Разработка, создание, и исследование плазменных технологий и электрофизических установок для уничтожения опасных отходов

• Автор: Братцев, Александр Николаевич
• Шифр специальности: 01.04.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 145 с.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1. ТЕРМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ
1.1. Область применения
1.2. Сжигание
1.3. Газификация
1.4. Пиролиз
1.5. Переработка отходов в расплавах
1.6. Плазменные методы переработки отходов
1.6.1. Плазменное сжигание
1.6.2. Плазменный пиролиз с постепенным образованием расплава..
1.6.3. Плазменный пиролиз в реакторе с ванной расплава, образованной Джоулевым теплом, и свободно горящей дугой
1.6.4. Плазменный пиролиз с выпуском остеклованного шлака
1.6.5. Комбинированный метод. Газификация и плазменный пиролиз.
1.6.6. Плазменная газификация с добавлением твердого топлива, образованием расплава инертной массы и утилизацией остаточного тепла
1.7. Выводы
Глава 2. ЭЛЕКТРОДУГОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ПЛАЗМЫ,
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ
2.1. Введение
2.2. Плазмотроны постоянного тока
2.3. Плазмотроны переменного тока
2.4. Выводы
Глава 3. ПЛАЗМЕННАЯ ПЕРЕРАБОТКА ОТХОДОВ: ОБОСНОВАНИЕ
И ПРОВЕРКА ОСНОВНЫХ ПРИНЦИПОВ
3.1. Выбор и обоснование метода переработки отходов
3.2. Научные основы процесса плазмохимической переработки отходов
3.3. Проверка основных принципов процесса плазменного сжигания отходов
3.3.1. Описание лабораторной установки
3.3.2. Описание экспериментов на лабораторной установке
3.4. Выводы
Глава 4. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПЛАЗМЕННОЙ ПЕРЕРАБОТКИ
МЕДИЦИНСКИХ ОТХОДОВ
4.1. Характеристика перерабатываемых отходов
4.2. Разработка принципиальной технологической схемы

4.3. Материальный баланс
4.4. Тепловой баланс
4.5. Вторичные отходы плазменной переработки
4.6. Конструирование реакторного узла
4.7. Конструирование системы охлаждения и очистки газов
4.8. Принцип работы установки
4.9. Выводы
Глава 5. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ И СОЗДАНИЕ УСТАНОВКИ ПЛАЗМЕННОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ЖИДКИХ
СУПЕРТОКСИКАНТОВ
5.1. Характеристики отравляющих веществ и обоснование выбора имитаторов
5.2. Разработка принципиальной технологической схемы установки
5.3. Материальный и тепловой балансы
5.4. Описание конструкции установки
5.5. Проведение экспериментов по плазмохимической переработке жидких имитаторов отравляющих веществ
5.6. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ
В результате интенсивных исследований и разработок ученых и инженеров в последние десятилетия плазмохимические процессы стали широко использоваться во многих областях науки и промышленности.
Высокоразвитые страны вкладывают большие средства в совершенствование плазменных технологий, что обусловлено рядом их преимуществ перед традиционными. Это происходит за счет использования устройств генерирующих плазму, обладающую высокой температурой и электропроводностью. Оказываемое мощное энергетическое воздействие на обрабатываемые вещества, позволяет значительно интенсифицировать скорости протекания химических реакций. При этом устройства и аппараты плазмохимических процессов становятся значительно проще, что позволяет уменьшить габариты установок.
Воздействуя на обрабатываемые вещества и являясь универсальным теплоносителем и реагентом, плазма обладает электрическим и магнитным полем, а также сильным световым излучением, что позволяет синтезировать ряд новых веществ с уникальными свойствами, которые невозможно получить другими методами.
Плазмохимическими процессами легко управлять, их можно моделировать
* и автоматизировать, используя один вид энергии — электричество.
Началом истории плазменных технологий можно считать исследования, проведенные в 1781-1784 годах Генри Кавендишем (1731-1810) и Джозефом Пристли (1733-1804) по получению окиси азота из воздуха в электрическом разряде. Основополагающим в области генерации низкотемпературной плазмы было получение в 1802 году профессором Петербургской Медикохирургической академии В.В. Петровым электрической дуги [1] и первую демонстрацию плазмы сэром Хемфри Деви в 1804 году.
В конце 1800-х годов в Германии компания SIEMENS применила плазменную технологию для производства некоторых видов металла и, позднее, плазменный нагрев использовался для переработки азотных удобрений.
В начале 1900-х годов в Германии сотрудниками компании ВА5Е создается дуговая печь для получения оксида азота путем нагрева воздуха (метод Шерхерра). Примерно в это же время в Норвегии строится установка
• для получения оксида азота методом, основанным на пропускании воздуха через дугу, создаваемую электрическим разрядом постоянного тока, помещенную в сильное продольное магнитное поле (метод Беркеланда-Эйде). Эти способы просуществовали до конца 20-х годов прошлого века и были вытеснены появлением более экономичных и производительных [2].
Один из первых способов электрокрекинга природного газа, с целью получения ацетилена был осуществлен в Германии в 1940 году.

происходить с к.п.д. стремящимся к 1, однако, поскольку нагрев газа в камере плазмотрона осуществляется за счет теплообмена с дуговым разрядом, то неизбежны различного рода потери энергии. Для уменьшения величины этих потерь необходимо уметь управлять основными энергетическими потоками. Это возможно только тогда, когда установлена взаимосвязь между характером основных физических процессов, протекающих в камере плазмотрона и такими управляемыми параметрами как расход, давление газа, сила тока и напряжение горения дуги [50, 51, 52, 53].
Экспериментально установлено существование в однокамерных плазматронах переменного тока двух режимов горения дуг: диффузного и контрагированного [54]. При диффузном режиме дуги занимают значительную часть объема разрядной камеры. Разряд носит ярко выраженный турбулентный характер. Наблюдаются пульсирующие сгустки плазмы, колебания давления и пульсации напряжения.
Характерным для диффузного режима горения дуг является сравнительно низкая температура 5000-6000 К. При такой температуре необходимая концентрация электронов п£=1015-1016 см-3 при значении токов от нескольких сотен до нескольких тысяч ампер и плотностях тока порядка ] =102-103 А/см2 не может быть достигнута за счет термической ионизации рабочего газа. Как следует из уравнения Саха:

1 т 3 1 г

I потенциал ионизации (для азота 1м =14,534 эВ, для кислорода
1о =13,618 эВ [55]),

—- отношение статистических весов (для данного случая можно

принять за единицу)
Тогда для условий, типичных при дифузном режиме 0,2-0,3 МПа:
Т, 103К 4 5 6
щ, см-3 ~8-1012 -8-1013 ~1014 ~1
Одним из способов достижения необходимой концентрации электронов может быть ионизация паров металла, поступающего с электродов. Этот принцип реализован в однокамерных плазмотронах со стержневыми вольфрамовыми (пл=7,8 эВ) электродами [56].
Другим способом получения необходимой концентрации электронов является использование постороннего предионизатора. В конструкции однокамерных плазмотронов с рельсовыми медными электродами необходимая концентрация создается внешним плазменным инжектором. Механизм создания носителей тока обеспечивает концентрацию не только между электродами, но и в значительной части объема разрядной камеры. Это