ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ПЛАЗМОТРОН ПОСТОЯННОГО ТОКА ДЛЯ УСТАНОВОК ПО ПЛАЗМЕННОЙ ПЕРЕРАБОТКЕ ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ
ELECTRIC ARC DC PLASMATRON FOR INSTALLATIONS OF SOLID WASTES PLASMA TREATMENT

Изобретение относится к области переработки твердых отходов и может быть использовано на промышленных предприятиях, а также в коммунальном хозяйстве.
Одним из перспективных направлений в области технологии переработки отходов является применение низкотемпературной плазмы, благодаря чему достигается высокая степень разложения веществ, что, в свою очередь, может решить проблему экологической чистоты процесса переработки твердых отходов и повышения его экономической эффективности..
Известен способ переработки золы сжигаемого городского мусора в плазменной плавильной системе, включающий подачу золы, ее подогрев и плавление с помощью плазмы, удаление расплава, дожигание, охлаждение и очистку дымовых газов (Kouji Ariake, Akira Kaga, Yoshihito Matsuoka, Hideto Tomura, Manabu Ishisaka, Masahiro Hara. Plasama Slagging Sistem for Insineration Ash. // Techical report of Kawasaki Heavy Industry. 1995. - 125, april. - P.2-7). Из-за высокой температуры плазмы азот и кислород реагируют между собой и образуют оксиды азота. Для снижения их выбросов до допускаемого стандартами уровня к вводимой золе добавляют определенное количество кокса, что создает в плавильной камере восстановительную атмосферу, а расплав при этом состоит из шлака, непрерывно выводимого из печи, и металла, выводимого периодически при наклоне печи.
Недостатком известного способа является необходимость периодического удаления расплавленного металла, что требует усложнения конструкции печи и останова технологического процесса переработки золы.
Известен также плазменный способ уничтожения промышленных отходов (Guenard J., Bourdil С.Precede EDF d'inertage des dechets industriels a haute temperature par torch a plasma electrobleur. - // J. High Temper. Chem. Processes. - 1992. - Vol.1, 3. - P.167-181), включающий периодическую подачу смешанных отходов, пиролиз органической составляющей отходов и сложных неорганических соединений с выделением летучих горючих веществ, сжигание при недостатке воздуха горючих веществ, плавление оставшихся твердых инертных материалов под действием воздушной плазмы, удаление жидкого шлака и расплавленного металла, дожигание, охлаждение и очистку дымовых газов. Устройство для осуществления известного способа содержит узлы подачи отходов и воздуха, камеру термообработки с установленным в ней плазмотроном и оснащенную леткой для вывода расплава, газоход и блоки дожигания и газоочистки.
Недостатком известных способа и устройства является периодичность процесса уничтожения промышленных отходов из-за последовательного проведения всех его стадий в едином технологическом пространстве и обусловленные этим выбросы большого количества оксидов азота в период расплавления зольного остатка, что требует установки дорогостоящих устройств по очистке отходящих газов. Кроме того, периодическое удаление по мере накопления жидкого металла и шлака требует останова технологического процесса.
Известен способ переработки твердых отходов (Патент США 5370067), включающий непрерывную подачу воздуха и отходов, их газификацию и плавление золы плазменной струей, удаление расплава, дожигание, охлаждение и очистку дымовых газов, причем газификацию отходов с образованием коксового остатка и выделением газообразных продуктов разложения, сжигание коксового остатка и плавление золы осуществляют непрерывно и одновременно в разных зонах, при этом сжигание и плавление проводят при избытке кислорода, а выделяющиеся при этом газообразные продукты смешивают при недостатке кислорода с газообразными продуктами разложения и направляют на дожигание. Устройство для осуществления известного способа содержит узлы подачи отходов и воздуха, камеру термообработки с установленным в ней плазмотроном, оснащенную леткой для вывода расплава, газоход, блоки дожигания и газоочистки, камеру газификации отходов с узлом подвода воздуха, расположенную последовательно с камерой термообработки и сообщенную с ней, причем под камеры газификации расположен выше уровня расплава в камере термообработки, при этом смешение газообразных продуктов газификации отходов и газообразных продуктов сжигания и плавления осуществляют в камере дожигания с циркулирующим кипящим слоем. Недостатком известных способа и устройства является то, что в случае использования установок небольшой мощности для переработки крупногабаритных или упакованных отходов вследствие непрерывной подачи отходов, предусмотренной технологией, усложняется процесс предварительной подготовки отходов к сжиганию (дробление), что ведет к удорожанию всего процесса переработки твердых отходов.
Известен ряд технических решений плазмотронов для подачи нагретого до высоких температур плазмообразующего газа, используемого для плазменной переработки твердых отходов, таких как плазмотроны с «длинной» дугой, используемые для нагрева газа (патенты US №3673375, №4559439).
Известен плазмотрон для установок по переработке отходов, приведенный в работе «Treatment technology for waste containing asbestos by plasma energy», H.S.Park, H.N.Lee, S.S.Kwon, H.I.Kim, S.J.Kim, Y.G.Hong, V International Conference "Plasma Physics and Plasma Technologies", Minsk, 2006, p.828-831, выбранный в качестве прототипа.
Недостаткам прототипа является ограничение срока службы плазмотрона. Технически в его конструкции отсутствует «посадка» дугового разряда на торцевую поверхность полого, глухого электрода (анода или катода, в зависимости от полярности), выполненного в виде стакана. В результате чего дуговой разряд (анодное или катодное пятно разряда в зависимости от полярности) «садится» на боковую поверхность электрода, толщина боковой стенки которого меньше толщины торцевой стенки. Следствием такой «посадки» дугового разряда является ограничение срока службы электродов. Кроме того, большая глубина (более 3-х диаметров) электрода приводит к нестабильности газодинамического режима течения газа в канале плазмотрона, проявляющейся при изменении расхода рабочего (плазмообразующего) газа. Следствием нестабильности газодинамического режима течения газа в канале плазмотрона является нестабильность рабочих характеристик плазмотрона при различных значениях тока дуги и расхода рабочего, плазмообразующего) газа.
min
max
min
min
max
min
Техническим результатом, на который направлено данное изобретении, является увеличение срока службы плазмотрона и расширение диапазона его рабочих характеристик (изменения тока дуги в пределах от I до I=(5÷7)I и изменения расхода рабочего газа в пределах от Q до Q=(2÷4)Q).
Достижение этого результата обеспечивается в электродуговом плазмотроне постоянного тока для установок плазменной переработки отходов, рабочая часть которого представлена на Фиг.1, где показаны:
1. Катод.
2. Анод.
3. Форсунка.
min
max
min
min
max
min
a
a
a
c
a
c
a
i
a
a
a
c
c
c
ci
c
cm
cm
c
c
cm
ci
c
Электродуговой плазмотрон постоянного тока предназначен для нагрева воздуха и других кислородосодержащих газов и газовых смесей. Он имеет соосные полые цилиндрические водоохлаждаемые электроды (анод и катод) с вихревой подачей плазмообразующего (нагреваемого) газа в зазор между анодом и катодом с помощью форсунки (межэлектродной вставки), выполненной из изолирующего материала. Форсунка выполнена соосной с анодом и катодом и имеет тангенциальные отверстия для подачи газа, выполненные в плоскости, перпендикулярной оси электродов по касательной к внутренней поверхности форсунки. Для получения широкого диапазона рабочих характеристик (изменения тока дуги в пределах от I до I=(5÷7)I и изменения расхода рабочего газа в пределах от Q до Q=(2÷4)Q) анод имеет внутренний диаметр d канала, длину канала I=(8÷12)d, катод выполнен в виде стакана с внутренним диаметром d=(1÷1,15)d и глубиной I=(1÷3)d, внутренний диаметр форсунки составляет d=(2÷2,5)d, толщина стенки форсунки, в которой выполнены отверстия для подачи газа, составляет (0,2÷0,3)d, отверстия в форсунке имеют диаметр (0,08÷0,1)d, количество отверстий - 4÷6, отверстия равномерно расположены по окружности форсунки. Для повышения ресурса работы катода на больших токах при нагреве кислородосодержащих газов катод выполнен в виде водоохлаждаемого стакана глубиной I=(1÷2,5)d, где d - внутренний диаметр стакана, из металла с высокой тепло- и электропроводностью, например меди, в донной части которого запрессованы 7 стержней из металла, обеспечивающего термохимическую эмиссию электронов в кислородной среде, например из гафния или циркония, длиной I=(0,25÷0,5)d, диаметром d=1,5÷3 мм, причем центральный стержень запрессован точно по оси стакана, а остальные 6 стержней окружают центральный стержень, и оси их параллельны оси центрального стержня, образуя правильный шестиугольник, периферические стержни отстоят от центрального на расстоянии а=(0,5÷1)d, внешняя стенка катода охлаждается водой на всей длине запрессовки стержней. Катод по п.2, отличающийся тем, что глубина его в начале ресурса I=(1÷2)d, за первым периферийным кольцом из шести стержней расположено второе кольцо из 12 стержней, расположенных по вершинам правильного 12-угольника таким образом, что расстояние между соседними стержнями всегда равно а=(0,5÷1)d, а оси их параллельны оси центрального стержня, длина всех стержней I=(0,5÷1)d.
c
c
cm
cm
ci
c
Глубина катода в начале ресурса составляет I=(1÷1,2)d, при этом стержни заполняют всю донную поверхность стакана и расположены таким образом, что соседние стержни всегда расположены по вершинам равностороннего треугольника, со стороной b=(1,5÷3)d, т.е. расстояние между ними а=(0,5÷1)d, а оси их параллельны оси центрального стержня, длина стержней составляет I=(1,8÷2)d.
Электродуговой плазмотрон постоянного тока для установок плазменной переработки отходов работает следующим образом.
Катод плазмотрона 1 присоединен к отрицательному полюсу источника электропитания дугового разряда плазмотрона (источника тока). Анод плазмотрона 2 присоединен к положительному полюсу источника электропитания дугового плазмотрона. Плазмообразующий газ подается в канал плазмотрона, образуемый катодом 1 и анодом 2 через тангенциальные отверстия в форсунке 3. За счет подачи плазмообразующего газа через тангенциальные отверстия в форсунке обеспечивается вращение газа в канале плазмотрона. Дуговой разряд поджигается в плазмотроне с помощью осциллятора путем подачи импульса высокого напряжения между анодом 2 и катодом 1. При подаче в плазмотрон рабочего расхода газа дуговой разряд занимает центральную зону канала плазмотрона между донной частью катода 1 и торцевой частью анода 2 на внешней поверхности плазмотрона. Внешняя поверхность катода 1 и анода 2 охлаждается протоком воды или другой охлаждающей жидкости. Стабилизация дугового разряда в канале плазмотрона осуществляется за счет холодной стенки катода 1 и анода 2 и вращением потока рабочего газа в канале плазмотрона (при этом в центральной зоне канала образуется зона пониженного давления). Движение катодного пятна на поверхности катода и анодного пятна на поверхности анода обеспечивается вращением рабочего газа в канале плазмотрона. Геометрические параметры канала плазмотрона, образованного внутренними полостями катода 1 и анода 2, а также геометрические параметры форсунки 3, через тангенциальные отверстия которой подается рабочий газ в канал плазмотрона, обеспечивают стабильную форму линий тока течения рабочего в канале плазмотрона и посадку анодного и катодного пятен дугового разряда на внешней поверхности анода 2 и донной части катода 1 во всем диапазоне рабочих параметров плазмотрона (потока рабочего газа и тока дуги).
Повышение ресурса работы катода на больших токах при нагреве кислородосодержащих газов обеспечивается в катоде плазмотрона, представленном на Фиг.2.
Катод плазмотрона работает следующим образом: катодное пятно дугового разряда располагается на торцевой поверхности стержня (из гафния или циркония), температура которого выше, чем температура основного материала катода, вследствие более высокого значения теплопроводности материала катода. Под действием прикатодного падения потенциала ионы рабочего газа разгоняются и бомбардируют катодное пятно, результатом чего является разогрев пятна и расплавление торцевой поверхности стержня. Поверхность расплавленного материала стержня окисляется кислородом, входящим в состав рабочего газа. Твердая окись металла стержня (окись циркония или окись гафния), покрывая расплавленную зону, существенно снижает испарение расплавленного металла и позволяет избежать кластерной эрозии материала стержня. Окись металла (окись циркония или окись гафния) является проводником при температурах расплавленного металла и обеспечивает необходимую эмиссию электронов из катодного пятна. Под действием газодинамических сил вращающегося потока рабочего газа, а также сил взаимодействия тока дуги и поля тока происходит перемещение пятна дуги на другой стержень. Теплоотвод от катодного пятна осуществляется в радиальном направлении к внешней охлаждаемой поверхности катода. По мере эрозии стержней под действием катодного пятна дуги и эрозии основного материала катода между стержнями увеличивается глубина катода. Ресурс работы катода определяется количеством стержней и их длиной. Эксплуатация катода заканчивается при достижении максимальной глубины катода, при которой обеспечивается работа плазмотрона во всем диапазоне его рабочих параметров.
Преимуществом предлагаемого изобретения является увеличение срока службы плазмотрона и расширение диапазона его рабочих характеристик, что приводит к повышению экологической и экономической эффективности процесса плазмотермической переработки твердых отходов.