Исследование и создание установок по переработке токсичных веществ и смешанных отходов с использованием свободно горящих сильноточных дуг и плазмотронов переменного тока тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.13, кандидат технических наук Рутберг, Александр Филиппович

• Рутберг, Александр Филиппович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Рутберг, Александр Филиппович

ОГЛАВЛЕНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ОБЗОР ПЛАЗМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ГАЗИФИКАЦИИ И

ПИРОЛИЗА ОРГАНОСОДЕРЖАЩИХ ВЕЩЕСТВ.

§ 1.Общие положения.

§ 2. Плазменные методы переработки.

§ 3.Технология на основе свободно горящих дуг, замыкаемых на расплав внутри реактора.

3.1.Система РЕМ.

3.2.Технология TENOVA.

3.3.Плазмохимический реактор с расплавленными электродами.

§ 4.Технологии с применением генераторов плазмы (плазмотронов).

4.1. Плазменная газификация с добавлением твердого топлива.

4.2.Технология плазменного пиролиза с применением расплава.

4.3. Плазменный пиролиз с выпуском остеклованного шлака.

4.4.Технология RCL.

4.5. Технология газификации и плазменного пиролиза.

§ 5.Выводы.

ГЛАВА II. ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В СВОБОДНО

ГОРЯЩИХ СИЛЬНОТОЧНЫХ ДУГАХ.

§ 1. Режим горения свободно горящих сильноточных дуг.

§ 2. Вольт-амперные характеристики. Равновесный состав плазмы дуги. „

§ 3. Теплообмен.

§4. Эрозия электродов.

§ 5. Выводы.

ГЛАВА III. ЭЛЕКТРОДУГОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ПЛАЗМЫ

ПЛАЗМОТРОНЫ).

§ I. Типы плазмотронов.

§ 2. Плазмотроны переменного тока.

§ 3 . Разработанные генераторы плазмы (плазмотроны), применяемые в исследуемых экспериментальных установках.6 I

§ 4.Разработка и исследование систем энергопитания.

§ 5. Полупроводниковый регулятор мощности плазмотрона переменного тока.

§ 6. Электроды.

§ 7. Выводы.

ГЛАВА IV. РЕЖИМ ГОРЕНИЯ ДУГ В ПЛАЗМОТРОНЕ.

§ 1 .Режим горения дуг переменного тока в плазмотронах со стержневыми электродами.

§ 2. Влияние формы кривой напряжения на режим работы плазмогропа.

§ 3. Вольт-амперные характеристики.

§ 4. Выводы.

ГЛАВА V. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ ПО ПЕРЕРАБОТКЕ ТОКСИЧНЫХ ОТХОДОВ И ГАЗИФИКАЦИИ ОРГАНОСОДЕРЖАЩИХ

ВЕЩЕСТВ.

§ 1. Переработка токсичных веществ при помощи плазмотрона переменного тока.

§ 2.Экспериментальная установка для переработки твердых и жидких отходов с применением расплава и плазмотронов переменного тока.

§ 3. Экспериментальная установка для газификации твердых отходов и угля с радиально расположенными плазмотронами.

§ 4. Система по переработке и утилизации твердых бытовых отходов (ТБО) производительностью 5 тонн в час.

§ 4. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и создание установок по переработке токсичных веществ и смешанных отходов с использованием свободно горящих сильноточных дуг и плазмотронов переменного тока»

Актуальность работы.

Широко применяемые в настоящее время методы термической переработки отходов обладают рядом принципиальных недостатков. К ним в первую очередь относятся образование и выброс в атмосферу больших количеств токсичных веществ: золы уноса, содержащей тяжелые металлы, сажи, монооксида углерода, оксидов серы и азота, соединений хлора, и таких супероксидантов, как диоксины и фураны. Наиболее перспективным органосодержащим сырьем для газификации и пиролиза в первую очередь являются отходы древесины, специально подготовленные муниципальные отходы (RDF) с большим содержанием углерода, а также уголь, запасы которого достаточно велики. Причем методы газификации древесины, RDF и угля достаточно близки. Применение плазменного нагрева в процессе пиролиза и газификация твердого топлива является альтернативой применению чистого кислорода в составе дутья. Плазменные процессы обеспечивают высокие и эффективные температуры переработки, которые не могу г быть достигнуты другими методами нагрева. Высокотемпературный газовый поток, за счет происходящих в нем процессов диссоциации и ионизации, имеет высокое энергосодержание. Греющая способность такого потока при воздействии на поверхность вещества на порядок выше, чем греющая способность, которая может быть достигнута при использовании топлива. Последнее обстоятельство позволяет ускорять технологические процессы, связанные с переработкой отходов. Отличительной особенностью плазменных процессов является их высокая селективность, обеспечивающая получение целевых продуктов при незначительном образовании побочных продуктов. Особой проблемой является переработка и нейтрализация особо токсичных веществ. Для этих целей применение плазменных технологий является оптимальным.

В настоящее время во всем мире наблюдается все возрастающий интерес к исследованию и применению плазменных технологий. Таким образом, исследование возможностей различных вариантов технологических решений является, безусловно, актуальным.

Объект и предмет исследований.

Объектами исследований являются плазмохимические экспериментальные установки по переработке токсичных и органо-содержащих веществ, использующих в качестве источника энергии свободногорящие сильноточные дуги и плазмотроны переменного тока.

Предметом исследований работы являются основные физические процессы в свободно горящих сильноточных дугах, режимы горения дуг в плазмотронах, процессы, происходящие в плазмохимических реакторах при деструкции токсичных веществ и газификации органосодержащих веществ.

Цель работы.

1. Выяснение возможности использования свободно горящих „ дуг и мощных плазмотронов в качестве источника энергии в плазмохимических системах по переработке токсичных и органосодержащих веществ.

2. Проведение экспериментальных и теоретических исследований свободно горящих сильноточных дуг и режимов горения дуг в разрядных камерах мощных плазмотронов.

3. Создание экспериментальных установок: по переработке токсичных веществ и переработке твердых и жидких органо-содержащих веществ, с применением металлического расплава и плазмотронов переменного тока.

Исследование процессов в плазмохимических реакторах, предназначенных для переработки токсичных и органо-содержащих отходов. Анализ полученных результатов для их использования при создании крупных промышленных систем.

Методы исследований.

Для исследования процессов в свободно горящих сильноточных дугах и процессов, происходящих в камерах сильноточных плазмотронов, применялись методы высокоскоростной оптической диагностики, спектроскопии, измерение электрических параметров сильноточных дуг (ток, напряжение, скорость нарастания тока, формы кривых тока и напряжения, мощность). Применялись датчики расхода газа, температуры потока, давления в потоке и в разрядных камерах. При исследовании процессов в плазмохимических реакторах использовались оптические методы, датчики расхода газов, давления и температуры, масс спектроскопия и химические методы анализа отходящих газов. Для расчетов процессов в сильноточных дуговых разрядах и процессов в плазмохимических реакторах, использовались современные компьютерные программы, основывающиеся на наличии равновесного состава газов и плазмы.

Научная новизна.

1. Проведены исследования свободно горящих сильноточных дуг с параметрами, характерными для плазмохимических реакторов - токи порядка 10 кА, обдуваемые слабым потоком азота или аргона. В качестве материала электродов используется углерод и металлы, в этом случае при стабилизации дуги азотом или аргоном показано, что основное количество носителей тока поступает в дугу за счет ионизации атомов углерода и металла. Вследствие этого при постоянном диаметре столба разряда вольтамперные характеристики носят растущий характер. Показано, что при замыкании сильноточной дуги на расплав основная доля энергии дуги уходит в расплав, в объем реактора переходит не более 35% энергии дуги.

2. Обосновано применение в проведенных экспериментах трехфазных плазмотронов со стержневыми и рельсовыми электродами для работы на инертных и окислительных средах (воздухе, кислороде, парах воды и С02). Диапазон мощностей плазмотронов варьировался для окислительных сред от 30 до 500 кВт, для инертных сред до 2 МВт. Для оптимизации систем энергопитания плазмотронов создан и исследован тиристорный регулятор напряжения (мощности) энергопитания многофазного плазмотрона. Изменение напряжения достигалось без изменения индуктивности в цепи энергопитания плазмотрона. Регулирование осуществлялось изменением задержки угла включения (а) тиристоров относительно полуволн напряжения питающей сети.

3. При проведении исследований установлено, что контрагированный столб дуги выдувается потоком газа. При трехфазном режиме горения дуг наблюдается сглаживание пиков повторного зажигания. Это объясняется большей концентрацией электронов в разрядном промежутке. При трехфазном режиме горения форма кривой напряжения близка к синусоиде, что значительно улучшает энергетические характеристики плазмотронов.

4. Создана и исследована экспериментальная установка для переработки твердых и жидких токсичных веществ с использованием трехфазного плазмотрона переменного тока. Температура струи воздушной плазмы варьировалась от 4000 до 6000 К. В нее тангенциально вдувалась смесь воздуха с частицами перерабатываемого вещества. При переработке токсичных веществ конверсия по НС1 достигала 99,9% по NOx более 90%. Исследовалась переработка жидких токсичных веществ, в частности хладона 1 13 (C2F3CI3), эксперименты проводились в предварительно разогретом до 1600 °С реакторе. В зоне реактора происходила фактически полная деструкция вещества. Создана и исследована экспериментальная установка для переработки твердых и жидких отходов с применением расплава и плазмотронов переменного тока, расположенных в верхней части реактора. При переработке смешанных отходов в режиме, предусматривающем полное окисление углерода и температуре в реакторе 1650 К, получен синтез-газ со следующим мольным составом СО ~ 32%, Н2 ~ 28%, N2 ~ 29%. Исследована газификация твердых отходов и угля на установке с радиально расположенными плазмотронами. При газификации каменных углей получен газ с энергосодержанием ~(3,5-f3,6) МДж/м3 и выходе ~ 3,5 м3/кг. Показано преимущество использования плазмотронов по сравнению со свободно горящими дугами для ввода энергии в реактор при реализации процесса газификации.

Практическая ценность.

В результате проведенных экспериментальных и теоретических исследований свободно горящих дуг и процессов в электродуговых камерах плазмотронов со стержневыми и рельсовыми электродами, обосновано преимущество плазмотронов перед свободно горящими дугами для плазменной переработки токсичных и смешанных отходов. На базе плазмотронов создана установка для переработки токсичных твердых и жидких отходов с вертикально расположенным плазмотроном и установка для переработки смешанных отходов с применением расплава металла и плазмотронов переменного тока, которые расположены в верхней части плазмохимического реактора. На основании экспериментальных исследований и теоретических расчетов физико-химических процессов, происходящих при переработке веществ, проведена оценка возможности создания промышленных систем большой единичной мощности.

Основные положения, выносимые на защиту:

- Результаты исследования свободно горящих сильноточных дуг, с параметрами характерными для плазмохимических реакторов, предназначенных для переработки различного рода веществ.

- Результаты исследования режимов горения дуг переменного тока в разрядных камерах плазмотронов, предназначенных для использования в установках по переработке токсичных и смешанных органосодержащих веществ.

- Принципиальные технологические схемы, созданных экспериментальных установок по переработке твердых и жидких токсичных веществ и переработке смешанных веществ.

- Обоснование использования результатов экспериментальных исследований, проведенных на установках при создании крупномасштабных промышленных систем.

Апробация работы и научные публикации.

По материалам диссертации сделаны доклады на следующих конференциях:

- ТРР-5 Fifth European Conference THERMAL PLASMA PROCESSES (V Европейская конференция по термическим процессам (г. Санкт-Петербург, 1998 г.)

- High Technology Plasma Processes HTTP9 (9 я Международная конференция по высокотехнологичным плазменным процессам) (г. Санкт-Петербург, 2006 г.)

- 2007 IEEE Pulsed Power and Plasma Science Conference (Международная научная конференция по импульсной технике и плазменным исследованиям) (Альбукерке, 2007)

Публикации.

Основные материалы диссертации опубликованы в 9 работах: 6 печатных статей в рецензируемых изданиях и 3 тезиса докладов. Список публикаций приведен в конце автореферата.

Печатные статьи в рецензируемых изданиях:

1. Мощные плазмотроны переменного тока / Ф.Г.Рутберг, А.А.Сафронов, B.JI. Горячев, А.Ф. Рутберг // Известия Академии Наук "Энергетика".-1998.-№1.-С.80-92.

2. Полупроводниковый регулятор мощности плазмотрона переменного тока / И.А.Болгов, Ю.Б.Николаев, П.А.Ровинский, А.Ф.Рутберг // в сборнике "Проблемы создания и эксплуатации новых типов энергетического оборудования" РАН Санкт-Петербург.-2003.-вып.5.-С. 186-194.

3. Установка для плазменной газификации различных видов отходов / А.Н.Братцев, В.Е.Попов, А.Ф.Рутберг, С.В.Штенгель // Теплофизика высоких температур.-2006.-Т.44, №6.-С.832-837.

4. Особенности применения генераторов плазмы переменного тока при работе в составе плазменного реактора / С.Д. Попов, А.Ф. Рутберг,

A.А.Сафронов // Теплофизика высоких температур.- 2007.-Т.45, №1.-С.5-11.

5. Some aspects of development and creation of plasma technology for solid waste gasification / A.N.Bratsev, V.E.Popov, S.V.Shtengel, A.Ph. Rutberg // High Temperature Material Processes.-2006.-Vol. 10, № 4.-P.549-556. (Некоторые аспекты разработки и создания плазменной технологии газификации твердых отходов / А.Н.Братцев, В.Е.Попов, С.В.Штенгель, А.Ф.Рутберг // Высокотемпературная обработка материалов.-2006.-Т. 10, № 4).

6. High-Voltage Plasma generators of Alternating Current with Rod Electrodes Stationary Operating on Oxidizing media / Ph. G. Rutberg, I. I. Kumkova, V. E. Kuznetsov, S. D. Popov, A. P. Rutberg, A. A. Safronov, V. N. Shiryaev and A. V. Surov // 2007 IEEE Pulsed Power Conference. Digest of Technical Papers.- Albuquerque, .-P.1976-2007 (Высоковольтный генератор плазмы переменного тока со стержневыми электродами для работы с окислительными средами / Ф.Г.Рутберг, И.И.Кумкова,

B.Е.Кузнецов, С.Д.Попов, А.Ф.Рутберг, А.А.Сафронов, В.Н. Ширяев, А.В.Суров // Сборник технических статей Конференции по импульсной технике ).

Тезисы докладов:

7. AC high-voltage plasma generators use at creation of model installation for the destruction of chlorine-fluorine containing toxic substances / A. A. Safronov, A.N.Bratsev, V.E.Kuznelsov, A.Ph. Rutberg, A.V.Surov, V.V.Vovchenko // TPP-5 Fifth European Conference THERMAL PLASMA PROCESSES. Conference abstracts. - St-Petersburg, 1998 (Использование высоковольтных генераторов плазмы переменного тока для создания модельной установки по переработке хлор-фтор содержащих токсичных веществ / А.Н.Братцев, В.Е.Кузнецов,

A.Ф.Рутберг, А.В.Суров , В.В.Вовченко // V Европейская конференция по термическим процессам. Абстракты конференции г. Санкт-Петербург, 1998 г.)

8. Some aspects of development and creation of plasma technology for solid waste gasification / A.N.Bratsev, V.E.Popov, S.V.Shtengel, A.Ph. Rutberg // HTTP9 High Technology Plasma Processes. Book of abstracts. - St-Petersburg, 2006. (Некоторые аспекты разработки и создания плазменной технологии газификации твердых отходов / А.Н.Братцев,

B.Е.Попов, С.В.Штенгель, А.Ф.Рутберг // Сборник абстрактов 9й международной конференции по высокотехнологичным плазменным процессам.)

9. High-voltage plasma generators of a alternating current with rod electrodes stationary operating on oxidizing media / Ph.G. Rutberg, 1. I. Kumkova, V. E. Kuznetsov, S. D. Popov, A. P. Rutberg, A. A. Safronov, V. N. Shiryaev,

A. V. Surov // The 34th IEEE International Conference on Plasma Science and The 16th IEEE International Pulsed Power Conference. IEEE Conference Record-Abstracts. - Albuquerque, 2007, ((Высоковольтные генераторы плазмы переменного тока со стержневыми электродами для работы с окислительными средами / Ф.Г.Рутберг, И.И.Кумкова,

B.Е.Кузнецов, С.Д.Попов, А.Ф.Рутберг, А.А.Сафронов, В.Н. Ширяев, А.В.Суров // 34 Международная конференция по плазменным исследованиям и 16 Международная конференция по импульсной технике. Сборник абстрактов. - Альбукерке, 2007 г.)

Структура диссертации и краткая аннотация глав.

Диссертация состоит из введения, пяти глав с выводами по каждой из них, заключения и списка литературы.

Заключение диссертации по теме «Электрофизика, электрофизические установки», Рутберг, Александр Филиппович

§ 4. Выводы.

- Создана и исследована установка по переработке твердых и жидких токсичных веществ, при помощи вертикально расположенного плазмотрона переменного тока. Температура струи воздушной плазмы составляла 4000-г6000"К. При переработке твердых токсичных веществ коэффициент конверсии на HCI достигал 99,9% и по ]\JQ более 90%, при экспериментах на хладоне 113 (C2F3CI3) степень минерализации по НСЬ99,6%, по HF - 98,6%.

- Создана и исследована установка по газификации твердых и жидких отходов с применением расплава и плазмотронов переменного тока, расположенных в верхней части реактора. При переработке смешанных органосодержащих отходов получен синтез газ с энергосодержанием ~ 7,4 МДж/м1 (СО-32% , Hi-28% , N2~29%), что удовлетворительно соответствовало расчетным данным.

- Исследована установка для газификации твердых отходов и угля с радиально расположенными плазмотронами. При газификации отходов древесины газ с энергосодержанием - 6Мдж/м', при этом выход газа с 1 кг - составлял ~ 3 м3/кг. При газификации каменных углей о получен газ с энергосодержанием ~(3,5-f3,6) МДж/м" и выходе -3,5 м3/кг.

- Проведена оценка на основе расчетных и экспериментальных данных путей создания системы по переработке и утилизации твердых бытовых отходов производительностью 5 тонн/час. Показана целесообразность создания такой системы энергия полученная при газификации по отношению к затраченной энергии, соотносится как ~(4/1), при этом затрата энергии на газификацию 1 Kg вещества составит — 0,7 кВт/час, а следовательно мощность для газификации 5 тонн/час — 3,5 МВт.

- Показано преимущество использования, для получения необходимой энергии для газификации, плазмотронов (необходимая мощность в дугах - 4 МВт), перед свободно горящими дугами (необходимая мощность - 10 МВт).

VI. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

- В представленной работе рассмотрены два основных метода плазменных технологий различного рода переработки и газификации органосодержащих веществ. Каждый из методов отличается друг от друга способом генерации плазмы, посредством которых в плазмохимический реактор поступает необходимая энергия. В первом методе, электрические дуги зажигаются непосредственно в реакторе, одним из электродов является проводящий расплав, находящийся в нижней части реактора, другим - графитовый или металлический электрод, введенный в реактор. Во втором методе плазма генерируется в электро-дуговых генераторах плазмы (плазмотронах), где дуги горят внутри разрядной камеры, через которые продувается рабочий газ и полученная плазма, поступает в плазмохимический реактор. Каждый из этих методов обладает своими особенностями. В первом методе уже сейчас возможна реализация крупных единичных плазмохимических реакторов, мощность потребляемой энергии, которых может составлять 5-30 МВт. Однако, такие системы имеют низкий коэффициент использования энергии свободно горящей дуги, быстрый износ электродов, большое количество примесей, загрязняющих получаемый газ.

Во втором методе эффективность теплообмена между генерируемой плазмой и перерабатываемым веществом существенно выше, значительно легче формировать химический состав газа. Однако, требуется создание мощных высокоэффективных генераторов плазмы с большим ресурсом работы, способных работать на различных газах, прежде всего воздухе, парах воды и С02. Показана необходимость дальнейшего исследования основных проблем, связанных с реализацией этих методов.

- Проведены исследования свободно горящих сильноточных дуг обдуваемые слабым потоком азота или аргона с параметрами, характерными для плазмохимических реакторов токи порядка 10 кА. Характерная поверхностная температура столба разряда 10000 -И 2000 К0 для азота и 14000-г15000 К0 для аргона. Как правило, в рассматриваемых случаях при давлениях порядка атмосферного дуги носят диффузный характер, наблюдается развитая турбулентность. В рассматриваемом диапазоне температур и давлений, проводимость зависит от кулоновских взаимодействий и практически мало меняется. В качестве материала электродов используется углерод, в этом случае при стабилизации дуги азотом или аргоном показано, что основное количество носителей тока поступает в дугу за счет ионизации атомов углерода и металла. Вследствие этого при постоянном диаметре столба разряда вольт-амперные характеристики носят растущий характер.

Показано, что при замыкании сильноточной дуги на расплав основная доля энергии дуги уходит в расплав, в объем реактора переходит не более 35% энергии дуги. Теплообмен между столбом дуги и объемом реактора осуществляется излучением и турбулентным геплопереносом.

- В качестве материала электродов использовались графит, медь, железо и при работе на неокислительных средах вольфрам и его соединения. Во всех случаях оптимальным является режим термоэмиссии или термоавтоэмиссии (T-F эмиссия). При работе с электродами из вольфрама с добавками редкоземельных (лантан, торий) можно обеспечить удельный износ порядка (10"' ^10"(1) г/Кл, при работе с медными и стальными электродами T-F эмиссии можно обеспечить удельный износ ~ (10"5 4-10"4) г/Кл.

- Графитовые электроды возможно использовать при низких плотностях тока j ~ (30-г50) А/см2, в режиме термоавтоэмиссии и удельном износе порядка ~ 10~4 г/Кл.

- Обосновано применение в проведенных экспериментах трехфазных плазмотронов со стержневыми и рельсовыми электродами для работы на инертных средах, а также окислительных (воздухе, кислороде, парах воды и С02). Диапазон мощностей плазмотронов варьировался для окислительных сред от 30 до 500 кВт, для инертных сред до 2 МВт. Коэффициент полезного действия плазмотронов (отношение энергии, переданной в плазму к энергии дуги) составлял 0,7-f0,95.

- Создан и исследован тиристорный регулятор напряжения (мощности) энергопитания многофазного плазмотрона. Изменение напряжения достигалось без изменения индуктивности в цепи энергопитания плазмотрона. Регулирование осуществлялось изменением задержки угла включения (а) тиристоров относительно полуволн напряжения питающей сети.

- Исследован режим горения дуг переменного тока в плазмотронах со стержневыми электродами. Контрагированный столб дуги выдувается потоком газа и при достижении критической скорости происходит пробой газа по хорде положительного столба. В трехфазной системе в каждый данный момент времени наиболее ярко горит одна из дуг, в то время как вторая погасает, а третья загорается. Один из электродов является катодом по отношению к последующему электроду, затем после смены полярности они меняются ролями.

- Появление высших гармоник в кривых напряжения и тока приводит к искажению их формы и понижению коэффициента мощности дуги. Поэтому целесообразно стремиться к тому, чтобы форма кривых приближалась к синусоиде. При условии, если магнитопровод реакторов не насыщен, форма кривой тока сглажена и близка к синусоиде. При. однофазном режиме горения дуги в случае «горячих» электродов пики повторного зажигания не велики, что объясняется эмиссией электронов в разрядный промежуток из не успевших остыть электродов. Плазма дуги выдувается из межэлектродного промежутка со скоростью порядка (10' -г10 )см/сек, что определяется скоростью рабочего газа. Вследствие этого происходит деионизация межэлектродного промежутка и снижение напряжения повторного зажигания определяется эмиссией с поверхности электродов.

- При трехфазном режиме горения дуг наблюдается сглаживание пиков повторного зажигания. Это объясняется большей концентрацией электронов в разрядном промежутке, возникающем за счет диффузии, т.к. в любой период времени горит одна из дуг. В режиме трехфазного горения дуги горят более стабильно, т.к. после прохождения тока через ноль не требуется повышение напряжения для повторного пробоя. При трехфазном режиме горения форма кривой напряжения близка к синусоиде, что значительно улучшает энергетические характеристики плазмотронов. Следовательно, при работе на переменном токе целесообразно использовать многофазные системы с дугами, горящими в одной камере.

- При применении в плазмотронах вихревой газовой стабилизации, поток газа сжимает дугу, интенсивно охлаждает внешние части дугового столба, что приводит к росту напряженности в столбе дуги. В ограниченном столбе дуги с ростом тока проводимость меняется не значительно, т.к. с ростом степени ионизации увеличивается суммарное сечеиие ионов и электроны начинают рассеиваться в основном ионами, а не атомами и длина свободного пробега электронов находится в обратно пропорциональной зависимости от степени ионизации.

- При небольшой скорости потока рабочего газа, стабилизирующего дуги, охлаждение столба дуги недостаточно и с ростом силы тока растет диаметр столба дуги. Вольт-амперные характеристики в этом случае являются падающими. При больших скоростях истечения рабочего газа происходит интенсивное охлаждение столба дуги, их диаметр меняется мало и полученные характеристики имеют пологий характер, а при дальнейшем росте тока плотность тока растет и вольт-амперные характеристики становятся растущими. Указанные зависимости хорошо подтверждаются в экспериментах.

- Создана и исследована экспериментальная установка для переработки твердых и жидких токсичных веществ с использованием трехфазного плазмотрона переменного тока. ПЛАЗМОТРОН вертикально помещался в нижнюю часть реактора. Температура струи воздушной плазмы варьировалась от 4000 до 6000 К, в нее тангенциально вдувалась смесь воздуха с частицами перерабатываемого вещества ( размер частиц -150 мм), в верхних зонах реактора происходило окисление карбонатов и образование свободных радикалов, еще выше добавлялся воздух для уменьшения образования нитридов и охлаждения газов далее газы поступали в систему очистки. Время пребывания газов в зонах реакции составляло величину ~ 3 сек.

При переработке кокаина и марихуаны конверсия по НС1 достигала 99,9% по NOx более 90%. Исследовалась переработка жидких токсичных веществ в частности хладона 113 (C2F3CI3), эксперименты проводились в предварительно разогретом до 1600 °С реакторе. В зоне реактора происходила фактически полная деструкция вещества. По хлору выход составлял > 99%, а по фтору - 98,6%. После газоочистки содержание НС1 и HF в отходящих газах составляло не более 0,4 мг/м3. Установка показала высокую эффективность при переработке твердых и жидких токсичных отходов.

- Создана и исследована экспериментальная установка для переработки твердых и жидких отходов с применением расплава и плазмотронов переменного тока, расположенных в верхней части реактора.

Расход воздуха варьировался от 6 до 25 г/сек, мощность плазмотронов варьировалась в диапазоне 80-г300 кВт. Внутренняя температура плазмохимического реактора менялась в диапазоне 1200 -^1550 НС. При переработке смешанных отходов в режиме, предусматривающем полное окисление углерода и температуре в реакторе 1650 К, получен синтез-газ со следующим мольным составом СО ~ 32%, Н2 ~ 28%, N2 ~ 29%. Экспериментальные результаты удовлетворительно соответствуют проведенным расчетам.

- При исследовании на созданной экспериментальной установке с радиально расположенным плазмотроном в реакторе, работающем по обращенной схеме отходов древесины, при температуре в реакторе 10504-1300 °С, состав ее полученного газа в % объемных составлял по СО~26% , Н2~25% , N2~47% , С02 -7% , Н20 -0.5% , причем степень конверсии по водороду достигала 88%. Энергосодержание состаляло -6 МДж/кг, выход газа из древесины ~3 м'/кг, что следует признать удовлетворительным. Эксперименты с Кузбаскими углями показали целесообразность изменения режимов экспериментов и переход к дутью с использованием плазмотронов, работающих на паре.

- Проведена оценка путей создания системы по утилизации твердых бытовых отходов, производительностью 5 тонн/час (40000 тонн/год). Выход полученной при газификации энергии к затраченной —4/1. Показано преимущество использования плазмотронов для получения энергии для реализации процесса газификации перед свободно горящими дугами. В первом случае необходимая мощность в дугах -4 МВт, во втором - 10 МВт.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Рутберг, Александр Филиппович, 2008 год

1. Интернет адрес: http://www.oecd.org

2. Контроль загрязнения окружающей среды и процессы очистки плазменными методами / Дж. Амору, Д. Морван, С. Кавадиас и др. // Журнал технической физики 2005- Том 75, Вып. 5- С.73-82.

3. Интернет адрес: http://info.tatcenter.ru/economy/9049.htm

4. Окружающая среда России на рубеже тысячелетий. Популярный доклад о состоянии окружающей среды в России / Панкеев И.А., Рыбальский Н.Г., Думнов А.Д. и др. // Под ред. И.А. Панкеева и Н.Г. Рыбальского- М.: РЭФИА, НИА-Природа, 2003.

5. Шестая программа действий Европейского сообщества в области окружающей среды (перевод и комментарий к.ю.н. Калиниченко П.А. под ред. проф. Кашкина С.Ю.). М. 2002. Интернет адрес: http://eulaw.edu.ru/documents/legislation/okrsreda/6progr.htm

6. Д. Лашоф, Р. Уильяме, Д. Хокинс. Что делать с углем? // В мире науки.- 2007.- №1.- С.37-43.

7. Исламов С.Р., Кочетков В.Н., Степанов С.Г. Газификация угля: прошлое и будущее // Уголь. 2006. - №8. - С. 69 - 71.

8. Калечиц И.В. Уголь в современном мире, перспективы его изучения и использования // Химия твердого топлива. 2001. - №3. - С. 3 — 9.

9. Холливуд Д. Превращение угля в экологически чистое топливо // Нефтегазовые технологии. — 2006. — №4. — С. 67 — 68.

10. Прототип электростанции с нулевыми выбросами // Нефтегазовые технологии. 2006. - №6. - С. 75.

11. Европейская конференция по газификации угля борьба за улавливание СО? // Нефтегазовые технологии. — 2006. — №10. — С. 73 - 74.

12. Потапенко И.О. Перспективы производства экологически чистого топлива из углей // Химия твердого топлива. 2003. — №6. — С. 85 — 92.

13. Терентьев Г.А., Тюков В.М., Смаль Ф.В. Моторные топлива из альтернативных сырьевых ресурсов. М.: Химия, 1989. - 270 с.

14. Малолетнев А.С., Кричко А.А., Гаркуша А.А. Получение синтетического жидкого топлива гидрогенизацией углей. — М.: Недра, 1992. — 129 с.

15. Крапчин И.П., Кудинов Ю.С. Уголь сегодня, завтра: технология, экология, экономика. М.: Новый век, 2001. - 215 с.

16. Крапчин И.П., Потапенко Е.Ю. Перспективы производства синтетического жидкого топлива из углей // Химия твердого топлива. — 2004. -№5.-С. 59-65.

17. Интернет адрес: http://www.nytimes.com/2008/07/24/business/24fuel.htnil?

18. Перспективы получения сверхчистых жидких топлив из угля // Нефтегазовые технологии. — 2006. — №2. — С. 54.

19. М.Ф. Жуков, Р. А. Калиненко, А.А. Левицкий, Л.С. Полак «Плазмохимическая переработка угля», Наука, 1990 год, стр.87-111.

20. Полак Л.С., Калиненко Р.А. Физико-химические основы плазмохимической переработки твердых топлив // Плазменная газификация и пиролиз низкосортных углей: Сб. науч. тр.- М.: ЭНИН, 1987 — С.21-38.

21. Rutberg Ph.G., Tendler М., Van Oost G. Plasma based waste treatment and energy production // Plasma Physics and Controlled Fusion 2005 — V.47 - A219-A230.

22. Pyrolysis of wood in arc plasma for syngas production / M. Hrabovsky, M. Konrad, V. Kopecky et al. // High Temperature Material Processes- 2006-Vol. 10, №4- P.557-570.

23. А.Г. Боровский «Зарубежное оборудование для переработки твердых бытовых отходов», 1991 г., стр.9-11.

24. Р.С. Виллевольд «Проектирование и эксплуатация мусоросжигательных заводов», Стройиздат, 1982 г. стр.5-20.

25. Плазменная газификация и плавление твердых отходов // РЖ "Химия".- 2003.- № 7,- 03.07-19И.553.

26. Proceedings of the International symposium on Environmental Technologies: Plasma Systems and Applications. October 8-11 1995 Atlanta, Georgia, USA, v. 1,2.

27. Choi Kyung-Soo, Park Dong-Wha. Pyrolysis of Waste Tires by Thermal Plasma // 13th International Symposium on Plasma Chemistry ISPC, 1997 Pekin University Press, 1997.- V.4.- P. 2447-2451.

28. Rutberg Ph.G. Plasma Pyrolysis of Toxic Waste // Plasma Physics and Controlled Fusion.- 2003.- V.45 P. 957-969.

29. Rutberg Ph.G. Some Plasma Environmental Technologies Developed in Russia // Plasma Sources and Technology 2002 - П.- A159-A165.

30. Плазмохимическая переработка угля / Жуков М.Ф., Калиненко Р.А., Левицкий А.А., Полак Л.С.-М.: Наука, 1990.-200 с.

31. I. Imris, A. Klenovcanova, P. Molcan. Energy recovery from waste by the plasma gasification process // Archives of Thermodynamics — 2005 — Vol. 26, №2,-P. 3-16.

32. Сурис А.Л. Плазмохимические процессы и аппараты.- М.: Химия, 1989.- 304 с.

33. Плазмохимические реакции и процессы. Под ред. Л.С. Полака— М.: Наука, 1977.-316 с.

34. Полак Л.С., Калиненко Р.А. Физико-химические основы плазмохимической переработки твердых топлив // Плазменная газификация и пиролиз низкосортных углей: Сб. науч. тр.-М.: ЭНИН, 1987 С.21-38.

35. Способ плазменного получения восстановительных газов из низкосортных углей и аппарат для его осуществления / Ибраев Ш.Ш., Мессерле В.Е., Сейтимов Т.М. и др.- Там же. С.71-80.

36. Комплексная плазмохимическая переработка твердого углеродсодержащего сырья в среде водяного пара / Круковский В.К. Колобова Е.А., Любчанская Л.И., Никшиков Б.В Там же. С.81-90.

37. A treatment of carbonaceous wastes using thermal plasma with steam / Nishikawa Hiroshi et al. // Vacuum.- 2004.- 74, №3-4 C. 589-593.

38. Энергетическое оборудование для использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии / Виссарионов В.И., Белкина С.В., Дерюгина Г.В. и др.; Под.ред. В.И. Виссарионова- М.: ООО фирма «ВИЭН», 2004.- 448 с.

39. Dry, M.E. (1981) The Fischer-Tropsch Synthesis in Anderson, J.R.; M.Boudart,M.(eds.), Catalysis-Science and Technoligy,Vol.1, Springer-Verlag,New York,pp 159-255.

40. Plasma technology in metallurgical processing.Printed in the U.S.A.1987. N.A.Barcza. Application of Plasma Technology to Steel Processing. Pp.131.

41. L.Von Bogandy, M. Chitil and C.G. Jonker, "The Direct Use of Coal in Iron and Steelmaking Operations, " Proceedings of Mintek 50, Vol.2, Sandton, South Africa, Edit.L.F. Haughton, March 1984,pp.745-752.

42. K.Upadhya,J.J. Moore and K.J.Reid, "Application of Plasma Technology in Iron and Steelmaking," Jnl.Metals,pp.46-56, February 1984.

43. K.U.Maske and J.J. Moore,"The Application of Plasma to High Temperature Reduction Melting," High Temperature Technology,pp. 51-63, August 1982.

44. Интернет адрес: http://www.inentec.com

45. W.J.Quapp, D.Lamar, N.Soelberg. Waste Gasification- Test Results From Plasma Destruction of Hazurdous, Electronic and Medical Wastes. Paper International Thermal Technologies 2003 Conference. Orlando, Florida, USA. IT303.p.l-14.

46. Интернет адрес: http://www.enersoltech.com

47. Интернет адрес: http://www.tenovagroup.com TECHINT.GR0UP.

48. Интернет адрес: http://pyromet.cza.tenovagroup.com

49. М.Р.Предтеченский, О.М.Тухто, И.Ю.Коваль. "Плазмотрон с расплавляемыми электродами и плазмохимический реактор на его основе". Известия ВУЗов. Физика-2007,№9 приложение С, стр.154.

50. А.С.Аньшаков, Э.К.Урбах, В.А.Фалеев, А.Э.Урбах. Плазмо-дуговые устройства для переработки технологенных отходов. Известия ВУЗов. Физика -2007,№9 приложение С, стр.276.

51. Hitachi Metals, Ltd. http://www.hitachi.metals.co.jp

52. Интернет адрес: http://www.westinghouse.plasma.com/gasif.htm

53. Интернет адрес: http://science howstvffwoeks.com/ plasma converter.htm.

54. Popular science.March 2007,pp.56-60. The prophet of Garbage.

55. Интернет адрес: http://www.startech.net.

56. Интернет адрес: http://www.enersoltech.com

57. Carter G.W., A.V.Trangaris (Resorption Canada Limited) Plasma Gasification of Biomedical Waste. Proceedings of the international simposium on environmental technologies: plasma sistems and applications. 1995, Atlanta, USA, p. 239-250.

58. Plasco Energy Group. Canada. Corporate Summary Presentation. November. 2007.

59. Интернет адрес: http://www.scanarc.se

60. В.А. Калитко, Л.А. Моссэ «Плазмотермическая переработка и сжигание отходов в шахтной печи со сгорающим фильтрующим материалом». Инженерно-физический журнал. Том 73, №5. Сентябрь-октябрь 2000г, стр. 964-972.

61. В.А. Калитко, Л.А. Моссэ «Термическая переработка отходов в шахтной печи с плазменным дутьем и сгорающим фильтрующим материалом: анализ энергозатрат и вариантов». Инженерно-физический журнал. Том 74, №1. Январь-февраль 2001 г, стр. 84-91.

62. Бородин B.C., Павлов B.K., Шамаев С.Н. Определение колебаний температуры плазмы в струе мощного трехфазного плазмотрона // Мощные генераторы низкотемпературной плазмы и методы исследования их параметров-Л.: изд.ВНИИэлектромаш, 1979 —С. 78-86.

63. Я.Б. Зельдович, Ю.П. Райзер. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. Издание второе дополненное-М.: Наука, 1966 688 с.

64. Очерки физики и химии низкотемпературной плазмы / Под ред. Л.С. Полака.- М.: Наука, 1971.-433 с.

65. W. Finkelnburg and H.Maecker.Elektrische Bogen und Thermisches Plasma. Encyclopedia of Physics. Vol.XXII,254.Springer.Verlag. Germany.1956.

66. H.U.Eckert, J.Appl. Phys.42,3108,1971.

67. H.U.Eckert, J.Appl. Phys.43,2707,1972.

68. Митин P.B. «Стационарные и импульсные дуги». В кн. «Свойства низкотемпературной плазмы». Новосибирск. «Наука», 1977, с. 105-138.

69. Пышнов А.В. «Зависимость параметров квазистационарного разряда оттока». ТВТ.1978,т. 16, №5, с.914-921.

70. Некоторые вопросы исследования сильноточного разряда в камере высокого давления. Г.Г.Антонов, В.С.Бородин, А.И.Зайцев и др. ЖТФ, 1972, т. XLII, № 10, с.2121-2126.

71. Богомаз А.А., Измерение импульсных давлений в генераторах плотной плазмы. В кн. Генераторы плотной плазмы. Л. изд. ВНИИЭл ектромаш. 1977.С.27-39.

72. S.E.Stenkvist, B/Bowitan.High-Power, Graphite Catode DC Are Plasma. Plasma Technology in Metallurgical Processing. USA. 1987 p.103-105.

73. И.А.Глебов, Ф.Г.Рутберг. Мощные генераторы плазмы. М. Энергоатом издат. 1985 .с.61 -83.

74. Смирнов Б.М. Введение в физику плазмы.М.Наука. 1976.С.77-99.

75. Бредшоу П. Введение в турбулентность и ее измерение. Пер. с англ. М.:Мир, 1974, 278 с.

76. Физические величины. Справочник. М. Энергоатомиздат.1991.с.364-370.

77. Исследование влияния катодной и анодной струи на свойства сильноточной электрической дуги / А.А.Богомаз, А.В.Будин и др.// ЖТФ.2002.-т.72.№1.-с.28-35.

78. Hsu-Chien Yen, Wen-Jei Yang J.Appl.Physics,v/10, №9.1969.p.23-31.

79. Грановский В.Л. Электрический ток в газе. Установившийся ток.М.Наука. 1971,543 с.

80. Импульсные источники света. И.С.Маршак, А.С.Дойников и др.М.Энергия. 1978,472 с.

81. Атомные и молекулярные процессы. Под редакц. Ф.Бейтса.М. «Мир». 1964, 777.

82. Александров А.Ф., Рухадзе А.А.Физика сильноточных электроразрядных источников света.М.Атомиздат.1976,184 с.

83. В.Е.Егоров, В.П.Ермаченко, Ю.В.Курочкин и др.Высокотемпературный селективный ГДЛС02 лазер.ТВТ,1982,№3, с.573-579.

84. Очкин В.Н. Спектроскопия низкотемпературной плазмы.- М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006.- 472 с.

85. Optical diagnostics of atmospheric pressure air plasmas / C.O. Laux, T.G.Spence, C.H. Kruger, R.N.Zare// Plasma Sources Science and Technology.2003.-№ 12.-P.125-138.

86. M.Mullaney G.J., Alstrom H.G. Energy Transfer Mechanism in Shock Tube Arc. Heated Drivers . AIAAJ., 1969 vol.7,№7, p. 1353-1356.

87. Григорус Д.Г., Стрижеков В.Ф., Филиппов A.C. Численное исследование теплоотдачи расслоенного расплава с объемным тепловыделением в нижнем слое. ТВТ, 2008, т.46.№3, с.427-434.

88. Амосов В.М., Карелин Б.А., Кубышкин В.В. Электродные материалы на основе тугоплавких материалов. М.; Металлургия, 1976,223 с.

89. Нейман В. Приэлектродные процессы в газовом разряде высокого давления. В кн. Экспериментальные исследования плазмотронов; Пер.с нем. Новосибирск; Наука, 1977,с.253-292.

90. R.C.Eschenbach, N.A.Barza, KJ.Reid. Plasma Torches and Plasma Torch Furnaces. Plasma Technology in Metallurgical Prozessiing. Printed in the USA. 1987.p.77-87.

91. R.C.Eschenbach et.al., Characteristics of High Voltage Vortex-Stabilized Arc Heaters. IEEE Transiction on Nuclear Science 11.1964.pp.41-48.

92. М.Ф.Жуков, И.М.Засыпкин, А.Н.Тимошевский и др. Электродуговые генераторы термической плазмы / Новосибирск:Наука.Сиб.Предпр.РАН, 1999.-712 с. (Низкотемпературная плазма, T,17).ISBN 5-02-031247-9.

93. Коротеев А.С., Миронов В.М., Свирчук Ю.С., Плазмотроны: конструкции , характеристики, расчет.М.: Машиностроение, 1993,295 с.

94. Интернет адрес: http://www.westinghouse.plasma.com

95. [e-mail].

96. N. Venkatramani. Industrial Plasma torches and applications. Current Science.vol.83.10august.2002 p.254-262.

97. Maniero D.A., Kienast P.F., Hirayama C. Electric Arc Heaters for High-Temperature Chemical Processing. — Weatinghouse Engr., 1966,26,N 3,p.66-72.

98. Глебов И.А., Рутберг Ф.Г., Мощные генераторы плазмы.-Энергоатомиздат, 1985.-153 с.

99. Андерсон Дж. Газодинамические лазеры: введение, Москва, Мир. 1979,с.75-95.

100. Maurice G.F., Plum В. Poliphase Arc Heater Sistem (Westinghouse) USA Patent 4.013.867 Mar.22,1977.

101. Mikimasa Iwata and Masatoyo Shibuya. Effect on transferred ac arc plasma stability of increasing ambient temperature and superimposing pulse at current zero point. J. Phys.D: Appl. Phys.32 (1999) 2410-2415. Printed in the UK.

102. Патент США, № 4,013,867,1977.105. Патент США, №3.705.975.

103. Рутберг Ф.Г. Трехфазный плазмотрон// Некоторые вопросы исследования газоразрядной плазмы и создания сильных магнитных пол ей.-Л.:Наука.Ленинград, отд-ние, 1970.-С.8-19.

104. Ph.Rutberg, A.Safronov,S.D.Popov et.al. Multiphase Stutionary plasma generators working on oxidizing media. Plasma Phys Control Fusion 47,16811696 (2005).

105. A. A.Safronov. Alternating Current Electric Arc Plasma Сепега^ге.Известия высших учебных заведений. «Физика», № 9,2007,с.69-72.

106. О.Б.Брон. Движение электрической дуги в магнитном поле. Электричество 7,1966.

107. ВЛО.Баранов. Кандидатская диссертация.Москва,1967.

108. M.Steenbeck. Zur Theoretischen Begrundung des "Minimumprinzips" fur die Spanung Einer Casent-ladung und Einige Weitere. Polgerungen.Beitrage aus dcr Plasmaphysik H. 1/60.1961.

109. О.Б.Брон. Электрическая дуга в аппаратах управления. ГЭИ.1954.

110. Дж.Мик, Дж.Крэгс. Электрический пробой в газах. И.Л.Москва, 1960.

111. Р.Хольм. Электрические контакты. И.Л.Москва, 1961.

112. В.Финкельбург, Г.Меккер. Электрические дуги и термическая плазма. И. Л., 1961.

113. В.Н.Колесников. Дуговой разряд в инертных газах. Труды ФИАН имени П.Н.Лебедева, т.ХХХ. Москва, 1964.

114. Г.А.Касабов. Кандидатская диссертация. Москва, 1967.

115. K.D.Filius, C.G. Whitworth " Emissions characterization and off-gas system development for processing simulates mixed waste in a plasma centrifugal furnase". Hazardous Waste and Hazardous Mater. 1996. Vol.13, № l,p. 143-152.

116. Ed.D.G. Wilson "Handbook of solid waste management". V.l.Litton Educ. Publ.Inc.l977.p.76

117. Я.Б.Зельдович, П.Л.Садовников, Д.В.Франк-Каменецкий. «Окисление азота при горении». М.-Л.-АН СССР. 1947.стр.95-97.

118. Ф.Б.Вурзель, Л.С.Полак «Кинетика и термодинамика химических реакций в низкотемпературной плазме». Химические процессы в плазме и плазменной струе. Москва, «Наука», 1965г.

119. В.В.Померанцев «Основы практической теории горения» Л. Энергия 1973 г.

120. А.С. Баев, В.Г. Селезнев, А.П. Щербо «Временные рекомендации по правилам обращения с отходами здравоохранения». Региональный санитарный норматив. Санкт-Петербург, 1998г.