UA98271C2

UA98271C2 - Electric-arc plasmatron

Info

Publication number: UA98271C2
Application number: UAA201105424A
Authority: UA
Inventors: Станислав Владимирович Петров; Сергей Григорьевич Бондаренко; Виктор Андреевич Жовтянский; Владимир Николаевич Коржик; Валерий Вячеславович Попов
Original assignee: Институт Газа Национальной Академии Наук Украины
Priority date: 2011-04-28
Filing date: 2011-04-28
Publication date: 2012-04-25

Abstract

The invention relates to the apparatuses for generating water steam plasma. An electric-arc plasmantron comprises in series connected a cooling cathode with a cathode solenoid located around it, a vortex chamber, an annular isolator, a hollow nozzle–anode with an anode solenoid located around it and having an axial cylindrical channel performed with step increasing inner diameter, and a recuperative attachment of the nozzle-anode. To regulate vapor-plasma jet parameters the plasmatron is provided with connected to the recuperative attachment coaxial cylindrical reactor attachment with a circular channel, at the end of which a ring collector of reactor attachment is installed, in the side wall of the which openings are made for partial gas emission and in parallel to the plasmotron axis a cylindrical pass channel is made which is connected to the recuperative attachment.

Description

Винахід належить до пристроїв генерування плазми водяної пари з високими термодинамічними параметрами для плазмових реакторів з електродуговими плазмотронами непрямої дії. Електродуговий плазмотрон призначений для проведення плазмохімічних реакцій, зокрема для високотемпературної газифікації вуглецевмісних речовин - некондиційних палив, відходів (твердих, пастоподібних, рідких), зокрема невідомого походження.The invention relates to devices for generating water vapor plasma with high thermodynamic parameters for plasma reactors with electric arc plasmatrons of indirect action. The electric arc plasmatron is designed for conducting plasma chemical reactions, in particular for high-temperature gasification of carbon-containing substances - substandard fuels, waste (solid, paste-like, liquid), in particular of unknown origin.

Пристрої для цих потреб повинні задовольняти важкосумісним вимогам: працювати на повітрі, водяній парі та їх суміші, мати широкий діапазон регулювання параметрів (температури і витрати пари на виході), мати високий ресурс і коефіцієнт корисної дії, легко вбудовуватися в конструкцію реакційної камери (печі) та бути зручними в обслуговуванні. Роздільне виконання цих вимог не викликає особливих проблем.Devices for these needs must meet difficult requirements: work on air, water vapor and their mixture, have a wide range of parameters adjustment (temperature and steam flow rate at the outlet), have a high resource and coefficient of effectiveness, be easily integrated into the design of the reaction chamber (furnace) and be convenient to service. Separate fulfillment of these requirements does not cause particular problems.

Відомий електродуговий плазмотрон (генератор пароводяної плазми) (а. с. 5 1620032 М. кл. 6НОБВ 7/22 1995) з водяною парою як плазмоутворююче середовище, що використовується в плазмохімії, металургії та для руйнування гірських порід.A well-known electric arc plasmatron (water vapor plasma generator) (a. s. 5 1620032 M. kl. 6НОБВ 7/22 1995) with water vapor as a plasma-forming medium used in plasma chemistry, metallurgy and for the destruction of rocks.

Електродуговий плазмотрон містить послідовно встановлені співвісні охолоджуваний парогенераторною водою стрижньовий катод з розміщеним навколо нього соленоїдом катода, теплоізоляційний екран, міжелектродний електроізолятор, вузол подачі плазмоутворюючого газу з вихровими камерами для повітря і пари, анодну вставку і сопло-анод із каналами охолодження, виконане у вигляді порожнистого циліндра з гвинтовими каналами і розміщеним навколо нього соленоїдом анода.The electric arc plasmatron contains a sequentially installed coaxial rod cathode cooled by steam generator water with a cathode solenoid placed around it, a heat-insulating screen, an inter-electrode insulator, a plasma-forming gas supply unit with vortex chambers for air and steam, an anode insert and a nozzle-anode with cooling channels, made in the form of a hollow cylinder with helical channels and an anode solenoid placed around it.

Середньомасову температуру струменя такого плазмотрона регулюють в межах 3500- 7000 С, швидкість витікання плазми - 5000-3000 м/с. Поздовжній і поперечний розподіл реальних температур і швидкостей в струмені характеризується високими градієнтами. Це сотні градусів і метрів в секунду для радіальних і осьових перепадів температур і швидкостей в струмені. Такі значення температури струменя плазмотрона і швидкості витікання плазми є високими для матеріалу футерування реакційного об'єму печі, а також для проведення реакції газифікації органічних відходів.The average mass temperature of the jet of such a plasmatron is regulated within 3500-7000 C, the speed of the plasma flow is 5000-3000 m/s. The longitudinal and transverse distribution of real temperatures and velocities in the jet is characterized by high gradients. These are hundreds of degrees and meters per second for radial and axial temperature and velocity differences in the jet. Such values of the temperature of the plasmatron jet and the plasma flow rate are high for the lining material of the reaction volume of the furnace, as well as for conducting the gasification reaction of organic waste.

Найбільш близьким технічним рішенням є пристрій плазмотрона для генерування парової плазми (УмМаїег 5ївеат ріазтаїйгоп їТог пагагаоив5 мазі Ігеайтепі. Котиаїда5 Кееїї5, Котиаїдав5The closest technical solution is a plasmotron device for generating vapor plasma (UmMaieg 5iveat riaztaiygop yTog pagagaoiv5 mazi Igeaytepi. Kotiaida5 Keeiii5, Kotiaidav5

УизКемісіих, Маідає Месіив // РІ АБМА-99, 2па ІМТЕВМАТІОМАЇ 5ММРОБІОЮМ ОМ НЕАТ АМОUizKemisiih, Maydaye Mesiiv // RI ABMA-99, 2pa IMTEVMATIOMAI 5MMROBIOIUM OM NEAT AMO

Зо МАБО ТААМЗЕРЕВ ОМОЕВ РІАБМА СОМОІТІОМ5, 18-23 Аргіїї 1999. Согіпійіа Сі Ноівї,Zo MABO TAAMZEREV OMOEV RIABMA SOMOITIOM5, 18-23 Argiiy 1999. Sogipiia Si Noivy,

ТекКігома, Апіаїуа, ГигКеу).TekKigoma, Apiaiua, HygKeu).

Відомий плазмотрон містить послідовно встановлені співвісні водоохолоджуваний катод з розміщеним навколо нього соленоїдом катода, вихрову камеру, кільцевий ізолятор і водоохолоджуване сопло-анод з розміщеним навколо нього соленоїдом анода, виконане у вигляді порожнистого циліндра з каналами. Відомий плазмотрон містить рекуперативну секцію анода, встановлену за соплом-анодом. Вихід цієї секції з'єднаний по зовнішньому контуру з входом у дуговий канал плазмотрона.The well-known plasmatron contains a sequentially installed coaxial water-cooled cathode with a cathode solenoid placed around it, a vortex chamber, a ring insulator and a water-cooled anode nozzle with an anode solenoid placed around it, made in the form of a hollow cylinder with channels. The well-known plasmatron contains a recuperative anode section installed after the anode nozzle. The output of this section is connected by an external circuit to the input to the plasmatron arc channel.

Відомий плазмотрон має середнє значення температури струменя на виході за рекуперативною секцією анода в діапазоні 2200-3200 К. Такі значення температури також є надто високими для проведення реакції газифікації органічних відходів. При цьому плазмотрон працює практично в одній робочій точці (на одному режимі, заданому з теплового балансу), і не забезпечує стабільне генерування потоку водяної пари навіть у вузькому діапазоні параметрів, необхідних для оптимальної газифікації органічних матеріалів. Відомий плазмотрон не може забезпечити без охолоджування необхідну температуру робочої стінки печі (1300-1700 С) з умов оптимального ведення процесу газифікації та стійкості матеріалу футерування робочої стінки печі.The well-known plasmatron has an average temperature of the jet at the outlet of the recuperative section of the anode in the range of 2200-3200 K. Such temperature values are also too high for the gasification reaction of organic waste. At the same time, the plasmatron works practically at one operating point (on one mode determined from the heat balance), and does not ensure stable generation of a water vapor flow even in a narrow range of parameters necessary for optimal gasification of organic materials. The known plasmatron cannot provide the necessary temperature of the working wall of the furnace (1300-1700 C) without cooling due to the conditions of optimal management of the gasification process and stability of the lining material of the working wall of the furnace.

В основу пропозиції поставлено задачу удосконалення пристрою електродугового плазмотрона, в якому в результаті приєднання до рекуперативного насадку циліндричного реакторного насадка забезпечується пониження температури струменя на виході з пристрою та за рахунок цього досягається необхідний робочий діапазон регулювання параметрів (температури і швидкості) пароплазмового потоку, що генерується для ведення процесу газифікації вуглецевмісних речовин різного морфологічного складу з отриманням синтез-газу, а також забезпечується збільшення ресурсу роботи, як частин конструкції електродугового плазмотрона, так і матеріалу футерування робочої стінки печі.The basis of the proposal is the task of improving the electric arc plasmatron device, in which, as a result of joining the recuperative nozzle of the cylindrical reactor nozzle, the temperature of the jet at the exit of the device is lowered, and due to this, the required operating range of parameters (temperature and speed) of the steam plasma flow generated for conducting the process of gasification of carbon-containing substances of different morphological composition to obtain synthesis gas, and also provides an increase in the service life of both the parts of the electric arc plasmatron design and the lining material of the working wall of the furnace.

Поставлена задача вирішується тим, що електродуговий плазмотрон, що включає послідовно встановлені співвісні охолоджуваний катод із розміщеним навколо нього соленоїдом катода, вихрову камеру, кільцевий ізолятор, порожнисте охолоджуване сопло-анод із розміщеним навколо нього соленоїдом анода з осьовим циліндричним каналом, виконаним із ступінчастим збільшенням внутрішнього діаметра, і рекуперативний насадок сопла-анода, 60 згідно з винаходом, забезпечений приєднаним до рекуперативного насадка співвісним циліндричним реакторним насадком з кільцевим каналом, на кінці якого встановлено кільцевий колектор реакторного насадка з отворами в боковій стінці для часткового виходу газу та з розташованим перпендикулярно осі плазмотрона циліндричним прохідним каналом, з'єднаним з рекуперативним насадком, причому в соплі-аноді також виконані циліндричні прохідні канали, що з'єднані з кільцевим колектором.The task is solved by the fact that the electric arc plasmatron, which includes a sequentially installed coaxial cooled cathode with a cathode solenoid placed around it, a vortex chamber, a ring insulator, a hollow cooled anode nozzle with an anode solenoid placed around it, with an axial cylindrical channel made with a stepwise increase in the internal diameter, and the recuperative nozzle-anode nozzle 60 according to the invention is equipped with a coaxial cylindrical reactor nozzle with an annular channel connected to the recuperative nozzle, at the end of which is installed a ring collector of the reactor nozzle with holes in the side wall for partial gas exit and with a located perpendicular to the axis of the plasmatron a cylindrical through channel connected to the recuperative nozzle, and the nozzle-anode also has cylindrical through channels connected to the ring collector.

Додатковою відмінністю є те, що співвідношення довжини кільцевого каналу циліндричного реакторного насадка і його діаметра виконане в межах 0,5-5, а відношення площі перерізу отворів в боковій стінці кільцевого колектора реакторного насадка до сумарної площі перерізу прохідних каналів циліндричного реакторного насадка і сопла-анода - в межах 0,5-3,5.An additional difference is that the ratio of the length of the annular channel of the cylindrical reactor nozzle and its diameter is within 0.5-5, and the ratio of the cross-sectional area of the holes in the side wall of the annular collector of the reactor nozzle to the total cross-sectional area of the passage channels of the cylindrical reactor nozzle and the anode nozzle - within 0.5-3.5.

Введення циліндричного реакторного насадка в плазмотрон дозволяє удосконалити відомий плазмотрон і вирішити поставлену задачу отримання парової плазми з необхідними параметрами за рахунок поділу потоку пари на дві частини. Циліндричний реакторний насадок з кільцевим каналом, на кінці якого встановлено кільцевий колектор реакторного насадка, який має отвори в боковій стінці кільцевого колектора реакторного насадка для часткового виходу пари в циліндричний реакторний насадок і розташований перпендикулярно осі плазмотрона, циліндричний прохідний канал в рекуперативний насадок, який з'єднаний циліндричними прохідними каналами з кільцевим колектором, дає можливість розділити потік пари на дві частини: одну частину направити в осьовий циліндричний канал плазмотрона для забезпечення отримання парової плазми і здійснення додаткового знімання тепла з частин плазмотрона, підвищуючи ресурс роботи пристрою, а іншу частину - в циліндричний реакторний насадок, де її перемішують із струменем парової плазми (першою частиною пари), з вирівнюванням усіх параметрів, що дозволяє отримати потік водяної пари з характеристиками, необхідними для умов оптимального ведення процесу газифікації і стійкості матеріалу футерування робочої стінки печі.The introduction of a cylindrical reactor nozzle into the plasmatron makes it possible to improve the known plasmatron and solve the task of obtaining steam plasma with the necessary parameters due to the division of the steam flow into two parts. A cylindrical reactor nozzle with an annular channel, at the end of which is installed an annular collector of the reactor nozzle, which has holes in the side wall of the annular collector of the reactor nozzle for a partial exit of steam into the cylindrical reactor nozzle and is located perpendicular to the axis of the plasmatron, a cylindrical passage channel into the recuperative nozzle, which connected by cylindrical through channels with an annular collector, it makes it possible to divide the flow of steam into two parts: one part is sent to the axial cylindrical channel of the plasmatron to ensure the production of steam plasma and additional heat removal from the parts of the plasmatron, increasing the service life of the device, and the other part to the cylindrical reactor nozzle, where it is mixed with a jet of steam plasma (the first part of the steam), with equalization of all parameters, which allows obtaining a flow of water vapor with the characteristics necessary for the conditions of optimal management of the gasification process and stability of the lining material eye wall of the furnace.

Співвідношення довжини кільцевого каналу циліндричного реакторного насадка і його діаметра в межах 0,5-5,0 прийняте для забезпечення повноцінного перемішування парового плазмового струменя з первинною парою, що дозволяє отримати потік водяної пари з необхідними показниками. Відношення площі перерізу отворів в боковій стінці колектора реакторного насадка до сумарної площі перерізу прохідних каналів циліндричного реакторного насадка та сопла-анода вибирають в межах 0,5-3,5 з міркувань забезпечення умов стійкої роботи плазмотрона.The ratio of the length of the annular channel of the cylindrical reactor nozzle and its diameter in the range of 0.5-5.0 is adopted to ensure full mixing of the steam plasma jet with the primary steam, which allows obtaining a flow of water vapor with the required parameters. The ratio of the cross-sectional area of the holes in the side wall of the reactor nozzle collector to the total cross-sectional area of the passage channels of the cylindrical reactor nozzle and the anode nozzle is chosen within 0.5-3.5 for reasons of ensuring the conditions of stable operation of the plasmatron.

На кресленні представлений запропонований електродуговий плазмотрон у поздовжньому перерізі.The drawing shows the proposed electric arc plasmatron in longitudinal section.

Електродуговий плазмотрон містить порожнистий охолоджуваний катод 1 з осьовим циліндричним заглибленням. Навколо катода 1 в області заглиблення розміщений соленоїд катода 2 для створення магнітного поля в порожнині заглиблення. До катода 1 приєднаний кільцевий ізолятор З і вихідне порожнисте охолоджуване сопло-анод 4 плазмотрона з осьовим циліндричним каналом 5, виконаним із ступінчастим збільшенням внутрішнього діаметра.The electric arc plasmatron contains a hollow cooled cathode 1 with an axial cylindrical recess. A cathode solenoid 2 is placed around the cathode 1 in the recessed area to create a magnetic field in the recessed cavity. An annular insulator C and an output hollow cooled nozzle-anode 4 of the plasmatron with an axial cylindrical channel 5 made with a stepwise increase in the inner diameter are attached to the cathode 1.

Сопло-анод 4 встановлене із зазором відносно катода 1. Внутрішні суміжні торцеві стінки катода, сопла-анода і внутрішні циліндричні стінки ізолятора утворюють вихрову камеру 6 плазмотрона. У стінках сопла-анода 4 виконані прохідні поздовжні циліндричні канали (теплоізольовані) 7 і кільцевий колектор 8, вихідна частина якого звернена до катода. Кільцевий колектор 8 виконаний з різьбою для завихорення потоку і подачі плазмоутворюючої водяної пари у вихрову камеру 6. Навколо сопла-анода 4 в області осьового циліндричного каналу більшого внутрішнього діаметра розміщений соленоїд анода 9 для створення тут магнітного поля. До виходу сопла-анода 4 приєднаний порожнистий кільцевий рекуперативний насадок 10, що з іншого боку з'єднаний з кільцевим колектором 8 прохідними циліндричними каналами 7 і циліндричний реакторний насадок 11 з кільцевим каналом 12, на кінці якого встановлено кільцевий колектор 13 реакторного насадка з отворами 14 в боковій стінці колектора реакторного насадка для часткового виходу газу в циліндричний реакторний насадок, і розташованим перпендикулярно осі плазмотрона циліндричним прохідним каналом 15, з'єднаним з рекуперативним насадком. На вході циліндричного реакторного насадка 11 до бокової поверхні прикріплено два штуцери: один 16 для подачі повітря, другий 17 для подачі водяної пари.The anode nozzle 4 is installed with a gap relative to the cathode 1. The inner adjacent end walls of the cathode, the anode nozzle and the inner cylindrical walls of the insulator form the vortex chamber 6 of the plasmatron. In the walls of the nozzle-anode 4, passing longitudinal cylindrical channels (heat-insulated) 7 and an annular collector 8, the output part of which faces the cathode, are made. The annular collector 8 is made with a thread for swirling the flow and feeding the plasma-forming water vapor into the vortex chamber 6. Around the anode nozzle 4 in the area of the axial cylindrical channel of a larger inner diameter, the anode solenoid 9 is placed to create a magnetic field here. A hollow annular recuperative nozzle 10 is connected to the outlet of the anode nozzle 4, which on the other hand is connected to the annular collector 8 through cylindrical channels 7 and a cylindrical reactor nozzle 11 with an annular channel 12, at the end of which is installed the annular collector 13 of the reactor nozzle with holes 14 in the side wall of the collector of the reactor nozzle for the partial exit of gas into the cylindrical reactor nozzle, and located perpendicular to the axis of the plasmatron through the cylindrical passage channel 15, connected to the recuperative nozzle. At the entrance of the cylindrical reactor nozzle 11, two fittings are attached to the side surface: one 16 for supplying air, the other 17 for supplying steam.

Електродуговий плазмотрон працює таким чином. Для запуску і прогрівання електродугового плазмотрона в нього подають повітря через штуцер 16 на вході циліндричного реакторного насадка 11. Водяну пару подають при заданій температурі електродів плазмотрона і рекуперативного насадка через другий штуцер 17 на вході циліндричного реакторного насадка 11. При цьому подача повітря може бути відключена, або залишена в кількості, необхідній для бо оптимального ведення процесу високотемпературної газифікації. Через штуцер 16 в кільцевий канал 12 циліндричного реакторного насадка 11 подають плазмоутворюючий газ (повітря), що проходить в кільцевий колектор реакторного насадка 13, з якого одну частину газу через отвори 14 подають в циліндричний реакторний насадок 11, а іншу частину - через розташований перпендикулярно осі плазмотрона циліндричний прохідний канал 15-в рекуперативний насадок 10, з якого через прохідні циліндричні канали 7 сопла-анода 4 - в кільцевий колектор 8 і через вихрову камеру 6 плазмотрона в осьовий (дуговий) циліндричний канал 5, де газ послідовно подають через осьовий канал меншого, а потім більшого перерізу сопла-анода 4, рекуперативний насадок 10 в циліндричний реакторний насадок 11, де його перемішують з першою частиною газу. Електрична дуга постійного струму горить уздовж осі газового вихору в осьовому (дуговому) циліндричному каналі, її катодна опорна пляма переміщується з великою швидкістю по поверхні заглиблення катода 1, а анодна опорна пляма - по поверхні осьового циліндричного каналу сопла-анода 4. Рівномірному переміщенню опорних плям дуги з великою швидкістю сприяє магнітне поле соленоїдів 2, 9. Завдяки розподілу теплового навантаження по великій поверхні електродів їх ерозія є мінімальною. Повітря використовують для збудження електричної дуги і попереднього прогрівання реакційного простору. В іншому випадку на холодних водоохолоджуваних електродах плазмотрона конденсуватиметься водяна пара, а пробій зазору катод-анод високою напругою осцилятора, передуючий збудженню силової дуги, буде неможливим. Тому збудження електричної дуги спочатку проводять при подачі повітря, потім подають водяну пару через штуцер 17, а подачу повітря відключають. Електрична дуга нагріває водяну пару до середньомасової температури 3000-5000 "С ії вона витікає з сопла- анода 4 через рекуперативний насадок 10 в циліндричний реакторний насадок 11. Струмінь парової плазми має високу температуру і швидкість з максимумом на осі, що досягають 5000 "С і 2000 м/с. Для технології газифікації вуглецевмісних речовин необхідні параметри пари з регульованими температурою в діапазоні 1000-2000 "С і швидкістю 50-400 м/с. Цього досягають завдяки подачі в циліндричний реакторний насадок 11 через кільцевий колектор 13 реакторного насадка і отвори 15 першої частині пари, яку на короткій дистанції 0,5-5 співвідношення довжини кільцевого каналу 12 циліндричного реакторного насадка 11 і його діаметра інтенсивно перемішують із струменем парової плазми з вирівнюванням усіх параметрів (температури, швидкості, концентрації) по перерізу циліндричного реакторного насадка.An electric arc plasmatron works as follows. To start and warm up the electric arc plasmatron, air is supplied to it through the fitting 16 at the inlet of the cylindrical reactor nozzle 11. Water vapor is supplied at the given temperature of the electrodes of the plasmatron and the recuperative nozzle through the second fitting 17 at the entrance of the cylindrical reactor nozzle 11. At the same time, the air supply can be turned off, or left in the amount necessary for optimal operation of the high-temperature gasification process. Plasma-forming gas (air) is fed through the fitting 16 into the annular channel 12 of the cylindrical reactor nozzle 11, which passes into the annular collector of the reactor nozzle 13, from which one part of the gas is fed through the holes 14 into the cylindrical reactor nozzle 11, and the other part - through the located perpendicular to the axis plasmatron cylindrical pass-through channel 15-in recuperative nozzle 10, from which through the pass-through cylindrical channels 7 the anode nozzle 4 - into the ring collector 8 and through the vortex chamber 6 of the plasmatron into the axial (arc) cylindrical channel 5, where the gas is successively supplied through the axial channel of the smaller , and then the larger section of the nozzle-anode 4, recuperative nozzle 10 into the cylindrical reactor nozzle 11, where it is mixed with the first part of the gas. The direct current electric arc burns along the axis of the gas vortex in the axial (arc) cylindrical channel, its cathode reference spot moves at high speed along the surface of the cathode recess 1, and the anode reference spot - along the surface of the nozzle-anode axial cylindrical channel 4. The uniform movement of the reference spots the magnetic field of solenoids 2, 9 contributes to arcing at a high speed. Due to the distribution of the thermal load over the large surface of the electrodes, their erosion is minimal. Air is used to excite the electric arc and preheat the reaction space. Otherwise, water vapor will condense on the cold water-cooled electrodes of the plasmatron, and the breakdown of the cathode-anode gap by the high voltage of the oscillator, preceding the excitation of the power arc, will be impossible. Therefore, the excitation of the electric arc is first carried out during the air supply, then water vapor is supplied through the fitting 17, and the air supply is turned off. The electric arc heats the water vapor to an average mass temperature of 3000-5000 "С and it flows from the nozzle 4 through the recuperative nozzle 10 into the cylindrical reactor nozzle 11. The steam plasma jet has a high temperature and velocity with a maximum on the axis reaching 5000 "С and 2000 m/s. For the gasification technology of carbon-containing substances, steam parameters with adjustable temperature in the range of 1000-2000 "С and a speed of 50-400 m/s are required. This is achieved due to the supply to the cylindrical reactor nozzle 11 through the annular collector 13 of the reactor nozzle and the holes 15 of the first part of the steam, which at a short distance of 0.5-5, the ratio of the length of the annular channel 12 of the cylindrical reactor nozzle 11 and its diameter is intensively mixed with a stream of steam plasma with equalization of all parameters (temperature, speed, concentration) along the cross section of the cylindrical reactor nozzle.

Зо Електродуговий плазмотрон, що заявляється, випробуваний на установці газифікації медичних та інших небезпечних відходів з отриманням цінного високочистого синтез-газу.З The proposed Electric Arc Plasmatron was tested at the gasification plant of medical and other hazardous waste to obtain valuable high-purity synthesis gas.

Установка містить наступні вузли: електродуговий плазмотрон, джерело електроживлення плазмотрона, пульт управління, систему підготування пари та газу, вузли завантаження сировини і вивантаження твердого залишку продуктів переробки, реакційну камеру (піч), систему гартування і очищення газів, що відходять з реакційної камери, вентиляційну систему з димарем.The installation includes the following units: electric arc plasmatron, plasmatron power source, control panel, steam and gas preparation system, nodes for loading raw materials and unloading solid residue of processing products, reaction chamber (furnace), quenching and purification system of gases leaving the reaction chamber, ventilation chimney system.

Плазмотрон здійснює перетворення тепла Джоуля електричної дуги в струмінь водяної плазми. Запропонований плазмотрон виконаний по двоелектродній осьовій схемі з порожнистими електродами - порожнистим глухим катодом і вихідним соплом-анодом із ступінчастим збільшенням внутрішнього діаметру. Стабілізація прив'язки катодної ділянки електричної дуги в порожнині катода здійснюється магнітним полем від соленоїда катода, що живиться послідовно з електричною дугою. Газодинамічна стабілізація прив'язки анодної ділянки дуги здійснюється за допомогою ступінчастого збільшення внутрішнього діаметра в осьовому каналі сопла-анода і магнітним полем від соленоїда анода, що живиться послідовно з електричною дугою. Стовп електричної дуги стабілізували по осі дугового каналу в зоні найменшого тиску (повітря) парового вихору. як робочі гази застосовували стиснуте повітря і водяну пару. Запуск плазмотрона здійснювали при подачі повітря з подальшим переходом на пару як плазмоутворюючий газ. Як рідина для охолодження катода і анода застосовували воду.The plasmatron converts the Joule heat of the electric arc into a jet of water plasma. The proposed plasmatron is made according to a two-electrode axial scheme with hollow electrodes - a hollow blind cathode and an output nozzle-anode with a stepwise increase in internal diameter. Stabilization of binding of the cathode section of the electric arc in the cathode cavity is carried out by the magnetic field from the cathode solenoid, which is fed in series with the electric arc. Gas-dynamic stabilization of the attachment of the anode section of the arc is carried out by means of a gradual increase in the internal diameter in the axial nozzle-anode channel and a magnetic field from the solenoid of the anode, which is fed in series with the electric arc. The column of the electric arc was stabilized along the axis of the arc channel in the zone of lowest pressure (air) of the steam vortex. compressed air and steam were used as working gases. The start-up of the plasmatron was carried out when air was supplied with subsequent transition to steam as the plasma-forming gas. Water was used as a liquid for cooling the cathode and anode.

Потужність плазмотрона 25-140 кВт, напруга на дузі 250-350 В, струм дуги 100-400 А, к. к. д. - 0,71. Напруга холостого ходу джерела електроживлення 500 В, витрата повітря 0-80 г/с, витрата пари 0-40 г/с. Діаметр сопла-анода 10-16 мм. Діаметр кільцевого каналу циліндричного реакторного насадка 600-100 мм, довжина циліндричного реакторного насадка 30-500 мм.The power of the plasmatron is 25-140 kW, the arc voltage is 250-350 V, the arc current is 100-400 A, the efficiency is 0.71. No-load voltage of the power supply source is 500 V, air consumption 0-80 g/s, steam consumption 0-40 g/s. The diameter of the nozzle-anode is 10-16 mm. The diameter of the annular channel of the cylindrical reactor nozzle is 600-100 mm, the length of the cylindrical reactor nozzle is 30-500 mm.

Середньомасова температура парової плазми 3000" С, температура пари на виході циліндричного реакторного насадка 1200-2000 "С.The average mass temperature of the vapor plasma is 3000 °C, the temperature of the steam at the outlet of the cylindrical reactor nozzle is 1200-2000 °C.

Повноту процесу пароплазмової газифікації визначали за повним реагуванням вуглецю і відсутністю аерозолів (дрібнодисперсних частинок) в газах, що відходять. Для моделювання процесу пароплазмової газифікації медичних відходів використовували целюлозу:The completeness of the steam plasma gasification process was determined by the complete reaction of carbon and the absence of aerosols (fine particles) in the outgoing gases. Cellulose was used to model the steam plasma gasification process of medical waste:

СеНіоО5 ж Н2О «з тепло -» 6СО -- 6Н», полієтилен:SeNioO5 and H2O "with heat -" 6СО -- 6Н", polyethylene:

ІСН:АСН-|п ж НО « тепло -» хСНа туНг-200--Н20 - пбО-нтнНео або їх суміш з різним складом інгредієнтів.ISN:АСН-|п ж НО « heat -» хСНа туНг-200--Н20 - пбО-нтнНео or their mixture with a different composition of ingredients.

Контролювали температуру в реакційній зоні, склад газової атмосфери на виході, наявність аерозолів і тепловий баланс всього процесу. Температуру перегрітої пари на виході з електродугового плазмотрона з циліндричним реакторним насадком змінювали від 1000 "С до 2000 "С. Сумарна витрата пари 0,5-5 г/с. Витрата відходів 10-100 кг/год.The temperature in the reaction zone, the composition of the gaseous atmosphere at the outlet, the presence of aerosols and the heat balance of the entire process were monitored. The temperature of the superheated steam at the outlet of the electric arc plasmatron with a cylindrical reactor nozzle was changed from 1000 "C to 2000 "C. The total steam consumption is 0.5-5 g/s. Waste consumption 10-100 kg/h.

У таблиці 1 наведені характеристики прототипу - плазмотрона з рекуперативним насадком і запропонованого винаходу - плазмотрона з рекуперативним і реакторним насадками.Table 1 shows the characteristics of the prototype - plasmatron with recuperative nozzle and the proposed invention - plasmatron with recuperative and reactor nozzles.

Таблиця 1Table 1

Порівняльні характеристики прототипу і запропонованого винаходуComparative characteristics of the prototype and the proposed invention

Як видно з наведеної таблиці 1, запропонований пристрій дозволяє отримати потік водяної пари з характеристиками, найближчими для умов оптимального ведення процесу газифікації вуглецевмісних речовин і необхідними для стійкості матеріалу футерування робочої стінки печі, а саме: регульовані температура парової плазми в діапазоні 1000-2000 "С та її швидкість - 50- 400 м/с.As can be seen from Table 1, the proposed device allows you to obtain a flow of water vapor with the characteristics that are closest to the conditions of optimal management of the gasification process of carbonaceous substances and necessary for the stability of the lining material of the working wall of the furnace, namely: adjustable temperature of the steam plasma in the range of 1000-2000 "С and its speed - 50-400 m/s.

У таблиці 2 показаний вплив відношення площі перерізу отворів в боковій стінці колектора реакторного насадка до сумарної площі перерізу прохідних каналів циліндричного реакторного насадка і сопла-анода (відношення площ перерізів) на параметри роботи плазмотрона в загальному пристрої.Table 2 shows the effect of the ratio of the cross-sectional area of the holes in the side wall of the reactor nozzle collector to the total cross-sectional area of the passage channels of the cylindrical reactor nozzle and the anode nozzle (cross-sectional area ratio) on the parameters of the plasmatron in the overall device.

Таблиця 2Table 2

Вплив відношення площ перерізів на робочі параметри парової плазми при корисній потужності плазмотрона 100 кВт, сумарній витраті пари 22 кг/год., діаметрі сопла плазмотрона 16 мм (Витратапари черезплазмотрон,кг/од. | 135/ 11| 8 |651| 5 | З плазмотрона, "С м/сThe effect of the ratio of cross-sectional areas on the operating parameters of a steam plasma with a useful power of the plasmatron of 100 kW, a total steam consumption of 22 kg/h, a diameter of the plasmatron nozzle of 16 mm (Steam consumption through the plasmatron, kg/unit | 135/ 11| 8 |651| 5 | Z plasmatron, "С m/s

Відношення площ перерізів вибране в межах 0,5-3,5. Як видно з наведеної таблиці 2, підтримання відношення перерізів в обраному діапазоні забезпечує умови стійкої роботи плазмотрона.The ratio of cross-sectional areas is chosen within 0.5-3.5. As can be seen from Table 2, maintaining the cross-section ratio in the selected range provides conditions for stable operation of the plasmatron.

При відношенні площ перерізів менше 0,5 витрата пари (газу) через плазмотрон перевищує рівень його стійкої роботи по критичному параметру - швидкість вдування газу (пари) в осьовий (дуговий) канал має бути меншою, ніж 0,9 від швидкості звуку. При цьому різко знижується ефективність охолодження стінок циліндричного реакторного насадка і змішування парового плазмового струменя з первинною парою через погіршення структури потоку та його швидкогоWhen the ratio of cross-sectional areas is less than 0.5, the flow of steam (gas) through the plasmatron exceeds the level of its stable operation according to a critical parameter - the speed of gas (steam) injection into the axial (arc) channel must be less than 0.9 of the speed of sound. At the same time, the efficiency of cooling the walls of the cylindrical reactor nozzle and mixing of the steam plasma jet with the primary steam is sharply reduced due to the deterioration of the flow structure and its rapid

Зо затухання. Ресурс роботи пристрою при цьому істотно зменшується.From fading. At the same time, the operating resource of the device is significantly reduced.

При відношенні площ перерізів більше 3,5 витрата газу (пари) через плазмотрон знижується нижче за рівень його стійкої роботи по критичному параметру газового вихору в осьовому (дуговому) циліндричному каналі. Стабілізація стовпа дуги здійснюється за рахунок силWhen the ratio of cross-sectional areas is greater than 3.5, the flow of gas (steam) through the plasmatron decreases below the level of its stable operation according to the critical parameter of the gas vortex in the axial (arc) cylindrical channel. Stabilization of the arch column is carried out due to forces

Архімеда, а з ослабленням закручування (зниженням тангенціальної швидкості газу) погіршується аж до аварії. Нижня межа стійкої роботи плазмотрона запропонованої конструкції (це співвідношення між площею поперечного перерізу осьового (дугового) циліндричного каналу і сумарною площею перерізів прохідних каналів в плазмотроні, по яких пару подають в осьовий (дуговий) канал) по витраті газу визначається експериментально. У запропонованому пристрої при відношенні перерізів більше ніж 3,5 необхідно збільшувати сумарну витрату пари для підтримки необхідного рівня тиску на вході, що веде до різкого падіння температури і зрештою до втрати сенсу використання плазми для процесу газифікації.Archimedes, and with the weakening of the twist (reduction of the tangential speed of the gas), it deteriorates until the accident. The lower limit of stable operation of the plasmatron of the proposed design (this is the ratio between the cross-sectional area of the axial (arc) cylindrical channel and the total area of the cross-sections of the passage channels in the plasmatron through which steam is fed into the axial (arc) channel) is determined experimentally. In the proposed device, with a cross-section ratio of more than 3.5, it is necessary to increase the total flow of steam to maintain the required level of pressure at the inlet, which leads to a sharp drop in temperature and ultimately to the loss of the meaning of using plasma for the gasification process.

У таблиці З показаний вплив співвідношення довжини кільцевого каналу циліндричного реакторного насадка і його діаметра (співвідношення І /О - дивись рисунок) на робочі параметри парової плазми при корисній потужності плазмотрона 100 кВт, сумарній витраті пари 22 кг/год., діаметрі сопла плазмотрона 16 мм.Table C shows the effect of the ratio of the length of the annular channel of the cylindrical reactor nozzle and its diameter (I / O ratio - see the figure) on the operating parameters of the steam plasma at a useful plasmatron power of 100 kW, a total steam consumption of 22 kg/h, a plasmatron nozzle diameter of 16 mm .

Таблиця ЗTable C

Вплив співвідношення І /О на робочі параметри парової плазми насадка, "С пед енненневняня Гефню юю насадка, м/сThe influence of the I/O ratio on the operating parameters of the steam plasma nozzle

Як видно з наведеної таблиці З, в прийнятому діапазоні співвідношень 1/0 (0,5-5,0) забезпечується необхідний температурний і швидкісний діапазон для ведення процесу газифікації органічних відходів. Підтримка даного співвідношення Г/О у вибраному діапазоні забезпечує роботу пристрою за умов оптимального ведення процесу газифікації та стійкості матеріалу футерування робочої стінки печі.As can be seen from the given table C, in the accepted range of ratios 1/0 (0.5-5.0) the necessary temperature and speed range is provided for conducting the process of gasification of organic waste. Maintaining this G/O ratio in the selected range ensures the operation of the device under the conditions of optimal management of the gasification process and stability of the lining material of the working wall of the furnace.

Зі зменшенням відносної довжини циліндричного реакторного насадка нижче 0,5 не відбувається повноцінне перемішування парового плазмового струменя з первинною парою і не досягають необхідних показників водяної пари (значення температури в 2500 "С істотно відрізняється від оптимальної) При відносній довжині каналу, що дорівнює 5, потік високотемпературної пари вже має рівномірні профілі всіх параметрів і подальша зміна відносної довжини може бути пов'язана тільки з технологічними вимогами та істотного ефекту не дає.With a decrease in the relative length of the cylindrical reactor nozzle below 0.5, complete mixing of the steam plasma jet with the primary steam does not occur and the required water vapor parameters are not reached (the temperature value of 2500 "С is significantly different from the optimal one) With a relative length of the channel equal to 5, the flow of high-temperature steam already has uniform profiles of all parameters, and further change in relative length can only be related to technological requirements and does not have a significant effect.

Відмінні ознаки пропозиції забезпечують зниження градієнта параметрів (температури і швидкості) в 5-10 разів, глибину регулювання параметрів водяної пари і пароповітряної суміші в 2-3 рази, що узгоджується з умовами роботи печі (реакційної камери) і технологією повної пароплазмової газифікації вуглецевмісних речовин і отримання синтез-газу.Distinctive features of the proposal provide a 5-10-fold reduction in the gradient of parameters (temperature and speed), a 2-3-fold depth of adjustment of the parameters of water vapor and steam-air mixture, which is consistent with the operating conditions of the furnace (reaction chamber) and the technology of full steam-plasma gasification of carbon-containing substances and obtaining synthesis gas.

Заявлений пристрій електродугового плазмотрона забезпечує можливість регулювання параметрів пароплазмового струменя у всьому, потрібному за технологією робочому діапазоні температур і швидкостей, при значному спрощенні (відповідно, підвищення надійності) всієї плазмової установки, оскільки в даному випадку плазмотрон працюватиме на оптимальному за витратою пари режимі та з одним регулятором витрати.The proposed device of the electric arc plasmatron provides the possibility of adjusting the parameters of the steam plasma jet in the entire working range of temperatures and speeds required by the technology, with a significant simplification (respectively, an increase in reliability) of the entire plasma installation, since in this case the plasmatron will work in the optimal mode in terms of steam consumption and with one flow regulator.

Claims

FORMULA OF THE INVENTION Koo)

1. An electric arc plasmatron, which includes a serially installed coaxial cooled cathode with a cathode solenoid placed around it, a vortex chamber, a ring insulator, a hollow cooled anode nozzle with an anode solenoid placed around it, with an axial cylindrical channel made with a stepwise increase in internal diameter, and recuperative nozzle-anode nozzle, which is distinguished by the fact that it is equipped with a coaxial cylindrical reactor nozzle with an annular channel attached to the recuperative nozzle, at the end of which is installed a ring collector of the reactor nozzle with holes in the side wall for partial gas exit and with a cylindrical through-pass located perpendicular to the axis of the plasmatron a channel connected to a recuperative nozzle, and 40 in the nozzle-anode also have cylindrical through channels connected to the ring collector.

2. Electric arc plasmatron according to claim 1, which differs in that the ratio of the length of the annular channel of the cylindrical reactor nozzle and its diameter is within 0.5-5, and the ratio of the cross-sectional area of the holes in the side wall of the annular collector of the reactor nozzle to the total cross-sectional area of the passing channels cylindrical reactor nozzle and nozzle-anode 45 - within 0.5-3.5.