5.2. Принципы построения оборудования для плазменной технологии

В промышленности наиболее часто встречаются плазмотроны, в которых используется электрический дуговой разряд или безэлектродный высокочастотный индукционный разряд. Если плазмотрон и изделие электрически связаны, то такая схема обработки называется плазменной дугой, а соответствующий плазмотрон называется плазмотроном прямого действия. В этом случае эффективность нагрева изделия, как правило, выше, но изделие должно быть электропроводно.

Принципиальная схема обработки изделия плазмотроном прямого действия представлена на рисунке 5.1.

Схема обработки изделия, не находящегося в электрическом контакте с плазмотроном, называется обработкой плазменной струей, соответственно, плазмотрон называется плазмотроном косвенного действия. Стабилизация дуги в плазмотроне может осуществляться аксиальным потоком газа, как представлено на рисунке. Используется также стабилизация дуги с помощью тангенциального напуска плазмообразующего газа или путем ограничения столба газового разряда охлаждаемой стенкой плазмотрона.	газ
	Рис. 5.1. Схема плазмотрона прямого действия

Наибольшая температура плазменной струи реализуется на оси плазменной струи, она значительно выше, чем у открытой дуги. Плотность теплового потока у плазмотронов достигает и также больше, чем у открытой дуги. В плазменных источниках используется большая скорость плазмы при ее выходе из плазмотрона, чем достигается значительный газодинамический напор, что используется для различных технологических целей (например, получения неизотермической плазмы). Используются плазмотроны как с большим расходом газа и турбулентным потоком плазмы, так и с ламинарными плазменными струями, отличающимися большой длиной (до 0,4 м) и высокой стабильностью.

5.3. Плазменная химия

Основные технологические концепции в металлургии, энергетике и химии имеют многовековую историю, а сами технологии доведены до высокой степени совершенства. Для дальнейшей модернизации этих производств требуются нетрадиционные подходы. Основной проблемой для любого производства является увеличение производительности промышленных установок. Так как скорость протекания химических и металлургических процессов экспоненциально зависит от температуры процесса (k ~ , где k – постоянная скорости реакции, – величина энергетического барьера реакции , T – температура системы) в зоне реакции. Поэтому проведение химического процесса в плазме, когда температуры в реакторе достигают нескольких тысяч градусов, позволит существенно повысить скорости химических процессов.

Однако создание таких высоких температур невозможно при традиционных способах подвода теплоты в зону реакции, так как в настоящее время не существуют материалы способные выдержать такие высокие температуры. В плазменных технологиях естественным решением этой проблемы является использование для нагрева электромагнитной энергии и ее превращение в тепловую непосредственно в зоне протекания реакции. Процесс осуществляется в плазмотронах, использующих дуговой, сверхвысокочастотный или высокочастотный разряды. Для высокой производительности установки требуется создание мощных плазменных генераторов. В настоящее время созданы плазмотроны, превышающие 10 МВт для дуговых и 1 МВт для высокочастотных генераторов. Использование высокотемпературных плазменных установок большой мощности целесообразно для организации технологических процессов газификации угля, серы, восстановления металлов, синтеза оксидов азота, получения энергоносителей и т.д.

Эффективность протекания плазмохимического процесса существенным образом зависит от условий, создаваемых в реакционной зоне. В квазиравновесных (изотермических) условиях реализуется равенство температур T₀ » T_e » T_i » T_r » T_v, где T₀, T_r, T_v, T_e, T_i соответственно поступательная, вращательная, колебательная, электронная и ионная температуры. В неравновесных (неизотермических) условиях указанное равенство не реализуется, а для плазменно-химических процессов наиболее интересны условия, когда T_e >> T₀, T_i, T_v, T_r или T_e >> T_v >> T₀ » T_i » T_r, т.е. условия, при которых наблюдается значительный отрыв электронной или электронной и колебательной температур молекул от вращательной и поступательной температур газа.

В неравновесных условиях возможно оптимизировать процесс с точки зрения энергетической эффективности, так как в этом случае электромагнитная энергия целенаправленно вкладывается в определенные степени свободы частиц и реакция направляется по нужному каналу. В равновесных условиях энергия вкладывается во все степени свободы частиц (в том числе и те, которые не нужны для получения конечного продукта). Поэтому неравновесные системы более перспективны с экономической точки зрения. Однако в этом случае, так как механизмы протекания химических реакций в неравновесных условиях весьма разнообразны, требуется тщательное изучение всех деталей превращения вещества и энергии, происходящего в плазмохимической системе. К примеру, целый ряд химических процессов (получение оксидов азота, углерода и др.) протекает с наибольшей энергетической эффективностью, если вкладывать энергию в колебательные степени свободы частиц, повышая их колебательную температуру.

Приведем некоторые примеры использования плазмохимических технологий в промышленности.

Плазмотрон небольших размеров (длиной 65 см и диаметром 15 см) за сутки производит 75 т ацетилена, не уступая по производительности огромному заводу. При этом энергозатраты на производство единицы продукции в два раза меньше, чем при традиционном процессе в паровом реакторе пиролиза метана.

В настоящее время созданы плазмохимические технологии производства мелкодисперсных порошков – сырья для быстроразвивающейся порошковой металлургии. Разработан плазмохимический метод получения оксидов азота из атмосферного воздуха, который экономичнее традиционного аммиачного способа. Созданы эффективные плазмохимические методы синтеза карбидов и нитридов титана, молибдена, ванадия, ниобия. Отличительной чертой плазмохимических процессов получения многих видов химической продукции является их высокая производительность и экономичность.