Школа по плазмохимии для молодых ученых России и стран СНГ

[ О Школе|Лекции|Секция 1|Секция 2|Секция 3|Секция 4|Секция 5|Cодержание |

ПЛАЗМАТРОННАЯ ТЕПЛОГЕНЕРАТОРНАЯ УСТАНОВКА И ИССЛЕДОВАНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ.

Татыбеков А. Т., Жеенбаев Ж. Ж., Сабаев К. У., Мукалаев К. О., Борт В. Б. Джанибеков Т. Дж.

root@nan.freenet.kg

Институт физики НАН КР, г. Бишкек.

Интерес к плазменным установкам как источникам мощных тепловых потоков в относительно малом объеме возник сравнительно давно из - за возможности широкого применения в промышленности /1,2/. Ранее нами проведены исследования по использованию электрической энергии для отопления электродными котлами /3/. Были предприняты попытки использования в этих целях непосредственно плазменного факела. Такая необычная задача была поставлена как альтернатива известным способам и устройствам, на которых использованы электронагреватели. С этой целью были разработаны и испытаны в лабораторных условиях несколько вариантов плазматронных теплогенераторных установок.

Плазматронной теплогенераторной установкой (ПТГУ) назван плазматрон со вспомогательным технологическим оборудованием и теплообменником, позволяющим осуществить съем тепла от элементов плазматронной установки, которые являются водоохлаждаемыми с целью поддержания требуемого температурного режима.

В тепловой схеме ПТГУ были использованы все потоки тепла, отводимого от составных частей плазматрона, Теплоносителем является вода. При разработке тепловой схемы ставилась задача скомпоновать ее так, чтобы при различных схемах включения температура уходящих газов после ПТГУ без устройства для барботирования изменялась от 55 до 110 С. В варианте теплогенератора с барботированием выходящего газового потока температура уходящих газов была постоянной и составила около 35 С. При этих параметрах потери тепла с выходящими газами составляли от 0.05 до 0.1 %.

Все поверхности теплогенератроной установки, которые при работе могли иметь температуру выше температуры окружающего воздуха на 15 - 20 С, были теплоизолированы пластинами из пенопласта и матами из минеральной ваты. Температура на поверхности теплоизолированных частей теплогенератора при испытаниях не превышала 44 С. Суммарная наружная поверхность установки составляла 2.45кв. м . Вынужденного обдувания воздухом при испытаниях не было.

В результате испытаний и обработки данных была получена величина КПД в пределах 95.3 - 95.5%. в зависимости от режима нагрева воды и мощности. Рекомендованное значение составляет 95.4%. Такая величина КПД сравнима с КПД электрокотлов. Однако испытываемый плазматронный теплогенератор имеет весьма малое время выхода на рабочий режим, которое составляет не более 5 минут. Это является значительным преимуществом, поскольку сокращает время, необходимое для прогрева системы теплоснабжения после ее останова. Известно, что при использовании электрокотлов выход на расчетную температуру в системе теплоснабжения затягивается на 3 ч. и более в зависимости от протяженности теплотрассы и мощности теплосистемы. Кроме того испытанная ПТГУ имеет возможность работать по измененной электрической схеме, когда балластное сопротивление включено постоянно в качестве электрокотла, а плазматрон может включаться периодически для повышения тепловой мощности и температуры нагреваемой воды в зависимости от графика теплоснабжения.

Аппаратура электропитания плазматрона на постоянном токе может работать с нагрузкой порядка 100 кВт, что соответствует номинальной электрической мощности выпускаемых силовых масляных трансформаторов.

Такая схема электропитания экономичней по капиталовложениям и эксплуатационным расходам за счет снижения относительных потерь на холостой ход. Кроме того, наличие выпрямительного блока питания плазматрона требует режима работы без заземления, т. е. с изолированными от земли проводами. Известно /4/, что такие схемы электропитания являются наиболее электробезопасными в нормальном режиме работы.

В одном из вариантов ПГТУ уходящие газы были использованы для подогрева воды в отдельно расположенном баке, в котором было реализовано барботирование газового потока через слой воды. При этом газы подавались через трубу, конец которой был заглублен в воде на 150 мм. После барботирования уходящие газы имели температуру порядка 35 С.

В плазматроне при горении плазмы образуется ионизированный газ, создающий электропроводящий поток, который удерживается за счет подвода электроэнергии. При этом происходит окисление молекул азота, кислорода и других газовых компонентов, находящихся в исходном воздухе, или возникающих вследствие химических реакций в плазменном состоянии.

После охлаждения потока газов в теплообменнике имеет место рекомбинация ионов с превращением их в молекулярное состояние. Однако этот процесс необратим и газовый поток может быть загрязнен компонентами, которые следует отнести категории загрязнителей. Основные загрязнители следующие : окислы азота, окислы серы, диоксид углерода, углеводороды.

Окислы азота образуются в плазме при температурах выше 2000 С в виде окиси, двуокиси и четырехокиси и вредно могут действовать на организм человека. Их относят к классу высокоопасных вредных веществ ( 2 - й класс опасности), действующих разрушительно на психику человека и вызывающих отрицательное действие на организм. Для них установлена ПДК величиной 0.085 мг/куб. м /5/.

Окислы серы могут образовываться в плазменном потоке за счет возможного присутствия серных и сернокислых соединений на поверхности металла внутри плазматрона и за счет внесения этих окислов с входящим воздухом. Окислы серы отнесены к вредным веществам 3 - го класса опасности и величина ПДК для них - 0.5 мг/куб. м /5/.

Диоксид углерода может вноситься с исходным воздухом и образовываться в плазматроне за счет возможного присутствия углеродных соединений на поверхности металла. Этот загрязнитель отнесен к 4 - му классу опасности и для него установлена ПДК равная 5мг/куб .м . Аналогичен и путь поступления углеводородов, которые также отнесены к 4 - му классу опасности с ПДК величиной 300 мг/куб. м.

Измеренные значения концентраций загрязнителей в уходящих газах составили:

Установлено также присутствие в отходящих от плазматрона газах озона. При испытаниях плазматронного генератора расход воздуха составил 1.5 г/с или 1.16 литра в секунду. Содержание озона в уходящих газах было оценено величиной 0.024 л/с, что составляет по концентрации 2.07% в потоке уходящих газов. При испытаниях плазмотронного теплогенератора с барботированием газов в слое воды особый эффект был отмечен по содержанию озона в уходящих газах. Это отмечалось по отсутствию специфического запаха в воздухе помещения где проводились испытания. Следовательно озон растворяется в воде, образуя озонированную воду. Оценка состава воды после испытаний показывала уменьшение величины рН от 7 ( исходная вода ) до 5.5 - 3.6 ( вода с кислой реакцией ). Всвязи с этим проводились исследования по возможному полезному применению озона и озонированной воды.

Данные исследования проводились в области решения проблемы создания промышленной установки и плазменной технологии озонирования водяных масс используемых целях обеззараживания питьевой воды. Данная технология хорошо зарекомендовала себя во многих развитых странах мира. Планируется также в дальнейшем серийный выпуск установок для озонирования воды в бассейнах, и т. д. В перспективе будет налажен также выпуск таких установок по заказам из других государств, в целях замены дорогостоящей технологии обезвреживания бактерий химическим способом на экологически чистую озонную технологию.

Обезвреживание от болезнетворных и вредных микроорганизмов водяных масс в городских водяных магистралях и бассейнах традиционным химическим способом ( хлорирование ) давно известно. Недостатком этого метода является отрицательное воздействие хлора и других сопутствующих факторов на человеческий организм, которое широко известно из многочисленной литературы и практики.

Во многих странах для обеззараживания питьевой воды и воды в бассейнах давно применяется озонирование, а не традиционное хлорирование.

Озон вырабатывается из кислорода воздуха в аппаратах - плазматронах непосредственно на месте его потребления из кислорода воздуха или специально заготовленного для этих целей чистого кислорода. Воздействие озона на живые организмы основано на его сильной окислительной способности. Из зарубежной и отечественной литературы и практики известны единичные примеры по уничтожению с помощью озона сельскохозяйственных вредителей при различных условиях хранения зернопродуктов. Опыт показывает высокую в этом отношении эффективность озона - достаточно его концентрации порядка 0.2 г/куб. м . В то же время, будучи химически нестойким, озон самопроизвольно разлагается, превращаясь в обычный кислород через несколько часов.

В водной среде картина разложения озона несколько изменяется. Взаимодействуя с молекулами воды озон может образовывать молекулы перекиси водорода , которые более устойчивы, чем сам озон, и в то же время являются достаточно сильным окислителем, что определяет их бактерицидное свойство. Таким образом мы получаем более устойчивое стерилизующее средство, нежели кислородо- или воздушно - озонные смеси.

В результате реализации проекта предполагается создание плазменной водо и воздухоозонирующей опытно - промышленной установки, отработка технологии по применению данных водо и газоозонных смесей в народном хозяйстве. Конечным продуктом реализации данного проекта будет промышленная установка, мощность которой позволит производить до 300 л/час озонированной кипящей воды.

Потребление такой воды не наносит вреда человеческому организму, в то время как потребление обычной хлорированной воды негативно отражается на здоровье. Следовательно практическое применение результатов данных исследований кроме финансового эффекта поднимает экологическую безопасность населения на качественно новый уровень.

Предполагается применение разработанных в процессе исследований технологии и установок для нужд пищевой промышленности в для обеззараживания пищевых продуктов и упаковочной тары. Уже имеется опыт по применению технологий озонного обеззараживания в народном хозяйстве, и следовательно возможно применение данной установки и в этой области. Будут проведены исследования возможностей применения данной установки и в медицинских целях.

При создании установки учитывались требования к ее мобильности, компактности и максимальному удешевлению эксплуатации. Следствием этого явилось то, что для ее установки достаточно площади 6 куб. м .

Основными элементами установки являются : плазменная горелка ( плазматрон ), система электропитания и поджига, система подачи плазмообразующего газа ( воздуха ), рабочая камера с специальным оборудованием, система водяного охлаждения плазматрона.

Основой принципа работы установки является достижение в рабочей камере высокой температуры за счет работы плазматрона и одновременным образованием в нем озона из кислорода воздуха. Озон в дальнейшем поступает непосредственно в рабочую камеру, в которую также подается в мелкодисперсном виде вода. Следующей стадией процесса является растворение озона в воде с частичным ее испарением. Эта вода, и сконденсированный впоследствии пар и представляют собой, собственно, озонированную воду.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Продолжение таких исследований имеет смысл, так как предполагает получение значительных положительных практических результатов. Необходимо более полно изучить механизм взаимодействия газообразного озона с водяным паром, а также и непосредственно с водой, и образование перекиси водорода. Однако для практического применения установки нужно провести исследования по выбору оптимального режима работы установки и снижению затрат электроэнергии на единицу получаемого продукта. Также нужно получить необходимое количество данных о результатах практического применения установки в промышленности и сельском хозяйстве.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.

1. Жеенбаев Ж. Ж., Энгельшт В. С. “Ламинарный плазмотрон”, Фрунзе: Илим 1975 г.

2. Моссэ А. Л. “Унифицированный ряд электродуговых плазмотронов для плазменных нагревательных устройств”. / Препринт № 6 - Минск 1988 г.

3. “Электродный нагреватель” Патент № 77 КР 1994 Кыргызпатент.

4 “Правила устройства электроустановок” ПУЭ - 86 - М: Энергоатомиздат 1986 г. 863 с.

5. Муравьева С. И., Казнина Н. И., Прохорова Е. К., Справочник по контролю вредных веществ в воздухе. / Справочное издание/ М:Химия 1988,320 с.

[ О Школе|Лекции|Секция 1|Секция 2|Секция 3|Секция 4|Секция 5|Cодержание |