Создание и исследование электродугового трехфазного пароводяного плазмотрона переменного тока

• Автор: Серба, Евгений Олегович
• Шифр специальности: 01.04.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 138 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. ОБЗОР ЭЛЕКТРОДУГОВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ ПАРОВОДЯНОЙ ПЛАЗМЫ
1.1. Области применения пароводяной плазмы
1.2. Классификация плазмотронов
1.3. Плазмотроны с водяной стабилизацией дуги
1.4. Плазмотроны с паровихревой стабилизацией дуги
1.5. Выводы
2. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕКТРОДУГОВОГО ПАРОВОДЯНОГО ТРЕХФАЗНОГО ПЛАЗМОТРОНА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СТЕНД
2.1. Описание конструкции электродугового пароводяного трехфазного плазмотрона переменного тока
2.2. Экспериментальный стенд для исследования плазмотронов
2.2.1. Система электропитания
2.2.2. Системы обеспечения воздухом и водяным паром
2.2.3. Система охлаждения стенда
2.2.4. Диагностическая камера и система газоочистки
2.3. Выводы
3. МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ И КОНТРОЛЬНОИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
3.1. Методики проведения исследований
3.1.1. Измерение электрических параметров плазмотрона
3.1.2. Измерение потерь тепла в элементы конструкции плазмотрона и термический КПД
3.1.3. Измерение геометрических параметров электрических дуг
3.2. Контрольно-измерительное оборудование
3.3. Система измерения и регистрации электрических параметров плазмотрона .
3.4. Выводы

4. ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ, ГОРЯЩЕЙ В СМЕСИ ВОДЯНОГО ПАРА И ВОЗДУХА В ТРЕХФАЗНОМ ПАРОВОДЯНОМ ПЛАЗМОТРОНЕ
4.1 Условия проведения экспериментов и результаты
4.2 Оценка параметров электрической дуги и обсуждение результатов.
4.3 Выводы
5. ВНЕШНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРЕХФАЗНОГО ПАРОВОДЯНОГО ПЛАЗМОТРОНА
5.1. Вольтрасходные и вольтамперные характеристики плазмотрона
5.2. Тепловые характеристики: мощность, термический КПД, теплосодержание, среднемассовая температура
5.3. Выводы
6. АНАЛИЗ ПЕРСПЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТРЕХФАЗНОГО ПАРОВОДЯНОГО ПЛАЗМОТРОНА
6.1. Плазменная газификация и области применения синтез-газа
6.2. Методика расчета процесса газификации и оценки выходов электроэнергии в комбинированном цикле и жидких синтетических топлив
6.3. Материальный и тепловой баланс. Основные параметры процессов газификации отходов пластика
6.4. Основные параметры использования синтез-газа
6.5. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы
Современная экономика развитых и большинства развивающихся стран базируется на потреблении энергии ископаемых видов топлива и согласно прогнозам, по крайней мере, в текущем столетии будущее глобальной энергетики будет связано с их использованием. Поэтому стабильный доступ к энергоносителям и стабильные цены на них являются основой глобального экономического роста. Ведущими ископаемыми видами топлива в настоящий момент являются нефть и газ. По оценкам в ближайшие 20 - 30 лет снижение добычи этих двух основных энергоресурсов может стать серьезной проблемой мирового масштаба. Однако, уже сейчас нестабильная ситуация в Северной Африке и на Ближнем Востоке, регионах, страны которых являются одними из крупнейших поставщиков энергоресурсов, подчеркивает важность создания резервных мощностей и развития использования других видов ископаемых топлив и, главным образом, угля, запасы которого достаточно велики. Но стоит отметить, что традиционные методы использования угля в качестве топлива нуждаются в пересмотре, так как не отвечают современным экологическим требованиям.
В последнее время в мире рассматривается концепция комплексной переработки угля на основе процесса газификации, с получением синтез-газа (смесь водорода и монооксида углерода) и сопутствующих ценных компонентов из минеральной массы угля: алюминия, карбидов железа, технического кремния, ферросилиция и др. Синтез-газ может использоваться как в качестве топлива для парогазовых установок комбинированного цикла с КПД более 60 %, так и как сырье для получения водорода, жидких синтетических топлив и других химических продуктов. Как показывают многочисленные оценки и исследования, наиболее эффективным и экологически чистым процессом газификации угля является плазменная газификация с применением низкотемпературной пароводяной плазмы, генерируемой при нагреве газа электрической дугой. При

тока. В большинстве из этих систем используются катоды из тугоплавких материалов, в основном из сплавов на основе вольфрама, не выдерживающих работы в окислительных средах, а также циркония и гафния, которые быстро эродируют в длительных режимах работы. Для защиты катодов в большинстве случаев применяются инертные газы, в основном аргон, что делает эксплуатацию таких плазмотронов в непрерывных технологических процессах дорогостоящей. Как следует из приведенных выше характеристик плазмотронов, все они обладают низким падением напряжения на дугах - порядка 500 В и ниже. Поэтому для достижения высокой мощности используются сравнительно большие токи до ~ 600 А, что неминуемо отражается на эрозии и времени жизни электродов. Мощности таких плазмотронов составляют ~ 10 - 200 кВт, и в данных условиях дальнейшее увеличение их мощности затруднительно. Термический КПД варьируется от 50 до 85 %.
Безусловно, для промышленного применения представляют интерес в первую очередь плазмотроны сравнительно большой мощности, с длительным ресурсом работы, обладающие высокой эффективностью, низкой коммерческой стоимостью и низкими эксплуатационными затратами. Поэтому возникает необходимость создания новых устройств, отвечающих перечисленным выше требованиям. Для создания таких систем, работающих на водяном паре и его смесях с другими газами необходимо решить ряд задач. В частности, для достижения высокой мощности и одновременно длительного непрерывного ресурса электродов необходимо обеспечить работу плазмотронов при сравнительно небольших токах и высоких падениях напряжения на дуге (порядка нескольких киловольт). Для этого нужно использовать стабилизированные длинные дуги переменного тока промышленной частоты, что позволит существенно удешевить и упростить систему питания [87]. Кроме того, это является необходимым условием достижения высокого полного КПД системы [80]. Также для снижения эксплуатационных затрат необходимо использовать медные (или из сплавов на основе меди) стержневые электроды, а для их защиты от агрессивной среды диссоциированного водяного пара использовать более