СВЧ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЙ РЕАКТОР

Изобретение относится к плазмохимическим реакторам, в которых источником высокой температуры является электроразрядная плазма. Реактор может применяться в бескоксовой металлургии, в частности в устройствах для прямого восстановления различных металлов из дисперсного оксидного сырья и для получения высокочистых порошков тугоплавких металлов газообразными и дисперсными восстановителями, а также в химической промышленности для производства химических продуктов.
В качестве наиболее перспективной конструкции для прямого восстановления железа из дисперсного рудного сырья современная техника предлагает цилиндрические плавильные камеры (циклоны), в которых восстановление происходит в тонкой пленке расплава сырья, создаваемой на стенке, за счет ввода дисперсного сырья восстановительным газом тангенциально к стенке, либо за счет вращения всей плавильной камеры. Примеры таких конструкций плазменных печей содержатся в обзорных работах (Ю.В.Цветков, С.А.Панфилов. Низкотемпературная плазма в процессах восстановления. М., Наука, 1980 г., с.с.237-241, Энциклопедический словарь по металлургии, т.2, М., «Интернет Инжиниринг», 2000 г.).
Основным недостатком известных конструкций является невозможность управления энерговводом в пленку по пути ее движения, что не позволяет оптимизировать процесс восстановления.
Известен реактор для получения высокочистых металлов, содержащий камеру, в которую поступает плазма, образованная плазмотроном с помощью разряда между катодом и анодом в атмосфере плазмообразующего газа, и исходная газообразная реакционная смесь. Полученный конечный продукт аккумулируется в коллекторной зоне (SU №3840750). Такой реактор имеет сложную конструкцию, а электроды плазмотронов, особенно катод, подвержены быстрой эрозии, что требует частой остановки реактора для их замены и предопределяет его низкую производительность.
Ближайшим прототипом устройства является СВЧ плазмохимический реактор, включающий металлическую разрядную камеру в виде трубы с крышкой, днищем, снабженным выпускным отверстием и боковой стенкой, по крайней мере часть внутренней поверхности которой выполнена электропроводящей, средство сбора конечного продукта, средство ввода СВЧ энергии, включающее первый узел ввода СВЧ энергии, содержащий волновод и коаксиальную часть в виде двух коаксиальных металлических труб, внешней и внутренней, вокруг нижнего конца которой размещено конусное металлическое тело, большее основание которого обращено к разрядной камере, размещенный коаксиально металлическому телу и соединенный с внешней трубой металлический конусный кожух, снабженный снизу металлическим фартуком, выступающим в камеру и изолированным от нее, по крайней мере одну пару электродов для создания дугового разряда, сопла ввода рабочего газа, размещенные под крышкой камеры на ее стенке тангенциально к стенке, формирователь дополнительного вихревого газового потока, установленный внутри внешней трубы на ее стенке, и соленоид (RU №2315813). В этой конструкции недостаток циклонов устранен благодаря использованию трехсекционного соленоида, позволившего управлять режимом энерговвода в пленку расплава, стекающего по стенке, с помощью периодического перемещения магнитного поля.
Недостаток известной конструкции заключается в ограниченности ресурса катода - графитового электрода.
Техническая задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, заключается в повышении надежности работы плазмохимического реактора.
Технический результат, достигаемый предлагаемой полезной моделью, заключается в повышении стабильности дугового разряда за счет создания диффузного СВЧ разряда вблизи поверхности катода.
Технический результат обеспечивается благодаря тому, что в СВЧ плазмохимическом реакторе, включающем металлическую разрядную камеру в виде трубы с крышкой, днищем, снабженным выпускным отверстием и боковой стенкой, по крайней мере часть внутренней поверхности которой выполнена электропроводящей, средство сбора конечного продукта, средство ввода СВЧ энергии, включающее первый узел ввода СВЧ энергии, содержащий волновод и коаксиальную часть в виде двух коаксиальных металлических труб, внешней и внутренней, вокруг нижнего конца которой размещено конусное металлическое тело, большее основание которого обращено к разрядной камере, размещенный коаксиально металлическому телу и соединенный с внешней трубой металлический конусный кожух, снабженный снизу металлическим фартуком, выступающим в камеру и изолированным от нее, по крайней мере одну пару электродов для создания дугового разряда, сопла ввода рабочего газа, размещенные под крышкой камеры на ее стенке тангенциально к стенке, формирователь дополнительного вихревого газового потока, установленный внутри внешней трубы на ее стенке, и соленоид, введен третий электрод, образующий с полым электродом, установленным во внутреннюю трубу с обеспечением электрического контакта и возможности перемещения, первую пару электродов, а со стенкой камеры - вторую пару электродов, при этом к третьему электроду подведен отрицательный электрический потенциал, к стенке камеры и внутренней трубе подведены разные по величине положительные электрические потенциалы и электропроводящей выполнена только верхняя часть внутренней поверхности стенки камеры, нижняя часть фартука выполнена в виде конусного сопла с цилиндром на нижнем конце и к разрядной камере подсоединен второй узел ввода СВЧ энергии.
Целесообразно выполнить конструкцию осесимметричной и разместить третий электрод на ее оси с зазором относительно полого электрода. Введение третьего электрода снизу через днище реактора или через средство сбора конечного продукта позволяет компенсировать его расход в процессе эксплуатации без остановки реактора. Однако могут оказаться удобными и другие схемы введения третьего электрода, например, через боковую стенку реактора.
В качестве материала третьего электрода предпочтительно использовать тугоплавкий металл, так как в процессе работы этот электрод нагревается до высокой температуры, достаточной для термоэмиссии с его поверхности, и служит катодом как вспомогательного разряда между третьим электродом и полым электродом, так и основного разряда между третьим электродом и электропроводящей частью боковой стенки камеры, которая выполнена в верхней части камеры смежной с верхней частью третьего электрода.
При использовании реактора для восстановления металлов целесообразно устанавливать на верхнем торце третьего электрода чашу, в которую помещают в начале процесса шихту - «затравку», а в процессе работы подают порошкообразную шихту через полость полого электрода для компенсации испарения расплавленного металла с торца третьего электрода, а для предотвращения стравливания газа из объема камеры может быть использовано одно из известных устройств герметизации механизмов подачи шихты, например, описанное в RU №2040548. Величина диаметра чаши ограничена условием свободного распространения плазмы вспомогательного разряда в объем камеры.
Так как между третьим электродом и камерой не должно быть электрического контакта, то упомянутый электрод должен быть введен через днище камеры по крайней мере с обеспечением воздушного зазора между ними. Однако более удобно обеспечить электрическую изоляцию с помощью диэлектрической трубы, установленной в выпускном отверстии, в которую в свою очередь введен третий электрод. В этом варианте диэлектрическая труба выполняет роль не только изолятора, но и крепежного элемента, в котором при необходимости может перемещаться упомянутый электрод.
Аналогично этому и внутренняя труба может быть закреплена на оси реактора с помощью внешних устройств, например, на элементах токоподвода, однако более удобно закрепить ее с помощью диэлектрического фиксатора, установленного между цилиндрическими или конусными частями внешней и внутренней труб, например, в виде диска или цилиндра.
Для инициирования вспомогательного разряда после подачи плазмообразующего газа в реактор и напряжения на третий электрод и подведения СВЧ энергии с помощью первого ввода СВЧ энергии может быть использован один из известных способов: поджигание разряда специальным разрядником, кратковременным касанием третьего электрода полым электродом, подачей на электроды высоковольтного импульса, вызывающего пробой газа, или посредством соединения до начала процесса упомянутых электродов тонкой металлической проволокой, которая взрывается при подаче напряжения на электроды.
При возбуждении в камере СВЧ поля необходимо выполнить условие существования в ней определенного набора типов волн. Подключение второго ввода СВЧ энергии к камере может быть выполнено различными способами, например, путем непосредственного подсоединения СВЧ трактов к камере. При этом в многоволновом резонаторе, каким является камера, может существовать все многообразие типов волн, разрешенных граничными условиями, что может оказаться неэффективным с точки зрения стабилизации дугового разряда. Более предпочтительным является выполнение второго узла ввода СВЧ энергии в виде установленных на крышке камеры вокруг фартука четного числа прямоугольных волноводов, подключенных к кольцевому зазору между фартуком и цилиндром, закрепленным на нижних стенках этих волноводов. При этом в камере возбуждаются преимущественно типы волн с максимумом электрического поля вблизи оси камеры, где установлен третий электрод - катод дугового разряда.
На диаметр цилиндрической части конусного сопла не накладывается жестких ограничений, однако исходя из необходимости направить поток плазмы вспомогательного разряда на торец третьего электрода и разогреть его целесообразно выполнить диаметр цилиндрической части сопла фартука приблизительно равным или несколько большим диаметра внутренней трубы, разместив упомянутую часть конусного сопла в пространстве между полым и третьим электродами.
Благодаря наличию магнитного поля, создаваемого соленоидом, и завихрению потока плазмы при восстановлении металлосодержащего дисперсного сырья восстанавливаемая в камере шихта центробежными силами выбрасывается на стенки камеры и, стекая по ним, продолжает плавиться и восстанавливаться под действием основного дугового разряда в атмосфере восстановительного газа. Если необходимо управлять режимом энерговвода в пленку расплава для управления температурой пленки и регулирования времени ее пребывания в различных зонах по высоте камеры, можно путем разделения соленоида на секции (не менее трех) перемещать поперечные по отношению к оси силовые линии магнитного поля и вслед за ними перемещать расположенные между ними пятна дуги разряда. (RU №№1641179, 1218909, 1503673).
На чертеже представлен в продольном сечении вариант предлагаемого реактора, предназначенный для восстановления дисперсного рудного сырья.
Элементы конструкции СВЧ плазмохимического реактора в поперечном сечении могут иметь различную конфигурацию, определяемую удобством изготовления, однако в предпочтительном варианте реактор содержит преимущественно металлическую охлаждаемую разрядную камеру 1 в виде цилиндра с крышкой 2, днищем 3, боковой стенкой 4 и с выпускным кольцевым отверстием 5 в днище 3, первый узел ввода СВЧ энергии в виде, например, прямоугольного волновода 6 и коаксиальной части в виде двух коаксиальных металлических труб, внешней 7 и внутренней 8, на которой установлено металлическое конусное тело 9, конусный кожух 10, укрепленный на нем снизу фартук 11 с конусным соплом 12 и нижней цилиндрической частью 13, соленоид 14, установленный вокруг разрядной камеры 1, установленные под крышкой 2 камеры 1 на ее боковой стенке 4 тангенциально к ней сопла 15 ввода рабочего газа (показано одно сопло), подсоединенные к источнику восстановительного газа и питателю шихты (не показаны). В трубу 8 вставлен с обеспечением электрического контакта и возможности перемещения полый электрод 16. Между металлическим телом 9 и конусным кожухом 10 введен цилиндрический диэлектрический фиксатор 17. Формирователи 18 дополнительного вихревого газового потока (один или несколько) размещены на стенке кожуха 10.
Под выпускным отверстием 5 установлен сборник 19 продукта (металла и шлака), снабженный отверстиями: 20 для выпуска шлака, 21 для выпуска металла и 22 для выхода газа. Отверстие 22 через систему очистки отходящего газа подсоединено к трубопроводу (не показаны), подающему восстановительный газ от источника газа к соплам 15.
Второй ввод СВЧ энергии в виде четного числа волноводов 23 размещен вокруг фартука 11 и подключен к камере 1 через кольцевой зазор между фартуком 11 и цилиндром 24, закрепленным на нижних стенках волноводов.
Через днище сборника 19 и выпускное отверстие 5 в камеру 1 введен третий электрод 25, заключенный в диэлектрическую трубу 26. К стенке камеры 1 и внутренней трубе 8 подведены различные по величине положительные электрические потенциалы, а к электроду 25 - отрицательный потенциал. При этом электропроводящей выполнена только верхняя часть 27 стенки 4, остальная часть стенки и 4 днище 3 в предпочтительном варианте защищены футеровкой. При использовании интенсивного охлаждения камера может быть выполнена чисто металлической без защитной футеровки аналогично известным конструкциям (напр. Плазменно-дуговые восстановительные печи в структуре энерго-металлургического комплекса, А.В.Николаев, А.А.Николаев. Труды пятого конгресса сталеплавильщиков, 1999 г.)
28, 29 - СВЧ дроссели, обеспечивающие электрическую изоляцию узлов устройства и предотвращающие электромагнитное излучение из устройства в окружающее пространство. Дроссель 28 изолирует от волновода 6 внутреннюю трубу 8, дроссель 29 - цилиндр 24 от крышки 2 камеры 1. Роль устройств, предотвращающих излучение, могут также выполнять отрезки СВЧ трактов, заполненные поглощающим СВЧ энергию материалом или запредельные для рабочей частоты, однако СВЧ дроссели - устройства более компактные и надежные.
На торце осевого электрода 25 может быть установлена чаша 30, в которую загружается расходуемая «затравка».
Реактор работает следующим образом. С помощью первого узла ввода по волноводу 6 вводят СВЧ энергию в объем фартука 11 и одним из описанных способов, например, с помощью металлической проволоки, инициируют СВЧ разряд в пространстве между торцом конусного тела 9 и конусной частью 12 сопла 11 в потоке плазмообразующего газа, вводимого через формирoвaтeль 18. Подают электрические потенциалы на все электроды. СВЧ разряд распространяется в сторону разрядной камеры 1 и инициирует в пространстве между третьим электродом 25 и полым электродом 16 вспомогательный дуговой разряд, который разогревает торец третьего электрода 25 до температуры, достаточной для появления термоэмиссии с него.
Плазма вспомогательного разряда диффундирует в объем камеры 1 и инициирует основной дуговой разряд между торцом третьего электрода 25 и электропроводной частью 27 поверхности стенки 4 камеры 1. Через волноводы 23 в камеру 1 вводят дополнительную СВЧ энергию для ионизации газа вокруг дугового канала, а также для предотвращения образования электродных дуговых пятен. Дуга разряда вращается под действием магнитного поля, создаваемого соленоидом 14. Через сопло 15 вместе с восстановительным газом вводят шихту в порошкообразном состоянии, которая, попадая во вращающуюся плазму плавится дугой разряда и под действием центробежной силы выбрасывается на стенку 4. На стенке 4 шихта продолжает плавиться дугой и, восстанавливаясь, стекает к выпускному отверстию 5 в виде восстановленного металла.
В случае размещения на торце осевого электрода 25 чаши 30 с пополняемой «затравкой» после ее расплавления образуется расплав металла, который может быть использован в качестве источника эмиссии электронов для основной дуги. При этом через полость электрода 17 вводят порошкообразную шихту для компенсации потери материала «затравки» в чаше 30 на испарение. При этом гарантируется практически неограниченный ресурс работы электродов реактора.
Надежность работы устройства обеспечивается за счет того, что разогрев поверхности третьего электрода - катода диффузным СВЧ разрядом, прилегающим к его поверхности, создает для дугового разряда равные условия по всей поверхности катода. Благодаря этому дуговое пятно в магнитном поле соленоида движется без остановок и скачков, обеспечивая стабильное горение дуги разряда. Надежность работы устройства повышена также тем, что катодом разряда является металлический третий электрод 25, вдвигаемый в камеру 1 по мере его расходования, а введение его снизу гарантирует отсутствие перерывов в работе, связанных с заменой электрода - катода при его верхнем расположении.
В случае использования реактора для проведения химических реакций его необходимо оснастить средствами для ввода реакционных смесей и вывода готового химического продукта в соответствии с технологическими требованиями.