2. СВЧ ПЛАЗМА
Плазма - это полностью либо частично ионизированный газ, который проводит электричество.
Воздух, является наиболее часто используемым, но метан, пар и некоторые другие инертные
газы, 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, заполняющим
резонатор между двумя проводниками коаксиальной линии. В течении приблизительно одной
микросекунды после включения магнетрона напряженность микроволнового поля в области
выводного отверстия достигает значения, близкого к пробойному и инициируется
безэлектродный микроволновой разряд, расширяющийся в свободно парящий плазменный
сгусток - 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 металла
отсутствует. Длина плазменной струи и поперечные размеры плазмоида внутри резонатора
регулируются количеством подаваемого плазмообразующего газа. Направление оси плазмоида
регулируется 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, большую
часть тепловой энергии, необходимой для газификации, дает плазма, а не процесс окисления
отходов. 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 выводного
отверстия достигает значения, близкого к пробойному, инициируется безэлектродный СВЧ -
разряд, расширяющийся в свободно парящий плазменный сгусток -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, 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 1,5 м от плазменной струи.
Аналогичный уровень излучения производят бытовые микроволновые печи на расстоянии 0,5 м.
Столь низкий уровень наружного СВЧ - излучения говорит о высоком КПД преобразования
микроволнового излучения в тепловую энергию плазмы.
ПРЕИМУЩЕСТВА МИКРОВОЛНОВОГО ПЛАЗМОТРОНА
- генератор низкотемпературной плазмы –плазмотрон, использующий СВЧ -энергию, является
высокоэффективным 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)
3. 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, содержащиеся
в них, под воздействием высокой температуры электрической дуги, быстро выгорают, загрязняя
плазму 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 основного
оборудования
- технологический процесс сгорания любого топлива в микроволновом плазменном факеле
благодаря низкой инерционности перестройки СВЧ - генератора легко управляем.
-использование микроволновых плазмотронов для сжигания различных веществ улучшает
экологическую обстановку в районе действия предприятия (ТЭС, мусоросжигательный завод и
т. 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 выдувается
наружу 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, работающим
при атмосферном давлении и укомплектованным форсунками и устройством дутья. Схематично
это представлено на рисунке.
4. Электромагнитная энергия вырабатывается генератором микроволновой мощности и подается в
узел возбуждения плазменного разряда. Волноводный узел возбуждения плазменного разряда
представляет 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 коаксиальной
цилиндрической 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 отключении
питания СВЧ - генератора. Плазменная горелка сопряжена с камерой газификации и имеет
защитный 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 пределы
защитного 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 энергохозяйства
показывает, что запасы нефти и газа ограничены и составляют 10-20 %, а угля 80-90% от общего
запаса 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 время
добычу 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, что
возникнет диспропорция между добычей нефти и потребностью в ней, которая в дальнейшем
все будет возрастать. Компенсировать нехватку нефти и газа можно будет только
использованием других ископаемых носителей энергии и в первую очередь угля. Уголь является
исключительно перспективным сырьем для получения энергии и химических продуктов,
особенно в связи с развитием плазмохимических технологий.
5. 1 - приёмный бункер; 2 – сушилка; 3 - дробилка; 4 - компрессор; 5 – газификатор с встроенными
микроволновыми плазменными горелками; 6 – транспортер; 7-рекуператор; 8 - водоочистная
установка; 9 – сепаратор взвешенной пыли; 10 - абсорбер; 11 - ёмкость; 12 - подготовитель
паровоздушной смеси
Плазменная газификация характеризуется образованием радикалов и ионов при диссоциации
плазмообразующего газа, что обуславливает высокую скорость протекания физико-химических
процессов 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 250 мкм при
скоростях нагрева до 1000 град/с из-за возникающих термических напряжений в их объеме
претерпевают тепловой удар, в результате которого частицы угля дробятся на 8-10 осколков
размером 5-30 мкм за время 0,01-0,05 с. Это явление приводит к резкому возрастанию площади
поверхности раздела газовой и твердой фаз, а, следовательно, к соответствующему увеличению
реакционной способности топлива. Из этих осколков исходных частиц выходят летучие
вещества угля (СО, СО2, СН4, С6Н6, N2, Н2О) и азотсодержащие компоненты – пиридин (С5Н5
N) 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 до
температуры выделения летучих гораздо быстрее, чем крупные (100-250 мкм) частицы. С
повышением 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.) в
газовую фазу начинается их химическое взаимодействие с воздухом и между собой. Именно на
стадии газо - фазных реакций может быть заметно интенсифицирующее воздействие
термоэлектрической составляющей низкотемпературной плазмы, проявляющееся в ускорении
химических 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 продуктах
отсутствуют смолы, фенолы и углеводороды, загрязняющие продукты обычной газификации
угля. При переработке твердых топлив в плазме водяного пара газообразные продукты состоят
более чем на 95 % из CO и H2 , причем объемное содержание водорода может быть выше
содержания оксида углерода. В небольших количествах имеется диоксид углерода (до 3%),
следы метана, сероводород. Содержание в продуктах плазмохимической газификации угля CO2
значительно ниже, чем в обычных процессах газификации.
6. ПЛАЗМОТЕРМИЧЕСКИЙ СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЯ В СИНТЕЗ-ГАЗ
Среди перспективных процессов переработки угля важное место занимают плазменные
технологии. Высокая селективность плазмохимических процессов, возможность переработки
различных видов сырья, небольшие габариты основного оборудования, возможность полной
автоматизации, отсутствие выбросов золы, газификация при атмосферном давлении делают этот
способ экономически выгодным и экологически безопасным. Плазменная газификация
характеризуется диссоциацией плазмообразующего газа с образованием радикалов и ионов, что
обуславливает 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 подготовки
исходного сырья к реагированию, газификации, очистки и кондиционирования полученного
горючего газа
В качестве газифицируемого топлива используется бурый или каменный уголь, который дробится
до размера менее 0,7 мм. Пылеугольная фракция топлива подается потоком сжатого воздуха в
верхнюю часть газификатора. Стадия газификации обеспечивает получение без - балластного
горючего газа. Это достигается реализацией взаимодействия частиц углерода топлива с
кислородом воздуха и парами воды при определенных технологических параметрах. В результате
окислительно - восстановительных реакций происходит образование горючего газа – смеси СО и
Н2. 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 – содержание
СО2 и паров воды менее 1% .
7. Экологическая безопасность. Органические соединения угля подвергаются полной газификации
внутри аппарата, и поэтому газ не содержит смолистых веществ. Вследствие низкой скорости
фильтрации нет выноса твердых частиц из слоя – аппарат работает как зернистый фильтр.
Поэтому горючий газ можно использовать без предварительной очистки. при его сжигании
суммарные 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, увеличив
теплоту 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 подсветки
пылеугольного факела на ТЭС сжигают дефицитный и дорогостоящий мазут или природный газ.
Совместное сжигание углей (особенно низко - реакционных) с мазутом ухудшает экологические
и экономические показатели ТЭС: повышается механический недожог, увеличиваются выбросы
оксидов азота NOх, оксидов серы SOх и пятиокиси ванадия V2O5 , а также ускоряется
высокотемпературная коррозия экранных поверхностей нагрева парогенераторов. Для
поддержания устойчивости горения и покрытия дефицита пыли из-за увеличения зольности
угля 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, увеличив
теплоту 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 и
осуществлении частичной газификации коксового остатка с тем, чтобы получить горючую
смесь на уровне выхода летучих высоко - реакционных углей в процессе их непосредственного
сжигания.
В запальном устройстве используется СВЧ-генератор с выходной мощностью 100 кВт (два
генератора на одно запальное устройство). Генератор работает на частоте 915 МГц. В состав
устройства 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.
8. В резонаторе плазмотрона при подаче СВЧ-мощности от генератора происходит инициация
электрического пробоя плазмообразующего газа с образованием свободно парящего плазмоида.
Плазменная струя из сопла плазмотрона вводится в муфель. Туда же через отверстие подается
угольная пыль из бункера шнеком, приводимым во вращение электродвигателем. Вторичный
воздух для горения эжектируется в просвет между соплом и муфелем за счет скоростного
истечения плазмы.
Выше приведена схема установки ПТС на котле БКЗ-420. 12 горелок расположены в три яруса
по углам топки котла. Две плазменные горелки были установлены вместо двух оппозитных
горелок 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 1100-1150 0 С. Через час от начала растопки длина этих
факелов достигала 7-8 метров при температуре 1260-1290 0 С. Растопка котлоагрегата длилась,
согласно инструкции по эксплуатации, 4 часа.
Влияние удельных энергозатрат на снижение NOх и мех. недожог топлива (q4) при плазменной
активации 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).
9. Общий расход воздуха и топлива, а также их распределение по контурам определяется из
условий 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 этом
механический недожог снижается в 4 раза. Экспериментальная зависимость относительной
электрической мощности плазмотронов (ε) от содержания летучих в угле показывает (b) ,что ε
уменьшается с увеличением содержания летучих в угле, т.е. с повышением реакционной
способности угля. Относительная электрическая мощность плазмотрона не превышает 2.5% от
тепловой мощности пылеугольной горелки.
ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ
В 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 670 т/ч, оснащенных различными типами пылеугольных горелок
(прямоточные, муфельные и вихревые) При испытаниях плазменной горелки сжигались все
типы энергетических углей (бурые, каменные, антрациты и их смеси) с содержанием летучих от
4 до 50%, зольностью от 15 до 48% и теплотой сгорания от 1600 до 6000 ккал/кг. Таким образом,
независимо от качества исходного угля из аэросмеси получается высоко -реакционное
двухкомпонентное топливо. Смешиваясь с вторичным воздухом в топке котла, оно интенсивно
воспламеняется и стабильно горит без использования дополнительного топлива (мазут или
природный газ), традиционно сжигаемого для растопки котлов из холодного состояния и
стабилизации горения факела низкосортного энергетического угля.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
+421 948502960 +420 725372109 p_fisenko@mail.ru
