Введение к работе
Актуальность работы.
В настоящее время во всем мире накапливается огромное количество отходов. Отходы образуются в различных сферах человеческой деятельности: в промышленности, энергетике, сельском хозяйстве, строительстве, функционировании муниципалитетов, в быту. Токсичные вещества длительное время сохраняются, накапливаются, мигрируют и трансформируются. Особенно это относится к органическим веществам, синтезированным и не имеющим аналогов в природе. Число таких веществ неуклонно растет по мере развития химии, химических технологий и родственных отраслей.
Широко применяемые в настоящее время методы термической переработки отходов обладают рядом принципиальных недостатков. К ним в первую очередь относятся образование и выброс в атмосферу больших количеств токсичных веществ: уноса золы, содержащей тяжелые металлы, сажи, монооксида углерода, оксидов серы и азота, соединений хлора, и таких супероксидантов, как диоксины и фураны. Шлаки также содержат недогоревший углерод и полиароматику. В то же время подавляющее большинство отходов содержат в основной массе органические соединения и, таким образом, при эффективных методах переработки могут являться возобновляемыми источниками энергии. Наиболее перспективным органосодержащим сырьем для газификации и пиролиза в первую очередь являются отходы древесины, специально подготовленные муниципальные отходы (RDF) с большим содержанием углерода, а также уголь, запасы которого достаточно велики. Причем методы газификации древесины, RDF и угля достаточно близки. Прямое сжигание угля на электростанциях связано с серьезными техническими, а главное, экологическими проблемами, которые усугубляются при использовании высокозольных и сернистых углей.
Применение плазменного нагрева в процессе пиролиза и газификация твердого топлива является альтернативой применению чистого кислорода в составе дутья. Плазменные процессы обеспечивают высокие и эффективные температуры переработки, которые не могут быть достигнуты другими методами нафева. Высокотемпературный газовый поток, за счет происходящих в нем процессов диссоциации и ионизации, имеет высокое энергосодержание. Греющая способность такого потока при воздействии на поверхность вещества на порядок выше, чем греющая способность, которая может быть достигнута при использовании топлива. Последнее обстоятельство позволяет ускорять технологические процессы, связанные с переработкой отходов.
Отличительной особенностью плазменных процессов является их высокая селективность, обеспечивающая получение целевых продуктов при незначительном
4 образовании побочных продуктов. Особой проблемой является переработка и нейтрализация особо токсичных веществ. Для этих целей применение плазменных технологий является оптимальным, поскольку высокая температура плазменной струи позволяет разложить на атомарные составляющие практически любое вещество и затем нейтрализовать их.
В настоящее время во всем мире наблюдается все возрастающий интерес к исследованию и применению плазменных технологий. Таким образом, исследование возможностей различных вариантов технологических решений является, безусловно, актуальным. Объект и предмет исследований.
Объектами исследований являются плазмохимические экспериментальные установки по переработке токсичных и органосодержащих веществ, использующих в качестве источника энергии свободногорящие сильноточные дуги и плазматроны переменого тока.
Предметом исследований работы являются основные физические процессы в свободно горящих сильноточных дугах, режимы горения дуг в плазматронах, процессы, происходящие в плазмохимических реакторах при деструкции токсичных веществ и газификации органосодержащих веществ. Цель работы.
-
Выяснение возможности использования свободно горящих дуг и мощных плазматронов в качестве источника энергии в плазмохимических системах по переработке токсичных и органосодержащих веществ.
-
Проведение экспериментальных и теоретических исследований свободно горящих сильноточных дуг и режимов горения дуг в разрядных камерах мощных плазматронов.
-
Создание экспериментальных установок: по переработке токсичных веществ и переработке твердых и жидких органо-содержащих веществ, с применением металлического расплава и плазматронов переменного тока.
-
Исследование процессов в плазмохимических реакторах, предназначенных для переработки токсичных и органо-содержащих отходов. Анализ полученных результатов для их использования при создании крупных промышленных систем.
Методы исследований.
Для исследования процессов в свободно горящих сильноточных дугах и процессов, происходящих в камерах сильноточных плазматронов, применялись методы высокоскоростной оптической диагностики, спектроскопии, измерение электрических параметров сильноточных дуг (ток, напряжение, скорость нарастания тока, формы кривых тока и напряжения, мощность). Применялись датчики расхода газа, температуры потока,
5 давления в потоке и в разрядных камерах. При исследовании процессов в плазмохимнческих реакторах использовались оптические методы, датчики расхода газов, давления и температуры, масс спектроскопия и химические методы анализа отходящих газов. Для расчетов процессов в сильноточных дуговых разрядах и процессов в плазмохимнческих реакторах, использовались современные компьютерные программы, основывающиеся на наличии равновесного состава газов и плазмы. Научная новизна.
1. Проведены исследования свободно горящих сильноточных дуг с параметрами ,
характерными для плазмохимнческих реакторов, токи порядка 10 кА, обдуваемые слабым
потоком азота или аргона.
В качестве материала электродов используется углерод и металлы, в этом случае при
стабилизации дуги азотом или аргоном показано, что основное количество носителей тока
поступает в дугу за счет ионизации атомов углерода и металла. Вследствие этого при
постоянном диаметре столба разряда вольтамперные характеристики носят растущий
характер.
Показано, что при замыкании сильноточной дуги на расплав основная доля энергии дуги
уходит в расплав, в объем реактора переходит не более 35% энергии дуги.
2. Обосновано применение в проведенных экспериментах трехфазных плазматронов с
стержневыми и рельсовыми электродами для работы на инертных и окислительных средах
(воздухе, кислороде, парах воды и СО2). Диапазон мощностей плазматронов варьировался
для окислительных сред от 30 до 500 кВт, для инертных сред до 2 МВт. Для оптимизации
систем энергопитания плазмотронов создан и исследован тиристорный регулятор
напряжения (мощности) энергопитания многофазного плазматрона. Изменение напряжения
достигалось без изменения индуктивности в цепи энергопитания плазматрона.
Регулирование осуществлялось изменением задержки угла включения (а) тиристоров
относительно полуволн напряжения питающей сети.
-
При поведении исследований установлено, что контрагированный столб дуги выдувается потоком газа. При трехфазном режиме горения дуг наблюдается сглаживание пиков повторного зажигания. Это объясняется большей концентрацией электронов в разрядном промежутке. При трехфазном режиме горения форма кривой напряжения близка к синусоиде, что значительно улучшает энергетические характеристики плазматронов.
-
Создана и исследована экспериментальная установка для переработки твердых и жидких токсичных веществ с использованием трехфазного плазматрона переменного тока. Температура струи воздушной плазмы варьировалась от 4000 до 6000 К. В нее тангенциально вдувалась смесь воздуха с частицами перерабатываемого вещества. При
переработке токсичных веществ конверсия по НС1 достигала 99,9% по NOx более 90%. Исследовалась переработка жидких токсичных веществ, в частности хладона 113 (C2F3CI3), эксперименты проводились в предварительно разогретом до 1600 С реакторе. В зоне реактора происходила фактически полная деструкция вещества. Создана и исследована экспериментальная установка для переработки твердых и жидких отходов с применением расплава и плазматронов переменного тока, расположенных в верхней части реактора. При переработке смешанных отходов в режиме, предусматривающем полное окисление углерода и температуре в реакторе 1650 К, получен синтез-газ со следующим мольным составом СО ~ 32%, Нг ~ 28%, N2 ~ 29%. Исследована газификация твердых отходов и угля на установке с радиально расположенными плазматронами. При газификации каменных углей получен газ с энергосодержанием -(3,5^3,6) МДж/м3 и выходе ~ 3,5 м3/кг. Показано преимущество использования плазматронов по сравнению со свободно горящими дугами для ввода энергии в ректор при реализации процесса газификации. Практическая ценность.
В результате проведенных экспериментальных и теоретических исследований свободно горящих дуг и процессов в электродуговых камерах плазматронов со стержневыми и рельсовыми электродами, обосновано преимущество плазматронов перед свободно горящими дугами для плазменной переработки токсичных и смешанных отходов. На базе плазматронов создана установка для переработки токсичных твердых и жидких отходов с вертикально расположенным плазматроном и установка для переработки смешанных отходов с применением расплава металла и плазматронов переменного тока, которые расположены в верхней части плазмохимического реактора. На основании экспериментальных исследований и теоретических расчетов физико-химических процессов, происходящих при переработке веществ, проведена оценка возможности создания промышленных систем большой единичной мощности. Основные результаты, полученные лично автором.
- Проведены исследования свободно горящих сильноточных дуг с параметрами,
характерными для плазмохимических реакторов, токи порядка 10 кА, обдуваемые слабым
потоком 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.
- Обосновано применение трехфазных плазматронов со стержневыми и рельсовыми электродами для работы на инертных и окислительных газах. Диапазон мощностей плазматронов варьировался для окислительных сред от 30 до 500 кВт, для инертных сред до 2 МВт.
7 Для оптимизации систем энергопитания плазматронов создан и исследован тиристорный регулятор напряжения (мощности) энергопитания многофазного плазматрона.
- Исследованы режимы горения дуг переменного тока в камерах мощных плазматронов,
предназначенных для работы в плазмохимнческих реакторах.
Установлено, что при трехфазном режиме горения дуг наблюдается сглаживание пиков повторного зажигания. В режиме трехфазного горения дуги горят более стабильно, т.к. после прохождения тока через ноль не требуется повышение напряжения для повторного пробоя. При трехфазном режиме горения форма кривой напряжения близка к синусоиде, что значительно улучшает энергетические характеристики плазматронов.
- Разработаны принципиальные технологические схемы, созданы и исследованы
экспериментальные установки; для переработки твердых и жидких токсичных веществ с
использованием трехфазного плазматрона переменного тока; установка для переработки
твердых и жидких отходов с применением расплава и плазматронов переменного тока,
расположенных в верхней части реактора. Проведены экспериментальные исследования
переработки токсичных веществ, в частности хладона 113, а также переработки и утилизации
смешанных отходов.
Апробация работы и научные публикации.
По материалам диссертации сделаны доклады на следующих конференциях:
ТРР-5 Fifth European Conference THERMAL PLASMA PROCESSES (V Европейская
конференция по термическим процессам (г. Санкт-Петербург, 1998 г.)
High Technology Plasma Processes HTTP9 (9"я Международная конференция по
высокотехнологичным плазменным процессам) (г. Санкт-Петербург, 2006 г.)
2007 IEEE Pulsed Power and Plasma Science Conference (Международная научная
конференция по импульсной технике и плазменным исследованиям) (Альбукерке, 2007)
Основные материалы диссертации опубликованы в 9 работах: 6 печатных статей в
рецензируемых изданиях и 3 тезиса докладов. Список публикаций приведен в конце
автореферата.
Объем и структура диссертации.
Похожие диссертации на Исследование и создание установок по переработке токсичных веществ и смешанных отходов с использованием свободно горящих сильноточных дуг и плазмотронов переменного тока
