автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Исследование и разработка электродуговых подогревателей газа для синтеза тетрафторэтилена и разложения циркона

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи Понкратов Виталий Сергеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОДУГОВЫХ ПОДОГРЕВАТЕЛЕЙ ГАЗА ДЛЯ СИНТЕЗА ТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА И

РАЗЛОЖЕНИЯ ЦИРКОНА

Специальность: 05.09.10 - "Электротехнология"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -

ЗюиУ?

доктор технических наук, Тимошевский А.Н.

Новосибирск 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 10

1.1. Получение тетрафторэтилена. 10

1.2. Технология разложения сероводорода и

кислого газа. 14

1.3. Технология переработки циркона. 19

1.4. Растопка котлов и стабилизация горения пылеугольного факела на ТЭС. 29

1.5. Классификация плазмотронов линейной схемы. 33

1.6. Реакторы. 46

2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ И МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЙ. 51

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТЮДУГОВОГО ПОДОГРЕВАТЕЛЯ ТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА. 57

3.1. Термодинамический расчет системы С - Е 57

3.2. Рабочие параметры экспериментов. 63

3.3. Энергетические характеристики дуги в Ср4. 63

3.4. Тепловые характеристики дуги. 72 ВЫВОДЫ 76

4. ПЛАЗМЕННАЯ ДЕКОМПОЗИЦИЯ ЦИРКОНА. 78

4.1. Расчет времени нагрева частиц циркона. 78

4.2. Рабочие параметры экспериментов. 82

4.3. Результаты экспериментов. 88

4.4. Разработка узла ввода циркона. 93

4.5. Исследование влияния магнитного поля на

степень переработки циркона. 96

4.6. Определение тепловых потерь в элементы плазмотрона. 97 ВЫВОДЫ 98

5. ЭРОЗИЯ ЭЛЕКТРОДОВ ПЛАЗМОТРОНА,

РАБОТАЮЩЕГО В АГРЕССИВНЫХ СРЕДАХ 99

5.1. Краткий обзор литературы по самовосстанавливающимся катодам и методам снижения эрозии цилиндрических выходных электродов; постановка задачи 99

5.2. Эрозия анода плазмотрона в среде кислого газа. 110

5.3. Защита анода мелкодисперсным порошком. 112

5.4. Режимы работы катода в среде Ср4. 113

5.5. Эрозия много дуговых катодов. 115 ВЫВОДЫ 122

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 123

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

125

ВВЕДЕНИЕ

Электрическая дуга - наиболее удобный, концентрированный источник тепловой энергии, используемый для нагрева различных газов до высоких температур. Это объясняется конструктивной простотой электродуговых подогревателей (плазмотронов), относительной простотой источников питания к ним, возможностью достижения больших мощностей [1].

Интерес к электродуговым генераторам низкотемпературной плазмы возник в конце 50-х годов с связи с возможностью их использования для нагрева газов при моделировании полетов летательных аппаратов с гиперзвуковыми скоростями и изучении условий входа космических аппаратов в атмосферу Земли и других планет. Благодаря вложенным в эти исследования силам и средствам за короткий срок были созданы высокоэффективные плазмотроны. В последние годы все более широко плазмотроны применяются в химической, металлургической промышленности, для розжига и подсветки котлов ТЭС и во многих других областях промышленности, на их основе создаются новые направления в промышленных технологиях.

В конце 50-х - начале 60-х годов расширение знаний о химических реакциях в электрических разрядах и плазме привело к появлению нового научного направления - плазмохимии. Это, в свою очередь, дало толчок развитию прикладных исследований и возникновению нового направления технической химии - плазмохимической технологии, обобщающей способы и процессы производства веществ и материалов, а также их обработки, протекающие при непосредственном взаимодействии вещества и плазмы и сопровождающиеся химическими превращениями. Плазма здесь является одним из реагентов и (или) энергоносителем. В технологии используют, как правило, низкотемпературную плазму электродуговых, высокочастотных и сверхвысокочастотных разрядов.

Для плазмохимической технологии характерны новые эффекты, связанные с электропроводностью плазмы, ее чувствительностью к электромагнитным полям, неравновесностью, электромагнитным излучением, позволяющие осуществлять химические превращения с высокой энергетической эффективностью, повышать селективность реакций, достигать сверхравновесных выходов продуктов, получать вещества и материалы с новыми, подчас уникальными свойствами. Высокие температуры и большая концентрация энергии в единице объема способствуют значительной интенсификации традиционных физико-химических превращений.

С развитием низкотемпературной плазмы связываются возможности осуществления технологических процессов с замкнутыми циклами, что может обеспечить снижение уровня загрязненности окружающей среды. Наиболее распространенным видом плазмотронов, применяющихся в промышленных плазмохимических технологиях, являются электродуговые плазмотроны линейной схемы с газовихревой стабилизацией дуги, в связи со следующими их достоинствами [2]:

• Экономичность преобразования электрической энергии в тепловую существующими конструкциями плазмотронов, характеризуемая высокими значениями электрического и теплового КПД;

• надежность и устойчивость работы электродуговой установки;

• широкий диапазон мощности: от сотен ватт до нескольких мегаватт;

• большой ресурс электродов, исчисляемый десятками и сотнями часов работы в зависимости от типа плазмотрона, его мощности и рода рабочего газа;

• возможность нагрева практически любых газов, в том числе восстановительных, окислительных, инертных, широко используемых в промышленных технологиях;

• простота автоматизации управления режимом работы электрической дуги;

• малогабаритность и достаточно малая металлоемкость [3].

В настоящее время на основе электродуговых плазмотронов созданы такие гомогенные технологии крупнотоннажной химии, как: производство ацетилена, цианистого водорода, дициана.

В связи с истощением природных ресурсов в последние годы идут поиски новых видов сырья, в качестве которых могут быть использованы отходы некоторых огранических производств, а также твердое сырье - кокс, различные виды углей, природные минералы (песок). Разработаны технологии плазменного прямого восстановления металлов из руд, получения ультрадисперсных порошков чистых металлов, карбидов, боридов и т.д. При разработке гетерогенных плазменных процессов одним из основных вопросов является организация смешения твердого мелкодисперсного сырья с потоком плазмы. На данный момент времени остается нерешенной одна из главных проблем прикладной плазмохимии - разработка научных основ плазмохимического реакторостроения [4], в связи с чем выбор реактора при проектировании и разработке новых процессов осуществляется в основном эмпирическим путем. Большим классом существующих плазмо-химических реакторов являются процессы, в которых обработка дисперсного сырья осуществляется посредством смешения с высокотемпературным потоком плазмы, истекающим из плазмотрона. К таким реакторам относятся, например: реактор с параллельными струями, в котором несколько плазмотронов расположены в одной плоскости, что обеспечивает эффективную переработку дисперсного сырья; реактор с соосно пристыкованными к нему плазмотронами, в том числе и со встречной подачей сырья.

Для интенсификации процесса обработки материалов и улучшения эксплуатационных параметров используется второй класс реакторов - с нагревом сырья непосредственно в дуге. В качестве примера можно привести совмещенный плазмотрон - реактор [5]. В таком на электрическую дугу постоянного тока, горящую в цилиндрической или эллипсоидной камере

большого диаметра (120 - 180 мм), воздействуют не только аэродинамические силы, но и внешнее магнитное поле, имеющее специальные топологические свойства. Особенностью реактора является совмещенность зоны горения дуги с зоной протекания химических реакций.

В работе [6] описывается двухструнный плазмотрон, в основе конструкции которого лежат два идентичных узла - катодный и анодный. Каждый состоит из цилиндрического электрода, диафрагмы, изолированной от электрода, и вихревых камер для подвода газа. При использовании двухструйных плазмотронов осуществляется высокая эффективность нагрева в зоне слияния катодной и анодной струй дисперсного материала, вводимого по оси симметрии струи.

Представляет большой интерес изучение обработки дисперсных материалов в анодной области плазмотрона линейной схемы. Такая схема процесса обеспечивает простоту аппаратурного оформления и хорошее смешение подаваемого сырья со струей плазмы. Хотя, с другой стороны, ввод материала в анодную область горения дуги может привести к нарушению симметрии течения газа.

Процесс обработки порошков изучался на примере технологии синтеза тетрафтроэтилена (C2F4) и разложения циркона (ZrSi04). Выбор данных технологий обусловлен тем, что на настоящий момент целевые продукты представляют значительный интерес для промышленности. Так, тетраф-торэтилен является ценным фтормономером для получения политетрафторэтилена (тефлона); во втором случае разложение циркона является первой стадией получения диоксида циркония, который находит вес более широкое применение в промышленности как материал, обладающей высокой химической и термической устойчивостью, специальными электрическими и оптическими свойствами.

Таким образом, целью работы является разработка модифицированных электродуговых плазмотронов, предусматривающих обработку дис-

персных материалов в анодной области дуги для рассматриваемых электротехнологий плазмохимического синтеза тетрафторэтилена и разложения циркона.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

Разработка унифицированного узла ввода мелкодисперсных порошков различной сыпучести и фракционного состава в анодную область дуги, обеспечивающего равномерность и стабильность ввода сырья.

Исследование плазмотрона, работающего на тетрафторметане (Ср4) в широком диапазоне изменения рабочих параметров, таких как ток дуги, расход газа, диаметр внутреннего канала плазмотрона и т.д.; анализ поведения средней напряженности электрического поля дуги, вольт-амперных характеристик от основных определяющих параметров; определение тепловых потоков в элементы плазмотрона; обобщение полученных результатов по энергетическим характеристикам плазмотрона и разработка промышленного плазмотрона мощностью до 1 МВт.

Изучение обработки порошка циркона в анодной области дуги, включая определение влияния таких факторов, как геометрия анода, величина магнитного поля соленоида, расхода порошка и т.д.; разработка высокопроизводительного процесса разложения циркона с максимально возможной степенью переработки при минимальном энерговкладе по сравнению с литературными источниками.

Увеличение ресурса работы плазмотрона в исследуемых технологиях путем использования: защиты внутренней поверхности цилиндрического выходного анода мелкодисперсным порошком, участвующем в технологическом процессе (углерод в технологии синтеза тетрафторэтилена); оптимального материала для изготовления анода; исследования режима самовосстановления торцевого графитового катода; отработки режимов запуска и выхода на режим много дуговых катодов.

Глава 1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

В настоящее время в связи с истощением природных ресурсов и ухудшением экологической обстановки все большее внимание привлекают плазмохимические процессы, нетребовательные к качеству и виду сырья, позволяющие организовать замкнутый производственный цикл. При использовании плазмы одним из основных требований промышленного производства является достаточно длительный ресурс работы плазмотрона. На основе электродуговых плазмотронов уже созданы действующие производства получения ацетилена, цианистого водорода и т.д. Однако существует целый ряд традиционных химических технологий, в которых применение плазмы не нашло еще достаточного развития. В связи с этим необходимо рассмотреть некоторые из таких технологий и параметры их работы.

1.1. Получение тетрафторэтилена.

Традиционным промышленным способом получения тетрафторэтилена является пиролиз дифторхлорметана в трубчатых печах по следующей реакции:

СЯ¥2С\ = СР2 +НС1; 2СР2 - СР2 = СР2

Принципиальная схема промышленного получения тетрафторэтилена приведена на рис. 1.1.

Введение водяного пара в реактор способствует увеличению конверсии хладона-22. При содержании 25-70% (мол.) водяного пара в расчете на реакционную смесь, температуре пиролиза 700-900 С и при продолжительности пребывания реагентов 0,1-0,4 с конверсия хладона-22 составляет 6570%, а выход ТФЭ - до 90-94% [7]. Обычно пиролиз

Рис. 1.1 Принципиальная схема промышленного получения тетрафторэтилена. 1 - печь пиролиза; 2 - адсорбер НС1; 3 - сборник соляной кислоты; 4 - осушительная колонна; 5 - ректификационная колонна; 6 - конденсатор; 7 - емкость для готового продукта.

2 ^ьдаш

Рис. 1.2 Реактор с дугой высокой интенсивности. 1 - полый катод из графита; 2 - изолирующее уплотнение; 3 - графитовый анод с отверстием на оси; 4 - скользящее вакуумное уплотнение; 5 - ввод газа; 6 - водяное охлаждение; 7 - скользящий анодный держатель; 8 - окно для наблюдений; 9 - выход газа; 10 - зонд для отбора пробы.

проводят при значительном избытке пара [8]. Хладон-22 предварительно подогревают до 800-1000° С, температура пиролиза 650-800° С, скорость подачи пара и хладона-22 должна обеспечивать турбулентность потока при Re>3000. В патенте [9] описан реактор, разделенный на 4 последовательно расположенные зоны: смешения, реакционная, адиабатического расширения и охлаждения. Конверсия хладона-22 достигает 71%, выход 98%. С целью улучшения производительности предложен реактор, состоящий из нескольких отделенных друг от друга камер, которые представляют собой сегменты, расположенные вдоль оси [10]. Выходное отверстие сегмента является одновременно входным отверстием другого, что приводит к удлинению пути реакционных газов. Стенка, разделяющая сегменты, обладает высокой теплопроводностью и связана с нагревательным элементом.

Пиролиз хладона-22 в трубчатых печах имеет существенные недостатки: низкую степень пиролиза и наличие побочных реакций с получением токсичных веществ: F, HF, CoF, Cl, COCI и т.д.

Применение плазмохимического реактора вместо трубчатых печей позволяет повысить степень пиролиза хладона-22, снизить объем основного реакционного аппарата и вернуть в цикл все побочные продукты.

В Пермском филиале ГИПХ [11] проведены лабораторные и опытные работы по пиролизу хладона-22 в струе аргоновой плазмы и плазмы тет-рафторметана. В первом случае степень пиролиза достигала 50-90% об., а выход тетрафторэтилена соответственно - 80-66%). Во втором случае хладон-22 подавался в струю тетрафторметана, нагретого в плазмотроне до температуры 3000 К. Концентрация тетрафторэтилена в газе-пиролизате достигала 37% вес., а концентрация хладона-22 не превышала 12% вес. Соотношение расходов хладона-22 и ТФМ составляло 10:1.

При производстве тетрафторэтилена из хладона-22 неизбежным является большое количество соляной кислоты и других фтор-хлорсодержащих соединений. Поэтому в последнее время уделяется боль-

шое внимание бесхлорным методам получения ТФЭ. Одним из способов является получение тетрафторэтилена из фтора и углерода. Синтез состоит из нескольких стадий: 1. горение углерода во фторе; 2. нагрев продуктов взаимодействия углерода и фтора; 3. последующая закалка продуктов реакции. В связи с тем, что при горении углерода во фторе температура продуктов горения достигает 3000 К, а оптимальная температура составляет 3200-3500 К, необходимо подвести дополнительное тепло. Это достигается путем нагревания тетрафторметана в плазмотроне до температуры 45005000 К с последующим его смешением с продуктами горения углерода во фторе. В Пермском филиале ГИПХ изготовлен и испытан плазмохимиче-ский реактор для получения тетрафторэтилена из элементов (расход фтора до 18 г/с, углерода до 10 г/с, тетрафторметана - до 30 г/с мощностью до 500 кВт). Вышеописанный процесс имеет недостатки - сложность работы с токсичным фтором и дополнительная необходимость в тетрафторметане.

Более простым способом является получение тетрафторэтилена из тетрафторметана и углерода.

Некоторые физические характеристики тетрафторметана: молекулярная масса М=88,01, температура кипения - 1280° С, пробивное напряжение 38 кВ/см, токсичность - физиологически безвредный газ, рекомендованная ПДК - 3000 мг/м3.

Взаимодействие тетрафторметана и углерода можно осуществить в дуге высокой интенсивности с графитовыми электродами с последующей закалкой [12}. Графитовый анод представлял собой графитовый стержень 0 12,5 102 м и длиною 25,4102 м, через который в реактор подавался ТФМ (см. рис. 1.2). С противоположной стороны был установлен цилиндрический графитовый катод наружным диаметром 5,010 2 м и внутренним 2,410 2 м. Заданное давление газа внутри реактора поддерживалось благодаря постоянной откачке газа через полый катод. При этом скорость ис