МАШИНОСТРОЕНИЕ

ГЕНЕРАТОРЫ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ (ПЛАЗМОТРОНЫ)

Основой для создания низкотемператур­ной плазмы является газоразрядная техника, в частности, плазмотроны или плазменные гене­раторы. Вид их зависит от того, какой тип раз­ряда в них используется. Практическое приме­нение находят устройства, использующие ду­говой, высокочастотный, сверхвысокочастот­ный и, в некоторых случаях, оптический разря­ды. В настоящее время наибольшее распро­странение получили электродуговые и высоко­частотные плазмотроны.

Дуговые плазмотроны. В них реализу­ется дуговой разряд при больших токах (от единиц ампера до десятков килоампер и более). Размер дуги может изменяться от нескольких миллиметров до 1 м и более, а ее мощность достигать десятков мегаватт. Принцип дейст­вия дугового плазмотрона прост - между элек­тродами зажигается разряд, который нагревает обдувающий его газ до высокой температуры. Дуговой плазмотрон постоянного тока состоит из следующих основных узлов: одного (катода) или двух (катода и анода) электродов, разряд­ной камеры и узла подачи плазмообразующего вещества.

Конструктивно плазмотроны могут быть организованы разными способами. Основными среди них являются следующие:

С традиционным осевым расположением электродов (линейные). Дуга 1 горит между двумя водоохлаждаемыми электродами 3 (рис. 4.6.1, а). Плазмообразующий газ /, по­дающийся тангенциально к разряду, выносит плазменную струю за пределы разрядного промежутка. У линейных плазмотронов дости­гается наибольшая протяженность плазменного разряда, что позволяет увеличить среднее вре­мя пребывания химических агентов в активной зоне и расширяет возможность варьирования условий проведения плазмохимических реак­ций. Дуга стабилизируется потоком плазмообра­зующего газа, подаваемого в дуговую камеру 4 тангенциально с помощью вихревой газофор - мирующей головки. Так как при горении раз­ряда дуговое пятно непрерывно перемещается
по относительно протяженной поверхности анода, такие конструкции имеют повышенный ресурс работы;

С коаксиальным расположением электро­дов (рис. 4.6.1, б) и с тороидальными электро­дами (рис. 4.6.1, в). Отличаются компактно­стью конструкций, однако имеют относительно малую активную зону и значительный износ материалов электродов, что, с одной стороны, сокращает ресурс работы, а с другой, - интен­сивно загрязняет плазму продуктами их эро­зии. Для уменьшения быстрого разрушения электродов в такие схемы часто добавляют устройство магнитного вращения дуги. Такие плазмотроны отличаются повышенной устой­чивостью горения разряда в широком диапазо­не расходов плазмообразующего газа;

С двусторонним истечением плазмы (рис. 4.6.1, г). Являются аналогом плазмотронов с осевым расположением электродов и отли­чаются симметричным способом ввода плаз­мообразующего газа в зону разряда, при кото­ром он распространяется в двух диаметрально противоположных направлениях. В этом слу­чае обеспечивается непрерывное перемещение дуговых пятен анода и катода, что приводит к увеличению ресурса их работы;

С расходуемыми электродами

(рис. 4.6.1, д. е). Применяются в случае, если одним из реагентов плазмохимической реакции может служить материал электрода самого плазмотрона.

Для изготовления электродов электроду­говых плазмотронов применяют тугоплавкие металлы, такие как вольфрам, молибден, цир­коний, гафний или специальные сплавы. Ре­сурс работы вольфрамового катода при токах до 1000 А составляет несколько сотен часов и определяется в основном природой плазмооб­разующего газа. Катоды выполняются из цир­кония или гафния, наиболее устойчивых мате­риалов при работе дуговых плазмотронов в окислительных средах. На поверхности этих материалов образуется оксидная пленка, с од­ной стороны, хорошо проводящая электриче­ский ток при высоких температурах, а с дру­гой, - предохраняющая металл от дальнейшего быстрого окисления.

Часто электроды дугового плазмотрона выполняют в виде медных водоохлаждаемых конструкций. Эрозия медных электродов при­близительно на два порядка выше чем, напри­мер, циркониевых, при одних и тех же условиях.

Отверстие разрядной камеры, через кото­рое истекает плазма, называется соплом плаз­
мотрона. В некоторых типах дуговых плазмо­тронов границей сопла является кольцевой или тороидальный анод. Различают две группы дуговых плазмотронов - для создания внешней плазменной дуги и для создания плазменной струи. Аппараты первой группы имеют всего один электрод (катод), а анодом служит само обрабатываемое тело (рис. 4.6.1, с)). В плазмо­тронах второй группы плазма горит между двумя электродами (катодом и анодом) и за счет поступающего плазмообразующего газа истекает из разрядной камеры в виде узкой длинной струи.

Стабилизация разряда в дуговых плазмо­тронах осуществляется магнитным полем, по­токами газа и стенками разрядной камеры и сопла. Один из распространенных способов магнитной стабилизации плазменно-струйных плазмотронов с анодом в форме кольца или тора, коаксиального катоду, состоит в создании с помощью соленоида сильного магнитного поля, перпендикулярного к плоскости анода, которое вынуждает токовый канал дуги непре­рывно вращаться, обегая анод. При этом анод­ные и катодные пятна дуги постоянно переме-

Щаются по кругу, что предотвращает расплав­ление электродов или их интенсивную эрозию.

Газовая стабилизация разряда осуществ­ляется путем тангенциальной подачи стабили­зирующего газа в разрядный промежуток, при этом горячая дуга оттесняется от стенок раз­рядной камеры, предохраняя последнюю от чрезмерного нагрева и раф\шения. Однако при вихревой стабилизации лчгового разряда происходит и некоторое сжатие потока плазмы, что ведет к уменьшению объема реакционной зоны, поэтому в некоторых случаях стабилизи­рующий газовый поток не закручивают, а на­правляют параллельно столбу дуги. Обычно стабилизирующий газ одновременно является и плазмообразующим веществом. Пример рас­чета дугового плазмотрона линейной схемы рассмотрен в [30].

Мощность дуговых плазмотронов колеб­лется в диапазоне 0,1... 104 кВт; температура струи на срезе сопла 3000...25 000 К; скорость истечения струи 1...104м/с; промышленный КПД 50...90 %; ресурс работы достигает не­сколько сотен часов; в качестве плазмообра- зующих веществ используют воздух, N2, Аг, Н2. NH4, 02, Н20, газообразные углеводороды.

К недостаткам дуговых плазмотронов следует отнести невозможность получения чистой плазмы, свободной от примесей. Посто­янное разрушение электродов дугового плаз­мотрона и загрязнение продуктами их эрозии плазмы не позволяет использовать эти аппара­ты в тех плазмохимических процессах, к кото­рым предъявляют высокие требования по чис­тоте получаемых продуктов.

Высокочастотные плазмотроны могут быть как электродными, использующими ко­ронный, факельный разряды, так и безэлек­тродными - высокочастотные индукционные (ВЧИ), емкостные (ВЧЕ), сверхвысокочастот­ные (СВЧ). Основные преимущества безэлек­тродных плазмотронов перед электродными (в том числе электродуговыми) заключаются: в высоком ресурсе работы (несколько тысяч часов); в отсутствии загрязнения получаемых в плазмохимическом реакторе материалов про­дуктами эрозии электродов; в возможности работы на чистом кислороде или на других агрессивных плазмообразующих газах.

Высокочастотные факельные плазмо­троны имеют один заостренный электрод, к которому приложен ВЧ-потенциал, достаточ­ный для пробоя газа и создания плазменного факела (рис. 4.6.2), в который поступает по-

Рошкообразное сырье для проведения плазмо - химической реакции. Так как электрод 1 такого плазмотрона непосредственно соприкасается с разрядом, он подвергается определенной эро­зии. Ресурс работы таких аппаратов мощно­стью 20...40 кВт составляет порядка 1000 ч. Поскольку ВЧ-энергия подводится непосредст­венно в зону разряда, отсутствует необходи­мость изготовлять разрядную камеру из ди­электрических материалов, и она может быть выполнена из металла.

Высокочастотные индукционные (ВЧИ) плазмотроны являются наиболее распростра­ненными из безэлектродных плазмотронов. Их отличает высокая надежность в эксплуатации, относительная простота конструкции и боль­шой ресурс работы. Принцип действия их ос­нован на возбуждении разряда специальным индуктором в виде многовитковой катушки, выполненной из медной водо охлаждаемой трубки. Внутрь индуктора вставлена разрядная камера, в которой возбуждается разряд. Мате­риал разрядной камеры должен быть прозрач­ным для ВЧ-электромагнитного поля, обычно это кварц. На рис. 4.6.3 показана конструкция металлургического ВЧИ-плазмотрона с квар­цевой разрядной камерой, описанной в [37].

Вместе с тем, в случае проведения плаз- мохимических реакций, использующих двух­фазные потоки, срок службы кварцевых раз­рядных камер становится весьма ограничен­ным вследствие попадания на них горячей твердой фазы. При этом часто происходит ее вплавление в стенки камеры, что приводит к постепенному нарушению режима работы плазматрона.

Известно, что замкнутый цилиндр из электропроводного материала непрозрачен для электромагнитного поля, однако если сделать в этом цилиндре хотя бы один продольный раз­рез, то поле свободно проникнет внутрь. По­этому металлические газоразрядные камеры для ВЧИ-плазмотронов делают разрезными или секционными. Специальные разрезные водоохлаждаемые металлические разрядные камеры обычно изготовляют из меди, т. е. из материала с хорошей электропроводностью. На рис. 4.6.4 представлены разные варианты кон­структивных решений для секционных метал­лических газоразрядных камер, различающих­ся между собой числом секций и их формой.

Частота работы ВЧИ-плазмотронов 200 кГц...40 МГц, мощность может достигать 1 МВт, КПД промышленных установок 50... 60%.

Помимо ВЧИ, в технике находит приме­нение еще одна разновидность ВЧ-безэлек - тродных плазмотронов - ВЧЕ-плазмотроны. Емкостные ВЧ-плазмотроны имеют внешние электроды, число и расположение которых относительно разрядной камеры может изме­няться. Из ВЧЕ-плазмотронов с продольным продувом плазмообразующего газа наиболее простым является конструкция с тремя электро­дами. В этом случае высоковольтный электрод располагается между двумя заземленными (рис. 4.6.5) [37]. К недостаткам ВЧЕ-плазмо - тронов можно отнести невысокий КПД уста­новки (30... 50%).

Так как индукционный и емкостной вы­сокочастотные разряды являются безэлектрод­ными, плазмотроны на их основе используют для нагрева активных газов (02, С12, воздуха и др.), паров агрессивных веществ (хлоридов, фторидов и др.), а также в том случае, если требуется генерировать особо чистую плазму.

При выборе генератора низкотемпера­турной плазмы учитывают требуемую мощ­ность, ресурс работы на плазмообразующем газе заданного химического состава, парамет­ры плазменной струи (температуру, скорость, допустимость загрязнений продуктами эрозии электродов и др.). Так, если отсутствуют спе­циальные требования к чистоте целевого про­дукта, то чаще всего выбирают установки на основе электродуговых плазмотронов. Их при­меняют также в тех случаях, когда требуемая мощность превышает 300...500 кВт, что реали­зуется намного проще.