Создание и исследование электродугового трехфазного пароводяного плазмотрона переменного тока тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

На правах рукописи

Серба Евгений Олегович

СОЗДАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОДУГОВОГО ТРЕХФАЗНОГО ПАРОВОДЯНОГО ПЛАЗМОТРОНА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

01.04.13 — Электрофизика, электрофизические установки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

7 НОЯ 2013 005537043

Санкт-Петербург - 2013

005537043

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте электрофизики и электроэнергетики Российской академии наук (ИЭЭ РАН)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, академик РАН

Рутберг Филипп Григорьевич;

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, ведущий

научный сотрудник ИЭЭ РАН Гончаренко Роберт Борисович

кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией плазмогазодинамики ФТИ им. А.Ф. Иоффе

Жуков Борис Георгиевич

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Балтийский Государственный Технический Университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова».

Защита состоится « >> г., в '" часов 00 минут на заседании

диссертационного совета ДМ 002.131.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте электрофизики и электроэнергетики Российской академии наук по адресу: Санкт-Петербург, Дворцовая наб., д. 18, ИЭЭ РАН. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЭЭ РАН.

Автореферат разослан <30» Ю 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета:

■<. У л * ~

кандидат технических наук " Киселев Александр Александрович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современная экономика развитых и большинства развивающихся стран базируется на потреблении энергии ископаемых видов топлива, и согласно прогнозам, по крайней мере, в текущем столетии будущее глобальной энергетики будет связано с их использованием. Поэтому стабильный доступ к энергоносителям и стабильные цены на них являются основой глобального экономического роста. Ведущими ископаемыми видами топлива в настоящий момент являются нефть и газ. По оценкам в ближайшие 20 - 30 лет снижение добычи этих двух основных энергоресурсов может стать серьезной проблемой мирового масштаба. Однако, уже сейчас нестабильная ситуация в Северной Африке и на Ближнем Востоке, регионах, страны которых являются одними из крупнейших поставщиков энергоресурсов, подчеркивает важность создания резервных мощностей и развития использования других видов ископаемых топлив и, главным образом, угля, запасы которого достаточно велики. Но стоит отметить, что традиционные методы использования угля в качестве топлива нуждаются в пересмотре, так как не отвечают современным экологическим требованиям.

В последнее время в мире рассматривается концепция комплексной переработки угля на основе процесса газификации, с получением синтез-газа (смесь водорода и монооксида углерода) и сопутствующих ценных компонентов из минеральной массы угля: алюминия, карбидов железа, технического кремния, ферросилиция и др. Синтез-газ может использоваться как в качестве топлива для парогазовых установок комбинированного цикла с КПД более 60 %, так и как сырье для получения водорода, жидких синтетических топлив и других химических продуктов. Как показывают многочисленные оценки и исследования, наиболее эффективным и экологически чистым процессом газификации угля является плазменная газификация с применением низкотемпературной пароводяной плазмы, генерируемой при нагреве газа электрической дугой. При газификации угля с применением пароводяной плазмы получают синтез-газ, не содержащий смол, и состоящий на 95% и более из монооксида углерода и водорода.

Еще одной важной проблемой являются различные виды отходов, количество которых год от года растет. Большинство отходов содержат в себе большое количество органики и могут быть использованы в качестве топлива в процессах плазменной газификации. В случае газификации отходов, пароводяная плазма является оптимальным окислителем для сырья с высокой теплотой сгорания -отходов пластика, резины, отработанных моторных масел и др.

Также стоит отметить, что применение пароводяной плазмы эффективно в процессах получения синтез-газа путем конверсии метана и его гомологов. Это особенно актуально в связи с растущим интересом к переработке попутного нефтяного газа с получением жидких синтетических топлив.

Ключевым элементом перечисленных технологий являются электродуговые генераторы плазмы (плазмотроны), благодаря которым осуществляется эффективный ввод энергии и необходимого количества окислителя в плазмохимический процесс. Это позволяет получать синтез-газ требуемого состава, высокой чистоты и с высокими энергетическими характеристиками, которые определяют эффективность его использования.

Безусловно, для промышленного применения в составе плазмохимических установок представляют интерес в первую очередь плазмотроны сравнительно большой мощности, с длительным ресурсом работы, обладающие высокой эффективностью, низкой коммерческой стоимостью и низкими эксплуатационными затратами. Существующие на сегодняшний день пароводяные плазмотроны не нашли широкого применения из-за ряда принципиальных недостатков (низкий термический КПД, высокая эрозия электродов, высокая стоимость защитных газов). Поэтому вопросы разработки и исследования новых электродуговых пароводяных плазмотронов, отвечающих перечисленным выше требованиям, весьма актуальны.

Цели и задачи работы. Целью диссертационной работы является создание электродугового трехфазного пароводяного плазмотрона переменного тока с воздушной защитой электродов мощностью до 100 кВт, исследование электрофизических процессов, протекающих в его разрядных каналах и изучение внешних характеристик работы плазмотрона для оптимизации его эксплуатационных параметров в условиях, характерных для различных плазмохимических приложений, а также для создания пароводяных плазмотронов большей мощности с высоким ресурсом работы. Для достижения данной цели в работе поставлены следующие задачи:

- создать экспериментальный стенд для испытаний и исследования пароводяных плазмотронов переменного тока с системами измерения и регистрации их рабочих параметров;

- исследовать параметры электрической дуги переменного тока, горящей в смеси водяного пара и воздуха при атмосферном давлении в трехфазном пароводяном плазмотроне;

- установить зависимости внешних характеристик плазмотрона (вольтрасходные и вольтамперные характеристики, мощность, термический КПД, теплосодержание и

среднемассовая температура плазмы) от расхода водяного пара, расхода защитного воздуха, массовой доли водяного пара в плазмообразующей смеси и тока, определить диапазоны регулирования рабочих параметров плазмотрона;

- выполнить расчет параметров процессов автотермической и плазменной газификации на примере газификации отходов пластика с применением воздуха в качестве окислителя, а также паровоздушной плазмы с параметрами по составу и теплосодержанию, реализуемыми в рассматриваемом в работе плазмотроне, выполнить оценки потенциально возможных показателей технологического использования получаемого синтез-газа, на основе полученных данных провести анализ перспективности применения плазмотрона в технологии плазменной газификации.

Методы исследований. Для решения поставленных в работе задач, проводились измерения мгновенных значений электрических параметров плазмотрона методом осциллографирования, по осциллограммам рассчитывались действующие значения токов и напряжений, а так же мощность. Для определения термического КПД плазмотрона проводились измерения потерь тепла в охлаждающий теплоноситель. Оценка параметров электрических дуг (плотности тока, напряженности электрического поля) проводилась по геометрическим характеристикам разряда (световой диаметр, длина). Геометрические характеристики электрических дуг определялись с помощью оптических методов (высокоскоростная видеосъемка, фотосъемка). Обработка отснятого материала проводилась в графическом редакторе с применением методов начертательной геометрии. Использовался современный программный пакет для расчета равновесного состава плазмы и продуктов плазменной газификации.

Научная новизна

1. Впервые создан электродуговой трехфазный пароводяной плазмотрон переменного тока с воздушной защитой медных электродов стержневого типа мощностью до 100 кВт.

2. В результате проведения серии экспериментов на созданном плазмотроне впервые получены экспериментальные данные по электрическим и геометрическим параметрам разряда, термическому КПД, вольтрасходные и вольтамперные характеристики в зависимости от расходов водяного пара и защитного воздуха, массовой доли водяного пара в плазмообразующей смеси и тока.

3. При исследовании электрической дуги переменного тока, горящей в смеси водяного пара и воздуха в плазмотроне установлено, что рост средней напряженности

электрического поля, вызванный увеличением массовой доли водяного пара в плазмообразующей смеси, связан с изменением удельной проводимости дуги. В результате сопоставления экспериментальных и расчетных данных по удельной проводимости оценен диапазон изменения температуры дуги. Установлено, что проводимость в рассматриваемом диапазоне температур и соотношений водяного пара и воздуха слабо зависит от состава среды и определяется температурой, а основной вклад в проводимость вносят кулоновские столкновения. Снижение температуры дуги и проводимости с ростом содержания пара в смеси вызвано интенсификацией теплообмена.

4. Установлено, что влияние расхода защитного воздуха на падение напряжения на дуге при постоянном расходе водяного пара определяется двумя факторами -изменением суммарного расхода смеси и изменением её состава. Установлено, что падающий характер ВАХ плазмотрона вызван ростом температуры и проводимости дуги.

5. В результате численного моделирования процессов газификации отходов пластика установлено, что использование процесса паровоздушной плазменной газификации отходов пластика для энергетики нецелесообразно, так как с учетом энергозатрат на процесс полезный удельный выход электроэнергии в комбинированном цикле и удельный выход тепловой энергии оказываются сопоставимыми с аналогичными показателями воздушной автотермической и воздушной плазменной газификации. Однако сделан вывод, что паровоздушная плазменная газификация является перспективным способом получения синтез-газа из сырья с высокой теплотой сгорания для его использования в технологии синтеза жидких топлив.

Практическая значимость работы. Создан электродуговой трехфазный пароводяной плазмотрон переменного тока с воздушной защитой электродов мощностью до 100 кВт. Результаты, полученные в ходе экспериментальных и расчетных исследований плазмотрона, могут быть применены для создания пароводяных плазмотронов переменного тока большей мощности с длительным ресурсом работы. Проведенные расчетные оценки показывают перспективность применения созданного плазмотрона в технологии плазменной газификации сырья с высокой теплотой сгорания. Также созданный плазмотрон может быть использован в технологиях конверсии в синтез-газ метана и его гомологов, что особенно актуально для переработки попутного нефтяного газа в синтетические жидкие топлива.

Личиый вклад автора состоит в непосредственном участии в создании плазмотрона и экспериментального стенда, выборе методик экспериментов, их проведении, а

также обработке, анализе и обобщении экспериментальных и расчетных результатов. При создании плазмотрона автор непосредственно участвовал в принятии основных конструктивных решений. Автором получены и проанализированы экспериментальные данные по электрическим и геометрическим параметрам дуг, термическому КПД, вольтрасходным и вольтамперным характеристикам плазмотрона в зависимости от расходов водяного пара и защитного воздуха, массовой доли водяного пара в плазмообразующей смеси и тока. Получены данные по удельной эрозии медных стержневых электродов. Проведен анализ и обобщение экспериментальных и расчетных данных по удельной проводимости дуги. Выполнен анализ результатов численного моделирования процессов воздушной автотермической, воздушной плазменной и паровоздушной плазменной газификации отходов пластика, а также потенциально возможных показателей технологического использования получаемого синтез-газа.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Результаты экспериментального исследования и расчетных оценок параметров электрической дуги переменного тока, горящей в смеси водяного пара и воздуха в различных соотношениях при атмосферном давлении в созданном трехфазном пароводяном плазмотроне.

2. Результаты исследования внешних характеристик созданного трехфазного пароводяного плазмотрона (вольтрасходные и вольтамиерные характеристики, мощность, термический КПД, теплосодержание и среднемассовая температура плазмы). Анализ различных факторов (расход водяного пара, расход защитного воздуха, массовая доля водяного пара в плазмообразующей смеси, ток), влияющих на внешние характеристики созданного плазмотрона.

3. Результаты численного моделирования процессов автотермической и плазменной газификации отходов пластика с применением воздуха в качестве окислителя, а также с применением паровоздушной плазмы с параметрами по составу и теплосодержанию, реализуемыми в созданном плазмотроне. Оценки потенциально возможных показателей технологического использования получаемого синтез-газа (удельного выхода электроэнергии для системы на основе газификации и комбинированного цикла, а также выхода жидких синтетических топлив). Выполненные оценки показывают перспективность применения созданного плазмотрона в технологии плазменной газификации сырья с высокой теплотой сгорания.

Достоверность полученных результатов обоснована использованием современных методов диагностики и измерительных приборов, возпроизводимостыо экспериментальных результатов. Результаты расчетов получены с использованием компьютерных программ, созданных на основе фундаментальных законов термодинамики, плазмохимии и химической кинетики, имеющих интегрированные базы данных физико-химической информации и реализующих новейшие вычислительные методы.

Апробаппя работы и научные публикации. По материалам диссертации сделаны доклады на следующих конференциях: V Int. Conf. Plasma Physics and Plasma Technology, 2006. Minsk, Belarus; XXII Межд. конф. «Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество», 2007, Эльбрус, Россия; The 34lh IEEE Int. Conf. on Plasma Science and The 16lh IEEE Int. Pulsed Power Conf., 2007, Albuquerque, New Mexico, USA; Всероссийская (с межд. участием) конф. "Физика низкотемпературной плазмы - 2007", 2007, г. Петрозаводск, Россия; XXVIII Int. Conf. on Phenomena in Ionized Gases, 2007, Prague, Czech Republic; 10lh Int. Conf. on Gas Discharge Plasmas and Their Technological Applications, 2007, Tomsk, Russia; 10lh High-Tech Plasma Processes Conf., 2008, Patras, Greece; Всероссийская XII Школа молодых ученых "Актуальные проблемы физики", 2008, Звенигород, Россия; European Materials Research Society 2009 Spring Meeting, 2009, Strasbourg, France; The 17lh IEEE Int. Pulsed Power Conf., 2009, Washington, D.C., USA; lllh High-Tech Plasma Processes Conf., 2010, Brussels, Belgium; 12lh High-Tech Plasma Processes Conf., 2012, Bologna, Italy; Межд. научно-техническая конференция «Энергоэффективность-2012», 2012, Санкт-Петербург, Россия.

Основной материал диссертации опубликован в 28 работах: 16 статей, 10 из которых в рецензируемых изданиях, и 12 тезисов докладов. Список основных публикаций в рецензируемых изданиях приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав с выводами по каждой из них, заключения, списка использованной литературы. Диссертация содержит 138 страниц машинописного текста, 6 таблиц, 55 рисунков по тексту, список литературы из 157 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, сформулированы цели и задачи работы, отмечена научная новизна и практическая значимость работы,

излагается краткое содержание диссертации, формулируются выносимые на защиту научные положения.

Первая глава носит обзорный характер. В ней показана актуальность применения пароводяной плазмы в плазмохимических приложениях, таких как газификация углей и различных углеродсодержащих отходов, а также в процессах конверсии метана и его гомологов. Дана классификация электродуговых плазмотронов по роду тока, по длительности работы, по роду плазмообразующей среды, по конструктивным особенностям и способу стабилизации электрической дуги. Приведен обзор электродуговых пароводяных плазмотронов, разработанных как в нашей стране, так и за рубежом. Практически все они являются плазмотронами постоянного тока. В большинстве из этих систем используются катоды из тугоплавких материалов, в основном из сплавов на основе вольфрама, не выдерживающих работы в окислительных средах, а также циркония и гафния. Для защиты катодов в большинстве случаев применяются инертные газы, в основном аргон, что делает эксплуатацию таких плазмотронов в непрерывных технологических процессах дорогостоящей. Данные плазмотроны обладают сравнительно низким падением напряжения на дугах - порядка 500 В и ниже. Поэтому для достижения высокой мощности используются сравнительно большие токи до ~ 600 А, что неминуемо отражается на эрозии и ресурсе работы электродов. Мощность таких плазмотронов составляет ~ 10 - 200 кВт, и в данных условиях дальнейшее её увеличение затруднительно. Термический КПД варьируется от 50 до 85 %.

Отмечается, что для промышленного применения представляют интерес в первую очередь плазмотроны сравнительно большой мощности, с длительным ресурсом работы, обладающие высоким КПД, низкой коммерческой стоимостью и низкими эксплуатационными затратами. Поэтому возникает необходимость создания и исследования новых устройств, отвечающих перечисленным требованиям. Сделан вывод, что для достижения высокой мощности и длительного ресурса электродов необходимо обеспечить работу плазмотронов при сравнительно небольших токах и высоких падениях напряжения на дуге (порядка нескольких киловольт). Для этого нужно использовать стабилизированные длинные дуги переменного тока промышленной частоты, что позволит существенно удешевить и упростить систему питания, а также достичь высокого полного КПД системы. Для снижения эксплуатационных затрат необходимо использовать медные (или из сплавов на основе меди) стержневые электроды, а для их защиты от агрессивной среды диссоциированного водяного пара использовать более доступный и дешевый газ, например воздух. Наиболее полно этим требованиям может соответствовать созданный в ИЭЭ РАН трехфазный пароводяной плазмотрон переменного тока со

стержневыми электродами с воздушной защитой мощностью до 100 кВт. Однако, для достижения характеристик плазмотрона, оптимальных с точки зрения применения в плазмохимических технологиях и для успешной разработки плазмотронов большей мощности необходимо провести дополнительные исследования. В конце главы сформулированы задачи исследований.

Во второй главе описана конструкция плазмотрона, принцип его работы, а также состав и назначение элементов экспериментального стенда. Схема и фотография работающего плазмотрона показаны на рис. 1а и рис. 16. Блок-схема стенда показана на рис. 2.

Рисунок 1. Схема плазмотрона (а): 1 - корпус модуля подачи водяного пара; 2 -рубашка охлаждения; 3 - рубашки подогрева; 4 - зона ввода рабочего водяного пара; 5 - изолятор; 6 - зона ввода воздуха; 7 - узел со стержневым электродом; 8 - корпуса цилиндрических разрядных каналов электродных модулей. Фотография работающего

плазмотрона (б).

Рисунок 2. Блок-схема экспериментального стенда. Испытания плазмотрона проводились на экспериментальном стенде, в состав которого входят: система электропитания, системы обеспечения (подачи водяного пара, воздуха), система охлаждения, диагностическая камера и система газоочистки.

Третья глава посвящена описанию методик измерения электрических характеристик плазмотрона, термического КПД, геометрических параметров электрических дуг, а также описанию используемого оборудования.

Электрические параметры плазмотрона измерялись с помощью измерительных трансформаторов тока (номинальный коэффициент трансформации 75/5 А, класс точности 0,5) и напряжения (номинальный коэффициент трансформации 10000/100 В, класс точности 0,2), стрелочных приборов, датчиков тока (диапазон измерения 0 -±70 А, точность ±0,65%) и напряжения (диапазон измерения 100 - 4500 В, точность ±0,7%). Аналоговые сигналы с датчиков тока и напряжения поступают на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с частотой дискретизации до 32 кГц. Массивы цифровых данных с АЦП поступают в оперативную память компьютера, а затем обрабатываются программным обеспечением, которое рассчитывает по полученным мгновенным значениям действующие значения тока, напряжения и мощности. Также данное программное обеспечение осуществляет непрерывное отображение действующих значений тока, напряжения и мощности, а также мгновенных значений в виде осциллограмм и сохраняет полученные данные на жестком диске компьютера.

Определение оптимальных режимов работы плазмотрона осуществлялось с рассмотрением осциллограмм тока и напряжения, их действующих значений, мощности, термического КПД. По измеренным электрическим параметрам строились вольтамперные и вольтрасходные характеристики плазмотрона. Проводились измерения расходов плазмообразующих сред (водяной пар, воздух), расхода воды в системе охлаждения, а также потерь тепла в элементы конструкции плазмотрона.

Для измерения потерь тепла использовалось устройство, позволяющее измерять сравнительно неболыцую разницу температуры теплоносителя в двух магистралях. По перепаду температуры и расходу воды определялось количество потерянного тепла. Измерив мощность плазмотрона и потери в охлаждающий теплоноситель, можно определить термический КПД плазмотрона:

Где Р - мощность плазмотрона, \¥в — потери тепла в охлаждающую воду, а (Р — \¥в) — энергия, затрачиваемая на нагрев рабочего газа.

На рис. 4 приведена схема установки при проведении экспериментов.

Дуги плазмотрона горят между электродами, расположенными в разрядных каналах, и имеют наружный участок за пределами каналов, где происходит межфазная коммутация. Длина участка дугового столба, горящего внутри каждого канала, определяется расстоянием от рабочей поверхности электрода до выходного

сечения канала. Для определения геометрических параметров внешней части дуг проводилась высокоскоростная видеосъемка и фотосъемка плазменного факела.

Рисунок 4. Схема установки: I - резервуар; 2 - насос; 3 и 4 - модули измерителя

расхода теплоносителя; 5 - измеритель теплопотерь; 6 — прибор для термопреобразователей сопротивления; 7 - плазмотрон; 8 - компьютер; 9 - прибор для измерения сигнала от термопар; 10 - система питания; элементы системы подачи газа и пара плазмотрона: газгольдеры — II, загюрно-регулирующая арматура — 12, расходомеры - 13, парогенератор - 14, пароперегреватель - 15; 16 — фото/видео

камера.

Видеосъемка факела плазмотрона проводилась с трех ракурсов (фронтальный, горизонтальный и профильный) с использованием высокоскоростных видеокамер с частотой 4000 кадров/с при времени экспозиции 2 мкс. Разрешение кадров при таких скоростях съемки составляло 320*306 пикселей, цветовой режим - 256 оттенков серого.

Для измерения светового диаметра дуг на каждом режиме работы плазмотрона выбиралась последовательность кадров, соответствующая периоду горения. Световой диаметр дуги на каждом кадре в течение периода горения измерялся графически в нескольких сечениях с помощью графического редактора. В результате были определены мгновенные значения диаметра дуговых столбов, соответствующие определенному мгновенному значению тока дуги. Далее из полученных массивов мгновенных значений световых диаметров дуг были рассчитаны их средние значения за период. Также световой диаметр дуг измерялся по кадрам, полученным в

результате фотосъемки. Однако фотосъемка не позволяет проследить изменение геометрических параметров дуг в течение периода горения. Поэтому но результатам фотосъемки были измерены световые диаметры дуг на кадрах, соответствующих или близких к моментам перехода одного из токов через нулевое значение (рис. 5а). Измерения световых диаметров дуг по результатам видеосъемки и фотосъемки дают близкие результаты.

а) б) т

Рисунок. 5. Фотография внешнего участка дуги (а), метод определения длины дуги (б): 1 - фронтальная проекция; 2 - горизонтальная проекция; 3 - профильная

проекция.

Электрические дуги вне разрядных каналов плазмотрона имеют сложную форму, и их длина постоянно меняется во времени. Длина внешнего участка дуги определялась по кадрам видеосъемки с различных ракурсов для каждого момента времени в течение периода горения и представляющим фронтальные, горизонтальные и профильные проекции дуги (рис. 56). Кадры совмещались в графическом редакторе так, чтобы оси симметрии разрядных каналов плазмотрона лежали в одних и тех же плоскостях. Затем горизонтальная и профильная проекции дуги были разбиты на малые отрезки путем замены кривых линий ломаными, вписанными в эти кривые. Далее ломаные линии были развернуты в прямые линии по осям х и у так, что отрезки этих прямых по длине соответственно равны отрезкам ломаных линий. Из концов отрезков, отложенных на осях х и у, проводятся перпендикуляры к этим осям и на перпендикулярах откладываются аппликаты точек кривой. В результате получаются ломаные, длины которых, умноженные на масштабный коэффициент, могут быть

приближенно приняты за длину внешнего участка дуги. Таким методом для разных режимов работы плазмотрона были получены длины дуг в различные моменты времени в течение периода горения. Затем, в результате усреднения полученных данных, была определена средняя длина дуги за период горения.

В четвертой главе представлены результаты исследования параметров электрической дуги переменного тока, горящей в смеси водяного пара и воздуха при атмосферном давлении в трехфазном пароводяном плазмотроне. В начале главы дано описание условий проведения экспериментов и приведены основные результаты. Были получены зависимости электрических параметров дуги и термического КПД плазмотрона от соотношения массовых расходов водяного пара и воздуха. Все полученные значения параметров являются средними. Суммарный расход воздуха и пара поддерживался на приблизительно одинаковом уровне. Были проведены две серии экспериментов с различными суммарными расходами ~ 4,9 - 5 г/с и ~ 6,55 - 6,8 г/с. Действующее значение тока в ходе всех экспериментов поддерживалось постоянным и составляло ~ 28,5±0,4 А.

Результаты измерений свидетельствуют о том, что длина и световой диаметр дуги слабо зависят от соотношения расходов воздуха и водяного пара, а также от суммарного расхода плазмообразующей смеси в рассматриваемом диапазоне расходов. Средний световой диаметр электрической дуги составил ~ 4,5±0,3 мм, а ее средняя длина ~ 0,80±0,03 м. Плотность тока в дуге определялась по световому диаметру столба разряда, который, как показывают исследования, для диапазона токов ~ 10 - 103 А и давлений ~ 1 Бар и выше приближенно соответствует токовому диаметру. Плотность тока рассчитывалась в предположении равномерного распределения тока по радиусу разряда и составила ~ 180±25 А/см2. По измеренной длине дуги и падению напряжения определялась средняя напряженность электрического поля. Приэлектродные падения напряжения для данного рода токов не превышают 20 В, и в случае длинных дуг ими можно пренебречь.

В рассматриваемом диапазоне массовых долей водяного пара в смеси, падение напряжения на дуге, и, соответственно, средняя напряженность, растут с ростом содержания пара (рис. 6а). Так как плотность тока и длина дуги остаются приблизительно постоянными, сделан вывод, что с изменением соотношения расходов меняется удельная электрическая проводимость дуги.

Как известно, в столбе дуг высокого давления (~ 1 Бар и выше) с хорошим приближением предполагается наличие термического равновесия. В данном приближении проводимость разряда можно оценить по формуле:

E

2 me к T

где, а - удельная проводимость (См/м), j - плотность тока (А/м ), Е - напряженность электрического поля (В/м), пс - концентрация электронов (м-3), е и тс - заряд и масса электрона (Кл) и (кг) соответственно, к - постоянная Больцмана (Дж/К), Т -температура (К), и,- и .у, - концентрации и сечения столкновения нейтральных частиц плазмы (м-3) и (м2) соответственно, Sjon - сечение кулоновских столкновений (м2), пюп - концентрация ионов (м-3).

а) 2000"1

; о U = 6.55 - 6,8 г/с) ; О U (G =4,9-5 г/с) .................................... 1

I А Е (G,„, = 6,55 - 6,8 г/с) | Т £ V Е (g""~ = 4,9 - 5 г/с) i I % 1------- ^ — — - - ' j. :

.Щ....... ......ööJ...........

^ 5 ъ !

50 60 70 ВО

Массовая доля водяного пара в смеси, %

60 70 80

Массовая доля водяного пара в смеси,1

Рисунок 6. Зависимости падения напряжения на дуге (а), напряженности электрического поля (а) и экспериментально определенной удельной проводимости дуги (б) от содержания пара в смеси: цифрами напротив экспериментальных точек указан суммарный расход смеси (г/с).

На рис. 66 представлена зависимость удельной проводимости дуги от массовой доли водяного пара для различных суммарных расходов смеси, определенная по экспериментальным значениям плотности тока и напряженности электрического поля. Из формулы 1 следует, что проводимость является в приближении термического равновесия функцией температуры и состава плазмы. В соответствии с формулой 1 была рассчитана проводимость плазмы для различных температур и соотношений водяного пара и воздуха (рис. 7а). Концентрации электронов, ионов и нейтральных частиц для разных температур и соотношений пара и воздуха были получены в результате расчета равновесных составов плазмы при атмосферном давлении с помощью программного пакета "Chemical WorkBench" (Kinetic Technologies Ltd., http://www.kintech.ru).

Из полученных результатов следует, что проводимость в данном диапазоне температур и соотношений водяного пара и воздуха слабо зависит от состава среды и определяется в основном температурой. Сопоставляя данные по экспериментально

определенной и расчетной проводимости можно оценить диапазон изменения температуры дуги, который составил ~ 9900 - 11500 К (рис. 76).

Ч ------.-- (Г V 12000

а)1800] :.........-...........I...................- о)

/1800 1600 1400

5

З 1200

ь

1000 800 600

пар воздух : — 0% ш% ;

59.1% 40,9% ; - 65.7% 34,3% :: 76.5% 23,5% ;................ ........ 85.3% 14,7% : - - • 100% 0% ^^ .........

I

9500

* 6.55 - 6,8 На в" "» 4,9 - 5 г'с

Я

Т. К

60 70 80

Массовая доля водяного пара в смеси, %

Рисунок 7. Зависимость расчетной удельной проводимости плазмы для различных температур и соотношений водяного пара и воздуха (а), зависимость температуры дуги от содержания пара в смеси (б): цифрами напротив экспериментальных точек указан суммарный расход смеси (г/с).

В рассматриваемом диапазоне температур и содержаний пара столкновения электронов с нейтральными частицами оказывают довольно слабое влияние на проводимость (24 - 28 % для 10000 К и 9 - 10 % для 12000 К) по сравнению с кулоновскими столкновениями. Все газы при таких температурах практически полностью диссоциированы и находятся в атомарном состоянии. Двукратно ионизованных частиц в плазме практически нет и можно принять, что суммарная концентрация ионов равна электронной. Средние сечения столкновений электронов с нейтральными частицами при этих температурах по данным разных авторов меняются слабо и составляют порядка (2,1 - 2,0)-10~19 м2 для водорода, (5,2 - 5,5)-10"20 м2 для кислорода и (4,3 - 4,6)-10"20 м2 для азота. Кулоновские сечения столкновений в этом диапазоне составляют (1,8 - 1,2)-10"17 м2, то есть на 2 -.3 порядка превосходят сечения столкновений электронов с нейтральными частицами. Причем суммарная концентрация нейтральных частиц ((7,1 - 5,4)-1023 м"3) и концентрация электронов ((1,4 - 4,6)-1022 м~3) в дуге слабо зависит от соотношения между паром и воздухом и определяется в основном температурой.

Снижение температуры дуги и проводимости с ростом содержания пара в смеси вызвано интенсификацией теплообмена. С ростом содержания пара в смеси и мощности, термический КПД плазмотрона остается приблизительно постоянным и составляет 94 - 95 %. Также незначительно меняется среднемассовая температура плазмы (средняя температура истекающей струи), которая составляла 2950 - 3100 К. С ростом доли пара в паровоздушной смеси существенно увеличиваются

теплоемкость и теплопроводность плазмообразующего газа. Водяной пар при температурах горения дуг полностью диссоциирует и высвобождает атомарный водород, обладающий значительно большей теплопроводностью, нежели атомарные кислород и азот. Интенсивность теплообмена возрастает, о чем свидетельствуют экспериментальные данные - мощность растет, а КПД остается приблизительно постоянным, следовательно, увеличиваются потери тепла в разрядных каналах плазмотрона. Это приводит к снижению температуры дуги и, соответственно, проводимости. На факт интенсификации теплообмена также указывают результаты анализа осциллограмм напряжения на дугах. С ростом массового содержания пара в смеси увеличиваются амплитуды пиков напряжения гашения и зажигания дуг, а также уменьшается их ширина.

В пятой главе представлены внешние характеристики плазмотрона. Приведены вольтрасходные и вольтамперные характеристики, зависимости мощности плазмотрона от расхода водяного пара, расхода защитного воздуха и тока, зависимости термического КПД, теплосодержания и среднемассовой температуры плазмы от массовой доли водяного пара в смеси.

Вольтрасходные характеристики (рис. 8а) определяют зависимость падения напряжения на дуге плазмотрона от расхода водяного пара и защитного воздуха. С ростом расхода водяного пара при постоянном суммарном расходе смеси падение напряжения на дуге возрастает. Это, как отмечалось ранее, связано с более интенсивным охлаждением дуги, снижением её температуры и, соответственно, проводимости, что при постоянной плотности тока приводит к росту напряженности электрического поля дуги. Установлено, что влияние расхода защитного воздуха на падение напряжения на дуге при постоянном расходе водяного пара определяется двумя факторами - изменением суммарного расхода смеси и изменением её состава. С увеличением расхода защитного воздуха от ~ 0,6 до ~ 2,5 г/с при постоянном расходе водяного пара 3,7 г/с, происходит быстрое снижение падения напряжения на дуге, определяемое снижением массовой концентрации водяного пара с ~ 86 до ~ 60 %. С дальнейшим ростом расхода воздуха до 3,15 г/с и соответственным снижением массовой концентрации пара с ~ 60 до ~ 54 % падение напряжения на дуге слабо зависит от расхода воздуха. В данном диапазоне изменение суммарного расхода и состава среды компенсируют друг друга. Дальнейшее увеличение расхода воздуха до ~ 3,8 г/с и массовой концентрации водяного пара до ~ 49 % приводит к небольшому росту падения напряжения на дуге, определяемому увеличением общего суммарного расхода смеси.

На рис. 86 приведены статические вольтамперные характеристики (ВАХ) плазмотрона для различных расходов защитного воздуха при постоянном расходе водяного пара 3,7 г/с.

а)18

т 1400

Т

3

о - 26 г'°

; л = 3.3 г/с

у = 3,55 г/с

о С = 3.7 г/с

о е™ = з.9 г/с

4 Сп>*а = 4 г/с

> с '". = 4.4 г/с

о о" =5,2 г/с

о в™» 5.8(/с

5

б у

т 1200 о

£

□ Са=0.62 г/с

й О Св-1,54 г/с

X л Св=2,52 г/с

■ ф V Сб"=3.78 г/с

$

й $

& + .....5.

3,5

40

I. А

Рисунок 8. Зависимость падения напряжения на дуге плазмотрона (а) от расхода воздуха и водяного пара (для расхода водяного пара 3,7 г/с ток в дугах ~ 30 А, для остальных расходов водяного пара ~ 28,5 А), статические ВАХ плазмотрона (б) при расходе водяного пара 3,7 г/с.

ВАХ плазмотрона носят падающий характер. Это вызвано ростом температуры дуги. При постоянных расходах плазмообразующих газов, условия обдува столба дуги не меняются, соответственно, можно предположить, что диаметр дуги с ростом тока не должен претерпевать существенных изменений. То же можно предположить и о длине дуги, так как величина ее внешнего участка определяется течением плазмы на выходе из плазмотрона. Следовательно, с ростом тока должна расти его плотность, но, по-видимому, определяющим фактором влияния на падение напряжения является рост проводимости. С ростом температуры проводимость столба дуги существенно возрастает, напряженность электрического поля дуги падает и, соответственно, снижается падение напряжения на дуге.

На рис. 9а приведены зависимости мощности плазмотрона от расхода защитного воздуха при различных расходах водяного пара. Для расхода водяного пара 3,7 г/с действующее значение тока в дугах составляло ~ 30 А, для остальных расходов водяного пара ~ 28,5 А. При фиксированном значении тока и расхода воздуха, мощность с ростом расхода водяного пара возрастает, что вызвано увеличением падения напряжения на дуге. С ростом расхода воздуха при постоянном расходе водяного пара напряжение падает, и мощность снижается. Для расхода водяного пара 3,7 г/с получены зависимости мощности плазмотрона от расхода воздуха для различных токов в диапазоне 30 - 50 А (рис.9б). С увеличением тока выделяемая в дуге мощность при прочих равных условиях возрастает.

а)9'

Й 70

Э£

О."

* д Л §

= 2.6 г/с = 3.3 г/с = 3,55 г/с = 3,7 г/с = 3,9 г/с = 4 г/с = 4,4 г/с = 5,2 г/с = 5.8 г/с

¥

в)'

100 90 80 70

§ _ П 1 = ЗОА О 1 = 35 А А 1 = 41,5 А V I = 50 А

Д У 2

5 5 ^ I 5 а : 9 д § а

? Ч 1

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

0,5 1.0 1,5 2,0 2,5 3,0 3.5 4,0

Рисунок 9. Зависимости мощности плазмотрона от расхода воздуха, при различных расходах водяного пара (а) и токах (б).

В процессе экспериментов с различными соотношениями массовых расходов водяного пара и воздуха с суммарным расходом смеси ~ 6,55 - 6,8 г/с и токе дуги ~ 28,5 А измерялись потери тепла в охлаждающую воду. По результатам данных измерений была сделана оценка термического КПД плазмотрона. Термический КПД с ростом массовой доли водяного пара в плазмообразующей смеси и, соответственно, мощности остается приблизительно постоянным и составляет ~ 94 - 95 %. Как уже отмечалось ранее, это связано с интенсификацией теплообмена вследствие роста концентрации водяного пара в смеси и соответствующим этому увеличением потерь тепла в разрядных каналах плазмотрона. На рассматриваемых режимах плазмотрон может обеспечить теплосодержание плазмы от 8,3 до 12,5 МДж/кг, что позволяет реализовать довольно гибкое регулирование энерговклада в плазмохимических процессах. Среднемассовая температура плазмы при этом составляет ~ 2950 - 3100 К. Также в главе приводятся данные по эрозии медных стержневых электродов, которая составила 6,5-10"6 г/Кл при токе ~ 30 А, что позволяет, с учетом массы электродов, оценить величину ресурса их работы до 300 ч.

Шестая глава посвящена анализу перспективности применения плазмотрона в технологии плазменной газификации. В данной главе приведены методика и результаты численного исследования процесса плазменной газификации отходов пластика с применением паровоздушной плазмы с параметрами по составу и теплосодержанию, реализуемыми в рассматриваемом в работе плазмотроне. Также выполнены расчеты для плазменной и автотермической газификации отходов пластика с применением воздуха в качестве окислителя.

Для технологий использования синтез-газа наиболее важным является связь между его составом и энергетическими затратами. Содержание в синтез-газе

основных компонентов Н2 и СО, а также различных примесей оказывает влияние на эффективность технологий его переработки. В ходе численного исследования рассматривались два способа использования синтез-газа: в качестве топлива для получения электроэнергии в комбинированном цикле и как сырья для синтеза жидких топлив.

За состав продуктов плазменной газификации отходов пластика (далее сырья) принимался термодинамически равновесный состав смеси плазмы и сырья, рассчитанный при температуре 1500 К и атмосферном давлении (101,325 кПа). Расчет равновесного состава продуктов плазменной газификации проводился с помощью программного пакета «Chemical WorkBench» (Kinetic Technologies Ltd., http://www.kintech.ru).

В таблице 1 приведены материальный и тепловой балансы рассматриваемых процессов газификации отходов пластика. Основные параметры процессов газификации отходов пластика представлены в таблице 2.

Таблица 1.

Материальный и тепловой балансы воздушной автотермической, воздушной

плазменной и паровоздушной плазменной газификации отходов пластика.

Показатель Энергозатраты Q„K, МДж/кг

0,00 | 2,97 | 10,95 | 12,35

Состав окислителя, % масс.

Воздух 100 100 45,8 14,7

Водяной пар 0 0 54,2 85,3

Материальный баланс

Вход, кг

Сырье 1,00 1,00 1,00 1,00

Окислитель 4,49 3,27 1,33 0,99

Итого 5,49 4,27 2,33 1,99

Выход, кг

Сухой синтез-газ 5,00 3,99 2,03 1,68

Водяной пар 0,21 0,00 0,02 0,03

Зола 0,28 0,28 0,28 0,28

Итого 5,49 4,27 2,33 1,99

Тепловой баланс

Вход, МДж/кг

Теплота сгорания сырья 28,68 28,68 28,68 28,68

Энергозатраты 0,00 2,97 10,95 12,35

Итого 28,68 31,65 39,63 41,03

Выход, МДж/кг

Химическая энергия синтез-газа 19,84 24,36 33,65 35,26

Тепловая энергия синтез-газа и пара 8,45 6,90 5,59 5,38

Тепловая энергия золы 0,39 0,39 0,39 0,39

Итого 28,68 31,65 39,63 41,03

Паровоздушная плазменная газификация по сравнению с воздушной отличается высоким уровнем энергозатрат на процесс. Это обусловлено тем, что водяной пар является пассивным окислителем и энергия паровоздушной плазмы расходуется не только на покрытие эндотермического эффекта газификации, но и также на разложение и нагрев до температуры процесса молекул водяного пара. При использовании активных окислителей, таких как воздух или кислород, энергозатраты на процесс газификации ниже, так как часть необходимой энергии заимствуется у сырья.

Таблица 2.

Основные параметры воздушной автотермической, воздушной плазменной и

паровоздушной плазменной газификации отходов пластика.

Окислитель МДж/кг кг/кг ^сг» м /кг Состав сухого синтез-газа, % об.

воздух, % масс. пар, % масс. н2 СО N2 с:о2 Аг др.

100 0 0,00 4,49 4,98 15,6 21,0 59,5 2,98 0,71 0,15

100 0 2,97 3,27 4,45 23,9 26,8 48,5 0,02 0,58 0,19

45,8 54,2 10,95 1,33 3,62 55,5 32,8 11,2 0,20 0,13 0,21

14,7 85,3 12,35 0,99 3,48 62,5 34,1 2,89 0,23 0,03 0,23

Примечание: (}ок - удельные энергозатраты, С„к - расход окислителя на единицу массы сырья, Ссг — удельный выход сухого синтез-газа.

С ростом содержания водяного пара в паровоздушной смеси, энергозатраты на газификацию увеличиваются. При этом снижается суммарный расход окислителя, что приводит к уменьшению удельного выхода сухого синтез-газа.

Удельный выход химической энергии синтез-газа с ростом энергозатрат увеличивается. Установлено, что при автотермической воздушной газификации в химическую энергию синтез-газа переходит ~ 70 % энергии сырья, а при плазменной воздушной газификации ~ 77 % общего теплового баланса. В случае паровоздушной плазменной газификации в химическую энергию синтез-газа переходит ~ 85 - 86 % общего теплового баланса. Доля тепловой энергии влажного синтез-газа в тепловом балансе в случае плазменной и автотермической воздушной газификации достигает ~ 22 — 30 %, для паровоздушной плазменной газификации за счет снижения содержания балластных газов этот показатель составляет величину -13-14 %, что приблизительно в 2 раза меньше.

При автотермической воздушной газификации суммарная концентрация Н2 и СО составляет 36,6 % об., соотношение Н2/СО составляет - 0,74. В случае плазменной воздушной газификации суммарная концентрация Н2 и СО составляет 50,7 % об., соотношение Н2/СО ~ 0,89. Оба рассматриваемых случая воздушной газификации отличаются высоким содержанием балластных примесей в синтез-газе,

что негативно отразится на эффективности синтеза или сжигания. При паровоздушной плазменной газификации суммарная концентрация Н2 и СО составляет 88,3 - 96,6 % об., соотношение Н2/СО меняется в диапазоне ~ 1,69 - 1,83. Получаемый синтез-газ отличается низким содержанием балластных примесей (11,7 - 3,4 % об.), что благоприятствует его использованию в качестве сырья для синтеза жидких топлив.

В таблице 3 приведены результаты оценки основных параметров технологического использования синтез-газа.

Удельный выход электроэнергии при использовании синтез-газа в качестве топлива для комбинированного цикла оценивался с учетом зависимости КПД комбинированного цикла от адиабатической температуры горения газа, так как с ростом максимальной температуры энергетических циклов их КПД увеличивается.

Таблица 3.

Оценки основных параметров технологического использования синтез-газа.

Окислитель <2ок, МДж/кг кг/кг Qxим ' МДж/кг Рэл, МДж/кг р 1 кц» МДж/кг р 1 тепл» МДж/кг ^жт> г/кг

воздух, % масс. пар, % масс.

100 0 0,00 4,49 19,84 12,13 12,13 16,55 349

100 0 2,97 3,27 24,36 15,53 12,56 16,12 431

45,8 54,2 10,95 1,33 33,65 21,45 10,5 18,18 611

14,7 85,3 12,35 0,99 35,26 22,48 10,13 18,55 643

Примечание: (?хим - удельный выход химической энергии с единицы массы сырья, Рэл и Рщ - соответственно полный и полезный удельные выходы электроэнергии с единицы массы сырья, Ртспл - удельный выход тепловой энергии с единицы массы сырья, Сжт - выход жидкого топлива.

Величина потенциально возможного удельного выхода жидких топлив оценивалась приближенно на основе стехиометрии процесса Фишера-Тропша, без учета влияния примесей. Требования к составу синтез-газа зависят от используемого процесса. Например, для синтеза жидких топлив по технологии Фишера-Тропша, а также для каталитического синтеза метанола, этанола, этилена отношение концентраций Н2/СО должно быть ~2, а для синтеза диметилового эфира достаточно отношения Н2/СО ~1. В данных технологиях также предъявляются высокие требования к чистоте синтез-газа, а именно отсутствие смол, механических примесей, минимальное содержание или полное отсутствие балластных газов (N2, С02, СН4), которые уменьшают выход конечных продуктов, а также соединений серы, загрязняющих катализатор.

Как видно из таблицы 3, несмотря на высокую теплоту сгорания синтез-газа, использование паровоздушной плазменной газификации отходов пластика для

энергетики нецелесообразно, так как с учетом энергозатрат на процесс полезный удельный выход электроэнергии и удельный выход тепловой энергии оказываются сопоставимыми с аналогичными показателями воздушной автотермическои и воздушной плазменной газификации. Однако, использование паровоздушной плазменной газификации по сравнению с воздушной автотермической газификацией позволяет увеличить выход жидкого топлива с единицы массы сырья более чем в 1,8 раза, а по сравнению с плазменной воздушной газификацией приблизительно в 1,5 раза. Следует также отметить, что реальные величины удельного выхода жидких топлив для автотермической и плазменной воздушной газификации отходов пластика будет еще меньше, чем указано в таблице 3. Это связано со снижением эффективности процесса Фишера-Тропша при увеличении содержания балластных примесей в синтез-газе. Таким образом, можно заключить, что паровоздушная плазменная газификация является перспективным способом получения синтез-газа из сырья с высокой теплотой сгорания для его использования в процессе синтеза жидких топлив. Эта технология позволяет повышать качество синтез-газа и увеличивать удельную производительность и эффективность процесса Фишера-Тропша.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Показана актуальность применения пароводяной плазмы в различных плазмохимических приложениях. Проведен обзор существующих электродуговых генераторов пароводяной плазмы. Выявлены их конструктивные и эксплуатационные недостатки.

2. Создан экспериментальный стенд для испытаний и исследования пароводяных плазмотронов переменного тока. Создана система измерения и диагностики, позволяющая измерять электрические характеристики плазмотрона, термический КПД, геометрические параметры дуг.

3. Создан электродуговой трехфазный пароводяной плазмотрон переменного тока с воздушной защитой медных электродов стержневого типа мощностью до 100 кВт. Использование воздуха в качестве защитного газа позволяет обеспечить высокий ресурс работы электродов при низких эксплуатационных затратах.

4. Проведены исследования параметров электрической дуги переменного тока, горящей в смеси водяного пара и воздуха при атмосферном давлении в трехфазном пароводяном плазмотроне. Получены экспериментальные зависимости электрических параметров дуги и термического КПД плазмотрона от соотношения массовых расходов водяного пара и воздуха при постоянном суммарном расходе плазмообразующей смеси. Выполнена оценка геометрических параметров разряда.

Сделан вывод, что длина и световой диаметр дуги слабо зависят от соотношения расходов воздуха и водяного пара, а также от суммарного расхода плазмообразующей смеси в рассматриваемом диапазоне расходов. Установлено, что в рассматриваемом диапазоне массовых долей водяного пара в плазмообразующей смеси, падение напряжения на дуге и средняя напряженность электрического поля растут с увеличением содержания пара, что связано с изменением удельной проводимости дуги. Выполнена оценка удельной проводимости дуги по экспериментально полученным плотности тока и напряженности электрического поля, а также в приближении термического равновесия плазмы, как функции температуры и состава плазмы. По этим данным оценен диапазон изменения температуры дуги, который составил ~ 9900 - 11500 К. Удельная проводимость в рассматриваемом диапазоне температур и соотношений водяного пара и воздуха слабо зависит от состава среды и определяется в основном температурой, а основной вклад в проводимость вносят кулоновские столкновения, так как кулоновские сечения столкновений на 2 - 3 порядка превосходят сечения столкновений электронов с нейтральными частицами. Снижение температуры дуги и проводимости с ростом содержания пара в плазмообразующей смеси вызвано интенсификацией теплообмена. 5. Получены и исследованы внешние характеристики плазмотрона. Из вольтрасходных характеристик следует, что с ростом расхода водяного пара при постоянном суммарном расходе смеси падение напряжения на дуге возрастает. Это связано с более интенсивным охлаждением дуги, снижением её температуры и проводимости, что при постоянной плотности тока приводит к росту напряженности электрического поля дуги. Установлено, что влияние расхода защитного воздуха на падение напряжения на дуге при постоянном расходе водяного пара определяется двумя факторами - изменением суммарного расхода плазмообразующей смеси и изменением её состава. ВАХ плазмотрона - падающие. Это вызвано ростом температуры дуги и, соответственно, проводимости. Диапазон мощности плазмотрона составляет ~ 50 - 105 кВт при токах ~ 30 - 50 А, падение напряжения 850 - 1750 В, расход водяного пара 2,6 - 5,8 г/с, расход воздуха 1 - 3,8 г/с, максимальное отношение расходов водяного пара к воздуху ~ 6. Термический КПД плазмотрона с ростом массовой доли водяного пара в смеси и мощности остается приблизительно постоянным и составляет - 95 %, что значительно выше чем у других существующих электродуговых генераторов пароводяной плазмы. При постоянном суммарном массовом расходе плазмообразующей смеси ~ 6,55 - 6,8 г/с с массовой долей водяного пара ~ 55 - 85 % плазмотрон может обеспечить теплосодержание плазмы от 8,3 до 12,5 МДж/кг, что позволит организовать гибкое регулирование энерговклада в плазмохимических процессах. Среднемассовая температура плазмы

~ 2950 - 3100 К. Удельная эрозия электродов составила 6,5-10"6 г/Кл при токе ~ 30 А, что позволяет, с учетом массы электродов, оценить величину ресурса их непрерывной работы до 300 ч. Данный тип плазмотрона обладает потенциалом увеличения мощности до ~ 200 кВт и может рассматриваться как прототип, позволяющий перейти к созданию пароводяных плазмотронов переменного тока мощностью 1 МВт и более.

6. Выполнено численное моделирование процесса плазменной газификации отходов пластика с применением паровоздушной плазмы с параметрами по составу и теплосодержанию, реализуемыми в рассматриваемом в работе плазмотроне. Выполнены расчеты для автотермической и плазменной газификации отходов пластика с применением воздуха в качестве окислителя. Выполнены оценки ориентировочных значений удельного выхода электроэнергии для системы на основе газификации и комбинированного цикла, а также оценки потенциально возможного выхода жидких синтетических топлив. Установлено, что использование паровоздушной плазменной газификации отходов пластика для энергетики нецелесообразно, так как с учетом энергозатрат на процесс, полезный удельный выход электроэнергии и удельный выход тепловой энергии оказываются сопоставимыми с аналогичными показателями воздушной автотермической и воздушной плазменной газификации. Однако, использование паровоздушной плазменной газификации по сравнению с воздушной автотермической газификацией позволяет увеличить выход жидкого топлива с единицы массы сырья более чем в 1,8 раза, а по сравнению с плазменной воздушной газификацией приблизительно в 1,5 раза. Таким образом, сделан вывод, что паровоздушная плазменная газификация является перспективным способом получения синтез-газа из сырья с высокой теплотой сгорания для его использования в технологии синтеза жидких топлив. Поэтому результаты исследований в этой области и рассматриваемый в данной работе пароводяной трехфазный плазмотрон могут найти широкое применение в п ром ы шл ен н ости.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Rutberg Ph.G., Popov S.D., Safronov A.A., Serba E.O., Nakonechny Gh.V. HighVoltage Alternating Current Plasma Generators with Power up to 50 kW for Plasmochemical Applications / Proc. of XXVIII Int. Conf. on Phenomena in Ionized Gases (ICPIG 2007), 15 - 20 July, 2007. Prague, Czech Republic. - P. 1762 - 1765.

2. Pavlov A.V., Rulberg P.G., Nakonechny G.V., Ovchinnikov R.V., Popov S.D., Safronov A.A., Sakov A.I., Serba E.O., Surov A.V. Plasma Torch Optical Diagnostic of a Single-

Phase Alternating Current Plasma Generator / Digest Of Technical Papers - IEEE Int. Pulsed Power Conf., 17-20 June, 2007. Albuquerque, New Mexico, USA. - Vol. I. - P. 732-735.

3. Popov S.D., Rutberg P.G., Gorbunov V.P., Kuschev S.A., Lukyanov S.A., Nakonechny G.V., Popov V.E., Spodobin V.A., Serba E.O. Characteristic Features of Operation of High-Voltage Electric Arc Plasma Generators with Rod Electrodes and Power from 5 up to 50 kW in a Pilot Plasmachemical Unit / Digest Of Technical Papers - IEEE Int. Pulsed Power Conf., 17-20 June, 2007. Albuquerque, New Mexico, USA. - Vol. 2. - P. 1560 -1564.

4. Рутберг Ф.Г., Павлов А.В., Попов С.Д., Саков А.П., Серба Е.О., Сподобин В.А., Суров А.В. Спектральные измерения газовой и электронной температур в факеле однофазного плазмотрона переменного тока // Теплофизика высоких температур. -2009.-Т. 47.-№2.-С. 193- 199.

5. Rutberg Ph. G., Lukyanov S.A., Kiselev A.A., Kuschev S.A., Nakonechny Gh.V., Nikonov A.V., Popov S.D., Serba E.O., Spodobin V.A., Surov A.V. Investigation of parameters of the three phase high-voltage alternating current plasma generator with power up to 100 kW working on steam // Journal of Physics: Conference Series. - 2011. -Vol. 275.-012006.

6. Surov A.V., Popov S.D., Serba E.O., Nakonechny G.V., Spodobin V.A., Ovchinnikov R.V., Kumkova I.I., Shabalin S.A. The investigation of movement dynamics of an AC electric arc attachment along the working surface of a hollow cylindrical electrode under the action of gas-dynamic and electromagnetic forces // Journal of Physics: Conference Series. - 2012. - Vol. 406. - 012007.

7. Rutberg Ph.G., Popov S.D., Surov A.V., Serba E.O., Nakonechny Gh.V., Spodobin V.A., Pavlov A.V., Surov A.V. The investigation of an electric arc in the long cylindrical channel of the powerful high-voltage AC plasma torch // Journal of Physics: Conference Series. - 2012. - Vol. 406. - 012028.

8. Попов С.Д., Серба E.O., Суров A.B., Суров А.В. Вычислительное моделирование течения газа в канале генератора плазмы с полым электродом // Энерготехнологии и ресурсосбережение. - 2012. - №5. - С. 50 - 53.

9. Rutberg Ph.G., Kuznetsov V.A., Serba E.O., Popov S.D., Surov A.V., Nakonechny Gh.V., Nikonov A.V. Novel three-phase steam-air plasma torch for gasification of high-caloric waste // Applied Energy. - 2013. - Vol. 108. - P. 505 - 514.

10. Рутберг Ф.Г., Кузнецов В.А., Серба E.O., Наконечный Г.В., Никонов А.В., Попов С.Д., Суров А.В. Исследование электрических дуг в паровоздушной смеси в плазмотронах переменного тока // Теплофизика высоких температур. - 2013. - Т. 51.-№5. -С. 677-684.

Подписано в печать 24.10.2013. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 11154Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812)550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики и электроэнергетики Российской академии наук

04201452257 На правах рукописи

Серба Евгений Олегович

СОЗДАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОДУГОВОГО ТРЕХФАЗНОГО ПАРОВОДЯНОГО ПЛАЗМОТРОНА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

01.04.13 - Электрофизика, электрофизические установки

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ доктор технических наук, профессор, академик РАН, Рутберг Филипп Григорьевич

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................................................4

1. ОБЗОР ЭЛЕКТРОДУГОВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ ПАРОВОДЯНОЙ ПЛАЗМЫ......................................................................................................................14

1.1. Области применения пароводяной плазмы.........................................................14

1.2. Классификация плазмотронов..............................................................................16

1.3. Плазмотроны с водяной стабилизацией дуги......................................................19

1.4. Плазмотроны с паровихревой стабилизацией дуги............................................24

1.5. Выводы....................................................................................................................34

2. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕКТРОДУГОВОГО ПАРОВОДЯНОГО ТРЕХФАЗНОГО ПЛАЗМОТРОНА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СТЕНД......................................................37

2.1. Описание конструкции электродугового пароводяного трехфазного плазмотрона переменного тока....................................................................................37

2.2. Экспериментальный стенд для исследования плазмотронов............................44

2.2.1. Система электропитания....................................................................................44

2.2.2. Системы обеспечения воздухом и водяным паром.........................................47

2.2.3. Система охлаждения стенда...............................................................................50

2.2.4. Диагностическая камера и система газоочистки.............................................51

2.3. Выводы....................................................................................................................54

3. МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ И КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ................................................................56

3.1. Методики проведения исследований...................................................................56

3.1.1. Измерение электрических параметров плазмотрона.......................................56

3.1.2. Измерение потерь тепла в элементы конструкции плазмотрона и термический КПД..........................................................................................................59

3.1.3. Измерение геометрических параметров электрических дуг..........................60

3.2. Контрольно-измерительное оборудование..........................................................64

3.3. Система измерения и регистрации электрических параметров плазмотрона . 69

3.4. Выводы....................................................................................................................71

4. ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ, ГОРЯЩЕЙ В СМЕСИ ВОДЯНОГО ПАРА И ВОЗДУХА В ТРЕХФАЗНОМ ПАРОВОДЯНОМ ПЛАЗМОТРОНЕ.........................................................................................................73

4.1 Условия проведения экспериментов и результаты..............................................73

4.2 Оценка параметров электрической дуги и обсуждение результатов................75

4.3 Выводы.....................................................................................................................83

5. ВНЕШНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРЕХФАЗНОГО ПАРОВОДЯНОГО ПЛАЗМОТРОНА.........................................................................................................86

5.1. Вольтрасходные и вольтамперные характеристики плазмотрона....................86

5.2. Тепловые характеристики: мощность, термический КПД, теплосодержание, среднемассовая температура........................................................................................90

5.3. Выводы....................................................................................................................96

6. АНАЛИЗ ПЕРСПЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТРЕХФАЗНОГО ПАРОВОДЯНОГО ПЛАЗМОТРОНА.....................................................................99

6.1. Плазменная газификация и области применения синтез-газа...........................99

6.2. Методика расчета процесса газификации и оценки выходов электроэнергии в комбинированном цикле и жидких сиитетических топлив....................................101

6.3. Материальный и тепловой баланс. Основные параметры процессов газификации отходов пластика..................................................................................105

6.4. Основные параметры использования синтез-газа............................................108

6.5. Выводы..................................................................................................................110

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................................................................113

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................................................117

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ...............134

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Современная экономика развитых и большинства развивающихся стран базируется на потреблении энергии ископаемых видов топлива и согласно прогнозам, по крайней мере, в текущем столетии будущее глобальной энергетики будет связано с их использованием. Поэтому стабильный доступ к энергоносителям и стабильные цены на них являются основой глобального экономического роста. Ведущими ископаемыми видами топлива в настоящий момент являются нефть и газ. По оценкам в ближайшие 20 - 30 лет снижение добычи этих двух основных энергоресурсов может стать серьезной проблемой мирового масштаба. Однако, уже сейчас нестабильная ситуация в Северной Африке и на Ближнем Востоке, регионах, страны которых являются одними из крупнейших поставщиков энергоресурсов, подчеркивает важность создания резервных мощностей и развития использования других видов ископаемых топлив и, главным образом, угля, запасы которого достаточно велики. Но стоит отметить, что традиционные методы использования угля в качестве топлива нуждаются в пересмотре, так как не отвечают современным экологическим требованиям.

В последнее время в мире рассматривается концепция комплексной переработки угля на основе процесса газификации, с получением синтез-газа (смесь водорода и монооксида углерода) и сопутствующих ценных компонентов из минеральной массы угля: алюминия, карбидов железа, технического кремния, ферросилиция и др. Синтез-газ может использоваться как в качестве топлива для парогазовых установок комбинированного цикла с КПД более 60 %, так и как сырье для получения водорода, жидких синтетических топлив и других химических продуктов. Как показывают многочисленные оценки и исследования, наиболее эффективным и экологически чистым процессом газификации угля является плазменная газификация с применением низкотемпературной пароводяной плазмы, генерируемой при нагреве газа электрической дугой. При

газификации угля с применением пароводяной плазмы получают синтез-газ, не содержащий смол, и состоящий на 95% и более из монооксида углерода и водорода.

Еще одной важной проблемой являются различные виды отходов, количество которых год от года растет. Большинство отходов содержат в себе большое количество органики и могут быть использованы в качестве топлива в процессах плазменной газификации. В случае газификации отходов, пароводяная плазма является оптимальным окислителем для сырья с высокой теплотой сгорания - отходов пластика, резины, отработанных моторных масел и др.

Также стоит отметить, что применение пароводяной плазмы эффективно в процессах получения синтез-газа путем конверсии метана и его гомологов. Это особенно актуально в связи с растущим интересом к переработке попутного нефтяного газа с получением жидких синтетических топлив.

Ключевым элементом технологий плазменной газификации являются электродуговые генераторы плазмы (плазмотроны), благодаря которым осуществляется эффективный ввод энергии и необходимого количества окислителя в плазмохимический процесс. Это позволяет получать синтез-газ требуемого состава, высокой чистоты и с высокими энергетическими характеристиками, которые определяют эффективность его использования.

Безусловно, для промышленного применения в составе плазмохимических установок представляют интерес в первую очередь плазмотроны сравнительно большой мощности, с длительным ресурсом работы, обладающие высокой эффективностью, низкой коммерческой стоимостью и низкими эксплуатационными затратами. Существующие на сегодняшний день пароводяные плазмотроны не нашли широкого применения из-за ряда принципиальных недостатков (низкий термический КПД, высокая эрозия электродов, высокая стоимость защитных газов). Поэтому вопросы разработки и исследования новых электродуговых пароводяных плазмотронов, отвечающих перечисленным выше требованиям, весьма актуальны.

Объект и предмет исследования

Объектами исследования диссертационной работы являются электродуговой трехфазный пароводяной плазмотрон переменного тока с воздушной защитой электродов мощностью до 100 кВт, а также процессы воздушной автотермической, воздушной плазменной и паровоздушной плазменной газификации на примере газификации отходов пластика. Предметом исследований в работе являются параметры электрической дуги переменного тока, горящей в смеси водяного пара и воздуха при атмосферном давлении в трехфазном пароводяном плазмотроне, зависимости внешних характеристик плазмотрона от расхода водяного пара, расхода защитного воздуха, массовой доли водяного пара в плазмообразующей смеси и тока, параметры воздушной автотермической, воздушной плазменной и паровоздушной плазменной газификации отходов пластика, а также основные показатели технологического использования продуктов газификации.

Цели и задачи работы

Целью диссертационной работы является создание электродугового трехфазного пароводяного плазмотрона переменного тока с воздушной защитой электродов мощностью до 100 кВт, исследование электрофизических процессов, протекающих в его разрядных каналах и изучение внешних характеристик работы плазмотрона для оптимизации его эксплуатационных параметров в условиях, характерных для различных плазмохимических приложений, а также для создания пароводяных плазмотронов большей мощности с высоким ресурсом работы. Для достижения данной цели в работе поставлены следующие задачи:

— создать экспериментальный стенд для испытаний и исследования пароводяных плазмотронов переменного тока с системами измерения и регистрации их рабочих параметров;

— исследовать параметры электрической дуги переменного тока, горящей в смеси водяного пара и воздуха при атмосферном давлении в трехфазном пароводяном плазмотроне;

— установить зависимости внешних характеристик плазмотрона (вольтрасходные

и вольтамперные характеристики, мощность, термический КПД, теплосодержание и среднемассовая температура плазмы) от расхода водяного пара, расхода защитного воздуха, массовой доли водяного пара в плазмообразующей смеси и тока, определить диапазоны регулирования рабочих параметров плазмотрона; — выполнить расчет параметров процессов автотермической и плазменной газификации на примере газификации отходов пластика с применением воздуха в качестве окислителя, а также паровоздушной плазмы с параметрами по составу и теплосодержанию, реализуемыми в рассматриваемом в работе плазмотроне, выполнить оценки потенциально возможных показателей технологического использования получаемого синтез-газа, на основе полученных данных провести анализ перспективности применения плазмотрона в технологии плазменной газификации.

Методы исследований

Для решения поставленных в работе задач, проводились измерения мгновенных значений электрических параметров плазмотрона методом осциллографирования, по осциллограммам рассчитывались действующие значения токов и напряжений, а так же мощность. Для определения термического КПД плазмотрона проводились измерения потерь тепла в охлаждающий теплоноситель. Оценка параметров электрических дуг (плотности тока, напряженности электрического поля) проводилась по геометрическим характеристикам разряда (световой диаметр, длина). Геометрические характеристики электрических дуг определялись с помощью оптических методов (высокоскоростная видеосъемка, фотосъемка). Обработка отснятого материала проводилась в графическом редакторе с применением методов начертательной геометрии. Использовался современный программный пакет для расчета равновесного состава плазмы и продуктов плазменной газификации.

Научная новнзна

1. Впервые создан электродуговой трехфазный пароводяной плазмотрон переменного тока с воздушной защитой медных электродов стержневого типа

мощностью до 100 кВт.

2. В результате проведения серии экспериментов на созданном плазмотроне впервые получены экспериментальные данные по электрическим и геометрическим параметрам разряда, термическому КПД, вольтрасходные и вольтамперные характеристики в зависимости от расходов водяного пара и защитного воздуха, массовой доли водяного пара в плазмообразующей смеси и тока.

3.При исследовании электрической дуги переменного тока, горящей в смеси водяного пара и воздуха в плазмотроне установлено, что рост средней напряженности электрического поля, вызванный увеличением массовой доли водяного пара в плазмообразующей смеси, связан с изменением удельной проводимости дуги. В результате сопоставления экспериментальных и расчетных данных по удельной проводимости оценен диапазон изменения температуры дуги. Установлено, что проводимость в рассматриваемом диапазоне температур и соотношений водяного пара и воздуха слабо зависит от состава среды и определяется температурой, а основной вклад в проводимость вносят кулоновские столкновения. Снижение температуры дуги и проводимости с ростом содержания пара в смеси вызвано интенсификацией теплообмена.

4. Установлено, что влияние расхода защитного воздуха на падение напряжения на дуге при постоянном расходе водяного пара определяется двумя факторами -изменением суммарного расхода смеси и изменением её состава. Установлено, что падающий характер ВАХ плазмотрона вызван ростом температуры и проводимости дуги.

5. В результате численного моделирования процессов газификации отходов пластика установлено, что использование процесса паровоздушной плазменной газификации отходов пластика для энергетики нецелесообразно, так как с учетом энергозатрат на процесс полезный удельный выход электроэнергии в комбинированном цикле и удельный выход тепловой энергии оказываются сопоставимыми с аналогичными показателями воздушной автотермической и воздушной плазменной газификации. Однако сделан вывод, что паровоздушная

плазменная газификация является перспективным способом получения синтез-газа из сырья с высокой теплотой сгорания для его использования в технологии синтеза жидких топлив.

Практическая значимость работы

Создан электродуговой трехфазный пароводяной плазмотрон переменного тока с воздушной защитой электродов мощностью до 100 кВт. Результаты, полученные в ходе экспериментальных и расчетных исследований плазмотрона, могут быть применены для создания пароводяных плазмотронов переменного тока большей мощности с длительным ресурсом работы. Проведенные расчетные оценки показывают перспективность применения созданного плазмотрона в технологии плазменной газификации сырья с высокой теплотой сгорания. Также созданный плазмотрон может быть использован в технологиях конверсии в синтез-газ метана и его гомологов, что особенно актуально для переработки попутного нефтяного газа в синтетические жидкие топлива.

Личный вклад автора состоит в непосредственном участии в создании плазмотрона и экспериментального стенда, выборе методик экспериментов, их проведении, а также обработке, анализе и обобщении экспериментальных и расчетных результатов. При создании плазмотрона автор непосредственно участвовал в принятии основных конструктивных решений. Автором получены и проанализированы экспериментальные данные по электрическим и геометрическим параметрам дуг, термическому КПД, вольтрасходным и вольтамперным характеристикам плазмотрона в зависимости от расходов водяного пара и защитного воздуха, массовой доли водяного пара в плазмообразующей смеси и тока. Получены данные по удельной эрозии медных стержневых электродов. Проведен анализ и обобщение экспериментальных и расчетных данных по удельной проводимости дуги. Выполнен анализ результатов численного моделирования процессов воздушной автотермической, воздушной плазменной и паровоздушной плазменной газификации отходов пластика, а также потенциально возможных показателей технологического использования

получаемого синтез-газа.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Результаты экспериментального исследования и расчетных оценок параметров электрической дуги переменного тока, горящей в смеси водяного пара и воздуха в различных соотношениях при атмосферном давлении в созданном трехфазном пароводяном плазмотроне.

2. Результаты исследования внешних характеристик созданного трехфазного пароводяного плазмотрона (вольтрасходные и вольтамп