DD282561A5

DD282561A5 - Verfahren zum effektiven betreiben eines plasmatrons

Info

Publication number: DD282561A5
Application number: DD32786689A
Authority: DD
Inventors: Hans-Ulrich Dummersdorf; Dietrich Hebecker
Original assignee: Leipzig Chemieanlagen
Priority date: 1989-04-24
Filing date: 1989-04-24
Publication date: 1990-09-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum effektiven Betreiben eines Plasmatrons und dient dazu, die Oberflaechentemperatur der Katode trotz kleinen Volumens und bei Einsparung eines Kuehlmittelkreislaufes unterhalb der Schmelztemperatur des Katodenmaterials zu halten, um Katodenabbrand zu verhindern. Zu dem Zweck wird ein Kuehlmittel als Fluessigkeit der Katode zugefuehrt und in so intensiven thermischen Kontakt mit dieser gebracht, dasz es verdampft und als Gas am Lichtbogenansatzpunkt vorbei dem Lichtbogenraum zugefuehrt wird. Das Kuehlmittel ist Plasmagas und/oder Rohstoff fuer die plasmachemische Umwandlung, beispielsweise Wasser. Es wird vorzugsweise durch gut leitendes poroeses Material an der Katode entlanggefuehrt.{Katode; Temperatur; Katodenabbrand; Kuehlmittel; Fluessigkeit; Verdampfung; Plasmagas; Rohstoff; plasmachemische Stoffumwandlung; Wasser; Material}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft die chemische Technologie und die Schweißtechnik. Sie ist anwendbar in allen Plasmatrons zur Erzeugung von Bogenplasma oder Strahlplasma, vorzugsweise mit Wasserdampf als Plasmagas.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Plasmatrons verschiedener Leistungsgrößen mit einem Lichtbogen zur Erzeugung von Wasserdampfplasma besitzen besonders bei chemischen Stoffumwandlungen, wie Vergasung fossiler Kohlenstoffträger und Totalvernichtung toxischer Abprodukte (WP F 23 G/318832-4, WP F 23 G/318833-2), Bedeutung. Die Katode eines solchen Bogenplasrnatrons ist durch die direkte Einwirkung des Bogens und starke Strahlung in allen Spektralbereichen durch die Bogensäule hohen thermischen und chemischen Belastungen unterworfen, die in ihrem komplexen Zusammenwirken zu einem schnellen Abbrand führen. Deshalb sind Metalle mit hohem Schmelzpunkt, wie Wolfram, Zirkon, Hafnium und Thorium und ihre Legierungen besonders prädestiniert, das Material für den Ansatzpunkt der Bogensäule auf der Katode zu bilden. Meist werden Einsätze aus diesen Metallen in einen wassergekühlten Katodenhalter eingepaßt (ζ. B. US-PS 3198932). Es ist auch bekannt, die thermische Stabilität eines solchen Einsatzes durch Beschichtung seiner Oberfläche mit Oxiden oder Karbiden dieser Metalle zu erhöhen, denn diese Verbindungen weisen zum Teil höhere Schmelzpunkte auf als die reinen Metalle selbst.

Die Ursache für eine unbefriedigende Standzeit der meisten Katodenbauformen mit unterschiedlichen Materialien kann auch darin bestehen, daß sich im Betrieb an der Katode zwischen dem Einsatz aus Metall mit hohem Schmelzpunkt und dem Katodenhalter, meist aus Kupfer, intermetallische Phasen, z. B. Zr₂Cu₃, bilden, die vergleichsweise niedrige Schmelzpunkte besitzen (Zr₂Cu bis 1000⁰C, Zr₂Cu₃ bis 895°C). Diese Erscheinung wird auch durch Einbringen von Zwischenschichten (z. B. Aluminiumfolie zwischen Haftniumeinsatz und kupfernem Katodenhalter) nicht vollständig beseitigt. Deshalb wurde vorgeschlagen (DE-OS 3618600), Einsätze aus Zirkon oder Hafnium durch Diffusionsummantelung oder Einsatzhärten unter Bildung von Karbiden, Nitriden, Oxinitriden, Bonden oder Suiziden mit einer hochtemperaturbeständigen Zwischenschicht zu versehen. Diese besitzen eine Temperaturbeständigkeit zwischen 2000⁰C und 4000⁰C.

Bekannt ist auch eine Katode aus eil.em hohlen, wassergekühlten Grundkörper aus Wolfram, Molybdän oder Kupfer, auf welchen eine hochschmelzende Beschichtung aus Wolfram im Gemisch mit Thoriumoxid oder Ceroxid aufgebracht wurde, vorzugsweise durch Plasmaspitzen (DE-OS 3544657). Damit wird die Elektronenaustrittsarbeit verringert, die thermische Belastbarkeit der Katode erhöht und eine höhere Standzeit der Katode erreicht.

AfIe diese Lösungen versuchen, den Katodenabbrand durch Erhöhung der Wärmebeständigkeit der Katodenspitze zu verringern. Sie bedienen sich dabei teils teurer Materialien und komplizierter Methoden zu deren Aufbringen oder Herstellen. Die Ursache des hohen Abbrandes, die hohe Temperatur am Ansatzpunkt des Lichtbogens, wird damit nicht beseitigt. Es wurde auch versucht, eine hohe Temperatur an der Katode durch Verbesserung der Wärmeabfuhr von der Katode, insbesondere mittels Wasserkühlung, zu vermeiden. Aber auch bei Erhöhung der thermischen Triebkraft für die Wärmeabfuhr innerhalb des Katodenmaterials ist es nicht annähernd möglich, die entsprechende Wärme abzuführen, weil bei den geringen Abmessungen der Katoden von Plasmatrons, insbesondere solcher mit kleiner Plasmastrahlleistung, die zur Wärmeübertragung an das Kühlmittel nutzbaren Querschnitte selbst bei extrem großen alpha-Werten viel zu gering sind. Des weiteren sind mit einer axialen Bohru ng versehene Katodeneinsätze bekannt, mit denen ein Teil des Kühlwassers der indirekt ausgeführten Katodenkühlung in <1en Bogenraum gespritzt wird. Das 'Ziel besteht dabei darin, die Katodenspitze in der Nähe des Bogenansatzpunktes zu kühlen. ·Μβ Wirksamkeit einer solchen Ausführung ist aber gering, wie Versuche zeigten, weil die Wärmeübergangsflächen ebenfalls zi: klein sind. Dafür wird aber durch ein eingespritzten Wasserstrahl die Stabilität der Bogensäule beeinträchtigt.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung sind Verlängerung der Standzeit von Piasmatronkatoden und damit längere Austauschzyklen, Verbesserung des Wirkungsgrades des Plasmatrons und Einsparung an Aufwand für die Kühlung. Dabei sollen teure Werkstoffe eingespart und die Produktivität der Anlage durch Erhöhung der Verfügbarkeit verbessert werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Oberflächentemperatur der Katode trotz kleinen Volumens und bei Einsparung eines Kühlmittelkreislaufes unterhalb der Schmelztemperatur bzw. unterhalb der Reaktionstemperatur mit einem aktiven Medium zu halten.

Gelöst wird die Aufgabe dadurch, daß Plasmagas oder wenigstens ein an der plasmachemischen Umwandlung als Rohstoff beteiligtes Gas oder beides als Flüssigkeit der Katode zugeführt und in so intensiven thermischen Kontakt mit dieser gebracht wird, daß es durch deren Abwärme verdampft und überhitzt wird und gasförmig dicht am Lichtbogen vorbei dem Lichtbogenraum zugeführt wird. Der intensive thermische Kontakt dos als Kühlflüssigkeit zugeführten Gases mit der Katode wird, vorzugsweise in dem dem Lichtbogenansatzpunkt nahen Bereich der Katode, erfindungsgemäß dadurch realisiert, daß die Kühlflüssigkeit in ein thermisch und elektrisch gut leitendes poröses, schwammartiges und/oder von Kanälen durchzogenes Material eingeführt wird. Dieses befindet sich zweckmäßigerweise an der Katode, in der Katode oder in Katodennähe. In ihm wird das noch flüssige Kühlmittel erwärmt und verdampft. Anschließend wird dieser Dampf der Lichtbogenzone zur Plasmabildung und/oder zur chemischen Reaktion zugeführt. Besonders vorteilhaft !st die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei Prozessen, in denen Wasserdampf als Plasmagas oder als Rohstoff bei der plasmachemischen Umwandlung eingesetzt wird. Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens beruht einmal darauf, daß trotz außerordentlich beengter Platzverhältnisse eine Wärmeübergangsfläche im Katodenbereich ausgenutzt wird, die das 5- bis 20fache der üblichen zylindrischen Kühlflächen der Katodenspitzen beträgt. Am deutlichsten tritt die¹, bei kleinen Plasmatrons mit einer Katode in Form einer Spitze auf. Zum anderen können in Verbindung mit Prozessen der' lasenverdampfung auch höhere Wärmeübergangskoeffizienten erreicht werden als bei einer Kükwasserströmung. Durch die Verdampfung des Kühlmittels in porösem o.a. Material können große Wärmeströme über verhältnismäßig kleine Flächen abgeführt werden. Zugleich wird diese Abwärme vollständig als Nutzenergie zum Aufheizen des Plasmagases oder eines Rohstoffes genutzt.

Ausführungsbeispiele

Beispiel 1

In einem Wasserdampfplasmatron zur Vergasung von Kohle mit einer Leistung des Plasmastrahls von 25OkW wird die Katode vom Lichtbogen mit einer Leistung von 2OkW belastet. Die Abmaße der Katodenspitze, die aus Wolfram mit 4% Thoriumoxid besteht, weisen »inen Durchmesser von 15mm und eine axiale Länge von 20mm auf. Ist diese Katodenspitze direkt in den Katodenhalter, der aus Kupfer besteht, eingesetzt und steht sie in Kontakt mit der Kühlwasserströmung, so steht eine effektive Wärrr.eübertragungsfläche der Katodenspitze zum Kühlwasser von 1 · 10~³m² zur Verfügung. Beiden erreichbaren Wärmeübergangskoeffizienten und Temperaturdifferenzen zwischen Katodenspitze und Kühlwasser kann durch diese Fläche nur ein Bruchteil des abzuführenden Wärmestromes (etwa 1OkW) abgeführt werden.

Im stationären Zustand bezüglich der Wärmeübertragung liegt dann die Oberflächentemperatur im Bereich der Schmelztemperatur der Katodenspitze, wobei die nicht abgeführte Wärme zum Aufschmelzen und Verdampfen des Katodenmaterials führt.

Durch ringförmige Ummantelung der Katodenspitze mit einem porösen Sintermetall mit einen Außendurchmesser von 25mm, welches innerhalb des Katodenhalters in den Kühlwasserstrom der Katode taucht und von diesem durchsetzt wird, kommt es zu einer Ableitung des'die Katodenspitze belastenden Wärmestromes in das thermisch gut leitfähige Sintermetall. Dessen Poren, die durch Kanäle miteinander verbunden sind, besitzen eine innere Oberfläche von 2 · 10~²m². Über diese Oberfläche wird gewährleistet, daß ein maximaler Wärmestrom von 5OkW abgeführt werden kann, wobei die Temperatur der WolframkatodenspiUe unterhalb von 800⁰C, also weit unterhalb der Schmelztemperatur des Wolframs liegt.

Mit der im Sintermetall abgeführten Leistung werden etwa 25kg/h Kühlwasser in den Poren verdampft, die aus dem Sintermetall in den Bogenraum des Plasmatrons austreten und als Plasmagas Verwendung finden.

Beispiel 2

In einem 10-MW-Plasmatron zur Herstellung von Azetylen, Äthylen und Wasserstoff aus flüssigen Kohlenwasserstoffen wird eine hohle Katode (Innendurchmesser 200 mm, Länge 300 mm), aus Wolfram eingesetzt.

Durch diese Katode sind 40OkW Wärmeleistung abzuführen. In dem zentralen Hohlraum der Katode befindet sich ein zylindrischer Einsatz aus Sintermetall, in dessen inneren Poren eine 30fach größere Oberfläche als die Mantelfläche des zentralaxialen Hohlraumes in der Katode realisiert wird. Durch diesen Hohlraum und damit durch die Poren des Sintermetalls wird eine Benzinfraktion gepreßt, die den Ausgangsstoff für die Synthese von Azetylen, Äthylen und Wasserstoff darstellt. Die Benzinfraktion wird in einer Menge von 1 t/h im Sintermetall der Katode verdampft. Die realisierte innere Oberfläche von etwa 6m² ist ausreichend, den o.g. Wärmestrom sicher abzuführen, wobei immer noch hohe Temperaturdifferenzen zwischen der Hohlkatode und dem Sintermetall realisiert werden, die im Bereich einiger hundert Kelvin liegen. Die Spitze der Katode, auf welcher der Lichtbogen brennt, wird somit auf Temperaturen unterhalb von 800°C gehalten, was dazu führt, daß kaum ein Abbrand an der Katode auftritt.

Vorteilhaft ist es, daß der für die Pyrolyse benötigte Rohstoff Benzin dampfförmig direkt aus der Katode in die Bogenzone gelangt und dort für die chemische Reaktion im Bogen eingesetzt wird

Vorteile der erfindungsgemäßgen Lösung sind:

- Verlängerung der Katodenstandzeit auf das 5fache,

- Einsparung teurer Materialien hoher Wärmebeständigkeit,

- Einsparung von Energie zur externen Plasmaerzeugung oder Verdampfung von Rohstoffen,

- Einsparung apparativer Aufwendungen zur Plasmagaserzeugung oder Verdampfung von Rohstoffen,

- Einfache Fertigung und konstruktive Gestaltung der Katoden,

- Einsparung eines Kühlmittelkreislaufes und von Kühlmittel hoher Qualität sowie Einrichtungen zur Kühlung des aufgeheizten Kühlmittels.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum effektiven Betreiben eines Plasmatrons, dadurch gekennzeichnet, daß Plasmagas oder mindestens ein Rohstoff für die plasmachemische Umwandlung oder beides als Flüssigkeit der Katode zugeführt und in so intensiven thermischen Kontakt mit dieser gebracht wird, daß das Plasmagas und/oder der Rohstoff durch die Abwärme der Katode verdampft, überhitzt und gasförmig dicht am Lichtbogenansatzpunkt vorbei dem Lichtbogenraum zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit in ein thermisch und elektrisch gut leitendes poröses, schwammartiges und/oder von Kanälen durchzogenes durchlässiges Material an, in oder nahe der Katodenspitze eingeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Wasserdampf als Plasrnagas und/oder als Rohstoff für die plasmachemische Umwandlung eingesetzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Stickstoff oder Kohlendioxid als Plasmagas und/oder als Rohstoff für die plasmachemische Umwandlung eingesetzt wird.