DD282561A5

DD282561A5 - METHOD FOR EFFECTIVELY OPERATING A PLASMATRON

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}The invention relates to a method for the effective operation of a plasmatron and serves to keep the surface temperature of the cathode despite small volume and saving a Kuehlmittelkreislaufes below the melting temperature of the cathode material to prevent cathode burn-off. For this purpose, a coolant is added as the cathode liquid and brought into such intensive thermal contact with it that it vaporizes and is supplied as gas at the arc starting point past the arc chamber. The coolant is plasma gas and / or raw material for the plasma-chemical conversion, for example water. It is preferably passed along the cathode by well-conducting porous material. {Cathode; Temperature; Katodenabbrand; Coolant; Liquid; Evaporation; Plasma gas; Raw material; plasma-chemical transformation of matter; Water; Material}

Description

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

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.The invention relates to chemical technology and welding technology. It is applicable in all plasmatrons for the production of arc plasma or jet plasma, preferably with water vapor as plasma gas.

Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art

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.Plasmatrons various performance with an arc for the generation of water vapor plasma have especially in chemical transformations, such as gasification of fossil carbon carriers and total destruction of toxic waste products (WP F 23 G / 318832-4, WP F 23 G / 318833-2), importance. The cathode of such a Bogenplasrnatrons is subject by the direct action of the arc and strong radiation in all spectral regions through the bow column high thermal and chemical stresses that result in their complex interaction to a rapid burnup. Therefore, high melting point metals such as tungsten, zirconium, hafnium and thorium and their alloys are predestined to form the material for the point of origin of the arch column on the cathode. Usually, inserts of these metals are fitted in a water-cooled cathode holder (see, for example, US Patent No. 3,198,932). It is also known to increase the thermal stability of such an insert by coating its surface with oxides or carbides of these metals, because these compounds have in part higher melting points than the pure metals themselves.

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.The cause of unsatisfactory service life of most cathode types with different materials may also be that in operation at the cathode between the use of high melting point metal and the cathode holder, usually made of copper, intermetallic phases, z. As Zr ₂ Cu ₃ , form, which have relatively low melting points (Zr ₂ Cu to 1000 ⁰ C, Zr ₂ Cu ₃ to 895 ° C). This phenomenon is also not completely eliminated by introducing intermediate layers (eg aluminum foil between Haftniumeinsatz and copper cathode holder). Therefore, it has been proposed (DE-OS 3618600) to provide inserts of zirconium or hafnium by diffusion coating or case hardening to form carbides, nitrides, oxynitrides, bonding or suicides with a high temperature resistant intermediate layer. These have a temperature resistance between 2000 ⁰ C and 4000 ⁰ C.

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.Also known is a cathode of eil.em hollow, water-cooled base body made of tungsten, molybdenum or copper, on which a refractory coating of tungsten in a mixture with thorium oxide or cerium oxide was applied, preferably by plasma tips (DE-OS 3544657). Thus, the electron work function is reduced, the thermal capacity of the cathode increases and reaches a longer service life of the cathode.

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.These solutions attempt to reduce cathode burnup by increasing the heat resistance of the cathode tip. They make use partly of expensive materials and complicated methods for applying or producing them. The cause of the high burnup, the high temperature at the starting point of the arc, is thus not eliminated. Attempts have also been made to avoid a high temperature at the cathode by improving the heat dissipation from the cathode, in particular by means of water cooling. But even with increasing the thermal driving force for the heat dissipation within the cathode material, it is not nearly possible to dissipate the corresponding heat, because of the small dimensions of the cathode of Plasmatrons, especially those with small plasma jet power, which can be used for heat transfer to the coolant cross sections even at extremely large alpha values are far too low. Furthermore, provided with an axial Bohru ng cathode inserts are known with which a portion of the cooling water of the indirectly running Katodenkühlung is sprayed in <1en arc chamber. The goal is to cool the tip of the cathode near the point of arching. However, the effectiveness of such a design is low, as tests have shown, because the heat transfer surfaces are also small. However, the stability of the bow column is impaired by an injected water jet.

Ziel der ErfindungObject of the invention

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.The aim of the invention is to extend the service life of Piasmatronkatoden and thus longer exchange cycles, improving the efficiency of the plasmatron and saving on hassle for cooling. This should save expensive materials and improve the productivity of the plant by increasing the availability.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

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.The object of the invention is to keep the surface temperature of the cathode despite small volume and saving a coolant circuit below the melting temperature or below the reaction temperature with an active medium.

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.The object is achieved in that plasma gas or at least one involved in the plasma-chemical conversion as raw material gas or both supplied as a liquid of the cathode and is brought in such close thermal contact with this that it is vaporized by the waste heat and superheated and gaseous close to Arc is fed past the arc chamber. The intensive thermal contact of the gas supplied with the cathode as the cooling liquid is realized, preferably in the region of the cathode close to the arc starting point, according to the invention by introducing the cooling liquid into a thermally and electrically highly conductive porous, sponge-like and / or channel-permeated material , This is conveniently located at the cathode, in the cathode or near the cathode. In it, the still liquid coolant is heated and evaporated. Subsequently, this vapor is supplied to the arc zone for plasma formation and / or for the chemical reaction. The use of the method according to the invention is particularly advantageous in processes in which water vapor is used as plasma gas or as raw material in the plasma-chemical conversion. The operation of the method according to the invention is based once on the fact that, despite extremely cramped space conditions, a heat transfer surface in the cathode area is utilized, which is 5 to 20 times the usual cylindrical cooling surfaces of the cathode tips. The most obvious occurs in ¹ , in small plasmatrons with a cathode in the form of a tip. On the other hand, higher heat transfer coefficients can also be achieved in connection with processes of the gas evaporation than with a cooling water flow. Due to the evaporation of the coolant in porous material above, large heat flows can be dissipated over relatively small areas. At the same time, this waste heat is fully utilized as useful energy for heating the plasma gas or a raw material.

Ausführungsbeispieleembodiments

example 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.In a Wasserampfampfplasmatron for gasification of coal with a power of the plasma jet of 25OkW, the cathode is charged by the arc with a power of 2OkW. The dimensions of the cathode tip, which consists of tungsten with 4% thorium oxide, have a diameter of 15 mm and an axial length of 20 mm. If this cathode tip is inserted directly into the cathode holder, which consists of copper, and is in contact with the flow of cooling water, an effective heat transfer surface of the cathode tip to the cooling water of 1 × 10 ^-3 m ² is available. Both achievable heat transfer coefficients and temperature differences between cathode tip and cooling water can be dissipated by this area only a fraction of the dissipated heat flow (about 1OkW).

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.In the stationary state with respect to the heat transfer then the surface temperature is in the range of the melting temperature of the cathode tip, wherein the heat dissipated leads to melting and evaporation of the cathode material.

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.By annular cladding of the cathode tip with a porous sintered metal having an outer diameter of 25mm, which dives within the Katodenhalters in the cooling water flow of the cathode and is penetrated by this, there is a derivation des'die Katodenspitze loading heat flow into the thermally highly conductive sintered metal. The pores of which are interconnected by channels, have an inner surface area of 2 · 10 ^-2 m ^2. This surface is ensured that a maximum heat flow from 5OkW can be dissipated, the temperature of the WolframkatodenspiUe is below 800 ⁰ C, far below the melting temperature of tungsten.

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.With the power dissipated in the sintered metal, about 25 kg / h of cooling water are vaporized in the pores, which escape from the sintered metal into the arc chamber of the plasmatron and are used as plasma gas.

Example 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.In a 10 MW plasmatron for the production of acetylene, ethylene and hydrogen from liquid hydrocarbons, a hollow cathode (inside diameter 200 mm, length 300 mm) made of tungsten is used.

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.By this cathode are 40OkW heat dissipate. In the central cavity of the cathode is a cylindrical insert made of sintered metal, in whose inner pores a surface 30 times larger than the lateral surface of the central axial cavity is realized in the cathode. Through this cavity and thus through the pores of the sintered metal, a gasoline fraction is pressed, which is the starting material for the synthesis of acetylene, ethylene and hydrogen. The gasoline fraction is evaporated in an amount of 1 t / h in the sintered metal of the cathode. The realized inner surface of about 6m ² is sufficient to safely dissipate the above-mentioned heat flow, whereby still high temperature differences between the hollow cathode and the sintered metal are realized, which are in the range of a few hundred Kelvin. The tip of the cathode on which the arc burns, is thus maintained at temperatures below 800 ° C, with the result that hardly any burnup occurs at the cathode.

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 wirdIt is advantageous that the raw material required for the pyrolysis gasoline passes directly from the cathode in the arc zone and is used there for the chemical reaction in the arc

Vorteile der erfindungsgemäßgen Lösung sind: Advantages of the solution according to the invention are:

- Verlängerung der Katodenstandzeit auf das 5fache,- extension of the cathode lifetime to 5 times,

- Einsparung teurer Materialien hoher Wärmebeständigkeit,- saving expensive materials of high heat resistance,

- Einsparung von Energie zur externen Plasmaerzeugung oder Verdampfung von Rohstoffen,- saving energy for external plasma generation or evaporation of raw materials,

- Einsparung apparativer Aufwendungen zur Plasmagaserzeugung oder Verdampfung von Rohstoffen,- Saving equipment expenses for plasma gas production or evaporation of raw materials,

- Einfache Fertigung und konstruktive Gestaltung der Katoden,Simple production and structural design of the cathodes,

- Einsparung eines Kühlmittelkreislaufes und von Kühlmittel hoher Qualität sowie Einrichtungen zur Kühlung des aufgeheizten Kühlmittels.- Saving a coolant circuit and coolant of high quality and facilities for cooling the heated coolant.

Claims

claims:

1. A method for the effective operation of a plasmatron, characterized in that plasma gas or at least one raw material for the plasma chemical conversion or both supplied as a liquid of the cathode and brought in such close thermal contact with this that the plasma gas and / or the raw material through the Waste heat of the cathode evaporated, superheated and gaseous close to the arc starting point is supplied to the arc chamber.

2. The method according to claim 1, characterized in that the liquid is introduced into a thermally and electrically highly conductive porous, sponge-like and / or permeable by channels permeable material on, in or near the cathode tip.

3. The method according to claim 1, characterized in that water vapor is used as Plasrnagas and / or as raw material for the plasma-chemical conversion.

4. The method according to claim 4, characterized in that nitrogen or carbon dioxide is used as plasma gas and / or as raw material for the plasma-chemical conversion.