1, с. 5-11

ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАЗМЫ

УДК 533.9.07

ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ГЕНЕРАТОРОВ ПЛАЗМЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ПРИ РАБОТЕ В СОСТАВЕ ПЛАЗМЕННОГО РЕАКТОРА

© 2007 г. С. Д. Попов, А. Ф. Рутберг, А. А. Сафронов

Институт электрофизики и электроэнергетики РАН, Санкт-Петербург Поступила в редакцию 15.12.2005 г.

Описываются различные режимы работы электродугового генератора низкотемпературной плазмы в составе плазмохимической установки в зависимости от способа подключения источника питания.

PACS: 52.50. Dg, 52.77.-j

ВВЕДЕНИЕ

В последнее время во всем мире возрос интерес к разработке новых экологически благоприятных методов обезвреживания и переработки отходов (бытовых, медицинских, биологических, токсичных и опасных и др.). Одним из наиболее перспективных направлений является плазменная переработка [1-7]. Практически во всех плазменных установках для переработки отходов используются сильноточные дуговые разряды или электродуговые плазмотроны, так как только они способны обеспечить необходимую плотность энергии при достаточно большой мощности [8-12]. В разрядной камере плазмотрона электрическая энергия, вложенная в дугу, преобразуется посредством теплообмена во внутреннюю энергию рабочего газа. Использование плазмотронов для решения данных задач имеет целый ряд преимуществ. Хорошо известно [1], что ионы плазмы сами являются химически активными и способны генерировать химически активные частицы (радикалы) при столкновении с нейтральными молекулами. Это приводит к интенсификации химических процессов. При использовании плазмотронов в составе технологических установок можно гарантированно обеспечивать температуру процессов свыше 1200°С, что позволяет практически избежать выбросов таких особо вредных соединений, как диоксины, цианиды и фураны, что типично для существующих систем обычного сжигания. (Диапазон температур протекания процессов деструкции, при которой наиболее интенсивно происходят особо вредные выбросы - от 800 до 1000°С.) В ряде случаев использование электрической энергии выгоднее по экономическим показателям. Например, для автономных установок небольшой производительности применение электрической энергии исключает проблемы доставки,

хранения и подачи топлива, повышает безопасность процесса сжигания. При использовании плазмотронов упрощается процесс регулирования температурного режима за счет возможности изменения энергосодержания плазменной струи.

Для реализации технологических приложений, на взгляд авторов, наиболее перспективным представляется использование многофазных однокамерных плазмотронов. В разрядной камере такого плазмотрона одновременно может гореть несколько дуг, заполняющих доступное пространство, за счет этого и благодаря диффузии электронов формируется пространственная область с достаточно высокой концентрацией носителей зарядов, что приводит к установлению такого режима горения дуг, при котором температура дуги существенно ниже, чем при контрагированном режиме. При диффузном режиме горения нагрев газа происходит в соответствии с двумя основными механизмами: протеканием части газа через дугу и интенсивной конвекцией. Энергия, затраченная на нагрев газа, протекающего через дугу, высвобождается при релаксации возбуждения атомов и молекул, а также при рекомбинации атомов, распределяясь по объему разрядной камеры. Это способствует повышению среднемассовой температуры. Потери за счет излучения малы, и, соответственно, высок коэффициент передачи энергии разряда газу. Форму камеры можно сделать близкой к сферической, что оптимально с точки зрения уменьшения потерь энергии на стенки камеры. Диффузный характер горения дуг обеспечивает плавный переход тока через нуль, поэтому осциллограммы токов близки к синусоидальным, изменения значений тока, которые могут быть обусловлены нестабильностью дуги, автоматически подавляются индуктивностью источника питания. От реактивной составляющей мощности, присутствую-

Рис. 1. Схема плазмохимического реактора с пристыкованным к нему плазмотроном: 1 - плазмотрон, 2 -стыковочный узел, 3 - корпус плазмохимического реактора, 4 - заземление корпуса установки.

Рис. 2. Схема трехфазного плазмотрона переменного тока: 1 - инжектор, 2 - электрод, 3 - изолятор, 4 -клемма, 5 - рубашка охлаждения, 6 - контур подачи рабочего газа.

щей при наличии индуктивной нагрузки, несложно избавиться при помощи емкостной компенсации

[9].

Однако применение генераторов плазмы при работе в составе плазмохимического реактора имеет ряд существенных особенностей.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА, СХЕМА ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОДУГОВОГО МНОГОФАЗНОГО ПЛАЗМОТРОНА

Эксперименты проводились на плазмохимиче-ском реакторе, предназначенном для уничтожения бытовых и медицинских отходов. Его принципиальная схема дана на рис. 1. Реактор представляет собой футерованную термостойкой керамикой металлическую печь, корпус которой гальванически заземлен. В качестве мощного нагревателя газа для реактора использовались электродуговые многофазные плазмотроны переменного тока с трубчатыми медными водоохлаждаемыми электродами. Рабочий газ - воздух. Плазмотроны данного типа могут работать с большим ресурсом (сотни часов) в широком диапазоне изменения мощности и расхода газа. Устройство многофазного электродугового плазмотрона переменного тока с трубчатыми электродами представлено на рис. 2. В основу работы плазмотрона положен принцип электродинамического движения дуг в поле собственного тока (рельсотронный эффект).

Быстрое перемещение точки привязки дуги по электроду под действием электродинамических и газодинамических сил распределяет тепловую нагрузку от привязки по длине электрода, что дает возможность использовать водоохлаждаемые электроды, выполненные из относительно легкоплавкого материала с высокой теплопроводностью и способные работать на окислительных средах. В состав плазмотрона в качестве инжектора входит однофазный высоковольтный плазмотрон малой мощности. Инжектор создает в межэлектродном промежутке поток плазмы с концентрацией электронов пе = 1013-1014 см-3, достаточной для плавного зажигания основных дуг после перехода тока через нуль. Дуги инициируются между основными электродами в зоне минимального межэлектродного промежутка, после чего дуговые привязки перемещаются по поверхностям расходящихся электродов.

Особенностью плазмотронов данного типа является наличие пульсаций мощности, что существенно улучшает условия теплообмена в реакторе и, как показано в [13], делает их наиболее подходящими, когда необходимо получить высокую температуру в достаточно большом объеме, в частности в плазмохимическом реакторе. На рис. 3 представлена зависимость мощности плазмотрона от расхода плазмообразующего газа при различных мощностях системы питания [13].

Р, кВт 500

400

300

200

100

0

1500 А

ЧМЧ|4 С2

Ао

д 1000 А

700 А

—о

□ 500 А

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70

е, г/с

Рис. 3. Зависимости мощности трехфазного плазмотрона с рельсовыми электродами от расхода рабочего газа (воздух) при атмосферном давлении и разных настройках источника питания по токам короткого замыкания.

Во

Со

Рис. 4. Схема источника питания трехфазного плазмотрона;

слева клеммы подключения (А, В и С) к питающей сети 480 В, 50-60 Гц, справа - к токовводам электродов плазмотрона (сверху) и инжектора (снизу); L1-L3 -токоограничивающие реакторы; Т - трансформатор питания инжектора; С1 и С2 - компенсаторы реактивной мощности инжектора и основных дуг соответственно.

Рассматриваемый тип плазмотронов разрабатывался для американского стандарта напряжения, поэтому он работает от системы питания переменного тока промышленной частоты с напряжением 480 вольт. Система питания обеспечивает надежный запуск и устойчивую работу плазмотрона. Регулирование мощности производится ступенчато переключением отпаек токоограничива-ющих индуктивностей. Принципиальная электрическая схема источника питания представлена на рис. 4. Система питания состоит из токоограничи-вающих индуктивностей в каждой фазе, источника питания высоковольтного однофазного плазмотрона переменного тока с торцевыми электродами, сильноточной коммутационной аппаратуры, схемы компенсации реактивной мощности и автоматики системы управления. Также источник питания включает в себя системы подачи газа и водяного охлаждения. Токоограничивающие реакторы выполнены на ферромагнитном сердечнике с немагнитными зазорами и медной обмоткой. Тип сердечника - броневой для уменьшения области магнитного рассеяния. Для уменьшения габаритов и увеличения плотности тока используется водяное охлаждение реактора. Индуктивность реактора регулируется ступенчато переключением перемычек. Токоограничивающие индуктивности выполняют следующие функции: ограничивают ток дуги; определяют мощность системы питания; обеспечивают необходимую вольт-амперную характеристику (ВАХ) источника питания; создают сдвиг фаз между током и напряжением дуги, тем самым обеспечивая более благоприятные условия повторного зажигания дуги после прохождения тока через нуль; подавляют

пульсации напряжения на дуге, которые могут привести к неустойчивой работе плазмотрона.

Напряжение холостого хода источника питания варьируется в интервале 480-520 В. Рабочий ток 500, 700, 1000, 1500 А изменяется переключением отпаек токоограничивающих индуктивностей.

Системы питания, представленные на рис. 4, могут подключаться либо к заземленному источнику (понижающий трансформатор с обмотками низкого напряжения (380, 480 В), соединенных звездой, и заземленной нейтральной точкой), либо к гальванически не связанному с землей источнику (понижающий трансформатор с обмотками низкого напряжения (380, 480 В), соединенных звездой без выведения нейтрали или соединенных по схеме "треугольник").

РАБОТА ПЛАЗМОТРОНА В НОРМАЛЬНОМ РЕЖИМЕ

Под нормальным режимом работы плазмотрона с точки зрения технической эксплуатации будем понимать режим, при котором плазмотрон работает в течение всего ресурса эксплуатации без аварий с установленными согласно рабочим режимам ресурсами электродов. В нормальном режиме внутри электродуговой камеры од

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.

Показать целиком