Исследование многофазных генераторов плазмы переменного тока, работающих на окислительных средах в диапазоне мощности от 100 до 300 кВт

В последнее время во всем мире возрос интерес к разработке новых методов переработки отходов, представляющих чрезвычайный интерес с точки зрения энергетики как один из источников возобновляемой энергии. Однако, существующие в настоящее время методы освоения этих ресурсов неудовлетворительны. Одним из наиболее перспективных направлений является плазменная переработка. Плазменный пиролиз и газификация позволяют при переработке отходов, содержащих органические соединения, получать горючий синтез-газ, пригодный как сырье для производства энергии. Использование низкотемпературной плазмы (термической плазмы) так же перспективно для методов переработки токсичных и опасных отходов, в частности, в качестве дополнительного источника тепловой энергии при реализации метода высокотемпературной минерализации [1−6].

Наиболее эффективным методом генерирования термической плазмы для рассматриваемых задач является электродуговой, это обусловлено высокой плотностью передачи энергии в дуге. Поэтому практически во всех плазменных установках для переработки отходов используются сильноточные дуговые разряды или электродуговые плазмотроны, способные обеспечить необходимую плотность энергии при достаточно большой мощности [7−10]. В разрядной камере плазмотрона электрическая энергия, вложенная в дугу, преобразуется 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 можно гарантированно обеспечивать температуру процессов свыше 1200 °C, что позволяет практически избежать образования таких особо вредных выбросов, как диоксины, цианиды и фураны. (Наиболее интенсивно особо вредные выбросы образуются при протекании процессов в диапазоне температур от 800 до 1000 °C.) Использование электрической энергии в ряде случаев выгоднее по стоимостным показателям для автономных установок небольшой производительности, это исключает проблемы доставки, хранения и подачи топлива, а также повышает безопасность процесса сжигания. Достигаемая высокая температура может быть использована для закалки, позволяющей создать метастабильные и неравновесные состояния. При использовании плазмотронов так же упрощается процесс регулирования температурного режима за счет возможности изменения тепловой мощности плазменной струи [11].

Несмотря на то, что и в нашей стране и за рубежом в истории создания плазмотронов существует достаточно большой задел, тем не менее, в условиях развития новых технологий возникает необходимость создания устройств, способных обеспечить высокую эффективность передачи энергии при продолжительной работе на окислительных средах, прежде всего — на воздухе. Кроме того, с практической точки зрения наряду с экономичными эксплуатационными качествами немаловажным является достижение достаточно низкой коммерческой стоимости плазмотронов и систем обеспечения. Предъявленным требованиям наиболее полно могут соответствовать однокамерные многофазные плазмотроны переменного тока с электродами рельсового типа, разработка которых началась в ИПЭФ РАН в 80-х годах XX века. Учитывая то, что для достижения оптимальных технологических характеристик, в качестве плазмообразующего газа требуется использовать воздух и другие окислительные среды, возникла необходимость проведения дополнительных исследований.

Изучение физических процессов внутри разрядной камеры однокамерного многофазного плазмотрона переменного тока при работе на воздухе, а также изучение влияния способа подачи и расхода плазмообразующего газа на внешние характеристики с целью выявления оптимальных режимов работы в составе плазмохимических установок является актуальной научно-технической задачей. Настоящая работа посвящена исследованиям, проводившимся при разработке многофазных однокамерных плазмотронов переменного тока, работающих на окислительных средах в диапазоне мощности от 100 до 300 кВт. В качестве плазмообразующего газа при проведении экспериментов использовался воздух с расходом от 15 до 70 г/с.

Целью диссертационной работы является исследование электрофизических процессов в разрядной камере стационарных многофазных однокамерных плазмотронов переменного тока с электродами рельсового типа мощностью от 100 до 300 кВт, работающих на окислительных средах (прежде всего — на воздухе в диапазоне расхода от 15 до 70 г/с) — и определение оптимальных режимов работы для их использования в составе плазмохимических установок. Для достижения этой цели в работе поставлены задачи:

• создать экспериментальный стенд с автоматизированной системой измерения и регистрации параметров для исследования плазмотронов;

• исследовать физические процессы и характер горения дуг в разрядной камере плазмотрона;

• установить зависимости внешних характеристик плазмотрона от расхода плазмообразующего газа;

• определить пределы регулирования параметров плазмотрона, в частноститеплосодержания рабочего газа на выходе, а также, определить оптимальные режимы работы для использования многофазных однокамерных плазмотронов переменного тока с электродами рельсового типа в составе плазмохимических установок.

Для решения поставленных в работе задач использовались следующие методы исследований: При испытании плазмотронов на экспериментальном стенде в автоматическом режиме проводились измерения электрических параметров, по осциллограммам рассчитывались действующие значения токов и напряжений, а также мощность и КПД. Для определения физических параметров в разрядной камере проводились спектроскопические измерения и высокоскоростная видеосъемка. Данные автоматически регистрировались и обрабатывались на ЭВМ, по ним строились аппроксимационные кривые. Для определения оптимальных режимов работы плазмотронов использовался метод экспертных оценок.

Научная новизна определяется тем, что впервые экспериментально исследована работа однокамерных многофазных плазмотронов переменного тока с электродами рельсового типа в диапазоне мощности от 100 до 300 кВт с использованием окислительной среды (воздуха) в качестве плазмообразующего газа. Для этого был создан испытательный стенд с диагностической камерой, позволяющий проводить оптические исследования, оснащенный автоматизированной системой измерения и регистрации физических параметров.

Исследован характер поведения дуг в разрядной камере плазмотрона данного типа, определены условия существования диффузного и контрагированного режимов горения дуг при использовании воздуха в качестве плазмообразующего газа.

Проведены исследования работы многофазного однокамерного плазмотрона переменного тока с электродами рельсового типа мощностью от 100 до 300 кВт в диапазоне токов от 400 до 1100 А и напряжения до 500 В, получены зависимости внешних характеристик от расхода плазмообразующего газа для воздуха в диапазоне от 15 до 70 г/с, дано объяснение характера вольтамперных характеристик плазмотрона.

Достигнуты широкие пределы изменения теплосодержания рабочего газа на срезе сопла многофазного однокамерного плазмотрона переменного тока с электродами рельсового типа мощностью от 100 до 300 кВт. При использовании воздуха в качестве плазмообразующего газа с расходом от 15 до 70 г/с, его теплосодержание на выходе можно регулировать в диапазоне от 2 до 12 МДж/кг. Определены оптимальные режимы для работы плазмотрона в составе плазмохимических технологических установок.

Личный вклад автора заключается в непосредственном участии в создании экспериментального стенда для исследования плазмотронов мощностью до 300 кВт, в оснащении стенда измерительными устройствами и автоматизированной системой измерения. Автор занимался разработкой программного обеспечения для системы сбора и регистрации физических параметров. Проводил исследования многофазных однокамерных плазмотронов переменного тока с электродами рельсового типа, изучил характер поведения дуг в разрядной камере при работе на воздухе. Выявил зависимости внешних характеристик от расхода воздуха в качестве плазмообразующего газа в диапазоне расходов от 15 до 70 г/с. Определил оптимальные режимы для работы плазмотрона в составе технологических плазмохимических установок.

Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что разработанные методы могут быть использованы для дальнейших исследований генераторов термической плазмы переменного тока.

Результаты, полученные для плазмотронов мощностью от 100 до 300 кВт, используются при создании плазмотронов переменного тока, работающих на окислительных средах в следующем по мощности диапазоне (свыше 300 кВт), востребованных для развития плазмохимических технологий.

Результаты могут быть использованы при выборе оптимальных плазмотронов и режимов эксплуатации для использования в составе плазмохимических технологических установок.

Результаты исследований, разработанные методики и созданные экспериментальные стенды используются в ИЭЭ РАН (Санкт-Петербург) для проведения испытаний при разработке многофазных однокамерных плазмотронов переменного тока и при создании плазмохимических реакторов для переработки отходов, а также в работах по данной тематике, проводимых в БГТУ «Военмех» им. Д. Ф. Устинова, СПбГПУ и ОИВТ РАН.

Результаты проведенных исследований использовались также при проектировании ряда крупных плазмохимических перерабатывающих установок в России и за рубежом.

На защиту выносятся следующие положения:

• Результаты исследования режимов горения дуг и характера теплообмена с рабочим газом в разрядной камере многофазного плазмотрона переменного тока с электродами рельсового типа в диапазоне мощности от 100 до 300 кВт при расходе плазмообразующего воздуха, регулируемом в диапазоне от 15 до 70 г/с.

• Установлены оптимальные режимы работы плазмотрона для использования в составе плазмохимических установок. Диапазон регулирования теплосодержания рабочего газа при работе многофазного однокамерного плазмотрона переменного тока мощностью от 100 до 300 кВт с расходом плазмообразующего воздуха лежит в пределах от 2 до 12 МДж/кг.

• Результаты исследования внешних характеристик многофазного однокамерного плазмотрона переменного тока с рельсовыми электродами в диапазоне мощности от 100 до 300 кВт при расходе плазмообразующего воздуха от 15 до 70 г/с.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, 5 глав с выводами по каждой из них, заключения и списка литературы. В первой главе описана область применения плазмотронов, выполнен обзор плазмотронов мощностью свыше 100 кВт, разработанных в нашей стране и за рубежом, приведены их технические характеристики. Во второй главе описан принцип работы многофазных однокамерных плазмотронов переменного тока с электродами рельсового типа, стационарно работающих на окислительных средах. Представлен модельный.

5.3. Выводы.

При проведении исследований многофазных однокамерных плазмотронов переменного тока с электродами рельсового типа проведен анализ электрических процессов, происходящих в электродуговой системе, построены вольт-частотные характеристики. Рассмотрена работа однофазной модели электродуговой системы рельсового типа. Представлены характерные осциллограммы токов и напряжений, снятые на модельной трехфазной установке для исследования работы электродов рельсового типа, наглядно иллюстрирующие изменение амплитуды напряжений и токов с увеличением длины дуги. Отмечена роль инжектора, служащего для надежного инициирования дуги при пуске плазмотрона, обеспечивающего обрыв дуги при достижении торцевой зоны электрода дуговой привязкой и ее повторное зажигание в зоне минимального межэлектродного промежутка. Рассмотрены возможные режимы работы электродной системы по заполнению рабочей поверхности дуговыми привязками (по степени срабатывания). Результаты проведенного гармонического анализа позволяют сделать вывод о возможности автоматического программного определения характерных режимов работы плазмотрона при обработке достаточно длинных осциллограмм.

Для многофазного однокамерного плазмотрона переменного тока с электродами рельсового типа мощностью от 100 до 300кВт, работающего на воздухе в качестве плазмообразующего газа были построены зависимости мощности, теплосодержания рабочего газа, и среднемассовой температуры от расхода в диапазоне от 15 до 70 г/с (Р (в), Н (в) и Т (в) соответственно). Определено, что достоинством плазмотронов данного типа является широкий диапазон регулирования теплосодержания рабочего газа (от 2 до 12 МДж/кг), что может позволить обеспечить гибкое регулирование технологических процессов плазмохимических установок. Были построены зависимости мощности и напряжения на дуге от тока (Р (1) и В АХ соответственно). Растущий характер ВАХ плазмотрона может быть объяснен тем, что проводимость в рассматриваемых условиях определяется в основном кулоновскими столкновениями, и при достижении Пе величины порядка 1016см" 3, с ростом силы тока и сохранении сечения столба дуги постоянным, проводимость будет меняться незначительно, а плотность тока расти, соответственно будет расти и напряженность в столбе дуги.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Создан стенд для проведения испытаний с автоматической системой измерения и регистрации физических параметров работы плазмотронов. Разработано программное обеспечение для проведения исследований и организации хранения информации об экспериментах. На экспериментальном стенде проведены исследования однокамерного многофазного плазмотрона переменного тока мощностью от 100 до 300 кВт с электродами рельсового типа, работающего на воздухе в качестве плазмообразующего газа в диапазоне расходов от 15 до 70 г/с. Применены спектральные и оптические методы диагностики, определена температура в истекающей струе плазмотрона. Исследованы режимы горения дуг и характер теплообмена в разрядной камере, показано наличие двух режимов — диффузного и контрагированного.

Исследованы внешние характеристики многофазного однокамерного плазмотрона переменного тока с рельсовыми электродами и установлены оптимальные режимы работы с использованием воздуха в качестве плазмообразующего газа. Установлено влияние изменения расхода на внешние характеристики, исследовано поведение вольтамперных характеристик в зависимости от расхода воздуха. Показано, что проводимость (а) в рассматриваемых условиях определяется в основном кулоновскими взаимодействиями.

В диапазонах токов от 400 до 1100 А и мощности от 100 до 300 кВт для многофазных однокамерных плазмотронов переменного тока с электродами рельсового типа определен диапазон регулирования теплосодержания рабочего газа — от 2 до 12 МДж/кг, это обеспечивает возможность регулирования тепловой мощности струи плазмотрона в широком диапазоне, что является необходимым для реализации оптимальных технологических процессов плазмохимической переработки материалов.

Результаты проведенных исследований позволяют проектировать многофазные электродуговые плазменные системы, работающие на окислительных средах, для работы в составе плазмохимических установок различного назначения и производительности.