Плазмотермический реактор с жидкометаллическими электродами
М.Р.
Предтеченский, О.М. Тухто, А.С. Аньшаков, М.Г. Кузьмин
ОАО «Сибэлектротерм», Институт теплофизики СО РАН,
Международный научный центр по теплофизике и энергетике
Введение
Высокотемпературные технологии в металлургии, химии, энергетике,
аэрокосмической технике основаны на использовании низкотемпературной плазмы. Ее
источниками являются генераторы газоразрядной плазмы – плазмотроны различных
конструктивных схем и назначений. Существующие струйные электродуговые
плазмотроны термической плазмы позволяют получать потоки нагреваемых инертных,
восстановительных и окислительных газов с до- и сверхзвуковой скоростью; вкладываемые
мощности - составляют от нескольких киловатт до 10 МВт и более. Ресурс работы
электродов в технологических плазмотронах постоянного и переменного тока
определяется длительностью работы электродов и составляет от десятка до
нескольких сотен часов. Это приводит к необходимости замены катодов и анодов
через цикл работы оборудования.
В плавильных плазмотронах (с дугой прямого действия) эрозии подвержен
только катод. В зависимости от тока дуг (1¸10 кА) ресурс термокатода достигает десятков часов, т.е. нескольких плавок
в плазменных электропечах.
Решение проблемы длительной стойкости электродов найдено в Институте
теплофизики СО РАН в принципиально новом техническом решении конструкции
генератора термической плазмы – электродуговом плазмотроне с
жидкометаллическими электродами [1]. В этом плазмотроне нет эрозии электродов,
соответственно, и нет ограничений на ресурс их работы, а срок непрерывной работы
оборудования определяется другими параметрами.
В ОАО «Сибэлектротерм» накоплен опыт разработки и создания промышленных
плазменных электропечей, который использован при разработке конструкторской
документации на опытный промышленный реактор на базе плазмотрона с
жидкометаллическими электродами.
Мощность плазмотрона составляет 0,5 МВт. Использование такого реактора в
промышленном варианте позволит перерабатывать
до 1,5 тыс. тонн различных отходов в год. На заводе осуществляется его
изготовление.
Плазмотрон с жидкометаллическими
электродами: базовая схема.
На рисунке 1 представлена схема плазмотрона с
жидкометаллическими электродами. Электрическая дуга 1 горит между жидкометаллическими электродами 2 и 3. Электроды
разделены огнеупорной диэлектрической стенкой 4. Плазмообразущий газ вводится в канал 5. Конструкция канала обеспечивает вихревое течение газа, что
позволяет стабилизировать дугу на оси канала.
При взаимодействии электрической дуги с
поверхностью расплавленного металла происходит испарение металла. Унос материала
электрода, связанный с испарением, незначителен по сравнению с массой
расплавленного металла. Поэтому использование жидкого металла в качестве
электродов и особенности конструкции плазмотрона позволяют реализовать полезные
для практики преимущества.
1) Отсутствие процессов эрозии электродов
позволяет создать стабильные условия для горения электрической дуги и обеспечить
практически неограниченный ресурс
работы электродов. Это является важнейшей особенностью нового плазмотрона, так
как позволяет создать болеенадежный источник низкотемпературной плазмы с
длительным ресурсом работы.
2) Отсутствие процессов эрозии снимает
ограничения на величину тока электрического разряда. Это открывает новые возможности
для создания мощных генераторов низкотемпературной плазмы. Обычно при создании
традиционных плазмотронов для увеличения мощности увеличивали напряжение дуги,
т.к. с ростом тока негативное влияние эрозионных процессов на поверхности твердых
электродов возрастает. Увеличение
напряжения связано с усложнением конструкции плазмотрона и, соответственно,
понижением надежности и возрастанием стоимости. В варианте с новым плазмотроном
мощность может быть увеличена простым увеличением тока дуги.
3) Важной особенностью плазмотрона с
жидкометаллическими электродами является отсутствие проблем с использованием
водяного пара как плазмообразующего газа. Водяной пар часто является удобным
газом при проведении плазмохимических реакций с углеводородами. Водяной пар
существенно дешевле, чем другие газы, используемые в традиционных плазмотронах,
чтобы защитить электроды от эрозии. Высокая энтальпия нагретого водяного пара
позволяет увеличить эффективность ввода энергии в область плазмохимических
реакций.
4) Жидкометаллические электроды имеют высокую
температуру, что позволяет увеличить КПД дуги по сравнению с традиционными
плазмотронами, где значительное количество тепла отводиться через охлаждение
электродов.
Энергетические характеристики плазмотрона с
жидкометаллическими электродами
Расплавленные электроды (анод и катод) определяют специфические свойства
разряда. Электрическая дуга, реализованная в этом плазмотроне, представляет
интерес для исследования не только с точки зрения создания мощных источников
дуговой плазмы, но и как объект для исследования природы дугового разряда.
Исследования энергетических характеристик
выполнены на плазмотроне с максимальной мощностью 200 кВт [1]. На рис. 2
представлены типичные вольт-амперные характеристики, полученные при работе на
воздухе и водяном паре. Зависимости получены для двух каналов с диаметрами D=30 мм и D=40 мм. Длина дуги для канала диаметром 40 мм
составляла – 400 мм, для 30 мм канала – 320 мм. Большая часть дуги горит в
водоохлаждаемом канале, длина открытых участков вблизи электродов составляет
около 50 мм. Вольт-амперные характеристики получены для различных расходов
плазмообразующих газов: воздуха и водяного пара. Характеристики - падающие,
т.е. с ростом тока напряжение на дуге уменьшается во всем исследованном
диапазоне изменения тока. Увеличение расхода газа ведет к росту напряжения на
дуге. При работе на воздухе с
одинаковыми расходами рабочего газа и геометрией разрядной камеры напряжение на
дуге меньше, чем на водяном паре. Использование высокоэнтальпийного пара
приводит к росту напряженности электрического поля дуги. Для анализа
вольт-амперных характеристик плазмотронов с фиксированной длиной дуги используют
их представление в обобщенном виде:
, (1)
где C – константа, U – напряжение на дуге, I – ток дуги, G – расход газа, D – диаметр канала, l – длина дуги, n1, n2, n3 – показатели степени.
В нашем случае для вольт-амперных
характеристик, при использовании воздуха в качестве плазмообразующего газа,
получено следующее выражение:
, (2)
В выражении (2) комплекс (pd) опущен, так как зависимости от давления не
измерялись. Параметр 
практически не менялся,
поэтому введен в константу С.
Выражение определено для следующего диапазона комплексов:
; 
.
Отклонение рассчитанных значений U от экспериментальных не превышает 10 %.
Показатели степени n1 и n2 находятся в пределах разброса в аналогичных
уравнениях для электродуговых плазмотронов с падающими вольт-амперными
характеристиками [1]. Особенностью уравнения (2) является существенная
зависимость напряжения на дуге от диаметра канала: U ~ D-1,1 .
Обобщенная вольт-амперная характеристика дуги
при работе плазмотрона на водяном паре имеет вид:
. (3)
Уравнение (3) справедливо в диапазоне изменения комплексов:
; 
Измерения на водяном паре выполнены на канале
одного диаметра 40 мм, зависимость напряжения от диаметра: U ~ D-0.87. Зависимость от критерия Рейнольдса Re - существенная по сравнению с паровихревыми
плазмотронами с твердыми электродами и фиксированной длиной дуги, где показатель
степени n2=0,2. С другой стороны, аналогичные результаты
получены в работе [4], где показатели степеней при работе плазмотрона с горячим
катодом на паре: n1= -0,27; n2=0,7. Сравнение показывает, что в нашем случае
наибольший показатель степени имеет параметр G/D ~ ReD , характеризующий течение в канале.
На рис. 3 представлена зависимость тепловых
потерь в стенку канала плазмотрона от мощности разряда и расхода газа. Видно,
что в исследуемом диапазоне потери в стенку канала растут пропорцианально
мощности разряда. С увеличением расхода газа доля тепловых потерь сокращается.
Представим энергетическую эффективность плазмотрона через коэффициент тепловых
потерь, аналог числа Стентона St в
плазмодинамике
,где w – доля энергии, унесенная с газом, IU – мощность разряда.
Приводя к обобщенному виду, получаем h ~ (G/D)-0.59 . Или St – Re-0.59, что соот-ветствует известному выражению для потерь тепла
при ламинарном течении в трубе, St ~ Re-0,8. Этот результат близок к полученному на паровихревом
плазмотроне с твердыми электродами [3].
Подводя итоги, следует отметить, что
энергетические характеристики плазмотрона с жидкометаллическими электродами аналогичны
характеристикам традиционных плазмотронов с твердыми электродами с
фиксированной длиной дуги. Отсутствие эрозии электродов позволяет расширить возможности
для исследования дуги и получить обобщенные зависимости для более широкого диапазона
критериев моделирования разряда. Полученные обобщенные зависимости могут
использоваться для расчета плазмотронов большей мощности.
Перспективы промышленного применения
плазмотермического реактора с жидкометаллическими электродами
Наиболее перспективным направлением практического применения новой
плазменной системы является переработка
токсичных отходов, основанная на высокотемпературном плазмохимическом
воздействии и полном разложении утилизируемых продуктов с помощью дуговой
плазмы с возможным получением полезного продукта, синтез-газа, который
представляет собой смесь водорода и оксида углерода и является ценным
энергетическим сырьем.
Основным преимуществом плазмотермической технологии является
универсальность по отношению к типу вещества и малые габариты, позволяющие
создать передвижные технологические модули. На рис. 4 показана схема
плазмохимического реактора на основе плазмотрона с жидкометаллическими
электродами. Внутри стального герметичного корпуса, футерованного огнеупорным
кирпичом, расположены две реакционные камеры со специальными ваннами.
Перед первым запуском плазмотермического реактора в ванны загружается
металлический лом. Дуга зажигается между этими ваннами и металл в них плавится.
Дуга стабилизируется с помощью специального газодинамического блока. Отходы
подаются на поверхность расплавленного металла. Плазмохимическая реакция
газификации протекает в камерах реактора при температуре 1300-1500оС.
Отходы полностью разлагаются. Органическая часть преобразуется в синтез газ,
примеси очищаются в системе газоочистки. Неорганическая часть отходов превращается
в расплавленный шлак. Шлак должен удаляется по мере накопления или непрерывно
для установок большой производительности с помощью специального устройства
шлакоудаления. Таким образом, продуктами переработки являются химически
инертный шлак и экологически чистый продукт – синтез газ.
Важно, что метод позволяет исключить образование диоксинов в продуктах
переработки отходов, что было продемонстрировано в ходе испытаний реактора.
На рис. 5 показан демонстрационный вариант плазмохимического
реактора. Основные параметры установки приведены в таблице 1.
Таблица
1. Основные параметры демонстрационного образца плазмохимического реактора для
уничтожения токсичных отходов.
|
Мощность электрической
дуги |
до 200 кВт |
|
Плазмообразующий газ |
азот, воздух, CO2, водяной пар |
|
Расход
плазмообразующего газа |
3-5 г/с |
|
Расход отходов |
2-5 г/с |
|
Рабочая температура в
реакционных камерах |
1300оС |
Испытания реактора проводились по следующей схеме. Жидкие хлорсодержащие
отходы подавались в реакционную камеру на поверхность расплава. В результате
реакции газификации, взаимодействия пара с отходами, образуются синтез газ
(смесь водорода, CO и HCl). Полученный синтез газ подвергается быстрому охлаждению (закалке),
одновременно проходя очистку от HCl в центробежно-барботажном аппарате.
Химия процесса газификации трансформаторного масла, запрещенного
Стокгольмской конвенцией, проиллюстрирована на рис. 6. В экспериментах измерялась
концентрация диоксинов в полученном синтез газе. Результаты представлены в
таблице 2.
Таблица 2. Концентрация диоксинов (TEQ) для различных условий
газификации отходов в плазмохимическом реакторе с жидкометаллическими
электродами.
|
|
Смесь (изопропиловый спирт + бензол + CCl4) |
Трансформаторное масло марки ТХД (trichlorinebephenyl) |
|
|
Концентрация
хлора, % вес. |
10% |
20% |
40% |
|
Плазмообразующий
газ |
воздух |
пар |
пар |
|
Температура в реакторе, ºС |
1100 |
1300 |
1300 |
|
Концентрация доксинов в полученом синтез газе, TEQ, ng/Nm3 |
20 |
0,02 |
0,05 |
Проведенные эксперименты по уничтожению
трансформаторного масла марки ТХД (трихлордифенил) показали, что концентрация диоксинов
в синтез газе не превышает 0,05 нг/м3 (норма установленная американским
агентством по защите окружающей среды EPA – 0.1 нг/м3), т. е.
продемонстрирована применимость плазмохимического реактора для уничтожения
хлороорганических отходов.
Существуют и другие области
возможных применений плазмохимического реактора:
Переработка
твердых бытовых отходов с помощью плазменной газификации. Крупная установка, созданная на базе плазменного реактора
производительностью свыше 100 тыс. тонн в год будет приносить основную часть
прибыли за счет производства электроэнергии, полученной при сжигании синтез
газа. Завод, базирующийся на технологии плазменной газификации, не только
избавит город от мусора, но и будет производить тепловую и электрическую
энергию, а также стройматериалы из шлака.
Переработка
золы. За десятилетия работы мусоросжигающих
заводов накопилось огромное количество токсичной золы. В странах Европы, США,
Японии вынуждены строить заводы по плазменному переплаву золы. Это одно из
наиболее перспективных приложений плазмотермического реактора на западном
рынке.
Газификация
угля. Снижение качества и увеличение доли
использования угля в энергетике ставят задачу по созданию экологически чистой
энергетики с внутрицикловой газификацией угля с использованием современных
парогазовых турбин.
Плазменная металлургия. Развитие современных металлургических технологий движется в направлении
интенсификации процессов, сокращении времени необходимого для технологического
цикла, сокращении используемых на единицу продукции материалов и реактивов.
Наиболее полно этим тенденциям отвечает плазменная технология [1]. Плазменные
печи в настоящее время используются для получения нержавеющих и
высоколегированных сталей. В ОАО «Сибэлектротерм» создана одна из крупнейших в
мире плазменных печей. Плазменные электропечи с керамическим тиглем обладают
достаточной универсальностью и могут быть использованы для восстановительной
плавки. Этот процесс опробован в полупромышленном масштабе.
Имеются патенты по непосредственной плазменной переработке сульфидных руд и
штейнов, технология развивается компанией Westinghouse-plasma Corp. (США). Плавка в плазменных печах позволяет
с высокой точностью контролировать содержание кислорода в пространстве печи,
что имеет принципиальное значение для разделительной пирометаллургии.
Один из крупнейших производителей кобальта компания Mintek (ЮАР) реализовала в полупромышленном
масштабе плазменный переплав металлургического шлака с целью выделения кобальта
[5]. Показано, что аналогичная технология может быть применена также для обогащения
по никелю. В перспективе плазменная технология может быть использована также
для переплавки руды на ферроникель.
Обобщая накопленный опыт по применению плазменных
технологий в металлургии, можно выделить следующие преимущества плазменных
печей перед традиционными дуговыми электропечами:
- Отсутствие графитовых электродов. Снижаются
затраты на эксплуатацию печи, существенно упрощается конструкция печи, нет
системы подачи и регулирования электродов.
- Простота управления и автоматизации, мощность
регулируется в широких пределах.
- Низкие требования к исходному сырью, возможна
переработка сырья в виде пыли.
- Возможность управлять подводимой мощностью
независимо от электропроводности сырья.
Таким образом, плазменная технология
имеет большие промышленные перспективы как в части переработки рудного сырья,
так и для восстановительной и разделительной плавки. Использование нового
технического решения, плазмотрона с
жидкометаллическими электродами, снимает ряд ограничений на применение
плазменных технологий в металлургии.
Литература
[1] Патент РФ № 2157060 от 27.09.00, H 05 B 7/00 (автор - М.Р. Предтеченский,
приоритет 15.12.98).
[2] M.
Predtechensky, O. Tukhto,
[3] Электродуговые генераторы термической плазмы / М. Ф. Жуков, И. М. Засыпкин, А. Н. Тимошевский, и др. – Новосибирск: Наука, 1999
[4] Б.
И. Михайлов. Перспективы практического использования электродуговой пароводяной
плазмы // Теплофизика и аэромеханика. – 2002. - №1. С. 1 – 16.
[5] Плазменная
металлургия / Ю.В. Цветков, А.В. Николаев, С.А. Панфилов и др. – Новосибирск:
Наука, 1992. – 265 с. (Низкотемпературная плазма, Т. 8).
[6] R.T. Jones, D.A.
Hayman, G.M. Denton. 35th Annual Conference of Metallurgists,
Сведения об
авторах:
1. Предтеченский Михаил Рудольфович, чл. корр. РАН, зав.
отделом института
теплофизики СО РАН
2. Тухто Олег Михайлович, руководитель группы международного
научного центра по теплофизике и энергетике
3. Аньшаков Анатолий Степанович, д-р техн. наук, профессор,
зав. лабораторией электротехнологий института теплофизики СО РАН
4. Кузьмин Михаил Георгиевич, генеральный директор ОАО
"Сибэлектротерм"
Контактный телефон:
8-383-2-46-30-32
Факс:
8-383-2-46-28-67
E-mail:
elterm@tantra.power.nstu.ru
Рисунок 1. Схема плазмотрона с жидкометаллическими электродами.
1) электрическая дуга, 2) и 3) расплавленные электроды, 4) диэлектрическая
перегородка, 5) водоохлаждаемый канал.
Рисунок 2. Вольт-амперные характеристики плазмотрона с жидкометаллическими
электродами для различных расходов воздуха и пара.
1 - воздух 1,48 г/с, D=40 мм;
2 - воздух 2 г/с, D=40 мм;
3 - воздух 3,42 г/с, D=40 мм;
4 – воздух 1,35 г/с, D=30 мм;
5 – воздух 2 г/с, D=30 мм;
6 - воздух 3,48 г/с, D=30 мм;
7 – пар 1,8 г/с, D=40 мм;
8 - пар 2,7 г/с, D=40 мм.
Рисунок 3.
Зависимость тепловых потерь в стенки стабилизирующего канала от мощности
разряда, расхода и вида плазмообразующего газа. 1) воздух 3,4 г/с, 2) воздух 2
г/с, 3) воздух 1,4 г/с, 4) водяной пар 2 г/с.
Рисунок 4. Схема плазмохимического реактора для
утилизации токсичных отходов.
Рисунок 5.
Плазмохимический реактора для утилизации токсичных отходов
мощностью 200 кВт.
Рисунок 6.
Схема утилизации трансформаторного масла.