Разработка электродуговых генераторов водяной плазмы для создания экологически чистых технологий

Размещено на http://www.allbest.ru/

РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОДУГОВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ ВОДЯНОЙ ПЛАЗМЫ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

А.Ф. Булат, Б.Д. Алымов, В.В. Шумриков,

В.Я. Осенний, Л.Т. Холявченко

Институт геотехнической механики НАН Украины, Днепропетровск

Приведені результати досліджень фізико-хімічних та технічних характеристик електродугових генераторів водяної плазми. Розроблені схеми конструкцій плазмових генераторів з більш досконалими енергетичними та термодинамічними показниками, які забезпечують значну інтенсифікацію процесу тепломасообміну. Показана принципова можливість створення на основі генераторів водяної плазми екологічно чистих технологій для руйнування мінерального середовища.

Приведены результаты исследований физико-химических и технических характеристик электродуговых генераторов водяной плазмы. Разработаны схемы конструкций плазменных генераторов с улучшенными энергетическими и термодинамическими характеристиками, обеспечивающих интенсификацию процессов тепломассообмена. Показана принципиальная возможность создания на основе генераторов водяной плазмы экологически чистых плазменных технологий для разрушения минеральных сред.

электродуговой генератор водяная плазма

The results of study of physical and technical characteristics of electric arc water plasma generators are presented. Design diagrams of the plasma generators with improved power and thermodynamic characteristics providing intensification of heat and mass exchange process are developed. A principal possibility of creation of ecologically pure plasma technologies for mineral mediums destruction on the base of water plasma generators is shown.

В различных отраслях промышленности нашли широкое применение плазменные технологии - при термомеханической обработке сверхтвердых материалов, сварке и резке металлов, упрочнении поверхностного слоя изделий, нанесения защитных покрытий [1,2,3,4]. Ведутся работы по созданию плазменных технологий для обработки и разрушения горных пород, термической газификации углей [5,6].

Существенным недостатком плазменных технологий, использующих в качестве плазмообразующего газа электродуговых генераторов сжатий воздух, является токсичность плазменных струй. В отходящих газах воздушной плазменной струи содержатся оксиды азота, концентрация которых на два порядка превышает допустимые санитарные нормы.

Для исключения этих недостатков в настоящее время разрабатываются и создаются плазменные технологии на основе использования электродуговых генераторов водяной плазмы [7,8]. К достоинствам таких плазменных генераторов можно отнести нетоксичность плазменных потоков, более высокие значения коэффициентов тепломассообмена плазменных струй по сравнению с воздушной плазмой.

Целью данной работы является установление физико-химических, энергетических и термодинамических параметров электродуговых генераторов водяной плазмы для разработки конструкций, обеспечивающих экологически чистый процесс технологического разрушения минеральных сред.

Выполненные в ИГТМ НАНУ аналитические и экспериментальные исследования газового состава и термодинамических характеристик водяной плазмы в диапазоне температур 2000-6000 К и давлении 0.1-0.5 МПа показали, что основными компонентами термически диссоциированного водяного пара являются атомарные и молекулярные водород и кислород, а также радикалы ОН. Спектр водяной плазмы состоит из большого количества возбужденных молекул и радикалов и характеризуется высокими значениями коэффициентов тепломассообмена - плотности и мощности излучения, энтальпии, теплоемкости и теплопроводности газа.

Физическое моделирование спектрального состава водяной реальной плазмы позволило установить, что кроме полосатого спектра радикалов ОН, линий Н₂, а также линейчатых спектров водорода серии Бальмера - Н_г , Н_в Н_д в спектре регистрировались резонансные возбужденные линии ОН и Hf, присущие как положительным, так и отрицательным ионам .

Сравнительный анализ спектров излучения воздушной и водяной плазм показал, что для воздушной плазмы суммарное излучение, обусловленное количеством возбужденных атомов и молекул, лежит в инфракрасной области (~2000 см^-1); в водяной плазме высокая степень интенсивности излучения простирается вплоть до 6000 см^-1, а максимальная плотность излучения в диапазоне частот 4000-6000 см^-1 связана с излучением радикалов ОН, ОН⁺ и молекул Н₂.

Высокая плотность излучения водяной плазмы предполагает наличие механизма (кроме переизлучения [9]) электронного удара. В этой связи в работе приведены результаты измерений концентрации электронов по уширению спектральных линий водорода серии Бальмера с целью оценки ее влияния на суммарное излучение водяной плазмы в диапазоне среднемассовых температур 2000-5000 К.

Исследования, связанные с определением концентрации электронов n_e по уширению спектральных линий Н_в ( л = 4860 Е ) и Н_г ( л = 4350 Е ) показали, что с увеличением среднемассовой температуры дуги наблюдается рост электронной электропроводности, и при температуре 3000 К величина n_e достигала значения 2•10¹⁵ см^-3.

В случае преобладания лучистой электропроводности ее коэффициент пропорционален величине ж_л ~ [u(T)]^6,5 [10], и уравнение теплопроводности при этом записывается в виде:

= [a(ж)]² • div(u^у• grad u) + ц(u),

где - функция, характеризующая скорость нарастания температуры; [a(ж)] - коэффициент теплопроводности; у - показатель степени; ц(u) - функция, характеризующая внешний тепловой поток.

В явном виде это уравнение перепишется в следующем виде:

= [a(ж)]² • [у+ u^у] + Ш(u)

Отсюда видно, что нелинейность данного уравнения связана со степенной зависимостью коэффициента теплопроводности - как от среднемассовой температуры, так и от величины концентрации электронов, входящей в это уравнение в неявном виде. При этом коэффициент суммарного излучения (при n_e = 2•10¹⁵ см^-3 и с учетом свободно связанного излучения при максвелловском распределении электронов по энергиям), рассчитанный по формуле [10,11]:

E_н = 6,46•10⁴⁷•о (н,T)•,

был близок к величине ~ 3, а при возрастании n_e до величины 10¹⁶ см^-3, увеличивался на порядок.

Экспериментально было установлено, что доля тормозного излучения в водяной плазме значительно (в 1,5-2) раза превышает долю излучения в воздушной плазме, а плотность лучистого (суммарного) потока водяной плазменной струи (измеренной радиальной термопарой РТН-10С на расстоянии 5 см от плазменного факела в зоне ядра струи) составило величину 4•10³ Вт/м², что примерно в 2 раза превышала плотность мощности излучения воздушной плазмы при идентичных энергетических характеристиках работы плазменных генераторов. Установленные физико-химические и технические параметры водяной плазмы предопределили два основных направления экспериментальной проверки полученных результатов при взаимодействии плазменных потоков (как воздушной, так и водяной плазмы) с минеральными средами с позиций интенсификации их разрушения. К первому направлению были отнесены эксперименты, касающиеся интенсификации процессов, протекающих непосредственно в разрядных камерах плазменных генераторов. Второе направление было связано с физическим моделированием процессов взаимодействия экологически чистых водяных плазменных потоков с минеральными средами.

Конструкции генераторов водяной плазмы с непосредственным вводом воды в виде водяного вихря в разрядную камеру, разработанные фирмами General Electric (USA), Lonza ltd (Швейцария) и др., характеризуются громоздкостью и сложностью, трудностью зажигания дуги, а также неустойчивостью процесса горения.

Исследования, проведенные в ИГТМ НАНУ и ИТФ СО РАН, НИИЭ Казахстан показали, что для уменьшения эрозии электродов, улучшения процесса стабилизации дуги целесообразно вводить воду в разрядную камеру плазмотрона в виде сухого перегретого пара с температурой Т = 500-570 К, а температура стенок входного электрода должна быть выше температуры насыщенного пара.

На основании анализа и обобщения результатов исследований в области разрушения горных пород и минеральных сред плазменными потоками предложены схемы электродуговых генераторов водяной плазмы с улучшенными энергетическими характеристиками и высоким КПД ввода энергии в разрушающую среду.

Для повышения энергетических и ресурсных характеристик в предложенных схемах использовано регенеративное охлаждение начальных участков (межэлектродной вставки) разрядного канала - водяным паром, эффект расщепления электрического столба дуги.

Установлено, что для увеличения теплового КПД плазменного генератора, снижения энергетических затрат на нагрев его до высоких температур, ввод водяного пара в плазмотрон (начальный участок электрода) можно осуществлять с температурой 380-400 К, а его перегрев до температур 500-570К производить в полости охлаждения начального участка электрода с последующим вводом его в разрядную камеру плазменного генератора.

В настоящее время для увеличения ресурса работы электродов используют эффект расщепления электрического столба дуги. Известны способы расщепления электрической дуги на основе использования термоэмиссионных вставок, установленных во внутренней поверхности цилиндрических электродов, секционированного анодного узла, включающего группу секций, которые являются дополнительными электродами, турбулизаторов плазменного потока [12]. При этом установлено, что характер течений газа в полости электрода оказывает определяющее влияние на формирование вольт - амперных характеристик, обеспечивающих электрическую устойчивость параллельно горящих дуг, образование электрического пробоя «дуга - холодная стенка». Показано, что причиной появления новых токоведущих каналов является наличие вихревых возмущений потока газа в приэлектродной области дуги [12].

Исследования, проведенные в ИГТМ НАНУ показали, что эффект расщепления дуги может быть осуществлен более простым способом за счет применения разрядных каналов диффузорной формы (выходного участка электрода) в генераторах аксиальной схемы или кольцевого диффузорного канала переменного сечения в генераторах коаксиальной схемы. Специфика газодинамики течения газа в каналах диффузорной формы, обеспечивающих создание областей с положительными и отрицательными избыточными давлениями, обратных течений, замкнутых вихревых областей в совокупности с магнитной стабилизацией обеспечивает стабильную стационарность в работе расщепленной дуги [13].

На рисунке 1 представлены СФР - граммы столба расщепленной дуги в разрядном канале диффузорной формы плазменных генераторов коаксиальной (а) и аксиальной (б) схем.

Фотосъемка дугового разряда осуществлялась с помощью фоторегистратора СФР-2М в режиме лупы времени со скоростью съемки 2,5•10⁴ - 1,2•10⁵ кадр/с.

а) U = 200 В, I = 180 A 6,2•10⁴ кадр/с, G = 3 г/с

б) U = 300 В, I = 250 A 6,2•10⁴ кадр/с, G = 5 г/с

Рисунок 1 - СФР - граммы столба расщепленной дуги в разрядных каналах диффузорной формы плазменных генераторов коаксиальной (а) и аксиальной (б) схем

Исследования показали, что в плазмотроне коаксиального типа с разрядным каналом, выполненным в виде кольцевого диффузора, расширяющегося к выходу, электрическая дуга расщеплена на ряд токопроводящих каналов с катодными и анодными пятнами (рисунок 1a). Наблюдается одновременное существование 10 - 15 электрических дуг. Время жизни опорных пятен дуги (катодных и анодных) колеблется в пределах 10^-3 - 10^-5 с при индукции магнитного поля 0,06 - 0,08 Тл [13].

Установлено, что форма и количество расщепленных дуг зависит от величины тока, полярности подключения электродов, схемы ввода плазмообразующего ввода в разрядную камеру плазменного генератора. Эрозия электродов при этом снижается в 3 - 5 раз по сравнению с эрозией электродов при воздействии на них стационарной электрической дуги и достигает значений 10^-8 г/Кл.

При работе с термохимическими катодами было экспериментально установлено, что увеличение ресурса работы плазменных генераторов связано с наложением на приэлектродную область дуги магнитного поля напряженностью ~ 0,04 Тл, которое жестко фиксировало опорное пятно на вставке. При этом, как показали исследования, удельная эрозия термохимических катодов (ТХК) с магнитной стабилизацией составила ~ 3•10^-8 г/Кл, а без стабилизации ~ 8•10^-8 г/Кл. Таким образом, магнитная стабилизация опорного пятна дуги на вставке позволила повысить ресурс работы катода в 2-2,5 раза [14].

Отличительной особенностью процесса горения дуги рассмотренных схем плазменных генераторов является то, что стабилизация ее осуществляется на выходных участках электродов. Вывод опорного пятна дуги за критическое сечение канала в плазменных генераторах аксиальной схемы способствует образованию высокоэнтальпийного ядра потока, энтальпия в котором в 1,5-2 раза выше среднемассовой [15].

Совместное воздействие на разрушающую среду излучения плазмы открытого электрического дугового разряда и высокотемпературного плазменного потока (плазменно-дугового способа нагрева) обеспечивает увеличение КПД передачи энергии разрушающей среды. Как показали результаты исследований процесса нагрева образцов горных пород (джеспилитов, нетермобуритых гранитов) при идентичных режимах работы плазменных генераторов (I = 200 A, U = 100 - 105 B, G = 4 г/с) КПД передачи энергии горной породе при ее нагреве плазменно-дуговым способом составлял 0,25 - 0, 38 и в 1,5 - 2 раза превышал КПД передачи энергии горной породе при ее нагреве плазменной струей (рисунок 2).

Рисунок 2 - Зависимость количества тепла, водимого в горную породу от времени нагрева:

1 - нагрев плазменно-дуговым способом; 2 - нагрев плазменной струей.

N = 21 кВт. Порода - джеспилит.

Замер тепловых характеристик водяной плазменной струи при плазменно-дуговом нагреве осуществлялся спектроскопическим и калориметрическим методами. В зависимости от режимных и конструктивных параметров плазменного генератора они могут изменятся в широких пределах: среднемассовая температура плазменной струи 2000 - 5000 К, коэффициент теплоотдачи (1-4)•10³ Вт(м²•град), удельный тепловой поток (1-8)•10⁶ Вт/м².

Физическое моделирование параметров теплообмена при плазменном расширении взрывных скважин в горных породах осуществлялось на специальном стенде. Модель - «искусственная» скважина была выполнена в виде водоохлаждаемых медных калориметрических секций с внутренним диаметром 105 мм. Анализ результатов экспериментальных исследований величин тепловых потоков и полезной мощности, водимой в стенки «искусственной» скважины от подведенной, показал (рисунок 3 и 4), что при одинаковой мощности плазмотронов (60 кВт), удельный тепловой поток водяной плазмы, вводимый в стенки скважины и КПД передачи энергии соответственно в 1,5 - 1,6 раза выше, чем воздушной.

Рисунок 3 - Распределение тепловых потоков по длине «искусственной» скважины: 1 - плазмообразующий газ-водяной пар; 2 - плазмообразующий газ-воздух

Рисунок 4 - Зависимость полезной мощности вводимой в стенки «искусственной» скважины от подведенной мощности: 1 - плазмообразующий газ-водяной пар; 2 - плазмообразующий газ-воздух

Таким образом, физическое моделирование процессов нагрева среды плазменным потоком подтвердило возможность интенсификации процессов теплообмена при использовании генераторов водяной плазмы.

На основании комплексных исследований энергетических и тепловых характеристик плазменных генераторов получены обобщенные уравнения вольтамперной характеристики и теплового КПД плазменных генераторов, позволяющие вести расчет режимных и геометрических параметров плазмотронов в диапазоне мощности 20 - 200 кВт, расходов водяного пара (1 -8) г/с.

Вольтамперная характеристика однокамерного плазмотрона с вихревой стабилизацией дуги водяным паром (Т = 400 - 420 К) определяется уравнением

(1)

Тепловой КПД плазмотрона обобщается уравнением

(2)

где u - напряжение на дуге, В; i - ток дуги, А; G - расход водяного пара, г/с; d- внутренний диаметр электрода, м; l - длина электрода, м; Р - давление плазмообразующего газа в камере плазмотрона, МПа.

Формулы справедливы в диапазоне определяющих комплексов

= (0,7 - 14)•10⁸ А²с/кгм;

= (0,3 - 0,9) кг/м•с;

Pd = (0,15 - 0,2) МПа; 8 - 12.

Данные параметры плазмотронов определяются из решения системы уравнений, включающей уравнения вольтамперной характеристики (1), теплового КПД (2), а также:

- мощности, вкладываемой в дугу

N_д = U•I, (3)

- энергии истекающей струи

U•I з = G (j_c - j_o), (4)

где j_c, j_o - энтальпия плазменной струи и плазмообразующего газа.

Ряд конструкций плазменных генераторов прошли испытания в промышленных условиях в различных технологических процессах. Испытания плазменного генератора с паровихревой стабилизацией дуги осуществлялось в подземных условиях шахты им. В.И. Ленина ОАО «КЖРК» с использованием установки плазменного расширения скважин (УПРС) при следующих режимных параметрах генератора: мощность 150 кВт, напряжение на дуге 800В, ток 200А, расход водяного пара (при температуре 320 К) 4 г/с, давление водяного пара (0.2-0.25) МПа, среднемассовая температура плазменной струи 3000 К. В качестве источника водяного пара использовался малогабаритный электрический парогенератор электродного типа (УПВ) конструкции ИГТМ НАНУ [16].

Анализ газового состава в отходящих газах и атмосфере выработки, выполненный службами ВГСЧ и районной санэпидстанцией, показал, что в них отсутствуют токсичные соединения (NO, CO) и данный плазмотрон можно эксплуатировать в подземных условиях в выработках с существующими схемами проветривания. При этом производительность процесса плазменного расширения скважин диаметра 250 мм составила 0,32 м³/ч и превышала в 1,3 раза производительность плазменного расширения генератором с воздушно-вихревой стабилизацией дуги.

При работе плазменного генератора с воздушно-вихревой стабилизацией дуги в отходящих газах содержатся окислы азота в количествах 0,2 - 0,5 % и значительно превышающих допустимые санитарные номы, содержание которых в атмосфере действующих подземных выработок не должно превышать 0,0002% по объему. Поэтому промышленная эксплуатация в подземных условиях установки УПРС с генератором воздушной плазмы осуществлялась с применением дополнительных трудоемких мероприятий - организацией специальных схем проветривания с изоляцией эксплуатационных выработок от отходящих газов.

Оценка эффективности процесса обработки горных пород плазменно-дуговым способом осуществлялась в промышленных условиях при поверхностной обработке строительных изделий из гранитов Константиновского месторождения ручным плазменным генератором.

Установлено, что объемная производительность процесса обработки плазменно-дуговым способом в диапазоне изменения мощности генератора 30 - 50 кВт составила 800 - 1400 см³/мин и на 40 - 60 % превышала производительность процесса обработки изделия плазменной струей.

Разработанные электродуговые генераторы водяной плазмы для разрушения и обработки горных пород могут быть также использованы при термомеханической обработке сверхтвердых материалов, упрочнении поверхностного слоя изделий, нанесении защитных покрытий, термической газификации углей и т.д.

Результаты лабораторных и промышленных исследований электродуговых плазмотронов свидетельствуют о принципиальной возможности создания экологически чистых плазменных технологий на базе генераторов водяной плазмы в различных технологических процессах и необходимости дальнейшего развития работ в области создания высокоэффективных генераторов водяной плазмы.

Перечень ссылок

1. Fauchais P., Vardelle and B.Dussoubs, J. of Thermal Spray Technol. 10(1). 2001.- pp. 44-46.

2. Bulat A., Bulany P., Osenny Y. Control of the heat flux distribution at the anode of a transferred are argon stabilized and flowing in air // Proc. of the VII European Conference on Thermal plasma Processes-Strasbourg. 2002. - pp. 211-218.

3. Cuenca Alvarez R., Ageorges H., Fauchais. Influence of mechano-fused carbide - oxide and carbide - metal powders on plasma sprayed deposits // Proc. of the VII European Conference on Thermal plasma Processes-Strasbourg. 2002. - pp. 447-453.

4. Петров С.В., Саков В.А. Плазменное оборудование для восстановления с упрочнением изношенных цилиндровых втулок ДВС / Матер. IV Междунар. конф. Славское, Карпаты - Киев. Украинский информ. Центр «Наука. Техника. Технология», 2004. - с 80-82.

5. Eduipment and technology for plasma enlarging of boreholes in hard rocks. L. Kholjavchenko, V. Osenny, B. Alymov, U. Remkha / Proc. Of 6^th European Conference on Thermal Plasma Processes, Strasburg. 2000, A/P81.

6. И. Георгиев, Б.И. Михайлов. Влияние температуры и состава среды на энергозатраты при плазменной газификации бурых углей различного качества. // Известия СО АН СССР, серия технических наук, №15, вып. 4, 1987 - с.83 - 89.

7. Михайлов Б.И. Физико-химические основы электродуговых генераторов водяной плазмы: Автореф. дис. докт. техн. наук. - Новосибирск, 1991 - 36с.

8. Михайлов Б.И., Перегудов В.С., Урбах Э.К. Электродуговая плазма в процессах воспламенения и газификации углей. / 2-ая Всесоюз. конф. по теплообмену в парогенераторах: Тез. докл. - Новосибрск, 1990 - с. 13-15.

9. Самарский А.А., Галактионов В.А., Курдюмов С.П., Михайлов А.П. Режимы с обострением в задачах для квазилинейных параболических уравнений. - М.: Наука, 1987. - 480 с.

10. Кустанович В.А., Овсянников А.А., Полак Л.С., Рытова Н.М. Оптическая пирометрия плазменных струй // в кн. Кинетика и термодинамика химических реакций в низкотемпературной плазме. Под ред. Полака Л.С.: Наука, 1965. - 254 с.

11. Оптическая пирометрия плазмы / под редакцией Соболева Н.Н.: М.: Изд-во ин. литературы, 1960. - 428 с.

12. Многодуговые системы / Новиков О.Я., Тамкиви П.И., Тимошевский А.Н. и др. - Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1988. - 133 с.

13. Алымов Б.Д., Кузменко С.А., Юхимчук С.А. Расщепление дугового столба в плазматронах коаксиальной схемы. // Плазмотехнология - 97 - Запорожье ЗМИ. - 1997. - с. 168-178.

14. Булат А.Ф., Алымов Б.Д., Осенний В.Я. Исследование ресурса работы термомеханических катодов // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. трудов. - Днепропетровск: Полиграфист. - 2001. - № 29. - с. 152 - 156.

15. В.А. Конотоп, А.В. Крымасов, Е.В. Лебсак. Электродуговой подогреватель линейного типа с дугой, протянутой через горловину сопла. // Тез. докл. XI Всесоюз. конф. по генераторам низкотемпературной плазмы. Новосибирск, 1989. - т. II - с. 67 - 68

16. Чемерис И.Ф. Влияние режимных параметров на устойчивость работы электрических парогенераторов. Сб. науч. тр. Надежность горных машин. - Киев: Наук. думка, 1989. - с. 91-94.

Размещено на Allbest.ru