DD299613A7 - Verfahren zum stabilen betrieb von plasmatrons mit wasserdampf als plasmagas - Google Patents

Abstract

Das Verfahren zum stabilen Betrieb von Plasmatrons mit Wasserdampf soll die fuer Wasserdampfplasmen typischen Fluktuationen in Betrieb und die erhoehte Elektrodenerosion vermeiden. Erfindungsgemaesz wird das erreicht durch eine Begrenzung der Kuehlung der Elektroden infolge Verwendung von Heiszwasser als Kuehlmittel mit einer Temperatur von mindestens 80C. Das verhindert die Kondensation von Wasserdampf an stark gekuehlten Stellen, die unter Einwirkung des Lichtbogens zum explosionsartigen Verdampfen des Kondensats fuehrt, was den Plasmastrahl stoert oder unterbricht und Material aus der Elektrodenoberflaeche reiszt. Die Erfindung bewirkt nicht nur einen stabilen Betrieb und lange Elektrodenstandzeiten, sondern verbessert auch den Wirkungsgrad des Plasmatrons und die Ausbeute des plasmachemischen Verfahrens.{Plasma; Betriebsweise; Wasserdampf; Fluktuation; Elektroden; Erosion; Kuehlung; Kondensation; Verdampfen; Kuehlmittel; Heiszwasser; Wirkungsgrad; Ausbeute}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung ist anwendbar bei allen für die chemische Stoffwandlung eingesetzten Plasmatrons mit Wasserdampf als Plasmagas.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Plasmatrons für die chemische Stoffwandlung werden überwiegend mit einem gegenüber den Piasmatronmaterialien chemisch inerten Gas als Plasmagas betrieben. Beispielsweise arbeiten plasmapyrolytischo Verfahren mit Wasserstoff als Plasmagas. Seit kurzem wird für verschiedene chemische Stoffwandlungen und in verschiedenen Leistungsgrößen Wasserdampf als Plasmagas eingesetzt, z.B. bei der Kohlevergasung (DD-PS 215325, DE-OS 3330750 und DE-OS 3605715). Es wurde auch ein Verfahren zur Totalvernichtung toxischer Abprodukte, insbesondere solcher, die chlorierte oder fluorierte Kohlenwasserstoffe enthalten, mittels eines Wasserdampfplasmastrahls vorgeschlagen (DD-PA F 23 G/318833.2). Bei diesem Verfahren laufen chemische Prozesse ab, die zum einen durch die Wasserstoffionen und zum anderen durch die Sauerstoffionen des Wasserdampfplasmas bewirkt werden. Wasserdampfplasmen haben den Vorteil, bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen, um 3000K, eine hohe Konzentration an chemisch reaktiven hochangeregten Sauerstoff- und Wasserstoffspezies zu besitzen und dadurch für eine Reihe von Stoffwandlungsprozessen besonders geeignet zu sein. Bei allen Plasmatrons ist die thermische Belastung hoch, so daß sich infolge thermischer und chemie eher Erosion Standzeiten ergeben, die einen kontinuierlichen Betrieb eines Plasmatrons unmöglich machen, wenn keine intensive Kühlung erfolgt, wobei als Kühlmittel üblicherweise Wasser von etwa 20⁰C verwendet wird. Das betrifft in erstor Linie die Elektroden, aber auch die Gaskammer, das Piasmatrongehäuse, die Anschlußstutzen und, je nach konstruktiver Ausführung, weitere Bauteile.

Bei Plasmatrons mit Wasserdampf als Plasmagas ist, im Gegensatz zu anderen Plasmagasen, die Erosion an den Teilen, die mit dem Lichtbogen in Kontakt stehen, also an Katode und Anode, ganz besonders hoch. Der hohe Verlust an Elektrodenmasse führt zu niedrigen Standzeiten der Elektroden, so daß infolge des häufig notwendigen Eloktrodenwechsels ein kontinuierlicher Betrieb nicht möglich ist. Hinzu kommt als für Wasserdampfplasmatrons spezifische Erscheinung, daß in schneller Folge schlagartige Störungen in der Betriebsweise des Plasmatrons auftreten. Diese äußern sich in Schwankungen oder Unterbrechungen des Dampfdurchsatzes, Änderung der Lichtbogenlänge, stark fluktuierender Bogenspannung und -Stromstärke und damit in stark schwankender Pl jsmaenthalpie. Dies führt im Plasmareaktor zu Schwankungen in der chemischen Umsetzung, d. h. zu Beeinträchtigungen der Produktqualität und des Wirkungsgrades.

Es hat sich gezeigt, daß der zur Senkung der Erosion übliche Weg -Verstärkung der Kühlung - bei Plasmatrons mit Wasserdampf als Plasmagas ohne positive Wirkung bleibt.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung sind die Verlängerung der Standzeit der thermisch hoch beanspruchten Teile des Plasmatrons und sein stabiler fluktuationsfreier Betrieb ohne wesentlich höheren Aufwand.

Darlegung des Wesens der Erfindung Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Ausschaltung der Ursachen für die bei Wascerdampfplasmen im Vergleich zu anderen Gasplasmen wesentlich höhere Erosion der Elektroden und für die Fluktuationen in Betrieb bei gleichen thermischen Prozeßbedingungen und intensiver Kühlung aller thermisch hoch beanspruchten Teile, insbesondere der Elektroden. Die Lösung der Aufgabe besteht in einer Begrenzung der Kühlung der thermisch hoch belasteten Teile des Plasmatrons durch Verwendung von Heißwasser mit einer Temperatur von mindestens 8O⁰C als Kühlmittel. Die Begrenzung der Kühlung wurde

durch alleinige Absenkung der thermischen Triebkraft zwischen Anodeninnenwand und Kühlwasser erreicht.

Eine besonders wirksame Lösung besteht in einer Kombination von Begrenzung der Kühlung durch Verwendung von Heißwasser als Kühlmittel und gleichzeitige Senkung der Kondensationstemperatur des Plasmagases durch Beimischung eines Gases mit niedrigerer Kondensationstemperatur als der von Wasserdampf, wobei die Kühlwassereintrittstemperatur so

eingestellt wird, daß die Oberflächentemperatur von Katode und Anode mindestens nahe der dem nunmehrigen

Wasserdampfpartialdruck entsprechenden Kondensationstemperatur des Plasmagasgemisches liegt. Zum Verständnis der Wirkungsweise der Erfindung mußte erst die Erkenntnis gewonnen werden, daß die für Wasserdampfplasma typische stark erhöhte Erosion der Elektroden durch eine teilweise Kondensation von Wasserdampf an stark

gekühlten Teilen und eine folgende explosionsartige Verdampfung der bei der Kondensation gebildeten Tröpfchen untor Einwirkung des Lichtbogens hervorgerufen wird. Dabei werden durch mechanisches Herausreißen von Material und chemischphysikalische Wechselwirkung der flüssigen Phase mit der Wandung unter initiierender Einwirkung des Lichtbogens infolge der explosionsartigen Verdampfung kraterartige Vertiefungen in der Oberfläche der Elektroden gebildet, die bevorzugte Angriffspunkt ι für die weitere Erosion darstellen.

Weiterhin wird infolge der schlagartigen Verdampfung der kontinuierliche Dampfdurchsatz stark gestört oder kurzzeitig unterbrochen, wodurch es zu den gekannten Fluktuationen und Betriebsstörungen des Plasmatrons kommt. Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird die Kondensation des Wasserdampfes verhindert und damit die Voraussetzung der für Wasserdampfplasma spezifischen erhöhten Erosion der Elektroden und die Fluktuationen beseitigt.

Die Aufgabe wird also gelöst, indem ein dem üblichen Weg (Verstärkung der Kühlung) entgegengesetzter Weg (Begrenzung der Kühlung durch Senkung der thermischen Triebkraft) eingeschlagen wird.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Eine Plasmaanlage zur Vernichtung toxischer Abprodukte besteht aus zehn Plasmatrons von je 3OkW Leistung mit den entsprechenden Reaktoren und den notwendigen Zusatzaggregaten. Sie wird mit 25kg/h vorgelegtem Dampf mit einer Temperatur von 30O⁰C bei 0,1 MPa als Plasmagas betrieben. Trotz intensiver Kühlung der Elektroden treten ohne Anwendung der Erfindung erhebliche Schwankungen der Betriebs- und Qualitätsparameter irn Plasmatron auf und die Piasmatronanode ist nach kurzer Zeit infolge starker Abtragungen nicht mehr verwendbar.

Erfindungsgemäß wird nun die Kühlwassereintrittstemperatur an Anode und Katode durch Verringerung der Kühlung in den Kühlwasserkreisläufen der Anlage auf 80°C hochgenommen. Bei einer Kühlwassergeschwindigkeit von 50...70m/s stellt sich eine Kühlwasseraustrittstemperatur von 81 ...82⁰C ein. Diese Kühlwassertemperatur reduziert die thermische Triebkraft zwischen Elektrodenoberflächentemperatur und der ursprünglichen Kühlwassertemperatur nur unwesentlich. Sie verringert aber die Kondensation von Plasmadampf auf ein geringes Maß, das bei vielen plasmachemischen Prozessen vertretbar ist. Dabei tritt kein Aufwand auf; im Gegenteil: Der Aufwand zur Kühlung wird verringert. Zugleich ergibt sich eine Erhöhung des Wirkungsgrades des Plasmastrons, und zwar durch den kontinuierlichen, fluktuationsarmen Betrieb und durch Einsparung von Kühlleistung. Gleichzeitig wird die Produktqualität verbessert und die Ausbeute erhöht. Ein besonderer Vorteil besteht in der Erhöhung der Standzeit der Elektroden, durch die Elektrodenmaterial eingespart und der Verfügungsgrad der Anlagen beträchtlich erhöht wird.

Zur plasmachemischen Vernichtung toxischer Abprodukte sind jedoch auch die noch verbleibenden Fluktuationen nicht vertretbar, weil sie den Austritt von toxischon Schadstoffen in geringem Maß ermöglichen. Deshalb wird die eifindungsgemäße Kühlung mit Heißwasser kombiniert mit einer Senkung dei Kondensationstemperatur. Hierzu werden 82,5m³/h Luft nach der Verdampfungsstufe in den Plasmadampf eingemischt. Die Kondensationstemperatur der Plasmagaspartiulkomponente liegt nun bei 8O⁰C. Da die Elektrodentemperatur mit der erfindungsgemäßen Elektrodenkühlung über 8O⁰C liegt, kann es nun zu keiner Kondensat! η kommen, so daß die Ursache der Fluktuationen vollständig beseitigt und ein kontinuierlicher Ablauf des Stoffwandlungsprozesses gewährleistet wird. Damit lassen sich Durchbrüche toxischer Stoffe vollständig vermeiden.

Claims (2)

1. Verfahren zum stabilen Betrieb von Plasmatrons mit Wasserdampf als Plasmagas und Wasser in einem Kühlmittelkreislauf, gekennzeichnet durch eine Begrenzung der Kühlung der thermisch hoch belasteten Teile des Plasmatrons infolge Verwendung von Heißwasser mit einer Temperatur von mindestens 80⁰C als Kühlmittel.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß neben der Begrenzung der Kühlung eine Senkung der Kondensationstemperatur des Plasmagases durch Beimischung eines Gases mit niedrigerer Kondensationstemperatur erfolgt.