ПЛАЗМЕННЫЙ РЕАКТОР С ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ЭЛЕКТРОДАМИ

Полезная модель относится к устройствам - плазменным реакторам с электродами для термической переработки сырья и может применяться в химической, энергетической, металлургической и других отраслях промышленности для производства химических продуктов, например энергоносителей и восстановителей (синтез-газ, углеводороды), а также термической переработки промышленных и бытовых отходов. Источником высокой температуры в реакторах является электроразрядная плазма [1].
Из существующего уровня техники известны реакторы различных конструкций. Данные реакторы включают реакционную камеру с электродами, между которыми горит электрическая дуга, которая нагревает окружающее пространство реакционной камеры, а также поступающее в него сырье. В результате нагрева, происходят химические реакций термического разложения сырья и образования целевых продуктов, которые выводятся из реактора. Недостатками данных реакторов является быстрая эрозия электродов.
Для устранения данного недостатка в некоторых реакторах в качестве электрода используется ванна (контейнер) из огнеупорного материала, наполненная металлом, который в процессе работы реактора плавится. Такой жидкометаллический электрод не подвергается эрозии, в общепринятом смысле, и реактор может безостановочно работать длительное время - в зависимости от объема контейнера электрода и скорости испарения металла.
К таким реакторам относится, например, плазменный реактор с расплавом стали для получения синтез-газа из углеродсодержащих материалов и водяного пара. Реактор представляет собой вертикальный цилиндрический сосуд, выложенный огнеупорным материалом. Он имеет два боковых ввода для плазменного факела и подачи пара, верхний ввод для подачи твердого углеродсодержащего материала и горизонтальный фланец для вывода газообразных продуктов и шлака. Плазмообразующим газом служит азот или воздух. Поток плазмы идет от факела к расплаву железа на дне реактора, который является катодом. Измельченный уголь подается через верхний фланец. Во время свободного падения он нагревается и из него выделяются летучие. Образовавшийся кокс падает в ванну с расплавом железа на дне реактора. Нагретый кокс газифицируется водяным паром. Температура стенок реактора около 450 К, внутри реактора 1270-1370 К. В данном реакторе дуговой разряд горит между анодом, который находится внутри плазмотрона и катодом, который представляет собой расплав стали на дне реактора, ресурс работы которого является продолжительным [2].
Недостатками данного реактора является сильная эрозия положительного электрода, находящегося внутри плазмотрона, что приводит к необходимости его частой замены. Недостатком данного технического решения также является ограниченная конечная температура сырья (меньшая 1500°С) и низкая скорость нагрева. Это связано с тем, что большая часть сырья подается в периферийные области реакционной камеры вне дугового разряда и не входит в тепловой контакт с высокотемпературной центральной зоной дуги. Известно, что низкая скорость нагрева (медленный пиролиз) углеродсодержащего сырья приводит к повышенному образованию коксового остатка и для его дальнейшей газификации требуется большее количество пара. Кроме того, для работы данного реактора требуется специально организованная струя плазмообразующего газа, он, например, не может работать на газе, выделяющемся при пиролизе поступающего в реактор сырья. Все это способствует уменьшению КПД процесса и увеличению нежелательных примесей в целевых продуктах.
Известен плазмохимический реактор с двумя жидкометаллическими электродами, включающий реакционную камеру, средства для снабжения ее плазмообразующим газом и вывода из нее целевого продукта, по крайней мере пару электродов в реакционной камере. Каждый электрод выполнен в форме открытого, наполненного металлом контейнера [3]. Контейнеры отделены друг от друга огнеупорной диэлектрической стенкой, в которой сделано отверстие для прохождения дугового разряда. Плавление металла в контейнерах под действием электрической дуги приводит к тому, что рабочие поверхности электродов (поверхности, между которыми горит электрическая дуга) в процессе работы реактора становятся жидкими, поэтому электроды не подвергаются эрозии, в общепринятом смысле, но имеет место медленное испарение металла и уменьшение его массы. Жидкая поверхность электродов не подвержена эрозии, но для того чтобы еще больше удлинить период непрерывной работы реактора, каждый контейнер оснащается средством для его пополнения металлом. Например, это средство может иметь форму специальных подходящих к контейнерам желобов, по которым металл поступает в них в виде кусков.
По наибольшему количеству сходных признаков, этот реактор принят за прототип заявляемой полезной модели.
Недостатком прототипа, как и вышеописанного реактора с расплавом стали, является ограниченная конечная температура (меньшая 1500°С), до которой может нагреваться сырье, а также низкая скорость нагрева. Это связано с тем, что большая часть сырья подается в периферийные зоны реакционной камеры вне дугового разряда и не входит в тепловой контакт с высокотемпературной центральной зоной дуги. Известно, что низкая скорость нагрева (медленный пиролиз) органической массы приводит к повышенному образованию коксового остатка и для его дальнейшей газификации требуется большее количество пара. Кроме того, для работы данного реактора требуется специально организованная стабилизирующая струя плазмообразующего газа, он, например, не может работать на газе, выделяющемся при пиролизе поступающего в реактор жидкого и твердого сырья. Все это способствует уменьшению КПД процесса и увеличению нежелательных примесей в целевых продуктах.
Технический результат, достигаемый в предлагаемом решении, заключается в повышении КПД плазменного реактора за счет ускорения процесса переработки сырья, увеличения степени деструкции сырья и уменьшения коксового остатка при увеличении скорости нагрева («быстрый» пиролиз), возможности работы реактора без стабилизирующей струи газа при сохранении низких эксплуатационных затрат, присущих реакторам с жидкометаллическими электродами.
Указанный технический результат достигается тем, что в огнеупорном основании реактора выполнен замкнутый кольцевой канал, который размещен между центральным и периферийным электродами, охватывая коаксиально центральный электрод, причем диаметр замкнутого кольцевого канала подобран таким образом, что подаваемый через него в реакционную камеру плазмообразующий газ и/или обрабатываемое сырье проходят через наиболее высокотемпературную область вращающегося дугового разряда. Огнеупорное основание центрального электрода может быть охвачено цилиндрической полостью, образованной двумя коаксиально расположенными металлическими трубами с отверстиями в верхней части цилиндрической полости для дополнительной подачи жидкости в реакционную зону реактора.
Сущность заявляемого плазменного реактора с жидкометаллическими электродами поясняется чертежами. На Фиг.1 изображена схема предлагаемого плазменного реактора, где: 1 - центральный электрод, 2 - периферийный кольцевой электрод, 3 - огнеупорное основание, 4 - электромагнитная катушка, 5 - реакционная камера, 6 - отверстие для выхода газа, 7 - электрическая дуга, 8 - вдвигаемые трубки для подачи кусков металла в электроды, 9 - замкнутый кольцевой канал для ввода сырья и/или плазмообразующего газа, 10 - кольцевая полость для сбора шлака, 11 - желоб для вывода шлака.
На Фиг.2 изображена схема плазменного реактора с цилиндрической полостью: где 12 - цилиндрическая полость, образованная двумя коаксиально расположенными металлическими трубами; 13 - штуцер для подачи жидкости; 14 - отверстия в верхней части цилиндрической полости для подачи жидкости в реактор.
Работает плазменный реактор с жидкометаллическими электродами следующим образом. Запускается реактор известным способом, например, с помощью проволочки соединяющей оба электрода 1 и 2: при подаче на электроды 1 и 2 рабочего электрического напряжения проволочка сгорает, образуя канал вдоль которого формируется рабочая электрическая дуга 7. В кольцевой канал 9 между огнеупорными основаниями электродов 1 и 2 подается плазмообразующий газ и/или сырье, например, с помощью спирального шнека. При этом для организации вращения дуги 7, в нижней части реактора под периферийный кольцевой электрод 2 размещается электромагнитная катушка 4, питаемая либо частью рабочего тока реактора, либо от независимого источника тока. При взаимодействии создаваемого катушкой 4 магнитного поля с приэлектродной зоной дуги 7 у периферийного электрода 2, происходит вращение дуги 7 вокруг центрального электрода 1 и выходное отверстие кольцевого канала 9 по ходу сырья перекрывается высокотемпературной зоной плазменного вихря. При прохождении через эту зону, сырье нагревается с высокой скоростью (осуществляется «быстрый» пиролиз). Продукты пиролиза далее поступают в реакционную камеру 5, где происходят окончательные химические реакции распада сырья и образования новых химических соединений, которые покидают реакционную камеру 5 через выходное отверстие 6. В процессе работы реактора, электроды 1 и 2, могут плавиться и испаряться. Для восполнения их массы периодически, без остановки реактора, по временно вдвигающимся трубкам 8, подаются кусочки соответствующего электродного материала. Постоянно подаваемое сырье в замкнутый кольцевой канал 9 между огнеупорными основаниями электродов 1 и 2 охлаждает поверхности канала 9 и препятствует его забиванию продуктами химических реакции и эрозии электродов 1 и 2, обеспечивая достаточные электроизоляционные свойства канала 9.
Для дополнительной подачи жидкости (например, воды) в плазменный реактор с жидкометаллическими электродами, требуемой по условиям реализуемой технологии, вокруг огнеупорного основания центрального электрода 1 размещается цилиндрическая полость 12, образованная двумя коаксиально расположенными металлическими трубами, с отверстиями 14 в верхней части этой полости 12. Жидкость, подаваемая снизу через штуцер 13 проходить вверх по полости 12, выходит через отверстия 14 в верхней части полости 12 в виде нагретой жидкости или пара, и далее вместе с подаваемым сырьем поступает в реакционную камеру 5. Это, одновременно, приводит к дополнительному охлаждению стенки кольцевого канала 9 и нагреву подаваемой в реактор жидкости, что способствует повышению КПД технологического процесса (Фиг.2).
Заявляемый плазменный реактор с жидкометаллическими электродами может работать на газе, который выделяется в процессе нагревания сырья, то есть без специально подаваемого плазмообразующего газа.
При подаче в плазменный реактор с жидкометаллическими электродами жидкого или твердого сырья охлаждение стенок кольцевого канала 9 происходит интенсивнее, чем в случае газообразного сырья. Если такого охлаждения недостаточно, и рабочая температура поверхностей канала 9 превышает допустимую, то для предотвращения разрушения поверхности кольцевого канала 9 организуется дополнительное охлаждение (например, с помощью воды).
В процессе работы плазменного реактора с жидкометаллическими электродами в центральных областях реакционной камеры 5 появляются частицы любого происхождения (например, не прореагировавший материал сырья, не газифицирующиеся минеральные остатки и др.), которые отбрасываются центробежными потоками газа на периферию реакционной камеры 5 и образуют шлаковый остаток, который должен выводиться из реактора. Для этой цели в периферийной части огнеупорного основания 3 реакционной камеры 5 по ее периметру размещена полость 10 для сбора шлака и желоб 11 для его вывода из реактора.
Использование предлагаемого плазменного реактора с жидкометаллическими электродами позволит осуществлять «быстрый» пиролиз сырья, наиболее эффективный по степени переработки, в течение длительного времени, с низкими эксплуатационными затратами и повышенным КПД, а также получать конечные целевые продукты с меньшим количеством примесей.
Список используемых источников
1. Михайлов Б.И. Электродуговые плазмохимические реакторы раздельного, совмещенного и раздельно-совмещенного типов // Теплофизика и аэромеханика. 2010. Т. 17, №3. С.425-440.
2. Жуков М.Ф., Калиненко Р.А., Левицкий А.А. и др. Плазмохимическая переработка угля. - М.: Наука, 1990, стр.81-82.
3. Патент RU 2157060 C2, опубл. 27.09.2000.