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Aplicações de Plasmas em Sistemas Energéticos
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE AERONÁUTICA
LPP- Laboratório de Plasmas e Processos
Dr. Homero Santiago Maciel
E-mail: [email protected] EVFITA
Conceitos
Ilustrações (plasma na natureza e laboratórios)
Fundamentos
Geração de Plasmas por descargas Elétricas
- Descargas Normais
- Descargas Coronas
Classificação de Plasmas
Plasmas gerados em pressão atmosférica
Processo Assistidos por Plasmas em Sistemas de Geração de Energia
- Gaseificação
- Plasma e Combustão
Perspectivas de tecnologias de Plasma para Combustão
- Ignitores a Plasma
- Injetores a Plasma
Roteiro
O que é Plasma?
Plasma = gás quaseneutro de partículas carregadas
Plasma ( - “moldable substance”,
“jelly”) é um gás parcialmente ou
totalmente ionizado no qual as densidades
de cargas positivas e negativas são
praticamente iguais.
Palavra “plasma” foi introduzida em 1923 por Langmuir e Tonks
quando estudaram os parâmetros de plasma de baixa temperatura
ocorrida durante descarga em gás.
O que é Plasma?
The earth flows through
the magnetized
interplanetary plasma
created by the solar wind
Comet tails are
dusty plasmas
Most of the sun is in
a plasma state,
especially the corona
“Cold” plasma: the
Aurora Borealis
Spiral galaxies
Plasmas at the birth
of stars
Gaseous nebulae
Plasma na natureza
Solar Wind
The solar wind consists of
plasma that is continually
being released from the Sun.
Plasma na natureza
Aurora:
Points of View
View From Earth
View From Space
PLASMA DE DESCARGAS ELÉTRICAS
Tokamak
gerador de energia para o futuro
Tocha de PlasmaWestinghouse
Gliding Arc Plasma – Tornado
Átomos
Elétrons
Íons
Fonte
de tensão
A multiplicação de elétrons
• Descargas Townsend ocorrem quando o
campo elétrico e a pressão do gás permite
aos elétrons livres ganharem uma energia
maior que a energia de ionização entre duas
colisões subseqüentes.
• Os elétrons ganham energia suficiente para
ionizar e gerar novos elétrons que também
ionizam as partículas do gás, realimentando o
ciclo, e gerando um processo de Avalanche
de elétrons.
•A corrente de descarga resultante cresce
exponencialmente com d se a tensão é
aumentada proporcionalmente.
Átomos
Elétrons
Íons
Fonte
de tensão
A multiplicação de elétrons
EBPAPexp
depende da pressão (P) e do tipo de gás
(coeficientes A e B).
onde α representa o número de eventos
ionizantes por unidade de comprimento.
]exp[)0()( xnxn ee
Átomos
Elétrons
Íons
Fonte
de tensão
A multiplicação de elétrons
depende do material do eletrodo e do tipo
de gás.
γ representa o número de elétrons secundários
emitidos do catodo pelo impacto de íons.
11lnd
Geração de elétrons secundários-+
A Tensão de Ruptura (Lei de Paschen)
Ten
são d
e ru
ptu
ra (
V)
P.d (torr.cm)
102
103
104
10-1 100 101 102 103
• A tensão em que um gás
em baixa pressão rompe,
depende somente do
produto P.d.
)/11ln(ln
Apd
BpdVb
• A tensão mínima de ruptura e correspondente P.d
depende do gás e do coeficiente de emissão de
elétrons secundário (γ) do material do catodo.
11ln)( min
A
BeVb
11ln).( min
A
edP
I. Introduction
DC-Corona Discharges and Electrostatic Precipitation
- Negative Corona+ Positive Corona
Ionization
region
Drift region
Needle
Grounded Electrode
+
+
e-+
Particles
(dusts)+N
Ionization
region
Drift region
Needle
Grounded Electrode
++
+
e-e-++
Particles
(dusts)++NN
Positive ions are directly created in the ionisation region (ions act like
an extension of the active electrode)
Negative ions are created in
ionisation and drift regions
N
-+
e- Electron
Gas moleculeNegative ionPositive ion
N
-+
e- Electron
Gas moleculeNegative ionPositive ion
Needle
-
e--
e- - -
N+e-
e-
N
N
Corona
wind
Needle
-
e--
e- - -
N+e-
e-
N
N
Needle
--
e--
e-e- -- -
N++e-e-
e-e-
NN
NN
Corona
wind
Temperatura no PlasmaPlasma térmico (Te≈Tg): chama
aplicada sobre refratárioPlasma não-térmico: (Te >>Tg):
Parâmetros Descarga
luminescente
Descarga de
barreira
dielétrica
Gliding arc Tocha de plasma
térmico
Pressão < 10 mbar 1 bar 1 bar > 1 bar
Energia dos
elétrons< 5 eV
5.000-20.000 K1- 10 eV 1 - 10 eV 1- 3 eV
Densidade de
elétrons
cm-3108 – 1011 1011-1012 < 1013 1015-1016
Temperatura
do gás (K)300-600 300-600 300-2000 3000-10000
Tensão 400 – 900 V <10 kV <10 kV 100 -500 V
Corrente A< 1 A < 0,3 A < 1A (100 – 500) A
Fotos(LPP do
ITA)
PARÂMETROS TÍPICOS DE PLASMAS
GERADOS DE DESCARGAS ELÉTRICAS
Types of plasma processes for different ranges of gas pressure
+3
+2
0
-1
-2
-3
-4
Log
pre
ssure
(to
rr)
Chemistry
Thermal Processes
Sputter Etching
Ion-assisted damage etching
Inhibitor Ion-enhanced etching
Plasma Deposition
Plasma Polymerization
Plasma Source
Ion Implantation
Plasma Sintering
Plasma Spray
TPCVD
Plasma Metallurgy
Chemical Etching
Physical to Chemical to Thermal
atmosphere
Tocha de Plasma Térmico
GÁS
15.000 0CCATODO
ANODO
ISOLANTE
BOBINA
PARTIDA Rf
Plasmas gerados em pressão atmosférica
Tocha de arco não transferido.
Tocha de arco não transferido.
Tocha de arco não transferído
50 kW
Unicamp, LPI/IFGW ITA/CTA
CombustívelOxigênio (ar)
Chama
(CO2, H2O,
N2, O2)
Arco de
plasma
( - )
( + )
Gás de
plasma
Chama
(Ar, N2)
Trabalho
( - )
( + )
Arco de
plasma
Gás de
plasma
(Ar, N2)
ARCO NÃO-TRANSFERIDO
ANT
COMBUSTÃO
ARCO TRANSFERIDO
AT
Gás de
plasma
Chama
RADIO FREQÜÊNCIA
T = 3000 ~ 15000 K
T = ~ 2000 K (máx.)
PLASMA
Classificação de tochas de plasma
Powder Feed
Plasma Flame
Substrate
1. Powder melts in Plasma Flame 2. Molten droplets are accelerated
towards substrate3. Droplets solidify on substrate4. A new layer of molten droplets
solidifies
Tecnologia de plasmas térmicos: Plasma Spray
Reentrada
atmosférica• Pesquisar e desenvolver métodos de testar materiais
utilizados como escudos de proteção térmica de artefatos espaciais recuperáveis
Sistemas de recuperação de satélites
Apollo 8 capsule photographed during re-entry
NASA image of the Genesis sample return capsule on September 8, 2004, buried halfway in the Utah desert where it crashed as it returned from a mission to the Sun.
Uncontrolled reentry
Galileo probe heat shield ablation
fluxo térmico: ~ 35 KW/cm2 Carbon phenolic material
Galileo Probe during final assembly
Satélite Recuperável Atmosférico
Condições de reentrada
Parâmetros de reentrada e materiais utilizados em sistemas de proteção térmica
• fluxo térmico: ~ 2,5 MW/m2 (máx.)
• temperatura externa: -30...+2400 oC
• temperatura interna: 90 oC (máx.)
T ~ 250 oC
T ~ 2400 oC
T ~ 1500 oC
T ~ 1000 oC
Desenvolvimento de um sistema de proteção térmica
Métodos utilizados
• cálculo numérico
menor custo (requer validação)
• simulação em laboratório
custo intermediário (problema
de escala)-Túnel de plasma
• ensaio em vôo ($20.000/kg)
maior confiabilidade
3 métodos são
complementares
reentrada Simulação em laboratório com o uso de tochas de plasma
Túnel de plasma do ITA
Túnel de plasma para simulação de condições de re-entrada
Jatos de plasma
subsonicos/supersonicos.
Pesquisar e desenvolver
métodos de testar materiais
para escudos de proteção
térmica durante a reentrada
atmosférica.
Túnel de plasma do ITA
Jato de plasma supersônico
><
0 2 4 6 8 1010
100
1000
10000
100000
Gas T
em
pera
ture
(ºC)
Electron Temperature (eV)
arc
Dielectric barrier
corona
Plasma jet Low pressure
Comparison of the gas and electron temperatures for different
atmospheric-pressure plasmas versus low-pressure plasmas.
1011-1012Plasma jet
1012-1015Dielectric barrier discharge
109-1013Corona
1016-1019Arc and plasma torch
108-1013Low-pressure discharge
Plasma density (cm-3)
Source
Densities of charge species in the plasma dischargesDensities of Oxygen species
in the plasma discharge
Source
Low-pressure discharge
Arc and plasma torch
CoronaDielectric barrier
Plasma jet
Plasma density (cm-3)
O+, O2+, O- O O3
1010
1015
1010
1010
1012
1014
1015
1012
1012
1016
<1010
<1016
1018
1018
1016
Gas Temperature X Electron Temperature
Gaseificação assistida a PLASMA
gaseificador
tocha de plasma
Aumenta a dissociação molecular do gás, permitindo um melhor
aproveitamento do processo de gaseificação de materiais carbonosos.
Câmara de
decomposição
Carvão
Sistema de
tratamento
de gases
Fonte de
Potência
Gerador de plasma
cinzas
Gaseificador
Ar
pré-aquecido
Vapor de etanol
Vapor de água
Ar comprimido
Gás de síntese
limpo
Sistema de gaseificação de carvão mineral em duas etapas
Gaseificação assistida a PLASMA
Oxygen
Coal/Coke
Slurry
Gaseificação assistida a PLASMA
Products (syngas):
CO (Carbon Monoxide)
H2 (Hydrogen)
[CO/H2 ratio can be adjusted]
By-products:
H2S (Hydrogen Sulfide)
CO2 (Carbon Dioxide)
Slag (Minerals from coal)
Extreme Conditions:
• Up to 70 atm or more
• Nominal 1500 C
• Corrosive slag and H2S gas
5
Sulfur
CO2
Low Temp
Gas Cooling
Shift Rx
(option)
Hg
Removal
Particulate
Scrubber
Texaco
"Quench"
Gasifier
Slag/Frit
Coal
H2O
+
Air Separation
Unit
O2
Slurry
Acid Gas Removal
CO/H2
Fines/Char
Flexibility for CO2
Sequestration
(Concentrated Stream)
PRE-COMBUSTION
Treatment of Pollutants
Sulfur Recovery
Claus/Scot
•High pressure
•Low Volume
•Concentrated stream
(easier to treat)
Air
Sulfur Recovery
Claus/Scot
Combustion Turbine
Compressed Air to ASU
HRSG
Steam Turbine
Electricity
ElectricityCO2
15
Síntese do estado da arte das tecnologias de combustão do carvão
mineral
Rate constant for reactions responsible for autoignition, and for dissociation
by electron impact at electric field values equal to 100 Td and 200Td
(horizontal lines)
Vapor
Gaseificador
a plasma
Tratamento de gases
Produto final
Composição do carvão mineral
Composição do gás de síntese
Gaseificação de carvão mineral
assistida a plasma térmico
Rectifier
Cooling tower
TORCH
Melted slag
GAS 20000 0C
50% N2
20% H2
30% CO
Waste feed
Thermal Plasma Reactor
• Contaminated soils• Solid and liquid organic wastes• Ash• Hazardous metal wastes• Industrial wastes• Hospital wastes
Plataforma experimental para produção de gás de síntese consistindo de unidade laboratorial no ITA,
com instrumentos de leitura para estudos/otimização de parâmetros e consolidação de equipe.
Gliding Arc Plasma – TornadoCombustão Assistida por Fonte de Plasma
Cavidade catódica
(câmara de decomposição)
Jato de plasma
gaseificador
Espécies
iniciais
do plasma
espectrômetro
Vapor d´água
Voláteis/carvão
M: moléculas
Gaseificação de carvão mineral assistida a plasma
Jato de plasma
gaseificadorespectrômetro
0 10 20 30 40 50
10-7
10-6
10-5
10-4
Pre
ss
ão
Parc
ial
(To
rr)
m/z (uma)
Carvão - 462ºC
P=3mBar
H2
N
O H2O
N2
CO
O2
CO2
H
0 10 20 30 40 50
10-7
10-6
10-5
10-4
P=3mBar
Pre
ss
ão
Parc
ial
(To
rr)
m/z (uma)
Carvão - 530ºC
Inicia Gaseificação
H2
C
N
O
CH4
H2O
CN
N2
CO
NO
O2
CO2
0 10 20 30 40 50
10-7
10-6
10-5
10-4
H3
H2
Gaseificação + PLASMA
P=3mBar
Pre
ss
ão
Pa
rcia
l (T
orr
)
m/z (uma)
Carvão + Plasma - 565ºC
C
CH
O
CH4
C2
CN
N2
CO
NO
O2
atenção
CO2
Espéciesiniciais
do plasma
M: moléculas
Jato de plasma
gaseificadorespectrômetro
0 10 20 30 40 50
10-7
10-6
10-5
10-4
Pre
ss
ão
Parc
ial
(To
rr)
m/z (uma)
Carvão - 462ºC
P=3mBar
H2
N
O H2O
N2
CO
O2
CO2
H
0 10 20 30 40 50
10-7
10-6
10-5
10-4
P=3mBar
Pre
ss
ão
Parc
ial
(To
rr)
m/z (uma)
Carvão - 530ºC
Inicia Gaseificação
H2
C
N
O
CH4
H2O
CN
N2
CO
NO
O2
CO2
0 10 20 30 40 50
10-7
10-6
10-5
10-4
H3
H2
Gaseificação + PLASMA
P=3mBar
Pre
ss
ão
Pa
rcia
l (T
orr
)
m/z (uma)
Carvão + Plasma - 565ºC
C
CH
O
CH4
C2
CN
N2
CO
NO
O2
atenção
CO2
Espéciesiniciais
do plasma
M: moléculasM: moléculasM: moléculas
Gaseificação de carvão mineral assistida a plasma
460 480 500 520 540 560 580
0,01
0,1
1
sem Plasma
Inte
ns
ida
de
(u
.a.)
Temp. Gaseificação (ºC)
H2
inicia Plasma
Gaseificação
Sin
al
H2
au
me
nta
2 o
rde
ns
de
gra
nd
eza
Gaseificação de carvão mineral assistida a plasma
Gaseificação de carvão mineral assistida a plasma
Gaseificação de carvão mineral assistida a plasma
Gaseificação de carvão mineral assistida a plasma
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
% n
o g
ás m
ed
ido
Tempo (min.)
H2
H2O
CO
O2
CO2
plasma ligado plasma desligadomodo normal
de operação
Variação temporal das espécies H2, H2O, CO, O2 e CO2.
Tocha de plasma por microondas.
Reformador a plasma por microondas do LPP do ITA
Plasma térmico
Aquecimento local, dissociação, propagação em cadeia de reações
químicas e desenvolvimento da ignição
Plasma não-térmico
- Mecanismo de aporte de energia veiculada essencialmente por elétrons
livres acelerados pelo campo elétrico da descarga: coronas dc, coronas
pulsadas, microondas, centelhas transitórias, micro descargas em DBD,
descargas ultra-curtas (ns)
- Geração de elétrons energéticos, indução de seletividade de reações
cinéticas favorecendo seletivamente a dissociação e geração de
radicais/espécies excitadas sem custo do aumento de temperatura do gás
- Química iônica e de espécies excitadas
- Importante em misturas pobres, aplicações supersônicas
Desafios
- Qual a melhor estrutura de descarga elétrica?
- Quais dados experimentais a serem monitorados de forma a confirmar
inequivocamente a eficácia do plasma para o processo de combustão?
- Quais os mecanismos de cinética de reações? (modelagem, simulação, teoria
experimentos).
- Taxas de reação envolvendo espécies excitadas?
Combustão Assistida por Plasma
Extension of explosion limits of H2:O2 mixture under the action of a discharge
Rate constant for reactions responsible for autoignition, and for dissociation
by electron impact at electric field values equal to 100 Td and 200Td
(horizontal lines)
Measured ignition delay time upon gas temperature.
Mixture H2:O2:N2:Ar = 6:3:11:80, 1 – autoignition and
2 – ignition by nansecond discharge. U = 160kV
Ignition delay time versus temperature. Mixture
CH4:O2:N2:Ar = 1:4:15:80. Symbols: 1 – 2 atm,
autoignition; 2 – 2 atm, ignition with discharge;
3 – 0.5 atm, ignition with discharge; dashed line
– 0.5 atm, autoignition (calculated) and 4 – 2 atm,
autoignition (calculated).
From J. Phys. D: Appl. Phys. 39 (2006) pp. 265-299
Plasma assisted combustion
Turbina para geração de energia
Obrigado pela atenção
Perguntas?
Duvidas?
