О возможности переработки сырья сложного состава в высокочастотной индукционной плазме

Математические структуры и моделирование 2001, вып. 8, с. 102-106

УДК 53.01.91

О ВОЗМОЖНОСТИ ПЕРЕРАБОТКИ СЫРЬЯ СЛОЖНОГО СОСТАВА В ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ИНДУКЦИОННОЙ ПЛАЗМЕ

О.Т. Данилова

High-frequency induction plasma characteristics have been investigated by flow visualisation technique with high-speed camera shooting. The heating process of heterogeneouses particles injected into a plasma jet is analysed.

Данная работа проводилась с целью разработки основ плазменной технологии и оборудования для получения порошков оксидов металлов из отходов систем промышленной водоподготовки в плазме высокочастотного индукционного разряда. Отличительной чертой такой технологии является способность воспринять в качестве сырья материал, находящийся в состоянии порошка, или рационально трансформировать в порошкообразную форму сырье, находящееся в недиспергированном состоянии. Кроме того, эта технология позволяет производить разложение любых опасных примесей без выброса в атмосферу, является безреагентной, позволяет устранить такие широко распространенные переделы, как нейтрализация, осаждение, сушка, прокалка, солевой сброс.

Плазменное выделение УД11 оксидов металлов состоит из следующих стадий:

1) генерация плазмы необходимого состава в требуемом диапазоне температур и давлений;

2) ввод реагентов — веществ в твердом или жидком состояниях и обеспечение необходимого времени их контакта с плазмой;

3) вывод целевого продукта из зоны реакции.

Основным элементом любой плазменной установки является источник питания - высокочастотный генератор, в котором происходит преобразование тока промышленной частоты в ток высокой частоты, используемый для питания индуктора плазмотрона. Второй элемент - плазмотрон, основным назначением которого является оптимальное поглощение колебательной мощности ВЧ-генератора с минимальными потерями. Таким образом, для определения оптимальных режимов технологического процесса следует рассчитать параметры В1111-разряда с целью определения способов управления его температурой и обозначить конструктивные изменения ВЧ-генератора.

© 2001 О.Т. Данилова

E-mail: danilova@phys.omskreg.ru Омский государственный университет

Математические структуры и моделирование. 2001. Вып. 8.

103

Для представления модели технологического процесса был выбран нееки-нированный (е толщиной скин-слоя > 0,5 Rq) высокочастотный индукционный (ВЧИ) разряд контрагированной формы е температурой плазмы более низкой, чем в используемом обычно екинированном разряде, Контрагированный разряд более технологичен, так как наряду е возможностью повышения эффективности его использования за счет понижения температуры он позволяет значительно повысить ресурс работы реактора из-за меньших тепловых нагрузок на стенки камеры, а геометрия плазмы в нем удобна для проведения плазмохимичееких процессов непосредственно в зоне генерации плазмы.

Температура В1 II 1-разряда для заданного диапазона температур определяется из условия баланса энергий [1]: выделяемой за счет поглощения плазмой электромагнитной энергии >'п и отводимой теплопроводностью W. Для случая большого скин-слоя Sq и W определяются выражениями:

47пт/2г2(/0п)2

>Sq л ;

С1

тгг 8ттХкТ2 eU ’

где / - частота ВЧ-поля; о - электропроводность плазмы; Д -число ампервитков на единицу длины индуктора; г - радиус разряда; А - теплопроводность

Расчеты показывают, что в режиме генерации В1 II 1-разряда е большой глубиной скин-слоя возможны температуры от 3400 К до 6700 К, Однако при таких температурах для эффективного поглощения мощности ВЧ-генератора нужно увеличивать объем разряда, чего можно добиться, применяя длинный индуктор, Разряд в этом случае должен вытягиваться и переходить в кот рагпрованную форму. Для поддержания такого неекинированного разряда необходимо решить две задачи:

1) найти способ стабилизации разряда в неустойчивом состоянии;

2) согласовать ВЧ-генератор е достаточно длинным индуктором, позволяющим получать разряд в контрагированной форме и вкладывать в него большие энергии.

Работа ВЧ-генератора на такую нагрузку, как плазма, предъявляет к устройству ряд специфических требований:

- в генераторах должна быть предусмотрена широкая регулировочная характеристика, обеспечивающая изменение мощности от номинальной почти до нуля;

- необходимо обеспечение устойчивой работы в режиме холостого хода (т.е. до возбуждения разряда) и автоматическое получение заданного режима после его возбуждения;

- для целого ряда случаев требуется получение значительной напряженности магнитного поля в заданном диапазоне температур;

- генераторы должны удовлетворять требованиям стабильности частоты в пределах разрешенных узких радиоканалов.

104

О.Т. Данилова. О возможности переработки сырья...

Выполнение перечисленных требований обеспечивается выбором схемы высокочастотной части автогенератора, В настоящей работе исследовались режимы генераторов, работающие с самовозбуждением, мощностью 40 и 60 кВт и рабочими частотами 0,44; 5,28; 13,56 МГц,

Расчет частоты генерации основывается на выполнении двух критериев:

- условие баланса фаз;

- условие баланса амплитуд: Kj3 > 1, где К - коэффициент усиления, а/З— коэффициент обратной связи.

Первое условие сводится к выполнению соотношения

'/'„k + Zag + Zgk = 0,

где Zah, Zag, Zgh — соответственно комплексные сопротивления, действующие на участках анод-катод, анод-сетка и сетка-катод.

Условие баланса амплитуд фактически означает, что /3 > 1, так как обычно К А> 1. (' учетом этого условие баланса может быть записано как

^ак

Алгоритм расчета ВЧ-генератора на заданную рабочую частоту сводится к следующему:

1) задаются реактивные сопротивления элементов схемы ВЧ-генератора;

2) рассчитываются частота генерации и коэффициент обратной связи;

3) корректируются значения реактивных сопротивлений для получения требуемой частоты;

4) по результатам расчета вносятся изменения в конструкцию генератора.

Поскольку при корректировке значений реактивных сопротивлений имеется некоторый произвол, в ходе расчета и настройки генератора учитывались требования, вытекающие из анализа результатов численного моделирования В1 II 1-разряда. Суть этих требований заключается в следующем. Для получения устойчивого режима генерации нескинированного разряда необходимо обеспечить поглощение подводимой ВЧ-мощности областью относительно прозрачной для ВЧ-поля плазмы, А это возможно лишь за счет увеличения объема этой области, т.е. при фиксированном радиусе разрядной камеры - за счет увеличения длины плазменного столба. Следовательно, необходимо увеличивать длину индуктора, а значит, и его индуктивность. Поэтому критерием, устраняющим произвол в выборе реактивных сопротивлений, является условие максимального значения индуктивность анодного контура автогенератора, В таблице 1 приведены результаты расчетов параметров эквивалентных схем ВЧ-генераторов с разными рабочими частотами.

Исследования режимов схем генераторов показали устойчивость генерации, возможность изменения выходной мощности и напряжения на индукторе за счет регулирования коэффициента обратной связи путем изменения емкости Сос.

Идентификация исходного сырья методом рентгеноспектрального анализа выявила присутствие в шламе до 46 процентов Fe(OH)3, не имеющей кристаллической структуры, а также наличие оксидов Si, Ti, С а, К и др.

Математические структуры и моделирование. 2001. Вып. 8.

105

Таблица 1.

Мгц Кос La Loc Lc Ca сд Сое

0,44 - 55 80 14 2200 65 1500

5,28 0,15 6,5 2.2 - 65 65 2200

13,56 1,7 1,3 1 - 30 65 200

Термодинамический анализ полученных данных показал, что для системы шлам - плазма конденсация оксидов железа наблюдается при температуре ~ ЗОООД, в интервале температур 2200 — ЗОООД основной конденсированной фазой является FeO. При температурах ниже 2200iT образуются конденсированные фазы Fe^iO-i и Fe^O^. Очевидно, что для получения порошков оксидов в ультрадиепереном виде реагенты необходимо нагревать до температуры 3000 — 4000iT, а закалку производить при температуре 2000iT,

При обработке дисперсных материалов в плазменных струях возникает проблема нагрева частиц, объединяющих в своем объеме два или несколько веществ с различными теплофизическими свойствами. Нагрев частиц сырья из целевых продуктов в общем случае является нестационарным тепловым процессом и включает две стадии передачи тепла: конвективной теплоотдачи от газовой фазы к поверхности частицы и передачи тепла от поверхности частицы к ее центру путем нестационарной теплопроводности. Условие расплавления частиц исходного материала в модели определяется из ряда обычных допущений [2], а также на основании имеющихся расчетных и экспериментальных данных, что нагрев и разгон частиц происходит на начальном участке струи [2]:

ТД > __________________djD___________

ц,д{1 + г)(1 + a)vg ~ m2Nu4R20(lk + 6(Д0 - R)) ’

где Тд - это температура плазмообразующего газа (ПГ);

Хд - теплопроводность ПГ;

р,д - коэффициент кинематической вязкости;

vg - расход ПГ;

г - степень ионизации ПГ;

a - степень диссоциации ПГ;

dp - диаметр частицы;

- расстояние от места подачи порошка до среза сопла;

До - радиус сопла плазмотрона;

R - расстояние от оси трубки до траектории движения частицы;

I) - константа, зависящая от комплекса теплофизических свойств частицы, как-то, характер компонентов и их соотношения.

Для оценки минимальной электрической мощности плазматрона, необходимой для полного расплавления материала частицы в плазменной струе, используется аппроксимирующее выражение:

106

О.Т. Данилова. О возможности переработки сырья...

Таблица 2.

Вещество Исходное сырье Целевой продукт

Fe(OH) з 46% -

Ре20з - 25%

F 636)4 - 49%

Si02 20% 3%

Тг02 1,5% 1,2%

СаО 2,5% 2%

к2о 7% 3%

МдО 8% 4%

Na20 5% 3%

Р = 2 99________-__-__________

’ rjR'&ilb + eiBo-R))0’6’

где г/ -тепловой к.п.д. плазмотрона.

Согласно расчетам, время полного расплавления исходных частиц по всему объему происходит за времена порядка 10-3^10-4с, Полученные плазмохимическим способом порошки представляют собой субмикронные частицы, имеющие сферическую или сфероидальную форму, особенно характерную для процессов с принудительным быстрым охлаждением продукта, когда скорость фазового перехода происходит очень быстро и частицы не успевают принять характерную для кристаллического состояния форму, В таблице 2 представлены результаты элементного анализа в условных процентах исходного сырья и целевого продукта.

Полученные данные хорошо согласуются с результатами термодинамического расчета. Содержание различных примесей объясняется присутствием последних в конденсированной фазе при температуре закалки ~ 220076, Таким образом, можно сделать вывод, что применение в ресурсосберегающих технологиях по переработке металлсодержащих отходов плазмохимического способа позволяет получать порошки на основе оксидов металлов в ультрадиепереной форме, причем модельные представления процесса хорошо согласуются с экспериментальными данными.

Литература

1. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.:Наука, 1987.

2. Юшков В.И., Борисов Ю.С. // Труды УралНИИ Чермет. 1971. Т.2. С.301