Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор электродуговых генераторов пароводяной плазмы 14
1.1. Области применения пароводяной плазмы 14
1.2. Классификация плазмотронов 16
1.3. Плазмотроны с водяной стабилизацией дуги 19
1.4. Плазмотроны с паровихревой стабилизацией дуги 24
1.5. Выводы 34
2. Особенности конструкции электродугового пароводяного трехфазного плазмотрона переменного тока и экспериментальный стенд 37
2.1. Описание конструкции электродугового пароводяного трехфазного плазмотрона переменного тока 37
2.2. Экспериментальный стенд для исследования плазмотронов
2.2.1. Система электропитания 44
2.2.2. Системы обеспечения воздухом и водяным паром 47
2.2.3. Система охлаждения стенда 50
2.2.4. Диагностическая камера и система газоочистки 51
2.3. Выводы 54
3. Методики проведения исследований и контрольно измерительное оборудование 56
3.1. Методики проведения исследований 56
3.1.1. Измерение электрических параметров плазмотрона 56
3.1.2. Измерение потерь тепла в элементы конструкции плазмотрона и термический КПД 59
3.1.3. Измерение геометрических параметров электрических дуг
3.2. Контрольно-измерительное оборудование 64
3.3. Система измерения и регистрации электрических параметров плазмотрона 69
3.4. Выводы з
4. Параметры электрической дуги, горящей в смеси водяного пара и воздуха в трехфазном пароводяномплазмотроне 73
4.1 Условия проведения экспериментов и результаты 73
4.2 Оценка параметров электрической дуги и обсуждение результатов 75
4.3 Выводы 83
5. Внешние характеристики трехфазного пароводяного плазмотрона 86
5.1. Вольтрасходные и вольтамперные характеристики плазмотрона 86
5.2. Тепловые характеристики: мощность, термический КПД, теплосодержание, среднемассовая температура 90
5.3. Выводы 96
6. Анализ перспективности применения трехфазного пароводяного плазмотрона 99
6.1. Плазменная газификация и области применения синтез-газа 99
6.2. Методика расчета процесса газификации и оценки выходов электроэнергии в комбинированном цикле и жидких синтетических топлив 101
6.3. Материальный и тепловой баланс. Основные параметры процессов газификации отходов пластика 105
6.4. Основные параметры использования синтез-газа 108
6.5. Выводы
Заключение 113
Список литературы
- Плазмотроны с водяной стабилизацией дуги
- Экспериментальный стенд для исследования плазмотронов
- Измерение потерь тепла в элементы конструкции плазмотрона и термический КПД
- Оценка параметров электрической дуги и обсуждение результатов
Введение к работе
Актуальность темы. Современная экономика развитых и большинства развивающихся стран базируется на потреблении энергии ископаемых видов топлива, и согласно прогнозам, по крайней мере, в текущем столетии будущее глобальной энергетики будет связано с их использованием. Поэтому стабильный доступ к энергоносителям и стабильные цены на них являются основой глобального экономического роста. Ведущими ископаемыми видами топлива в настоящий момент являются нефть и газ. По оценкам в ближайшие 20-30 лет снижение добычи этих двух основных энергоресурсов может стать серьезной проблемой мирового масштаба. Однако, уже сейчас нестабильная ситуация в Северной Африке и на Ближнем Востоке, регионах, страны которых являются одними из крупнейших поставщиков энергоресурсов, подчеркивает важность создания резервных мощностей и развития использования других видов ископаемых топлив и, главным образом, угля, запасы которого достаточно велики. Но стоит отметить, что традиционные методы использования угля в качестве топлива нуждаются в пересмотре, так как не отвечают современным экологическим требованиям.
В последнее время в мире рассматривается концепция комплексной переработки угля на основе процесса газификации, с получением синтез-газа (смесь водорода и монооксида углерода) и сопутствующих ценных компонентов из минеральной массы угля: алюминия, карбидов железа, технического кремния, ферросилиция и др. Синтез-газ может использоваться как в качестве топлива для парогазовых установок комбинированного цикла с КПД более 60 %, так и как сырье для получения водорода, жидких синтетических топлив и других химических продуктов. Как показывают многочисленные оценки и исследования, наиболее эффективным и экологически чистым процессом газификации угля является плазменная газификация с применением низкотемпературной пароводяной плазмы, генерируемой при нагреве газа электрической дугой. При газификации угля с применением пароводяной плазмы получают синтез-газ, не содержащий смол, и состоящий на 95% и более из монооксида углерода и водорода.
Еще одной важной проблемой являются различные виды отходов, количество которых год от года растет. Большинство отходов содержат в себе большое количество органики и могут быть использованы в качестве топлива в процессах плазменной газификации. В случае газификации отходов, пароводяная плазма является оптимальным окислителем для сырья с высокой теплотой сгорания -отходов пластика, резины, отработанных моторных масел и др.
Также стоит отметить, что применение пароводяной плазмы эффективно в процессах получения синтез-газа путем конверсии метана и его гомологов. Это особенно актуально в связи с растущим интересом к переработке попутного нефтяного газа с получением жидких синтетических топлив.
Ключевым элементом перечисленных технологий являются электродуговые генераторы плазмы (плазмотроны), благодаря которым осуществляется эффективный ввод энергии и необходимого количества окислителя в плазмохимический процесс. Это позволяет получать синтез-газ требуемого состава, высокой чистоты и с высокими энергетическими характеристиками, которые определяют эффективность его использования.
Безусловно, для промышленного применения в составе плазмохимических установок представляют интерес в первую очередь плазмотроны сравнительно большой мощности, с длительным ресурсом работы, обладающие высокой эффективностью, низкой коммерческой стоимостью и низкими эксплуатационными затратами. Существующие на сегодняшний день пароводяные плазмотроны не нашли широкого применения из-за ряда принципиальных недостатков (низкий термический КПД, высокая эрозия электродов, высокая стоимость защитных газов). Поэтому вопросы разработки и исследования новых электродуговых пароводяных плазмотронов, отвечающих перечисленным выше требованиям, весьма актуальны.
Цели и задачи работы. Целью диссертационной работы является создание электродугового трехфазного пароводяного плазмотрона переменного тока с воздушной защитой электродов мощностью до 100 кВт, исследование электрофизических процессов, протекающих в его разрядных каналах и изучение внешних характеристик работы плазмотрона для оптимизации его эксплуатационных параметров в условиях, характерных для различных плазмохимических приложений, а также для создания пароводяных плазмотронов большей мощности с высоким ресурсом работы. Для достижения данной цели в работе поставлены следующие задачи:
создать экспериментальный стенд для испытаний и исследования пароводяных плазмотронов переменного тока с системами измерения и регистрации их рабочих параметров;
исследовать параметры электрической дуги переменного тока, горящей в смеси водяного пара и воздуха при атмосферном давлении в трехфазном пароводяном плазмотроне;
установить зависимости внешних характеристик плазмотрона (вольтрасходные и вольтамперные характеристики, мощность, термический КПД, теплосодержание и
среднемассовая температура плазмы) от расхода водяного пара, расхода защитного воздуха, массовой доли водяного пара в плазмообразующей смеси и тока, определить диапазоны регулирования рабочих параметров плазмотрона;
- выполнить расчет параметров процессов автотермической и плазменной газификации на примере газификации отходов пластика с применением воздуха в качестве окислителя, а также паровоздушной плазмы с параметрами по составу и теплосодержанию, реализуемыми в рассматриваемом в работе плазмотроне, выполнить оценки потенциально возможных показателей технологического использования получаемого синтез-газа, на основе полученных данных провести анализ перспективности применения плазмотрона в технологии плазменной газификации.
Методы исследований. Для решения поставленных в работе задач, проводились измерения мгновенных значений электрических параметров плазмотрона методом осциллографирования, по осциллограммам рассчитывались действующие значения токов и напряжений, а так же мощность. Для определения термического КПД плазмотрона проводились измерения потерь тепла в охлаждающий теплоноситель. Оценка параметров электрических дуг (плотности тока, напряженности электрического поля) проводилась по геометрическим характеристикам разряда (световой диаметр, длина). Геометрические характеристики электрических дуг определялись с помощью оптических методов (высокоскоростная видеосъемка, фотосъемка). Обработка отснятого материала проводилась в графическом редакторе с применением методов начертательной геометрии. Использовался современный программный пакет для расчета равновесного состава плазмы и продуктов плазменной газификации.
Научная новизна
-
Впервые создан электродуговой трехфазный пароводяной плазмотрон переменного тока с воздушной защитой медных электродов стержневого типа мощностью до 100 кВт.
-
В результате проведения серии экспериментов на созданном плазмотроне впервые получены экспериментальные данные по электрическим и геометрическим параметрам разряда, термическому КПД, вольтрасходные и вольтамперные характеристики в зависимости от расходов водяного пара и защитного воздуха, массовой доли водяного пара в плазмообразующей смеси и тока.
-
При исследовании электрической дуги переменного тока, горящей в смеси водяного пара и воздуха в плазмотроне установлено, что рост средней напряженности
4 электрического поля, вызванный увеличением массовой доли водяного пара в плазмообразующей смеси, связан с изменением удельной проводимости дуги. В результате сопоставления экспериментальных и расчетных данных по удельной проводимости оценен диапазон изменения температуры дуги. Установлено, что проводимость в рассматриваемом диапазоне температур и соотношений водяного пара и воздуха слабо зависит от состава среды и определяется температурой, а основной вклад в проводимость вносят кулоновские столкновения. Снижение температуры дуги и проводимости с ростом содержания пара в смеси вызвано интенсификацией теплообмена.
-
Установлено, что влияние расхода защитного воздуха на падение напряжения на дуге при постоянном расходе водяного пара определяется двумя факторами -изменением суммарного расхода смеси и изменением её состава. Установлено, что падающий характер ВАХ плазмотрона вызван ростом температуры и проводимости дуги.
-
В результате численного моделирования процессов газификации отходов пластика установлено, что использование процесса паровоздушной плазменной газификации отходов пластика для энергетики нецелесообразно, так как с учетом энергозатрат на процесс полезный удельный выход электроэнергии в комбинированном цикле и удельный выход тепловой энергии оказываются сопоставимыми с аналогичными показателями воздушной автотермической и воздушной плазменной газификации. Однако сделан вывод, что паровоздушная плазменная газификация является перспективным способом получения синтез-газа из сырья с высокой теплотой сгорания для его использования в технологии синтеза жидких топлив.
Практическая значимость работы. Создан электродуговой трехфазный пароводяной плазмотрон переменного тока с воздушной защитой электродов мощностью до 100 кВт. Результаты, полученные в ходе экспериментальных и расчетных исследований плазмотрона, могут быть применены для создания пароводяных плазмотронов переменного тока большей мощности с длительным ресурсом работы. Проведенные расчетные оценки показывают перспективность применения созданного плазмотрона в технологии плазменной газификации сырья с высокой теплотой сгорания. Также созданный плазмотрон может быть использован в технологиях конверсии в синтез-газ метана и его гомологов, что особенно актуально для переработки попутного нефтяного газа в синтетические жидкие топлива.
Личный вклад автора состоит в непосредственном участии в создании плазмотрона и экспериментального стенда, выборе методик экспериментов, их проведении, а
5 также обработке, анализе и обобщении экспериментальных и расчетных результатов. При создании плазмотрона автор непосредственно участвовал в принятии основных конструктивных решений. Автором получены и проанализированы экспериментальные данные по электрическим и геометрическим параметрам дуг, термическому КПД, вольтрасходным и вольтамперным характеристикам плазмотрона в зависимости от расходов водяного пара и защитного воздуха, массовой доли водяного пара в плазмообразующей смеси и тока. Получены данные по удельной эрозии медных стержневых электродов. Проведен анализ и обобщение экспериментальных и расчетных данных по удельной проводимости дуги. Выполнен анализ результатов численного моделирования процессов воздушной автотермической, воздушной плазменной и паровоздушной плазменной газификации отходов пластика, а также потенциально возможных показателей технологического использования получаемого синтез-газа.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Результаты экспериментального исследования и расчетных оценок параметров электрической дуги переменного тока, горящей в смеси водяного пара и воздуха в различных соотношениях при атмосферном давлении в созданном трехфазном пароводяном плазмотроне.
-
Результаты исследования внешних характеристик созданного трехфазного пароводяного плазмотрона (вольтрасходные и вольтамперные характеристики, мощность, термический КПД, теплосодержание и среднемассовая температура плазмы). Анализ различных факторов (расход водяного пара, расход защитного воздуха, массовая доля водяного пара в плазмообразующей смеси, ток), влияющих на внешние характеристики созданного плазмотрона.
-
Результаты численного моделирования процессов автотермической и плазменной газификации отходов пластика с применением воздуха в качестве окислителя, а также с применением паровоздушной плазмы с параметрами по составу и теплосодержанию, реализуемыми в созданном плазмотроне. Оценки потенциально возможных показателей технологического использования получаемого синтез-газа (удельного выхода электроэнергии для системы на основе газификации и комбинированного цикла, а также выхода жидких синтетических топлив). Выполненные оценки показывают перспективность применения созданного плазмотрона в технологии плазменной газификации сырья с высокой теплотой сгорания.
Достоверность полученных результатов обоснована использованием современных методов диагностики и измерительных приборов, возпроизводимостью экспериментальных результатов. Результаты расчетов получены с использованием компьютерных программ, созданных на основе фундаментальных законов термодинамики, плазмохимии и химической кинетики, имеющих интегрированные базы данных физико-химической информации и реализующих новейшие вычислительные методы.
Апробация работы и научные публикации. По материалам диссертации сделаны доклады на следующих конференциях: V Int. Conf. Plasma Physics and Plasma Technology, 2006. Minsk, Belarus; XXII Межд. конф. «Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество», 2007, Эльбрус, Россия; The 34і IEEE Int. Conf. on Plasma Science and The 16th IEEE Int. Pulsed Power Conf, 2007, Albuquerque, New Mexico, USA; Всероссийская (с межд. участием) конф. "Физика низкотемпературной плазмы - 2007", 2007, г. Петрозаводск, Россия; XXVIII Int. Conf. on Phenomena in Ionized Gases, 2007, Prague, Czech Republic; 10th Int. Conf. on Gas Discharge Plasmas and Their Technological Applications, 2007, Tomsk, Russia; 10th High-Tech Plasma Processes Conf., 2008, Patras, Greece; Всероссийская XII Школа молодых ученых "Актуальные проблемы физики", 2008, Звенигород, Россия; European Materials Research Society 2009 Spring Meeting, 2009, Strasbourg, France; The 17th IEEE Int. Pulsed Power Conf., 2009, Washington, D.C., USA; 11th High-Tech Plasma Processes Conf., 2010, Brussels, Belgium; 12th High-Tech Plasma Processes Conf., 2012, Bologna, Italy; Межд. научно-техническая конференция «Энергоэффективность-2012», 2012, Санкт-Петербург, Россия.
Основной материал диссертации опубликован в 28 работах: 16 статей, 10 из которых в рецензируемых изданиях, и 12 тезисов докладов. Список основных публикаций в рецензируемых изданиях приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав с выводами по каждой из них, заключения, списка использованной литературы. Диссертация содержит 138 страниц машинописного текста, 6 таблиц, 55 рисунков по тексту, список литературы из 157 наименований.
Плазмотроны с водяной стабилизацией дуги
Глобальный экономический рост, сопровождаемый увеличением среднего уровня жизни населения Земли, приводят к росту глобального потребления энергии. В настоящее время, основным движителем этого процесса являются страны с развивающейся экономикой, только на Китай в 2012 году приходится 77% роста мирового потребления энергии [1]. Доминирующее положение в глобальной энергетике по-прежнему занимают ископаемые виды топлива, и согласно прогнозам, по крайней мере, в текущем столетии будущее энергетики будет связано с их использованием. Ведущим ископаемым топливом в настоящее время является нефть, доля которой в 2012 году составила 33,1 % глобального потребления энергии [1]. Однако бурные события «арабской весны», потрясшие мировые энергетические рынки подчеркнули важность создания резервных мощностей и развития использования других видов ископаемых топлив и, главным образом, угля, запасы которого достаточно велики [1,2-5]. Но стоит отметить, что традиционные методы использования угля в качестве топлива нуждаются в принципиальном пересмотре, так как ведут к значительным выбросам углекислого газа, оксидов азота, серы, а также большого количества шлака, что не отвечает современным экологическим требованиям.
В последнее время в мире рассматривается концепция комплексной переработки угля на основе процесса газификации, с получением синтез-газа (смесь водорода и монооксида углерода) и сопутствующих ценных компонентов из минеральной массы угля: алюминия, карбидов железа, технического кремния, ферросилиция, карбосилиция и др.
Наиболее широко распространены в промышленности методы парокислородной газификации Лурги, Винклера, Копперс — Тотцека и Тексако [6,7]. В основе перечисленных методов лежит автотермический процесс газификации, при котором высокая температура, требуемая для реализации эндотермических реакций газификации, обеспечивается за счет сжигания существенной части газифицируемого угля (до 25 - 30 %) в газогенераторе. Полное сгорание части угля обусловливает наличие в продуктах газификации значительного количества углекислого газа, а также негативно отражается на экономике процесса. Кроме того сжигание угля в газогенераторе приводит к значительному потреблению дорогостоящего в получении кислорода и перегретого водяного пара. В связи с этим могут представлять особый интерес методы, когда тепловая энергия вносится в процесс газификации посторонним теплоносителем (аллотермическая газификация). Одним из таких методов является плазменная газификация с применением низкотемпературной плазмы, генерируемой при нагреве газа электрической дугой. Основными преимуществами плазменной газификации являются высокая плотность энергии в реакционной зоне, ускорение химических реакций, увеличение производительности, уменьшение массогабаритных параметров установок, расширенные возможности управления процессом, более полное преобразования углерода в его монооксид, увеличение удельного выхода химической энергии синтез-газа и снижение концентрации негорючих примесей, возможность получать газ с составом близким к оптимальному, который уменьшает число дополнительных операций по его подготовке (осушение, очистка от смол и т.д.) [7-Ю].
Многочисленные исследования показывают, что наиболее эффективной средой для процесса плазменной газификации угля является пароводяная плазма. При газификации угля с применением пароводяной плазмы получают газ, состоящий на 95% и более из монооксида углерода и водорода и не содержащий смол, фенолов и полициклических углеводородов [7,11-30].
Еще одной острой проблемой настоящего времени являются различные виды отходов, количество которых год от года растет. Это — выбросы токсичных веществ в окружающую среду, вредные и ядовитые промышленные отходы, отходы медицины, деревообработки и сельского хозяйства, бытовые и лгуниципальные отходы [31-34].
Большинство отходов содержат в себе большое количество органической составляющей и могут быть также использованы в качестве топлива в процессах плазменной газификации. Вредные токсичные вещества путем высокотемпературной плазменной обработки можно разложить на безвредные компоненты. Здесь применение пароводяной плазмы также перспективно [35-55].
Еще одним преимуществом использования пароводяной плазмы является возможность поддержания высоких температур, что приводит к интенсификации крекинга смол [56,57]. Также применение пароводяной плазмы эффективно в процессах получения синтез-газа путем конверсии метана и его гомологов [58-65]. Это особенно актуально в связи с растущим интересом к переработке попутного нефтяного газа.
Важность развития перечисленных плазменных технологий обуславливается также многосторонним характером использования получаемого синтез-газа. Кроме топлива для ТЭС синтез-газ может быть использован в качестве исходного сырья в процессах получения водорода, жидких синтетических топлив (спиртов, бензина, дизельного топлива) и других химических продуктов [66-69], а также в металлургической промышленности как восстановительный газ [70].
Основным элементом большинства систем плазменной газификации и конверсии являются электродуговые генераторы плазмы (плазмотроны). Как было отмечено выше, для многих из этих процессов пароводяная плазма является оптимальной средой. Поэтому вопросы разработки и исследования электродуговых генераторов пароводяной плазмы весьма актуальны.
На сегодняшний день существует большое количество моделей электродуговьгх плазмотронов. Среди этого многообразия можно выделить определенные группы с общими свойствами. Например, по роду тока электродуговые плазмотроны подразделяются на плазмотроны постоянного тока [71-79] и переменного тока [80-103]. По длительности работы плазмотроны делятся на импульсные или стационарные, а по роду плазмообразугощей среды на работающие с нейтральными, восстановительными или окислительными средами. Также среди вышеперечисленных типов плазмотронов можно выделить группы, обладающие различными конструктивными особенностями, такими как количество и геометрия разрядных камер или каналов, материал, форма и расположение электродов. Кроме того, плазмотроны могут отличаться и способом стабилизации дуги. По способу стабилизации дуги электродуговые плазмотроны можно разделить на три основных класса: плазмотроны с вихревой стабилизацией, плазмотроны с магнитной стабилизацией и со стабилизацией дуги стенками разрядного канала.
Вихревая стабилизация дуги осуществляется с помощью тангенциальной подачи рабочего газа или жидкости в разрядную камеру плазмотрона. Стабилизация дуги в плазмотронах с магнитной стабилизацией осуществляется за счет вращения дуги под действием магнитного поля, создаваемого соленоидом. Стабилизация стенками разрядного канала происходит, как правило, в результате обжатия столба дуги цилиндрическими охлаждаемыми вставками, изолированными от электродов плазмотрона. Однако чаще всего используются комбинации перечисленных способов стабилизации дуги.
Электроды плазмотронов постоянного и переменного тока могут быть стержневыми, кольцевыми, трубчатыми, тороидальными, причем часто электроды одновременно являются элементами разрядной камеры или канала плазмотрона. Иногда одним из электродов является сам обрабатываемый материал, например, в случае плазменной резки или сварки. В данном контексте плазмотроны можно разделить ещё на два вида - плазмотроны с дугой прямого действия (переносимой) и плазмотроны с дугой косвенного действия (непереносимой).
Экспериментальный стенд для исследования плазмотронов
В настоящей главе описаны особенности конструкции электродугового пароводяного трехфазного плазмотрона переменного тока с электродами стержневого типа, а также состав и назначение элементов экспериментального стенда.
Основной технической особенностью описываемого плазмотрона являются водоохлаждаемые стержневые электроды. Данные электроды используются в разработанных в ИЭЭ РАМ плазмотронах, работающих на инертных, восстановительных и окислительных средах, и, прежде всего на воздухе [133-138]. В качестве материала электродов используется медь и сплав меди с железом (70% Си, 30% Fe). Эрозия электродов при работе на воздухе составляет порядка 10"5 -10 г/Кл. Ресурс непрерывной работы электродов более 300 часов.
Как известно из ряда исследований эрозия медных электродов при работе на водяном паре лежит в диапазоне 10"3 - 10"4 г/Кл [139], что на несколько порядков выше, чем при работе на воздухе или инертных газах. Это вызвано высокими концентрациями диссоциированных кислорода и водорода в приэлектродной зоне. Высокая концентрация кислорода ведет к интенсивному окислению рабочей поверхности электродов, а наличие водорода существенно увеличивает тепловой поток в электрод. В связи с этим, для повышения ресурса работы пароводяных плазмотронов было принято решение о необходимости газовой защиты электродов с последующим вдувом плазмообразующего водяного пара не в зону электрода, а в зону горения электрической дуги. Данные электроды были изначально разработаны для применения в воздушных плазмотронах и, как отмечено выше, показали хорошие результаты по величине эрозии. Поэтолгу в качестве защитного газа было принято решение использовать воздух. Как отмечено в предыдущей главе, в большинстве пароводяных плазмотронов в качестве защитного газа используются инертные газы (в основном аргон), что значительно увеличивает стоимость их эксплуатации в непрерывных технологических процессах. Поэтому выбор воздуха в качестве защитного газа является наиболее перспективным. Внешний вид плазмотрона изображен на рисунке 2.1. Плазмотрон представляет собой конструкцию, состоящую из трехканального модуля подачи водяного пара (рис. 2.1, поз. 1) и трех электродных модулей (рис. 2.1, поз. 2). Схема плазмотрона в разрезе приведена на рисунке 2.2. каналом, в котором устанавливается. Узел состоит из трех основных элементов: изолятора (рис. 2.3, поз. 1), канала охлаждения (рис. 2.3, поз. 2) и электрода (рис. 2.3, поз. 3). Зазор между стенкой цилиндрического канала и электродом выбирается исходя из условия обеспечения самостоятельного пробоя приложенным между электродами напряжением. Электрод выполнен так, что между изолятором и зоной максимального диаметра электрода (в осевом направлении) существует промежуток с меньшим диаметром. Таким образом, при установке в цилиндрический канал, между стенкой канала и электродом образуется кольцевая полость, ограниченная в осевом направлении с одной стороны изолятором, а с другой стороны зоной максимального диаметра электрода с малым зазором (1,5 мм). Эта полость играет роль вихревой камеры, в нее подается рабочий газ из тангенциально просверленного в стенке канала отверстия. Закрученный поток формируется в зоне присоединения электрода к изолятору, обтекает зону минимального зазора между электродом и стенкой канала, и движется в сторону выхода из канала.
Охлаждение осуществляется подведением охлаждающей воды к торцу электрода по коаксиальному каналу типа «труба в трубе». Вода движется по центральной трубке, омывает торец электрода и сливается через внешний кольцевой канал. Через этот же коаксиальный канал подается напряжение на электроды. Присоединение электрода к каналу охлаждения выполнено с помощью резьбового соединения с резиновым уплотнительным кольцом. На силовые кабели устанавливаются латунные цанговые наконечники во фторопластовых изоляционных стаканах, которые одеваются на цилиндрические токоподводящие стержни в задних торцах каналов охлаждения.
Схема цилиндрического разрядного канала представлена на рисунке 2.4. Цилиндрический канал выполнен из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т, снабжен рубашкой подогрева (рис. 2.4, поз. 4) и штуцерами для подачи воздуха и подогревающего теплоносителя (рис. 2.4, поз. 1 и поз. 2). Диаметр канала 32 мм. Расстояние от торца электрода до выходного сечения цилиндрического капала составляет порядка 40 мм. В канале тангенциально просверлено отверстие для подачи газа (рис. 2.4, поз. 3). Узел со стержневым электродом вставляется в канал с заднего торца. Рубашка подогрева представляет собой кольцевую полость, разделенную перегородками на два полукольца с переливом в торце канала.
В корпусе (рис. 2.2, поз. 1) модуля подачи рабочего водяного пара, выполненном из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т имеются три разрядных канала. Разрядный канал модуля в зоне подачи рабочего водяного пара имеет цилиндрический участок, переходящий в зоне горения дуги в конический конфузор с углом раствора конуса 20 и небольшим цилиндрическим участком на выходе диаметром 25 мм. Электродные модули устанавливаются через фторопластовые изоляторы (рис. 2.2, поз. 5) так, что их передние торцы совпадают с сечением перехода цилиндрических участков в конические конфузоры. Подача рабочего водяного пара осуществляется раздельно в каждый канал через тангенциально просверленные отверстия. Крепление электродных модулей к корпусу, а также их соосность относительно конфузоров обеспечивается при помощи диска из стеклотекстолита и крепежной шпильки (на схеме плазмотрона не показаны). На корпусе модуля подачи водяного пара имеется две раздельные рубашки. Рубашка подогрева (рис. 2.2, поз. 3) расположена на корпусе в зоне подачи рабочего водяного пара и предназначена для предварительного разогрева стенок каналов.
Особенностью пароводяных плазмотронов, является необходимость поддержания высокой температуры стенок разрядных каналов (выше температуры кипения воды). Это необходимо для предотвращения конденсации рабочего водяного пара. Наличие капель конденсата в результате их перегрева и взрывообразного испарения приводит к нежелательным пульсациям, которые могут вызвать дестабилизацию дуги. Для того чтобы исключить конденсацию рабочего водяного пара на стенках разрядных каналов перед запуском плазмотрона в рубашки подогрева электродных модулей и модуля подачи рабочего водяного пара в качестве теплоносителя последовательно подается водяной пар температурой 120С, подогревающий стенки разрядных каналов. Впоследствии, при работе плазмотрона, подача подогревающего пара в эти рубашки прекращается, и разрядные каналы на данных участках не охлаждаются.
В основной зоне горения дуги разрядные каналы модуля подачи водяного пара охлаждаются водой, так как данный участок является самым термически нагруженным, особенно по мере приближения к выходу плазмотрона. Подача воды в рубашку охлаждения (рис. 2.2, поз. 2) основной зоны горения дуги осуществляется после запуска плазмотрона и разогрева его стенок. Кроме того, стенки каналов на данном участке выполнены достаточно толстыми (толщина стенок переменная и составляет от 10 до 22 мм). В условиях водяного охлаждения это позволяет в силу относительно низкой теплопроводности нержавеющей стали обеспечить высокую температуру внутренней поверхности каналов, достаточігую для предотвращения образования конденсата.
На корпусе модуля подачи водяного пара также имеется фланец для установки плазмотрона на диагностачесісую камеру или плазмохимическии реактор.
На рисунке 2.5 показана фотография работающего трехфазного пароводяного плазмотрона.
Принцип работы плазмотрона следующий. Защитный воздух тангенциально подается в цилиндрические каналы в зоне электродов и позволяет изолировать рабочую поверхность электрода от прямого контакта с водяным паром. В кольцевые зазоры, образованные внешними стенками цилиндрических каналов электродных модулей и стенками цилиндрических участков разрядных каналов модуля подачи водяного пара, также тангенциально подается рабочий водяной
Измерение потерь тепла в элементы конструкции плазмотрона и термический КПД
В данной главе представлены результаты исследования параметров электрической дуги переменного тока, горящей в смеси водяного пара и воздуха при атмосферном давлении в трехфазном пароводяном высоковольтном плазмотроне. В результате экспериментов были получены зависимости электрических параметров дуги и термического КПД плазмотрона от соотношения массовых расходов водяного пара и воздуха. С помощью высокоскоростной фото и видеосъемки были приближенно оценены геометрические параметры разряда. Также был выполнен расчет удельной электрической проводимости и температуры дуги в приближении термодинамического равновесия. Продолжительность каждого эксперимента составляла не менее часа. Все полученные значения параметров являются средними. В частности падение напряжения на дугах определялось как действующее значение за период горения дуги, то же относится к значениям тока. Соотношение массовых расходов водяного пара и воздуха менялось в диапазоне от 1,1 до 5,8, при этом, суммарный расход воздуха и пара поддерживался на приблизительно одинаковом уровне. Были проведены две серии экспериментов с различными суммарными расходами 4,9 - 5 г/с и 6,55 - 6,8 г/с. Действующее значение тока в ходе всех экспериментов поддерживалось постоянным и составляло 28,5±0,4 А. Схема установки при проведении экспериментов представлена в предыдущей главе на рисунке 3.6.
Результаты измерений свидетельствуют о том, что длина и световой диаметр дуги слабо зависят от соотношения расходов воздуха и водяного пара, а также от суммарного расхода плазмообразующей смеси в рассматриваемом диапазоне расходов. Эксперименты показали, что средний световой диаметр электрической дуги составляет 4,5±0,3 мм, а ее средняя длина 0,80±0,03 м. Плотность тока в дуге определялась по световому диаметру столба разряда, который, как показывают исследования, для диапазона токов -10-10 Аи давлений 1 Бар и более приближенно соответствует токовому диаметру [80,81,142-144]. Плотность тока рассчитывалась в предположении равномерного распределения тока по радиусу разряда и составила 180±25 А/см . Длина дуги определялась как средняя за период путем сложения длины разрядных каналов и длины внешнего участка дуги.
Стоит отметить, что в рассматриваемом плазмотроне дуги, не принимая во внимание приэлектродные области, имеют три характерных участка: 1 - участок дуги в цилиндрических каналах, обдуваемый воздушным потоком, 2 - участок дуги в конических каналах, обдуваемый как воздухом, так и водяным паром, 3 -участок дуги за пределами плазмотрона. Очевидно, что напряженность электрического поля по длине дуги в данных условиях распределена неравномерно. Это связано как с изменением состава обдувающей дугу среды, так и с изменением характера обдува на разных участках дуги. Известно, что напряженность электрического поля дуги, горящей в водяном паре, может в несколько раз превышать аналогичный показатель в воздушной среде [145]. Также известно, что в конфузорных каналах наличие радиальной составляющей скорости в сужающемся потоке газа, направленной внутрь столба дуги ведет к её более интенсивно газодинамическому обжатию по сравнению с обжатием в цилиндрическом канале [72,145]. В результате интенсивного газодинамического обжатия столба дуги в конфузоре уменьшается её проводящее сечение, растет плотность тока и напряженность электрического поля. Участок столба дуги за пределами плазмотрона имеет меняющуюся во времени сложную пространственную конфигурацию и обдувается как продольно, так и поперечно, поэтому здесь картина распределения напряженности поля крайне сложна. Таким образом, в данных условиях по измеренной длине дуги можно оценить только среднюю напряженность электрического поля. Приэлектродные падения напряжения для данного рода токов не превышают 20 В, и в случае длинных дуг ими можно пренебречь [146,147].
Как видно на рисунке 4.1 в рассматриваемом диапазоне массовых долей водяного пара в плазмообразующей смеси падение напряжения на дуге, и, соответственно, средняя напряженность, растут с ростом содержания пара. Так как плотность тока и длина дуги остаются приблизительно постоянными, можно сделать вывод, что с изменением соотношения расходов меняется удельная проводимость дуги. Как известно в столбе дуг высокого давления ( 1 Бар и выше) с достаточно хорошим приближением предполагается наличие термического равновесия [146,147]. В данном приближении удельную проводимость разряда можно оценить по форигуле: где, а - удельная проводимость (См/м), j — плотность тока (А/м2), Е напряженность электрического поля (В/м), пе - концентрация электронов (м-3), е и тс - заряд и масса электрона (Кл) и (кг) соответственно, к - постоянная Больцмана (Дж/К), Т - температура (К), щ и s, - концентрации и сечения столкновения нейтральных частиц плазмы (м-3) и (м2) соответственно, ion сечение кулоновских столкновений (м2), /7оп - концентрация иорюв (м"3).
На рисунке 4.2 представлена зависимость удельной проводимости дуги от массовой доли водяного пара для различных суммарных расходов плазмообразугащей смеси, определенная по экспериментально полученным значениям плотности тока и напряженности электрического поля.
Из представленного графика видно, что в данном диапазоне массовых долей водяного пара в плазмообразугащей смеси удельная проводимость столба дуги падает с ростом содержания пара. Характер зависимости близок к линейному. Из формулы 4.1 следует, что удельная проводимость является в приближении термического равновесия функцией температуры и состава плазмы. В соответствии с формулой 4.1 была рассчитана проводимость плазмы для различных температур и соотношений водяного пара и воздуха. Концентрации электронов, ионов и нейтральных частиц для разных температур и соотношений пара и воздуха были получены в результате расчета равновесных составов плазмы при атмосферном давлении с помощью программного пакета "Chemical WorkBench" (Kinetic Technologies Ltd., http://wvvw.kintech.ru). Зависимость расчетной удельной проводимости плазмы для различных температур и соотношений водяного пара и воздуха приведена на рисунке 4.3. «о
Из полученных результатов следует, что удельная проводимость в данном диапазоне температур и соотношений водяного пара и воздуха слабо зависит от состава среды и определяется в основном температурой. Сопоставляя данные по экспериментально определенной и расчетной проводимости, можно оценить диапазон изменения температуры дуги, который составил 9900 - 11500 К. Зависимость температуры дуги от содержания пара в плазмообразующей смеси представлена на рисунке 4.4. 12000 115004—0-в-D
Оценка параметров электрической дуги и обсуждение результатов
В ходе численного исследования были приняты следующие допущения: — за состав продуктов плазменной газификации отходов пластика (далее сырья) принимался термодинамически равновесный состав смеси плазмы и сырья, рассчитанный при температуре 1500 К и атмосферном давлении (101,325 кПа); — неорганическая составляющая сырья не участвует в химических реакциях, а энергозатраты на ее нагрев от 298 К до 1500 К составляют 0,4 МДж/кг; — при охлаждении продуктов газификации до 298 К их состав не меняется; — массовый состав сырья, %: С - 82,91, Н - 12,29, О - 2,54, N - 0,71, S - 0,14, С1 -1,41 (на беззольнуго сухую массу), зольность - 28,2 % (на рабочую массу), влажность - 1 % (на рабочую массу), низшая теплота сгорания - 28,68 МДж/кг (на рабочую массу) [156]; — в качестве окислителя используются воздух и смеси водяного пара и воздуха в различных соотношениях, соответствующие режимам работы исследуемого плазмотрона, приведенным в предыдущей главе на рисунке 5.8; — массовый состав сухого воздуха, %: N2 - 75,52; 02 - 23,14; Аг - 1,29; С02 -0,05. Расчет равновесного состава продуктов плазменной газификации проводился с помощью программного пакета «Chemical WorkBench» (Kinetic Technologies Ltd., http://www.kintech.ru). В данном программном пакете равновесное состояние в многокомпонентной среде для заданных температуры и давления определяется поиском максимума энтропии в системе.
Удельные энергозатраты на плазменную газификацию (без учета тепловых потерь) оценивались по закону сохранения энергии для плазменной газификации: Чі1 VOK = W3o.ibi ср,золы Ч г lJ т" Qxtai Qmemi где QH - низшая теплота сгорания рабочей массы сырья (Дж/кг), Q0K - удельные энергозатраты (Дж/кг), wm7b, - массовая доля золы в сырье (кг/кг), сР)30ЛЫ -удельная теплоемкость золы, Tt - начальная температура (К), Т2 - температура процесса (К), Qxmi - удельный выход химической энергии (Дж/кг), Qmillvl -удельный выход тепловой энергии продуктов газификации (Дж/кг).
Удельный выход химической энергии рассчитывался как произведение удельного выхода продуктов газификации на их низшую теплоту сгорания: QXILSI = &ПГ Ef=l Wi QHP где Gnr - удельный выход продуктов газификации (кг/кг), wt - массовая доля і-го продукта газификации (кг/кг), QH. - низшая теплота сгорания і-го продукта газификации (Дж/кг).
Удельный выход тепловой энергии продуктов газификации определялся по разности энтальпий продуктов газификации при температуре процесса (1500 К) и начальной температуре (298 К): Qmeivi = Gnr S iLl -Г ( i(Tz) _ fii(7l)), где G,,r - удельный выход продуктов газификации (кг/кг), Wj - массовая доля і-го продукта газификации (кг/кг), щ - молярная масса і-го продукта газификации (кг/моль), Н( - энтальпия і-го продукта газификации (Дж/моль).
Полученные данные используются для оценки ориентировочных значений удельного выхода электроэнергии для системы на основе плазменной газификации и комбинированного цикла, а также для приближенной оценки максимально возможного выхода жидких синтетических топлив.
Удельный выход электроэнергии при использовании полученного синтез-газа в качестве топлива для комбинированного цикла оценивался с учетом зависимости эффективности комбинированного цикла от адиабатической температуры горения газа [157], так как с ростом максимальной температуры энергетических циклов их эффективность увеличивается. Для диапазона температур 1400 - 2000 К эффективность комбинированного цикла была аппроксимирована полиномом третьей степени: 7]кц = 0,133 + 4,3 10 5 Т + 2,6 Ю-7 Т2 - 7,9 Ю-11 Г3, где 7]щ - эффективность комбинированного цикла (доли единицы), Т -температура (К). Эффективность комбинированного цикла при температурах выше 2000 К считалась постоянной и принималась равной эффективности при температуре 2000 К.
Полный удельный выход электроэнергии и удельный выход тепловой энергии в комбинированном цикле оценивались по формулам:
"menn хЯ Vox эл где, Рэл - полный удельный выход электроэнергии с единицы массы сырья (Дж/кг) при использовании процесса плазменной газификации и комбинированного цикла, Qxm, - удельный выход химической энергии с единицы массы сырья (Дж/кг), г\кц — эффективность комбинированного цикла (доли единицы), Pmem -удельный выход тепловой энергии с единицы массы сырья (Дж/кг) при использовании процесса плазменной газификации и комбинированного цикла, Qff - низшая теплота сгорания рабочей массы сырья (Дж/кг), QOK — энергозатраты на единицу массы сырья (Дж/кг).
Полезный удельный выход электроэнергии при использовании процесса плазменной газификации и комбинированного цикла (Дж/кг) рассчитывался как разность между полным удельным выходом электроэнергии в комбинированном цикле и удельными энергозатратами на плазменную газификацию: Р = Р — О Стоит отметить, что при сравнении результатов расчета удельного выхода электроэнергии в системе с плазменной газификацией и комбинированным циклом следует учитывать, что реальная эффективность процесса получения электроэнергии может отличаться от принятой в расчете, так как процесс плазменной газификации не оптимизирован, не приняты во внимание возможные теловые потери, а эффективность сжигания газа зависит не только от адиабатной температуры горения, но и от технологии его сжигания.
Похожие диссертации на Создание и исследование электродугового трехфазного пароводяного плазмотрона переменного тока
