Исследование и разработка плазмотронов переменного тока для работы на инертных и окислительных газах

СОДЕРЖАНИЕ
Содержание................................................................2
Перечень условных обозначений и сокращений................................7
Введение..................................................................9
Актуальность темы.......................................................9
Цели работы и задачи исследований......................................11
Научная новизна........................................................12
Практическая ценность..................................................14
Личный вклад автора....................................................14
Апробация работы.......................................................15
Публикации............................................................23
Структура и содержание работы..........................................23
Глава I. Обзор и классификация конструкций мощных плазмотронов
постоянного и переменного тока...........................................24
1.1. Область применения................................................24
1.2. Классификационные признаки конструкций плазмотронов...............28
1.3. Плазмотроны постоянного тока......................................29
1.3.1. Плазмотроны со стабилизацией дугового разряда стенкой электроразрядной камеры........................................29
1.3.2. Плазмотроны с вихревой стабилизацией дугового разряда........31
1.3.3. Плазмотроны с газомагнитной стабилизацией дуги...............34
1.3.4. Плазмотроны с газомагнитной стабилизацией большой мощности и
кратковременным режимом работы......................................37
1.3.6. Плазмотроны нелинейной схемы и с комбинированной стабилизацией
дуги................................................................47
1.3.7. Плазменные системы на основе свободно горящих дуг............48
1.4. Источники питания плазмотронов постоянного тока...................50
1.5. Плазмотроны переменного тока......................................55
1.5.1. Однофазные плазмотроны переменного тока......................55
1.5.2. Многокамерные трехфазные плазмотроны.........................56
1.5.3. Однокамерные трехфазные плазмотроны..........................60
1.5.4. Многофазные однокамерные плазмотроны переменного тока .62
1.6. Источники питания электродуговых плазмотронов переменного тока. ...65
1.7. Выводы............................................................71
Глава И. Конструкции плазмотронов переменного тока.......................74
2. 1. Разработка и создание мощных трехфазных однокамерных плазмотронов со стержневыми электродами, предназначенных для работы на инертных газах, азоте и водороде................................................74
2.1.1. Инициирование дуги в электроразрядной камере плазмотронов серии ЭДП.............................................................78
2.2. Конструкции однокамерных плазмотронов со стержневыми электродами, предназначенными для работы на окислительных газах...................83
2.2.1. Однофазные плазмотроны.......................................83
2.2.2. Многофазные плазмотроны......................................91
2.3. Конструкции многофазных однокамерных плазмотронов с рельсовыми электродами для работы на окислительных газах........................93
2.3.1. Плазмотрон ИПЭ-13т..........................................102
2.3.2. Особенности конструкции плазмотрона ИПЭ-13т.................104
2.3.3. Система охлаждения плазмотрона ИПЭ-13т......................106
2.3.4. Система подачи рабочего газа плазмотронов с рельсовыми электродами....................................................111
2.4. Выводы:..........................................................114
Глава III. Система питания............................................ 116
3.1. Схемы замещения..................................................116
3.2. Расчет элементов системы питания.................................126
3.3. Разработанные образцы систем электропитания плазменных генераторов.
...................................................130
3
3.3.1. Система питания 4-х мощных плазмотронов со стержневыми электродами.....................................................131
3.3.2. Система питания на базе синхронного генератора................132
3.3.3. Источник питания для трёхфазных высоковольтных плазмотронов переменного тока с торцевыми электродами........................136
3.3.4. Источник питания с системой управления на основе промышленного микроконтроллера для плазмотрона с рельсовыми электродами.......137
3.3.5. Полупроводниковый регулятор мощности плазмотрона переменного тока............................................................141
3.4. Выводы............................................................145
Глава IV. Исследование физических процессов в сильноточных дугах.........147
4.1. Введение..........................................................147
4.2. Режим горения свободно горящих сильноточных дуг...................148
4.3. Режим горения дуг в плазмотроне...................................155
4.3.1. Экспериментальный стенд для исследования плазмотронов 156
4.3.2. Состав и назначение элементов стенда..........................158
4.3.3. Измерительные устройства......................................161
4.3.4. Режим горения дуг переменного тока в плазмотронах со стержневыми электродами.........................................166
4.3.5. Влияние формы кривой напряжения на режим работы плазмотрона. ................................................................176
4.4. Внешние характеристики............................................181
4.4.1. Конструкции со стержневыми электродами........................184
4.4.2. Рельсовые электроды...........................................188
4.5. Выводы............................................................193
Глава V. Исследования конструкций и материалов электродов плазмотронов переменного тока.........................................................197
5.1. Стержневые электроды мощных генераторов плазмы переменного тока ......................................................................197
4
5.1.1. Эксплуатационные величины разрушения материала электродов ...205
5.1.2. Эрозия электродов.............................................206
5.2. Исследование материалов электродов и их конструкций для плазменных генераторов переменного тока (рабочий газ воздух) в диапазоне токов до 50 А....................................................................209
5.2.1. Однофазные плазмотроны со стержневыми электродами. Однослойные электроды............................................209
5.2.2. Трехфазные плазмотроны со стержневыми электродами. Многослойные электроды...........................................218
5.2.3. Исследование тонкой структуры и распределения химических элементов по сечению электродов после их ресурсных испытаний. Анализ и обобщение полученных результатов...............................221
5.3. Исследование материалов электродов и их конструкций для плазменных генераторов переменного тока (рабочий газ воздух) в диапазоне токов до 1000 А....................................................................227
5.4. Оптимизация конструкции электродов................................229
5.4.1. Трубчатые электроды...........................................229
5.4.2. Массивные составные электроды.................................230
5.4.3. Монолитные электроды..........................................231
5.5. Электроды трехфазного плазмотрона переменного тока модернизированной конструкции........................................233
5.6. Анализ структуры материала трубчатых электродов после взаимодействия с электрической дугой мощностью до 500 кВт в атмосфере
окислительного рабочего газа...........................................238
5.7 Выводы:............................................................241
Глава VI. Некоторые области Применение плазменных генераторов
переменного тока.........................................................243
6.1. Научные основы процесса плазмохимической переработки отходов ....243
6.1. 2. Плазменный пиролиз и газификации твердого топлива..............247
5
6.1.3. Плазменные системы на основе свободно горящих дуг............249
6.2. Технологические схемы плазмохимических установок, в которых использованы плазмотроны переменного тока, разработанные в ИЭЭ РАН.252
6.2.1. Установка для уничтожения твердых и жидких токсичных веществ. ...............................................................252
6.2.2. Установка плазмохимического обезвреживания сунертоксикантов.256
6.2.3. Установка по уничтожению отходов с применением расплава 260
6.2.4. Установка плазмохимического обезвреживания медицинских отходов........................................................264
6.2.5. Экспериментальная установка для газификации твердых отходов и угля...........................................................267
6.3. Система по переработке и утилизации твердых бытовых отходов (ТБО) производительностью 5 тонн в час...................................271
6.4. Выводы...........................................................274
Заключение..............................................................276
Литература...........................................................285
6
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ
V - скорость, длина волны электромагнитного излучения; а — скорость звука в газе; к — показатель адиабаты; п - показатель политропы, концентрация; т — масса;
Ук- объем разрядной камеры; ц - атомная или молекулярная масса;
Я* - универсальная газовая постоянная;
/, - индуктивность;
/ - время;
Г-температура, период колебаний;
Р- давление; и - напряжение;
/ - ток;
Я - сопротивление;
Q - электрический заряд;
С - электрическая емкость; с - теплоемкость;
Р - сила;
р - плотность, удельное сопротивление; со - круговая частота;
6 - коэффициент затухания; у - удельная электрическая проводимость;
\У - энергия;
<т- электрическая проводимость; j - плотность тока;
Ьмэ - межэлектродное расстояние;
Е - напряженность электрического поля;
7
к - показатель адиабаты, постоянная Больцмана; а,- степень ионизации; е - заряд электрона;
2- волновое сопротивление, атомный номер; ИП - источник питания;
МЭВ - межэлектродная вставка
э.д.с. - электродвижущая сила МБ XV - твердые бытовые отходы
8
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы.
Первым применением плазмы можно считать работы, проведенные в 1781-1784 годах Генри Кавендишем (1731-1810) и Джозефом Пристли (1733-1804) по получению окиси азота из воздуха в электрическом разряде. С этого момента началось развитие плазменных технологий.
Во второй половине XIX в Германии компания SIEMENS построила плазменно-дуговую печь для производства некоторых видов металла.
К середине XX века, помимо применения плазмы в металлургии, возникла потребность в проведении экспериментальных работ по исследованию веществ, подвергавшихся ударным тепловым нагрузкам.
Именно к этому времени специалисты в области ракетной техники столкнулись с фактом отсутствия надежных экспериментальных данных по тепловым свойствам материалов.
Начиная с 50-х годов применение плазмотронов в аэродинамических трубах длительного действия позволило моделировать тепловые потоки в условиях полетов космических аппаратов, весьма близкие к натуральным [1,2]. При помощи гиперзвуковых труб решались задачи по испытанию теплозащиты космических аппаратов [3], воспроизводились тепловые нагрузки на элементы конструкции аппаратов на различных участках траектории полета в плотных слоях атмосферы [4, 5, 6].
Тем не менее, наиболее типичным применением плазмотронов является их "традиционное" использование в металлургии [7, 8, 9, 10, 11, 12], для сварки, плазменного напыления и резки металлов [13, 14, 15, 16], плазмохимии [17, 18, 19], в плазменных процессах вскрытия рудных минералов (разложение химически сложного минерала на более простые вещества, из которых легко выделить необходимые продукты) [20] и т.д.
9
Необходимость создания новых, в том числе и плазмохимических технологий переработки материалов в широком диапазоне (от углеводородов до промышленных и бытовых отходов), обусловлена темпами роста промышленного производства и сферы потребления и направлена на более эффективное использование природных ресурсов и улучшение качества жизни населения.
Преимущества использования плазменной техники в перерабатывающих реакторах очевидны и заключаются в следующем:
- Электроплазменная система быстро включается и выключается, легко поддается автоматизации, является "природосберегающей", так как не требует для своей работы дополнительного топлива.
- Быстрота протекания физико-химических процессов позволяет точно рассчитывать на их завершенность.
- Требуемый объем рабочего газа мал, что упрощает систему очистки и контроля.
- Отсутствует необходимость предварительной переработки отходов.
- Высокая плотность энергии позволяет работать при большом расходе перерабатываемого продукта и малом объеме реактора.
- Высокая температура в сочетании с высокой скоростью закалки позволяет создать метастабильные неравновесные состояния (составы), что позволяет гибко управлять химической реакцией.
Наряду с этим, плазмотроны переменного тока обладают уникальными и присущими только им свойствами [21]. Их отличительной особенностью является:
- Простота и надежность конструкции камеры плазмотрона (отсутствие магнитной системы, керамических изоляторов и др.).
- Малые габариты плазмотрона и реактора позволяют создать передвижные, компактные установки невысокой стоимости.
10
- Источник питания таких плазмотронов предельно прост, надежен и легко управляем.
- Теплообмен с дугами (особенно трехфазными) переменного тока значительно эффективнее, чем с дугой постоянного тока, благодаря специальной организации режима горения электрической дуги.
Анализ работ, выполненных на момент принятия решения о начале исследований в области создания плазмотронов переменного тока и сопоставление его с имеющимися научными результатами показал, что существует огромный разрыв между потенциальными возможностями данной техники и ее практическим применением.
Таким образом, актуальность темы диссертации обусловлена, во-первых, потребностью в плазменных генераторах мощностью до 1 МВт, имеющих длительный ресурс непрерывной работы как для фундаментальных научных, так и прикладных проблем, и, во-вторых, недостаточной глубиной, выполненных на тот момент времени исследований физических основ создания и оптимизации плазменных генераторов переменного тока.
Цели работы и задачи исследований
Основной целью диссертационной работы является создание серии высокоэффективных, надежных плазмотронов переменного тока и систем питания, которые могут применяться в промышленном производстве и крупномасштабных физических экспериментах в стационарных режимах с мощностью до 1 МВт работающих, в первую очередь, с окислительными плазмообразующими газами. Исследования мощных плазмотронов переменного тока со стержневыми электродами предназначенных для работы на азоте, инертных газах и водороде с целью оптимизации эксплуатационных параметров и увеличения надежности.
11
Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд научно-технических задач, а именно, выполнить исследования процессов, происходящих в свободногорящих дугах, в элекроразрядных камерах, в плазменной струе.
- Разработать, создать и исследовать систему питания для плазмотронов переменного тока большой мощности.
- Исследовать свойства и характеристики различных электродных материалов, создать надежную конструкцию электродного блока.
- Определить эффективность применения плазменных генераторов переменного тока в плазмохимических технологиях, в том числе и с целью получения синтез-газа.
Работы по теме проводились на основании: планов РАН, контрактов № 02.452.12.7079, 02.445.11.7192 с Министерством науки и образования; проектов РФФИ №№ 96-02-16590, 02-02-16770 и 04-02-17527.
Научная новизна
1. Экспериментально показана возможность создания надежных и высокоэффективных, с к.п.д. до ~ 92 %, плазменных генераторов переменного тока, работающих на окислительных средах длительное время.
2. Исследованы, разработаны и созданы следующие серии плазмотронов переменного тока:
- со стержневыми электродами для работы на инертных газах, азоте, водороде в диапазоне мощности от 200 кВт до 2 МВт в стационарном режиме работы.
- со стержневыми электродами для работы на окислительных средах в диапазоне мощности от 1 до 100 кВт в стационарном режиме работы.
- с рельсовыми электродами для работы на окислительных средах при мощности от 100 кВт до 1 МВт в стационарном режиме работы.
3. Выполнены исследования свободногорящих сильноточных дуг (токи ~10кА) обдуваемых слабым потоком азота или аргона, показано, что при замыкании
12
сильноточной дуги на расплав основная доля энергии дуги уходит в расплав, в объем реактора переходит не более 35% энергии дуги.
4. Исследованы режимы горения дуг, при которых в трехфазных плазмотронах наблюдалось сглаживание пиков повторного зажигания вследствие большой концентрации электронов в разрядном промежутке, при этом форма кривой напряжения близка к синусоиде, что существенно улучшает энергетические характеристики плазмотрона.
5. В ходе проведения работ выполнены исследования электрофизических процессов в электродуговых камерах плазмотронов переменного тока, путей и способов достижения максимальной эффективности передачи энергии источника питания дуге, электрических и теплофизических параметров плазмотронов переменного тока мощностью до 1 МВт; эрозионных свойств материалов, используемых в электродных системах, при величине тока до 1000 А, среднемассовой температуре газа до 5000 К, режимов горения дуг в разрядных камерах плазмотронов переменного тока;
6. Разработана и создана серия источников питания для плазмотронов переменного тока (рабочая частота 50-г60 Гц) мощностью до 1 МВт, использующая элементы стандартного электротехнического оборудования, обеспечивающая стабильность горения электрической дуги переменного тока без активного балластного сопротивления или специальных тиристорных устройств, создана оригинальная конструкция полупроводникового регулятора мощности.
7. При создании ряда плазмохимических установок для изучения процессов плазменного пиролиза различных веществ апробирована возможность эффективного использования плазмотронов переменного тока в составе этих установок.
13
Практическая ценность
Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что ее результаты позволили создать серии плазменных генераторов переменного тока с системами питания (диапазон мощности от 5 кВт до 1 МВт) с длительным временем работы на окислительных средах, инертных газах, азоте, водороде и С02, трехфазный однокамерный плазмотрон (мощность до 2 МВт) со стержневыми электродами с системой питания предназначенный для работы на инертных газах, азо те и водороде.
На основании полученных результатов возможно серийное производство плазмотронов, предназначенных для крупномасштабного промышленного применения.
Созданы исследовательский стенд и диагностическое оборудование для моделирования и исследования процессов, происходящих в плазменных генераторах.
Показано, что при замыкании сильноточной дуги на расплав основная доля энергии дуги уходит в расплав, в объем реактора переходит не более 35% энергии дуги.
Экспериментально показана возможность эффективного применения созданных и исследованных плазменных генераторов для проведения исследований в крупномасштабных физических экспериментах, а так же в установках предназначенных для газификации, пиролиза, переработки или нейтрализации различных оргаиосодержащих веществ, хлор- фторсодержащих веществ и отходов, в том числе с целью получения синтез-газа для нужд теплоэлектроэнергетики и получения искусственных топлив.
Личный вклад автора
- При участии автора создан ряд типов плазмотронов различной мощности и назначения, работающих на окислительных газах, азоте, водороде и С02, Аг, Не в том числе однокамерные стержневые трехфазные плазмотроны
14
мощностью от 100 до 2000 кВт с электродами на основе вольфрама для работы на инертных газах; однокамерные низковольтные трехфазные плазмотроны на окислительных и инертных средах с рельсовыми электродами мощностью от 100 до 1000 кВт; высоковольтные однофазные и трехфазные плазмотроны на окислительных и инертных средах мощностью от 1 до 500 кВт;
- При участии автора создан стенд мощных трехфазных плазмотронов и диагностическое оборудование для моделирования и исследования процессов, происходящих в плазменных генераторах, аппаратные средства измерения основных электрических, теплофизических и газодинамических параметров плазменных генераторов переменного тока.
- Исследованы свободногорящие сильноточные дуги ~10кА в атмосфере азота или аргона, показано, что при замыкании сильноточной дуги на расплав основная доля энергии дуги уходит в расплав, в объем реактора переходит не более 35% энергии дуги.
- Выполнены комплексные исследования процессов в разрядных камерах разработанных плазмотронов переменного тока, получены параметры оптимальных рабочих режимов, зависимости параметров и их взаимовлияние, проведены ресурсные испытания.
- Выполнены исследования различных электродных материалов, блоков и механизмов разрушения электрода. Предложен ряд оригинальных решений по увеличению длительности непрерывной работы электродов.
- При участии автора в составе экспериментальных плазмохимических установок успешно применены плазменные генераторы переменного тока.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались на следующих конференциях и симпозиумах:
15
1. “Мощный плазмотрон переменного тока ”, Ф.Г.Рутберг, А.А.Сафронов, В.Н.Ширяев, В.Е.Кузнецов, ФНТП-95 Физика низкотемпературной плазмы. Материалы конференции. Петрозаводск 20-26 июня, 1995, т.З, стр. 422-425, (1995)
2. “Powerful Three-Phase Plasma Generators Used for Toxic Wastes Destruction”, Ph.G.Rutberg, A. A. Safronov, V. L. Goryachev, SAP&ETEP-97, Eight International Conference on Switching Arc Phenomena, September 3-6, 1997. Lodz, Poland, p. 371-373, (1997) “Мощные трехфазные генераторы плазмы, используемые для уничтожения токсичных отходов”, Ф.Г.Рутберг, А.А.Сафронов, B.JI. Горячев, Восьмая международная конференция по коммутационным дуговым явлениям, 3-6 сентября, 1997, Лодзь, Польша стр. 371-373, (1997)
3. “Strong Current Arc Discharges of Alternating Current”, Ph.G.Rutberg, A. A. Safronov, V. L. Goryachev, Proceedings of the 12th International Conference on Gas Discharges & Their Applications. Grcifswald 1997. ISB#3-00-001360-7 (Set of 2 Volumes), Volume 1. p. 78-81, (1997) “Сильноточные дуговые разряды переменного тока”, Ф.Г.Рутберг, А.А.Сафронов, В.Л. Горячев, материалы 12 международной конференции по газовым разрядам и их применениям, Грайфсвальд 1997, ISB#3-00-001360-7 (2 тома), т.1, стр. 78-£1> О991)
4. “The Possibility of Garbage Medical and Other Toxic Waste Treatment by Plasma Chemical Method”, Ph.G.Rutberg, A.A.Safronov, A.N.Bratsev, V.E.Kuznetsov, ICOPS-98), Raleigh NC, USA, The 25lh Anniversary IEEE International Conference on Plasma Science, June 1-4, 1998, p. 226, (1998), “Возможность переработки медицинских и других токсичных отходов плазмохимическими методами”, Ф.Г.Рутберг, А.А.Сафронов, ATI. Братцев, В.Е.Кузнецов, ICOPS-98, Рейлех, Северная Каролина, США, 25 ежегодная международная конференция IEEE (международного общества
16
инженеров электриков и электронщиков) но науке о плазме, 1-4 июня 1998, стр. 226 (1998),
5. “AC Powerful Plasma Generators of High Energy Efficiency and Increased Life Time”, Ph.G.Rutberg, A.A.Safronov, V.L.Goryachev,V.B Kovshechnicov, A.V.Surov, A.Ph.Rutberg, Fourth International Workshop on Advanced Plasma Tools and Process Engineering, May 26-27, 1998, California, Millbrae, USA, pp. 229-232, “Мощные генераторы плазмы переменного тока с высоким КПД и увеличенным ресурсом работы ” Ф.Г.Рутберг, А.А.Сафронов, В.Л. Горячев, В.Б. Ковшечников, А.В.Суров, А.Ф. Рутбсрг, Четвертая международная конференция по современным плазменным инструментам и технологиям, 26-27 мая 1998, Калифорния, Миллбрае, США, стр. 229-232,
6. “Arc three-phase plasma generators and their application”, Ph.G.Rutberg, A.A.Safronov, V.N.Shiryacv, V.E.Kuznetsov, TPP-5, Fifth European Conference on Thermal Plasma Processes, 13-16 July 1998, St.Petersburg, p.61, “Трехфазные дуговые генераторы плазмы и их применение” Ф.Г.Рутберг, А.А.Сафронов, В.Н.Ширяев, В.Е. Кузнецов, Пятая европейская конференция по термическим плазменным процессам , 13-16 июля 1998 г., Санкт-Петербург, стр.61
7. “Трехфазные плазмотроны переменного тока и их применение ”, Ф.Г.Рутберг, А.А.Сафронов, В.Н.Ширяев, В.Е.Кузнецов, Материалы конференции по физике низкотемпературно и плазмы ФНТП-98. Из-во Петрозаводского Университета, стр. 578-581
8. “Application of AC Powerful Plasma Generators in Plasma Chemical Technologies of Toxic Waste Treatment”, P.G.Rutberg, A.A.Safronov, A.N.Bralsev, A.A.Ufimtsev, TPP-5, Fifth European Conference on Thermal Plasma Processes, 13-16 July 1998, St.Petersburg, p.294 “Применение мощных генераторов плпзмы переменного тока в плазмохимических технологиях переработки токсичных отходов”, Ф.Г.Рутберг,
17
А.А.Сафронов, А.Н. Братцев, А.А.Уфимцев, Пятая европейская конференция по термическим плазменным процессам , 13-16 июля 1998 г., Санкт-Петербург, стр. 294
9. “Plasma Installations for the Destruction of High Toxic Medical Wastes”, Ph.G.Rutberg, A.A.Safronov, A.N.Bratsev, A.A.Ufimtsev, ElectroMed 99, First International Simposium on Nonthermal Medical / Biological Treatments Using Electromagnetic Fields and Ionized Gases, April 12-14, 1999, Norfolk, Virginia, USA, p. 125, “Плазменные установки для уничтожения высокотоксичных медицинских отходов” Ф.Г.Рутберг, А.А.Сафронов,
А.Н. Братцев, А.А.Уфимцев, Электромед 99, Первый международный симпозиум по нетермической медицинской/биологической обработке с использованием электромагнитных полей и ионизированных газов, 12-14 апреля 1999 г., Норфолк, Виржиния, США, стр. 125
10.“Investigation of process dynamic of an electric arc burning in single-phase AC plasma generators”, Ph.G. Rutbcrg, V.P.Gorbunov, Gh.V.Nakoncchny,
S.D.Popov, A.A.Safronov, E.O.Scrba, A.V.Surov, V International Conference Plasma Physics and Plasma Technology (PPPT-5), contributed papers, v.l, Minsk, Belarus, September 18-22, 2006 p.110- 113 Institute of Molecular and Atomic Physics National Academy of Sciences of Belarus “Исследование динамики процесса горения электрической дуги в однофазных генераторах плазмы переменного тока”, Ф.Г.Рутберг, В.П.Горбунов, Г.В.Наконечный, С.Д.Попов, А.А.Сафронов, Е.О.Серба, А.В.Суров, V мбежду народная конференция по плазма физике и плазменным технологиям (РРРТ-5), представленные доклады, т.1, Минск, Белоруссия, 18-22 сентября 2006 г., стр. 110-113, Институт молекулярной и атомной физики Академии наук Белоруссии
11.“Plasma Torch Optical Diagnostic of a Single-Phase Alternating Current Plasma Generator”, Philip G. Rutbcrg, Ghennady V.Nakoncchny, Roman V. Ovchinnikov, Alexander V.Pavlov, Sergey D. Popov, Alexey A. Safronov,
18
Andrey I. Sakov, Evgeny O. Serba and Alexander V. Surov, 2007 IEEE Pulsed Power Conference (PPPS-2007) Digest of Technical Papers 1976-2007, June 17-20, 2007, Albuquerque, New Mexico, USA, IEEE Catalog Number 07CH37864C, ISBN 1-4244-0914-4, Library of Congress 81-644315, p. 732-735, Omnipress, Madison, оптическая диагностика плазменных горелок однофазного генератора плазмы, переменного тока, Филипп Г.Рутберг, Геннадий В.Наконечный, Роман В.Овчинников, Александр, В.Павлов, Сергей Д.Попов, Алексей А.Сафронов, Андрей И.Саков, Евгений О.Серба и Александр В. Суров, Конференция но импульсной мощности 2007 IEEE (PPPS-2007) Сборник технических статей 1976-2007 г., 17-20 июня 2007 г., Альбукерка, Нью Мексика, США, IEEE каталог номер 07СН37864С, ISBN 1-4244-0914-4, Библиотека конгресса 81-644315, стр. 732-735, Омни пресс, Медисон
12.“lnvestigation of Ways and Methods to Increase the Time of Continuous Operation of Alternating Current Plasma Generators in Industrial Applications”, Philip G. Rutberg, Kiril A. Kuzmin, Vladimir E. Kuznetsov, Alexey V. Nikonov, Roman V. Ovchinnikov, Alexey A. Safronov, Valentin A. Spodobin, Alexander V. Surov, and Olga B. Vasilicva, 2007 IEEE Pulsed Power Conference (PPPS-2007) Digest of Technical Papers 1976-2007, June 17-20, 2007, Albuquerque, New Mexico, USA, IEEE Catalog Number 07CH37864C, ISBN 1-4244-0914-4, Library of Congress 81-644315, p. 760-763, Omnipress, Madison, “Исследование способов и методов увеличения времени непрерывной работы генераторов плазмы переменного тока промышленного применения” Филипп Г.Рутберг, Кирилл А. Кузьмин, Владимир Е.Кузнецов, Алексей А.Никонов, Роман В.Очинников, Алексей
А.Сафронов, Валентин А.Сподобин, Александр А.Суров и Ольга Б. Васильева, Конференция по импульсной мощности 2007 IEEE (PPPS-2007) Сборник технических статей 1976-2007 г., 17-20 июня 2007 г., Альбукерка, Ныо Мексика, США, IEEE каталог номер 07СН37864С, ISBN
19
1-4244-0914-4, Библиотека конгресса 81-644315, стр. 732-735, Омнипресс,
Медисон
13.“High-Voltage Plasma generators of Alternating Current with Rod Electrodes Stationary Operating on Oxidizing media”, Philip G. Rutberg, Irina I. Kumkova, Vladimir E. Kuznetsov, Sergey D. Popov, Alex P. Rutberg, Alexey
A. Safronov, Vasily N. Shiryaev and Alexander V. Surov, 2007 IEEE Pulsed Power Conference (PPPS-2007) Digest of Technical Papers 1976-2007, June 17-20, 2007, Albuquerque, New Mexico, USA, IEEE Catalog Number 07CH37864C, ISBN 1-4244-0914-4, Library of Congress 81-644315, p. 1556-1559, Omnipress, Madison, “Высоковольтные генераторы плазмы переменного тока со стержневыми электродами стационарно работающими на окислительные среды”, Филипп Г.Рутберг, Ирина И. Кумкова, Владимир Е.Кузнецов, Сергей Д.Попов, Александр Ф. Рутберг, Алексей А.Сафронов, Василий Н. Ширяев и Александр Л.Суров, Конференция по импульсной мощности 2007 IEEE (PPPS-2007) Сборник технических статей 1976-2007 г., 17-20 июня 2007 г., Альбукерка, Нью Мексика, США, IEEE каталог номер 07СН37864С, ISBN 1-4244-0914-4, Библиотека конгресса 81-644315, стр. 732-735, Омнипресс, Медисон
14. "Плазмотроны переменного тока со стержневыми электродами мощностью от 5 до 50 кВт для плазмохимических приложений”, Ф.Г. Рутберг, А.А.Сафронов, Г.В.Наконечный, С.Д.Попов, Е.О.Серба,
B.А.Сподобин, А.В.Суров, Proceedings of 10lh International Conference on Gas Discharge Plasmas and Their Technological Applications, edited by Vladimir Lopatin, Tomsk, Russia, 17-20 September, 2007, ISSN 0021-3411, Известия вузов. Физика, 2007, № 9, Издание Томского Университета стр.77-79 "Плазмотроны переменного тока со стержневыми электродами мощностью от 5 до 50 кВт для плазмохимических приложений”, Ф.Г. Рутберг, А.А.Сафронов, Г.В.Наконечный, С.Д.Попов, Е.О.Серба,
В.А.Сподобин, А.В.Суров, Материалы 10 международной конференции по
20
разрядам в газах и их технологическим применениям, под редакцией Владимира Лопатина, Томск, Россия, 17-20 сентября, 2007, ISSN 0021-3411, Известия вузов. Физика, 2007, № 9, Издание Томского Университета стр.77-79
15.“Electric arc plasma generators on steam-air mixtures for plasmachemical applications”, Ph.G. Rutberg, A.A.Safronov, A.V.Surov, S.D.Popov, E.O.Serba, G.V.Nakoncchny, K.A.Kuzmin, The 10th HTPP, Patras, Greece, 7-11 July, 2008, book of abstracts Patras University, “Электродуговые генераторы плазмы на паровоздушных смесях для плазмохимических применений”, Ф.Г. Рутберг, А.А.Сафронов, А.В.Суров, С.Д. Попов, Е.О.Серба, Г.В.Наконечный, К.А. Кузьмин, 10 конференция по высокотемпературным плазменным процессам (НТРР), Патрас, Греция, 7-11 июля 2008, книга абстрактов, Университет Патраса
16.“Spectral and optical investigations of electric arc plasma generators of alternating current with power to 600 kW”, Ph.G. Rutberg, A.A.Safronov,
A.V.Surov, A.V.Pavlov, S.D.Popov, A.I.Sakov, V.A.Spodobin, The 10th HTPP, Patras, Greece, 7-11 July, 2008, book of abstracts Patras University “Спектральные и оптические исследования электродуговых генераторов плазмы переменного тока мощностью до 600 кВт” Ф.Г. Рутберг,
A.А.Сафронов, А.В.Суров, А.В.Павлов, С.Д. Попов, А.И. Саков,
B.А.Сподобин, 10 конференция по высокотемпературным плазменным процессам (НТРР), Патрас, Греция, 7-11 июля 2008, книга абстрактов, Университет Патраса
17.“Increase in durability of alternating current plasma generators and experimental development of materials and designs of electrode units for plasma generators for CO2 processing” A.A.Safronov, 1.1. Kumkova, R.V. Ovchinnikov, V.E.Kuznctsov, V.N.Shiryaev, K.A.Kuzmin, O.B.Vasilieva, EMRS 2009 Spring Meeting, Strasbourg, France - June 8 - 12, Q: Laser and Plasma Processing for Advanced Materials, Abstract at: http://www.emrs-
21
strasbourg.com, “Увеличения срока службы генераторов плазмы переменного тока и экспериментальная разработка материалов и конструкций электродных блоков генераторов плазмы для переработки СО2”, А.А.Сафронов, И.И. Кумкова, Р.В.Овчинников, В.Е.Кузнецов, В. Н. Ширяев, К.А. Кузьмин, О.Б.Васильева, EMRS 2009, Весеннее заседание, Страсбург, Франция, 8-12 июня, Q: Лазерная и плазменная обработка современных материалов, абстракт на: http://www.emrs-strasbourg.com
18.“Electric arc alternating current plasma generators operating on a mix of steam with various gases for plasma technologies of synthetic fuel production”, Rutberg Ph. G., Safronov A. A., Popov S. D., Surov A. V., Nakonechny Gh. V., Spodobin V. A., Lukyanov S. A., Kumkova 1.1., Kuzmin K.A. EMRS 2009 Spring Meeting, Strasbourg, France - June 8 - 12, Q: Laser and Plasma Processing for Advanced Materials, Abstract at: http://www.emrs-strasbourg.com, “Электродуговые генераторы плазмы переменного тока работающие на смеси пара с различными газами для плазменных технологий производства различных синтетических топлив”, Ф.Г. Рутберг, А.А.Сафронов, С.Д. Попов, А.В.Суров, Г.В.Наконечный,
В.А.Сподобин, С.А.Лукьянов, И.И.Кумкова, К.А. Кузьмин, EMRS 2009, Весеннее заседание, Страсбург, Франция, 8-12 июня, Q: Лазерная и плазменная обработка современных материалов, абстракт на: http://www.emrs-strasbourg.com
19.“Invcstigation of Operating Modes of Electric Arc Alternating Current Plasma Generators Using Carbon Dioxide as a Plasma Forming Agent”, 03P-41, P. G. Rutberg, A. A. Safronov, A. V. Surov, S. D. Popov, G. V. Nakonechny, R. V. Ovchinnikov, V. A. Spodobin, S. A. Lukyanov, S. A. Kuschev, CONFERENCE RECORD - ABSTRACTS The 17th IEEE International Pulsed Power Conference IEEE Catalog Number: CFP09PPC ISBN: 978-1-4244-4065-8 Library of Congress: 200990 Copyright © 2007 by Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., p.304, “Исследование режимов
22
работы электродуговых генераторов плазмы переменного тока, использующих углекислый газ в качестве плазмообразующего вещества”, Ф.Г. Рутберг, А.А.Сафронов, С.Д. Попов, А.В.Суров, Г.В.Наконечный, Р.В.Овчинников, В.А.Сподобин, С.А.Лукьянов, С.А.Кущев, ОЗР-41, материалы конференции — абстракты, 17 международная конференция IEEE по импульсной мощности, каталог номер CFP09PPC ISBN: 978-1-4244-4065-8 Библиотека конгресса: 200990 Авторское право © 2007 Институт инженеров электриков и электронщиков, Inc., стр.304
20.“Methods of increase in life time and duration of continuos operation of rod electrodes of alternating current plasma generators”, V.E. Kuznetsov, K.A.Kuzmin, A.A.Safronov, V.N.Shiryacv, R.V.Ovchinnikov, O.B.Vasilieva European Plasma Conference HTPP-11 Brussels, 27 June - 2 July, 2010 “Методы увеличения срока службы и продолжительности непрерывной работы стержневых электродов генераторов плазмы переменного тока”
В.Е.Кузнецов, К.А. Кузьмин, А.А.Сафронов, В.Н.Ширяев, Р.В.Овчинников, О.Б.Васильева, Европейская конференция по плазме НТРР-11 , Брюссель, 27 июня- 2 июля 2010, абстракты на http://www.htpp! l.crn
Публикации
По тематике диссертационной работы автором опубликовано 66 работ, в том числе 33 статьи в рецензируемых журналах.
Структура и содержание работы
Диссертация состоит из введения, 6 глав с выводами по каждой из них, заключения и списка литературы. Диссертация изложена на 314 страницах машинописного текста, включает 191 рисунок, 21 таблицу и список литературы из 294 наименований.
23
ГЛАВА I. ОБЗОР И КЛАССИФИКАЦИЯ КОНСТРУКЦИЙ МОЩНЫХ
ПЛАЗМОТРОНОВ ПОСТОЯННОГО И ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
1.1. Область применения
Первые технологии промышленного применения луговой плазмы были разработаны в начале 20 века в Германии и Норвегии для получения оксида азота и просуществовали до конца 20-х годов прошлого века, пока не были вытеснены появлением более экономичных и производительных [22]. Позже в 1911 году плазма была использована для плавления металла в печи [23]. В 1921 году была запатентована дуговая горелка с газовым обжатием столба дуги [23], а в 1922 году была предложена дуга, стабилизированная водяным вихрем [24]. Один из первых способов электрокрекинга природного газа с целыо получения ацетилена был осуществлен в Германии в 1940 году [22].
Начиная с 50-х годов применение плазмотронов в аэродинамических трубах длительного действия позволило моделировать тепловые условия полетов космических аппаратов [1, 2|. При помощи гиперзвуковых труб решаются задачи по испытанию тепловой защиты космических аппаратов при прохождении ими плотных слоев атмосферы Земли и других планет (моделируется вход в атмосферу Юпитера, Н2+Не, скорость 49 км/сек) [3], воспроизводятся натуральные тепловые нагрузки на элементы конструкции аппаратов на различных участках траектории полета в плотных слоях атмосферы в лабораторных условиях [4, 5, 6].
Широкое применение плазмотроны находят в современной металлургии. Одним из направлений использования плазмотронов является выплавка и рафинирование сталей и сплавов в печах с плазменно-дуговым нагревом [7, 8, 9, 10].
Использование плазмотронов в металлургических процессах позволяет исключить загрязнение металла нежелательными примесями, поддерживать в печи нужную для каждого конкретного процесса среду - окислительную,
24
восстановительную, нейтральную [25, 26]. Плазменный нагрев таких
восстановителей как водород, метан и другие позволяет проводить реакции по прямому восстановлению металлов из их окислов [26, 27].
Широкое применение в различных отраслях современной техники тугоплавких материалов во многих случаях вызывает необходимость их нанесения на поверхности из других, менее тугоплавких материалов [28]. Плазмотроны являются весьма удобным и, в ряде случаев, единственным инструментом для нанесения покрытий различных типов.
Плазмотроны могут быть использованы и для сфероидализации частиц [25, 29]. Процесс плазменной сфероидализации частиц можно разделить на стадии: плавления, распыления и сфероидализации частиц в потоке плазмы, а затем затвердевание, охлаждение и сбор частиц. С помощью плазменной технологии появилась возможность создания принципиально новых композиционных материалов, по своим свойствам значительно превосходящих свойства известных материалов [25, 30].
Особо широкое внедрение в практику получили процессы плазменной резки и сварки металлов [13, 14, 15, 16, 31]. По сравнению с кислородной резкой, при плазменной резке высоколегированных сталей практически отсутствуют структурные изменения металла, твердость материала снижается гораздо меньше из-за малой зоны термического воздействия [15]. Применение плазмотронов позволило увеличить толщину разрезаемого листа до 200-250 мм [13]. Плазменная резка применяется для обработки как черных, так и цветных металлов, а также ряда других материалов.
Использование плазмотронов для сварки позволяет получать сварные соединения с глубоким проплавлением и относительно небольшой шириной сварного шва. Плазменная сварка применяется и при соединении деталей больших размеров, в частности, фирма “Вестингауз” применила ее при создании корпусов ракеты “Титан” диаметром 3 метра.
25
Весьма перспективным является использование плазменного нагрева в химической технологии [17, 32, 33]. Значительная интенсификация химического процесса позволяет резко уменьшить зону и время реакции, что, в свою очередь, позволяет создать малогабаритные реакторы с большой производительностью и хорошими экономическими показателями [34, 35].
В богатой радикалами углеводородной плазменной среде под давлением от единиц торр до атмосферного выращивают тонкие углеродные пленки с алмазоподобной структурой и кристаллические алмазы [36-43]. Во Франции [44] разработана трехфазная установка переменного тока для получения тонких углеродных структур [45, 46].
Прогрессивным методом переработки углеводородного сырья с целью получения ценных непредельных углеводородов является метод плазмохимического пиролиза. Постоянное увеличение потребления промышленного ацетилена и этилена ставит вопрос об использовании для их получения переработки любых видов углеводородного сырья (от метана до сырой нефти). Выход суммы ацетилена и этилена при проведении пиролиза в плазменной струе составляет (70-80) %.
Разрабатываются и используются технологические процессы, основанные на применении плазмотронов, предназначенные для бурения горных пород и для увеличения эффективности нефтяных скважин. Практика применения плазменно-импульсного воздействия показала, что максимального эффекта можно добиться при последовательной обработке нагнетательной скважины (увеличение приемистости или выравнивания профиля приемистости) и добывающих скважин. В этом случае поднимается пластовое давление, увеличивается промывка пластов, одновременно происходит очистка призабойных зон, резонансная накачка энергией продуктивных горизонтов увеличивает их проницаемость, включаются в работу ранее не промытые близлежащие и удаленные нефтенасыщенные зоны [47].
26
Наряду с традиционным применением плазменной техники наметилась тенденция ее использования для модификации поверхности полимерных материалов, для защиты промышленных материалов от бионовреждений и биокоррозии, дезинфекции пищевых продуктов и продовольственного сырья, очистке систем водоподачи от патогенов и токсикантов, а также для получения наноматериалов [48-51]
Все большее внимание уделяется проблемам переработки отходов [52-55, 56] и развитие получает плазменная деструкция различных токсичных отходов химического производства [57, 58] путем их разложения при высокой температуре с последующим образованием нетоксичных веществ и получением полезного продукта.
Плазменные процессы обеспечивают высокие и эффективные температуры переработки, которые не могут быть достигнуты другими методами нагрева. [59-62].
Получаемый в процессе высокотемпературной плазменной газификации твердых органических отходов горючий газ (смесь СО и ПЬ) уступает по калорийности природному газу (5-10 против 30-35 МДж/м3), но в условиях постоянно растущих цен на ископаемые энергоносители, применение его в качестве рабочего тела газовых энергетических циклов становится конкурентоспособным. Л в случае очистки его от примесей может служить сырьём для технологий органического синтеза [63-68].
Актуальной проблемой является разработка технологии эффективного использования органических топлив [56, 69-72]. Интенсифицировать процесс и сделать его менее энергоемким можно, если вместо сжигания угля осуществлять его газификацию и затем сжигать предварительно очищенный газ. [73-76]. Аналогичные технические решения разрабатываются и оцениваются как эффективные и в России [73, 77].
27
1.2. Классификационные признаки конструкций плазмотронов.
Существует ряд наиболее общих признаков, по которым обычно принято классифицировать конструкции плазмотронов. К ним относятся:
• род тока,
• способ стабилизации дуги,
• форма электродов.
По этим признакам различают плазмотроны постоянного и переменного тока. Стабилизация электрической дуги газовым по током осуществляется путем осевой или тангенциальной подачи рабочего газа в электродуговую камеру плазмотрона. Метод стабилизации стенками электродуговой камеры плазмотрона предполагает обжатие электрической дуги цилиндрическими водоохлаждаемыми и изолированными от электродов вставками или вдувом газа через пористую стенку.
Значительное распространение получили плазмотроны со стабилизацией дуги магнитным полем. Вращение дуги происходит в результате взаимодействия дуги с внешним полем, создаваемым соленоидом. Расположение соленоида или соленоидов зависит от конструктивных особенностей плазмотрона.
Практически в большинстве конструкций используют комбинацию методов стабилизации дуги.
Электродные системы плазмотронов постоянного и переменного тока могут быть стержневыми, тороидальными, кольцевыми, трубчатыми, причем, сама электродная система, в некоторых случаях, одновременно является и электродуговой камерой.
Ниже рассматриваются существующие схемные решения и конструкции плазмотронов.
28
1.3. Плазмотроны постоянного тока.
1.3.1. Плазмотроны со стабилизацией дугового разряда стенкой
электроразрядной камеры.
В устройствах постоянного тока с осесимметричным расположением катода и анода электрическая дуга стабилизируется охлаждаемой стенкой и реализуется установившееся движение в канале (если не рассматривать узкие приэлектродные зоны). Другой класс плазмотронов постоянного тока - с цилиндрическими и расширяющимися анодными канатами. В этих устройствах электрическая дуга, начинающаяся на оси канала катода, может самопроизвольно замыкаться в любом месте на аноде. Движение потока и поперечный обдув рабочим газом замыкающегося на стенку участка дуги приводят к растяжению, обрыву и лерезамыканию дуги на новое место на аноде. Хотя перезамыкание генерирует колебания напряжения горения дуги, оно способствует более эффективному нагреву газа и повышает КПД плазмотрона. Ряд работ [78-82] посвящен исследованию особенностей работы плазмотронов такого типа Рис. 1. В [82] приведены следующие рабочие параметры для аргона атмосферного давления: ток (80-300)А, напряжение порядка (100-120)В, расход газа (0.4-1.43)г/с; и для азота атмосферного давления: ток (100 и 500)А, напряжение порядка (100-120)В, расход газа (0.4-1.43)г/с. К недостаткам данной конструкции можно отнести нестабильность параметров струи.
Рис. 1. Схемы плазмотронов постоянного тока;
29