Плазматрон с использованием пара в качестве плазменного газа и способ обеспечения его стабильной работы

Плазматрон с использованием пара в качестве плазменного газа и способ обеспечения его стабильной работы

Реферат

 

Использование: в плазменной технике, в частности в плазматронах, использующих водяной пар в качестве плазменного газа. Сущность изобретения: для уменьшения эрозии электродов ограничивают охлаждение электродов. Температуру хладагента и/или состав плазменного газа, включающего водяной пар, выбирают таким образом, чтобы температура конденсации плазменного газа была ниже температуры поверхности охлаждаемых термически высоконагруженных элементов плазматрона. Температура охлаждаемых элементов определяется температурой хладагента. В качестве хладагента используется горячая вода с температурой не менее 80 град.С. Температуру конденсации плазменного газа понижают путем добавления газа с более низкой температурой конденсации, чем у водяного пара, например, воздуха. 2 с. и 12 з.п. ф-лы.

Изобретение касается плазматронов, которые работают с использованием пара в качестве плазменного газа, а также способа обеспечения стабильного функционирования таких плазматронов.

В плазматронах для проведения химической конверсии в качестве плазменного газа применяют преимущественно газ, химически инертный по отношению к конструкционным материалам плазматрона. Например, при проведении плазменного пиролиза в качестве плазменного газа применяют водород.

Кроме того, хорошо известно использование пара в качестве плазменного газа при проведении различных процессов химической конверсии, а также на различных уровнях химической переработки, например, в случае газификации угля, см. [1,2] Из выложенной заявки [3] уже известно уничтожение токсичных продуктов отхода с помощью химико-пиролитической реакции в плазматроне и плазменном газе, который в основном состоит из водяного пара. Как следует из выложенной заявки до сих пор плазматрон охлаждался с помощью охлаждающей воды или охлаждающего воздуха. При этом до сих пор осуществлялось по возможности сильное охлаждение (температура охлаждающей воды 20^oC), причем с помощью сильной принудительной циркуляции охлаждающей воды через охлаждающие каналы плазматрона обеспечивалось то, что возникает лишь незначительное повышение температуры охлаждающей воды между входом в плазматрон и выходом из плазматрона, однако температура в основном остается постоянной.

В связи с исследованиями химических процессов в специальных областях применения химической конверсии с использованием газовой плазменной среды водорода было выявлено, что соответствующие химические процессы обусловлены с одной стороны ионами водорода, а с другой ионами кислорода паровой плазмы.

Паровые разновидности плазмы имеют то преимущество, что они отличаются высоким содержанием химически активных кислородных и водородных состояний с высоким возбуждением при сравнительно низких температурах порядка 3000 К. Это означает, что данные разновидности в особенности подходят для целого ряда конверсионных процессов. Все плазматроны отличаются высокой тепловой нагрузкой и поэтому из-за термической и химической коррозии срок службы аппаратуры таков, что непрерывная работа плазматрона без интенсивного охлаждения исключена. Это касается прежде всего электродов, но также газовой камеры, кожуха плазматрона, присоединяемых деталей и, в зависимости от соответствующих конструкционных элементов, иных деталей. Хладоагентом, применяющимся в рассматриваемых плазматронах, является вода с температурой 20^oC.

В случае плазматронов, работающих с использованием пара в качестве плазменного газа, эрозия деталей, облучаемых дугой или (реже) соприкасающихся с ней, протекает существенно интенсивнее, нежели при использовании других плазменных газов. Следовательно, упомянутая эрозия в особенности интенсивно протекает на катоде и на аноде. Сравнительно большая потеря массы электрода вызывает сокращение срока службы электродов плазматрона, работающего с использованием пара в качестве плазменного газа, так что из-за необходимости частой смены электродов непрерывное функционирование плазматрона оказывается практически невозможным.

При промышленном применении паровых плазматронов проявляется другой недостаток, характерный для таких плазматронов, а именно возникают резкие операционные возмущения в режиме работы плазматрона, повторяющиеся с большой частотой. Эти возмущения проявляются в периодических колебаниях подачи расходуемого пара, в изменениях длины дуги, в значительных колебаниях напряжения и проистекающих отсюда значительных колебаниях энтальпии плазмы. Это неминуемо приводит к неустойчивому протеканию химической конверсии в плазменном реакторе, а именно, отрицательно сказывается на качестве продукта, а также на производительности плазматрона. До настоящего времени меры, обычно применяемые к плазматронам, такие, как ослабление эрозии электродов усилением их охлаждения, в случае плазматронов, работающих с использованием пара в качестве плазменного газа, либо вообще не давали эффекта, либо в конечном счете их эффект был недостаточным.

Таким образом, в основу настоящего изобретения была положена задача усовершенствования плазматрона, работающего с использованием пара в качестве плазменного газа с тем, чтобы продлить срок службы составных частей плазматрона, подвергающихся повышенным тепловым нагрузкам, и обеспечить стабильное функционирование плазматрона с незначительными колебаниями режима или без таких колебаний вообще, не прибегая к увеличению производственных затрат. В частности, особенности плазматронов с использованием пара в качестве плазменного газа по сравнению со случаями применения других газовых плазм, заключающиеся в гораздо более интенсивной эрозии электродов, а также в значительных неблагоприятных колебаниях режима работы, необходимо исключать, основываясь на унификации условий теплового процесса и на интенсивном охлаждении всех деталей, в особенности электродов, подвергающихся повышенным тепловым нагрузкам.

Кроме того, в основу настоящего изобретения была положена задача разработки способа стабильной работы плазматрона (с использованием пара в качестве плазменного газа), который был бы применим для обеспечения на основе интенсивного охлаждения всех деталей, подверженных повышенным тепловым нагрузкам, в особенности электродов плазматрона, а также на основе иных обычно используемых факторов теплового процесса непрерывного действия плазматрона посредством увеличения срока службы деталей плазматрона, подверженных повышенным тепловым нагрузкам, а также посредством ослабления или исключения колебаний рабочих параметров плазматрона. Настоящее изобретение в особенности имеет своей целью исключение причин, из-за которых в случае плазматронов с использованием пара в качестве плазменного газа по сравнению с плазматронами, работающими на иных газовых разновидностях плазмы, возникают отклонения рабочих параметров; в то же время такое исключение не сопровождается какими-либо неблагоприятными изменениями условий теплового процесса, например, в зоне охлаждения.

Настоящее изобретение решает вышеупомянутые задачи в случае плазматрона с использованием в качестве плазменного газа агента, по меньшей мере преимущественно представляющего собой пар, причем этот плазматрон имеет охлаждающее устройство для охлаждения хладагентом деталей, таких как электроды, подвергаемые тепловым нагрузкам за счет того, что температура конденсации плазменного газа, по меньшей мере, существенно ниже температуры поверхности деталей плазматрона, охлаждаемых хладагентом, причем указанную температуру на поверхности задают регулированием температуры хладагента.

Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения плазматрон, который работает с использованием пара в качестве плазменного газа и в котором детали, подвергающиеся повышенным тепловым нагрузкам, в особенности электроды, охлаждаются применяющейся в качестве хладагента горячей водой с температурой около 80^oC, используют для проведения химической конверсии, в частности, для бесследного уничтожения токсичных отходов производства, содержащих хлорированные и фторированные углеводороды.

Согласно другому предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения диффузию токсичных загрязнителей при их обработке в плазматроне можно предотвратить еще более эффективно, если сочетать соответствующее настоящему изобретению охлаждение горячей водой или подогретой водой со снижением температуры конденсации паровой плазмы. Для этой цели предпочтительно использование воздуха в качестве разбавляющего газа, который служит для разбавления плазменного пара паровой плазмы.

Для решения указанной выше задачи, а именно задачи разработки способа стабилизации работы плазматрона, использующего пар в качестве плазменного газа (причем этот способ обеспечивает увеличение срока службы электродов, а также функционирование плазматрона без существенных колебаний параметров в сочетании с высокой производительностью желательного процесса химической конверсии) в настоящем изобретении предложен способ, когда рабочие параметры, в частности температура хладагента и/или состав плазменного газа, регулируются таким образом, что исключается конденсирование плазменного газа, состоящего (по меньшей мере преимущественно) из пара, на охлаждаемых деталях плазматрона. Благодаря своей высокой теплоемкости и способности отдавать тепло горячая вода является предпочтительным хладагентом, причем предпочтительная рабочая температура горячей воды как хладагента составляет по меньшей мере 80^oС.

Следующее усовершенствование метода преодоления трудностей, связанных с воздействием паровой плазмы на охлаждаемые горячей водой детали плазматрона, в частности, на анод и катод, подвергающиеся термическому воздействию дуги, согласно настоящему изобретению достигается еще в одном предпочтительном варианте осуществления способа, по настоящему изобретению, с учетом того, что охлаждение деталей плазматрона, подверженных повышенным тепловым нагрузкам, в частности, электродов, горячей водой с температурой, по меньшей мере, 80^oC сочетается с понижением температуры конденсации плазменного газа посредством разбавления пара газом с более низкой температурой конденсации. Предпочтительно разбавлять плазменный пар воздухом после операции испарения, с тем чтобы понизить температуру конденсации смешанного плазменного газа, причем температура конденсации парового плазменного газа, содержащего частицы, составляет примерно 80^oC, тогда как в рассматриваемом случае рабочая температура электрода повышена до более чем 80^oC благодаря используемому в настоящем изобретении охлаждению электродов горячей водой.

Вопреки ожиданиям было выявлено, что значительно усиливающуюся эрозию электродов, типичную для паровых плазм, а также результирующие колебания режима работы плазменного реактора, связанные с непрерывным функционированием плазматрона, можно исключить, если вместо интенсифицирования охлаждения деталей плазматрона, в особенности электродов, избрать совершенно противоположный путь, а именно, ограничить охлаждение. Было установлено, что имеющиеся трудности, связанные с эрозией электрода, а также резкими операционными колебаниями процесса, повторяющиеся с большой частотой, такими как колебания или перерывы в подаче расходуемого пара, отклонения длины дуги, значительные колебания напряжения дуги и силы тока дуги, а в результате - колебания энтальпии плазмы, вызваны взрывным испарением конденсата пара на интенсивно охлаждаемых деталях (электродах) под влиянием дуги. Эксперименты, проведенные изобретателем и заявителем, показали, что такое взрывное испарение капель воды, образовавшихся вследствие конденсации, сопровождающееся механическим "вырыванием" материала, а также химико-физическим взаимодействием жидкой водной фазы со стенкой электрода в условиях инициирующего влияния дуги, приводит к образованию кратерообразных углублений на поверхности электрода, причем эти углубления предопределяют наиболее вероятные пункты агрессивного воздействия факторов последующей эрозии. Кроме того, вследствие резкого испарения конденсата расход непрерывного потока пара сильно зависит от данного обстоятельства или даже на короткое время прерывается, что и вызывает упомянутые выше отклонения и функциональные расстройства плазматрона.

Задачи, поставленные в настоящем изобретении, решаются тем, что предложен плазматрон с использованием пара (по меньшей мере преимущественно) в качестве плазменного газа, а также способ обеспечения стабильной работы плазматрона, включая способ ограничения охлаждения деталей плазматрона, подверженных повышенным тепловым нагрузкам и потому охлаждаемых хладагентов, а именно, горячей водой с температурой около 80^oC. В данном случае ограничение охлаждения заключается лишь в снижении потенциала теплопередачи между поверхностью электрода (предпочтительно поверхностью внутренней стенки анода) и охлаждающей водой.

Согласно преимущественному варианту осуществления настоящего изобретения наиболее эффективное решение достигается за счет применения метода ограничения охлаждения совместно с использованием горячей воды в качестве хладагента при одновременном снижении температуры конденсации паровой плазмы разбавлением последней газом с более низкой температурой конденсации, нежели у пара, причем входную температуру охлаждающей воды регулируют таким образом, что температура поверхности катода и анода плазматрона по меньшей мере близка к температуре конденсации разбавленного плазменого газа в соответствии с новым парциальным давлением пара. Добавочным газом, разбавляющим пар и снижающим температуру конденсации паровой плазмы, является (предпочтительно) воздух.

Другие предпочтительные варианты плазматрона и способа обеспечения стабильной работы указанного плазматрона согласно настоящему изобретению раскрыты в остальных, подчиненных пунктах формулы изобретения.

Ниже настоящее изобретение раскрывается на основе варианта его осуществления, применяющегося для уничтожения токсичных отходов посредством химической конверсии, то-есть путем их обработки в плазматронах, работающих с использованием преимущественно пара в качестве плазменного газа.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения плазменная установка для уничтожения токсичных отходов, предпочтительно для химической конверсии отходов, содержащих хлорированные или фторированные углеводороды, состоит из 10 плазматронов мощностью по 30 кВт каждый с одинаковыми реакторами и необходимыми дополнительными приспособлениями, устроенными как обычно. Установка работает с использованием пара (температура 300^oC, расход 25 кг/с, давление 0,1 МПа) в качестве плазменного газа.

Несмотря на интенсивное охлаждение электродов, в случае такой установки обычно наблюдаются значительные отклонения функциональных и качественных параметров работы плазматрона, а вследствие интенсивной эрозии анод плазматрона спустя непродолжительное время выходит из строя.

Согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения плазматрон оборудован холодильником, в котором хладагентом для охлаждения деталей плазматрона, подверженных повшыенным тепловым нагрузкам, в особенности анода и катода, служит охлаждающая вода.

С целью исключения явления конденсации паровой плазмы на охлажденных электродах, в особенности на аноде, входная температура охлаждающей воды на аноде и катоде повышена предпочтительно до 80^oC путем ослабления охлаждающего действия в контуре установки, содержащем хладагент, с тем чтобы детали плазматрона, подверженные повышенным тепловым нагрузкам, охлаждались горячей водой.

В том случае, когда скорость течения охлаждающей воды составляет 50-70 м/сек. можно обеспечить температуру охлаждающей воды на выходе, равную 81-82^oС. По сравнению с тем случаем, когда температуру охлаждающей воды обычно поддерживают равной комнатной температуре, указанная повышенная температура охлаждающей воды снижает потенциал теплопередачи, зависящий от разницы температуры поверхности электрода и охлаждающей воды (на входе), до небольшой избыточной величины, а именно, достаточное охлаждение электродов может быть обеспечено горячей водой. В то же время конденсация пара из газовой среды паровой фазы на электроды, охлажденные согласно настоящему изобретению лишь немного избыточно (посредством ограничивающего регулирования), подавляется до состояния небольшой избыточности, допустимого в случае многих плазменных химических процессов. Этот благоприятный эффект достигается без удорожания аппаратуры или технологического процесса. Более того, количество охлаждающих устройств системы охлаждения, необходимой для работы плазматрона, сокращается. Одновременно повышается производительность соответствующего плазматрона благодаря непрерывной работе последнего, в ходе которой имеют место лишь незначительные колебания, а также благодаря снижению требуемой производительности охлаждения. В то же время увеличивается выход продукта и улучшается качество последнего. Особым преимуществом следует считать удлинение срока службы электрода благодаря значительному снижению или скорее исключению эрозии электрода, вследствие чего экономится электродный материал, а также обеспечивается свобода маневра в производственных условиях.

Согласно второму предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, предусматривающему использование плазматронов (охлаждаемых согласно настоящему изобретению горячей водой с предпочтительной температурой, равной по меньшей мере 80^oC) для уничтожения токсичных отходов посредством химической конверсии, колебания режима плазматрона, которые могут иметь место, несмотря на ослабление охлаждения электродов благодаря применению горячей воды для такого охлаждения, неприемлемы, так как они все еще могут вызвать, хотя и в меньшей степени, "диффузию" токсичных загрязнителей среды.

Отсюда следует, в особенности в указанных случаях применения, что предпочтительно осуществлять охлаждение согласно настоящему изобретению, когда предусмотрено использование горячей воды для охлаждения деталей плазматрона, в особенности электродов, подверженных повышенным тепловым нагрузкам, в сочетании со снижением температуры конденсации газа паровой плазмы. Температуру конденсации можно снизить разбавлением пара чужеродным газом, у которого температура конденсации ниже, чем у пара. Следовательно, в рассматриваемом случае пар плазмы после стадии испарения целесообразно разбавить воздухом при расходе последнего, равным 62,5 куб.м/ч. Тогда температура конденсации парциального компонента паровой фазы составит 80^oС. Ввиду того, что температура электродов, достигнутая благодаря охлаждению этих электродов согласно настоящему изобретению, по крайней мере в рассматриваемом случае слегка превышает (предпочтительно) 80^oC, удается полностью предотвратить конденсацию пара, что совершенно исключает причину возникновения отклонений режима функционирования плазматрона и гарантирует непрерывное протекание конверсионных процессов. Тем самым в паровом плазматроне совершенно исключается "диффузия" токсичных веществ.

В настоящем изобретении предложены плазматроны, а также способ обеспечения стабильной работы плазматрона с использованием пара в качестве плазменого газа когда исключены различного рода колебания (отклонения), типичные для паровых разновидностей плазмы, а именно, прерывистые колебания условий функционирования, а также усиленная эрозия электродов. Это достигается ограничением охлаждения деталей плазматрона, подверженных повышенным тепловым нагрузкам, в особенности электродов, путем использования горячей воды в качестве хладагента, причем температура упомянутой горячей воды предпочтительно составляет 80^oC. Это дает эффект, заключающийся в том, что конденсация пара (которая под воздействием дуги, а также вследствие взрывного испарения конденсата могла бы вызвать существенные возмущения или перебои в работе плазменной форсунки и привести к эрозии электродов из-за "вырывания" материала с поверхности электрода) в интенсивно охлаждаемых местах плазматрона исключена. Настоящее изобретение обеспечивает не только стабильную работу и продолжительные сроки службы электродов, но также повышает производительность плазматрона и выход искомых продуктов плазменно-химических процессов. В случае специальных плазменно-химических процессов, в частности, при обработке токсичных отходов эффект охлаждения плазматрона горячей водой можно дополнительно усилить за счет снижения температуры конденсации посредством разбавления пара газом, температура конденсации которого ниже температуры конденсации пара, так что температура конденсации разбавленного плазменного газа, соответствующая существующему в данный момент парциальному давлению пара, ниже температуры, полученной на поверхности даже в наиболее интенсивно охлаждаемых местах плазматрона, а именно, на электродах, благодаря чему в зоне дуги плазматрона явления конденсации и обусловленного ею испарения конденсата фактически исключены.

Хотя использование воды с температурой, по меньшей мере, 80^oC в качестве хладагента позволяет оптимальным образом решить задачи, лежащие в основе изобретения, и хотя исчерпывающе полного решения проблемы конденсации удалось достичь дополнительным разбавлением пара воздухом для образования плазменной газовой среды и тем самым для снижения температуры конденсации газа паровой плазмы, настоящее изобретение этими примерами не ограничивается. Напротив, могут быть внесены различные модификации, связанные со способностью хладагента отдавать тепло, с величиной давления в плазменном реакторе, а также с соответствующими точками фазового перехода. Указанные вариации и модификации служат для исключения проблем, возникающих в случае плазматронов, содержащих преимущественно пар в качестве плазменного газа, причем эти проблемы возникают в результате конденсации пара на охлаждаемых деталях плазматрона, а исключить их можно таким подбором параметров охлаждения и/или конденсации, что конденсация плазменного газа или его компонентов в охлаждаемых местах плазматрона, в особенности на электродах, практически исключена.

Формула изобретения

1. Способ обеспечения стабильной работы плазмотрона, включающий использование водяного пара в качестве компонента плазменного газа и охлаждение термически высоконагруженных элементов с помощью хладагента, отличающийся тем, что температуру хладагента и/или состав плазменного газа выбирают из условия, заключающегося в том, что температура конденсации плазменного газа ниже температуры поверхности охлаждаемых термически высоконагруженных элементов плазмотрона, определяемой температурой хладагента.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что уменьшают степень охлаждения термически высоконагруженных элементов плазмотрона и/или понижают температуру конденсации плазменного газа.

3. Способ по п.1 или п.2, отличающийся тем, что в качестве хладагента используют горячую воду с температурой по меньшей мере 80^oС.

4. Способ по одному из пп.1 3, отличающийся тем, что температуру конденсации плазменного газа понижают путем использования в качестве его второго компонента газа с более низкой температурой конденсации, чем у водяного пара.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что по окончании стадии образования водяного пара в паровую плазму примешивают воздух.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что плазменный газ содержит один компонент водяной пар, а в качестве хладагента используют воду с температурой не менее 80^oС.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что в состав плазменного газа вводят газ, обеспечивающий более низкую температуру конденсации плазменного газа по сравнению с температурой конденсации водяного пара.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что газом, обеспечивающим более низкую температуру конденсации, является воздух.

9. Плазмотрон с использованием водяного пара в качестве составной части плазменного газа, содержащий охлаждающее устройство для охлаждения термически высоконагруженных элементов плазмотрона, отличающийся тем, что охлаждающим устройством является охлаждающее устройство на горячей воде с температурой охлаждающей воды на входе по меньшей мере 80^oС.

10. Плазмотрон по п. 9, отличающийся тем, что термически высоконагруженными элементами являются электроды плазмотрона.

11. Плазмотрон по п.9 или 10, отличающийся тем, что плазменным газом является чистый водяной пар.

12. Плазмотрон по п.9 или 10, отличающийся тем, что плазменным газом является смесь водяного пара, и по меньшей мере одного газа с более низкой температурой конденсации, чем у водяного пара.

13. Плазмотрон по п.12, отличающийся тем, что другим газом является воздух.

14. Плазмотрон по пп.9 13, отличающийся тем, что температура хладагента на входе в плазмотрон составляет 80^oС, а температура хладагента на выходе из плазмотрона составляет от 81 до 82^oС.

15. Плазмотрон по пп.9 14, отличающийся тем, что хладагентом является вода, протекающая через охлаждаемые части плазмотрона со скоростью от 50 до 70 м/с.