Главная >> Диссертации - все темы

Pages: |

| 2 |

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

-- [ Страница 1 ] --

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Новосибирский государственный технический университет»

На правах рукописи

РАДЬКО

Сергей Иванович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО

ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ТЕХНОГЕННЫХ ОТХОДОВ С

ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПАРОВОДЯНОГО ПЛАЗМОТРОНА

Специальность: 05.09.10 – Электротехнология Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Аньшаков А.С.

Новосибирск – 2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность 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 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.

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.

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.

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±50оС) и нагреватель воздуха, необходимый для питания плазмотрона подогретым воздухом на стадиях запуска и отключения (150±10оС).

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 получено положительное решение о выдаче патента 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.

пароплазменной переработки углеродсодержащих техногенных отходов; их сравнение.

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

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 интересующие процессы с применением программного комплекса (ПК) ANSYS. Применялись методы планирования экспериментов, регрессионного анализа, оптимизации.

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, 2013г; Всероссийская научная конференция молодых учёных «Наука.

Технологии. Инновации», Новосибирск, 2013г; 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 печатных работах, в том числе 5 в рецензируемых изданиях, вошедших в перечень рекомендованных ВАК РФ, 9 – в материалах международных и российских конференций и было получено 1 положительное решение о выдаче патента на изобретение.

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

Работа изложена на страницах машинописного текста, содержит 58 рисунков и 4 таблицы. Список ГЛАВА I. Анализ современного состояния проблемы Глава посвящена общему обзору принципиальных схем и конструкций электродуговых генераторов пароводяной плазмы. В ней приведены сведения о достоинствах применения пароводяной плазмы по сравнению с остальными плазмообразующими газами. Отражены основные аспекты пароводяных плазмотронов, с которыми необходимо мириться при эксплуатации, а также выдвинут ряд требований, которые необходимо соблюдать для достижения стабильной работы плазмотрона. В данном разделе рассмотрены основные варианты использования пароплазменных источников энергии в технологиях высокотемпературной переработки и обезвреживания твердых бытовых, промышленных и медицинских отходов, сказано о применении пароводяных плазмотронов в процессах газификации угля. Обозначены недостатки действующих конструкций пароводяных плазмотронов и электротехнологических установок различного назначения, в состав которых входят эти плазмотроны, что позволило сформулировать задачи исследований настоящей работы.

1.1 Низкотемпературная термическая плазма и области её применения Интерес к дуговой плазме водяного пара возник в 20-х годах прошлого века. В работе [1] сообщается об исследованиях Гердиена и Лотца, Меккера и Бурнхорна, посвященных измерениям напряженности электрического поля и температуры в столбе дуги, стабилизированной водяным вихрем. Из-за высокой температуры дугового разряда горение осуществлялось, по сути, в парах воды, диаметр водяной трубки практически соизмерим с диаметром столба дуги.

Измеренные температура и напряженность поля составили 50·103 К и 300 В/см соответственно.

В нашей стране исследования пароводяных генераторов относятся к 60-м годам XX века. В работах [2, 3] приведены экспериментальные результаты по вольтамперным и эрозионным характеристикам плазмотронов с водяной и магнитной стабилизацией дуги. Показано, что эрозия электродов составляет 10-7 кг/Кл, а истекающая плазменная струя заметно загрязнена электродными материалами.

Поэтому следующим важным шагом для получения плазмы водяного пара стал переход к конструкциям плазмотронов со стабилизацией дугового разряда паровым вихрем. Усилиями Болотова А.В. с сотрудниками (Алма-Ата) и Алымова Б.Д. с сотрудниками (г. Днепропетровск) было положено начало исследованиям пароводяных генераторов плазмы для практического использования при бурении крепких горных пород и добыче руды в шахтах [4-8]. В результате проведенных исследований были установлены основные закономерности электрических характеристик от силы тока дуги, температуры и расхода водяного пара, а также КПД и удельная эрозия электродов. Например, показано, что при Gп = const падение напряжения на дуге с увеличением температуры пара (220470оС) уменьшается. То же самое наблюдается в зависимости = f(Tп) при I = const.

Тп = 200-300оС.

присоединился Михайлов Б.И. (Новосибирск) под руководством М.Ф. Жукова [9, 10]. Им получены основополагающие данные по электрическим, тепловым и эрозийным характеристикам, устойчивости горения дуги в паре и разработаны опытные образцы пароводяных плазмотронов различной мощности [11].

Низкотемпературная плазма – мощный интенсифицирующий фактор, резко ускоряющий протекание различных физико-химических процессов.

Плазменная технология – отрасль, где интересы фундаментальной науки, прикладных исследований и производства переплетаются наиболее тесно. Такие свойства низкотемпературной плазмы как высокая температура, большая концентрация энергии в малом объёме, возможность нагрева практически любых газовых сред позволяют создавать уникальные аппараты и осуществлять процессы, не протекающие в обычных условиях. Использование генераторов термической плазмы – характерное явление для современного производства.

Прямое восстановление металлов из руд, получение ультрадисперсных порошков чистых металлов, карбидов, нитридов и материалов с заранее заданными свойствами, решение проблемы огнеупоров и хладостойкости металлов – вот далеко не полный перечень возможностей плазменной технологии и техники [12].

С развитием физики и техники электродуговой плазмы становится возможным осуществление технологических процессов с замкнутыми циклами, а это обеспечит решение глобальной проблемы, стоящей перед человечеством – снижение уровня загрязнённости окружающей среды.

Наиболее распространёнными генераторами низкотемпературной плазмы являются плазмотроны с электрической дугой в качестве нагревателя газов.

Электрическая дуга обеспечивает эффективный нагрев практически любых газов до температур порядка (3-10)·103 К без каких-либо существенных ограничений по мощности и давлению.

Современное представление о возможности использования плазмотронов в промышленности основано на - экономичности, то есть высоком электрическом и тепловом КПД;

- длительном ресурсе работы;

- надёжности и устойчивости работы электродуговой установки в целом;

- возможности создания установок больших мощностей;

восстановительных, окислительных, инертных;

- простоте автоматизации процесса вследствие малой инерционности электрической дуги.

Разнообразие областей применения и требований к плазменной струе и генератору плазмы привело к большому разнообразию, как в организации рабочего процесса, так и в конструктивном оформлении плазмотронов. В настоящее время наибольшее распространение и применение получили электродуговые генераторы термической плазмы – электродуговые плазмотроны.

В зависимости от назначения и области применения различают следующие характерные виды плазмотронов [13]:

а) Плазменный инструмент – устройства (горелки) для сварки, резки, напыления тугоплавких материалов, бурения и поверхностной обработки твердых пород и т.п. Это устройства относительно небольшой и средней мощности, находящие все более широкое применение в различных видах производства.

Уровень мощности от единиц до десятков киловатт [14].

б) Плазмохимические реакторы – для осуществления химических реакций в плазменной среде (например, пиролиз метана, получение окиси титана, восстановление чистых веществ из их окислов или хлоридов – урана, титана, германия, тантала и т.д.). Эти устройства обычно большой мощности и промышленного применения уровня от сотен до тысяч киловатт [15].

в) Металлургические плазмотроны – для переплава тугоплавких и особо чистых материалов, восстановления чистых материалов, рафинирования, получения монокристаллов и дисперсных материалов. Обычно это также промышленные установки средней и большой мощности [15].

г) Плазменные нагреватели в различных процессах – сжигания и переплава разных отходов, розжиг топок котлов и т.п., уровня мощности от десятков до сотен киловатт.

д) Генераторы плазмы научно-исследовательского назначения – для самого широкого круга исследований при высоких температурах и скоростях потоков, в частности, для изучения аэродинамических, теплофизических и других процессов. Плазмотроны этой группы имеют мощности от единиц киловатт до сотен киловатт [16, 17], и область применения плазмотронов и технологий на их основе расширяется.

При всём разнообразии назначений и форм электродуговых плазмотронов они содержат ряд общих функциональных элементов, определяющих их свойства, и соответствующие им технические решения, способы проектирования и применяемые материалы. В известной литературе, как правило, рассматривают принципиальные вопросы проектирования, для специалистов в данной области техники, а вопросы конструирования плазмотрона, определяющие его работоспособность, надёжность и эффективность обычно не рассматриваются.

1.2 Свойства пароводяной плазмы Вода как плазмообразующая среда занимает особое место среди остальных плазмообразующих веществ.

Во-первых, пароводяной плазме присуще такое свойство как высокая удельная теплоёмкость, что почти на порядок выше, чем у воздушной, азотной, кислородной и плазмы других газов, и уступает лишь водородной (рисунок 1.1) [11].

Рисунок 1.1 – Энтальпия различных плазмообразующих сред На рисунке 1.2 представлены рассчитанные по формуле удельные энергозатраты на превращение 1 г воды, взятой при температуре T0, в сухой перегретый пар с температурой T оС. Эти значения в интервале давлений 1 10 105 с точностью до 2 % можно считать независящими от давления и составляющими величину порядка 3 кДж/г. Рабочее тело с такими аномально высокими теплофизическими характеристиками можно использовать для охлаждения стенок дуговой камеры и электродов плазмотрона.

Рисунок 1.2 – Удельные энергозатраты на получение сухого перегретого Во-вторых, поскольку пароводяная плазма – это смесь водородной плазмы с кислородной в соотношении 2 : 1, то её свойства ближе к свойствам водородной, так как в смеси его больше. В частности, теплопроводность пароводяной плазмы существенно выше, а вязкость значительно ниже, чем у других видов плазмы. Благодаря этому при горении дуги в вихревом потоке пароводяной плазмы столб дуги подвержен не столь сильному боковому охлаждению, как в среде чистого водорода, но значительно более интенсивному, чем в среде других газов. Это в сочетании с большой удельной теплоёмкостью пароводяной плазмы приводит, во-первых, к большей напряжённости электрического поля в столбе дуги и, во-вторых, к большей энтальпии пароводяной плазмы при том же токе дуги.

В-третьих, особо следует отметить, что в пароводяной плазме отсутствует балласт, каким является азот в воздушной плазме (где его доля составляет около 78%). Для многих технологических процессов этот элемент инертен и, более того, вреден, так как служит источником токсичной окиси NOx.

В-четвёртых, пароводяная плазма является не только теплоносителем, но и активным реагентом в физико-химических реакциях, что обеспечивает, например, полное извлечение углерода из материала отходов при газификации.

В-пятых, это её доступность. Исходным веществом для получения пароводяной плазмы служит обычная вода, отчего пароводяная плазма дешевле других сортов плазмы.

использованием пароводяных плазмотронов относятся каплеобразование на охлаждаемых поверхностях разрядной камеры и повышенная эрозия электродов [11]. Первая проблема приводит к неустойчивым режимам горения дугового разряда, а вторая ограничивает продолжительность непрерывной работы плазмотронов. Поэтому, несмотря на определённые успехи в создании технологических плазмотронов работающих на паре [18], низкий ресурс препятствуют их широкому использованию.

1.3 Схемы и конструкции действующих пароводяных плазмотронов паровихревых плазмотронов [19, 20]. Во избежание конденсации пара стенку дуговой камеры можно подогреть, однако это приводит к дополнительным осложнениям: во-первых, возрастает вероятность электрического пробоя между дугой и стенкой начального участка камеры, во-вторых, перегрев стенки выше температуры пара на входе в плазмотрон ведёт к потере устойчивости паровихревого потока, что ещё более увеличивает возможность пробоя дуги на стенку начального участка. Создавшая ситуация приводит к возникновению на начальном участке дуговой камеры явления «раннего шунтирования». При этом дуга укорачивается и в таком виде находится в пределах начального участка камеры. Естественно, что такие параметры плазмотрона, как напряжение, мощность, ресурс, энтальпия падают. По сути, описанный режим работы является аварийным. В обычных газовихревых плазмотронах, работающих на других видах газа, такой режим не обнаруживается, поскольку стенки начального участка дуговой камеры в этом случае всегда холодные.

Придание дуговой камере конфузорной формы повышает электрическую прочность промежутка между дугой и стенкой по всей длине начального участка, устраняя тем самым явление «раннего шунтирования». Выполнение проточной части плазмотрона в виде конфузора имеет и другие достоинства. С увеличением конфузорности за счёт возрастания в приосевой области радиального градиента давления существенно улучшаются осевая стабилизация столба дуги и фокусировка катодного пятна на термоэмиссионной вставке по сравнению с аналогичными характеристиками для цилиндрического канала [11].

На рисунке 1.3 схематично изображен однокамерный паровихревой плазмотрон с конфузорной формой разрядной камеры [11]. Катодный узел оснащается сменными катодами 1 с термохимическими вставками 2 из гафния.

Анод 3 — медный, с конфузорным начальным участком и водоохлаждаемым рабочим участком — участком привязки дуги. Подача воздуха и пара в плазмотрон — раздельная, с помощью двухконтурной вихревой камеры 4. Это исключает конденсацию пара в потоке холодного воздуха при переходе с пускового воздушного режима на рабочий паровой. Сменный катод помещен внутри стакана 5, выполненного из нержавеющей стали. Обращенный к аноду торец стакана выполняет роль теплового экрана. Благодаря плохой теплопроводности нержавеющей стали, он теплоизолирует пароплазменную среду в разрядной камере от холодной поверхности водоохлаждаемой медной обоймы катода и не допускает конденсации пара на ее стенках.

Рисунок 1.3 – Схема плазмотрона с паровихревой стабилизацией На рисунке 1.4 представлена схема плазмотрона ЭДП-217 [11]. Катод состоит из обоймы 1 и впрессованной в неё вставки 2 из лантанированного вольфрама. Такой катод требует для защиты от окисления подачи в прикатодную область аргона или азота. Для формирования защитной газовой завесы плазмотрон оснащён разделительной диафрагмой 3 и дополнительной вихревой камерой 4, служащей одновременно рубашкой охлаждения диафрагмы.

Пространство между катодом и диафрагмой образует форкамеру, куда из вихревой камеры 4 подаётся защитный газ, истекающий затем через центральное отверстие диафрагмы в основную разрядную камеру. Защитный газ аргон или азот, являющийся инертным по отношению к материалу катодной вставки 2, при своём движении в сторону анода 5 оттесняет проникающий из основной разрядной камеры диссоциированный водяной пар от катода, защищая тем самым его от окисления.

В институте теплофизики СО РАН под руководством М.Ф. Жукова разработан ряд паровихревых плазмотронов с газовой защитой катода [21-23].

Технические данные некоторых из этих плазмотронов приведены в таблице 1.1, а их вольтамперные характеристики – на рисунке 1.5 [11].

Таблица 1.1 – Технические характеристики плазмотронов Расход водяного Максимальное Габариты, м 0,1920,110,26 0,340,260,2 0,640,270,25 0,840,340, Рисунок 1.5 – Вольт-амперные характеристики дуги пароводяных На рисунке 1.6 представлена конструкция плазмотрона ЭДП-145.

Плазмотрон однокамерной схемы с паровихревой стабилизацией электрической дуги. Вольфрамовый катод защищается инертным газом. Во избежание конденсации пара водоохлаждаемая медная диафрагма теплоизолирована от электродуговой камеры специальным экраном. Проточная часть плазмотрона выполнена в виде конфузора (~ 3 на сторону). Рабочая часть анода цилиндрическая. Аналогично данной конструкции разработаны пароводяные плазмотроны типа ЭДП-148 мощностью от 45 до 100 кВт и ЭДП-142 от 90 до кВт. На рисунке цифрами обозначены: 1 – катод, 2 – анод, 3 – промежуточный электрод, 4 – межэлектродная вставка, 5 – соленоид.

На рисунке 1.7 приведены рабочие характеристики плазмотрона ЭДП- ( GP 4 103 кг/с, G Ar 0,3 103 кг/с): вольт-амперные характеристики дуги и КПД.

Рисунок 1.7 – Рабочие характеристики плазмотрона ЭДП-145: а) – ВАХ Помимо плазмотронов серии ЭДП в патентах [24-28] представлены ещё некоторые конструктивные решения плазмотронов, которые также позволяют получать низкотемпературную водяную плазму для применения её в химической, металлургической отраслях промышленности, в машиностроении и других производствах. Каждое техническое решение в представленных вариантах, по сути, направлено на увеличение мощности плазмотрона, стабилизации дуги, увеличения ресурса работы, КПД и температуры пароводяной плазмы на выходе из плазмотрона с учётом технологической специфики применения конкретного генератора низкотемпературной плазмы.

Как показано в [29-31], обычные вихревые камеры не всегда являются оптимальным конструктивным решением для закрутки газа в канале камеры, так как скорость вращения газа вдоль канала по мере удаления от точки вдува газа падает, вследствие чего ухудшаются теплоизоляция и термический КПД плазмотрона. Учитывая то, что инжектируемый газ, попадая внутрь канала и перемещаясь вдоль него, постепенно нагревается и теряет структуру закрученности, было принято решение подавать распределённый поток в разрядную камеру плазмотрона через стенку трубчатого медного канала, в котором имеются отверстия для тангенциального ввода газа. На рисунке 1. представлено устройство с цилиндрическим каналом и распределенной тангенциальной закачкой газа по нему. Здесь 1 – катод, 2 – анод, 3 – электрическая дуга, 4 – вихревая закрутка. При такой организации потока газа происходит поддержание положительного радиального градиента плотности внутри канала и улучшается стабильность вихря, но значительно уменьшается теплосодержание выходной струи, что и обуславливает его применение в качестве устройства для нагрева пара, а не как генератора низкотемпературной плазмы.

проиллюстрированы на рисунке 1.8 синими стрелками. Данный вариант плазмотрона-парогенератора был испытан лишь в лабораторных условиях.

Рисунок 1.8 – Устройство для нагрева водяного пара В работе [32] описан созданный в ИЭЭ РАН электродуговой трёхфазный пароводяной плазмотрон переменного тока с воздушной защитой медных электродов стержневого типа мощностью до 100 кВт. Схема работающего плазмотрона показана на рисунке 1.9. Использование воздуха в качестве защитного газа позволяет обеспечить высокий ресурс работы электродов при низких эксплуатационных затратах.

Диапазон мощности плазмотрона составляет ~ 50 – 105 кВт при токах ~ 30 – 50 А, падение напряжения 850 – 1750 В, расход пара 2,6 – 5,8 г/с, расход воздуха 1 – 3,8 г/с, максимальное отношение расходов водяного пара к воздуху ~ 6. Термический КПД плазмотрона с ростом массовой доли водяного пара в смеси и мощности остаётся приблизительно постоянным и составляет ~ 95%, что значительно выше, чем у других существующих электродуговых генераторов пароводяной плазмы. При постоянном суммарном массовом расходе плазмообразующей смеси ~ 6,55 – 6,8 г/с с массовой долей водяного пара ~ 55 – 85% плазмотрон может обеспечить теплосодержание плазмы от 8,3 до 12, МДж/кг, что позволит организовать гибкое регулирование энерговклада в плазмохимических процессах. Среднемассовая температура плазмы ~ 2950 – К. Удельная эрозия электродов составила 6,5·10-6 г/Кл при токе ~ 30 А, что позволяет, с учётом массы электродов, оценить величину ресурса их непрерывной работы до 300 ч. Данный тип плазмотрона обладает потенциалом увеличения мощности до ~ 200 кВт и может рассматриваться как прототип, позволяющий перейти к созданию пароводяных плазмотронов переменного тока мощностью МВт и более. На рисунке цифрами обозначены: 1 – корпус модуля подачи водяного пара; 2 – рубашка охлаждения; 3 – рубашка подогрева; 4 – зона ввода водяного пара; 5 – изолятор; 6 – зона ввода воздуха; 7 – узел со стержневым электродом; 8 – корпуса цилиндрических разрядных каналов электродных модулей.

Рисунок 1.9 – Трёхфазный пароводяной плазмотрон переменного тока В работе [33] предложено кардинальное решение проблемы ресурса дуговых плазмотронов. На рисунке 1.10 показана схема такого плазмотронареактора. Электрическая дуга привязана к поверхности расплавленного металла являющегося электродом. Такие электроды не подвержены эрозии и соответственно снимают ограничения на ресурс, мощность дуги и тип плазмообразующего газа. Устранение указанных ограничений открывает широкие возможности для промышленных применений плазмотрона, включая плазменную газификация угля и утилизацию токсичных отходов [34]. Применение расплавленных электродов, как анода, так и катода, может приводить к особенностям и специфическим свойствам разряда. Поэтому дуга, реализованная в этом плазмотроне, представляет интерес, как новый физический объект, так и с прикладной точки зрения.

Рисунок 1.10 – Схема плазмотрона с расплавляемыми электродами При работе на воздухе с одинаковыми расходами газа и геометрией разрядной камеры напряжение на дуге в полтора-два раза меньше, чем на более высокоэнтальпийном водяном паре. На базе экспериментальных данных получены обобщённые вольт-амперные характеристики (рисунок 1.11), которые могут использоваться для расчёта плазмотронов большой мощности.

Характерными особенностями этих характеристик, по сравнению с аналогичными для традиционных плазмотронов с фиксированной длиной дуги, являются сильные зависимости напряжения на дуге от диаметра канала.

Рисунок 1.11 – ВАХ плазмотрона с жидкометаллическими электродами Результаты измерения тепловых потерь в водоохлаждаемого стенки канала показывают, что потери растут пропорционально мощности разряда. С увеличением расхода газа доля тепловых потерь сокращается. Наибольшая эффективность плазмотрона была получена при работе на паре, и достигла более 90 %.

К числу факторов, которые ограничивают применение плазменных технологий, относятся в первую очередь обычные для всех дуговых плазмотронов проблемы, связанные с относительно высокой стоимостью оборудования и ограниченным ресурсом работы электродов. Первый из них обусловлен в значительной степени стоимостью электротехнических устройств питания и стабилизации режимов работы плазмотрона, а второй – эрозией материала электродов, в первую очередь катода. В настоящее время разработаны различные методы повышения ресурса электродов, однако для плазмотронов, представляющих интерес в энерготехнологических применениях, время непрерывной их работы все еще составляет 300-500 часов.

1.4 Высокотемпературные пароплазменные установки различного назначения Для получения альтернативных газовых топлив в настоящее время используются даже твердые бытовые отходы (ТБО), которые являются одним из видов углеродсодержащего сырья. Рост мировых цен на нефтепродукты обусловил интерес к наращиванию энергетического использования ТБО путем производства электрической и тепловой энергии. При этом принимается во внимание, что калорийность 1 т ТБО несколько выше калорийности 1 барреля нефти [35].

Современные методы утилизации и обезвреживания отходов базируются на высокотехнологических процессах их газификации с получением синтез-газа или на двухстадийном сжигании с использованием паровых, газовых, парогазовых турбин или газопоршневых двигателей для получения электроэнергии. При этом вторая высокотемпературная стадия гарантированно обеспечивает полное обезвреживание продуктов переработки от образования диоксинов и фуранов. Выбросы современных электростанций на сжигании ТБО в несколько раз меньше по объему и вредности, чем выбросы угольных ТЭС [35].

Большое число исследований проведено по применению пароводяной плазмы в процессах газификации угля и других видов твёрдого топлива [36-42].

Газификация угля основана на неполном его сжигании до монооксида углерода:

или на его пароводяной газификации:

Для последнего процесса (эндотермического) оптимальной является дополнительных источников энергии (например, термической плазмы).

Получаемая по (1.2) газовая смесь имеет невысокую теплоту сгорания (до МДж/м3) вследствие значительного содержания балластного N2 из атмосферного воздуха. Значительно более высокой является теплота сгорания синтез-газа Н2+СО, получаемого по реакции (1.3), – до 11,1 МДж/м3. Этот продукт по содержанию Н2 является максимально приближенным к составу жидких углеводородов, чтобы получать СЖТ.

Плазменная газификация характеризуется тем, что тепло для проведения эндотермической реакции образования синтез-газа из углеродсодержащего сырья, например, согласно реакции (1.3), вводится в систему с плазмой (в данном случае – пароводяной), а не за счет сжигания части этого сырья.

К преимуществам этой технологии, как уже упоминалось, относятся:

а) отсутствие балластного азота в продуктах газификации, что повышает их теплотворную способность по сравнению с технологиями воздушной газификации, и близость элементного состава получаемого синтез-газа (в части содержания водорода) к составу жидких углеводородов;

б) обеспечение высоких параметров процесса газификации (t = 1200оС и выше) независимо от качества исходного сырья;

в) гарантированное обезвреживание продуктов газификации опасных отходов, когда время пребывания при t = 1200оС не менее 0,4 с.

Недостатком процесса (1.3) по сравнению с другими вариантами получения синтез-газа является его энергозатратность. Однако расчеты показывают, что этот процесс для конечного производства СЖТ становится экономически выгодным.

практически безальтернативными для уничтожения токсичных и опасных медицинских технологий [43-45].

В 2007 году Институт газа совместно с Институтом электросварки НАН Украины осуществил разработку технологии и оборудования для экологически чистой переработки опасных отходов с использованием плазмотронов согласно концепции [43,44]. Пароплазменное оборудование для переработки углеродсодержащих отходов включает реактор с механизмами загрузки отходов и выгрузки шлаков, плазменную установку с паровым плазмотроном и специализированным источником электропитания, систему охлаждения и очистки отходящих газов, систему компьютерного управления и контроля, блок утилизации синтез-газа [35].

В последние годы в зарубежной и отечественной технической литературе появилось огромное количество публикаций в основном рекламного характера по высокотемпературной переработки различных органических отходов. Рассмотрим технологиях высокотемпературной переработки и обезвреживания твердых бытовых, промышленных и медицинских отходов с помощью термической плазмы [46].

В 1990-х гг. фирма MGC Moser-Glaser (Швейцария) разработала и обезвреживания опасных отходов мощностью 1 т/ч (рисунок 1.12). Технология получила название «Плазмокс» [47]. Центральным элементом установки является центрифуга с установленной в ней плазменной горелкой. Отходы в бочках подаются питателем в медленно вращающуюся водоохлаждаемую центрифугу, где распределяются на подине печи. Плазменная горелка постоянного тока мощностью 1,2 МВт нагревает материал и разрушает токсичные органические вещества. На поду образуется расплав минеральных компонентов с температурой осуществляется основной плазменной горелкой. Образующиеся газы через пережим, в котором устроена еще одна горячая зона, с помощью второй плазменной горелки мощностью 0,3 МВт поступают в окислительную камеру, где находятся в течение 2 с при 1200 °С.

Рисунок 1.12 – Установка высокотемпературного Вариантом без установки центрифуги является плавильная печь фирмы Europlasma (г. Бордо, Франция) для переработки токсичной золы МСЗ (рисунок 1.13). Мощность внедренных этой фирмой установок (во Франции, Японии и других странах) составляет от 6 до 41 т/сут. Нелетучие минеральные компоненты, в том числе соли тяжелых металлов, извлекаются из печи в виде расплава (вторичного продукта), а возгоны летучих веществ (кадмий, ртуть, свинец) после системы сорбции и улавливания собираются для последующей упаковки, утилизации или захоронения.

Рисунок 1.13 – Плазменная печь фирмы EUROPLASMA для переработки Специалистами Института тепло- и массообмена им. А. В. Лыкова и ООО «Плазмактор» (г. Минск, Беларусь) разработана, изготовлена и испытана плазменная камерная печь периодического действия мощностью до 50 кВт и производительностью 20-30 кг/ч, показанная на рисунке 1.14 [48]. Печь предназначена для обезвреживания сравнительно небольших объемов медицинских и биологических отходов. После загрузки отходов в количестве примерно 10-15 кг и включения плазмотрона цикл их переработки (сжигания) составляет примерно 10 мин и зависит от состава отходов. После завершения цикла работы плазмотрон выключается, и печь переходит в режим остывания и разгрузки шлака. Суммарное время реализации всех стадий составляет около мин, после чего печь готова к следующей загрузке и включению.

Рисунок 1.14 – Плазменная печь для обезвреживания медикобиологических отходов Плазменная установка для переработки инфицированных медицинских отходов была разработана и спроектирована специалистами ЗАО «Плазма Тест» и построена на территории Московской городской инфекционной клинической больницы № 1 [49, 50]. Принципиальная технологическая схема установки приведена на рисунке 1.15. Основу оборудования составляет двухкамерная кессонная металлургическая печь с ванной расплава шлака и металла и плазмотроном на боковой стенке, обеспечивающим температурный уровень от 2000 до 5000 °С. Максимальная проектная пропускная способность по отходам кг/ч (500 т в год). По ряду технических и экономических факторов указанная установка не была введена в постоянную эксплуатацию.

В целом рассмотренная технология обработки неподвижного слоя токсичных отходов соударяющейся плазменной струей характеризуется низкой эффективностью тепло- и массообмена. Существенное усложнение установки за счет встроенной центрифуги для перемешивания расплава на подине печи кардинально не повышает эколого-технологические параметры процесса.

Рисунок 1.15 – Технологическая схема плазменной установки ЗАО «Плазма Тест» для обезвреживания медицинских отходов Одной из наиболее эффективных разработок специалистов ГУП МосНПО «Радон» является технология плазменного сжигания твёрдых радиоктивных отходов (ТРО) низкого и среднего уровней активности. На предприятии создана и эксплуатируется установка «Плутон», обеспечивающая плазменную переработку отходов сложной морфологии с получением кондиционированного продукта в одну стадию и высоким коэффициентом сокращения объемов РАО.

Стеклоподобный конечный продукт, плавленый шлак, пригоден для захоронения или длительного хранения на полигоне кондиционированных радиоактивных отходов. Устройство и вид шахтной печи плазменной установки «Плутон»

приведены на рисунке 1.16 [51]. На рисунке 1.16 цифрами обозначены: 1 – узел загрузки, 2 – шахта, 3 – под, 4 – бокс приёма шлака, 5 – плазмотрон, 6 – узел слива шлака, 7 – выход пирогаза.

Рисунок 1.16 – Устройство и вид шахтной печи установки «Плутон»

Органическая часть радиоактивных отходов подвергается пиролизу в печи шахтного типа с производительностью 200-250 кг/час в условиях недостатка кислорода, в то время как процесс плавления шлака проводится в окислительной атмосфере, что способствует полному уничтожению органических компонентов шлака и получению более однородного продукта.

Нагрев плавителя шахтной печи до температур 1500- 1800оС возможен благодаря использованию дуговых плазмотронов постоянного тока, разработанных на ГУП МосНПО «Радон». Плавленый шлак (рисунок 1.17) представляет собой базальтоподобный монолит, где содержание оксида алюминия достигает 28% мас., оксида кремния – до 56% мас.; оксида натрия – от 2,5% мас. до 11% мас. В матрице шлака надежно фиксируются радиоактивные изотопы, а также оксиды тяжелых металлов, таких как свинец, никель, медь, цинк и т.д.

Плотность шлака составляет 2,5-3,5 г/см3. Он является чрезвычайно устойчивым к химическому воздействию материалом. Скорость выщелачивания из шлака в воду натрия, одного из самых «подвижных» элементов, в среднем на порядок ниже подобного показателя для боросиликатных стекол и на два-три порядка ниже, чем у цементных матриц. Скорость выщелачивания большинства других элементов, в том числе тяжелых металлов, еще ниже, поэтому подобный шлаковый компаунд можно рассматривать как одно из самых совершенных средств консервации радиоактивных элементов и неорганических токсикантов.

Приемные контейнеры со шлаковым компаундом загружаются в невозвратные защитно-транспортные контейнеры и размещаются на полигоне долговременного хранения кондиционированных форм РАО в Научно-производственном комплексе ГУП МосНПО «Радон».

ГУП МосНПО «Радон» получил разрешение Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору РФ на переработку твердых радиоактивных отходов низкого и среднего уровней активности плазменным методом в 2007 году, и с 2008 года на установке «Плутон» ведется плановая переработка ТРО.

смешанного типа, близкие по морфологическому составу ТРО атомных электростанций. Наряду с горючими материалами (бумагой, древесиной, текстилем, кожей, полимерами) перерабатываемые отходы включают до 30-40% негорючих компонентов (строительного мусора, стекла, грунта, ила, металлического скрапа, теплоизоляционных материалов и т.д.). Суммарная влажность отходов может достигать 40% при влажности содержимого отдельных упаковок до 90%. Удельная активность ТРО, принимаемых на термическую переработку, ограничивается, согласно условиям действия лицензии, значениями 2,2·105 Бк/кг по -излучающим радионуклидам и 3,7·106 Бк/кг по -излучающим радионуклидам.

В 2009-2011 годах плазменным методом в шахтной печи установки высокотемпературных технологий отходы, как активированный уголь, неорганические сорбенты и донные отложения (илы), выгруженные из аппаратов очистки ЖРО и сборников стоков системы спецканализации. Эти виды отходов характеризуются высоким содержанием влаги (до 90%), в сухом остатке илов доля органических веществ достигала 50%.

Плазменным методом успешно перерабатываются ранее подпрессованные смешанные отходы после извлечения из тары и переупаковки в крафт-мешки, а также отходы, подвергшиеся суперкомпактированию в металлической упаковке.

Проблема переработки перечисленных выше видов радиоактивных отходов весьма актуальна для атомных электростанций. Плазменная технология способна в значительной степени снизить ее остроту.

Схема плазмохимического реактора с жидкометаллическими электродами показана на рисунке 1.10 [33,34]. Внутри стального герметичного корпуса, футерованного огнеупорным кирпичом, находятся две реакционные камеры со специальными ваннами. Перед первым стартом плазмохимического реактора в ванны загружается металлический лом. Электрическая дуга зажигается между этими ваннами через специальный водоохлаждаемый канал. Отходы подаются на поверхность расплавленного металла. Плазмохимическая реакция газификации протекает в камерах реактора при температуре 1300-1500оС. Продукты газификации выводятся из камер плазмохимического реактора и поступают в систему газоочистки. Во время работы на поверхности металла образуется слой расплавленного шлака. Шлак должен удаляться по мере накопления или непрерывно для установок большой производительности с помощью специального устройства шлакоудаления. Фотография реактора с плазмотроном мощностью 500 кВт показана на рисунке 1.18.

Рисунок 1.18 – Плазмохимический реактор для утилизации токсичных По сравнению с плазмохимическими реакторами, использующими традиционные плазмотроны, данный реактор обладает стратегическими преимуществами:

1) полное отсутствие эрозии электродов;

плазмообразующего газа.

жидкометаллическими электродами были проведены исследования различных плазмохимических реакций, в том числе исследован процесс паровой газификации угля и процесс утилизации токсичных отходов, включая хлорсодержащее трансформаторное масло ТХД. Масло ТХД подавалось в реактор на поверхность расплавленного металла. Плазмохимическая реакция газификации протекала в камерах реактора при температуре 1300-1500 оС. В результате реакции газификации, взаимодействия пара с ТХД образуются синтез газ (смесь водорода, CO и HCl). Полученный синтез газ подвергается быстрому охлаждению (закалке), одновременно проходя очистку от HCl в центробежно-барботажном аппарате.

Результаты анализов показывают, что концентрация диоксинов/фуранов в продуктах разложения ниже нового европейского стандарта TEQ = 0,1 г/м3. Таким образом, разработанный плазмохимический реактор может использоваться как основа для создания технологической базы переработки токсичных отходов.

1.5 Заключение по главе плазмотронов. Практически все они являются плазмотронами постоянного тока.

Эта ситуация обусловлена тем фактором, что дуга постоянного тока горит более устойчиво по сравнению с дугой переменного тока. В большинстве из представленных плазмотронов используются катоды из тугоплавких материалов, в основном из сплавов на основе вольфрама, а также циркония и гафния, не выдерживающих работы в окислительных средах. Для защиты катодов в большинстве случаев применяются инертные газы, в основном аргон, что делает эксплуатацию таких плазмотронов в непрерывных технологических процессах дорогостоящей.

Дополнительно к числу факторов, которые ограничивают применение плазменных технологий, относятся в первую очередь обычные для всех дуговых плазмотронов проблемы, связанные с относительно высокой стоимостью оборудования и ограниченным ресурсом работы электродов, из чего сделан вывод и поставлена цель настоящей работы – необходимо разработать надёжный и плазмообразующего газа только водяной пар (без применения дополнительных защитных газов) и чтобы удельная эрозия его электродов была менее 109 кг/Кл.

В главе приведён обзор высокотемпературных установок, разработанных как в нашей стране, так и за рубежом. Однако, широкое практическое распространение высокотемпературных плазменных установок различного назначения сдерживается в связи с обозначенными проблемами, а именно отсутствием надёжных дуговых плазмотронов с достаточным ресурсом непрерывной работы.

ГЛАВА II. Технология переработки и уничтожения техногенных Данная глава имеет цель дать описание технологии, предназначенной для высокотемпературной переработки и уничтожения углеродсодержащих техногенных опасных отходов, в которой в качестве основного технологического элемента будет задействован разработанный пароводяной плазмотрон. Приведена электрическая схема замещения зоны газификации реактора. Представлен демонстрационный расчёт теплового энергетического баланса установки с условно выбранными геометрическими параметрами и исходными составами отходов и шлака.

2.1 Плазменная электропечь с пароводяным плазмотроном На рисунке 2.1 изображена схема плазменной электропечи с пароводяным плазмотроном, которая предназначена для высокотемпературной переработки техногенных отходов. Она не предъявляет жестких требований к влажности исходного сырья в процессе предварительной подготовки, морфологическому и химическому составам, а также агрегатному состоянию. Отходы 1 поступают через узел загрузки 11 в футерованную печь 10, где под действием энергии плазмотрона 12.2, дуги на графитированном электроде 12.1 и омического тепла шлака 21 газифицируются и вырабатываемый синтез-газ поступает в аппарат очистки и закалки 14, 15 – вихревой скруббер. Очищенный синтез-газ из бака отстойника 6 подается в камеру сжигания 18 с помощью воздуходувки 17. В камеру сжигания (дожигатель) одновременно подается необходимое количество воздуха 4 для сжигания синтез-газа. Отбор синтез-газа для определения его химического состава 20 осуществляется перед камерой сжигания.

Образовавшийся при плазменной газификации шлак 7 удаляется из шлакосборника 13. Шлам 8 удаляется периодически из шлакоприемника 16.

Водяной насос подает воду из бака отстойника в аппарат очистки и закалки. В баке-отстойнике предусмотрен специальный теплообменник для охлаждения поступающей из вихревого скруббера 15 воды. Система питания 19 обеспечивает подачу электрической энергии 2, плазмообразующего газа 3 и воды 4 на плазмотроны. Продукты сгорания синтез-газа после камеры сжигания частично отбираются для химического анализа. В объеме печи поддерживается разряжение 10 – 15 мм вод. ст.

Получаемый в электротехнологии газовый продукт состоит на 90 - 92% из смеси монооксида углерода (40% CO) и водорода (50%). Синтез-газ может сжигаться для получения тепловой энергии в стандартных котлах или аппаратах с кипящим слоем катализатора. Однако наиболее перспективным является использование смеси CO и H2 в качестве химического сырья. Эти технологии использования синтез-газа обеспечивают малоотходность переработки бытовых и промышленных отходов и повышают уровень ресурсосберегающего фактора.

Получаемая в качестве дополнительного продукта шлако-металлическая смесь имеет инертные свойства при взаимодействии с окружающей средой и может использоваться для дорожного строительства, получения вспененного гранулянта, шлаковаты, литых изделий широкого назначения. Свойства и состав получаемого шлака могут изменяться за счет введения в рабочее пространство печи дополнительно флюсов в виде SiO2, CaO и др.

Схема плазменной электропечи на рисунке 2.1 отличается от схемы плазменной электропечи приведённой в [52] отсутствием подового электрода и наличием графитированного электрода 12.1.

Принятая электротехнологическая схема исключает возможность интенсивного образования вредных соединений, в том числе оксидов азота, за счет отказа от использования воздуха в качестве окислителя. Это техническое решение по теоретическим расчётам даёт возможность в 2 - 3 раза снизить массу получаемых газов не только за счет исключения транспортного азота, но и за счет разделения в пространстве и времени проведения процессов полного окисления углерода для получения тепловой энергии. Предлагаемая высокотемпературная электротехнология может включать в себя устройства для интенсивной закалки получаемого синтез-газа с последующим проведением грубой и тонкой очистки газовых потоков от вредных составляющих.

В предлагаемой технологии в реакторе газификатора имеется ванна с жидким шлаком и металлом на дне и система их удаления в жидком виде. Такая система типична в металлургии и давно известна в энергетике, однако в установках для уничтожения вредных отходов она начала применяться относительно недавно и непрерывно совершенствуется [53].

Органическая составляющая отходов (в том числе биологическая – токсичная) и сложные неорганические соединения в основном разлагаются за счёт действия высоких температур, потоков термической радиации и воздействия активных компонент, появляющихся в рабочем пространстве. Негорючая компонента отходов частично превращается в пыль и газ и удаляется из рабочей камеры вместе с основным потоком отходящих газов, а частично – переходит в шлаковую ванну. Жидкий шлак действует и как растворитель для нереагирующей части отходов, и как катализатор некоторых реакций разложения. Металлическая компонента уничтожаемых отходов частично выгорает и уносится с отходящими газами в виде, частично окисляется и переходит в шлак, а крупные куски большей частью тонут в шлаковой ванне и расплавляются на её дне.

Условие, что отходы (например, медицинские) должны находиться в закрытом, упакованном виде, определяет периодический режим поступления упаковок на уничтожение. Соответственно этому режим работы обычных инцинераторов не может быть вполне равномерным. Дополнительную неравномерность режима работы вносит нерегулярность (разнообразие) состава отходов в упаковках. В результате чего может оказаться, что какая-то небольшая часть сложных органических и неорганических веществ, в том числе биологически вредных (а также часть простых горючих газов), не успеют разложиться и сгореть в первичной рабочей камере инцинератора и будут унесены газовым потоком. Это происходит постоянно в примитивных мусоросжигательных печах, работающих без газоочистных устройств. Установка с жидкой металлической ванной на дне лишена данного недостатка.

Количество твёрдых остатков, образующихся при переработке например медицинских отходов, составляет около 20-25% [53]. Из этого количества 5-8% уносится из камеры сжигания в виде пыли, до 15-20% остаётся в виде шлака, а 2в виде жидкого металла на дне ванны рабочей камеры. Жидкий шлак из ванны в рабочей камере плазменного модуля самостоятельно вытекает по наклонной трубе в наружный шлакоуловитель: в бак-гранулятор или в воду.

Мелкая фракция уносится в систему гидрозолоудаления. Крупная фракция гранулята удаляется периодически в наружный накопитель.

Шлам – сложная смесь оксидов, солей и щелочей – после кристаллизатора в составе газопромывочной системы может быть переработан в индивидуальные вещества или возвращён в рабочую камеру для переплава в шлак.

Жидкий металл со дна ванны рабочей камеры будет сливаться периодически через донное отверстие по мере накопления в специальную изложницу достаточного объёма. Металл будет представлять собой очень сложный сплав, часть которого можно использовать в металлургических отраслях.

2.2 Технологический процесс высокотемпературной переработки техногенных отходов Первым периодом плавки является расплавление металлической шихты.

Графитированный электрод опускают до касания его с шихтой, а плазмотрон включают в режиме косвенного действия, когда дуга горит между анодом и катодом плазмотрона (рисунок 2.2). Исходящая струя плазмы начинает оплавлять верхние слои шихты и разогревать графитный электрод.

Рисунок 2.2 – Зона газификации реактора (в разрезе) После определённого времени работы плазмотрона в косвенном режиме, его переводят в режим прямого действия, когда дуга замыкается на переплавляемую шихту, а графитированный электрод начинают приподнимать, образуя второй дуговой разряд между ним самим и переплавляемой шихтой.

Металл под электродом и плазмотроном нагревается, начинает плавиться и каплями стекать на дно ванны. В шихте под электродом и плазмотроном образуются выемки, а затем «колодцы», в которые по мере их проплавления опускаются электрод и плазмотрон. Этот процесс длится, пока электрод с плазмотроном не дойдут до лужи расплавленного металла на подине; затем шихта стенок колодцев начинает подплавляться, колодцы расширяются, уровень расплавленного металла в ванне, а с ним и электрод с плазмотроном начинают подниматься, пока вся шихта не расплавится [54]. Это очень беспокойный, неустойчивый период плавки, так как окружённая холодной шихтой дуга на электроде очень короткая и неустойчивая, подплавляемые дугой стенки колодцев обрушиваются, падают на электрод и плазмотрон, вызывая короткие замыкания.

В то же время период расплавления желательно провести как можно быстрее на максимальной мощности, так как от времени расплавления зависит производительность всей установки и её КПД. Этот период можно проводить на максимальном напряжении, так как дуги окружены холодным металлом, защищающим футеровку стен и свода от их излучения (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 – Зона газификации реактора (в разрезе) В период, когда металл расплавлен, происходит загрузка отходов в печь, после чего сразу начинается процесс газификации. Отходы, как уже было упомянуто выше, поступают в упакованном виде. При высокой температуре (около 1600 оС) в камере газификатора в результате интенсивного разложения горючих составляющих образуются: коксовый остаток и газ, содержащий в основном водород и оксид углерода (синтез – газ). Минеральная часть, состоящая главным образом из силикатов и металлов, плавится и разделяется на металл и шлак. Оксид железа, содержащийся в шлаке, вступает в реакцию с коксовым остатком, восстанавливается до металла, образуя оксид углерода. Расплавленные негорючие включения непрерывно стекают в водяную ванну для образования гранул.

Восстановившийся металл непрерывно отделяется от шлака. Полученный расплав состоит в основном из железа, других металлов и кремния. Состав этой массы и количество электроэнергии, необходимое для её получения, зависят от количества и состава исходных материалов. Для нормального протекания процесса необходимо регулировать подачу отходов в печь. Шлаковый покров должен постоянно перемешиваться с поступающими холодными отходами, чего можно достичь, например перемешиванием расплава металла и шлака.

Горючие газы, образующиеся в результате реакции кислорода с углеродом, поднимаются вверх, проходя через опускающиеся твёрдые отходы.

Выходящий газ, содержащий значительное количество водяных паров, некоторое количество «масляного тумана» и следы вредных примесей поступает в вихревой скруббер (центробежно - барботажный аппарат - ЦБА). Схема и принцип работы ЦБА подробно описаны в работе [52]. Полученный в результате газификации газ представляет собой чистое горючее топливо. Этот газ имеет большое преимущество перед природным, так как не содержит соединений серы и оксидов азота.

В период, когда металл полностью расплавлен, стены газификатора очень горячие, так как дуги удлиняются и сильно излучают теплоту на футеровку, которая нагревается до предельной для материала температуры, поэтому напряжение необходимо регулировать и снижать, либо непрерывно подавать отходы в камеру газификации.

Из изложенного следует, что необходимо иметь возможность регулировать в широких пределах мощность установки и её напряжение, а её электрооборудование должно выдерживать частые короткие замыкания и толчки нагрузки.

2.3 Энергетический расчёт зоны газификации Расход электроэнергии на переработку техногенных отходов зависит не только от технологических факторов – элементного состава, умения персонала вести процесс, состояния футеровки, качества электродов, величины простоев и т.

п., но и в не меньшей степени от того, насколько правильно выбран электрический режим печи [54]. Регулировать режим можно, например, изменяя длину дуги на графитированном электроде, а следовательно и общий ток цепи.

Этот способ позволяет регулировать режим печи непрерывно и плавно, поднимая поддерживая на требуемом уровне ток и мощность печи.

зависимость от тока её основных параметров; полезной к полной (активной) мощности. Такого рода зависимости строят на основе электрической схемы замещения установки; они носят название электрических характеристик.

Электрическую схему замещения зоны газификации можно представить в виде однофазной цепочки последовательно включенных активных сопротивлений (рисунок 2.4). К активным сопротивлениям цепи относятся: сопротивление дуги плазмотрона Rд1, сопротивление дуги на электроде Rд2 и сопротивление расплава ванны Rм. Из данного ряда сопротивлений Rд1 и Rд2 относятся к непостоянным сопротивлениям, так как во время эксплуатации значения их сопротивлений сопротивлению, если при этом поддерживать на заданном уровне состав и температуру шлака.

Допустим, что имеется некая высокотемпературная установка, предназначенная для переработки и уничтожения опасных отходов и в которой разработанный пароводяной плазмотрон, графитный электрод и ванна для жидкого шлака являются основными конструктивными элементами. В таком случае, настоятельно рекомендуется составить энергетический баланс, который будет давать ясную энергетическую картину всего процесса и позволит наметить меры по улучшению использования такой установки и её расходных показателей.

В этом случае, в приходную статью энергетического баланса будут входить следующие составляющие: Q1 – тепло, вносимое в установку с электрической энергией; Q2 – тепло, вносимое в печь с отходами (если они заранее подогреты до определённой температуры); Q3 – тепло, выделяемое в реакторе при протекании экзотермических реакций. В расходную статью энергетического баланса будут входить: Q4 – тепло продуктов плавки и газификации – шлака и отходов; Q5 – тепло, поглощаемое при протекании эндотермических реакций; Q6 – все виды тепловых и электрических потерь установки. В итоге вид энергетического баланса примет вид:

где - погрешность, обусловленная допущениями и расчётом.

Приведём демонстрационный расчёт уравнения энергетического баланса (2.1) для электротехнологической установки, геометрические параметры ванны с жидким шлаком которой представлены на рисунке 2.5.

В качестве исходных данных примем следующие параметры:

1) масса углеродсодержащих отходов, подаваемая в камеру реактора = 100 кг, элементный состав в исходном состоянии, % масс: С=34,83; H=4,42;

O=23,57; N=1,38; S=0,13; Cl=3,47; SiO2=17,33; H2O=14,87.

2) количество плазмообразующей среды, подаваемой в камеру газификации – водяного пара = 10 кг.

3) масса жидкого шлака 160 кг, элементный состав в исходном состоянии, % масс: SiO2=10,4; MnO=1; Fe=2; CaO=52,5; MgO=4,5; Al2O3=5.

Стоит отметить, что расчёт энергетического баланса приведён для первого цикла работы установки (первой загрузки отходов в газификатор). Такой режим работы является наиболее энергоёмким, так как минеральную часть всей массы приходится нагревать от 20 до 1600оС. Если установку эксплуатировать непрерывно, то при последующих циклах загрузки отходов в неё, вид уравнения энергетического баланса будет отличаться от (2.1), так как шлак нагревать уже не придётся. Из сказанного следует, что при разработке составляющих узлов установки, за основу расчёта следует брать именно этот режим.

Сначала, необходимо рассчитать количество тепла, необходимого для нагревания всей органической и минеральной частей массы, единовременно загруженной в газификатор до заданной температуры. Вычислим количество тепла, необходимого для нагревания 100 кг медицинских отходов. Общая формула для определения энергии:

т.е. общее количество тепла (энергии) определяется суммой отдельных количеств тепла, необходимых для нагрева отдельных компонентов материала где mi – масса i-й компоненты вещества, Cpi – удельная (средняя на интервале температур) теплоемкость при постоянном давлении. Из справочника [55] находим значения Ср на интервале температур 20С – 1200С для: C 14. Дж/моль град; H 2 28,85 Дж/моль град; O2 31,69 Дж/моль град; N 2 30, Дж/моль град; S 28 Дж/моль град; H 2O 36,77 Дж/моль град; SiO2 60, Дж/моль град.

Определяем количество тепла, необходимое для нагрева 100 кг медицинских отходов:

Взяв удельные энергозатраты на получение пара из рисунка 1.2, определим количество тепла, необходимое для нагрева 10 кг воды:

где q – удельные энергозатраты на получение сухого пара, кДж/г; m – масса плазмообразующей среды – воды.

Далее определим количество тепла, необходимое для нагрева 160 кг шлака. Сведения о теплофизических свойствах, в том числе о теплоемкости, рафинировочных шлаков в зависимости от их состава в литературе практически отсутствуют [56-58]. Так, в работе [58] приведены результаты исследований теплофизических реальных шлаков в интервале их основности от 0,5 до 1,4, температуропроводность, теплоёмкость и теплопроводность шлаков (таблица 2.1).

Таблица 2.1 – Теплоёмкость шлака Для определения необходимого тепла для нагрева 160 кг шлака воспользуемся усреднёнными данными из таблицы 2.1 и формулой (2.3):

После того, как мы определили тепло, которое необходимо затратит на составляющее Q4, которое входит в уравнение энергетического баланса:

Для определения Q3 и Q5 воспользуемся данными, полученными в главе III настоящей работы (рисунок 3.3). По кривой «водяной пар (14,87%)» на данном рисунке определяем, что при совместной подачей отходов и водяного пара массой в 10 кг в результате протекания основных экзо- и эндотермических реакций (3.8) – (3.11) в газификаторе будет выделяться 4 кВт, то есть:

Для численного моделирования электромагнитных процессов в расплаве металла сейчас широко используются специализированные пакеты программ и пакеты мультифизик [59-65]. Определение выделяемого тепла в ванне с жидким шлаком осуществлялся численным методом в ПК ANSYS. Большие трудности в использовании пакетов прикладных программ возникают с выбором метода решения, настроек, наложении граничных и начальных условий, а также при выборе расчётной области и размерности модели.

Семейство зависимостей электропроводности шлаков от их основности и температуры представлены на рисунке 2.6 [58]. Исходя из этих данных, удельное сопротивление для выбранного нами шлака при температуре 1600оС 0, Ом·м.

Рисунок 2.6 – Зависимость электропроводности шлаков от основности допущения:

1) среда считается немагнитной ( = 1);

2) среда является хорошим проводником и её диэлектрической проницаемостью можно пренебречь ( = 1);

3) физические характеристики среды предполагаются однородными и изотропными;

4) химические реакции не учитываются;

5) протекающие процессы описываются в стационарной постановке.

Задача решалась при следующих граничных условиях:

1) На краях поверхности моделируемого объёма расплава условно были выбраны опорные пятна дуг, через которые протекает постоянный ток в диапазоне от 100 до 300 А (на рисунке 2.7 протекание тока обозначено стрелками).

Рисунок 2.7 – Граничное условие протекающего тока 2) Тот факт, что магнитный поток принимается не выходящим за области модели, подразумевает, что поток будет параллелен внешним границам модели.

Это допущение возможно, если размеры моделируемого воздушного пространства, окружающего магнитную систему, достаточны для решения поставленной задачи. Это допущение моделируется “потокопараллельным” граничным условием (рисунок 2.8).

Рисунок 2.8 – Граничное условие потокопараллельности В результате численного моделирования была получена зависимость выделяемого тепла в жидком шлаке (при удельном электрическом сопротивлении шлака 0,018 Ом·м) от величины протекающего тока (рисунок 2.9).

Рисунок 2.9 – Тепло выделяемое в шлаке в зависимости от На рисунке 2.10 приведена зависимость выделяемого тепла в расплаве от его удельного электрического сопротивления и величины протекающего по нему тока. Из графиков видно, что если обеспечить регулирование удельного электрического сопротивления расплава в рабочем режиме в диапазоне 10-5 10- Ом·м, то выделяемое тепло в расплаве ванны будет составлять 10 – 100 кВт соответственно.

Рисунок 2.10 – Зависимость выделяемого тепла в расплаве от его Для определения тепла, выделяемого в дуговом разряде между расплавом и графитным электродом, необходимо экспериментальным путём получить семейство ВАХ этого дугового разряда. Не располагая такими данным, условно примем мощность, выделяемую в этой дуге равной половине мощности, выделяемой в дуге плазмотрона. Такое предположение сделано на основе очевидной неравнозначности этих дуг, так как, во-первых, дуга на графитном электроде горит частично в пароводяной среде, а частично в синтез-газе и вовторых, длина её меньше, чем длина дуги плазмотрона, что приводит к меньшему выделению мощности по сравнению с дугой плазмотрона. При токе 200 А, в дуге плазмотрона будет выделяться 70 кВт (рисунок 4.15 кривая 1 - 3·10-3 кг/с), следовательно в дуге на графитном электроде – 35 кВт и в ванне с жидким шлаком – 55,5 кВт (рисунок 2.9), то есть:

Тепло Q2 представляет собой теплосодержание продуктов, загружаемых в установки в течение плавки. Значение этого тепла в данном случае мало и может не учитываться, так как отходы предварительно не подвергались нагреву. В других случаях Q2 может составлять основную часть приходной статьи баланса.

Из практики известно, что реактор газификатора в большинстве случаев имеет КПД 90%, следовательно:

В итоге уравнение энергетического баланса примет вид:

Погрешность расчёта энергии 2 %.

2.4 Заключение по главе Описанная плазменно-дуговая технология переработки опасных отходов имеет ряд преимуществ по сравнению с распространёнными способами обезвреживания, например, как установки огневого обезвреживания слоевого типа: цикл процесса замкнут; процесс является безотходным; полностью разрушаются все органические соединения, уничтожается болезнетворная микрофлора; синтез-газ, полученный в результате газификации, содержит меньше вредных примесей, чем газы мусоросжигательных установок. Возрастает ресурс работы плазмотрона: во-первых, за счёт дополнительно выделяемого тепла в расплаве шлака, за счёт чего нагрузку на плазмотрон можно уменьшить, а вовторых, когда плазмотрон эксплуатируется в плавильном режиме, то вспомогательный электрод-катод перестаёт испытывать тепловую нагрузку от опорного пятна дуги, что многократно увеличивает ресурс работы плазмотрона в целом.

Плавленный шлак из рабочей камеры будет представлять собой инертный среднетемпературном сжигании техногенных отходов. Такой шлак можно использовать, прежде всего, для ремонта и строительства дорог и тротуаров.

ГЛАВА III. Плазменная газификация углеродсодержащих К углеродсодержащим техногенным отходам относятся: муниципальные (твёрдые бытовые отходы – ТБО), сельскохозяйственные (рисовая лузга и т.д.), биологические (медицинские, биологические иловые отложения – БИО) и т.д.

[74]. Несмотря на различную природу этих отходов, все они состоят из одинаковых химических элементов: углерода, водорода, кислорода, азота, хлора, серы, золы (комплекс неорганических элементов и соединений), воды (влаги), могут содержать опасные для окружающей среды элементы и соединения (болезнетворные микроорганизмы, тяжёлые металлы и т.д.).

Общепринятым способом подачи тепла в зону газификации углерода является экзотермическая реакция горения углерода в кислороде воздуха или в чистом кислороде. Газификаторы на кислородном дутье позволяют получать более калорийный, чем на воздушном дутье, газ, в котором отсутствуют окислы азота. Но энергозатраты на получение чистого кислорода сравнимы с энергозатратами на газификацию отходов, поэтому в качестве окислителя в большинстве случаев используется воздух или водяной пар.

Решение проблемы газификации углеродсодержащих отходов связано с комплексом экологических и энергетических задач: необходимо с одной стороны, разложить токсичные органические соединения на простые и безопасные, с другой стороны, содержащуюся в отходах потенциальную энергию горения (калорийность) использовать в энергетических или химических установках.

Плазменная газификация позволяет вводить тепло в зону газификации с использованием в качестве плазмообразующих газов воздух, кислород, водород, пары воды, синтез-газ, любой инертный газ. Для каждого рода газа требуется отдельное техническое решение конструкции плазменного устройства (плазмотрона).

Если основная цель газификации заключается в получении синтез-газа, пригодного для конверсии углеводородов (например, получение метанола), то использование воздуха, азота и других инертных газов в качестве плазмообразующих технологически целесообразно. Для получения синтез-газа, пригодного для энергетических установок (сжигание в двигателях внутреннего сгорания, энергетических котлах ТЭС и т.д.), возможно использование в качестве плазмообразующего газа относительно небольшого количества воздуха и азота.

Если основная цель газификации – уничтожение токсичных отходов, то в качестве плазмообразующего газа выбирается газ, исключающий возможность образования новых опасных соединений, например, водяной пар.

Энергетическая сущность газификации состоит в том, что исходную калорийность отходов накапливают в окиси углерода и водороде, т.е. твёрдое топливо переводится в газообразное со значительным сохранением теплотворной способности.

Экологическая сущность газификации заключается в том, что сложные органические соединения, опасные для окружающей среды, переводятся в простые и безопасные, уничтожаются целые биологические комплексы болезнетворных микроорганизмов. В восстановительной атмосфере водорода и окиси углерода не образуются диоксины и окислы азоты.

Благодаря относительно малому объёму синтез-газа по сравнению с объёмом продуктов полного сгорания отходов появляется возможность уменьшить габариты (и стоимость) очистных устройств в несколько раз.

В настоящей главе поставлена задача: теоретически исследовать и обосновать энергетическую и экологическую целесообразность пароводяной плазменной газификации.

3.1 Расчётно-теоретические методы исследования плазменноэнергетических процессов Наиболее полные сведения, необходимые для создания технологий термохимических процессов превращений отходов (термоподготовка, газификация и комплексная переработка), наряду с экспериментом могут быть получены с помощью расчётно-теоретических методов, определяющих оптимальные параметры процессов и конструктивные параметры устройств для их осуществления. В данном случае расчётно-теоретические методы исследований можно разделить на три основные группы: термодинамический анализ, теплофизические расчёты тепломассопереноса и кинетические расчёты химических реакций [66].

Термодинамические расчёты дают параметры рабочего тела (выход целевых продуктов, диапазон температур, удельные энергозатраты, содержание побочных продуктов и др.) в предельном состоянии, которое может быть и не реализовано, так как во многих ситуациях показатели реальных процессов термохимических превращений топлив отклоняются от термохимически – равновесных значений и в определённой мере корректируются кинетическими расчётами с учётом теплообмена и массопереноса в рассматриваемых системах.

Как правило [67-69], разработку технологических процессов, особенно новых, начинают с их термодинамического анализа, чтобы исключить принципиально неверные технические решения и найти области предельных значений параметров, к достижению которых можно стремиться, обеспечив максимально достижимую в конкретных условиях интенсивность тепломассообмена и кинетики процессов.

Термодинамический анализ проводят путём применения основных законов термодинамики в различных сочетаниях. Наиболее распространённым приёмом расчёта равновесного состава продуктов термохимических превращений топлив [70-72] является использование уравнений химических реакций рассматриваемых процессов, нахождение для них изобарно-изотермического потенциала Гиббса и вычисление на этой основе константы равновесия реакции:

Изобарно-изотермический термодинамический процесс протекает при постоянном объёме и давлении системы p=const, V=const.

Для нахождения зависимости концентраций от температуры K p из уравнения изотермы химической реакции (3.2) приравнивают константе равновесия, выражаемой через равновесные концентрации компонентов Ci из закона действующих масс:

где ni – стехиометрические коэффициенты в уравнениях химических реакций; Ci – концентрация i-го компонента.

Таким образом, для вычисления равновесных концентраций компонентов термодинамической системы необходимо записать набор независимых химических реакций, определяющих путь системы к равновесию, а затем рассчитать для них константы равновесия по уравнениям (3.2) и (3.3). Учитывая сложный состав термодинамических систем (топливо + окислитель), включающих до 25 элементов, указанный набор может состоять из десятков реакций, а число компонентов в состоянии равновесия может достигать несколько сотен [69,70].

В этой связи весьма привлекателен универсальный метод расчёта многокомпонентных гетерогенных систем, разработанный Г.В. Синяревым и Б.Г.

Трусовым (МГТУ им. Н.Э. Баумана) [67-69] и базирующийся на принципе максимума энтропии для изолированных термодинамических систем, находящихся в состоянии равновесия, характеризующегося максимумом энтропии относительно термодинамических степеней свободы. К последним относятся концентрации компонентов системы и какая-либо пара задаваемых переменных (температура и давление, удёльный объём и энтальпия и т.д.).

Установление равновесия достигается за счёт внутренних фазовых и химических превращений в изолированной системе, параметры равновесия которой могут быть определены путём решения задачи о нахождении максимума энтропии системы с учётом ограничений, накладываемых условиями постоянства массы химических элементов, электронейтральности системы в целом, связи между внутренней энергией, удельным объёмом, давлением и температурой системы.

Рассмотрение уравнений химических реакций и вычислений констант равновесия по уравнениям (3.2), (3.3) делаются излишними. Поэтому для расчёта равновесных концентраций и других параметров системы оказалось достаточным привлечь лишь две термодинамические функции индивидуальных веществ:

встречающиеся во всех расчётных выражениях в виде универсальной комбинации Выражение (3.5) представляет собой полный приведённый изобарноизотермический потенциал Гиббса [69]. Использование принципа максимума энтропии, для определения которой авторы работы [67] применяют теорему Нернста (III закон термодинамики) в совокупности с законами сохранения массы и энергии в изолированной системе, позволяет (при задании любой пары термодинамических функций из набора P, T, I, S, V, U и исходного элементного термодинамической системы в газовой и конденсированной фазах. Это весьма важно при рассмотрении термохимических превращений органической и минеральной частей топлив, так как последняя, как правило, остаётся в твёрдом остатке.

Кроме упрощения расчётной системы уравнений равновесных состояний, веществ. Указанные обстоятельства позволяют распространять этот метод, помимо металлургии [68], на различные области науки и техники, в том числе и на область топливоиспользования, резко сократить объём вычислений и автоматизировать процесс их осуществления на ЭВМ.

Разумеется, методы расчёта равновесий на основе максимума энтропии [67-69] и методы, базирующиеся на законе действующих масс [70-72], математически связаны между собой, и при определённых условиях можно перейти от уравнений, связывающих энтропию с концентрациями компонентов, к уравнениям констант химического равновесия [67].

Указанные преимущества позволили авторам работ [67-69] создать алгоритмы и универсальную программу – АСТРА-4, опубликованную в монографиях [67,73]. В настоящее время эта программа широко используется в России, Казахстане, Украине, Киргизии и в других странах СНГ [73-78].

Подавляющее число работ, посвящённых термодинамическим расчётам процессов пиролиза, газификации, термообработке углей, в том числе и плазменной, выполнены методами, основанными на законе действующих масс и определении констант химического равновесия [70-72,74,75,79,80]. Однако в последнее время появляется всё больше исследований термохимических превращений топлив [77,78,81-83], выполняемых с помощью программы АСТРАчто существенно сокращает объём вычислений и упрощает подготовку исходных данных к расчёту, поскольку при программе создан обширный банк термодинамических свойств индивидуальных веществ, включающий около веществ [73].

3.2 Термодинамический анализ газификации на примере медикобиологических отходов с помощью ПК АСТРА- Для пароплазменной газификации 1 кг медицинских отходов (шприцы, перчатки, перевязочные материалы, органические остатки и прочее, состоящие примерно из 60% целлюлозы, 30% пластмасс, 10% жидкости) требуется около кВт·ч электроэнергии с получением в конечном итоге синтез-газа в количестве 1,1-1,4 Для обеспечения производительности установки 200 т/год (потребность средней клиники или передвижной установки) требуется мощность пароводяного плазмотрона около 40 кВт, расход воды (на пар) – 30 кг/ч [35].

Вредность медицинских отходов – свойство известное и понимаемое;

некоторые из компонент считаются до того вредными, что их нельзя смешивать с ТБО.

Среди всего больничного мусора к специфическим медицинским отходам относятся, как минимум, следующие: перевязочные материалы (бинты, вата, салфетки); операционные отходы (иссечённые органы, кожные лоскуты, эмбрионы, ампутированные конечности); металл (сломанные медицинские инструменты, проволочные шины, иглы для шприцев, другие металлические предметы); стекло (ампулы, банки, флаконы и др.); резина, кожа, пластики (операционные перчатки, трубки, грелки, рентгеновская плёнка и т.д.); гипсовые повязки. По отечественным данным, специфические отходы составляют около 22% по массе от всего больничного мусора, а их накопление от 0,5 до 0,64 кг на койку в сутки [53].

Медицинские отходы хранятся и поставляются в одноразовых пакетах, используемых специально для сбора отходов. Пакеты обеспечивают герметизацию и возможность безопасного сбора в них до 15 кг. Пакеты оснащаются специальными стяжками, которые позволяют быстро и эффективно герметизировать пакеты после их заполнения. Пакеты имеют разные цвета в соответствии с тем классом отходов, для которых предназначены. Пакеты для сбора отходов класса А должны иметь белую окраску, класса Б - желтую, класса В - красную, класса Г - черную. При соблюдении всех правил герметизации использование пакетов снижает до 0% риск распространения инфекции за пределы лечебно-профилактического учреждения (ЛПУ).

Один из основных показателей теплотехнических характеристик всех отходов, в том числе и медицинских это влажность. Значения влажности отходов ЛПУ колеблются от 20 до 70%. Максимальные значения достигаются в осенневесенний период, однако изменение погоды не являются определяющими. В значительной степени влажность зависит от наличия инфицированного материала, прошедшего дезинфекцию (массовая доля которого может составлять до 65 – 70%, а влажность до 85%) и доли пищевых отходов.

Зольность отходов ЛПУ колеблется в пределах 10 – 20%; горючая масса от 20 до 75%. Элементный состав при известном морфологическом составе определяется по стандартным методикам. В связи со значительным колебанием морфологического состава, элементный состав определяется для каждого случая конкретно.

Для демонстрационного термодинамического исследования были выбраны медицинские отходы следующего состава, % масс: C=20,9; H=2,65;

O=14,14; N=0,83; S=0,08; Cl=2,08; SiO2=10,4; H2O=48,92.

Органическая масса указанного состава составляет около 90%, а минеральная – около 10%. Для выбора рациональный схемы газификации данного вида отходов был проведён термодинамический анализ процессов его воздушной и паровой газификации.

выполнены при температуре 1200оС при атмосферном давлении 0,1 МПа.

Предполагалось, что температурный уровень процесса поддерживается за счёт подвода энергии от внешнего источника тепла – разработанного плазмотрона.

При расчёте воздушной газификации медицинских отходов исходная термодинамическая система состояла из 100 кг медицинских отходов различной влажности для двух случаев (14,87 и 48,92%) совместно с плазмообразующим газом - воздухом (масса воздуха изменялась от 0 до 50 кг). Согласно справочникам воздух содержит примерно 79% объемных азота и 21% объемных кислорода, при этом плотность воздуха при нормальных условиях составляет 28,96 кг/кмоль. Следовательно, 1 кг воздуха в пересчёте на мольный состав равен 0,035 кмоль.

Учитывая соотношение 79% азота и 21% кислорода получаем на 1 кг воздуха: азот – 0,028 кмоль = 0,79 кг; кислород – 0,007 кмоль = 0,21 кг.

Аналогично воздушной газификации при расчёте паровой газификации было взято: 100 кг отходов различной влажности для двух случаев (14,87 и 48,92%) совместно с плазмообразующим газом – водяным паром (масса изменялась от 0 до 50 кг).

В результате термодинамического анализа были получены: равновесный состав продукта; энергия, получаемая в реакторе в результате протекания основных эндо- и экзотермических реакций и калорийность получаемого синтезгаза для всех вариантов.

использованием плазмообразующей среды до 10 кг (рисунок 3.1а) газовая фаза в основном состоит из синтез-газа (СО+Н2). При дальнейшем увеличении плазмообразующей среды в газовую фазу включаются окислители (Н2О и СО2).

Если влажность отходов начать увеличивать (за счёт исходной составляющей либо за счёт дополнительной подачи плазмообразующей среды), то концентрация окислителей может превысить концентрацию синтез-газа, при этом концентрация синтез-газа начинает уменьшаться, а концентрация окислителей возрастать (рисунок 3.1б).

Рисунок 3.1 – Зависимость равновесного состава продукта от количества Были проведены расчёты воздушной газификации той же массы отходов.

Аналогично паровой газификации с использованием плазмообразующей среды до 15 кг газовая фаза состоит в основном из синтез-газа (рисунок 3.2а). При дальнейшем увеличении плазмообразующей среды в газовую фазу начинают включаться окислители и молекулярный азот N2 (рисунок 3.2), который при взаимодействии с кислородом на выходе из реактора способен образовывать вредные соединения NOx. Как и в случае с пароплазменной газификацией видно, что концентрация синтез-газа при увеличении плазмообразующей среды снижается, а окислители и молекулярный азот увеличиваются.

Рисунок 3.2 – Зависимость равновесного состава продукта от количества По данным работы [107] основными уравнениями химических реакций при газификации углеродсодержащих отходов являются:

Согласно этим уравнениям (3.8) – (3.11) были проведены расчёты и на рисунке 3.3 представлены зависимости выделяемого тепла в реакторе в результате 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 реакторе выделяется больше, чем при использовании водяного пара. Это означает, что при работе плазмотрона на водяном паре придётся в дуговой разряд вкладывать большую мощность, чем при воздушной газификации.

Рисунок 3.3 – Зависимость выделяемого тепла в реакторе от количества Однако, плазменно-паровая газификация позволяет перевести органическую массу отходов в высококалорийный синтез-газ (свободный от оксида азота) (рисунок 3.4). Калорийность синтез-газа будет увеличиваться до тех пор, пока будет оставаться непроивзаимодействовавшим углерод, чего не наблюдается при воздушной газификации, поэтому если цель газификации заключается в получении высококалорийного синтез-газа, то необходимо заранее знать количество углерода в отходах и применять водяной пар в качестве плазмообразующей среды в соответствующем количестве.

Рисунок 3.4 – Зависимость калорийности синтез-газа от количества Тепловой баланс рабочего пространства газификатора представляет уравнение, связывающее приход и расход тепла [84]. При составлении теплового баланса заданными считают вид топлива (элементный состав), производительность и среднемассовую температуру в реакторе.

При плазменной газификации в реакторе газификатора проходят экзотермические и эндотермические реакции, энергия плазмы потребляется от внешнего источника (электрическая энергия), поэтому к приходной статье теплового баланса относятся: QPl – тепло, поступающее от плазмотрона; QEKZ – тепло, поступающее от экзотермических реакций; QT – тепло, поступающее с предварительно нагретыми отходами либо паром. К расходной статье теплового баланса относятся: QM – тепло, затраченное на нагрев отходов до температуры реакционной зоны, QEND – тепло эндотермических реакций, Qpot – тепло, уносимое из реактора через футеровку, охлаждаемые элементы печи, излучением через смотровые окна и т.д. Тогда уравнение теплового баланса будет:

где QT QTi – тепло, предварительно нагретых отходов либо пара; QPl P t экзотермических реакций; QM QMi – тепло, затраченное на нагревание отходов до температуры реактора; QEND QENDi – тепло, поглощённое эндотермическими реакциями; – сумма всех тепловых потерь в газификаторе; QТi – тепло i-й компоненты отходов, P – мощность плазмотрона, t – время; QEKZi – тепло, i-й экзотермической реакции.

Зная исходный состав и теплофизические свойства компонентов отходов (справочные данные [55]) можно рассчитать количество тепла QМi для нагрева каждой компоненты отходов, а затем суммировать тепло и получить QМ.

3.3 Заключение по главе Если основная цель газификации – уничтожение токсичных отходов, то в качестве плазмообразующего газа выбирается водяной пар, в результате чего исключается возможность образования новых опасных соединений. При этом ПК АСТРА-4 позволяет провести численное исследование газификации любых отходов с целью определения требуемых энергетических параметров для создания внешнего теплового источника – плазмотрона.

Полученный синтез-газ является высококачественным энергетическим газом, кроме того, его можно использовать для синтеза синтетического жидкого топлива, метанола. Полученный синтез-газ – это также высокопотенциальный газвосстановитель, который может быть использован вместо металлургического кокса для прямого восстановления железа.

ГЛАВА IV. Пароводяной плазмотрон и его характеристики технологическим узлам – парогенератору и нагревателю воздуха. Дано подробное описание подсистем (электрической, газовой и охлаждающей), из которых состоит экспериментальная установка и которые обеспечивают функционирование плазмотрона. Представлены полученные экспериментальным путём энергетические, электрические и ресурсные характеристики данного устройства. Приведены результаты численного расчёта в ПК ANSYS составного электрода, на основании чего обоснован выбор наиболее оптимального из них. В заключение раздела приведён ряд рекомендаций, выявленных в результате проделанной работы, соблюдая которые можно достичь продолжительного ресурса работы плазмотрона.

Pages: |

| 2 |

Главная >> Диссертации - все темы

[ СКАЧАТЬ ОРИГИНАЛ ДОКУМЕНТА .pdf ]

Похожие работы:

«Бородин Сергей Сергеевич СВОБОДНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОИЗВЕДЕНИЙ В АСПЕКТЕ СИСТЕМНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПРИНЦИПОВ АВТОРСКОГО ПРАВА 12.00.03 – гражданское право; предпринимательское право; семейное право; международное частное право ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата юридических наук Научный руководитель – кандидат юридических...»

«ПЕТРОВА Татьяна Павловна ЭВОЛЮЦИЯ ВНЕШНЕЙ ПОЛИТИКИ И ДИПЛОМАТИИ ПЕРУ (1821-2013 гг.) Диссертация на соискание ученой степени доктора исторических наук Специальность: 07.00.15 – история международных отношений и внешней политики Москва – 2014 2 Содержание ВВЕДЕНИЕ 5 ГЛАВА 1 34 ФОРМИРОВАНИЕ МИНИСТЕРСТВА ИНОСТРАННЫХ ДЕЛ РЕСПУБЛИКИ ПЕРУ. ОСНОВНЫЕ ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ВНЕШНЕЙ ПОЛИТИКИ В НАЧАЛЬНЫЙ ПЕРИОД НЕЗАВИСИМОСТИ Раздел 1.1. Анализ начального этапа...»

«из ФОНДОВ РОССИЙСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ БИБЛИОТЕКИ Ковальчук, Галина Владимировна 1. Эффективность производства и реализации сои в современный условияк 1.1. Российская государственная Библиотека diss.rsl.ru 2003 Ковальчук, Галина Владимировна Эффективность производства и реализации сои в современнык условияк [Электронный ресурс]: На примере предприятий AUK Приморского края : Дис.. канд. экон. наук : 08.00.05.-М.: РГБ, 2003 (Из фондов Российской Государственной Библиотеки) Экономика U управление...»

«Быстрова Юлия Олеговна УЧЕТ И ОЦЕНКА ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО КАПИТАЛА В УСЛОВИЯХ СТАНОВЛЕНИЯ ПОСТИНДУСТРИАЛЬНОЙ УЧЕТНОЙ СИСТЕМЫ Специальность 08.00.12 — Бухгалтерский учет, статистика Диссертация на соискание ученой степени кандидата экономических наук Научный руководитель д-р экон. наук, профессор Л. А. Чайковская Москва...»

«Тютюнник Игорь Георгиевич КОРЫСТНЫЙ МОТИВ В СТРУКТУРЕ ПРЕСТУПЛЕНИЙ ПРОТИВ СВОБОДЫ ЛИЧНОСТИ: УГОЛОВНО-ПРАВОВОЙ И КРИМИНОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ Специальность 12.00.08 – Уголовное право и криминология; уголовно-исполнительное право Диссертация на соискание ученой степени кандидата юридических наук Научный...»

«Омельченко Галина Георгиевна ГИПЕРГРАФОВЫЕ МОДЕЛИ И МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ ДИСКРЕТНЫХ ЗАДАЧ УПРАВЛЕНИЯ В УСЛОВИЯХ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ 05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Научный руководитель доктор физ.-мат.наук, профессор В.А. Перепелица Черкесск - Содержание ВВЕДЕНИЕ...»

«Андреева Анна Викторовна Динамическая модель управления клиентской базой компании на основе марковских цепей 08.00.13 - Математические и инструментальные методы экономики Диссертация на соискание ученой степени кандидата экономических наук Научный руководитель к.э.н., доцент Богданова Татьяна Кирилловна Москва – 2013...»

«Бердыган Антонина Вячеславовна ДИНАМИКА ФОРМИРОВАНИЯ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ МОТИВАЦИИ СТУДЕНТОВ (на примере студентов железнодорожных специальностей) Специальность 19.00.03 – - Психология труда, инженерная психология, эргономика (психологические наук и) Диссертация на соискание ученой степени кандидата психологических наук Научный руководитель : доктор психологических наук, профессор Терехова Т.А. Хабаровск - ОГЛАВЛЕНИЕ...»

«Благополучная Камила Владимировна Единая патентно-правовая охрана изобретений на территории Таможенного Союза России, Беларуси и Казахстана, как средство его инновационного развития Специальность: 12.00.03 - гражданское право; предпринимательское право; семейное право; международное частное право Диссертация...»

«ИЗ ФОНДОВ РОССИЙСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ БИБЛИОТЕКИ Зиновьева, Эльвира Валерьевна Школьная тревожность и ее связь с когнитивными и личностными особенностями младших школьников Москва Российская государственная библиотека diss.rsl.ru 2006 Зиновьева, Эльвира Валерьевна Школьная тревожность и ее связь с когнитивными и личностными особенностями младших школьников : [Электронный ресурс] : Дис. . канд. психол. наук : 19.00.01. М.: РГБ, 2006 (Из фондов Российской Государственной Библиотеки)...»

«ЕРЕМИНА АННА АЛЕКСЕЕВНА ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ УРАНОВАНАДАТОВ ЩЕЛОЧНЫХ, ЩЕЛОЧНОЗЕМЕЛЬНЫХ, d-ПЕРЕХОДНЫХ И РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ Специальность 02.00.01 – неорганическая химия Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук Научный руководитель : доктор химических наук, профессор Н. Г....»

«Куманьков Арсений Дмитриевич Теории справедливой войны в аналитической этике США Специальность 09.00.03 – История философии Диссертация на соискание ученой степени кандидата философских наук Научный руководитель : доктор философских наук, профессор Кашников Б. Н. Москва – 2013 Оглавление Введение Глава 1 Нормативные концепции войны: историко-философский анализ § 1. Проблематика войны в...»

«Дагаев Эдуард Хамзатович МЕТОДИКА ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО СИНТЕЗА СИСТЕМ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ ПОНИЖЕННЫЕ ЧАСТОТЫ И СДВОЕННЫЙ ПРИЕМ СИГНАЛОВ 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (в технике и технологиях) ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени...»

«УДК 511.3 Горяшин Дмитрий Викторович Об аддитивных свойствах арифметических функций 01.01.06 математическая логика, алгебра и теория чисел диссертация на соискание учной степени е кандидата физико-математических наук Научный руководитель : доктор физико-математических наук, профессор В. Н. Чубариков Москва 2013 Содержание Обозначения Введение 1 Точные квадраты вида [n]...»

«Чистопашина Светлана Сергеевна АНАЛИТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕДУРЫ ВЫЯВЛЕНИЯ ФИКТИВНОГО И ПРЕДНАМЕРЕННОГО БАНКРОТСТВА Специальность: 08.00.12 – Бухгалтерский учет, статистика Диссертация на соискание ученой степени кандидата экономических наук Научный руководитель д.э.н.,...»

«ВЕРШОВСКИЙ Антон Константинович НОВЫЕ КВАНТОВЫЕ РАДИООПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ СЛАБЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ 01.04.01 - Приборы и методы экспериментальной физики ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора физико-математических наук Санкт-Петербург, 2007 г. 2 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ 1. КРАТКИЙ ОБЗОР РАДИОСПЕКТРОСКОПИЧЕСКИХ МЕТОДОВ КВАНТОВОЙ МАГНИТОМЕТРИИ. 1.1. ДВОЙНОЙ РАДИООПТИЧЕСКИЙ РЕЗОНАНС И ОПТИЧЕСКАЯ...»

«ЧЕЛНОКОВ АНДРЕЙ АЛЕКСЕЕВИЧ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СПИНАЛЬНОГО ТОРМОЖЕНИЯ У ЧЕЛОВЕКА Специальность 03.03.01 – Физиология Диссертация на соискание учёной степени доктора биологических наук Научный консультант – доктор биологических наук, профессор Р.М. Городничев Великие Луки - ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ ГЛАВА...»

«ИЗ ФОНДОВ РОССИЙСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ БИБЛИОТЕКИ Заманова, Линара Булатовна Политический менталитет студенческой молодежи Республики Башкортостан на современном этапе Москва Российская государственная библиотека diss.rsl.ru 2007 Заманова, Линара Булатовна. Политический менталитет студенческой молодежи Республики Башкортостан на современном этапе [Электронный ресурс] : дис. . канд. полит. наук : 23.00.02. Уфа: РГБ, 2007. (Из фондов Российской Государственной Библиотеки)....»

«Еременко Сергей Леонидович ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ПОВЕДЕНИЕ РОССИЯН В ГЛОБАЛЬНОЙ КОМПЬЮТЕРНОЙ СЕТИ ИНТЕРНЕТ: СОЦИОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ 22.00.04 – социальная структура, социальные институты и процессы ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата социологических наук Научный руководитель – доктор социологических наук Е.О. Кубякин Краснодар – Содержание Введение.. 1. Экономическое поведение россиян...»

«Матвеев Иван Алексеевич Методы и алгоритмы автоматической обработки изображений радужной оболочки глаза 05.13.11 – Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов, систем и сетей ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук Научный консультант д. ф.-м. н., проф. Цурков Владимир Иванович Москва – 2014...»

наверх

<< ГЛАВНАЯ | КОНТАКТЫ

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА (Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)