ПЛАЗМА В ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Стр 1 из 10Следующая ⇒

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение..............................................................................................4

1. Плазма в химической технологии.....................................................6

1.1. Основные предпосылки использования плазмы в химичес-

ких процессах............................................................................6

1.2. Плазмохимические процессы.................................................10

2. Генераторы низкотемпературной плазмы......................................14

2.1. Выбор типа разряда и конструкции плазмотрона…………14

2.2. Электродуговые плазмотроны................................................15

2.3. Высокочастотные плазмотроны.............................................21

3.Теоретические основы плазмохимических процессов...................24

3.1. Термодинамика плазмохимических процессов.....................24

3.2. Термодинамический анализ процессов превращения углеродсодержащих веществ в квазиравновесной низкотемпературной плазме……………………………………………….26

3.3. Кинетика плазмохимических процессов...............................30

3.4.Некоторые кинетические особенности и механизм пре-вращения твёрдых углеродсодержащих веществ в плазме.31

4. Плазмохимическая переработка углеродсодержащего сырья......34

4.1. Научное обоснование плазмохимической переработки

углеродсодержащих соединений...............................................34

4.2. Плазмохимический пиролиз углеродсодержащих соединений..…………………………………………………………...39

4.2.1. Плазмохимическое получение ацетилена из газообразного и жидкого углеродсодержащего сырья.........39

4.2.2. Промышленная реализация плазмохимического получения ацетилена из газообразных и жидких углеродсодержащих соединений...............................................48

4.2.3. Плазмохимическое получение ацетилена из угля................…………………………………………... 52

4.3. Плазменная конверсия углеродсодержащего природного сырья.…………………………………………………………58

4.4. Плазменное получение технического углерода сажи)................………………………………………………….71

4.5. Совмещение процессов пиролиза и газификации в одном блоке. Эксергетический и термоэкономический анализ этой энерготехнологической системы..........................…..73

5. Плазмохимическая переработка промышленных и бытовых

отходов...............................................................................................80

6. Плазменно-энергетические технологии использования твёрдых

топлив для снижения выброса парниковых газов……………….85

Заключение…………………………………………………………87

Рекомендованная литература……………………………………..87

Введение

Плазмохимические процессы, основанные на применении плазмы в качестве реагента и (или) энергоносителя при различных химических взаимодействиях, на данный момент получили достаточно широкое распространение в химической, металлургической, электронной и других отраслях промышленности. Эти процессы, характеризующиеся высокой производительностью, возможностью осуществления целенаправленного синтеза материалов с заданными свойствами и позволяющие использовать дешёвое сырьё, становятся конкурентоспособными не только в малотоннажных, но и в крупнотоннажных производствах, приходя на смену традиционным технологиям. По-видимому, эта тенденция не только сохранится, но и усилится в будущем.

Временем зарождения плазмохимии можно считать конец XVIII в., когда были проведены первые исследования процессов получения оксида азота (Кавендыш и Пристли) и озона (Ван Моруш) в искровом разряде. Открытие В.В. Петровым электрической дуги в 1802 г. и интенсивное развитие электротехники и физики газового разряда позволили в конце ХIХ в. создать первый промышленный плазмохимический способ получения монооксида азота из воздуха в электродуговых печах. Однако дороговизна электроэнергии, наличие дешёвого углеводородного сырья и появившийся Габеровский способ окисления аммиака сделали в то время этот плазменный процесс нерентабельным.

В 30-х гг. ХХ в. фирмой Хюльс в Германии был разработан процесс получения ацетилена электрокрекингом метана. Этот плазмохимический процесс существует и в настоящее время, правда, в несколько измененном варианте.

Дальнейшее развитие плазмохимия получила в 50-е гг., когда были созданы различные конструкции плазмотронов, работающих на разных плазмообразующих газах. С тех пор проведены исследования большого числа разнообразных процессов с использованием плазмы; одни из них уже реализованы в промышленности, другие будут реализованы в будущем. Этому способствует совершенствование плазмохимической аппаратуры, интенсивное развитие смежных областей техники и изменение структуры топливно-энергетического баланса.

В зависимости от целей и задач конкретной технологии в плазмохимии используют изотермическую плазму (средние температуры всех компонентов плазмы – ионов, электронов, нейтральных частиц близки между собой) или неизотермическую плазму, характеризующуюся различными средними температурами компонентов.

Изотермическая плазма является источником большого числа активных частиц (ионов, атомов, радикалов) и может служить, кроме того, высокоэнтальпийным носителем. Поэтому для большинства крупнотоннажных плазмохимических процессов используют именно этот тип плазмы. Ее применяют для пиролиза и конверсии углеводородов и угля, для получения монооксида азота, высокодисперсных порошков металлов, карбидов, нитридов, боридов, оксидов и др.

В изотермической (термической) плазме все её свойства (состав, электропроводность, теплопроводность и др.) являются однозначной функцией температуры, единой для всех плазменных частиц, и могут быть рассчитаны с высокой точностью способами классической термодинамики. Температура, при которой в равновесном состоянии достигаются заметные концентрации заряженных частиц составляет 6000-8000 К. Изотермическая плазма реализуется при атмосферном и более высоком давлении, когда частота соударений её компонентов настолько велика, что обмен энергий происходит очень быстро.

Неизотермическая плазма, характеризующаяся различными средними температурами компонентов, находится при пониженном давлении в электрическом поле. В этих условиях под действием разности потенциалов электроны, обладающие весьма малой массой, с большой скоростью устремляются к положительному электроду и, имея большую длину свободного пробега в вакууме, приобретают энергию (температуру), существенно превышающую энергию тяжёлых частиц. Температура ионов также отличается от температуры нейтральных частиц.

Неизотермическую плазму применяют при проведении различных синтезов, протекающих весьма эффективно в условиях низкой температуры тяжёлых частиц и очень высокой температуры электронов. Например, в тлеющем разряде при давлении 0, 013 МПа может быть получена концентрация монооксида азота 11, 3 об.%, что более чем втрое превышает максимально возможную равновесную концентрацию NО при указанном давлении. В неизотермической плазме (которую иногда называют неравновесной) проводят процессы получения различных плёнок, модификации поверхности материалов (азотирование, цементирование, химическое травление).

ПЛАЗМА В ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Основные предпосылки использования плазмы

В химических процессах

В настоящее время более чем в 30 странах мира реализовано около 125 промышленных процессов, основанных на применении плазмы. До распада СССР в стране было реализовано порядка 40 плазмохимических процессов. В основном реализованные плазмохимические процессы относятся к малотоннажным производствам. В крупнотоннажных производствах плазмохимия проникла в такие процессы как переработка углеводородов, угля, фиксация атмосферного азота, порошковая металлургия. Наибольшего развития эти процессы получили в США, ФРГ, ЮАР, Японии, Швеции.

Об актуальности плазмохимии можно судить по ее соответствию основным тенденциям современной химической технологии и возможности решать проблемы, возникшие на современном уровне развития технологии. В числе явно обозначившихся тенденций химических технологий на сегодняшний день следует выделить следующие:

· сокращение числа технологических стадий;

· возрастающая интенсификация процессов;

· миниатюризация оборудования;

· создание малоинерционных процессов;

· автоматизация.

Среди проблем развития технологий на первый план выходят проблемы:

- передачи энергии от источника в реактор;

- создания технологий, исключающих вредное воздействие промышленности на биосферу;

- повышения требований к чистоте и физико-химическим свойствам материалов;

- " отходов" и " оборотов".

Решение перечисленных проблем с сохранением тенденций развития химических технологий вполне под силу плазмохимическим технологиям.

Основанием для подобного заявления является сущностный потенциал плазмохимии. Принципиальное отличие плазмохимических процессов от традиционных химических заключено в трех моментах идеологии плазмы:

- высокие энергии;

- концентрация энергии высокой величины в малом объёме;

- наличие большого количества возбуждённых частиц.

Именно эти три момента определяют те экстремальные условия, в которых протекают плазмохимические процессы, а именно:

температурный интервал от 2 до 50 тыс. градусов Кельвина,

время контакта реагирующих смесей от 1 до 10^-⁵ с и

скорость движения газа в зоне электрической дуги от 40 до 4000 м/с.

Такие жёсткие условия создаются при генерации изотермической (низкотемпературной) плазмы в электродуговом подогревателе, называемом плазмотроном. Выбор плазмотрона зависит от конкретного процесса, требующего определенного плазмообразующего газа и обусловливающего допустимую степень его загрязненности продуктами эрозии материала плазмотрона. Применение плазменных способов воздействия на сырьё определяет целый ряд достоинств плазмохимических процессов, делающих их перспективными и конкурентоспособными по сравнению с другими процессами получения разнообразных целевых продуктов, а именно:

· Осуществление процессов, которые при низких температурах не протекают и требуют значительного подвода энергии.

В качестве примера можно указать на получение карбида титана. Традиционными способами осуществить этот процесс очень сложно. Если же в плазменную струю водорода подать тетрахлорид титана и углеводород, то расчётные оптимальные условия могут быть реализованы. При этом водород не только является энергоносителем, позволяющим компенсировать тепловой эффект эндотермической реакции образования карбида титана и поддерживать нужный уровень температуры, но и сам участвует в реакции, повышая степень превращения сырья в целевой продукт.

· Увеличение удельной производительности реактора и уменьшение его габаритов.

Высокие температуры, как известно, существенно ускоряют скорости химических и физических процессов: продолжительность процесса сокращается в сотни и в тысячи раз по сравнению с традиционными низкотемпературными технологиями. Продолжительность различных плазмохимических процессов составляет обычно 10^-4-10^-1 с. При этом удельная производительность реактора очень велика, а его размеры (на единицу получаемых целевых продуктов) гораздо меньше, чем обычных аппаратов, что обусловливает снижение капитальных затрат. Достаточно мощные плазмотроны (мощностью до 5 МВт) имеют длину всего 1, 5 м, массу до 100 кг.

· Сокращение числа технологических стадий.

Плазмохимические процессы позволяют в некоторых случаях существенно уменьшить число стадий производства.

Например, современный способ получения монооксида азота включает следующие стадии: каталитическую конверсию природного газа водяным паром в печи при температуре около 1200 К и давлении 2-3 МПа, доконверсию непрореагировавшего метана в аппарате второй ступени, каталитическую двухступенчатую конверсию образовавшегося монооксида углерода водяным паром с целью получения водорода, низкотемпературное разделение воздуха, реакцию синтеза аммиака из азота и водорода при давлении около 30 МПа и температуре 420-500^оС, а также окисление аммиака на платиновом катализаторе при температуре около 900^оС.

В то же время монооксид азота можно получить в одну стадию в одном аппарате непосредственно из воздуха, без использования органического сырья. Если воздух пропустить через плазмотрон и продукты реакции закалить, то в этом одностадийном процессе можно получить концентрацию NО, приемлемую для промышленного использования.

Высокая селективность, обусловливающая одностадийность или малостадийность, безотходность или малоотходность, определяют высокую экологическую эффективность плазменных технологий.

· Использование дешёвого сырья, в том числе промышленных и бытовых отходов.

Высокие температуры плазмохимических процессов делают их малочувствительными к составу исходных реагентов. Во многих случаях важно лишь соотношение числа атомов соответствующих химических элементов в сырье, а не тип химической связи. Это позволяет заменять дорогие реагенты более дешёвыми, а иногда и просто отходами – промышленными или бытовыми. Например, в процессах, разработанных фирмой " СКФ сталь" (Швеция), восстановление металлов осуществляют либо путём использования пылевидных отходов газоочистных металлургических агрегатов, либо заменой части дорогостоящего кокса углём.

· Возможности получения модифицированных поверхностей материалов с уникальными свойствами.

С помощью низкотемпературной плазмы могут быть весьма эффективно осуществлены процессы с целью изменения твёрдости, смачиваемости, агрегации на поверхности, повышения стойкости материалов в высокотемпературной и агрессивной средах. К таким процессам относят напыление, азотирование и др.

· Возможности снижения температуры стенки реактора.

Это достоинство особенно существенно в тех случаях, когда сырьё и продукты реакции агрессивны. Плазмохимические процессы позволяют подводить энергию внутрь реактора с помощью плазменной струи, поддерживая при этом невысокую температуру стенок реакционного канала путём интенсивного охлаждения.

· Безинерционность, широкий диапазон варьируемых параметров и удобство автоматизированного управления.

Плазмохимические процессы основаны на использовании электрических разрядов различного типа. Включение реактора осуществляется быстро. Его характеристики могут быть легко изменены путём варьирования электрической мощности и расхода сырья, что позволяет легко автоматизировать процесс. Необходимо отметить, что в число варьируемых параметров в некоторых случаях можно включать вид сырья (в одном и том же плазмохимическом реакторе можно получить различные продукты).

Достоинства плазмохимических процессов не исчерпываются перечисленными выше. Иногда перспективность того или иного процесса определяется уменьшением числа последующих операций очистки и выделения целевых продуктов, возможностью сбалансированной сырьевой базы, безотходностью технологии, снижением удельных затрат энергии на получение продуктов.

Следует отметить, что наряду с вышеуказанными очевидными достоинствами плазмохимические процессы обладают рядом уязвимых моментов, к которым можно отнести следующие.

· Необходимость использования электроэнергии.

Для многих крупнотоннажных процессов этот недостаток является весьма существенным, что снижает их технико-экономическую эффективность. Особенно это проявляется на энергоемких плазмохимических производствах, которые оказываются конкурентоспособными лишь в районах с дешёвой электроэнергией и при использовании недорогого сырья.

Если плазменным способом получают продукты с уникальными свойствами или если доля энергетических затрат незначительна в себестоимости продукта, а также если другие преимущества процесса делают его рентабельным, то такой процесс, разумеется, находит промышленное применение, несмотря на дороговизну электроэнергии.

Однако следует отметить изменение структуры энергетического баланса в пользу электрической энергии, а следовательно, и в пользу плазмохимии. Если же попытаться взглянуть в будущее, где ставка в производстве электроэнергии делается на использование управляемого термоядерного синтеза, то указанный недостаток плазмохимических процессов постепенно превращается в их достоинство.

Однако уже сейчас возможно реализовать известные резервы снижения расхода электроэнергии в таком плазмохимическом производстве, как пиролиз углеводородного сырья (использование " пиковой" энергии, применение двухступенчатой закалки, предварительный нагрев сырья отходящими пирогазами самого плазмохимического процесса, переработка вторичных энергетических ресурсов). Также при проведении технико-экономического обоснования плазмохимических производств следует учитывать помимо энергии, затраченной на процесс, энергию, заключенную в самом сырьё. При таком подходе при сравнении с традиционными химическими процессами в силу высокой конверсии сырья и высокой селективности плазменной технологии последняя может быть отнесена не только к ресурсосберегающей, но также к энергосберегающей технологии. Детальный анализ энергетических расходов, проведенный советскими экономистами в середине 80-х гг. ХХ столетия показал, что в процессе плазмохимического пиролиза углеводородов в суммарных энергетических затратах основной удельный вес приходится на электроэнергию (88%), а в традиционных процессах нефтехимического синтеза, а также в процессе термического пиролиза твёрдых горючих ископаемых основная доля этих затрат связана с теплоэнергией и топливом.

Таким образом, оценивая плазмохимическую технологию в целом следует подчеркнуть определяющее значение высокой конверсии сырья и селективности как ее важнейшей технико-экономической особенности.

· Относительно невысокий ресурс работы плазмохимической аппаратуры.

Ресурс работы определяется, в основном, ресурсом работы электродов плазмотронов, который обычно составляет 100-1000 ч. Но этот недостаток не является принципиальным. Во-первых, усовершенствование конструкции плазмотронов постоянно увеличивает ресурс их работы в десятки раз. А во-вторых, в связи с малой инерционностью плазмохимической установки и небольшим её масштабом замена вышедших из строя электродов требует немного времени. Если необходимо осуществлять непрерывный процесс в течение длительного срока, во многих случаях целесообразно иметь резервные аппараты, стоимость которых невелика.

Таким образом, рассмотренные преимущества и недостатки плазмохимических процессов позволяют сделать вывод об их перспективности и целесообразности использования для получения разнообразных целевых продуктов.

Плазмохимические процессы

Плазмохимические процессы, в которых принимают участие газы (Г, Г'), макрочастицы-реагенты (Мч) и макрочастицы-продукты (Мч'), могут быть разбиты на следующие группы в зависимости от состава реагирующей смеси на входе и выходе реактора:

Вход	Г + Мч	Г + Г'
Выход	Г	Мч'	Г + Мч'	Г	Мч'	Г + Мч'

В процессах такого рода независимо от того, происходят они в неравновесных или квазиравновесных условиях, имеют место химические реакции, физико-химические процессы (испарение, конденсация, диффузия и т.п.) и изменение теплофизических констант.

Характеристические времена этих изменений (и превращений) реагирующей системы могут быть в той или иной степени близки, и в зависимости от этого могут меняться и лимитирующие стадии плазмохимических процессов.

В любом случае для получения Мч' необходимыми являются следующие стадии: плавление, испарение, газофазные (и поверхностные) химические реакции, конденсация, абсорбция, образование зародышей, рост Мч', обрыв. Из этой схемы очевидна крайняя сложность процесса образования макрочастиц. Многофакторность и многоканальность этого процесса создает трудности его описания (в частности, даже компьютерное моделирование).

Во время пребывания частиц в плазме при реакциях ионов возбуждённых молекул (атомов), радикалов и других реакционноспособных (химически активных) частиц в результате нагревания (теплопереноса), фазовых превращений и сопутствующих им деформационных явлений происходит плавление и изменение микроструктуры частиц с образованием блоков размером 0, 1-0, 5 мкм. Переплавленные частицы округляются, внутри них из-за вскипания возникают поры и улетучиваются примеси, обладающие высокой упругостью пара.

Существенную роль в плазмохимических двухфазных системах (в общем случае многофазных) играют гидродинамические (или газодинамические) характеристики течения двухфазных струй (плазменных потоков – «запылённых струй»). В плазмохимической технологии обычно применяют реакторы цилиндрической формы, характеристики которых близки к характеристикам реактора идеального вытеснения. Отличие плазмохимического реактора от реактора идеального вытеснения обусловлено следующими факторами:

- интенсивным охлаждением стенок реактора, вызывающим появ- ление больших радиальных градиентов температуры и скорости потока;

- турбулентной диффузией вдоль оси реактора (определяется величиной обратной критерию Пекле);

- характером радиального профиля скорости турбулентного потока.

Участие в плазмохимическом процессе веществ, находящихся в конденсированной фазе, существенно усложняет конструкцию реактора, его описание и технологическое осуществление процесса, поскольку в той или иной стадии необходимо обеспечить равномерное распределение потока в плазменной струе.

Все эти особенности двухфазных (гетерогенных) плазмохимических процессов присущи, в частности, процессам плазменной переработки твёрдых углеродсодержащих веществ, будь то плазменная газификация в воздушной, кислородной, пароводяной плазме с получением синтез-газа или плазменный пиролиз в инертной или восстановительной плазме, направленный на образование ацетилена.

В качестве демонстрации реализации плазмохимических процессов на рис. 1.1 представлена одна из возможных схем плазмохимической установки, которая условно может быть рассмотрена как обобщенно-типичная.

Низкотемпературная плазма образуется с помощью электрической дуги в специальном устройстве – генераторе низкотемпературной плазмы (или электродуговом подогревателе), которое называется плазмотроном. Электрическая дуга 4 образуется между катодом 1, выполненным из тугоплавкого материала (например, вольфрама), и медным водоохлаждаемым анодом 3, выполненным в виде сопла. Постоянный ток поступает от выпрямителя. Анод, как и вся установка, заземлён. Между электродами расположен изолятор 2. Плазмообразующий газ II подается внутрь плазмотрона в виде тангенциально закрученного потока, что заставляет дугу перемещаться по поверхности анода и стабилизирует её. В качестве плазмообразующего газа могут быть использованы воздух, азот, водород, аргон, водяной пар и др.

Рис. 1.1. Схема плазмохимической установки

1 – катод; 2 – изолятор; 3 – анод; 4 – электрическая дуга; 5 – смесительное устройство; 6 – реакционный канал; 7 – закалочное устройство; 8 – теплообменник; 9 – фильтр;

I – охлаждающая вода; II – плазмообразующий газ; III – сырье; IV – конденсированные продукты; V – газообразные продукты

Проходя через зону разряда, газ нагревается, ионизируется и в виде плазменной струи со среднемассовой температурой 2000-10000 К попадает в реактор. Поскольку электрическая дуга стабилизируется вблизи оси плазмотрона, а стенки сопла охлаждаются водой, в плазменной струе радиальный градиент температур довольно существенен. Поэтому при указании конкретной среднемассовой температуры, (например, водородной плазменной струи, равной 3000 К), следует помнить, что на оси струи температура достигает 8000 К и выше. Газ при таких температурах с полным основанием можно рассматривать как плазму.

Конечно, приведенная конструкция плазмотрона не является единственной. Плазмотроны отличаются как способом нагрева газа (электродуговые, высокочастотные и др.), так и конструкцией. Некоторые сведения о плазмотронах приведены в главе 2. Здесь лишь отметим, что выбор плазмотрона зависит от технологии, требующей определённого плазмообразующего газа и обусловливающей степень его загрязненности продуктами эрозии материала плазмотрона.

Генерируемая в плазмотроне высокоэнтальпийная плазменная струя содержит значительное число химически активных частиц (ионов, атомов, радикалов). Струя поступает в камеру смешения (смесительное устройство) 5 реактора, где в неё вводится сырьё III (в виде жидкости, газа, порошка или суспензии).

В зависимости от типа плазмохимического процесса плазменная струя может быть или просто энергоносителем, или также и реагентом. Назначение смесительного устройства – интенсивное перемешивание сырья с плазменной струей. Иногда всё сырьё подаётся непосредственно в плазмотрон; в этом случае необходимость в камере смешения отпадает.

В реакционном канале 6 происходит химическое взаимодействие реагентов с образованием целевых продуктов. Наряду с химической реакцией в этой части реактора осуществляются плавление и испарение конденсированного сырья (если в этом есть необходимость), а также конденсация из газовой фазы высокодисперсных порошков, которые в некоторых процессах являются целевыми продуктами.

Для предотвращения обратных и побочных реакций чаще всего требуется быстрое охлаждение (закалка) продуктов реакции, осуществляемое в закалочном устройстве 7. После охлаждения в теплообменнике 8 и отделения на фильтре 9 конденсированных продуктов IV газообразные компоненты V направляются на дальнейшую переработку.

Электродуговые плазмотроны

Плазмотроны, в которых для нагрева самых разнообразных газов используют электрическую дугу, наиболее широко применяются в различных технологических процессах. В них получают струю низкотемпературной плазмы со среднемассовой температурой до 4000-6000К для двухатомных и многоатомных газов и до 10000-20000К – для одноатомных газов. В настоящее время существуют электродуговые плазмотроны мощностью от нескольких киловатт до десятков мегаватт. В зависимости от типа плазмообразующего газа, параметров работы и конструкции плазмотрона его КПД составляет 50-97%. Ресурс работы плазмотронов большой мощности достигает 100-1000 ч.

Рассмотрим некоторые особенности электрической дуги в разрядной камере плазмотрона. При увеличении тока, проходящего через дугу, не ограниченную стенками и свободно горящую между двумя электродами, происходит её расширение при незначительном изменении температуры. Если же дугу поместить внутрь водоохлаждаемого канала малого диаметра, то при увеличении тока она, не имея возможности расширяться и хаотически перемещаться в пространстве, стабилизируется вблизи оси канала, и число заряженных частиц увеличивается путём повышения температуры, и следовательно, степени ионизации. Плазмотроны, в которых дуга стабилизируется лишь холодными стенками разрядного канала, а расход газа мал, используют в основном в исследовательских целях.

Существуют и другие способы стабилизации дуги, основанные на охлаждении её наружных слоев (тепловое сжатие) продольным или закрученным потоком плазмообразующего газа. Последний способ (газовихревая стабилизация разряда) наиболее часто используется на практике.

В области высоких плотностей тока существенным становится сжатие дуги под действием собственного магнитного поля (магнитный пинч-эффект), что также способствует её стабилизации.

Структура электрической дуги в плазмотронах определяется взаимодействием её с потоком газа и стенками канала. В длинном цилиндрическом разрядном канале можно выделить три характерных участка: начальный, переходный и турбулентный. Начальный участок расположен между торцевым катодом и местом пересечения внешней границы теплового слоя дуги с турбулентным пограничным слоем холодного плазмообразующего газа на стенке канала. На этом участке дуга не имеет существенных поперечных пульсаций, и течение в ней можно считать ламинарным. Тепловой поток на стенку разрядной камеры невелик и определяется в основном излучением от столба дуги.

В переходном участке происходит разрушение теплового слоя дуги и интенсивное перемешивание нагретого и холодного газа. Появляются поперечные колебания дуги, усиливающиеся внизу по потоку и приводящие к тому, что её длина существенно превышает расстояние, измеряемое вдоль оси. Поэтому техническая напряжённость электрического поля (отношение разности потенциалов дуги к этому расстоянию) заметно возрастает. В плазмотронах с самоустанавливающейся длиной дуги электрический пробой между дугой и стенкой происходит в переходном участке.

Турбулентный участок характеризуется существенными пульсациями и при отсутствии дополнительного подвода газа постоянством напряжённости электрического поля, превышающей напряженность на начальном участке в несколько раз.

Одним из важных процессов в дуговой камере плазмотрона является шунтирование – электрический пробой между дугой и стенкой (крупномасштабное шунтирование) и между отдельными участками изогнутой дуги (мелкомасштабное шунтирование), приводящее к ограничению длины дуги, её мощности, и к появлению пульсаций параметров плазменной струи.

Для снижения эрозии и увеличения ресурса работы плазмотронов пятно дуги принудительно перемещают по окружности электрода путём тангенциального ввода плазмообразующего газа или соленоида, расположенного коаксиально разрядному каналу (рис. 2.1, а-д). Взаимодействие этого поля с собственным магнитным полем радиального участка дуги приводит к возникновению силы, заставляющей дугу вращаться вокруг оси разрядного канала.

Классификация электродуговых плазмотронов. В зависимости от признака, положенного в основу классификации, можно выделить следующие типы электродуговых плазмотронов:

· постоянного и переменного тока;

· однодуговые и многодуговые;

· с внутренней и вынесенной дугой; с продольно обдуваемой (линейные) и с поперечно обдуваемой дугой;

· с самоустанавливающейся и фиксированной длиной дуги;

· с горячим и холодным катодом.

Каждый из рассмотренных типов плазмотронов можно классифицировать по конструктивным признакам. На рис. 2.1 представлены различные конструкции электродуговых генераторов низкотемпературной плазмы.

Рис.2.1. Конструкции электродуговых плазмотронов

а – однокамерный с горячим катодом; б – однокамерный с холодным катодом и фиксированной средней длиной дуги; в – двухкамерный; г – с межэлектродными вставками; д – с пористой межэлектродной вставкой; е – коаксиальный; ж – двухстороннего истечения; з – с вынесенной дугой; и – многодуговой; к – переменного тока со стержневыми электродами; л – переменного тока линейной схемы; м – переменного тока с разрезным соплом. 1 – стержневый электрод; 2 – сопло (осесимметричный электрод); 3 - диафрагма; 4, 5 – изоляторы; 6 – соленоид; 7 – дуга; 8 – основной газ; 9 – защитный газ; 10 – плазменная струя; 11 – секции МЭВ; 12 – МЭВ из пористого материала; 13 – сырье; 14 – источник питания

Плазмотроны постоянного тока просты по конструкции, надёжны в эксплуатации и поэтому наиболее часто используются в различных технологических процессах.

Плазмотроны с внутренним расположением дуги используют для получения струи низкотемпературной плазмы, поэтому их иногда называют струйными (рис. 2.1, а-ж). В некоторых случаях одним из электродов является обрабатываемый материал, электроды пространственно отделены друг от друга, и часть дуги находится вне разрядного канала (рис. 2.1, з). Такие плазмотроны с вынесенной дугой существенно отличаются от струйных.

В зависимости от материала катода и интенсивности его охлаждения он может работать по принципу термоэмиссии (термокатод) или автоэмиссии (холодный катод).

Для уменьшения работы выхода электронов применяют торированный (с добавками оксида тория) или лантанированный (с добавками оксида лантана) вольфрам. При работе с агрессивными плазмообразующими газами эти катоды необходимо обдувать защитным газом (рис. 2.1, а, г, д). Ресурс непрерывной работы торированного вольфрамового катода при токах до 1000 А в водороде и азоте составляет более 100 ч, а в аргоне и гелии – свыше 200 ч. Для повышения ресурса работы плазмотронов с термокатодами множество вольфрамовых стержней впаивают по периметру водоохлаждаемого медного барабана, ось которого перпендикулярна или параллельна оси разрядного канала. После отработки одним из катодов заданного ресурса барабан поворачивают так, чтобы новый стержень установился вдоль оси канала. Такой многопозиционный катод позволяет существенно повысить ресурс работы катода.

При работе плазмотрона на окислительных средах, содержащих кислород, обдув термокатода инертным газом не обязателен. Часто используют так называемые термохимические катоды из циркония или гафния. На поверхности этих материалов образуется оксидная пленка, достаточно электропроводная при высоких температурах и в то же время предохраняющая металл от дальнейшего окисления. Эрозия циркониевого катода составляет ~10^-11 кг/Кл.

Холодные катоды выполняют прежде всего в виде водоохлаждаемого медного стакана (рис. 2.1, б) или медной втулки (рис. 2.1, в). Анод электродуговых плазмотронов также в большинстве случаев представляет собой медное водоохлаждаемое сопло (втулку). Эрозия медного катода обычно в 2-3 раза превышает эрозию анода и составляет (0, 8-1).10^-9 кг/Кл при токах до 1, 2 кА.

Плазмотроны с продольно обдуваемой дугой (рис. 2.1, а-д, ж), называемые иногда линейными, по принципу подвода газа подразделяют на однокамерные – с вводом плазмообразующего газа через одну газовую камеру (рис.2.1, а, б), двухкамерные (рис.2.1, в) и с межэлектродными вставками (рис.2.1, г, д). Стабилизация дуги на оси разрядной камеры в однокамерных и двухкамерных плазмотронах осуществляется с помощью закрученного потока газа. Выходной электрод (чаще всего – анод) изготовляют из меди, немагнитной стали или различных сплавов на основе тугоплавкого материала (например, вольфрам-медь).

Магнитное поле соленоида позволяет перемещать пятно дуги по поверхности электрода, а в плазмотронах со стаканообразным катодом (рис.2.1, б) еще и предотвращает привязку дуги к торцу стакана.

Однокамерные и двухкамерные плазмотроны, имеющие цилиндрический канал выходного электрода (рис.2.1, а, в), являются генераторами с самоустанавливающейся длиной дуги, зависящей от расхода газа и параметров разряда. Если выходной электрод имеет резкое расширение (рис.2.1, б), создаются условия для преимущественного шунтирования дуги за уступом в широком диапазоне изменения параметров за счет отрывных течений в этой области. Такие плазмотроны позволяют фиксировать длину дуги, которая меньше самоустанавливающейся длины.

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒