DD299614A7

DD299614A7 - METHOD FOR STABLE OPERATION OF WATER STEAM PLASMATRONS

Info

Publication number: DD299614A7
Application number: DD33814690A
Authority: DD
Inventors: Hans-Ulrich Dummersdorf; Dietrich Hebecker
Original assignee: Maschinenfabrik Seydelmann Kg,De; Technische Hochschule "Carl Schorlemmer" Leuna-Merseburg,De
Priority date: 1990-02-26
Filing date: 1990-02-26
Publication date: 1992-04-30

Abstract

Das Verfahren zum stabilen Betrieb von Wasserdampfplasmatrons soll die fuer Wasserdampfplasmen typischen Fluktuationen im Betrieb und die erhoehte Elektrodenerosion vermeiden. Erfindungsgemaesz wird das erreicht durch die Beimischung von bis zu 50% eines Gases mit einer Kondensationstemperatur unter 50C zum Wasserdampf. Das verhindert durch Senkung des Wasserdampfpartialdruckes die Kondensation von Wasserdampf an stark gekuehlten Stellen, die unter Einwirkung des Lichtbogens zum explosionsartigen Verdampfen des Kondensats fuehrt, was den Plasmastrahl stoert oder unterbricht und Material aus der Elektrodenoberflaeche reiszt. Die Erfindung bewirkt nicht nur einen stabilen Betrieb und lange Elektrodenstandzeiten, sondern verbessert auch den Wirkungsgrad des Plasmatrons und die Ausbeute des plasmachemischen Verfahrens.{Plasma; Betriebsweise; Wasserdampf; Fluktuation; Erosion; Elektroden; Kuehlung; Kondensation; Verdampfung; Inertgas; Kondensationstemperatur; Wasserdampfpartialdruck; Wirkungsgrad; Ausbeute}The method of stable operation of steam plasma cartridges is intended to avoid the fluctuations in operation typical of water vapor plasmas and the increased electrode erosion. According to the invention, this is achieved by admixing up to 50% of a gas having a condensation temperature below 50 ° C. to the water vapor. This prevents by lowering the water vapor partial pressure, the condensation of water vapor at strongly cooled points, which leads under the action of the arc to the explosive evaporation of the condensate, which interferes with the plasma jet or interrupts and reels material from the Elektrodenoberflaeche. Not only does the invention provide stable operation and long electrode life, but it also improves the efficiency of the plasmatron and the yield of the plasma-chemical process. Operation; Steam; Fluctuation; Erosion; electrodes; Cooling; Condensation; Evaporation; inert gas; Condensation temperature; water vapor; efficiency; Yield}

Description

Field of application of the invention

Die Erfindung ist anwendbar bei allen für die chemische Stoffwandlung eingesetzten Plasmatrons mit Wasserdampf als Plasmagas.The invention is applicable to all plasmatrons used for chemical conversion with water vapor as the plasma gas.

Characteristic of the known state of the art

Plasmatrons für die chemische Stoffwandlung werden überwiegend mit einem gegenüber den Piasmatronmaterialien chemisch inerten Gas als Plasmagas betrieben. Beispielsweise arbeiten plasmapyrolytische Verfahren mit Wasserstoff als Plasmagas. Seit kurzem wird für verschiedene chemische Stoffwandlungen und in verschiedenen Leistungsgrößen Wasserdampf als Plasmagas eingesetzt, z. B. bei der Kohlevergasung (DD-PS 215325, DE-OS 3330750 und DE-OS 3605715). Es wurde auch ein Verfahren zur Totalvernichtung toxischer Abprodukte, insbesondere solcher, die chlorierte oder fluorierte Kohlenwasserstoffe enthalten, mittels eines Wasserdampfplasmastrahls vorgeschlagen (DD-PA F 23 G/318833.2). Bei diesem Verfahren laufen chemische Prozesse ab, die zum einen durch die Wasserstoffionen und zum anderen durch die Sauerstoffionen des Wasserdampfplasmas bewirkt werden. Wasserdampfplasmen haben den Vorteil, bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen, um 3000K, eine hohe Konzentration an chemisch reaktiven hochangeregten Sauerstoff- und Wasserstoffspezies zu besitzen und dadurch für eine Reihe von Stoffwandlungsprozessen besonders geeignet zu sein. Bei allen Plasmatrons ist die thermische Belastung hoch, so daß sich infolge thermischer und chemischer Erosion Standzeiten ergeben, die einen kontinuierlichen Betrieb eines Plasmatrons unmöglich machen, wenn keine intensive Kühlung erfolgt, wobei als Kühlmittel üblicherweise Wasser von etwa 2O⁰C verwendet wird. Das betrifft in erster Linie die Elektroden, aber auch die Gaskammer, das Piasmatrongehäuse, die Anschlußstutzen und, je nach konstruktiver Auführung, weitere Bauteile.Plasmatrons for the chemical conversion are mainly operated with a gas compared to the Piasmatron chemically inert gas as a plasma gas. For example, plasmapyrolytic processes use hydrogen as the plasma gas. Recently, water vapor is used as a plasma gas for various chemical transformations and in different performance sizes, z. B. in coal gasification (DD-PS 215325, DE-OS 3330750 and DE-OS 3605715). A process has also been proposed for the total destruction of toxic by-products, in particular those containing chlorinated or fluorinated hydrocarbons, by means of a water vapor plasma jet (DD-PA F 23 G / 318833.2). In this process, chemical processes take place, which are caused on the one hand by the hydrogen ions and on the other hand by the oxygen ions of the water vapor plasma. Water vapor plasmas have the advantage of having a high concentration of chemically reactive highly excited oxygen and hydrogen species at relatively low temperatures, around 3000 K, and thereby being particularly suitable for a number of material conversion processes. In all Plasmatrons the thermal stress is high, so that due to thermal and chemical erosion life results that make continuous operation of a Plasmatrons impossible if no intensive cooling takes place, being usually used as the coolant water of about 2O ⁰ C. This concerns primarily the electrodes, but also the gas chamber, the Piasmatron housing, the connecting pieces and, depending on the constructive Aufführung, other components.

Bei Plasmatrons mit Wasserdampf als Plasmagas ist, im Gegensatz zu anderen Plasmagasen, die Erosion an den Teilen, die mit dem Lichtbogen in Kontakt stehen, also an Katode und Anode, ganz besonders hoch. Der hohe Verlust an Elektrodenmasse führt zu niedrigen Standzeiten der Elektroden, so daß infolge des häufig notwendigen Elektrodenwechsels ein kontinuierlicher Betrieb nicht möglich ist. Hinzu kommt als für Wasserdampfplasmatrons spezifische Erscheinung, daß in schneller Folge schlagartige Störungen in der Betriebsweise des Plasmatrons auftreten. Diese äußern sich in Schwankungen oder Unterbrechungen des Dampfdurchsatzes, Änderung der Lichtbogenlänge, stark fluktuierender Bogenspannung und -Stromstärke und damit in stark schwankender Plasmaenthalpie. Dies führt im Plasmareaktor zu Schwankungen in der chemischen Umsetzung, d.h. zu Beeinträchtigungen der Produktqualität und des Wirkungsgrades.In Plasmatrons with water vapor as plasma gas, in contrast to other plasma gases, the erosion at the parts, which are in contact with the arc, thus at cathode and anode, is particularly high. The high loss of electrode material leads to low service life of the electrodes, so that a continuous operation is not possible due to the often necessary electrode change. In addition, as specific for Wasserplampfplasmatrons phenomenon that occur in rapid succession abrupt disturbances in the operation of the plasmatron. These manifest themselves in fluctuations or interruptions of the steam throughput, change in the arc length, strongly fluctuating arc voltage and current and thus in strongly fluctuating plasma enthalpy. This leads to fluctuations in the chemical reaction in the plasma reactor, i. impairment of product quality and efficiency.

Es hat sich gezeigt, daß der zur Senkung der Erosion übliche Weg -Verstärkung der Kühlung - bei Plasmatrons mit Wasserdampf als Plasmagas ohne positive Wirkung bleibt.It has been found that the usual way to reduce erosion -invitation of cooling - remains at Plasmatrons with water vapor as a plasma gas without positive effect.

Object of the invention

Ziel der Erfindung sind die Verlängerung der Standzeit der thermisch hoch beanspruchten Teile des Plasmatrons und sein stabiler fluktuationsfreier Betrieb ohne wesentlich höheren Aufwand.The aim of the invention are the extension of the service life of the thermally highly stressed parts of the plasmatron and its stable fluctuation-free operation without much higher cost.

Explanation of the essence of the invention The object of the invention is to eliminate the causes of water vapor plasmas in comparison to others Gas plasmas significantly higher erosion of the electrodes and for the fluctuations in operation at the same thermal Process conditions and intensive cooling of all highly thermally stressed parts, in particular the electrodes. The solution of the problem is to lower the condensation temperature due to the use of a gas mixture as Plasma gas, consisting of at least 50% water vapor and a gas with a condensation temperature below 50 ⁰ C at

einem Druck von 0,1 MPa.a pressure of 0.1 MPa.

A particularly effective solution is a combination of limiting cooling by using Hot water as a coolant and at the same time lowering the condensation temperature of the plasma gas by admixing a Gas with a lower condensation temperature than that of water vapor, the cooling water inlet temperature so

eingestellt wird, daß die Oberflächentemperatur von Katode und Anode mindestens nahe der dem nunmehrigenis adjusted so that the surface temperature of the cathode and anode at least close to the now

Water vapor partial pressure corresponding condensation temperature of the plasma gas mixture.

Zum Verständnis der Wirkungsweise der Erfindung mußte erst die Erkenntnis gewonnen werden, daß die für Wasserdampfplasma typische stark erhöhte Erosion der Elektroden durch eine teilweise Kondensation von Wasserdamfan stark gekühlten Teilen und eine folgende explosionsartige Verdampfung der bei der Kondensation gebildeten Tröpfchen unter Einwirkung des Lichtbogens hervorgerufen wird. Dabei werden durch mechanisches Herausreißen von Material und chemischphysikalische Wechselwirkung der flüssigen Phase mit der Wandung unter initiierender Einwirkung des Lichtbogens infolge der explosionsartigen Verdampfung kraterartige Vertiefungen in der Oberfläche der Elektroden gebildet, die bevorzugte Angriffspunkte für die weitere Erosion darstellen.To understand the mode of operation of the invention, it was first necessary to ascertain that the strongly increased erosion of the electrodes typical of water vapor plasma is caused by a partial condensation of water-vapor-cooled parts and a subsequent explosion-like evaporation of the droplets formed during the condensation under the influence of the arc. In this case, by mechanical tearing of material and chemical-chemical interaction of the liquid phase with the wall under initiating action of the arc due to the explosive evaporation crater-like depressions formed in the surface of the electrodes, which are preferred targets for further erosion.

Weiterhin wird infolge der schlagartigen Verdampfung der kontinuierliche Dampfdurchsatz stark gestört oder kurzzeitig unterbrochen, wodurch es zu den genannten Fluktuationen und Betriebsstörungen des Plasmatrons kommt. Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird die Kondensation des Wasserdampfes verhindert und damit die Voraussetzung der für Wasserdampfplasma spezifischen erhöhten Erosion der Elektroden und die Fluktuationen der Piasmatronparameter beseitigt, ohne den üblichen Weg (Verstärkung der Kühlung) zu gehen.Furthermore, as a result of the sudden evaporation, the continuous vapor flow rate is greatly disturbed or temporarily interrupted, which leads to the said fluctuations and malfunctions of the plasmatron. With the solution according to the invention, the condensation of water vapor is prevented and thus eliminates the requirement of the specific for water vapor plasma increased erosion of the electrodes and the fluctuations of Piasmatronparameter, without going the usual way (strengthening the cooling).

embodiment

Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Eine Plasmaanlage zur Vernichtung toxischer Abprodukte besteht aus zehn Plasmatrons von je 3OkW Leistung mit den entsprechenden Reaktoren und den notwendigen Zusatzaggregaten. Sie wird mit 25 kg/h vorgelegtem Dampf mit einer Temperatur von 300°C bei 0,1 MPa als Plasmagas betrieben. Trotz intensiver Kühlung der Elektroden treten ohne Anwendung der Erfindung erhebliche Schwankungen der Betriebs- und Qualitätsparameter im Plasmatron auf.The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment. A plasma system for the destruction of toxic waste products consists of ten plasmatrons of 3OkW power each with the appropriate reactors and the necessary additional aggregates. It is operated with 25 kg / h of initial charge steam at a temperature of 300 ° C at 0.1 MPa as a plasma gas. Despite intensive cooling of the electrodes occur without application of the invention, significant fluctuations in the operating and quality parameters in Plasmatron.

Erfindungsgemäß werden nun 62,5 mVh Luft nach der Verdampferstufe in den Plasmadampf eingemischt. Es kommt zu einer Kondensation, durch die der Wärmeübergangskoeffizient auf etwa 15 % seines Wertes bei Sattdampfkondensation reduziert wird. Das führt zu einer gleichwertigen Reduzierung der Kondensatmenge auf den Elektroden. Die Kondensationstemperatur der Plasmagaspartialkomponente des Wasserdampfes liegt bei etwa 8O⁰C, was bei einer Kühlwassertemperatur von 20"C gegenüber der Sattdampfkondensation zusätzlich die thermische Triebkraft um 25% reduziert. Dadurch wird die im Plasmatron auftretende Kondensatmenge von 15% auf etwa 11 % gegenüber den ursprünglichen Verhältnissen reduziert. Das führt bereits zu einer wesentlichen Stabilisierung des Piasmatronbetriebes und Verringerung des erosiven Elektrodenabtrages durch explosionsartiges Verdampfen des kondensierten Plasmadampfes.According to the invention, 62.5 mVh of air are now mixed into the plasma vapor after the evaporator stage. It comes to a condensation, by which the heat transfer coefficient is reduced to about 15% of its value in saturated steam condensation. This leads to an equivalent reduction of the amount of condensate on the electrodes. The condensation temperature of the Plasmagaspartialkomponente of the water vapor is about 8O ⁰ C, in addition, the thermal driving force reduced by 25% at a cooling water temperature of 20 "C over the saturated steam condensation. This is occurring in the plasmatron condensate amount of from 15% to about 11% compared to the original This already leads to a substantial stabilization of the piasmatron operation and reduction of the erosive electrode removal by explosive evaporation of the condensed plasma vapor.

Eine andere Ausführungsform des Verfahrens ergibt sich, wenn statt Luft eine bezüglich des Sauerstoffgehaltes aufkonzentrierte Teilfraktion eines Sauerstoff-Stickstoff-Gemisches von 80:20 zwischen den Trennstufen einer Luftzerlegungsanlage entnommen wird und diese dem Plasmadampf vor dem Eintritt in das Plasmatron zugemischt wird.Another embodiment of the method results when, instead of air, a partial fraction of an oxygen-nitrogen mixture of 80:20 concentrated with respect to the oxygen content is taken between the separation stages of an air separation plant and this is admixed with the plasma vapor before it enters the plasmatron.

Eine weitere vorteilhafte Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dann erhalten, wenn ein luftgekühlter Plasmareaktor benutzt wird und ein Teilstrom der durch das Kühlen vorgewärmten Luft dem Plasmadampf zugemischt wird. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nicht nur eine wesentliche Erhöhung der Standzeit der Elektroden bewirkt, so daß Elektrodenmaterial eingespart und der Verfügungsgrad der Anlagen erhöht wird, sondern ein weiterer Vorteil ist auch die Erhöhung des Wirkungsgrades infolge des ungestörten fluktuationsarmen Betriebs und der Einsparung von Energie für Bereitstellung und Überhitzung von Dampf. Gleichzeitig wird die Produktqualität verbessert und die Ausbeute gesteigert. Für bestimmte Zwecke sind aber auch diese geringen Fluktuationen nicht vertretbar, beispielsweise bei der plasmachemischen Vernichtung toxischer Stoffe können dadurch geringe Mengen toxischer Schadstoffe austreten. Deshalb wird die erfindungsgemäße Senkung der Kondensationstemperatur und der Wärmeübergangskoeffizienten durch Zumischen eines weiteren Gases kombiniert mit einer Anhebung der Temperatur der Elektroden. Das wird erreicht durch Verwendung von Heißwasser mit einer Temperatur von 80°C als Kühlmittel. Bei einer Kühlwassergeschwindigkeit an der Anode von 50...70m/s und den daraus resultierenden Durchsätzen ergibt sich eine Kühlwasseraustrittstemperatur von 81 ...82X. Diese Kühlwassertemperaturen reduzieren die thermische Triebkraft zwischen Elektrodenoberflächentemperatur und ursprünglicher Kühlwassertemperatur unwesentlich. Ais Ergebnis tritt keine Kondensation von Plasmadampf mehr auf. Die Einschränkung in der chemischen Reaktivität des Plasmas durch den mit der Luft eingebrachten Stickstoff wird durch den Anteil plasmachemisch hochreaktiven Sauerstoffes ausgeglichen. Mit dieser Kombination lassen sich Durchbrüche toxischer Stoffe vollständig vermeiden. Dabei wird auch der Wirkungsgrad weiter verbessert, da die Kühlleistung reduziert wird.A further advantageous embodiment of the method according to the invention is obtained when an air-cooled plasma reactor is used and a partial flow of the preheated by the cooling air is added to the plasma vapor. The method according to the invention not only brings about a substantial increase in the service life of the electrodes, so that electrode material is saved and the degree of disposal of the systems is increased, but a further advantage is also the increase in efficiency owing to the undisturbed, low-fluctuation operation and the saving of energy for provision and overheating of steam. At the same time, the product quality is improved and the yield is increased. For certain purposes, however, even these small fluctuations are not justifiable, for example, in the plasma chemical destruction of toxic substances may thus escape small amounts of toxic pollutants. Therefore, the lowering of the condensation temperature and the heat transfer coefficient according to the present invention by mixing another gas is combined with raising the temperature of the electrodes. This is achieved by using hot water with a temperature of 80 ° C as the coolant. At a cooling water velocity at the anode of 50 ... 70m / s and the resulting flow rates, the cooling water outlet temperature is 81 ... 82X. These cooling water temperatures insignificantly reduce the thermal driving force between the electrode surface temperature and the original cooling water temperature. As a result, condensation of plasma vapor no longer occurs. The limitation in the chemical reactivity of the plasma by the nitrogen introduced with the air is compensated by the proportion of plasma-chemically highly reactive oxygen. With this combination, breakthroughs of toxic substances can be completely avoided. In this case, the efficiency is further improved because the cooling capacity is reduced.

Claims

claims:

1. A method for stable operation of Wasserdampfplasmatrons, characterized by lowering the condensation temperature of the plasma gas due to use of a gas mixture as plasma gas, consisting of at least 50% water vapor and a gas having a condensation temperature below 50 ⁰ C at a pressure of 0.1 MPa.

2. The method according to claim 1, characterized in that in addition to lowering the condensation temperature of the plasma gas is a limitation of the cooling by using hot water as a coolant.