ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2013, том 51, № 1, с. 36-40
ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАЗМЫ
УДК 533.9.004.14
ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПЛАЗМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ОРГАНОСОДЕРЖАЩИХ ВЕЩЕСТВ. ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССОВ В ДУГОВЫХ КАМЕРАХ ПЛАЗМОТРОНОВ
© 2013 г. О. Б. Васильева, И. И. Кумкова, А. Ф. Рутберг, А. А. Сафронов, В. Н. Ширяев
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики и электроэнергетики РАН, Санкт-Петербург E-mail: rc@iperas.nw.ru Поступила в редакцию 01.03.2012 г.
Рассматриваются процессы в дуговых камерах плазмотронов переменного тока мощностью 1—2 МВт со стержневыми электродами, предназначенными для работы на азоте, водороде, аргоне, и рельсовыми электродами для работы на окислительных средах. Анализируется возможность (эффективность) применения такого типа плазмотронов для газификации и пиролиза органосодержащих веществ в плазмохимических реакторах. Проведено сравнение с использованием свободногорящих дуг непосредственно в плазмохимических реакторах. Показано преимущество применения для этих целей плазмотронов.
ВВЕДЕНИЕ
В данной работе рассматриваются процессы в дугах плазмотронов в диапазоне токов от нескольких десятков ампер до килоампера, горящих в интенсивных газовых потоках. Параметры процессов в этом случае следует оценивать в приближении локального термодинамического равновесия, поскольку параметры дуговых разрядов претерпевают существенные изменения за время порядка миллисекунд, а характерные времена протекания газофазных реакций при температурах более 3000 К (что всегда имеет место в сильноточных разрядах) на несколько порядков меньше [1—5]. Для создания конструкций плазмотронов с оптимальными параметрами и их наиболее эф-
1 2 3 4
Рис. 1. Трехфазный плазмотрон со стержневыми электродами: 1 — камера, 2 — контур подачи газа, 3 — наконечник электрода, 4 — изолятор, 5 — токоввод, 6 — подвод воды.
фективной эксплуатации следует уяснить основные процессы, происходящие в рабочей камере плазмотрона.
Электрическая дуга, горящая в потоке газа, имеет ряд специфических особенностей. Применительно к мощным плазмотронам рассматриваются дуги с изменением силы тока в диапазоне 102—104 А [4—6]. Для массового промышленного применения в современных технологических процессах и плазмохимических установках наиболее востребованными являются плазмотроны мощностью 0.1—0.5 МВт и 1—2 МВт, отвечающие жестким требованиям по надежности, энергоэффективности, длительности непрерывной работы и способные использовать в качестве рабочего газа окислительные среды, в частности воздух.
В Институте электрофизики и электроэнергетики РАН разработаны мощные трехфазные однокамерные плазмотроны со стержневыми вольфрамовыми или вольфрамосодержащими электродами (рис. 1), предназначенными для работы на инертных газах, азоте и водороде [3, 6], а также многофазные однокамерные плазмотроны с рельсовыми медными или медьсодержащими электродами (рис. 2) для работы на окислительных газах [4, 6—8].
РЕЖИМ ГОРЕНИЯ ДУГ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В ПЛАЗМОТРОНАХ
Контрагированный столб дуги выдувается потоком газа из области между электродами. При сравнительно высоких давлениях, следует полагать, что контракция столба дуги наступает из-за
неоднородности температуры газа по сечению разряда и возникающей вследствие этого неоднородности концентрации электронов. Контракция положительного столба приводит к уменьшению скорости фронта ионизации и при наличии потока к перемещению области ионизации и выдуванию столба, т.е. к появлению "стрелы прогиба". Впервые физика этого явления была рассмотрена в диссертации В.Ю. Баранова. Стрела прогиба определяется в основном диффузией заряженных частиц из канала столба, вытянутого потоком газа. Существует критическая скорость потока газа, при которой происходит пробой газа по хорде положительного столба (рис. 3).
Определение характера горения дуг в исследуемых конструкциях плазмотронов представляет практический интерес, так как это позволяет наметить пути увеличения длины столба дуги, а следовательно, падения напряжения и увеличения полезной мощности.
В рассматриваемых конструкциях плазмотронов поступающий в рабочую камеру газ образует у стенок камеры относительно холодный слой, где концентрация заряженных частиц резко падает и, таким образом, создается изолирующая область. Вследствие этого положительный столб дуги не должен касаться стенок, что и наблюдается в действительности.
В электродуговой камере в каждый момент времени наиболее ярко горит одна из дуг, в то время как вторая погасает, а третья загорается.
Как следует из результатов скоростной съемки и сопоставления их с полученными осциллограммами изменения напряжения и тока дуги в каждой из фаз, один из электродов является катодом по отношению к последующему электроду, затем после смены полярности они меняются ролями.
Характер горения дуг в камере определяется рядом факторов. Наблюдается два характерных режима: диффузный и контрагиро-ванный [4]. При установлении контрагирован-ного режима горения дуг (пе > 1016 см-3, Т> 104 К, пе — концентрация электронов) значительная часть тепла передается за счет излучения (50—99%). Носители зарядов при этом образуются фактически за счет термической ионизации рабочего газа [6]. Наличие в рабочем газе паров металла электродов значительно снижает лучистые потери, так как ими поглощается большая часть энергии излучения. Кроме того, несмотря на сравнительно малую площадь сечения столба контрагированной дуги, сами дуги интенсивно движутся в объеме разрядной камеры, способствуя интенсивному продуву рабочего газа через зону разряда.
Оценка параметров процессов, происходящих в дуговом разряде генератора плазмы, возможна в приближении локального термодинамического равновесия. Оно имеет место, поскольку электрические параметры дугового разряда в генера-
Рис. 2. Трехфазный плазмотрон с рельсовыми электродами: 1 — инжектор, 2 — основной электрод, 3 — изолятор, 4 — токоввод, 5 — водоохлаждаемый корпус, 6 — контуры тангенциальной газовой подачи.
Электрод
В Стрела прогиба
щ
Газ [:-
ш=
А Дуга
Рис. 3. "Прогиб" дуги.
торе плазмы переменного тока, внешние и определяющие по отношению к газодинамической системе электрической дуги, претерпевают существенные изменения на временах порядка миллисекунды, тогда как характерные времена протекания газофазных реакций при температурах более 2000—3000 К на несколько порядков меньше [9, 10].
Напряженность электрического поля в столбе дугового разряда можно оценить по формуле
Е = и ~ иа ~ ик (В/см),
1д
где и — падение напряжения на электродах, иа — анодное падение напряжения, ик — катодное падение, /д — длина дуги. Величина анодного и катодного падения для таких разрядов составляет 10—20 В [11, 12].
Протяженность зон анодного и катодного падений не учитывается, поскольку для данного типа дугового разряда она составляет 10—3 см и меньше [10, 13]. Таким образом, напряженность поля, исключая падение напряжения в анодной и катодной зоне, в столбе дугового разряда равна ~10—20 В/см для N и воздуха.
Плотность тока в дуге при допущении однородности проводящей области по ее поперечному сечению составляет
] =
х
^пр
(А/см2),
2
4
38
ВАСИЛЬЕВА и др.
T, 103 K
Рис. 4. Энергозатраты на получение плазмы 1 кг воздуха + 1 г Cu, 2 атм.
Т, 103 К
Рис. 5. Равновесный состав плазмы как на рис. 4, нейтральные компоненты.
где 8пр — площадь сечения проводящей области.
Оценим необходимое количество носителей тока для обеспечения такой плотности. Как известно [12], плотность тока складывается из электронной и ионной составляющих
7 = + (А/см2), где п, пх — количество электронов и положительных ионов в единице объема; е — заряд электрона (1.6 х 10-19 К); V, vi — скорости дрейфа электронов и ионов в электрическом поле.
В основном роль ионов заключается в нейтрализации пространственного заряда электронов [13, 14] и ток в плазме переносится электронами. Пренебрегая диффузией электронов из канала, можно приравнять плотность электронного тока средней плотности тока, подсчитанной путем деления тока на площадь сечения канала [7].
Дрейфовую скорость можно оценить, зная отношение напряженности поля к общему числу частиц [14—16], которое, в свою очередь, зависит от температуры и давления. Судя по конфигурации разрядной камеры, дуга горит при давлении, близком к атмосферному (при истечении из сопла в атмосферу). Температуру Т в зоне разряда можно приблизительно оценить, зная проводимость газа:
а = 7 (1/Ом м).
Е
Для этого значения проводимости температура воздуха Т~ 5500—7000 К [17], хотя при наличии паров меди в разряде температура может быть несколько ниже [16]. Общее число частиц газа в единице объема составит
N = Р, кТ
где р — давление, к — постоянная Больцмана, Т — температура. Дрейфовая скорость электронов ve ~ ~ 6 х 105 см/с.
Таким образом, необходимая плотность электронов рассчитывается как
К. ,
ev.
т.е. для диффузного разряда ne ~ 1014 см-3, а для контрагированного разряда ne = 1015-1017 см-3 в зависимости от силы тока.
Чтобы определить, откуда берутся электроны проводимости, необходимо рассмотреть смесь плазмообразующего газа с парами металла электродов в диапазоне температур, близких к температуре, характерной для параметров дуг в исследуемых плазмотронах.
Более точно концентрацию электронов ne можно определить, зная равновесный состав смеси при данной температуре. Расчет состава выполнен с помощью компьютерной программы CHEMICAL WORKBENCH. Его результаты приведены на рис. 4-9.
Как видно из рисунков, для воздушной плазмы при температуре до 7 х 103 К основное количество электронов поступает за счет ионизации атомов меди и NO, свыше 8 х 103 К - в основном за счет ионизации азота.
Для аргоновой плазмы при температуре до 6 х х 103 К основное количество электронов поступает за счет ионизации атомов вольфрама, при Т > > 6.5 х 103 К - в основном за счет ионизации аргона.
Для азотной плазмы наблюдается аналогичная тенденция: до 5.5 х 103 К основное количество электронов поступает за счет ионизации атомов вольфрама, после 7 х 103 К (в случае рабочего давления 7 атм - 8
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.