PL228132B1 - Sposób plazmowej jonizacji surowców - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest sposób zderzeniowej plazmowej jonizacji surowca, w którym na powierzchnię plazmę surowiec kierowany jest wąskokanałowym strumieniem.

Description

Wynalazek dotyczy techniki plazmowej, a mianowicie sposobu jonizacji surowców w celu dalszego wykorzystania otrzymywanej w wyniku procesu energii cieplnej oraz elektrycznej, który realizowany jest poprzez zderzenie wąskiego, skierowanego strumienia pierwotnych reagentów z plazmą. Sposób może być wykorzystany w energetyce i hutnictwie, w budowie maszyn, branży cementowej, przemyśle chemicznym, w produkcji materiałów budowlanych oraz w innych branżach.

Znany jest sposób jonizacji wody na cele produkcji energii w wysokotemperaturowym środowisku. Cechą spalania substancji organicznych jest to, że w procesie ich utleniania zaangażowane są wyłącznie elektrony walencyjne zewnętrznych orbit atomów a elektrony wewnętrznych orbit atomów nie uczestniczą w tworzeniu związków chemicznych. Zatem energia podczas reakcji spalania nie jest wystarczająca dla oderwania elektronów z wewnętrznych orbit atomów. W efekcie tego, nawet stopień jonizacji płomienia organicznych paliw przy temperaturze 2000^oC-2500^oC nie jest wystarczający, ponieważ stopień wydzielania energii cieplnej metodami chemicznymi odbywa się na poziomie atomomolekularnym bez stymulacji jądra atomu. W stanie techniki znane są sposoby przeprowadzenia fizykochemicznych procesów, w szczególności przez wprowadzenie do potoku plazmy pierwotnych reagentów: Patent Federacji Rosyjskiej N^o 2170617, a także wynalazek wg EP 0415858 czy zgłoszenia US 2008138534.

Lecz łukowe generatory plazmowe charakteryzują się znacznym zużyciem energii i stosunkowo niskim poziomem zjonizowanego środowiska. Zatem powstaje potrzeba przeprowadzenia optymalizacji procesu jonizacji surowca podczas zderzenia ze strumieniem plazmy w celu uzyskania dodatkowej energii.

Taką optymalizację procesu może zapewnić w szczególności mieszanka mineralno-organiczna, która pozwala na osiągnięcie etapu topnienia z wydzieleniem elementów i odtworzeniem połączeń jonów, tj. gaz kationowy oraz dysocjowanych produktów spalania substancji organicznych wykorzystywanych do rozgrzania i topienia mieszanki mineralno-organicznej.

Najbardziej bliski proponowanemu rozwiązaniu pod względem całokształtu cech jest sposób przerobu dyspersyjnego surowca mineralnego poprzez jego jonizację przy zetknięciu z plazmą przedstawiony w patencie Federacji Rosyjskiej N^o 2291211. W tym sposobie jonizacja dyspersyjnego surowca wraz odnawialnym gazem odbywa się przy ich zderzeniu ze strumieniem plazmowym. Wskutek reakcji odnowienia otrzymuje się czysty element. Wadą tego sposobu jonizacji jest niska temperatura plazmy, która nie daje możliwość dogłębnej jonizacji surowca prowadzącej do oderwania się wewnętrznych elektronów z orbit.

Wynalazek rozwiązuje problem sposobu optymalnej jonizacji surowca w celu uzyskania energii dla późniejszego jej wykorzystania a także umożliwia zmniejszenie kosztów energii w reakcji palenia i przez to umożliwia otrzymanie dodatkowej energii cieplnej.

Istotą wynalazku jest sposób plazmowej jonizacji surowca w celu uzyskania energii, w którym surowiec w postaci przynajmniej jedynego wąskokanałowego strumienia wody, wodnej suspensji albo strumienia spalin pod ciśnieniem w granicach 10-50 kg/cm² ze średnicą formującego otworu w granicach 0,1-0,4 mm, kieruje się zderzeniowo na powierzchnię plazmy. Plazmę tworzy się za pomocą łuku elektrycznego z substancji zawierających rozdrobnione tlenki żelaza, przy czym w trakcie palenia do roztopionej plazmy można wprowadzić rozdrobnione słabo palne składniki: karbidy, krzemki, azotki, natomiast jako surowiec wykorzystuje się skierowany na powierzchnię strumień wody lub wodnej suspensji. Jako zważone cząstki wodnej suspensji można wykorzystać cykloniczny kurz produkcji górniczej, a rozbieżność strumienia jest w granicach 5°-8°.

Otrzymanie plazmy za pomocą łuku elektrycznego z tlenków żelaza z późniejszym dodaniem do otrzymanego stopu rozdrobnionych do 0,005-0,3 mm słabo palnych składników, np. azotków, tlenków metali, karbidów, krzemków z odtworzeniem w obszarze pomiędzy elektrodami plazmowego stopu tlenków daje możliwość podniesienia temperatury powyżej 3000°C oraz skierowanie w jeden punkt plazmy wąskokanałowego strumienia wody pod ciśnieniem 10-50 kg/cm² ze średnicą formującego otworu 0,1-0,4 mm, co umożliwia zwiększenie temperatury otrzymanej w ten sposób plazmy do 5000°C, co w dalszej kolejności stwarza możliwość szybkiego rozłożenia molekuł wody na składniki pierwotne.

Wprowadzenie do plazmy cząstek wodnej suspensji pod postacią cyklonicznego kurzu górniczego (skaleń, montmorylonit, itp.) dodatkowo pozwala zwiększyć temperaturę plazmy oraz wydajność procesu. Oprócz tego jako surowiec mogą być stosowane spaliny i dymne gazy ciepłownicze. Metoda zderzeniowej plazmowej jonizacji surowców charakteryzuje się tym, że oddziaływanie słabo palnych

PL 228 132 B1 składników dodawanych w obszarze między elektrodami wytwarza anty-plazmę co pozwala zwiększyć temperaturę w strefie jonizacji cząsteczek wody.

W przykładzie zastosowania sposób może być wykorzystywany technologicznie przez specjalnie przygotowany reaktor zderzeniowej plazmowej jonizacji surowców. Do szczelnie zamkniętego pokrywą reaktora doprowadza się łatwo palną substancję z tlenków żelaza. W środku substancji umieszcza się elektrody podłączone do źródła zmiennego napięcia przez obniżający napięcie transformator. Na powierzchnie substancji w obszarze stopu, tworzenia plazmy, są skierowane otwory wysokociśnieniowych strumieni, przez które podawany jest surowiec. Po załadowaniu zbiornika reaktora substancją i jego hermetycznym zamknięciu podaje się na elektrody prąd zmienny o natężeniu od 100 do 800 amper i napięciu od 10 do 35 wolt. W wyniku powstaje łuk elektryczny, który topi substancję, która zawiera FeO, Fe2O3, Fe3O4 a w obszarze topienia tworzy się substancja plazmowa. Regulując napięcie na elektrodach, podtrzymuje się temperaturę plazmy w granicach 3000°C. W celu zwiększenia temperatury topienia poprzez osobny otwór w pokrywce reaktora w obszar topienia można również podać słabo palne składniki (tlenki metali, karbidy, kremiki, azotki oraz sole alkalicznych i inne związki alkaliczne). Przy tym temperatura plazmy zwiększa się i utrzymuje się na poziomie 3200°C-3500°C. Następnie ze zbiornika surowca za pomocą wysokociśnieniowej pompy do uformowanych otworów podaje się wodę. Strumienie wody podane są na powierzchnie plazmy wąskimi kanałami przez otwory o średnicy 0,1 -0,4 mm pod wysokim ciśnieniem 0-50 kg/cm² na powierzchnie plazmy. Szybkość podania wody na powierzchnię jest w okolicach Vn=50-70 m/s).

Ponieważ łukowe generatory plazmy potrzebują znacznego zużycia energii przy stosunkowo niskim poziomie zjonizowanego środowiska, w celu uniknięcia tych niedoskonałości proces tworzenia plazmy i odnowienia jonizowanego środowiska wykonują się wspólnie. Przy czym dla plazmy odbywa się na granicy podziału środowiska gazowego i słabo palnego stopu. W warunkach środowiska plazmowego gazy stają się jonizowanymi, co stwarza możliwość wykorzystywania ich jako nośników energetycznych. Jonizację uzyskuje się przez kontakt na powierzchni mineralnego stopu z przeciwległymi strumieniami gazów i poprzez promieniowanie ultrafioletowe.

Promieniowanie ultrafioletowe stopu stwarza możliwość skuteczniej jonizacji środowiska, działając jak jonizator fotoplazmowy. Przy czym część nadchodzącej z wysokociśnieniowych strumieni wody przekształca się w parę, która wstępuje w reakcję z tlenkami żelaza z odnowieniem wodoru zgodnie z reakcją 3FeO+H2O=Fe3O4.

Przy utworzeniu rozproszonego wodnego kurzu odbywa się elektryzowanie tak samej wody, jak i rozpuszczonych w niej cząstek. Dlatego nad powierzchnią stopu formuje się plazmowe współdziałanie, które prowadzi do podwyższenia temperatury w centrum zderzenia wodno-parowego naładowanego strumienia z powierzchnią stopu z utworzeniem plazmowego gazu nad powierzchnią stopu. W warunkach wysokiego gradientu temperatury, wodno-kurzowe części zbliżając się do stopu przechodzą do wodnego gazu, co daje dodatkowe elektryzowanie cząsteczek kurzu. Wąskokanałowe podanie rozpuszczonych w wodzie cząstek prowadzi do procesu jonowej wymiany za pomocą fotojonizacji i przetworzenia ich na wysokokaloryczny gaz.

Wnioskodawca opracował i wypróbował na prototypach technologię otrzymania gazu plazmowego, wykorzystujące opisane rozwiązanie, którą można efektywnie stosować i otrzymywać energię cieplną, a także elektryczną. W odróżnieniu od tradycyjnych paliw, materiał roboczy słabo palny stop praktycznie nie zużywa się, a wielkość otrzymywanego gazu plazmowego w zasadzie wyznacza się zużyciem strumienia wody lub wodnej suspensji. W atmosferze plazmowego gazu woda efektywnie rozpada się na wodór i tlen, tym samym zwiększając kaloryczność pierwotnego gazu plazmowego. Podczas dalszego zwiększenia gęstości strumienia wody odbywa się przyśpies zenie tworzenia gazu plazmowego na powierzchni stopu.

Aby zwiększyć wydajność gazu plazmowego istnieje możliwość wykorzystywania jako surowca substratów związków słabo palnej mineralnej gliny. To znacznie zwiększa całkowitą powierzchnię utworzonej molekularno-błonowej (krystalicznej) wody, która ma wyraźne zdolności jonizacyjne i przekształca związaną energie kompleksów krystalicznych hydratów na gaz plazmowy, obserwowany pod postacią intensywnej w kształcie pochodni plazmy (plazmoid).

Przykłady skuteczności wykorzystania metody zderzeniowej plazmowej jonizacji surowca dla otrzymania dodatkowej cieplnej energii podane w tabeli.

PL228 132 Β1

Nr	T° stopu C	yo promieniowania c	Elektryczna moc łukowego ładunku NI (kW)	Ilość podawanej wody (l/godz)	Energetyczna moc niezbędna do wyparowania wody N2	ΔΝ- różnica pomiędzy zużytą i otrzymaną energią
1	2900°C	3400°C	3,7 kW	351	50 kW	46 kW
2	3100°C	3600°C	4,5 kW	451	65 kW	65 kW

Prąd 11 =150Α. ΔΝ=Ν2-Ν1~46 kW

Prąd 12=180A. ΔΝ=Ν2-Ν1~60 kW

Testy wykazały, że na powierzchni około 20 cm² stopu w temperaturze 2500°C-2800°C może odparować około 150 I wody ze strumienia, zużywając 5 kW/godz. energii elektrycznej (do otrzymania słabo palnego stopu). Dodatkowa energia (około 140 kW/godz.), potrzebna do odparowania wody jest zawarta w nowo utworzonym plazmowym gazie, który składa się z wodoru jonizowanej wody oraz jonów, które odparowują ze stopu.

Gdy temperatura stopu sięgnie 3800°C-4000°C można uzyskać cieplną moc urządzenia około 1 MW, przy czym powierzchnia promieniowania wyniesie 20-25 cm² i ilość zużytego ciepła - wody 900 l/godz. Rozmiar podobnego generatora pary nie przekracza 1 m³, co około 5,7 razy mniejsze od wymiarów istniejących kotłów o mocy 1 MW.

Claims (3)

1. Sposób plazmowej jonizacji surowca, znamienny tym, że surowiec w postaci przynajmniej jedynego wąskokanałowego strumienia wody, wodnej suspensji albo strumienia spalin kieruje się zderzeniowo na powierzchnię plazmy pod ciśnieniem w granicach 10-50 kg/cm² ze średnicą formującego otworu w granicach 0,1-0,4 mm, przy czym plazma, wytworzona jest za pomocą łuku elektrycznego z rozdrobnionych tlenków żelaza.

2. Sposób wg zastrz. 1, znamienny tym, że do plazmy wprowadza się rozdrobione słabo palne tlenki metali lub karbidy lub krzemki lub azotki.

3. Sposób wg zastrz. 1 lub 2, znamienny tym, że jako cząstki wodnej suspensji wykorzystuje się cykloniczny kurz produkcji górniczej przy czym rozbieżność wąskokanałowego strumienia jest w granicach 5°-8°.