close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY16792

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2013.02.28
(12)
(51) МПК
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
C 10J 3/18
C 10G 15/00
(2006.01)
(2006.01)
ПЛАЗМЕННЫЙ РЕАКТОР СО ВСТРЕЧНЫМИ СТРУЯМИ
(21) Номер заявки: a 20101265
(22) 2010.08.24
(43) 2012.04.30
(71) Заявители: Шараховский Леонид
Иванович; Шараховский Александр
Иванович (BY)
(72) Авторы: Шараховский Леонид Иванович; Шараховский Александр
Иванович (BY)
BY 16792 C1 2013.02.28
BY (11) 16792
(13) C1
(19)
(73) Патентообладатели:
Шараховский
Леонид
Иванович;
Шараховский
Александр Иванович (BY)
(56) RU 2213766 C1, 2003.
RU 2193591 C2, 2002.
RU 2120468 C1, 1998.
(57)
1. Плазменный реактор со встречными струями для переработки дисперсного твердого
или жидкого материала, содержащий цилиндрическую реакционную камеру из жаростойкого материала, узлы регулируемого ввода твердого или жидкого материала, соединенные
газоходами с источниками сжатого транспортирующего газа или пара и с дозаторами перерабатываемого дисперсного твердого или жидкого материала, а также узлы отвода и
сбора получаемых продуктов, отличающийся тем, что реакционная камера закрыта с
обоих торцов крышками с жаростойкими экранами, при этом в центре одной из крышек
установлен катодный плазмотрон, а в центре другой установлен анодный плазмотрон,
соплами навстречу друг другу, причем каждый плазмотрон снабжен регенеративно охлаждаемой транспортирующим газом или паром межэлектродной вставкой с проникающей
дугой и замыканием тока через встречные плазменные струи, при этом реакционная камера окружена устройством отвода получаемых продуктов в виде спиральной улитки из жаростойкого материала, соединенной сквозными каналами с внутренней полостью
Фиг. 1
BY 16792 C1 2013.02.28
реакционной камеры, а на сопло каждой межэлектродной вставки соосно надет узел регулируемого ввода двухфазного потока из дисперсного твердого или жидкого материала и
транспортирующего газа или пара с образованием кольцевого зазора между торцевыми
поверхностями сопла межэлектродной вставки и узла регулируемого ввода двухфазного
потока, образующими при радиальном сходящемся к оси истечении двухфазного потока
сужающееся кольцевое проходное сечение для последующего истечения в виде концентрического кольца, охватывающего образуемую плазменную струю.
2. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что величина торцевого кольцевого зазора в
узлах ввода двухфазного потока в зоне встречи образуемых плазменных струй для управления пространственным распределением дисперсной фазы твердого или жидкого материала установлена для каждой величины расхода такой, что отношение давления
транспортирующего газа или пара в узле ввода двухфазного потока P1 к давлению газа в
реакторе P2 превышает критическую величину δcr, соответствующую соотношению:
k
 2  k −1
δcr ≥ 
 ,
 k +1
где k - показатель адиабаты транспортирующего газа или пара в узле ввода двухфазного
потока.
3. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что каждая межэлектродная вставка включает
три коаксиальные трубы, вставленные одна в другую, при этом зазор между наружной и
средней трубами соединен газоходом с источником сжатого плазмообразующего газа или
пара в верхнем по потоку сечении, а в стенке средней трубы на ее противоположном от
источника сжатого плазмообразующего газа или пара конце выполнены перфорационные
отверстия для соединения с зазором между средней и внутренней трубами, причем торцевая часть каждой трубы со стороны сопла заглушена, на наружной поверхности внутренней трубы, вставленной в обхватывающую ее среднюю, выполнены винтовые каналы,
сообщающиеся на противоположном от заглушенного торца конце с межэлектродным открытым торцевым зазором величиной от 2 до 3 мм между межэлектродной вставкой и
прилегающим торцем катода или анода соответственно, а на внутренней поверхности
внутренней трубы прорезаны кольцевые или спиральные проточки глубиной, превышающей толщину ее стенки в винтовых каналах так, что последние сообщаются через указанные проточки с внутренней полостью трубы, образующей разрядный канал для вихревой
стабилизации электрического разряда внутри межэлектродной вставки.
Устройство относится к области плазмохимической переработки дисперсных твердых
и жидких материалов с целью получения газообразных или твердых продуктов, включая
процессы газификации углеродсодержащих материалов и отходов, например пластмасс,
нефтешламов, и может быть использовано на предприятиях химической, нефтехимической промышленности и других, для которых подобные процессы являются актуальными.
Отходы пластмасс в виде смесей различных полимерных материалов для промышленно развитых стран достигают 7-12 % по весу твердых бытовых отходов. Общий же объем
смешанных отходов пластмасс для отдельных стран Западной Европы составляет от 300
тысяч до 1.5 млн. тонн в год. Объем запасенных нефтешламов в промышленно развитых
странах измеряется также многими миллионами тонн.
Совершенствование технологий, направленных на переработку пластмасс и
нефтешламов с целью получения полезных продуктов, - задача, актуальная для огромного
числа стран.
Одним из направлений в переработке отходов углеродсодержащей органики является
получение синтез-газа с целью его использования как топлива или химического сырья.
2
BY 16792 C1 2013.02.28
При этом при использовании синтез-газа в качестве топлива для газовых турбин или химического сырья к нему предъявляются высокие требования. Например, при использовании синтез-газа в химической промышленности для производства метанола, спиртов и др.
отношение H2/CO должно быть близким к 2, а сумма примесей (CO2, C2H4, C2H2, CH4 и
т.д.) не должна превышать 1 % по объему. Последнее определяет нижний температурный
уровень процесса газификации - 1200 °С. Перспективной технологией для получения высококачественного синтез-газа является плазменная технология. Высокие температуры и
легко регулируемые температуры и химический состав среды в реакторе, возможность
нагрева любых окислителей и теплоносителей - все это должно позволить получать синтез-газ высокого качества в одно-двухстадийном технологическом процессе и с минимальными экологическими издержками.
Известен способ получения синтез-газа из отходов пластмасс в плазменном реакторе в
среде водяного пара и двуокиси углерода, включающий регулируемую подачу гранул пластика размером 3-5 мм, их термическую деструкцию и газификацию с отводом получаемых газообразных продуктов в охладитель [1]. Газификация сырья проводится в реакторе
камерного типа, в котором осуществляется тепломассообмен между плазменной струей
окислителя, вводимой по оси реактора, и гранулами сырья, распределенными по его боковой поверхности. Недостатками известного способа являются высокое (5-8 %) объемное
содержание примесей в синтез-газе и трудности в управлении процессом.
Известно также устройство для получения синтез-газа из отходов пластмасс, содержащее плазмотермический реактор, двухструйный плазмотрон, узел регулируемого ввода
дисперсного сырья, а также узлы вывода синтез газа и твердых частиц, в котором плазмотермический реактор состоит из связанных газоходом плазменного и циклонного реакторов, при этом плазменный реактор выполнен в форме стакана, закрытого сверху тепловым
жаростойким экраном, слоем теплоизоляции и водоохлаждаемой крышкой, через которые
в плазменный реактор введены сопла элетродных узлов двухструйного плазмотрона, а
также сопла узла ввода сырья, снабженные устройством подачи водяного пара и метана,
при оговоренном отношении высоты плазменного реактора к его диаметру не менее 1,5,
при установке нижней части циклонного реактора ниже газохода, с камерой для улавливания, сбора и удаления твердых частиц [2, 3]. Это устройство выбрано нами за прототип.
В данном устройстве использован двухструйный V-плазмотрон, работающий на водяном паре, в струю которого через специальное устройство ввода подаются пластмассовые
гранулы диаметром 3-5 мм. При этом двухфазная струя, образованная плазмой и гранулами, натекает на дно реактора, где образуется ванна расплава, в которой происходит плавление, деструкция и газификация подаваемого сырья. Продукты газификации движутся по
периферии плазменного реактора и затем тангенциально вводятся в циклонный реактор, в
котором происходит окончательная более полная газификация углеводородов. Согласно
[3], испытания реактора показали, что при переработке полиэтилена получены расчетные
концентрации водорода в синтез-газе при пониженных по отношению к термодинамическому расчету концентрациях СО, что авторы объясняют частичным переходом получаемого углерода в сажу. Так, более детальная расчетная оценка авторами результатов этих
испытаний показала, что около 5,5 % углерода переходит в сажу из-за недостаточного
времени контакта для прохождения реакции C + H2O → CO + H2. При этом варьирование
отношения C/O в широких пределах (от 0,9 до 1,2) картины существенно не изменяет.
Причиной такой ситуации можно считать недостаточно развитые поверхности реагентов
для протекания реакции окисления углерода в CO как в гранулах пластика, так и на поверхности расплава, а также недостаточное перемешивание компонентов в газовой фазе за
время пребывания в реакторе. Термический КПД реактора, по данным авторов, составил
около 80 %, а энергозатраты на получение синтез-газа - 5,5-6 МДж/нм3, что выше, чем
в [1].
3
BY 16792 C1 2013.02.28
Целью настоящего изобретения является повышение термического КПД реактора и
снижение энергозатрат на получение синтез-газа по сравнению с известными установками
при одновременном повышении качества синтез-газа за счет уменьшения выхода сажи.
Поставленная цель достигается тем, что реактор содержит цилиндрическую реакционную
камеру из жаростойкого материала, узлы регулируемого ввода сырья, а также вывода и
сбора получающихся продуктов, при этом реакционная камера закрыта с обоих торцов
крышками с тепловым жаростойким экраном, а в их центре установлены катодный и
анодный плазмотроны с проникающей дугой и замыканием тока через встречные плазменные струи, с межэлектродными вставками, снабженными вихревой регенеративной
заградительно-конвективной защитой, обращенными своими соплами навстречу друг другу, при этом камера окружена спиральной улиткой отвода получаемых продуктов, выполненной также из жаростойкого материала и соединенной каналами с внутренностью
реакционной камеры, а для управления полями концентраций и скоростей дисперсной фазы в плазменных струях и зоне их встречи, влияющих на процессы ее дробления и физико-химического взаимодействия с газовой фазой, на сопла межэлектродных вставок
соосно одеты узлы регулируемого ввода двухфазного потока с торцевым зазором, образующим при радиальном сходящемся к оси истечении сужающееся кольцевое проходное
сечение для последующего сверхзвукового истечения за счет разворота с расширением
вокруг кромки выходного отверстия, в виде концентрического кольца, охватывающего
плазменную струю, при задании критического перепада давлений на устройстве, вычисляемого по формуле [4, 5]
k
P  2  k −1
(1)
δcr = 1 ≥ 
 ,
P2  k + 1 
где k - показатель адиабаты транспортирующего газа или пара в узле ввода двухфазного
потока;
P1 -давление транспортирующего газа или пара в узле ввода двухфазного потока;
P2 - давление газа в реакторе.
Величина этого перепада легко задается величиной торцевого зазора и расхода двухфазного потока в узле его ввода за соплом межэлектродной вставки.
Для повышения термического КПД реактора межэлектродные вставки плазмотронов
состоят из трех коаксиальных труб, вставленных одна в другую, при этом зазор между
наружной и средней трубами соединен газоходом с источником сжатого плазмообразующего газа или пара в верхнем по потоку сечении и через перфорационные отверстия в ее
стенке с зазором между средней и внутренней трубами в нижнем сечении, все кольцевые
зазоры между трубами со стороны сопла заглушены, а на наружной поверхности самой
внутренней трубы, вставленной в обхватывающую ее среднюю, выполнены винтовые каналы, сообщающиеся на противоположном от заглушенного торца конце с межэлектродным зазором 2-3 мм между вставкой и прилегающим катодом или анодом, а на ее
внутренней поверхности прорезаны кольцевые или спиральные проточки глубиной, превышающей толщину ее стенки в винтовых каналах, так что последние сообщаются через
указанные проточки с внутренней полостью трубы, образующей разрядный канал для
вихревой стабилизации электрического разряда внутри межэлектродной вставки, направления же винтовых каналов на внутренней трубе для катодного и анодного плазмотронов
противоположны - правое и левое соответственно, благодаря чему в зоне встречи плазменных струй направления их закрутки совпадают.
Так как для получения высококачественного синтез-газа с содержанием примесей менее 1 % требуется поддержание температуры в реакторе всего 1200-1300 °С [2,3], что значительно ниже температуры в дуговом разряде (6000-10000 K), это позволяет работать на
повышенных расходах плазмообразующих газов, значительно превышающих минимально
потребные для вихревой стабилизации дуговых разрядов в плазмотронах и обеспечения
4
BY 16792 C1 2013.02.28
их нормальной работы. Так, например, при температуре 1200 °С энтальпия воздуха составляет около 2 МДж/кг, а водяного пара - около 5 МДж/кг. При мощности плазмотрона
100 кВт для получения такой энтальпии при полном использовании энергии дугового разряда потребный расход воздуха составит 50 г/с, а воды - 20 г/с. Такие расходы позволяют
организовать конвективно-заградительную регенеративную систему тепловой защиты
разрядного канала межэлектродной вставки только рабочим телом (паром или газом), без
применения водяного охлаждения, с целью повышения термического КПД. Подобные системы широко применяются в ракетных двигателях, работающих на жидком топливе. Если техпроцесс в реакторе потребует ввода дополнительного расхода газов, их также
можно ввести через плазмотронов, тогда задача тепловой защиты вставки еще упростится.
Большой расход не повлияет на устойчивую работу плазмотронов, если устранить влияние расхода на наиболее чувствительные к газодинамическому режиму процессы шунтирования дуговых привязок на холодных электродах или в зоне встречи двух токонесущих
плазменных струй, как, например, в V-образном плазмотроне, использованном в прототипе [2]. Известна попытка создания подобного плазмотрона с регенеративным охлаждением, описанная в [6]. Плазмотрон в [6] имел торцевой термоэмиссионный катод и
традиционный трубчатый медный анод. В такой конструкции максимальный допустимый
расход газа ограничивается условиями существования устойчивых дуговых привязок на
аноде - при слишком больших расходах дуга выдувается из такого анода и гаснет. Поэтому авторы получили на таком плазмотроне термический КПД только 65-80 %, согласно
[6].
В предлагаемой конструкции устойчивость работы при больших расходах достигается
замыканием тока через встречно направленные плазменные струи, при которой точка замыкания не зависит от расходов, если обе струи обладают равными импульсами, что легче
всего выполнить при работе обоих плазмотронов на одинаковых газах и равных расходах.
При работе на разных газах положение точки замыкания можно всегда откорректировать
расходами через каждый плазмотрон. Режим работы такого реактора со встречными токонесущими плазменными струями близко соответствует режиму работы плазмотрона с боковым выходом плазменной струи, который, по опыту авторов, способен работать на
очень больших расходах, если уменьшить поперечный обдув дуги в зоне отвода боковой
плазменной струи, например, с помощью кольцевого диффузора или же просто тангенциального отвода газа с периферии вихревого потока [7]. В данной конфигурации реактора
обеспечен симметричный радиальный отвод газа из зоны встречи струй, что обеспечивает
устойчивое замыкание тока дуги в этой зоне. Так как данный плазмотрон работает с неподвижными дуговыми привязками на термоэмиссионном катоде и торцевом медном аноде
с аргоновой защитой, это обеспечивает его низкую чувствительность к величине расхода в
целом.
Плазмотрон имеет только миниатюрные водоохлаждаемые элементы - термоэмиссионный катод и медный торцевой анод, работающие с неподвижным дуговым пятном, стабилизированным в их центре. Тепло от дуги поступает в них практически только через
дуговое пятно, поэтому тепловые потери здесь незначительны. При испытаниях такой
межэлектронной вставки (далее МЭВ), изготовленной из низкоуглеродистой конструкционной стали без применения в ней цветных металлов, на водяном паре и воздухе тепловые
потери в катод составили 2,5 % от мощности разряда, при токах 80-120 А и напряжениях
410-220 В соответственно. Катодный плазмотрон данного типа с гафниевой тероэмиссионной вставкой на катоде успешно работал длительное время в стационарном режиме при
подаче в него всего 2 г/с водяного пара или 5 г/с воздуха с медным водоохлаждаемым
анодом и с магнитным соленоидом, моделировавшим анодный оппозитный плазмотрон.
Среднемассовая энтальпия на срезе сопла при работе на паре составила 20 МДж/кг, что
говорит о возможности увеличения расхода в 4 раза для получения энтальпии 5 МДж/кг,
5
BY 16792 C1 2013.02.28
необходимой для данного реактора, что обеспечит еще более легкие термические условия
работы МЭВ плазмотрона.
На фиг. 1 изображена принципиальная схема реактора со вспомогательными системами и коммуникациями.
На фиг. 2 плазмотрон дан без вспомогательных систем и коммуникаций в увеличенном масштабе и в разрезе, и на нем показаны стрелками схемы вихревых течений плазмообразующего газа. В отдельных окнах "А" и "Б" в еще более увеличенном масштабе
показан характер сверхзвукового разворота технологического двухфазного потока с расширением в зазорах 1 мм (вид "А") и 0,5 мм (вид "Б") для угла поворота стенки сопла 60°
и холодного воздуха или азота в качестве транспортирующего газа (k = 1,4).
Реактор имеет стальной охлаждаемый водой или газом корпус 1, внутри которого размещена огнеупорная футеровка 2, выполненная из жаростойкого керамического материала, например огнеупорного бетона, которая дополнительно может быть термоизолирована
от корпуса пластичным огнеупорным материалом низкой теплопроводности, например, на
основе кварцевого волокна. Футеровка образует цилиндрическую реакционную камеру 3 с
двумя торцевыми плоскими крышками - 4 и 5, в центре которых установлены катодный 6
и анодный 7 плазмотроны, направленные соплами навстречу друг другу. Футеровка 2
снабжена рядом сквозных каналов 8, сообщающих ее внутренний объем с полостью сборного улиточного устройства 9, стенки которого также облицованы огнеупором 10. Плазмотроны для удобства эксплуатации и безопасности могут быть запитаны от двух
последовательно соединенных источников электропитания 11 и 12 с заземленной стредней точкой 13 на корпусе реактора. Корпус каждого плазмотрона через балластный резистор 14 и контактор 15 соединен с торцевым электродом 16 (катодом или анодом),
которые соединены с соответствующими источниками напрямую. Источники сжатого
транспортирующего газа или пара 17 через регулятор давления 18 и питатель дисперсного
материала 19 подключены газоходами к штуцерам 20 подачи двухфазного потока в реактор. Аналогичным образом источники сжатого плазмообразующего газа 21 через регуляторы давления 22 подключены газоходами к штуцерам подачи плазмообразующего газа
23. Реактор снабжен также приборами измерения давления 24 (например, манометрами)
внутри реактора и внутри устройства ввода двухфазного потока.
На фиг. 2 в увеличенном виде мы видим более детально устройство плазмотрона. Его
главным элементом является газовихревая межэлектродная вставка 25, изготовленная,
например, из низкоуглеродистой стали и являющаяся главным элементом, стабилизирующим дуговой разряд с помощью вихревого течения газа или пара в ее цилиндрической
полости. Вставка состоит из трех коаксиальных труб, вставленных одна в другую - 25, 26
и 27. Снаружи на вставку с кольцевым зазором надето устройство подачи двухфазного
материала 28. На наружной поверхности внутренней трубы 25 нарезаны винтовые каналы
29, которые имеют противоположное направление закрутки для катодного и анодного
плазмотронов (левый и правый винты). Внутренняя труба изнутри прорезана рядом кольцевых щелей 30 с глубиной, превышающей толщину ее стенки в винтовых наружных каналах, так что полости винтовых каналов снаружи трубы и ее внутренняя полость
сообщаются через эти щели между собой. На наружной поверхности средней трубы нарезаны продольные шлицы 31, а на ее противоположном от штуцера подвода газа 22 конце
стенка перфорирована сквозными отверстиями 32, так что полости шлицев 31 сообщаются
с полостями винтовой нарезки 29 на внутренней трубе. Полость винтовой нарезки 29 на
противоположном от сопла конце выходит в межэлектродный зазор 33 величиной 2-3 мм
между торцем внутренней трубы 25 и торцем прилегающего электрода 16, разделенными
электрическим изолятором 34.
Отметим, что в традиционных вихревых плазмотронах с тангенциальным вводом рабочего газа в межэлектродный зазор температура вводимого газа ограничивается в значительной степени допустимой температурой электрической изоляции, обдуваемой
6
BY 16792 C1 2013.02.28
вводимым газом. Из-за применения завихрителей с тангенциальными каналами геометрия
расположенных здесь электрических изоляторов получается весьма сложной, что требует
их механической обработки для изготовления, что хорошо видно из атласа классических
конструкций плазмотронов, выпущенных в Новосибирске под редакцией академика
М.Ф. Жукова в 1980 г. [8]. Это делает невозможным изготовление межэлектродных изоляторов плазмотронов из таких термостойких, но твердых и труднообрабатываемых материалов, как керамики. В нашей конструкции МЭВ это ограничение устранено применением
винтовых каналов в межтрубном зазоре для генерации вихревого потока. Изоляторы при
этом имеют форму простых цилиндрических колец, легко прессуемых из многих видов
керамики, например из оксида алюминия с рабочей температурой более 2000 K без применения механической обработки. В качестве уплотнительных материалов для такой керамики мы использовали клееный материал на основе чешуек слюды ("слюдинит" или
"миканит") с содержанием связующего менее 5 %, производимого электротехнической
промышленностью и способного работать при температурах, значительно превышающих
1000 °С. Потеря небольшого количества связующего в процессе работы не влияет на его
работоспособность. Применение таких изоляторов позволяет с уверенностью использовать в реакторе данную межэлектродную вставку без водяного охлаждения. Кроме того,
при температуре 1200 °С в реакторе газ из реактора можно направить во второй аналогичный при их последовательном соединении, если это окажется необходимым для увеличения полноты переработки. Конструкция второй, более горячей, МЭВ для этой цели может
быть выполнена из такого жаростойкого и относительно недорогого металла, как молибден, взамен стали в первой ступени.
Работает реактор следующим образом. Для запуска реактора в межэлектродные вставки подается через штуцеры 23 плазмообразующий газ, образующий в них вихревой поток.
Контакторы 15 замыкаются, и между межэлектродными вставками и электродами высоковольтным импульсом поджигаются вспомогательные дуговые разряды, питание которых
происходит от источников электропитания 11 и 12 соответственно, через балласты 14. Как
только генерированные вспомогательными дугами струи сомкнутся в реакторе, через них,
минуя эти балласты, под действием удвоенного напряжения последовательно соединенных источников электропитания потечет ток основной электрической дуги, горящей между катодом и анодом оппозитных межэлектродных вставок. Так как вспомогательные
дуговые разряды оказываются зашунтированными основной электрической дугой, обладающей, как и вспомогательные разряды, нисходящей вольтамперной характеристикой,
питающиеся через балласты слаботочные разряды автоматически гаснут ввиду дефицита
напряжения для их поддержания через балласты, а основная дуга выходит на стационарный режим горения. После этого контакторы 15 могут быть разомкнуты. Для питания такого реактора необходим выпускаемый промышленностью для дуговых нагрузок
специальный источник постоянного тока, с автоматическим поддержанием его величины
на заданном уровне, например, с помощью тиристорного управления.
Поданный в штуцеры 23 плазмообразующий газ или пар течет по шлицам 31 в сторону сопла, где попадает в перфорационные отверстия 32 и через них - в винтовые каналы
29, по которым течет в сторону межэлектродного зазора 33. По пути часть газа ответвляется в кольцевые проточки 30 и попадает через них во внутренний разрядный канал трубы
25, обеспечивая благодаря закрутке газа в винтовых каналах вихревую стабилизацию дугового разряда. Масса газа, поступающая из винтового канала в эти проточки, обладает,
благодаря наличию нормальной к оси потока компоненты скорости, определенным моментом количества движения mυR относительно его оси. Здесь m - масса, υ - скорость, R текущий радиус частицы газа. Согласно основным свойствам вихревых течений, при переносе некоторой массы на меньший радиус внутри проточки и далее в стабилизирующем
канале - там, где есть радиальный перенос массы к оси, скорость вращения этой массы
возрастает в соответствии с потенциальным законом [4, 5]
7
BY 16792 C1 2013.02.28
(1)
υRα = const(α < 1).
Это и создает основной стабилизирующий дугу эффект.
Соотношение расходов, подводимых в межэлектродный зазор 33 и проточки 30 задается глубиной и шириной этих проточек, числом заходов винтовой нарезки на наружной
поверхности трубы, а также количеством и расположением проточек на трубе. Так как два
противоположных плазмотрона имеют противоположное направление винтовой нарезки,
это обеспечивает согласованное вращение образующейся плазменной струи в зоне встречи плазменных струй в реакторе. Для уменьшения сопротивления тангенциальные каналы
8 в огнеупорной вставке, отводящие продукты реакции, также ориентированы в направлении закрутки.
На фиг. 2 в окнах "А" и "Б" в увеличенном масштабе показаны линии тока на выходе
из питающих сопел транспортирующего газа с дисперсным материалом. Здесь сплошной
линией "Л" показана внутренняя граничная линия тока кольцевой струи со стороны плазмы, которая рассчитана аналитически для воздуха при k = 1,4 по методу характеристик
при обтекании внешнего тупого угла в плоском течении Прандтля-Майера [4, 5]. Для осесимметричного течения расчет более сложен, но основные качественные закономерности
такого течения хорошо сохраняются и в плоской модели. При наличии критического перепада давления здесь происходит поворот трансзвукового потока в пучке волн разрежения, показанных на рисунке и исходящих из вершины угла в точке "М". Величина
критического перепада давления равна [4, 5]
k
 2  k −1
(2)
 .
δcr =
= 
P2  k + 1 
Здесь k - показатель адиабаты, P1 - полное давление в сопле; P2 - давление на выходе
из сопла. Для азота при температуре 300 K k = 1,4 и P1/P2 = 1,892, а для гелия k = 1,667 и
P1/P2 = 2,053.
При этом максимальный угол поворота потока относительно первоначального направления определяется разницей давлений на входе и выходе из сопла, а начальный радиус
граничной линии тока - величиной зазора, измеренного по нормали к вектору скорости
перед поворотом. Этот зазор можно регулировать, изменяя таким образом начальный радиус поворота потока, влияющий на радиус кривизны внутренней линии тока и положение точки слияния кольцевой двухфазной струи с плазменной струей. Величина же угла
поворота в пучке волн разрежения вокруг угловой точки "М" будет зависеть от перепада
давления в тракте подвода двухфазного потока 20 и внутри реактора. Так как плотность
дисперсной твердой или жидкой фазы примерно на 3 порядка превышает плотность газовой фазы, частицы материала ввиду выпуклости линий тока внутрь струи под действием
центробежных сил будут уходить с расчетных линий тока, рассчитанных для газа, в сторону оси струи, коцентрируясь вблизи оси. Концентрация материала в приосевой зоне будет зависеть в итоге от величины зазора кольцевого сопла и перепада давлений на нем, а
также от угла конуса в кольцевом зазоре. Величину зазора и перепада давлений можно
регулировать в процессе работы, изменяя таким образом концентрацию материала в зоне
реакции, а угол конуса - сменой сопла. Частота столкновений частиц материала и их
дробление, а также время пребывания в зоне реакции будет зависеть от концентрации материала. Встречное столкновение частиц будет способствовать их дроблению, уменьшению проникновения во встречную струю и более быстрому радиальному выносу из зоны
реакции. Для управления этим эффектом, помимо регулирования концентрации материала, можно использовать поочередное переключение подачи материала между встречными
питающими соплами, что будет устранять встречные столкновения частиц, увеличивать
глубину проникновения материала во встречную струю и время его пребывания в зоне реакции [9-16]. Таким образом, процессы в таком реакторе могут быть управляемы гидродинамическими методами с целью их оптимизации для каждого вида материала и
P1
8
BY 16792 C1 2013.02.28
размеров частиц. Сверхзвуковой ввод двухфазного потока благоприятен для увеличения
скорости дисперсной фазы и глубины ее проникновения во встречную струю, интенсифицируя процессы тепло-массообмена за счет усиленного обдува частиц и увеличения времени их пребывания в зоне встречи струй за счет возвратно-поступательных перемещений
из струи в струю [9-16]. Управление полями концентраций и скоростей двухфазной среды
в таком реакторе, влияющими на процессы физико-химического взаимодействия и столкновений частиц, может производиться путем управления разворотом сверхзвукового потока в устройстве ввода двухфазного потока за счет изменения величины кольцевого
критического сечения и перепада давлений на входе в это устройство, а также химическим
составом рабочих газов в межэлектродных вставках и устройствах ввода, куда можно дополнительно вводить, например, воду, метан или другие газы с целью поддержания оптимального состава генерируемого синтез-газа.
Источники информации:
1. Артамонов А.Г. Переработка различных органических отходов в плазмохимическом
реакторе. Аппараты высокотемпературной техники. - М.: МИХМ, 1988. - С. 56-75.
2. Патент РФ RU 2 213 766 C1, МПК C 10J 3/18, 3/20, C 10G 15/12, 2003 (прототип).
3. Багрянцев Г.И., Ващенко С.П., Лукашов В.П., Тимошевский А.Н. Плазмотермическая переработка твердых отходов. В сб. серии "Низкотемпературная плазма". Т. 20. - Новосибирск, 2004. - С. 328-240.
4. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. - М.: Наука, 1969. - С. 830.
5. Сергель О.С. Прикладная гидрогазодинамика. - М.: Машиностроение, 1983. - 374 с.
6. Борискин С.П., Горожанкин Э.В., Токарев Ю.М. Плазмотрон с распределенным
вводом рабочего газа. В трудах XI Всесоюзной конференции по генераторам низкотемпературной плазмы. Ч. 1. - Новосибирск, 1989. - С. 82-83.
7. А.с. СССР 1515999, МПК H 05B 7/22, 1989.
8. Электродуговые плазмотроны. Рекламный проспект / Под ред. чл.-корр. АН СССР
М.Ф. Жукова. АН СССР. Сиб.отд. Институт Теплофизики, СКБ "Энергохиммаш". - Новосибирск, 1980. - С. 84.
9. Мельцер В.Л., Эльперин И.Т., Галерштейн Д.М. Движение частиц твердой фазы во
встречных струях газовзвеси // ИФЖ. - Т. XV. - № 6. - 1968. - С. 1034-1040.
10. Эльперин И.Т., Мельцер В.Л., Левенталь Л.И. Движение твердой частицы во
встречных газовых струях. В сб. "Тепло- и массоперенос в аппаратах с дисперсными системами". - Минск: Наука и Техника, 1970. - С. 83-91.
11. Мельцер В.Л., Эльперин И.Т. О движении одиночной частицы в аппарате со
встречными струями. В сб. "Исследования по конвективному тепло- и массообмену". Минск: ИТМО АН БССР, 1970. - С. 334-343.
12. Эльперин И.Т., Мельцер В.Л., Левенталь Л.И., Фатеев Г.А., Енякин Ю.П. К расчету на ЭЦВМ параметров движения частиц дисперсного материала во встречных струях //
Изв. АН БССР. - Сер. Физ.-энергет. наук. - № 2. - 1972. - С. 95-100.
13. Эльперин И.Т., Мельцер В.Л., Павловский Л.Л., Енякин Ю.П. Процессы переноса
во встречных струях (газовзвеси). - Минск: Наука и Техника, 1972. - С. 216.
14. Белобородое Ю.П., эльперин И.Т., Моссэ А.Л., Мельцер В.Л., Шкурко Л.С., Сагарда М.В. Исследование плазменных реакторов со встречными струями. В сб. "Высокотемпературный тепло- и массоперенос". - Минск: ИТМО АН БССР, 1975. - С. 129-139.
15. Мельцер В.Л., Писарик Н.К. Межфазовый теплообмен при взаимодействии одно- и
двухфазной встречных струй. В сб. "Тепломассообмен-VI", Материалы VI Всесоюзной
конференции по тепломассообмену. - Минск: ИТМО АН БССР, 1980. - С. 132-135.
9
BY 16792 C1 2013.02.28
16. Эльперин И.Т., Мельцер В.Л., Байда М.М., Сагарда М.В. Численный анализ движения дисперсного материала во встречных струях газовзвеси // Изв. Ан БССР. - Сер.
Физ.-энергет. наук. - № 4. - 1978. - С. 114-117.
Фиг. 2
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
10
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
409 Кб
Теги
патент, by16792
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа