автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Разработка и исследование электротехнологического оборудования для переработки техногенных отходов с использованием пароводяного плазмотрона

На правах рукописи

РАДЬКО СЕРГЕЙ ИВАНОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ТЕХНОГЕННЫХ ОТХОДОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПАРОВОДЯНОГО ПЛАЗМОТРОНА

05.09.10 - Электротехнология

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Новосибирск - 2014

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Новосибирский государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Аньшаков Анатолий Степанович

Официальные оппоненты: Кувалдин Александр Борисович,

доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки, Национальный исследовательский университет "Московский энергетический институт", профессор кафедры "Автоматизированные электротехнологические установки и системы"

Кузьмин Виктор Иванович,

кандидат технических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук, старший научный сотрудник лаборатории Физики плазменнодуговых и лазерных процессов.

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего проф. образования «Сибирский федеральный университет», г. Красноярск

Защита состоится 29 января 2015 года в 13°° на заседании диссертационного совета Д 212.173.04 при Новосибирском государственном техническом университете по адресу: 630073, г. Новосибирск, пр-т К. Маркса, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государственного технического университета и на сайте www.nstu.ru

Автореферат разослан ноября 2014г.

Учёный секретарь

диссертационного совета д.т.н., профессор Нейман В.Ю.

РОССИЙСКАЯ

'1 ьш-г!АЯ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Акт§Ц}Аность темы. При современном уровне развитии промышленности проблема переработки техногенных отходов приобретает первостепенное значение. Крупные промышленные компании и муниципальные структуры в этой ситуации вынуждены вкладывать значительные средства в уничтожение отходов. Особо острая ситуация сложилась с отходами, являющимися источниками вредных и токсичных веществ. Эти отходы, как правило, не могут быть захоронены и требуют специальных плазменных технологий утилизации.

Термический метод сжигания отходов не оправдал экологические надежды человечества.

Наиболее перспективной технологией утилизации техногенных отходов является паровая плазмохимическая переработка, основанная на высокотемпературном воздействии и полном разложении утилизируемых продуктов с помощью дуговой термической плазмы водяного пара. В результате на выходе получается синтез-газ, который представляет собой смесь водорода и оксида углерода и является ценным энергетическим сырьем. При этом плазма водяного пара является не только теплоносителем, но и активным реагентом.

Электротехнологический комплекс для реализации плазменной технологии переработки/утилизации различного вида отходов представляет собой комплект электротехнологического, теплотехнического, электрогенерирующего и экологического блоков.

Основополагающим из них являются плазменные электропечь с расплавом шлака, оснащённая электродуговым пароводяным плазмотроном и системами электро-, газо- и водоснабжения. Центральное место здесь занимает генератор плазмы водяного пара, как преобразователь электрической энергии в высокотемпературный поток окислителя, от надёжности работы которого зависит эффективность электротехнологии в целом.

Разработка новой конструктивной схемы генератора пароводяной плазмы невозможна без знания и понимания особенностей высокотемпературных процессов, протекающих как в газоразрядной камере плазмотрона, так и в самой плазменной электропечи. Для анализа высокотемпературного процесса газификации органической части отходов и температурных полей в электродах плазмотрона необходимо применять программы численных расчётов.

Из производственной практики и литературных источников известно также, что плазменный нагрев является достаточно энергозатратным, поэтому исследование комбинированного нагрева для переработки отходов (с использованием дугового и омического нагревов) является альтернативой традиционному способу, способной обеспечить меньшие затраты электроэнергии на реализацию электротехнологического процесса переработки техногенных отходов, а значит разработка и исследование новой энергоэффективной электропечи с пароводяным плазмотроном является своевременным и актуальным.

з

Объектом исследования является плазменная электропечь комбинированного нагрева с пароводяным плазмотроном, графитированным электродом и жидким шлаком, предназначенная для высокотемпературной переработки техногенных отходов.

Предмет исследования: электрические, энергетические и эксплуатационные характеристики пароводяного плазмотрона; термохимические процессы в плазменной электропечи; способ повышения энергоэффективности электропечи за счёт применения комбинированного нагрева.

Целью диссертационной работы является решение важной технологической задачи по созданию и исследованию новой конструктивной схемы пароводяного плазмотрона и энергоэффективной плазменной электропечи необходимых для реализации высокотемпературного электротехнологического процесса переработки техногенных отходов в электропечах комбинированного вида нагрева.

Задачи, решаемые для достижения поставленной цели:

1. Разработать технические требования к конструкции плазменной электропечи и к её основному технологическому узлу - пароводяному плазмотрону.

2. Провести сравнительный анализ плазменной газификации углеродсодержащих отходов конкретного компонентного состава в воздушной и пароводяной плазме с целью обоснования применения водяного пара в качестве плазмообразующей среды как наиболее рациональной.

3. Разработать новую конструктивную схему пароводяного плазмотрона и сопутствующих ему технологических узлов - парогенератор, необходимый для подачи в плазмотрон перегретого водяного пара (300±50 °С) и нагреватель воздуха, необходимый для питания плазмотрона подогретым воздухом на стадиях запуска и отключения (150±10 °С).

4. Теоретически и экспериментально исследовать зависимость срока службы плазмотрона от распределения температурного поля в составном электроде - аноде для выбора наиболее рационального режима его охлаждения.

5. Экспериментально исследовать электрические, энергетические и эксплуатационные характеристики разработанного пароводяного плазмотрона в широком диапазоне определяющих параметров и согласовать их с требованиями электротехнологии переработки отходов в плазменных электропечах.

6. Исследовать энергоэффективность предлагаемой электротехнологии переработки отходов комбинированным нагревом.

Научная новизна результатов работы состоит в следующем:

1. Впервые предложена и реализована конструктивная схема однокамерного дугового плазмотрона с паровихревой стабилизацией дуги без применения сторонних защитных плазмообразующих сред. На предлагаемую схему получен патент на изобретение.

2. Определены и проверены на достоверность условия работы охлаждающей подсистемы плазмотрона, при котором обеспечивается неравномерное по длине охлаждение составного электрода - анода, в результате чего полностью исключается конденсация пара в электроразрядной камере и снижается износ электродов.

3. Впервые получены электрические и тепловые характеристики созданного пароводяного плазмотрона в широком диапазоне изменения силы тока и расхода водяного пара с целью управления технологическими параметрами плазменной электропечи.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Полученные зависимости эрозии медных трубчатых электродов (анода и катода) в среде водяного пара от времени, характеризующие продолжительный ресурс работы плазмотрона в целом (более 300 ч), соответствуют требованиям технологического процесса и указывают на возможность оперативного управления технологическими параметрами в рабочем режиме.

2. На основе анализа экспериментальных результатов по ресурсу электродов в различных плазмообразующих средах конструкция пароводяного плазмотрона, в отличие от традиционных схем, предполагает его эксплуатацию на обратной полярности подключения электродов к источнику питания.

3. Впервые предложена и численно решена задача по повышению энергоэффективности плазменной электропечи со шлаковым расплавом на подине за счёт использования дугового и омического нагрева.

На защиту выносятся:

1. Конструктивная схема пароводяного плазмотрона, как результат системного поиска наиболее рациональной схемы получения пароводяной плазмы на основе функционального, морфологического и информационного обеспечения, которая позволит обеспечить более устойчивый и продолжительный режим эксплуатации плазменной электропечи.

2. Результаты численных исследований процесса воздушной и пароплазменной переработки углеродсодержащих техногенных отходов; их сравнение.

3. Результаты численных исследований температурного поля в составном электроде - аноде и выбор наиболее рациональной конструкции этого узла.

4. Экспериментальные данные по ресурсным, энергетическим и электрическим характеристикам разработанного пароводяного плазмотрона, указывающие на возможность применения данного вида плазмотрона в плазменных электропечах комбинированного вида.

Степень обоснованности и достоверности полученных результатов.

В работе использованы эмпирические и теоретические методы исследования. Решение поставленных задач базируются на экспериментальных данных и известных теоретических положениях в области плазменной техники и теплофизики, разработанных научной школой академика М.Ф. Жукова. Фиксирование параметров процессов и наблюдение за ними осуществлялось с помощью современной измерительной и регистрирующей аппаратуры.

Для теоретического анализа распределения температурного поля применялись апробированные аналитические и численные методы. Достоверность определения теплового потока в стенку электрода обеспечивается статистической обработкой большой выборки измерений. Достоверность численных результатов исследований подтверждается экспериментальными данными.

Использованы методы численного решения дифференциальных уравнений, описывающих тепловые процессы с применением программного комплекса (ПК) ANSYS. Применялись методы планирования экспериментов, регрессионного анализа, оптимизации.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы приняты ОАО «Сибэлеюротерм» для разработки и создания перспективных электротехнологических установок комбинированного плазменно-омического нагрева, предназначенных для переработки техногенных отходов, и внедрены в учебно-образовательный процесс подготовки магистров по направлению 140400 «Электроэнергетика и электротехника».

Личный вклад автора. В решении обозначенных задач автор принимал непосредственное участие. Автором были разработаны модели различных конструкций электрода - анода в ПК ANSYS и исследовано влияние энергии, выделяемой в разрядной камере плазмотрона, на распределение температурного поля в стенке электрода - анода и ресурс работы плазмотрона. Были проведены анализ и обобщение результатов исследований и подготовка публикаций.

Апробация работы: основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на IV Всероссийской научной конференции с международным участием, «Наноматериалы и технологии», Улан-Удэ, 2012г; XVII Intern. Congress Energy Efficient, Economically sound, Educationally enforced electronechnologies, St. Petersburg, 2012; VII International Conference «Plasma Physics and Plasma Technology», Minsk, 2012; VIII Всероссийская конференция с международным участием «Горение твёрдого топлива», Новосибирск, 2012г; VI Евразийский симпозиум по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата EURASTRENCOLD-2013, Якутск, 2013г; XI Международная конференция «Газоразрядная плазма и её применения», г. Томск, 201 Зг; Всероссийская научная конференция молодых учёных «Наука. Технологии. Инновации», Новосибирск, 201 Зг; Intern. Forum on Strategic Technology IFOST 2013, Ulaanbaator, Mongolia, 2013; Всероссийская (с международным участием) конференция "Физика низкотемпературной плазмы", г. Казань, 2014.

Публикации: основное содержание диссертации опубликовано в 15 печатных работах, в том числе 5 в рецензируемых изданиях, вошедших в перечень рекомендованных ВАК РФ, 9 - в материалах международных и российских конференций, 1 патент на изобретение.

Структура и объём диссертации. Диссертация включает в себя введение, 4 главы, заключение и список использованных источников. Работа изложена на

124 страницах машинописного текста, содержит 58 рисунков и 4 таблицы. Список использованных источников состоит из 107 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, сформулированы цели и задачи работы, отмечена научная новизна и практическая значимость работы, формулируются выносимые на защиту научные положения.

В первой главе приведены сведения о том, что в последние годы в зарубежной и отечественной технической литературе появилось значительное количество публикаций в основном рекламного характера по использованию плазменных источников энергии в установках высокотемпературной переработки техногенных отходов. В описанных технологиях применяемые генераторы низкотемпературной плазмы - плазмотроны работают, как правило, на воздушной плазмообразующей среде. С точки зрения плазмохимических реакций, протекающих в плазменном реакторе, оптимальным плазмообразующим газом является водяной пар. Однако широкое практическое распространение плазменных технологий на водяном паре сдерживается отсутствием надежных дуговых пароводяных плазмотронов с достаточным ресурсом непрерывной работы.

В известной литературе, как правило, рассматривают общие принципиальные вопросы проектирования плазмотронов для специалистов в данной области техники, а вопросы конструкции плазмотрона, определяющие его работоспособность, надёжность и эффективность обычно не рассматриваются. В главе представлен общий обзор основных принципиальных схем и конструкций существующих пароводяных плазмотронов, анализируя которые, была предложена новая схема пароводяного плазмотрона. Отражены основные аспекты, с которыми необходимо мириться при их эксплуатации, а также выдвинут ряд требований, которые необходимо соблюдать для достижения стабильной работы пароводяного плазмотрона.

Во второй главе обоснованы технические требования к конструкции энергоэффективной плазменной электропечи, включающую: пароводяной плазмотрон, графитированный электрод и ванну с расплавом шлака. На рисунке 1 представлена зона газификации предлагаемой электротехнологии и её электрическая схема замещения. Пароводяной плазмотрон обеспечивает подачу газифицирующего агента - водяного пара в плазменную печь, что в свою очередь приводит к более интенсивному процессу газификации исходного продукта - отходов и к значительному сокращению тепловых потерь всей плазменной электропечи. Наличие графитированного электрода и ванны с жидким шлаком в плазменной печи позволяет уменьшить вкладываемую мощность в пароводяной плазмотрон до 50%, что позволяет использовать при одинаковой производительности печи по переработке отходов плазмотрон меньшей мощности с большим ресурсом работы и сроком службы.

Дополнительным достоинством предлагаемой плазменной печи является отсутствие подового электрода, что позволит исключить более частый уход за подиной, обеспечить надёжное зажигание дуг, а также обеспечить интенсивное горизонтальное перемешивание расплава.

Предлагаемое техническое решение позволит выполнить переработку/уничтожение отходов с наиболее рациональным энерговкладом в печь по сравнению с плазменными установками без дополнительного дугового и резистивного нагрева.

Рисунок 1 - Электрическая схема замещения

Электрод

Электрод

Плазмотрон

б)

Рисунок 2 - Зона газификации плазменной электропечи: а) пусковой режим работы; б) основной режим работы

Технология уничтожения отходов в предложенном варианте реализуется в две стадии. Во время пускового режима работы происходит расплавление загружённой электропроводной шихты (рисунок 2, а). Графитированный электрод опускают до касания с шихтой, а плазмотрон включают в косвенном режиме (дуга горит между анодом и катодом плазмотрона). Исходящая струя плазмы начинает оплавлять верхние слои шихты и одновременно разогревать электрод. Через определённое время работы плазмотрон переводят в основной режим работы (дуга замыкается на переплавляемую шихту), а электрод начинают приподнимать, образуя второй дуговой разряд между самим электродом и переплавляемой шихтой (вторая стадия плавки) (рисунок 2, б). Таким образом, электрическая цепь на второй стадии плавки замыкается по схеме: дуга плазмотрона - шихта - дуга

электрода. Как только в ванне образуется расплав в плазменный реактор осуществляется загрузка отходов, после чего сразу начинается процесс газификации. При высокой температуре (около 1600 °С) в реакционной зоне в результате интенсивного разложения горючих составляющих образуются: шлаковый остаток и газ, содержащий в основном водород и оксид углерода (синтез - газ). Расплавленные негорючие включения непрерывно стекают в водяную ванну для образования гранул, а газы поднимаются вверх, проходя через опускающиеся отходы, после чего попадают в экологический блок очистки и камеру сжигания электрогенерирующего устройства.

Стоит отметить, что для обеспечения условий устойчивого горения электрической дуги суммарная длина двух дуг не должна превышать расстояние между ними. В противном случае дуги будут перемыкаться в пространстве над расплавляемым металлом, в печи в таком случае реализуется неэффективный режим пониженной мощности с одной, так называемой "косвенной" дугой.

Уравнение энергетического баланса плазменной электропечи с пароводяным плазмотроном имеет следующий вид:

здесь Q\ - тепло, вносимое в установку с электрической энергией; £?2 - тепло, вносимое в печь с отходами (если они заранее подогреты до определённой температуры); - тепло, выделяемое в реакторе при протекании

экзотермических реакций; (¿¡, - тепло продуктов плавки и газификации - шлака и отходов; 05 - тепло, поглощаемое при протекании эндотермических реакций; - все виды тепловых и электрических потерь установки.

В третьей главе представлен расчётно-теоретический метод исследования плазменно-энергетических процессов, протекающих в плазменной печи. Для исследования в качестве техногенных отходов были выбраны медико-биологические следующего состава (масс. %): С = 20,9; Н= 2,65; О = 14,14; N = 0,83; 5 = 0,08; СУ = 2,08; 5/02 = 10,4; НгО = 48,92 общей массой 100 кг. Органическая масса указанного состава отходов составляет около 90 %, а минеральная - около 10 %. Расчёты процессов газификации были выполнены для температуры 1200 °С и атмосферного давления 0,1 МПа.

Основными уравнениями химических реакций, протекающих в высокотемпературной зоне газификации, являются:

а+ег+01 = 0л+(2ь+0б>

(1)

2С + 02 =2СО +58,86 ккал/моль; С + Н20 = СО + Н2- 28,38 ккал/моль; СО + н20 = СО2 + #2 + 10,41 ккал/моль;

(2)

(3)

(4)

(5)

В результате проделанных расчётов (с применением ПК АСТРА-4) было установлено, что при достижении термодинамического равновесия

9

газовая фаза в случае пароводяной газификации состоит в основном из синтез-газа СО + Нг, а при воздушной газификации в неё дополнительно входит ещё и молекулярный азот N2. Как известно, молекулярный азот на выходе из реактора, взаимодействуя с кислородом, способен образовывать опасные соединения N0^ что потребует дополнительно к установке применять более совершенную систему газоочистки. Также установлено, что на концентрацию водорода и монооксида углерода, как и на суммарную концентрацию Н20 и С02 сильное воздействие оказывают исходная влажность и процентное содержание углерода в отходах.

Пароплазменная газификация позволяет перевести органическую массу отходов в более калорийный синтез-газ и к тому же свободный от оксида азота. Из графиков (рисунок 3, а) видно, что калорийность получаемого синтез-газа больше в случае применения в качестве плазмообразующей среды - водяного пара. На рисунке 3, б представлены зависимости выделяемого тепла в реакторе в результате протекания эндо- и экзотермических реакций при использовании различного количества и сорта плазмообразующего газа. Из графиков видно, что при использовании воздуха в качестве плазмообразующей среды тепла в плазменной электропечи выделяется больше, чем при использовании водяного пара.

Рисунок 3 - Зависимость калорийности получаемого синтез-газа а) и выделяемого тепла в результате хим. реакций в плазменном печи б)

от расхода плазмообразующей среды: 1,3- плазмообразующая среда водяной пар при исходной влажности отходов 15 и 50% соответственно; 2, 4 - плазмообразующая среда воздух при исходной влажности отходов 15 и 50% соответственно

Представленная методика расчёта газификации позволяет определить уровень вводимой в плазменную электропечь электрической мощности в зависимости от расхода газа-окислителя, морфологического состава отходов, производительности электропечи.

о

2 0 0,2 0,4

0 0,2 0,4

Расход плазмообразующей среды, кг/ч

а)

В четвёртой главе обоснованы технические требования к конструкции

пароводяного плазмотрона. Основу исследуемого однокамерного плазмотрона

составляют два полых составных (из медного и стального слоев) трубчатых

электрода ступенчатой геометрии, разделённых термостойким изолятором

(рисунок 4). Толщина стальной обечайки 5 выбрана по известной инженерной

методике расчёта двухслойной стенки. Внутренний электрод служит анодом

_1

(диаметр до уступа ^ =20-10 м), выходной электрод - катодом (диаметр до уступа с/2 = 16-Ю-3 м). Соотношения Е\! с1\ и £>2/^2 составляют 1,5 и 1,8 соответственно, а длины 1\ и ¡2 изменялись в процессе экспериментов. Кольцо закрутки расположено в термостойком изоляторе, что позволяет организовать осевую стабилизацию дугового разряда на участках 1\ и .

Рисунок 4 - Конструктивная схема а) и фотография б) пароводяного плазмотрона: 1 - анод, 2 - катод, 3 - изолятор, 4 - кольцо закрутки, 5 - стальной цилиндр Нагреватель воздуха (рисунок 5, а) обеспечивает подачу подогретого до 160 °С воздуха в плазмотрон на стадии его запуска и отключения с целью исключения конденсации. Парогенератор (рисунок 5, б) обеспечивает подачу перегретого до 250 - 300 "С водяного пара в плазмотрон в основном режиме его работы. Нагреватель воздуха и парогенератор разрабатывались по известным инженерным методикам расчёта спиралевидных нагревателей.

а) б)

Рисунок 5 - Фотографии нагревателя воздуха а) и парогенератора б)

В результате проведённых экспериментов было установлено, что распределение теплового потока в стенку по длине неравномерно и условно его можно разделить на три зоны: I - зона минимальных тепловых потоков, II -зона максимальных тепловых потоков, III - зона входа и истечения нагретого газа (рисунок 6).

Рисунок 6 — Распределение теплового потока, поступающего в стенку электрода

Зона I. В этой зоне рабочая среда - водяной пар движется вдоль электрода у его стенки и возвращается обратно по его оси (движение водяного пара на рисунке 6 обозначено стрелками). Тепловой поток в стенку / состоит лишь из конвективного теплового потока q'K\

Ч1 =ЧК- (6)

Зона II. Зона горения дуги. Опорное пятно дуги не только вращается по рабочей поверхности электрода, но и перемещается вдоль оси в определённых границах. В экспериментах длина зоны II составляла =1,5+2D. Такая малая зона выработки и явилась причиной повышенной эрозии, так как основная термическая нагрузка приходится именно на эту малую область внутренней поверхности электрода, а большая поверхность электрода остаётся не задействованной. Здесь к тепловому потоку от горячего газа q"K добавляется энергия, подводимая путём переноса заряженных частиц от дугового пятна. Анализ эродированных следов на электроде совпадает с областью максимальных тепловых потоков. Тепловой поток в стенку области II состоит:

(7)

где q"L - лучистый поток, q z - поток от заряженных частиц.

Зона III. В пристенной области относительно холодная рабочая среда -водяной пар движется в направлении к зоне //, а в приосевой области уже нагретая плазмообразная рабочая среда движется в противоположном направлении электрода. Таким образом, тепловой поток в стенку области III состоит:

III _ III , „III <7 =ЧК + 1L ■ (8)

где q'"к - конвективный поток, цш¡, - лучистый поток.

В количественном отношении тепловой поток зоны I намного меньше

зон II и III. В свою очередь в зоне II не наблюдается существенного повышения

теплового потока в стенку по сравнению с зоной III. Незначительное увеличение теплового потока в зоне //, по-видимому, происходит вследствие того, что определённая часть выделенного тепла уносится с продуктами разрушения электродов и часть её передаётся рабочему телу.

В результате многочисленных численных расчётов была получена наиболее рациональная конструкция составного электрода-анода (рисунок 7). На внешней поверхности второго слоя электрода-анода в наиболее нагруженной области нарезан канал трапецеидальной формы так, что верхние кромки данного канала соприкасаются с внешним корпусом плазмотрона, создавая при этом спиралевидный (змеевидный) канал в рубашке охлаждения. Такой конструктивный приём приводит к гарантированному завихрению и турбулизации охлаждающего потока, что в свою очередь приводит к многократному увеличению коэффициента теплоотдачи и, как следствие, к более интенсивному охлаждению термически нагруженного участка составного электрода. При этом в менее термически нагруженной области поток воды остаётся ламинарным и слабый отток тепла обеспечивает желаемый температурный диапазон. Данное конструктивное решение позволяет фиксировать требуемую температуру на рабочей поверхности электрода и тем самым снижать его удельную эрозию.

Зона интенсивного Стальной слой охлаждения ^гг. :; — -53—ff^-р\ , МСДНЫН слои

Рисунок 7 - Составной электрод - анод

Тепловая задача моделировалась и решалась в программном комплексе АЫБУБ. Математическая формулировка задачи: в заданной области исследования £> (рисунок 8, а) требовалось определить функцию распределения температуры, удовлетворяющую уравнению теплопроводности

и начальному условию

/|Г=0=20°С.

(10)

Краевые условия на различных границах следующие:

Я—= 0 на Л; ^ = на Л; Л~ = 0 тГ2\ (П-13)

dx ау ах

Л^- = ai (/-/') на Л; А« а2 ('-'") наЛ; (14,15)

ау ау

Ä~ = a2{t-t') наГ5; Ä~~ = a3(t~t') наГ6; (16,17)

Ä— = a3(i-t') наГ7; Я— = 0 наГ8; (18,19)

dx dx

Я-^- = 0наГ9; Я^- = 0 наГш; Я— = q2 на Г,,; (20-22)

dy dx dx

Ä^- = q2m Г,2; = наГ13; = на Г,4. (23-25)

dy dy dy

Здесь t - температура; Я - коэффициент теплопроводности; c(t) - удельная теплоёмкость; р - плотность материала; <71, q2, qj и <?4 - тепловые потоки на границах Гь Ги, Лз и Г14; аь а2 и а3 - коэффициенты теплоотдачи на поверхностях охлаждения; и г" - температура окружающего воздуха и охлаждающей воды.

Проведённый численный расчёт распределения температурного поля в стенке электрода в ПК ANSYS позволяет представить результат в графическом виде (рисунок 8, б), из которого видно, что на рабочей поверхности электрода удалось получить температуру в диапазоне 100-450 °С в стационарном режиме, что необходимо для исключения конденсации.

Г, Г2 г3г4(5) г6(7)г8г9

и

—10 Гм Г13 Г11(12)

150 135 115

□ - слои из стали ■ - слой из меди

а)

ев

I §

£100

о

64 128 длина, мм

б)

Рисунок 8 - Граничные условия а) и зависимость температурного распределения в электроде - аноде от его длины б)

К полученным электрическим характеристикам плазмотрона, прежде всего, относится вольт-амперная характеристика (ВАХ) дугового разряда (рисунок 9).

и, в

500 400

300

100

200

300 I, А

Рисунок 9 - Семейство вольт-амперных характеристик дуги в зависимости от расхода плазмообразующего газа: 1 - 3■ 10"3 кг/с; 2 - 4-Ю"3 кг/с; 3 - 5-Ю"3 кг/с

Полученные экспериментальные критериальном виде следующим образом:

результаты обобщаются в

U = 2280

-0,17

Gnd2

0,2

V "2

■(Pd2)

0,25

(26)

где р - давление внутри газоразрядной камеры.

Диапазон изменения определяющих параметров:

,2 ~ 9 в ■)

7 А ---... — О • л .. --1 _ Л 1

■ = 1,79-10 -е-1,61-10 А-с/кг м; -^- = 0,161^-0,269 кг/м-с; pd2 = 20,4• 10'

°nd2

Па м. Погрешность расчетной формулы составляет менее 5%.

На рисунке 10 для сравнения приведены вольт-амперные характеристики дуги при работе плазмотрона на воздухе (кривая 1) и на водяном паре (кривая 2) при расходе плазмообразующего газа 4x10"3 кг/с. Сравнения следов выработки электродов при горении дуги на воздухе и на паре показало, что длина дуги при / = const практически не меняется, поэтому повышение напряжения на дуге при переходе с воздуха на пар обусловлено только тем, что дуга горит в смеси водорода с кислородом. На чистом водороде напряжённость электрического поля, как известно, выше и составляет 30 В/см и более.

U, В 500

400

300

100

200

300 /.А

Рисунок 10 - Вольт-амперные характеристики дуги в зависимости от рода плазмообразующего газа

Проведённые эксперименты позволили доказать, что при переходе от воздуха к водяному пару с общим расходом плазмообразующего газа 4><10 3 кг/с напряжение на дуге возрастает уже при расходе пара (?„ = 0,6х 10 3 кг/с (рисунок 11). Далее напряжение на дуге с уменьшением расхода воздуха и увеличением расхода пара возрастает значительно медленнее (расход плазмообразующего газа оставался примерно постоянным). Повышение напряжения на дуге при переходе с воздуха на пар обусловлено тем, что дуга при работе на паре горит в смеси водорода с кислородом.

и, В,

500

0 1 2 ЗСпх10"3,кг/с

Рисунок 11 - Изменение напряжения на дуге при переходе от плазмообразующего воздуха 1 и паровоздушной среды 2 к водяному пару 3 при

токе дуги около 200А К энергетическим характеристикам плазмотрона относятся температура Т и давление р плазмы на выходе из плазмотрона. Обобщающей энергетической характеристикой плазмы может выступать и энтальпия Л нагреваемого газа (рисунок 12), которая также связанна с температурой и давлением.

Рисунок 12 - Зависимость энтальпии плазменной струи от силы тока при расходе плазмообразующего газа - водяного пара 4x10"3 кг/с

Производительность плазмотрона характеризуется расходом газа б и тепловой мощностью струи плазмы Ртеп:

Ртеп=ИС. (27)

Проведённые эксперименты показали, что пропорционально росту мощности, вкладываемой в дугу плазмотрона, резко начинают расти тепловые потери на катоде и аноде. Однако это не сказывается на изменении КПД плазмотрона, который составляет я 0,6 + 0,7 в косвенном режиме (дуговой разряд горит между электродами плазмотрона).

Ресурс работы основных элементов конструкции - катода и анода относится к эксплуатационным характеристикам. В электродуговых плазмотронах плотность тока в месте контакта плазмы с металлом достигает значительных величин, в результате чего удельные тепловые потоки в опорных пятнах дуги оказываются настолько большими, что происходит разрушение материала электродов. В нашем случае в ходе экспериментов степень эрозии электродов определялась методом взвешивания до и после испытаний. Для оценки эрозионных характеристик электродов был введён параметр С -удельная эрозия электрода:

С = (28)

где Д/и - масса электрода, уносимая с плазменной струёй в процессе эксплуатации, кг; I - сила тока, А; / - время, с.

На рисунке 13 приведены экспериментальные данные по (3 (при силе тока дуги 180+200 А) для анода (значения б для катода располагаются несколько ниже - в диапазоне Ю'-ИО'8 кг/Кл).

По результатам расчёта распределения температуры вдоль электрода-анода (рисунок 8, б) была изменена система охлаждения стальной обечайки за счёт её профилирования с целью достижения температуры рабочей поверхности 110+130 °С. Изменение системы охлаждения стальной обечайки за счёт её профилирования сказалось на величине С/ (см. точку А, С А=1,7-10"9 кг/Кл). Отсюда следует, что при температуре входящего пара 250+300 °С необходимо обеспечить высокую скорость перемещения дугового пятна около 20 м/с (за счёт увеличения расхода пара или применения внешнего магнитного поля) и обеспечить за счёт косвенного охлаждения температуру рабочей поверхности электрода до температуры выше насыщенного пара на уровне 110+130 °С. Тогда будет возможно получение значений (3 анода на уровне Ю"|0+10-9 кг/Кл.

и, В 10"8

10

-9

0 2 4 6 8 1,ч Рисунок 13 - Зависимость эрозии электрода - анода от времени

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана принципиально новая конструктивная схема пароводяного плазмотрона без термоэмиссионного катода и без применения дорогостоящих защитных газов для него (например, аргона или азота). Изготовлен и испытан опытный образец пароводяного плазмотрона данной конструкции. Определен регламент перехода от работы плазмотрона на воздухе к работе на паре и обратно. Диапазон мощности плазмотрона составляет ~ 50 -100 кВт при токах — 150 — 300 А, падение напряжения на дуговом разряде 350 -500 В, расход пара (2 - 5)-10"3 кг/с. Термический КПД плазмотрона с ростом массовой доли водяного пара и указанной мощности остаётся приблизительно постоянным и составляет ~ 65% в косвенном режиме. При постоянном суммарном массовом расходе водяного пара ~ 410'3 кг/с плазмотрон может обеспечить теплосодержание плазмы - от 10 до 20 кВт ч/кг, что позволит вести гибкое регулирование энерговклада в плазмохимические процессы. Экспериментально полученная величина удельной эрозии внутреннего электрода-анода составила ~ 1,2-10'8 1,7-10' кг/Кл при среднем токе 200 А. Получено положительное решение о выдаче патента на изобретение.

2. Проведено исследование зависимости температурного распределения на рабочей поверхности внутреннего электрода-анода от различных конструкций самого электрода-анода. Установлено, что выполнение внешнего стального слоя электрода-анода в виде спиралевидного трапецеидального завихрителя приводит к наиболее рациональному режиму эксплуатации пароводяного плазмотрона, при котором в рабочей камере пароводяного плазмотрона исключается явление конденсации. Срок службы электродов пароводяного плазмотрона составляет около 300 часов.

3. Полученные экспериментальным путём энергетические, электрические и ресурсные характеристики разработанного пароводяного плазмотрона отвечают требованиям электротехнологии переработки техногенных отходов.

4. Проведёно исследование высокотемпературных процессов воздушной и пароводяной газификаций в результате чего установлено, что для реализации экологически безопасной электротехнологии переработки техногенных отходов и получения высококалорийного синтез-газа необходимо использовать в качестве плазмообразующей среды водяной пар.

5. Разработанное техническое решение на конструктивное исполнение плазменной электропечи с комбинированным нагревом, позволяет выполнять переработку отходов со значительной экономией энергии по сравнению с традиционными плазменными электропечами без дополнительного нагрева.

Основные научные результаты диссертации опубликованы в следующих работах (издания из списка ВАК):

1. Устройство электродугового плазмотрона и моделирование его энергетических характеристик / С. И. Радько, Э. К. Урбах // Доклады

государственного университета систем управления и радиоэлектроники. -Томск: Изд-во ТУ СУ Ра, 2012. -№1(25). - 4.1. - С. 212-215;

2. Аньшаков А.С., Урбах Э.К., Радько С.И. и др. Электродуговой плазмотрон для нагрева водяного пара // Теплофизика и аэромеханика, 2012, т. 19, №6, с. 761-763;

3. Аньшаков А.С., Урбах Э.К., Радько С.И. и др. Генератор плазмы водяного пара для газификации твёрдых топлив. // Теплоэнергетика, 2013, №12, С. 5-6;

4. Радько С.И. Тепловой расчёт составного трубчатого электрода в пароводяном плазмотроне // Научный вестник НГТУ. - 2013. - № 4(53);

5. Аньшаков А.С., Урбах Э.К., Радько С.И. и др. Электрические и тепловые характеристики генератора плазмы водяного пара с медными трубчатыми электродами / Известия вузов. Физика, 2014, №1/2, с. 44-47.

Список публикаций в других журналах, сборниках научных трудов, материалах международных и всероссийских научных конференций:

6. Energy characteristics of the arc plasmatrons at a change in geometry of a discharge chamber / А. С. Аньшаков, E.K. Урбах, С. И. Радько и др. // Proceedings of the XVII Congress 21-25 may, 2012 St.Petersburg. - С.-Петербург: Изд-во СПбГЭТУ \"ЛЭТИ\", 2012. - С. 138-144;

7. Plasma electric furnace for processing/utilization of carbon-bearing anthropogenic wasteso / М.Г. Кузьмин, В. С. Чередниченко, С. И. Радько и др. // Proceedings of the XVII Congress 21-25 may, 2012 St.Petersburg. - С.-Петербург: Изд-во СПбГЭТУ \"ЛЭТИ\", 2012. - С. 127-131;

8. Энергетические характеристики пароводяного плазмотрона мощностью до 100 кВт / А. С. Аньшаков, Э.К. Урбах, С. И. Радько и др. // Наноматериалы и технологии. / Сб. тр. 4-й Всеросс. научной конф. с межд. участием. 28-30 августа 2012 г., г. Улан-Удэ. - Улан-Удэ : Изд-во БГУ, 2012,- С. 35-73;

9. Electric-arc steam heater with copper tubular electrodes / A. C. Аньшаков, Э.К. Урбах, С. И. Радько и др. // Contr. papers VHth Int. Conf. "Plasma Physics and Plasma Technology" (Minsk, Belarus, Sept. 17 - 21, 2012). - Minsk: V'Kovcheg", 2012. - vol. II. - pp.727-729;

10. Анализ некоторых типов конструкций составного электрода пароводяного плазмотрона мощностью до 100 кВт/ С. И. Радько, С. И. Творогов // Электроэнергетика : 8 междунар. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Энергия-2013», Иваново, 23-25 апр. 2013 г. : материалы конф. В 7 т. - Иваново : Изд-во ИГЭУ, 2013. - Т. 3, ч. 2. - С. 9-12;

11. Optimal construction composite electrode steam plasmatorch/ S. I. Radko, S. I. Tvorogov // The 8 international forum on strategic technologies (IFOST 2013) : proc., Mongolia, Ulaanbaatar, 28 June - 1 July 2013. - Ulaanbaatar, 2013.-Vol. 2.-P. 590-591;

12. Плазменная газификация техногенных отходов для получения тепловой и электрической энергии / А. С. Аньшаков, А. И. Алиферов, С. И.

Н-1455Г

Радько и др. //. - VI Евразийский Симпозиум "EURASTRENCOLD-2013", 24-29 июня 2013 г., г.Якутск / Труды VI Евразийского симпозиума по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата. - Якутск: Инт Физико-Технических проблем Севера им. В.П.Ларионова СО РАН, 2013. - Т.2. - С. 53-59;

13. Электрические и тепловые характеристики генератора плазмы водяного пара с медными трубчатыми электродами / Аньшаков A.C., Урбах Э.К., Радько С.И. и др. // XI Межд. конф. «Газоразрядная плазма и её применения» (г. Томск, 17-20 сентября 2013 г.). - Томск: Изд-во ТГАСУ, 2013. -4 с;

14. Генерация плазмы водяного пара в электродуговом плазмотроне / Аньшаков A.C., Урбах Э.К., Радько С.И. и др. / Сб. мат. Всерос. (с межд. участием) конф. "Физика низкотемпературной плазмы" (20-23 мая, г. Казань) т.1. Казань: Изд-во КНИТУ, 2014. - с.39-42.

Список патентов:

15. Электродуговой нагреватель водяного пара: пат. 2518171 Рос. Федерация: МПК Н05В 7/18. A.C. Аньшаков, Э.К. Урбах, А.Э. Урбах, В.А. Фалеев, С.И. Радько; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН). -2012132796/07; заявл. 31.07.2012; опубл. 10.06.2014, Бюл. № 16.

2011302424

Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, тел./факс (383) 346-08-57 формат 60x84/16 объём 1,25 п.л. тираж 100 экз, Заказ № 1348 подписано в печать 20.11.2014 г

2011302424