СВЧ ПЛАЗМА

Плазма - это полностью либо частично ионизированный газ, который проводит электричество.Воздух, является наиболее часто используемым, но метан, пар и некоторые другие инертныегазы, также используются в качестве плазмообразующего газа. Для того, чтобы,плазмообразующий газ перешел в проводящее состояние плазмы необходимо приложение

высокого электрического потенциала. Микроволновой разряд возникает в газе, заполняющимрезонатор между двумя проводниками коаксиальной линии. В течении приблизительно одноймикросекунды после включения магнетрона напряженность микроволнового поля в области

выводного отверстия достигает значения, близкого к пробойному и инициируется

безэлектродный микроволновой разряд, расширяющийся в свободно парящий плазменныйсгусток - плазмоид. Под воздействием специально организованного вихревого потока газа

плазменный сгусток выводится через сопло наружу в виде непрерывной плазменной струи.Плазма разряда не контактирует со стенками резонатора, в следствии чего эрозия металлаотсутствует. Длина плазменной струи и поперечные размеры плазмоида внутри резонатора

регулируются количеством подаваемого плазмообразующего газа. Направление оси плазмоидарегулируется электромагнитами. Плазмоид является источником высокой температуры в

диапазоне от 1000 до 10 000 0 С. Такая температура плазменного факела позволяет

утилизировать отходы разного качества, в том числе отходы с высокой концентрацией

неорганических составляющих и очень низкой теплотой сгорания. В этом случае, большуючасть тепловой энергии, необходимой для газификации, дает плазма, а не процесс окисленияотходов. Генератор низкотемпературной плазмы называется плазмотрон.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПЛАЗМОТРОНА

СВЧ - разряд возникает в газе, заполняющем резонатор. В течение приблизительно однойСВЧ - разряд возникает в газе, заполняющем резонатор. В течение приблизительно одной

микросекунды после включения магнетрона напряженность СВЧ - поля в области выводногоотверстия достигает значения, близкого к пробойному, инициируется безэлектродный СВЧ -разряд, расширяющийся в свободно парящий плазменный сгусток -плазмоид. Под воздействиемспециально организованного вихревого потока газа плазменный сгусток выводится через сопло

наружу в виде непрерывной плазменной струи. Плазма разряда не контактирует со стенкамирезонатора, вследствие чего эрозия металла отсутствует. Длина плазменной струи и

поперечные размеры плазмоида внутри резонатора регулировались количеством подаваемого

плазмообразующего газа. Допустимая по санитарным нормам граница плотности потока

энергии СВЧ - излучения 10 мкВт/см2 расположена на расстоянии 1,5м от плазменной струи.Аналогичный уровень излучения производят бытовые микроволновые печи на расстоянии 0,5м.Столь низкий уровень наружного СВЧ - излучения говорит о высоком КПД преобразованиямикроволнового излучения в тепловую энергию плазмы.

ПРЕИМУЩЕСТВА МИКРОВОЛНОВОГО ПЛАЗМОТРОНА

- генератор низкотемпературной плазмы –плазмотрон, использующий СВЧ -энергию, являетсявысокоэффективным преобразователем электрической энергии в тепловую энергию газового -или воздушного потока. Тепловой КПД микроволнового плазмотрона достигает 95 - 98 %-микроволновой плазмотрон прост по конструкции, так как генератор СВЧ -энергии (магнетрон)

и камера (резонатор), служащая для преобразования газа в плазму, объединены в единую

конструкцию без переходных элементов

- микроволновой плазмотрон не содержит электродов. Это принципиально отличает

микроволновой плазмотрон от электродуговых плазмотронов, так как электроды, содержащиесяв них, под воздействием высокой температуры электрической дуги, быстро выгорают, загрязняяплазму продуктами эрозии

- микроволновой плазмотрон использует газ атмосферного давления и может быть легко

приспособлен для превращения в плазму газов как низкого, так и высокого давления.- к несомненным преимуществам плазменной технологии следует отнести её высокую

селективность, возможность переработки различных видов сырья, малые габариты основногооборудования

- технологический процесс сгорания любого топлива в микроволновом плазменном факеле

благодаря низкой инерционности перестройки СВЧ - генератора легко управляем.-использование микроволновых плазмотронов для сжигания различных веществ улучшаетэкологическую обстановку в районе действия предприятия (ТЭС, мусоросжигательный завод ит. д.), поскольку кроме сжигаемого продукта (уголь, органические отходы, ядохимикаты и т.д.)не используется дополнительные горючие вещества, используемые для интенсификации

горения (мазут, природный газ).

ПЛАЗМЕННАЯ ГОРЕЛКА

Микроволновая плазменная горелка предназначена для создания низкотемпературного

плазменного факела. Плазма представляет собой свободно парящий плазмоид,который формируется внутри резонатора микроволнового плазмотрона. Плазма выдуваетсянаружу организованным потоком плазмообразующего газа и поступает в рабочую зону

плазменной горелки. По своей сути плазменная горелка является плазмотроном, работающимплазменной горелки. По своей сути плазменная горелка является плазмотроном, работающимпри атмосферном давлении и укомплектованным форсунками и устройством дутья. Схематичноэто представлено на рисунке.

Электромагнитная энергия вырабатывается генератором микроволновой мощности и подается в

узел возбуждения плазменного разряда. Волноводный узел возбуждения плазменного разрядапредставляет собой устройство, изготовленное из отрезков стальных или алюминиевых

волноводов (металлических труб). Электрический разряд, возбуждающий постоянный

плазмоид, происходит внутри волноводного канала под действием сложения пучностей

электромагнитных колебаний на специальном конструктивном элементе. По коаксиальнойцилиндрической трубе факел (плазмоид) воздушным потоком подается в камеру сгорания

(газификации). Возникновение факела происходит в течении 2 сек. с момента включения СВЧ -генератора. Исчезновение факела, при необходимости, происходит мгновенно при отключениипитания СВЧ - генератора. Плазменная горелка сопряжена с камерой газификации и имеетзащитный кожух из металлической сетки. В случае несанкционированного проникновения

(нештатной ситуации) внутрь ограждения автоматически снимается высокое напряжение и СВЧ- генератор отключается. Пуль управления и рабочее место оператора вынесено за пределызащитного ограждения.

ГАЗИФИКАЦИЯ УГЛЕЙ

Газификация представляет собой процесс, преобразования углеродосодержащих материалов,таких как уголь, нефть, твердые бытовые отходы или биомасса в синтез-газ (синтетический газ),состоящий главным образом из углерода и водорода. Анализ развития мирового энергохозяйствапоказывает, что запасы нефти и газа ограничены и составляют 10-20 %,а угля 80-90%от общегозапаса ископаемых энергоносителей. По оценкам специалистов разведанных запасов угля

должно хватить на 200 лет, разведанных запасов газа на 50 лет, нефти и урана на 40 лет.

Кроме того имеются объективные данные, свидетельствующие о том, что в ближайшее времядобычу нефти нельзя будет увеличивать в такой степени, в какой это необходимо длядобычу нефти нельзя будет увеличивать в такой степени, в какой это необходимо для

удовлетворения потребностей в химическом сырье и энергоносителях. Это приведет к тому, чтовозникнет диспропорция между добычей нефти и потребностью в ней, которая в дальнейшемвсе будет возрастать. Компенсировать нехватку нефти и газа можно будет только

использованием других ископаемых носителей энергии и в первую очередь угля. Уголь являетсяисключительно перспективным сырьем для получения энергии и химических продуктов,особенно в связи с развитием плазмохимических технологий.

1 - приёмный бункер; 2 – сушилка; 3 - дробилка; 4 - компрессор; 5 – газификатор с встроеннымимикроволновыми плазменными горелками; 6 – транспортер; 7-рекуператор; 8 - водоочистнаяустановка; 9 – сепаратор взвешенной пыли; 10 - абсорбер; 11 - ёмкость; 12 - подготовительпаровоздушной смеси

Плазменная газификация характеризуется образованием радикалов и ионов при диссоциации

плазмообразующего газа, что обуславливает высокую скорость протекания физико-химическихпроцессов при высокой концентрации энергии в единице объема. При контакте потока

«холодной» аэросмеси (угольная пыль + воздух) с плазменным потоком одновременно

нагреваются угольные частицы и воздух. При этом угольные частицы размером до 250мкм прискоростях нагрева до 1000 град/с из-за возникающих термических напряжений в их объемепретерпевают тепловой удар, в результате которого частицы угля дробятся на 8-10 осколковразмером 5-30мкм за время 0,01-0,05с. Это явление приводит к резкому возрастанию площадиповерхности раздела газовой и твердой фаз, а, следовательно, к соответствующему увеличениюреакционной способности топлива. Из этих осколков исходных частиц выходят летучие

вещества угля (СО, СО2,СН4,С6Н6, N2,Н2О) и азотсодержащие компоненты – пиридин (С5Н5N) и пиррол (С4Н5N). Затем в газовой фазе образуются атомарные формы (О, Н, N, C, S),включая элементы минеральной части угля (Si, Al, Ca) и радикалы (NН, СН, СN, ОН и

др.).Кроме того, в газовой фазе присутствуют электронный газ (е), положительные (С+, Н+, N+,CO++, Si+, K+и др.) и отрицательные (О-, Н-, N2-) ионы.

Тепловой взрыв пылеугольных частиц многократно убыстряет выход летучих за счет более

развитой поверхности реагирования и появления очень мелких частиц, которые нагреваются дотемпературы выделения летучих гораздо быстрее, чем крупные (100-250 мкм) частицы. Сповышением температуры газа и частиц начинаются гетерогенные термохимическиеповышением температуры газа и частиц начинаются гетерогенные термохимические

превращения топлива (выделение летучих, газификация коксового остатка) с участием

электрически нейтральных, но химически активных центров (радикалов и продуктов

диссоциации молекул). С переходом летучих угля (СО, Н2 , С6Н6, СН4, СО2, Н2О и др.) вгазовую фазу начинается их химическое взаимодействие с воздухом и между собой. Именно настадии газо - фазных реакций может быть заметно интенсифицирующее воздействие

термоэлектрической составляющей низкотемпературной плазмы, проявляющееся в ускорениихимических превращений за счет перехода к реакциям с химически активными центрами и

более низкими значениями энергии активации.

Указанные выше особенности взаимодействия плазмы с пылеугольным топливом повышают

энергетическую эффективность плазменной газификации топлива в 3-4 раза, по сравнению с

традиционными процессами. Процесс плазменной газификации является экологически чистым.

Благодаря высоким температурам, реализуемым в зоне реактора, в газообразных продуктахотсутствуют смолы, фенолы и углеводороды, загрязняющие продукты обычной газификацииугля. При переработке твердых топлив в плазме водяного пара газообразные продукты состоятболее чем на 95 % из CO и H2 , причем объемное содержание водорода может быть вышесодержания оксида углерода. В небольших количествах имеется диоксид углерода (до 3%),следы метана, сероводород. Содержание в продуктах плазмохимической газификации угля CO2значительно ниже, чем в обычных процессах газификации.

ПЛАЗМОТЕРМИЧЕСКИЙ СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЯ В СИНТЕЗ-ГАЗ

Среди перспективных процессов переработки угля важное место занимают плазменные

технологии. Высокая селективность плазмохимических процессов, возможность переработкиразличных видов сырья, небольшие габариты основного оборудования, возможность полнойавтоматизации, отсутствие выбросов золы, газификация при атмосферном давлении делают этотспособ экономически выгодным и экологически безопасным. Плазменная газификация

характеризуется диссоциацией плазмообразующего газа с образованием радикалов и ионов, чтообуславливает высокую скорость протекания физико-химических процессов при высокой

концентрации энергии в единице объема.Технологическая схема и аппаратура блока газификации угля способом пиролиза с

использованием в качестве стороннего средства нагрева микроволнового плазменного факела

являются высокоэффективными и охватывают все стадии производства - стадия подготовкиисходного сырья к реагированию, газификации, очистки и кондиционирования полученногогорючего газа

В качестве газифицируемого топлива используется бурый или каменный уголь, который дробитсядо размера менее 0,7 мм. Пылеугольная фракция топлива подается потоком сжатого воздуха вверхнюю часть газификатора. Стадия газификации обеспечивает получение без - балластногогорючего газа. Это достигается реализацией взаимодействия частиц углерода топлива с

кислородом воздуха и парами воды при определенных технологических параметрах. В результатеокислительно - восстановительных реакций происходит образование горючего газа – смеси СО иН2. Максимальная температура достигает при этом 1200 0 С. Легкоплавкие частицы золы

кристаллизуются в нижней части газификатора охлажденным потоком синтез-газа.Использование эффективного нового оборудования и оригинальных технологических решений

позволяет получать на выходе из газификатора практически без - балластный газ – содержаниеСО2 и паров воды менее 1% .

Экологическая безопасность. Органические соединения угля подвергаются полной газификациивнутри аппарата, и поэтому газ не содержит смолистых веществ. Вследствие низкой скоростифильтрации нет выноса твердых частиц из слоя – аппарат работает как зернистый фильтр.Поэтому горючий газ можно использовать без предварительной очистки. при его сжиганиисуммарные удельные выбросы NOx, SOx, CO и пыли на порядок ниже, чем у угольной

котельной.

ПОДЖИГ УГЛЯ

Технология микроволнового плазменного поджига пылеугольной смеси позволяют кардинально

изменить свойства угля и существенно повысить его энергетическую ценность, увеличивтеплоту сгорания и уменьшив зольность. Реализация этой технологии заключается в

оснащении пылеугольных горелок плазменной системой термообработки угольной пыли

В настоящее время более 40 % электроэнергии в мире вырабатывается на ТЭС с

использованием твердого топлива (угля). Для растопки энергетических котлов и подсветкипылеугольного факела на ТЭС сжигают дефицитный и дорогостоящий мазут или природный газ.Совместное сжигание углей (особенно низко - реакционных) с мазутом ухудшает экологическиеи экономические показатели ТЭС: повышается механический недожог, увеличиваются выбросыоксидов азота NOх, оксидов серы SOх и пятиокиси ванадия V2O5 , а также ускоряетсявысокотемпературная коррозия экранных поверхностей нагрева парогенераторов. Для

поддержания устойчивости горения и покрытия дефицита пыли из-за увеличения зольностиугля требуются повышенные расходы мазута до 40%и более.Технология микроволнового плазменного поджига пылеугольной смеси позволяют кардинально

изменить свойства угля и существенно повысить его энергетическую ценность, увеличивтеплоту сгорания и уменьшив зольность. Реализация этой технологии заключается в

оснащении пылеугольных горелок плазменной системой термообработки угольной пыли.оснащении пылеугольных горелок плазменной системой термообработки угольной пыли.Сущность обработки низко - реакционных углей заключается в нагреве аэросмеси до

температуры, при которой достигается наиболее полное выделение летучих из угольной пыли иосуществлении частичной газификации коксового остатка с тем, чтобы получить горючую

смесь на уровне выхода летучих высоко - реакционных углей в процессе их непосредственногосжигания.

В запальном устройстве используется СВЧ-генератор с выходной мощностью 100 кВт (двагенератора на одно запальное устройство). Генератор работает на частоте 915МГц. В составустройства входит прямоугольный волновод 1, коаксиальный волновод 2, центральная труба 3,воздушный канал 4, канал подачи разжигающей аэросмеси 5, канал основной аэросмеси 6,канал подвода вторичного воздуха 7, регистр основной аэросмеси, огнестойкое покрытие 9.

В резонаторе плазмотрона при подаче СВЧ-мощности от генератора происходит инициацияэлектрического пробоя плазмообразующего газа с образованием свободно парящего плазмоида.Плазменная струя из сопла плазмотрона вводится в муфель. Туда же через отверстие подаетсяугольная пыль из бункера шнеком, приводимым во вращение электродвигателем. Вторичныйвоздух для горения эжектируется в просвет между соплом и муфелем за счет скоростного

истечения плазмы.

Выше приведена схема установки ПТС на котле БКЗ-420. 12горелок расположены в три ярусапо углам топки котла. Две плазменные горелки были установлены вместо двух оппозитныхгорелок нижнего яруса. Через 2-3 секунды от момента запуска ПТС температуры обоихгорелок нижнего яруса. Через 2-3 секунды от момента запуска ПТС температуры обоих

пылеугольных факелов достигали 1100-11500 С. Через час от начала растопки длина этихфакелов достигала 7-8 метров при температуре 1260-12900 С. Растопка котлоагрегата длилась,согласно инструкции по эксплуатации, 4 часа.

Влияние удельных энергозатрат на снижение NOх и мех. недожог топлива (q4) при плазменнойактивации пылеугольного факела (a) и зависимость удельных энергозатрат на плазменную

горелку от содержания летучих в угле (b).P – мощность плазмотрона (кВт); Q – теплота сгорания угля (кДж/кг);G –расход угля через горелку с плазмотроном (кг/с).

Общий расход воздуха и топлива, а также их распределение по контурам определяется изусловий обеспечения необходимой тепловой мощности горелки и эффективности сжигания

топлива в процессе практической отработки горелки при пуско-наладке оборудования.Температура и давление воздуха определяются условиями эксплуатации горелки на котле

При работающем плазмотроне, наблюдается двукратное снижение концентрации NOX, при этоммеханический недожог снижается в 4 раза. Экспериментальная зависимость относительнойэлектрической мощности плазмотронов (ε) от содержания летучих в угле показывает (b) ,что εуменьшается с увеличением содержания летучих в угле, т.е. с повышением реакционной

способности угля. Относительная электрическая мощность плазмотрона не превышает 2.5%оттепловой мощности пылеугольной горелки.

ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯВ расчете на 1 котел, работающий на природном газе (ТПП210, ТПП210А)

При использовании плазменного поджига

Один генератор работает на два котла. Экономия на 1 котле составляет - 960 $ в час

Плазмохимическая активация с использованием микроволновых плазменных горелок

обеспечивает более эффективное и экологически чистое сжигание и газификацию низкосортных

углей, повышая их реакционную способность. Плазменные горелки испытаны в процессе

безмазутной растопки пылеугольных котлов и стабилизации горения факела на котлах с

производительностью от 75 до 670т/ч, оснащенных различными типами пылеугольных горелок(прямоточные, муфельные и вихревые) При испытаниях плазменной горелки сжигались всетипы энергетических углей (бурые, каменные, антрациты и их смеси) с содержанием летучих от4 до 50%,зольностью от 15до 48%и теплотой сгорания от 1600до 6000ккал/кг. Таким образом,независимо от качества исходного угля из аэросмеси получается высоко -реакционноедвухкомпонентное топливо. Смешиваясь с вторичным воздухом в топке котла, оно интенсивновоспламеняется и стабильно горит без использования дополнительного топлива (мазут илиприродный газ), традиционно сжигаемого для растопки котлов из холодного состояния истабилизации горения факела низкосортного энергетического угля.

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+421 948502960 +420 725372109 p_fisenko@mail.ru