vue, е^кля ГІН*Ж*.^ЄТС£ї«&Л
о 41Ь2 -6-02
Содержание
Общая характеристика работы 5
Введение Л4
1. Электродуговые нагреватели газа - плазмотроны 16
2. Постановка задачи 26
Глава 1. Электрофизические и газодинамические 28
процессы в разрядной камере плазмотрона.
1.1. Особенности течения газа в длинном цилиндрическом канале. 28
1.2. Особенности горения электрической дуги в длинном цилиндрическом канале 33
1.3. Скоростные и пульсационные характеристики элементов дуги. 41
1.4. Моделирование процессов-в дуговых плазмотронах. 47
1.4.1. Понятие моделирования процессов. 47
1.4.2. Критерии подобия электродуговых процессов.. 48
1.4.3. Методика обобщения экспериментальных материалов. 54
Выводы по главе 1. 56
Глава 2. Энергетические характеристики дуги
% в разных газах. 58
2.1. Обобщенные вольт-амперные характеристики дуги в разных газах. 58
2.2. Энергетические характеристики дуги в плазмотронах с межэ-лектродными вставками. 73
2.2.1. Распределение напряженности электрического поля дуги в длинном цилиндрическом канале. 76
2.2.2. Зависимость напряженности электрического поля дуги от определяющих параметров на начальном и переходном участках канала. 80
2.2.3. Изменение напряжения горения дуги газодинамическим воздействием. 84
2.2.4. Зависимость напряженности электрического поля дуги от определяющих параметров на участке развитого турбулентного течения газа. 90
2.3. Энергетические характеристики дуги в пористом канале. 98
2.4. Напряженность электрического поля дуги в водороде и водородсодержащих газах. 112
2.4.1. Длины характерных участков течения газа. 116
2.4.2. Напряженность электрического поля водородной дуги на начальном участке канала. 117
2.4.3. Напряженность электрического поля дуги в развитом турбулентном потоке водорода. 119
2.4.4. Электрическая дуга в смеси газов. 123
Выводы по главе 2. 127
Глава 3. Теплообмен в электроду го вой камере линейного плазмотрона. 129
3.1. Интегральные тепловые характеристики плазмотронов с самоустанавливающейся и фиксированной уступом длиной дуги. ‘ 129
3.2. Тепловые потери в разрядной камере плазмотрона с межэ-лектродной вставкой. 133
3.2.1. Тепловые потери в плазмотроне с газовихревой стабилизацией дуги. • '-•••> 133
3.2.2. Характеристики дуги в осевом потоке газа. 136
3.3. Теплообмен электрической дуги в турбулентном потоке газа со стенками разрядной камеры. 137
3.3.1. Теплообмен на начальном участке канала. 137
3.3.2. Теплообмен на участке развитого турбулентного течения газа. 142
3.3.3. Эффективность газовой завесы стенок разрядной камеры. 145
3.3.4. Распределение тока и теплообмен в выходном электроде плазмотрона с межэлектродной вставкой. 1 56
3.3.5. Тепловой КПД плазмотрона с МЭВ. 163
3.4. Теплообмен в комбинированном и проницаемом канале с интенсивным вдувом газа. 165
3.5. Теплообмен водородной дуги со стенками разрядной камеры. 178
3.5.1. Тепловой поток в торцевой катод. 179
3.5.2. Тепловой поток в секции межэлектродной вставки и пусковой электрод. 179
3.5.3. Тепловой поток в выходной электрод - анод. • 183 Выводы по главе 3. 185
Глава 4. Высокоэффективные электродуговые нагреватели газа технологического назначения. 187
4.1. Классификация плазмотронов линейной схемы. 188
4.2. Плазмотроны для нагрева водорода и водородсодержащих сред. 189
4.2.1. Плазмотроны с фиксированной средней длиной дуги уступом: ЭДП-109/200; ЭДП-1 14; ЭДП-120. 189
4.2.2. Плазмотроны с фиксированной средней длиной дуги межэлектродной вставкой. 194
Плазмотрон с секционированной межэлектродной вставкой ЭДП-119. 195
Плазмотрон ГНП-1,5 с секционированной межэлектродной вставкой. 195
Плазмотрон НР-05 мощностью до 5000 кВт 198
Плазмотрон ГН1Ы0 большой мощности. 198
Плазмотрон ЭДП-185 А для нагрева водорода при повышенных давлениях. 202
4.3. Унифицированный плазмотрон ПУН-3 для напыления.203
4.4. Плазмотрон для нанесения и оплавления износостойких покрытий. 205
4.5. Плазмотехнологические реакторы. 208
Выводы по главе 4. 213
Глава 5. Плазмохимическая переработка углеводородного сырья, органических отходов химических производств и угля. 214
5.1. Реактор для пиролиза и переработки отходов химических производств на основе линейного плазмотрона. 214
5.2. Переработка органических и хлорорганических отходов химических производств. 217
5.3. Плазмохимические методы получения ацетилена и этилена из нефтепродуктов. 220
5.4. Синтез химических продуктов из природного газа. 224 5.5.11роизводство ацетилена из угля. ■ 228
5.6. Плазмотермический метод производства синтез-газа из угля. 235
5.6.1. Плазменная газификация углей. 238
5.6.2. Плазмотермический реактор в составе энерготехнологических комплексов. 242
5.6.3. Использование синтез-газа в металлургии и химических производствах. 247
5.7. Разработка и исследования систем плазменного воспламенения пылеугольного топлива в теплофикационных котлах.249
5.8. Плазменное воспламенение водоугольного топлива. 260 Выводы по главе 5. 266
Заключение. 267
Выводы. 268
Список литературы. 271
При ложепие. Программный комплекс для компьютерного
проектирования плазмотронов линейной схемы. 293
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Под словом «плазмотрон» по установившейся терминологии понимается аппарат, предназначенный для производства низкотемпературной плазмы, т.е. газа, нагретого до температуры от 3 до 50 тысяч градусов. В настоящее время наиболее распространенным способом получения низкотемпературной плазмы стал нагрев газа с помощью электрической дуги, в которой электрическая энергия преобразуется в тепловую за счет джоулева тепловыделения.
Повышенное внимание к электродуговым генераторам возникло в середине 50х годов в связи с необходимостью нагрева газов в аэродинамических трубах при моделировании полетов летательных аппаратов с гиперзвуковыми скоростями и изучением условий входа космических аппаратов в атмосферу Земли и других планет.
В 60е годы с нарастающим темпом центр тяжести технических приложений плазмотронов переносится в химическую, металлургическую и иные традиционные и новые отрасли промышленности. Низкотемпературная плазма с такими ее свойствами как большая концентрация энергии в малом объеме, высокие температуры и скорости протекания химических реакций привлекает к себе внимание главным образом возможностью создания совершенно новых высокопроизводительных аппаратов и технологий. Плазменная технология обеспечивает реальную возможность осуществления процессов с замкнутыми циклами, что создает предпосылки решения глобальной проблемы - снижения уровня загрязненности окружающей среды.
Дальнейшее расширение использования в промышленности плазменных технологий будет связано с улучшением всех характеристик плазмотронов и электродуговых реакторов: повышением ресурса работы электродов (наиболее теплонапряженных элементов плазмотрона) на один - два порядка, т.е. увеличением срока непрерывной работы плазмотрона до многих сотен, а то и тысяч часов; увеличением теплового КПД; использованием рабочих газов разнообразного химического состава, учитывающих специфику технологического процесса и обеспечивающих максимальное извлечение целевого продукта.
К настоящему времени разработано большое количество конструкций как электродуговых подогревателей, гак и плазмотронов, использующих ВЧ, СВЧ, лазерные и другие системы нагрева газа. Ниже будет дано описание только электродуговых плазмотронов постоянного тока линейной схемы, широко используемых в различных областях науки, техники и технологии.
5
Плазмотрон с межэлектродной вставкой оказался также удобным инструментом для физических исследований электрической дуги. На основании этой схемы можно разрабатывать и высокоэффективные элек-тродуговые нагреватели технологического назначения, удовлетворяющие требованиям промышленного применения.
Актуальность проблемы. В связи с разработкой в различных отраслях промышленности новых технологических процессов, производства новых материалов все большее распространение в мире приобретают плазменно-технологические процессы, в которых в качестве теплоносителя и (или) одного из реагентов используется термическая плазма различных газов, таких как воздух, азот, кислород, аргон, водород, водяной пар, природный газ и многие другие (от одно- до многоатомных). В химической промышленности очень перспективным представляется использование высокотемпературных процессов для переработки угля и углеродсодержащих материалов, в том числе нефтяных фракций и сложных органических соединений с целью вовлечения в технологический процесс материалов, традиционно являвшихся отходами производства. В энергетике актуальными становятся плазмохимическая переработка угля в экологически чистые виды топлива, плазменный розжиг и стабилизация горения углей и других видов органических топлив. 11с менее острая необходимость в разработке плазменных процессов и технологий стоит в металлургии, металлообработке, машиностроении.
Источником тепловой энергии для плазменно-технологических процессов является: электродуговой нагреватель газа - плазмотрон, характеристики которого определяются потребностями технологического процесса. Плазмотрон должен обеспечить нагрев определенного газа или смеси газов до заданной температуры при заданных давлении и массовом расходе с высокой производительностью результатов, надежностью и требуемой продолжительностью работы. Разработка физических основ создания электродуговых нагревателей газа и плазмохимического оборудования на их базе представляется в связи со сказанным выше актуальной задачей.
Работы по теме диссертации выполнялись в соответствии с планами научно-исследовательских работ ИТ СО РАН «Тепло- и электрофизические процессы в электродуговых генераторах низкотемпературной плазмы», «Тепловые и электрические процессы в газоразрядной плазме» (регистрационные номера по постановлениям ГКНТ при СМ СССР 760194506 76019465, 81030080), с государственными научно-техническими программами: Энергия (ОЦ.008 ГКНТ, АН СССР), Си-
6
бирь (ГКНТ, АН СССР), межинститутскими интеграционными программами СО РАН (1998 - 2000гг), ИТПМ СО РАН (1998 - 2000гг), в рамках научной школы академика М.Ф. Жукова 96-15-98285 «Исследование комплекса электрофизических, теплофизических и аэродинамических процессов на поверхности и внутри металла электродов, влияющих на скорость их эрозии и ресурс плазмотрона» (ИТПМ СО РАН).
Цель работы: разработка научно-технических основ создания высокоэффективных электродуговых нагревателей газа - плазмотронов различного назначения и плазмохимического оборудования на их базе для реализации новых высокотемпературных технологических процессов.
Для разработки высокоэффективных электродуговых нагревателей газа технологического назначения с достаточным ресурсом работы, высокой воспроизводимостью результатов, надежностью, необходимо проведение комплексных исследований, включающих три основных направления:
а) исследование газодинамики потока в разрядной камере плазмотрона, в т.ч. его средних и пульсационных характеристик, взаимодействия турбулентного потока газа с дугой, влияния внешних и внутренних факторов на характеристики дуги в потоке газа;
б) исследование энергетических характеристик дуги для разработки инженерных методов расчета электрических характеристик и получения максимального энерговклада в дугу, исследование методов воздействия на энергетические характеристики;
в) исследование теплообмена между дугой, газом и стенкой разрядной камеры, тепловой защиты стенок от воздействия высокотемпературного потока газа, повышение эффективности нагрева газа, разработка методов расчета теплообмена в разрядном канале.
Методика исследований и достоверность результатов. Использовались традиционные и оригинальные методы исследования и выявления закономерностей взаимодействия электрической дуги с потоком газа и стенками разрядной камеры плазмотрона, развитые и апробированные как в ИТПМ СО РАН, так и во многих отечественных и зарубежных учреждениях, занимающихся разработкой и исследованиями генераторов термической плазмы.
В экспериментальных исследованиях использованы термоанемометрия, высокоскоростная фотография, зондовые методы для исследования электрических, газодинамических и тепловых характеристик га-
7
зоразрядной плазмы, калориметрические и другие методы исследования теплообмена.
Достоверность результатов обеспечивается тем, что в диссертационной работе тщательно исследовались методики измерений, проводилось сравнение данных, полученных независимыми методами, а также сопоставление с данными других авторов, полученными экспериментально или аналитически. .
При анализе экспериментального материала использованы методы теории подобия, разработанные применительно к исследованиям газодинамики и теплообмена в генераторах термической плазмы. С участием автора разработаны методы инженерного расчета различных схем электродуговых нагревателей газа, внесены дополнения в аналитическую модель электрической дуги в турбулентном потоке газа.
Научная Iювизна результатов исследований.
- Развита модель взаимодействия электрической дуги с турбулентным потоком газа в длинном цилиндрическом канале.
- Исследованы и сравнены средние и пульсационные характеристики потока газа с горящей в нем дугой и без дуги. Впервые получено распределение степени турбулентности потока с дугой вдоль оси канала на переходном и развитом турбулентном участках течения. Показано преобладающее влияние пристенной турбулентности потока на этих участках.
- Предложен метод эффективного газодинамического воздействия на энергетические характеристики дуги.
- Выведена формула для расчета напряженности электрического поля дуги в развитом турбулентном потоке воздуха и азота. Впервые предложены методики расчета вольт-амперной характеристики дуги с длиной, большей, чем самоустанавли-вающаяся, с расчетными формулами для воздуха, азота и водорода.
- Предложены формулы для расчета лучистых тепловых потоков в стенку разрядной камеры в широком диапазоне изменения рабочих параметров. Показано, что конвективный тепловой поток рассчитывается по формулам, полученным при невысоких температурах, если расчет вести через энтальпию газа.
- Впервые получены формулы для определения эффективности газовой завесы стенок разрядной камеры в плазмотронах с секционированной межэлектродной вставкой.
- Проведены исследования энергетических и газодинамических характеристик дуги в проницаемом (пористом) канале с устранением приэлектродных эффектов. Показано, что предложенная в работе модель взаимодействия дуги с потоком газа справедлива и в случае интенсивного вдува через пористую стенку. Определены характерные масштабы и частоты турбулентных пульсаций потока с дугой на основных участках течения газа. Исследован теплообмен на пористой вставке и эффективность газовой завесы за ней при различных интенсивностях вдува газа в разрядный канал. Диапазон применения расчетных формул расширен от умеренных температур ( 1000 К) до 5 - б тысяч К.
- Предложен новый метод .измерения распределения тока вдоль цилиндрического электрода. Результаты исследований позволили оптимизировать размеры электрода.
- Впервые разработана компьютерная программа инженерного расчета линейных плазмотронов трех основных схем для дуги в воздухе и азоте. Аналогичная методика разработана для водородных плазмотронов.
На защиту выносятся:
1. Уточненная модель взаимодействия электрической дуги с турбулентным потоком газа в длинном цилиндрическом канале.
2. Результаты исследования степени турбулентности, средних и пульсационных характеристик потока газа с дугой и без дуги, показывающие преобладающие влияние пристенной турбулентности потока.
3. Метод газодинамического воздействия на энергетические характеристики дуги, позволяющий значительно увеличить энерговклад в дугу.
4. Методику расчета Ьт - I - характеристик дуги в турбулентном потоке газа и формулы для расчета напряженности электрического поля дуги и длин характерных участков дуги в азоте, воздухе и водороде.
5. Результаты исследований энергетических и газодинамических характеристик дуги в проницаемом (пористом) и комбинированном каналах.
6. Результаты исследований теплообмена в разрядной камере плазмотрона с межэлектродной вставкой, в том числе форму-
9
лы для расчета лучистых и конвективных тепловых потоков в стенку.
7. Формулы для расчета эффективности газовой завесы стенок разрядной камеры от воздействия высокотемпературного потока газа и методы оптимизации завесы.
8. Результаты исследования теплообмена в пористом канале, формулы для расчета теплообмена и газовой завесы за пористым участком, расширяющие диапазон применения методов расчета от умеренных температур до 5 - 6 тысяч К.
9. Результаты исследования распределения тока и тепловых потерь в выходном электроде плазмотрона с МЭВ и методы их измерений.
10.Инженерная методика расчета плазмотронов с МЭВ.
11 .Плазмотроны для на1рева водорода и водородсодержащих газов, разработанные для технологических целей, и плазмотроны для нанесения и обработки покрытий разного назначения.
12.Универсальный плазмохимический модуль, разработанный с участием автора, для переработки отходов органических и хлорорганических производств, получения ацетилена из органических продуктов (природный газ, нефтепродукты, уголь).
13.Предложения по применению плазменного оборудования в установках нового поколения для плазмотермической газификации углей.
14.Разработки оборудования для систем плазменного воспламенения, применяемых при розжиге и стабилизации горения пылеугольного и водоугольного топлива.
Практическая ценность работы и реализация ее результатов.
1. Выполнен комплекс научно-исследовательских работ, посвященных исследованиям электрической дуги в турбулентном потоке различных газов. Обработка экспериментальных данных позволила разработать инженерные методы расчета электрических и тепловых характеристик дуги в длинном цилинд-
. рическом канале.
2. Разработаны методы эффективного воздействия на энергетические характеристики дуги с помощью интенсивного встречного вдува части рабочего газа через одну из межсекционных щелей в канале плазмотрона с МЭВ.
3. Исследована эффективность газовой завесы стенок разрядной камеры посредством вдува части рабочего газа через межсек-
ю
ционные щели, что позволило значительно повысить тепловой КПД плазмотронов с МЭВ.
4. На основании проведенных автором исследований разработаны высокоэффективные электродуговые нагреватели воздуха, азота, водорода технологического назначения. Диапазон их мощностей составляет от нескольких кВт до 10 МВт. Некоторые из этих плазмотронов выпускались серийно (ПУН-3, ГНП-0,75, ГНП-1,5).
5. С участием автора разработаны серийно выпускаемые плазмохимические модули ПХМ-375 и ПХМ-750, производительностью 375 и 750 кг/час перерабатываемого сырья соответственно. Модули использовались для переработки органических и хлорорганических отходов химических производств, углеродсодержащего сырья (природный газ, нефтяные фракции, уголь) с получением ацетилена, этилена, синтез-газа и других исходных продуктов для органического синтеза. Был построен и работает цех по плазмохимической переработке отходов производства хлорорганических продуктов на ПО «Каустик» (г. Стерлитамак, Башкортостан). Ведутся работы на опытно-промышленных установках плазмохимического пиролиза на ПО «Тасма», «Казаньоргсинтез» (г. Казань, Татарстан).
6. В рамках проекта «Экологически чистая тепловая станция» с участием автора разработан проект, проведены техникоэкономические оценки, выданы рекомендации на разработку и строительство плазмотермических газификаторов угля в составе энерготехнологических комплексов, металлургических заводов, установок по производству искусственного жидкого топлива.
7. Под руководством и при непосредственном участии автора ведутся работы по оснащению теплофикационных котлов производственно-отопительных котельных Таштагольского рудника (Кемеровская обл.) и Бердского завода биомедпрепа-ратов (Новосибирская обл.) системами плазменного воспламенения угля для замены систем мазутной подсветки.
Личный вклад автора
Основной объем экспериментальных исследований электрической дуги в турбулентном потоке газа выполнен лично автором или в составе научно-исследовательской группы под его руководством.
Обработка экспериментальных результатов, разработка методов расчета электрофизических характеристик дуги, теплообмена в элек-
]]
троразрядной камере также проводились лично или под руководством автора. Под его руководством разработана компьютерная программа расчетов плазмотронов линейной схемы. Постановка задач, обсуждение и выбор методик исследований проводились при непосредственном участии его научного руководителя и консультанта академика РАН Жукова М.Ф.
Автор принимал прямое участие в разработке, исследованиях и практической реализации описанных в работе технологических электроду говых нагревателей газа и плазмохимических модулей. Основными соавторами работ И.М. Засыпкина являются: академик РАИ Жуков М.Ф.,
д.т.н. Тимошевский А.П., зав. лаб. № 16 ИТПМ СО РАН,
д.т.н. Сазонов М.И. (г. Брест),
д.т.н. Ноздренко Г.В. (НГТУ - НЭТИ)
д.т.н. Мурко В.И. (ГНПП «Экотехника», г. Новокузнецк),
Мишне И.И. (Израиль).
Текст диссертации и автореферата обсужден и согласован с большинством из них.
Апробация работы: Результаты исследований по теме диссертации обсуждались на V-XI конференциях по генераторам низкотемпературной плазмы (1972 - 1989гг), Международных конференциях по ионизованным газам (XII - Эйндховен, 1975г, XIII - Берлин, 1977г), Международном совещании по применению плазменных струй в производстве новых материалов (Фрунзе, l990r),VIIl Всемирной конференции по водородной энергетике (Гонолулу, 1990г), VIII Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазмы (Минск, 1991 г), Международных и региональных семинарах «Новые технологии и научные разработки в энергетике» (Новосибирск, 1994; Гусиноозерск, 1994, 1995), 3 Международном рабочем совещании «Генераторы термической плазмы и технологии» (Новосибирск, 1997г), Международном научно-техническом семинаре «Нетрадиционные технологии в строительстве» (Томск, 1999г), II Международном симпозиуме по технологии чистых углей (Некин, 1999г), Международной научной конференции ЮННСКО «Химия угля на рубеже тысячелетий» (Клязьма, 2000г), докладывались на научных конкурсах, конференциях, семинарах ИТ и ИТПМ СО РАН и других организаций. Плазменное оборудование, разработанное с участием автора, экспонировалось на осенней. Лейпцигской ярмарке (ГДР, 1985г), на Международных выставках в Будапеште, Берлине, Москве, Новосибирске, Кемерово, на выставке «Новые мате-
12
риалы и технологии» (Новосибирск, Барнаул, 1985 - 1986гг), на выставке-ярмарке «Экспоград» (Кемерово, 1998 - 2000гг), и др.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 65 научных работ, включая 5 монографий, 2 авторских свидетельства и 2 патента РФ на изобретения.
Структура и объем диссертации: диссертация изложена на 299 страницах, включая 129 рисунков, 16.таблиц и состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка литературы из 268 наименований, приложения.
13
ВВЕДЕНИЕ
Электродуговые нагреватели газа - аппараты, в которых электрическая энергия преобразуется в тепловую путем выделения джоулева тепла в дуговом разряде. Нагрев газа в них происходит в основном благодаря теплопроводности и конвективному теплообмену между дугой и газовым потоком.
Интерес к использованию электрической дуги обусловлен [1 - 3]:
- большой концентрацией энергии в малом объеме плазмы;
- высокой скоростью протекания химических реакций, что позволяет создавать высокопроизводительные аппараты - реакторы;
- возможностью стационарного нагрева газа до среднемассовых температур порядка 15 ' 103 К при давлении до 20 МПа;
- большой эффективностью преобразования электрической энергии в тепловую при достаточной простоте аппаратурного оформления;
- надежностью и устойчивостью работы установки;
- возможностью нагрева практически любых газов - восстановительных, окислительных, инертных и их смесей;
- простотой автоматизации управления режимом работы электрической дуги;
- малогабаритностью и небольшой металлоемкостью плазменной техники.
Впервые электрическая дуга была получена, описана и исследована в 1802 году профессором Петербургской медико-хирургической академии В.В. Петровым, которому удалось построить электрическую батарею с напряжением до 1700 В. Публикации результатов В.В. Петрова в 1803 году на русском языке остались незамеченными в Европе и в 1808 году электрическая дуга была как бы открыта заново Дэви и Риттером.
Практическое применение дуги как источника света и тепла началось через несколько десятков лет, и лишь к началу XX века в промышленности появились аппараты, в которых применялась электрическая дуга. Одно из первых упоминаний использования электрической дуги для плавки и испарения твердых материалов в плавильной печи относится к 1897 году (Муассон). А в начале XX века появились первые электродуговые плазмотроны, используемые, в частности, для окисления атмосферного азота в производстве азотной кислоты, и со-
14
держащие основные элементы, присущие и современным электродуго-вым нагревателям газа. В плазмотронах, построенных по схемам Бирке л ян да и Эйде (1904 год), Паулинга и Зиберта, горела электрическая дуга переменного тока с магнитной стабилизацией, а в аппаратах Шенхера (1909 год) стабилизированная вихрем дуга длиной 6 метров вертикальной трубе диаметром с1 = 15 см, продуваемой воздухом, при напряжении I) = 4000 В и силе тока около 100 Л.
В 30-х годах в Германии был применен в производстве способ получения ацетилена из природного газа с помощью электрической дуги. Электрическая дуга постоянного тока длиной более 1 м, стабилизированная закрученным потоком газа, горела при напряжении 7000 В и силе тока до 1000 Д. В настоящее время этот способ используется в ряде стран.
Повышенное внимание к электродуговым генераторам возникло примерно в конце 50-х годов в связи с необходимостью нагрева газов в аэродинамических трубах, при моделировании полетов летательных аппаратов с гиперзвуковыми скоростями и изучением условий выхода космических аппаратов, в атмосферу Земли и других планет.
В 60-е годы с нарастающим темпом центр тяжести технических приложений плазмотронов переносится в химическую, металлургическую и иные традиционные и новые отрасли промышленности. Низкотемпературная плазма с такими ее свойствами, как большая концентрация энергии в малом объеме, высокие температуры и скорости протекания химических реакций привлекает к себе внимание, главным образом, возможностью создания совершенно новых высокопроизводительных аппаратов и технологий.
Уже сегодня можно с полным основанием говорить о низкотемпературной плазме как о важном элементе новых промышленных технологий, позволяющих осуществлять процессы с небывало большими скоростями, не протекающими в обычных условиях.
В плазменной технике и технологии теснейшим образом переплетаются интересы фундаментальной и прикладной наук с производством. Использование низкотемпературной плазмы становится характерным явлением для современного производства, а плазмотроны - мощным орудием в ряде отраслей промышленности.
Плазменная технология обеспечивает реальную возможность осуществления процессов с замкнутыми циклами, что создает предпосылки решения глобальной проблемы - снижении уровня загрязненности окружающей среды.
15
Нельзя обойти молчанием применение плазмотронов в плазменном напылении - новой, бурно развивающейся отрасли промышленности. Дальнейшее расширение использования в промышленности плазменных технологий будет связано с улучшением всех характеристик плазмотронов и электродуговых реакторов; повышением ресурса работы электродов (наиболее теплонапряженных элементов плазмотрона) на один-два порядка, т.е. увеличением срока непрерывной работы плазмотрона до многих сотен, а то и тысяч часов; увеличением теплового КПД; использованием рабочих газов разнообразного химического состава, учитывающих специфику технологического процесса и обеспечивающих максимальное извлечение целевого продукта.
I. ЭЛЕКТРОДУГОВЫЕ НАГРЕВАТЕЛИ ГАЗА - ПЛАЗМОТРОНЫ
Как уже отмечалось, исследования электрической дуги ведутся около двух веков, первые электродуговые нагреватели газа появились в начале XX столетия. Эти устройства включали в себя основные элементы, характерные и для современных плазменных систем: электроды (два или несколько), между которыми горит электрическая дуга, камеру, ограничивающую поток газа, и узел ввода рабочего газа [2, 3]. Долгое время основной причиной, сдерживающей распространение плазмотронов, были невысокая продолжительность их работы, плохая воспроизводимость режимов, недостаточная надежность оборудования, в том числе источников электропитания. В дальнейшем некоторые из этих проблем были решены, в частности созданы надежные источники электропитания как переменного, так и постоянного тока.
Интерес к плазменной технике, возникший в связи с возможностью ее применения в высокотемпературных технологических процессах, требовал расширения физических исследований электрической дуги, разработки аналитических и инженерных методов ее расчета, оптимизации процессов в электродуговых нагревателях газа. Если к началу 70х годов в качестве настольной книги специалистов в области плазменной техники можно был назвать лишь монографию В. Финкельнбурга и Г. Меккера [4], то за последующее десятилетие появилось множество работ по этой тематике. Среди них необходимо отметить монофафии [2, 3, 5 - 12], посвященные исследованиям электрической дуги и процессов в электродуговых нагревателях газа, разработке и конструированию плазмотронов различного назначения. Особенно нужно выделить трехтомник [13], вышедший в 1977г, в котором собраны воедино последние результаты, полученные ведущими специалистами-
16
плазменщиками многих стран мира, намечены проблемы и пути их решения на многие десятилетия вперед.
К настоящему времени разработано большое количество конструкций как электродуговых подогревателей, так и плазмотронов, использующих ВЧ, СВЧ, лазерные и другие системы нагрева газа. Разнообразие схем определяется технологическим назначением. Диапазон их мощности колеблется от сотен ватт до многих тысяч киловатт.
Ниже будет дано описание только электродуговых плазмотронов, широко используемых в различных областях науки, техники и технологии.
Несмотря на внешнюю простоту конструкции плазмотрона, в нем протекают сложные физические процессы электромагнитной, тепловой и аэродинамической природы; физические процессы в приэлектродных областях дугового разряда, на поверхности электрода и внутри кристаллической решетки металла, из которого он изготовлен. Чтобы понять эти процессы, потребовались систематические экспериментальные исследования большого комплекса явлений в электроразрядной камере, определяющих электрические, тепловые и эрозионные характеристики плазмотрона [2].
Многообразие и сложность процессов в самой электрической дуге, при взаимодействии ее опорных пятен со стенками канала, с собственным и внешним магнитными полями сдерживают теоретические исследования поведения дуги в плазмотронах постоянного и переменного тока разных схем. Этим и объясняется большое внимание к эксперименту.
Эксперимент позволил получить достаточно полное представление о наиболее существенных физических процессах в разрядной камере, энергетических характеристиках дуги в разных газах, теплообмене между дугой, горячим газом и стенкой, а также о методах защиты стенки от больших тепловых потоков.
Многообразие конструктивных решений плазмотронов вызвано различными областями их применения и используемыми источниками электропитания, однако в основе их лежит ограниченное число принципиальных схем, отличающихся друг от друга главным образом способами стабилизации разряда. Если оставить в стороне плазмотроны коаксиального типа и некоторые схемы плазмотронов переменного тока, рассмотренные в работах [2, 14), то останется наиболее распространенный класс плазмотронов - плазмотроны линейной схемы. В плазмотронах линейной схемы электроды (стержневые, трубчатые, цилиндрические и др.) расположены на одной линии, направленной вдоль тече-
17
ния потока газа. Простейшая схема такого плазмотрона приведена на рис.0.1. Электроразрядная камера плазмотрона образована внутренним (торцевым) электродом У, цилиндрическим выходным электродом 2 и находящимся между ними изолятором 3, являющимся одновременно устройством для ввода рабочего газа. Электрическая дуга 4 зажигается между внутренним и выходным электродами. Рабочий газ подается в канал с расходом О через устройство ввода в электроизоляторе 3 радиально или через тангенциально направленные отверстия с окружной составляющей скорости. Под действием осевой составляющей скорости потока газа замыкающий (радиальный) участок дуги перемещается по каналу. При этом увеличивается длина дуги и напряжение на ней. Такое увеличение длины дуги и напряжения ограничивается процессом шунтирования, т.е. электрическим пробоем между дугой и стенкой электрода (подробно данное явление рассматривается в гл. 2). В результате устанавливается некоторая средняя длина дуги, называемая самоустанавливающейся длиной дуги. Она зависит также от силы тока, диаметра разрядной каперы, рода газа и его давления, геометрии канала и иных факторов.
Часть рабочего газа, вдуваемого между электродами, проникает в столб дуги (на рис.0.1 - (7/) и приобретает за счет джоулева тепловыделения температуру, равную температуре дуги в этих условиях. Остальной газ С_> движется по каналу между дугой и стенкой, вернее, между тепловым пограничным слоем небольшой толщины, образующимся вдоль электропроводной части дуги, и стенкой электроразрядной камеры. Этот газ нагревается слабо, так как нет конвективного теплообмена между дугой и основным потоком газа. Тепловой пограничный слой "блокирует" теплообмен. Взаимодействие дуги с потоком начинается в зоне шунтирования, т.е. в зоне смыкания теплового и пограничного пристенного слоев, в которой происходит интенсивное смешение холодного и высокотемпературного потоков. На выходе из плазмотрона формируется поток плазмы с высокотемпературным ядром и быстро спадающим к периферии профилем температуры.
В силу своей простоты плазмотроны с самоустанавливающейся длиной дуги получили большое распространение. Некоторые схемы плазмотронов Этог о типа приведены на рис. 0.2.
Рис. 0.1. Схема линейного однокамерного плазмотрона с самоуста-навливающейся длиной дуги
£
'///Уу ////У/А
УУ///////У//УЛ
\ \
*/
N° ууУ / / У/УУ'УТУ'У777У\ 777////// //У //а
Рис. 0.2. Некоторые схемы плазмотронов с самоустанавливающейся длиной дуги. и - однокамерный с внутренним плоским торцевым электродом; б -двухкамерный с внутренним плоским торцевым электродом; в -однокамерный со стаканообразным внутренним электродом; г - двухкамерный с цилиндрическим трубчатым внутренним электродом.
19
Рис. 0.3. Вольт-амперные характеристики дуги трех принципиальных схем плазмотронов
20
Вольт-ампериая характеристика дуги, как уже отмечалось, является важнейшей энергетической характеристикой плазмотрона. Для дуги с самоустанавливающейся длиной она падающая (кривая /, рис. 0.3), поскольку с увеличением тока сокращается длина дуги, а следовательно, снижается и напряжение на дуге. Падающая вольт-амперная характеристика создает определенные трудности в согласовании дуги с источником электропитания. Так, в случае нерегулируемых источников тока с жесткой характеристикой для стабильности горения дуги в цепь необходимо включить балластный реостат, что снижает электрический КПД плазменной системы. Еще один недостаток данной схемы плазмотрона - высокий уровень пульсаций напряжения на дуге, особенно при малых токах, обусловленный крупномасштабным шунтированием.
Устранить указанные недостатки можно, зафиксировав каким-либо образом среднюю длину дуги в некотором диапазоне изменения силы тока. В цилиндрическом канале этого можно достичь, например, внезапным расширением канала с диаметра с12 ДО с12 > <12 в конце цилиндрического электрода, т.е. созданием уступа. Вольт-амперная характеристика дуги в таком случае лежит ниже, чем у дуги с самоустанавливающейся длиной и имеет (/-образную форму (кривая 2, рис.0.3). Естественно, что при превышении определенного значения тока бихарактеристика переходит (сливается) в характеристику дуги с самоустанавливающейся длиной в канале с диаметром с1 = с12. Радиальный участок дуги втягивается в канал диаметром с12.
Из большого разнообразия способов фиксации средней длины дуги в цилиндрическом канале на рис.0.4 показаны только два. Схема а соответствует фиксации длины дуги прямым уступом, б - с прямым уступом и последующим небольшим сужением сечения канала. Во всех случаях характеристики (вольт-амперные, тепловые) дуги с са.моуста-навливающейся длиной являются верхним пределом для характеристик дуги в плазмотронах этой схемы.
Плазмотроны с фиксацией длины дуги прямым уступом также распространены в настоящее время, поскольку они просты, надежны в эксплуатации и лишены многих недостатков, присущих плазмотронам с самоустанавливающейся длиной дуги.
21
Рис.0.4. Схемы плазмотронов с фиксированной средней длиной дуги, меньшей, чем самоустанавливающаяся. а - выходной электрод с прямым уступом; б - выходной электрод с прямым уступом и последующим небольшим сужением сечения канала
о б
Рис.0.5. Схемы плазмотронов с длиной дуги, большей, чем самоустанавливающаяся. а - межэлектродная вставка (МЭВ) выполнена из электроизоляционного термостойкого материала, б - МЭВ набрана из металлических цилиндрических секций, электроизолированных друг от друга и от электродов; в - МЭВ аналогична схеме б с распределенной подачей газа в межсекционные промежутки; г - МЭВ изготовлена из пористого материала, через который продувается газ.
/ - внутренний электрод; 2 - выходной электрод; 3 - секция МЭВ;
4 - пористая вставка
22
В плазмотроне с длиной дуги, меньшей самоустанавливающейся, невозможно получить плазменные струи с температурой выше, чем в канале с самоустанавливающейся длиной дуги. Высокоэнтальпийные потоки плазмы возможны лишь в случае, когда напряжение на дуге заметно превышает напряжение дуги с самоустанавливающейся длиной при тех же значениях тока и других параметров. Подобное достигается, если между электродами разместить изолирующую межэлектродную вставку, не позволяющую дуге сокращать длину с увеличением тока (рис. 0.5). Это может быть цилиндрическая вставка из изолирующего материала (а), цилиндрическая вставка из металлических шайб - секций, изолированных друг от друга и электродов (б), та же вставка с распределенным по межсекционным щелям вдувом газа (в), межэлек-тродная вставка из пористых материалов с продувом через нее части рабочего газа (г) и т.д. Вольт-амперная характеристика дуги в плазмотронах этого типа (кривая 3, рис. 0.3) лежит выше характеристики дуги двух предыдущих схем. Она может быть возрастающей, жесткой либо слабопадающей в широком диапазоне токов.
Если сравнить мощности, выделяемые на дуге в плазмотронах указанных схем, видно, что равные мощности получаются при разных силах тока (А > // > А, см. рис. 0.3). При этом каждая схема имеет преимущества в своем диапазоне параметров на плоскости и - /.
Из рис. 0.3 следует, что представленные три схемы плазмотронов охватывают всю плоскость Ц -/-характеристик, т.е. можно обеспечить любую требуемую вольт-амперную характеристику (ВАХ) дуги, выбрав плазмотрон одной из схем.
При описании плазмотронов линейных схем ничего не говорилось о роде рабочего тока. Приведенные на рис.0.3 характеристики присущи как плазмотронам постоянного тока, так и однофазным плазмотронам переменного тока промышленной частоты [2, 3]. Даже трехфазные плазмотроны переменного тока содержат основные элементы указанных схем [14].
Не выделялся особо и способ ввода в канал рабочего газа, поскольку указанные плазмотроны, как правило, могут работать не только при тангенциальном, но и при аксиальном вводе рабочего газа в разрядную
камеру, особенно если решен вопрос стабилизации опорных пятен дуги на оси внутреннего электрода.
Как будет ясно из последующих глав, знание фундаментальных физических процессов, происходящих в электроразрядной камере линейных плазмотронов постоянного и переменного тока, дало возможность предложить простую их классификацию. Особенности взаимодействия дуги и обдувающего ее потока газа определили среднюю длину дуги в качестве основного параметра классификации. Это позволило свести все многообразие принципиально различных по конструкции линейных плазмотронов к трем большим классам [1, 15, 23]:
1) плазмотроны с самоусганавливающейся длиной дуги;
2) плазмотроны с фиксированной длиной дуги, меньшей, чем само-устанавл и ваюшаяся;
3) плазмотроны с фиксированной длиной дуги, большей, чем само-устанавливающаяся.
Остальные схемы, в частности приобретающая все большее распространение в технологических процессах схема двухструйного плазмотрона, являются, по существу, вариациями указанных трех схем.
Плазмотроны первых двух схем достаточно хорошо исследованы и широко распространены [2, 3]. Существуют инженерные методы расчета их интсфальных характеристик, аналитические оценки по различным моделям также дают неплохие результаты. Связано это с тем, что электрическая дуга с самоусганавливающейся длиной, или дуга с фиксированной дугой, меньшей, чем самоустанавливающаяся, не имеют каких-либо особенностей в распределении своих характеристик вдоль электроразрядного канала, и допускают линейную аппроксимацию параметров. Инженерные расчеты характеристик дуг в этих плазмотронах, основанные на применении безразмерных критериальных комплексов, полученных методами теории подобия [16], получили широкое распространение после того, как были обоснованы в работах М.Ф. Жукова, С.С. Кутателадзе и их сотрудников [17, 19]. Иначе обстоит дело с расчетами плазмотронов с длиной дуги, большей, чем самоустанавливающаяся. Даже в середине 70* годов не существовало адекватной модели электрической дуги в длинном цилиндрическом канале. Так, приведенная в [2] теоретическая модель электрической дуги в турбулентном потоке газа противоречила приведенным в этой же книге экспериментальным данным для длинного цилиндрического канала.
24
Согласно этой модели, существовало две основных зоны горения дуги: начальный (квазиламинарный) участок, на котором электрическая дуга горит внутри теплового (высокотемпературного) слоя газа в условиях ламинарного течения, а нарастающий и очень тонкий турбулентный пограничный слой не влияет на ее характеристики, и установившийся, на котором горение дуги носит турбулентный характер, наблюдаются хаотические пульсации ее столба, а все выделяющееся в дуге тепло поглощается стенкой канала, т.е. локальный тепловой КПД этого участка равен нулю. Между ними расположены два переходных участка малой длины, на которых происходит проникновение турбулентных пульсаций пристенного пограничного слоя в тепловой слой дуги, начинаются хаотические колебания столба дуги под воздействием турбулентных пульсаций, и резко возрастают тепловые потери в стенку. Наличие переходных участков ограничивает длину самоуста-навливающейся дуги, т.к. прогрев газа у стенки и турбулентные пульсации дуги создают благоприятные условия для ее шунтирования на стенку. Эта модель была развита Б. А. Урюковым на основе экспериментальных данных, полученных в сравнительно коротких секционированных каналах, длинных сплошных каналах с применением зондо-вых методов измерения напряженности электрического поля дуги с са-моустанавливающейся длиной, фотографированием дуги в кварцевой трубке.
Однако уже в то время существовали экспериментальные данные [2, 3], которые показывали, что на самом деле поведение дуги в длинном канале имеет гораздо более сложный характер, что плазмотроны с длиной дуги, большей, чем самоустанавливающаяся, имеют более высокий тепловой КПД, развивают при той же силе тока большую мощность и нагревают газ до более высоких температур.
I Ьазмотрон с межэлектродной вставкой оказался также удобных инструментом для физических исследований электрической дуги. Начиная с первых разработок Г. Меккера (начало 30х годов), где исследовалась практически безрасходная дуга в секционированном канале, на этой схеме плазмотрона отрабатывались методы зондовых, оптических, калориметрических и других исследований. Можно упомянуть известные работы Кирштейна и Коппельмана, Эдельса и Кимблина, В.А. Батурина, A.C. Сахиева, Г.Ю. Даутова, Г.М. Мустафина, М.И. Сазонова, A.B. Пустогарова и многих других авторов. Библиография по этим исследованиям очень обширна и приводится по мере цитирования далее в тексте работы. В дальнейшем выяснилось, что на основании этой схемы можно разрабатывать и высокоэффективные электродуговые на-
25
греватели технологического назначения, удовлетворяющие требованиям промышленного применения. Отсюда постановка задачи данной работы.
2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
В связи с разработкой в различных отраслях промышленности новых технологических процессов, производства новых материалов, все большее распространение в мире приобретают плазменнотехнологические процессы, в которых в качестве теплоносителя и (или) одного из реагентов используется термическая плазма различных газов, таких как воздух, азот, кислород, аргон, водород, водяной пар, природный газ и многие другие (от одно- до многоатомных). В химической промышленности очень перспективным представляется использование высокотемпературных процессов для переработки угля и углеродсодержащих материалов, в том числе нефтяных фракций и сложных органических соединений с целью вовлечения в технологический процесс материалов, традиционно являвшихся отходами производства. В энергетике актуальными становятся плазмохимическая переработка угля в экологически чистые виды топлива, плазменный розжиг и стабилизация горения углей и других видов органических топлив. Не менее острая необходимость в разработке плазменных процессов и технологий стоит в металлург ии, металлообработке, машиностроении.
Источником тепловой энергии для плазменно-технологических процессов является электродуговой нагреватель газа - плазмотрон, характеристики которого определяются потребностями технологического процесса. Плазмотрон должен обеспечить нагрев определенного газа или смеси газов до заданной температуры при заданных давлении и массовом расходе с высокой производительностью результатов, надежностью и требуемой продолжительностью работы. Разработка физических основ создания электродуговых нагревателей газа и плазмохимического оборудования на их базе представляется в связи со сказанным выше актуальной задачей.
Цель работы: разработка научно-технических основ создания высокоэффективных электродуговых нагревателей газа - плазмотронов различного назначения и плазмохимического оборудования на их базе для реализации новых высокотемпературных технологических процессов.
Для разработки высокоэффективных электродуговых нагревателей газа технологического назначения с достаточным ресурсом работы,
26
высокой воспроизводимостью результатов, надежностью, необходимо проведение комплексных исследований, включающих три основных направления:
а) исследование газодинамики потока в разрядной камере плаз-мотрона, в т.ч. его средних и пульсационных характеристик, взаимодействия турбулентного потока газа с дугой, влияния внешних и внутренних факторов на характеристики дуги в потоке газа;
б) исследование энергетических характеристик дуги для разработки инженерных методов расчета электрических характеристик и получения максимального энерговклада в дугу, исследование методов воздействия на энергетические характеристики;
в) исследование теплообмена между дугой, газом и стенкой разрядной камеры, тепловой защиты стенок от воздействия высокотемпературного потока газа, повышение эффективности нагрева газа, разработка методов расчета теплообмена в разрядном канале.
В диссертационной работе представлены результаты исследований различных типов электродуговых плазмотронов линейной схемы для нагрева разнообразных рабочих газов в диапазоне мощностей от нескольких киловатт до 10 МВт, плазмохимических реакторов и разработки на их основе технологических процессов переработки отходов химических и нефтехимических производств, угля и углеродсодержащих соединений с получением синтез-газа, непредельных углеводородов и других промежуточных продуктов органического синтеза. Предложены технологические процессы и оборудование для розжига и стабилизации горения пылеугольного и водоугольного топлива, нанесения и обработки различных типов покрытий на металлические изделия.
27
ГЛАВА I
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В РАЗРЯДНОЙ КАМЕРЕ ПЛАЗМОТРОНА
1Л. ОСОБЕННОСТИ ТЕЧЕНИЯ ХОЛОДНОГО ГАЗА В ДЛИННОМ ЦИЛИНДРИЧЕСКОМ КАНАЛЕ
Прежде чем изучать особенности горения электрической дуги в длинном цилиндрическом канале плазмотрона, рассмотрим течение холодного газа в нем. Наибольший интерес представляет распределение степени турбулентности потока вдоль оси канала как в случае гладких стенок, так и со щелями, имитирующими межсекционные промежутки в плазмотроне с межэлектродными вставками (МЭВ); важно также знать распределение средней осевой скорости.
Турбулентное движение характеризуется интенсивностью движения; мерой относительной интенсивности (степенью турбулентности) является интенсивность турбулентных пульсаций:
Здесь //'2, у'2, w'2 — средние во времени квадраты турбулентных пульсаций компонент скорости в направлении осей координат; и — осредненная во времени скорость газа в данной точке.
Пульсационное движение может быть описано достаточно точно посредством некоторых осредненных значений. Таковыми являются степень турбулентности в и характерный масштаб L (компоненты турбулентности). Если L мала по сравнению с размерами тела, то для описания пульсацион-ного движения потока достаточно знать только степень турбулентности е. В электродуговой камере на начальном ее участке характерный линейный масштаб компоненты турбулентности (его диаметр) соизмерим с характерным размером камеры — диаметром ее канала, но существенно больше диаметра дуги. На турбулентном участке канала L, по-видимому, соизмерима с характерным размером дуги. В силу сложности определения L, особенно при горении электрической дуги, ограничимся пока выяснением распределения величины в вдоль оси канала.
В качестве объекта исследования выбрана модель плазмотрона линейной схемы с вихревой стабилизацией дуги (рис. 1.1) внутренний диаметр канала d - 10 ' 10‘3 м, относительная длина МЭВ а = a/d = 32-^55; в процессе эксперимента в межсекционные зазоры подавался воздух. При имитации плазмотрона с самоустанавливающейся длиной дуги секционированная вставка заменялась гладкой трубой длиной / = \/d = 72. При
28
- Київ+380960830922