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WO2011138525A1 - Procede et dispositif pour la generation d'un jet de plasma non- isothermique - Google Patents

Procede et dispositif pour la generation d'un jet de plasma non- isothermique Download PDF

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WO2011138525A1
WO2011138525A1 PCT/FR2011/000277 FR2011000277W WO2011138525A1 WO 2011138525 A1 WO2011138525 A1 WO 2011138525A1 FR 2011000277 W FR2011000277 W FR 2011000277W WO 2011138525 A1 WO2011138525 A1 WO 2011138525A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
plasma
flow
gas
jet
electrodes
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/FR2011/000277
Other languages
English (en)
Inventor
Pavel Koulik
Anatoly Saychenko
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
PEK 38-40
Original Assignee
PEK 38-40
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by PEK 38-40 filed Critical PEK 38-40
Priority to CN201180033388.XA priority Critical patent/CN103229601B/zh
Priority to EP11724269.3A priority patent/EP2567599B1/fr
Publication of WO2011138525A1 publication Critical patent/WO2011138525A1/fr
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Ceased legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/48—Generating plasma using an arc
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles
    • H05H1/3405—Arrangements for stabilising or constricting the arc, e.g. by an additional gas flow

Definitions

  • the present invention consists of a method for controlled generation of non-isothermal plasma jet at a pressure close to atmospheric pressure and a device for implementing this method.
  • Plasma generators the best known and most used in practice, particularly in industry and in particular for the destruction of domestic waste, medical, industrial and other, are plasma generators isothermal DC, AC, high frequency , microwave.
  • isothermal plasmas whose temperatures of the various components, especially heavy particles (molecules, atoms, radicals, ions) Ta, and electrons, Te, are substantially equal.
  • a plasma isothermal when, at any point of its volume, the condition is realized:
  • the plasmas generated by the generators mentioned above are usually isothermal. This means that the chemical reactions that occur there are local thermodynamic equilibrium relations, described, for example, by the well-known Arrhenius law.
  • concentration of the components of the isothermal plasma is described by the equation, also well known, of Saha. If the amplitude of the electric field which accelerates the electrons of the plasma and causes them the reactions of excitation and ionization is rather high, it can happen that the plasma becomes non-isothermal, that is to say. than :
  • T a is the temperature of the heavy components (molecules, radicals, atoms, ions) of the plasma (K);
  • Q. is the cross section of elastic collisions between electrons and neutral plasma components (m 2 ); n e is the concentration of free electrons (m 3 )
  • T has -2000K, n e ⁇ 10 +19 m "3 , Q ⁇ 10 " 18 m 2 ,
  • the temperature level of the heavy components (T a ) would be of the order of 2000 - 2500 K, which is sufficient to achieve the intended chemical reactions for example, those necessary for the destruction of waste without the formation of harmful chemical components, while the temperature of the electrons would be of the order of 6 000 - 12 000 K, which would ensure an electric current sufficient to support the mechanism of electric discharge and the energy balance of the plasma jet.
  • Non-isothermal plasma generators have been proposed, protected by patents, and exploited at the industrial level (see, for example, Engelsht VS, Saichenko AN, Okopnik GM, Musin Nu XI Vsesoyuznaya Konf, Po Generator nizkotemperaturnoy plazmi, Novosibirsk, 1989; P 255, Desiatkov GA, Enguelsht VS, Saichenko AN, Musin NU, and Plasma Jets in the Development of New Materials Technology, Proc.Of the International Workshop 3-9 September, Frunze, USSR Ed., OPSolonenko, AIFedorchenko. VSP, Utrecht, (NL), Tokyo (Japan), pp 499-509, see also www.glidarc.com).
  • the arc is propelled along these electrodes thanks to the electromagnetic force created by the field magnetic due to the current flowing through the electrode and the current flowing through the arc in a direction substantially perpendicular to the axis of the electrodes.
  • the movement of the 3 ⁇ 4rc may be, in addition, biased by a longitudinal stream of propellant gas which contributes to forming the plasma jet downstream of the electrodes.
  • a new discharge is then initiated again at the base of the electrodes and the process is repeated. So we have a perpetual movement of "back and forth” of the arc along the electrodes. In its movement, the arc creates around it a "plasma cloud” whose properties, and especially the life time, depend on the nature of the gas in which the discharge takes place, the presence of a hydrodynamic flow of gas , the level of the amplitude of the voltage between the electrodes, and the divergence geometry of the electrodes.
  • This plasma cloud can ensure the existence of a conductive area of electricity in the absence of electric current during its lifetime. It is therefore possible to feed the arc not only with direct current but also with pulse current, if the plasma cloud lifetime is greater than the pause between the voltage pulses between the electrodes. In particular, it is possible to feed the sliding arc with alternating current, for example of frequency 50Hz.
  • Plasma-limited plasma generation zone (the presence of electrodes in the plasma zone obstructs the treatment field).
  • the plasma jet In addition, given the short length of the plasma jet generated, it is difficult to perform object processing work by preventing the jet reflected by the treated object from altering the parts of the generator, including the electrodes. It is therefore highly desirable that the plasma jet be substantially longer. However, it is possible to extend the plasma jet according to existing technologies by increasing the incident power, the energy efficiency of such a generator is very low because the power losses increase almost proportionally to the square of the dimension of the jet, of shape close to the sphere.
  • an object of the present invention is to develop a stable non-isothermal plasma jet generation method, at a pressure close to atmospheric pressure or above atmospheric pressure, which can be used advantageously for the industrial production of plasmochemical reactions, particularly in the field of the destruction and recycling of waste, in particular organic waste. " ,. "
  • an elongated plasma jet whose length to diameter ratio is substantially greater than unity. It is all the more advantageous to use a laminarized non-isothermal plasma jet of in order to increase the length thereof while limiting the energy exchanges with the surrounding gaseous medium.
  • a great advantage is any technology capable of providing variable controlled treatment depending on the composition of the feed gas, the shape, the nature, and the composition of the treated product.
  • Objects of the invention are achieved by generating a non-isothermal plasma jet, at a pressure close to atmospheric pressure, according to a method of generating an axisymmetric jet of non-isothermal plasma with the aid of a single-phase or three-phase high-voltage direct or alternating current electric discharge in a gas flow, discharge initiated by a breakdown plasma, propelled by an electromagnetic force and by the drag force exerted by the gas flow and located at the ends of electrodes, characterized in that the flow of gas propelling the plasma of the discharge is stabilized at all points of the resulting plasma jet, the relative velocity of the gas, V *, at any point of the propulsive flow, obeying the relation like:
  • V * (r *) 1 - cos [n (r * - 1) / 2 (D * -1)],
  • D and D 0 are respectively the outer diameter of the jet, and the diameter of the zone of laminarization and that D ⁇ D 0 ;
  • r is the radius of the jet point where the current velocity V is determined
  • V 0 is the speed of the laminarized flow.
  • Re * is the critical Reynolds number of the stabilized flux
  • ⁇ and p are respectively the dynamic viscosity and the density of the gas propelling at the temperature of the propellant flow of the present invention and a .
  • a device for the implementation of a method of generating a jet of non-isothermal piasma as above wherein the propelling gas stream enters the forming zone of the arc by means of a distributor of gas comprising an inlet manifold, a velocity profile forming device and a sieve of the present invention.
  • Figure 1 illustrates the configuration of the high-voltage arc generated between two electrodes in the alternating current regime (50 Hz) conveyed by a gas flow in two cases: fig.la: the flow of gas is turbulent
  • fig.lb the flow of gas is organized so that the hydrodynamic pulsations are minimal, in particular, the gas flow is laminarized.
  • FIG. 1c also illustrates the fact that the stabilized non-thermal plasma jet as proposed by the present invention, in particular laminarized, propagates over a distance substantially greater than the length of the unstabilized flux.
  • FIG. 2 shows a diagram of embodiment of the device making it possible to implement the present invention ("a") and mentions two variants of cooling of the electrodes: FIG. 2a: cooling in air; fig.2b: cooling with water.
  • FIG. 3 illustrates a three-electrode non-thermal plasma jet generation system powered by a three-phase power source.
  • FIG. 4a illustrates a six-electrode non-thermal plasma jet generation system powered by a three-phase power source, in two configurations: fig.4b: star connection; fig.4c: triangle connection;
  • Fig. 5a illustrates a particular case of application of the present invention when the generator is powered by three-phase alternating current and is provided with three base electrodes and an annular electrode so as to stretch the portion of the excited plasma jet. by the electric current and in this way to control the configuration.
  • Fig.5b illustrates the case where the annular electrode is cooled by gas or by water.
  • FIG. 6 illustrates the particular case of the application of a magnetic field to each of the six electrodes supplying a non-thermal jet generator: FIG. 6a: cross section of the device; Fig. 6b: longitudinal section, magnetic field being directed to concentrate the electric discharge in the axial zone of the plasma jet. Fig. 6c: longitudinal section, magnetic field directed to locate the electric discharge in the peripheral area of the plasma jet. Fig 6d: Longitudinal section, the magnetic field is continuous and constant in time. In this case, the electric shock oscillates.
  • Fig.7 shows a cross-section of a non-isothermal plasma jet generated by six electrodes and rotated about its axis by means of a deflector system and / or a coaxial magnetic field.
  • FIG. 8 illustrates the particular case where the non-thermal plasma jet is propelled and stabilized by a flow of gas composed of concentric zones of gas, each of which having a flow rate controlled by valves. ⁇ . _,,,,.
  • the tig.9 is a graph of. the variation of the rare length generating the non-isothermal plasma jet, for two values of the voltage, as a function of the speed V of the propellant gas introduced to stabilize the non-isothermal plasma jet according to the present invention.
  • the plasma in such a jet is in a non-thermal state as defined by the formulas [1] - [3], which gives principle advantages to the present invention.
  • the generated plasma jet is turbulent and the advantage of the non-thermal plasma remains practically unused, since the energy exchanges in a turbulent plasma are too intense and it becomes impossible to exploit them: electrons and that of excited particles and free radicals, possibly formed and in a metastable state, are "wasted" and lost in heat.
  • the present invention makes it possible, on the contrary, to exploit these advantages based on the limitation of the heat losses and the optimization of the use of the excited states of the particles.
  • the present invention consists in stabilizing the plasma jet by acting on the flow of gas which feeds and propels it.
  • Stabilization is mainly hydrodynamic. It consists in organizing in all points of the flow of gas which coats and propels the plasma jet conditions where the convective exchanges are eliminated and practically only remains the molecular dissipation, in particular thermal conduction and diffusion.
  • the experience of the authors of the present invention has shown that for this: • the relative speed of the gas, V *, at any point of the propulsive flow, must obey the empirical relation of the type:
  • V * (r *) l - cos [n (r * - l) / 2 (D * -l)] [2];
  • D and D 0 are respectively the outside diameter of the jet
  • r is the radius of the jet point where the current speed is determined
  • V 0 is the speed of the laminarized flow
  • Re * is the critical Reynolds number of the stabilized flux
  • ⁇ and p are respectively the dynamic viscosity and the density of the gas propelling at the temperature and the pressure of the flow
  • a Reynolds critical number, Re * is the value of the Reynolds number at which the flow spontaneously passes from the laminar state to the turbulent state. For a flux in an axisymmetric tube this value is well known and is at the level of 2000. Experience shows that this spontaneous passage is determined by the velocity differences between the adjacent layers of the fluid or more precisely by the gradient of this velocity . It is conceivable, and the experience of the authors of the present invention confirms it, to have a base flow of high velocity and of restricted characteristic dimension for which the character of the exchanges remains molecular even if the Reynolds number is much greater than 2000. Flows of this kind are called pseudo-laminars by the authors of the present invention.
  • Re * can only be determined empirically.
  • the work done by the authors of the present invention has shown that, practically, Re * ⁇ 1.5.10 4 .
  • This result can be used for all mentioned plasma jet configurations and for all the implementers mentioned in the present invention.
  • the relationships [1] - [3] are a practical example of realizing the pseudo-laminarity condition claimed in the present invention.
  • the present invention therefore makes it possible, in particular, to minimize the energy exchanges between the plasma jet and the surrounding medium. Examples have shown that the plasma jet pseudo-laminarized, and thus stabilized, can be very long. It is therefore possible to control and optimize the shape and energy balance so as to optimize heat exchange and mass exchanges with the treated material load.
  • Such optimization is possible, for example, by applying a magnetic field perpendicular to the direction of the electric current . . ,,,,,,,
  • Rotation of the non-thermal plasma jet is also achieved by introducing the propellant gas stream at an angle such that it forms a plasma vortex whereby energy exchanges are stimulated in the plasma jet.
  • Magnetic fields can also be applied to each of the electrodes which makes it possible to modify the shape of the plasma bead, bringing it closer to the axis of the jet or moving it away according to the direction of application of the magnetic field (traversed by a current alternative) with respect to the direction of the electric current supplying the discharge.
  • a constant magnetic field can widen and shorten the shape of the jet.
  • FIG. 1 The principle of the device of the present invention is illustrated in FIG. 1
  • Fig.la shows the chaotic nature of the plasma cord 2 from the electrodes 1 of a standard device powered by a turbulent flow of gas, as used in practice and that photographed multiple times by users.
  • the electrodes 1 emit a cord of ⁇ 3 ⁇ > 2 of indeterminate form, unstable in space and time.
  • the plasma area 3 around the cord is also unstable in time and space. This configuration strongly limits the applications of this type of plasma which can not be called a plasma jet.
  • Fig.lb shows the result of principle of the use of a propellant gas flow distribution device.
  • the plasma cord 2 is stabilized.
  • the plasma jet 4 is embedded in the jet of gas 5 from the distributor 6. It is of stable and uniform configuration.
  • the f ig. gives a principle comparison of the two cases mentioned above: the plasma cord 2, the plasma zone 3 are substantially stretched and of greater length than in the case of the standard device. Appears a jet of plasma 4 stabilized by the jet of gas 5.
  • FIG. 1 A high-voltage discharge in the form of a plasma bead of substantially constant cross section, 2, is initiated between two electrodes 1, parallel or diverging at a given angle relative to the axis of symmetry of the generator, connected by the intermediate metal rods 7 and a metal cone 8 to an AC source 9.
  • the metal cone is connected to the power supply system via a capacitor 10 and can be moved along its axis of in order to vary the distance separating it from the metal rods.
  • the feed gas, propelling and stabilizing the non-thermal plasma jet 4 is introduced via a conduit 11 provided with a collector 12, a screen-grid 13 and a distribution device. speed (speed) 14.
  • the manifold is supplied with gas via the inlet conduit 15. Gaseous components, liquid or in the form of sprayed droplets, can be added to the gas flow via the conduit 16.
  • the flow distributor 14 can be used to predetermine and control the flow distribution of the flow of the gas stream. It may consist, in particular, of a set of small diameter tubes arranged in honeycomb, as shown in fig.2. The profile of the lengths of these tubes ⁇ - _ ⁇ ' ⁇ ,. ,. , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ? *, I not the profile of the hydrodynamic resistances in ⁇ of the radius of the distributor. This makes it possible to create a velocity profile 17 (V (r)) which predetermines the stability of the gas flow and therefore of the resulting flow of plasma.
  • the device according to the present invention is characterized in that the device for forming the propellant gas flow velocity profile (14) is an axially symmetrical system of coaxial tubes arranged in honeycomb and traversed longitudinally. by the conductive supports of the electrodes, the axis of the tubes being parallel to the flow axis and the current length of the tubes inversely proportional to the local velocity of the gas flow.
  • the rods 7 are constructed so as to represent a minimum hydrodynamic resistance for the flow of gas so as to disturb only locally the character of the gas flow.
  • the electrodes 1 which support the heat releases due to the passage of the electric charges from the metal zone to the gas (auto-electronic emission) and are inevitably subjected to erosion can be cooled by a gas flow (the electrode 1 can in this case when it is crossed by a gas channel 20 which traverses them as shown in fig.2 b) or by a stream of water (the electrode 1, in this case, is traversed by a current of water 21 as shown fig.2 c).
  • the metallic cone (8) which allows the initiation of the electrode dc ucnc can be replaced by a longitudinally milled body (35) as shown in Figure 10, which reduces its hydrodynamic resistance. The latter can also be reduced if the metal cone 8 is replaced by radial metal plates (36) fixed on the electrodes and designed so that the distance between the plates is minimal in the part of the electrodes most upstream of the axial flow of gas, as shown in Figure 11
  • the device operates as follows: at the time of priming * discharge, a short arc lights between the cone 8 and the rods 7.
  • FIG. 3 illustrates an implementation diagram of the present invention according to which the plasma bead 2 is generated by three electrodes 1 by means of a metal cone 8 connected to a three-phase electric current generator with elements of ballast as inductances 23 which allows a particularly high energy efficiency.
  • the system is stabilized by a flow of gas from a gas distributor 6 for coating the electrodes and the plasma beads with a flow of gas whose radial profile of the flow is predetermined so as to stabilize the discharge and laminarize the plasma jet.
  • the plasma cord 2 is generated by six electrodes 1 via the metal cone 8, connected to a generator of ectr that rp as.
  • the electrodes are electrically connected by a laminarized flow of stabilizing gas 5 from a distributor 14.
  • the electrode connections are made in a triangle (as shown by the connection 9 'in FIG 4b) or in a star (as shown in FIG. shows the connection 9 "of Fig. 4c)
  • one or the other of the solutions is preferable.
  • Fig.5 illustrates another possible embodiment of the present invention.
  • the stabilized non-thermal plasma jet 4 is formed by plasma cords 2 connecting the three electrodes fed by a three-phase alternating current source 9 to an annular electrode 5.
  • the annular electrode 25, disposed to overheat due to its contact with the plasma jet can be cooled, for example by means of a stream of water supplied and discharged through the conduits 26.
  • Protrusions 27 are optionally made to locate and fix the base of the plasma cords.
  • the device claimed in the present invention is characterized in that it is provided with an electrode (25) to the ground, circular, coaxial with the laminarized jet and surrounding it inside the zone of laminarization so as to locate the discharge in the laminar zone of the generated jet.
  • the stabilization (see Fig. 5b) is achieved by a gas flow 5 from a distributor 6 in which the honeycomb device 14 of FIG. 2 is replaced by a sudden expansion system 27 which makes it possible to create a velocity profile 17 of the flow empirically adapted to the diagram of FIG. 5. It can be seen that the propulsion gas introduced into the distributor 6 creates a vortex 29 in the stream of shaped gas directed towards the screen-grid 13, thus forming the desired velocity profile V (r) 17.
  • FIG. 6a illustrates the case of addition of solenoids 31 creating magnetic fields perpendicular to the plasma cords 2 coming from each of the electrodes 1.
  • the flow of propellant gas issuing from the distributor 6 and stabilizing the plasma jet 4 is organized in a manner to coat the entire configuration of the plasma leads, whether these are concentrated by the AC-generated magnetic field towards the axis of the generator (see Fig. 6 b), or pushed outwards (see fig. 6 c) according to whether the oscillations of the field and the current are in phase or in ase or again, orc s by a c amp m dnt in time, oscillating between the two situations of fig.6 b and fig, 6 c as shown in fig.6 d.
  • FIG. 7a shows the cross section of another device for implementing the present invention, according to which the flow of propellant gas 28, and consequently the plasma cords 2 coming from the six electrodes 1, after having left the cone 8, are swirled by hydrodynamic deflectors 32 or by a magnetic field generated by a solenoid 31, magnetic field whose oscillations are synchronized with the alternating current supply discharges.
  • Fig.7 b shows the angle ⁇ between the axis of the baffles and the direction of the flow of propellant gas.
  • FIG. 7c shows the angle ⁇ 'between the deflector axis and the tangent to the radial attachment circle of the deflectors.
  • the device according to the present invention may also be characterized in that it comprises solenoids (31) traversed by a direct or alternating electric current, in particular synchronized with the current supplying the discharge, the solenoids being arranged so as to create a magnetic field directed at an angle ⁇ between 0 ° and 90 ° with respect to the direction of the discharge current and at an angle ⁇ between 0 ° and 90 ° with respect to the direction of the laminarized flow.
  • Fig. 8 shows the longitudinal section of a propellant gas distribution device 28 according to which the position of the plasma bead 2 and the configuration of the plasma zone 3 coming from the electrodes 1 after leaving the metal cone 8 are controlled by a device 33 provided with valves 34 providing a distribution of the propellant gas 28, in portions, along the metal cone, through the electrodes (especially to cool them) and the periphery of the generator.
  • Fig. 9 illustrates the dependence of the length of the plasma jet, L (m) of the propulsion gas velocity, V (m / s) for different values of the voltage applied to the electrodes.
  • L (m) of the propulsion gas velocity V (m / s)
  • V (m / s) V (m / s)
  • Non-thermal plasma jet generators can be advantageously used in different industries for instant sterilization of contaminated surfaces.
  • the use of the present invention is exceptionally effective and advantageous, particularly economically for the destruction of household, industrial medical waste and especially for the incineration of organic waste by plasma.
  • it makes it possible in particular to eliminate harmful residual gases such as dioxins and furans and to recycle organic waste by transforming it into combustible products such as syngas.
  • Atmospheric pressure air-based non-thermal plasma jet generator for the disposal of medical waste.
  • Electrode voltage 10 kV
  • Stabilization device honeycomb distributor.
  • Reynolds number of the airflow bathing the plasma arc varies between 300 and 14,000.
  • the plasma jet retains its quasi-laminar properties thanks to the measures taken to stabilize it.
  • Non-thermal plasma gas jet generator of complex composition with sub-atmospheric pressure applicable for the destruction of medical waste.
  • Electrode voltage 20 kV
  • Stabilizer Expansion valve.
  • Reynolds number of the airflow bathing the plasma arc varies between 300 and 14,000.
  • the plasma jet retains its quasi-laminar properties thanks to the measures taken to stabilize it.
  • the implementation of the present invention makes it possible to obtain arc lengths generating the non-isothermal plasma jet of the order of several meters, which is much greater than the extent of the known sliding arcs and unstabilized non-isothermal plasma jets.
  • the plasma jet retains its quasi-laminar properties, even when the Reynolds number is greater than 2000.
  • the claimed method and the device of its implementation as used in the present examples achieves the objects of the present invention. It makes it possible to transport the plasma at a distance greater than that reached in the preceding example, and therefore to project it onto the target that can represent a load of medical waste, without being disturbed by or acting on the parts of the device generating the plasma jet, especially the electrodes.

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Abstract

Procédé de génération d'un jet axisymétrique de plasma non-isothermique à l'aide d'une décharge électrique à haute tension en courant continu ou alternatif monophasé ou triphasé dans un flux de gaz, décharge initiée par un plasma de claquage, propulsée par une force électromagnétique et par la force de traînée exercée par le flux de gaz et localisée aux extrémités d'électrodes, caractérisé en ce que le flux de gaz propulsant le plasma de la décharge est stabilisé et laminarisé en tous les points du jet de plasma résultant, et dispositif de mise en œuvre du procédé comportant, notamment un distributeur de gaz propulsant composé d'éléments de laminarisation du flux en système de nid d'abeille ou d'expansion brutale, un système de champs magnétiques formant les cordons de plasma et des conduits d'introduction des composants du gaz de propulsion et de rotation du flux de gaz de propulsion.

Description

_ _
PROCEDE ET DISPOSITIF POUR LA GENERATION D'UN JET Ub PLASMA NON- ISOTHERMIQUE.
La présente invention consiste en un procédé de génération contrôlée de jet de plasma non-isothermique à pression voisine de la pression atmosphérique et un dispositif pour la mise en uvre de ce procédé.
La génération de jets de plasma a un rapport avec les technologies de transformation de la matière, notamment la plasmochimie, et plus particulièrement la destruction de produits, déchets.
Les générateurs de ^plasma les plus connus et les plus utilisés en pratique, notamment dans l'Industrie et en particulier pour la destruction des déchets domestiques, médicaux, industriels et autres, sont les générateurs de plasmas isothermiques à courant continu, alternatif, haute fréquence, micro-ondes.
Par « isothermique » on entend des plasmas dont les températures des différents composants, notamment des particules lourdes (molécules, atomes, radicaux, ions) Ta, et des électrons, Te, sont pratiquement égales. Par définition, un plasma est isothermique quand, en tout point de son volume, se réalise la condition :
Te = Ta [1]
Les plasmas générés par les générateurs mentionnés ci-dessus sont, d'habitude, isothermiques. Cela signifie que les réactions chimiques qui s'y passent sont des relations d'équilibre thermodynamique local, décrits, par exemple, par la loi bien connue d'Arrhenius. La concentration des composants du plasma isothermique est décrite par l'équation, également bien connue, de Saha. Si l'amplitude du champ électrique qui accélère les électrons du plasma et y provoque les réactions d'excitation et d'ionisation est assez élevée, il peut se faire que le plasma devient non-isothermique, c'a d. que :
Te > Ta [2]
Pour que la relation (2) ait lieu l'amplitude du champ électrique E doit obéir à une condition du type (cas d'un plasma faiblement ionisé) :
E > k.Ta.ne.Q/e [3] OÙ
e est la charge de l'électron (e = 1,6 10"19 C) ; k est la constante de Boltzmann (k = 1,4 10 19J/K) ;
Ta est la température des composants lourds (molécules, radicaux, atomes, ions) du plasma (K) ;
Q. est la section efficace des collisions élastiques entre les électrons et les composants neutres du plasma (m2) ; ne est la concentration des électrons libres (m 3)
Si Ta -2000K, ne~10+19 m"3, Q ~ 10"18 m2,
on a E> 2.104V/m..
L'utilisation pratique d'un plasma en état non-isothermique peut être technologiquement avantageuse. C'est le cas, par exemple de la destruction des déchets, mentionnée ci-dessus. En effet, les électrons qui, dans ce cas, ont une grande énergie cinétique, favorisent la formation d'états moléculaires excités et de radicaux, extrêmement efficaces pour la destruction des molécules organiques.
L'état de l'art, en particulier en ce qui concerne la destruction des déchets, a amené les utilisateurs des technologies de plasmas qu'ils jugent à raison plus efficaces que les méthodes traditionnelles d'incinération, à employer des générateurs de jets de plasmas isothermiques (c'a d. en état d'équilibre thermodynamique)^ à pression atmosphérique, tels que les générateurs d'arcs à courant continu, alternatif, radio fréquence ou micro-ondes. La température de ces plasmas est de l'ordre de 6 000 - 12 000 K suivant les conditions de génération.
Il est clair que de tels plasmas sont efficaces pour détruire les molécules organiques qui constituent la plus grande partie des déchets mentionnés. Ils sont aussi efficaces pour détruire les molécules non-organiques.
Accompagnées d'un procédé de trempe du plasma (refroidissement rapide qui empêche la recombinaison de beaucoup d'états moléculaires nuisibles, notamment les dioxines et les furanes), ces technologies se sont avérées avantageuses par rapport aux technologies traditionnelles thermochimiques , .„.
(voir par exemple, ZhukovM.F. Izv.S.O.AN USSR, Ser. Techn.Nauk, 197U, VI ( 8) P 12 - 18 ; Burov I.S., Ermolaeva E.M., Mosse A.L., Minsk ITMO 1975, p.71 - 78 ; voir aussi www.europlasma.com). Le niveau de températures mentionné (6 000 - 12 000 K) est cependant superflu. Il est inévitable si on utilise un plasma isothermique à pression atmosphérique car" le niveau de température (T = Ta = Te) détermine la concentration des électrons nécessaires à la conductivité électrique du plasma, cette dernière assurant le bilan énergétique de l'arc électrique et du jet de plasma en résultant. Ce niveau de température est cependant excessif pour la réalisation des réactions plasmochimiques de destruction des déchets en question. Ce niveau de températures amène à des dépenses énergétiques énormes qui rendent douteuses les raisons mêmes de l'utilisation des générateurs de plasma isothermique et font que l'exploitation des techniques traditionnelles d'incinération avec l'addition de filtres extrêmement chers, volumineux et peu efficaces reste aujourd'hui la solution malgré tout préférable en comparaison avec les jets de plasmas isothermiques.
La solution qui s'impose est donc d'utiliser un plasma non-isothermique, dont le niveau de température des composants lourds (Ta) serait de l'ordre de 2000 - 2500 K, ce qui est suffisant pour réaliser les réactions chimiques visées, par exemple celles nécessaires à la destruction des déchets sans formation de composants chimiques nocifs, tandis que la température des électrons serait de l'ordre de 6 000 - 12 000 K, ce qui assurerait un courant électrique suffisant pour soutenir le mécanisme de décharge électrique et le bilan énergétique du jet de plasma.
Des générateurs de plasma non isothermique ont été proposés, protégés par des brevets, et exploités au niveau industriel (voir, par exemple, Engelsht V. S.,Saichenko A.N., Okopnik G. M., Musin N.U. XI Vsesoyuznaya Konf. Po generatoram nizkotemperaturnoy plazmi, Novosibirsk, 1989; P 255; Desiatkov G.A., Enguelsht V.S., Saichenko A.N., Musin N.U., et al. Plasma Jets in the Development of New Materials Technology. Proc. Of the International Workshop 3-9 September, Frunze, USSR Ed. O.P.Solonenko, A.I.Fedorchenko. VSP, Utrecht, (NL), Tokyo (Japan), pp 499 - 509 ; voir aussi www.glidarc.com).
Ils sont basés sur l'utilisation du principe de l'arc à haute tension glissant entre deux électrodes de géométrie divergente. Initié par une décharge à l'endroit où les électrodes sont le plus rapprochées l'une de l'autre, l'arc est propulsé le long de ces électrodes grâce à la force électromagnétique créée par le champ magnétique dû au courant qui parcourt l'électrode et le courant qui parcourt l'arc dans une direction pratiquement perpendiculaire à l'axe des électrodes. Le mouvement de l'¾rc peut être, en plus, sollicité par un courant longitudinal de gaz propulsant qui concourt à former le jet de plasma en aval des électrodes. Au fur et à mesure du glissement de l'arc, sa longueur et sa résistance électrique augmentent et l'intensité du courant diminue. Il arrive un moment où le courant devient trop faible pour soutenir le bilan énergétique de la décharge et l'arc disparaît. Une nouvelle décharge est alors de nouveau initiée à la base des électrodes et le processus se répète. On a donc un mouvement perpétuel de « va et vient »de l'arc le long des électrodes. Dans son mouvement, l'arc crée autour de lui un « nuage de plasma » dont les propriétés et notamment le temps de vie, dépendent de la nature du gaz dans lequel a lieu la décharge, de la présence d'un flux hydrodynamique de gaz, du niveau de l'amplitude de la tension entre les électrodes, et de la géométrie de divergence des électrodes. Ce nuage de plasma peut assurer l'existence d'une zone conductrice d'électricité en l'absence de courant électrique pendant sa durée de vie. Il est donc possible d'alimenter l'arc non seulement avec du courant continu mais aussi avec du courant en impulsions, si la durée de vie du nuage de plasma est supérieure à la pause qui sépare les impulsions de tension entre les électrodes. En particulier, il est possible d'alimenter l'arc glissant avec du courant alternatif, par exemple de fréquence 50Hz.
Des arcs glissants ont été créés par des générateurs à courant continu, à courant alternatif monophasé et triphasé. Dans ce dernier cas, des solutions à trois électrodes et à six électrodes ont été proposées et réalisées industriellement. L'utilisation de trois et six électrodes (voir Engelsht V. S., Gurovich V. Ts., Desyatkov G. A., Musin N. U., Saitchenko A. N. Expérimental investigation and application of the high-voltage low-current arc in gas flow. 20th ICPIG.-Barga,1991 -P.978-979) est proposée dans le but d'uniformiser le plus possible la zone de plasma générée, vu que ce plasma est hors d'équilibre thermodynamique et donc contient de grandes concentrations de molécules et de radicaux à l'état métastable. C'est l'énergie potentielle de ces particules (effets non thermiques), et non seulement leur énergie cinétique (effets thermiques), qui permettent de décomposer les particules des produits à détruire par le plasma.
Les procédés et générateurs mentionnés présentent les désavantages suivants qui les rendent difficilement applicables dans la pratique, ou bien en diminuent sensiblement l'efficacité : 1. Non-uniformité spatiale du jet de plasma généré.
2. Instabilité du plasma généré.
3. Impossibilité de contrôle du procédé et de ses paramètres.
4. Dimensions limitées (réduites) de la zone de plasma.
5. Zone de génération du plasma limitée aux électrodes (la présence des électrodes dans la zone de plasma obstrue le champ du traitement).
Le fait que l'arc glissant est par définition en mouvement constant peut être un désavantage car il conditionne la non-uniformité spatiale et l'instabilité du plasma généré.
Les auteurs cités ci-dessus (Desyatkov et al.) ont également proposé une configuration des électrodes qui fixe la position de l'arc dans l'espace dès que celui-ci a atteint les extrémités des électrodes. Les lignes de courant se courbent alors soumises, d'une part, à la force de traînée du flux de gaz propulsant et à la force électromagnétique et, d'autre part, à la résistance hydrodynamique de l'arc qui tend à conserver sa position dans la zone la plus ionisée de l'espace. Cette solution est plus avantageuse que celle de l'arc glissant. Cependant les travaux expérimentaux montrent que l'arc, et donc le jet de plasma qu'il génère, reste instable. Cette instabilité est principalement due au caractère turbulent du flux de gaz propulsant. En outre, vu la faible longueur du jet de plasma généré, il est difficile d'effectuer des travaux de traitement d'objets en évitant que le jet réfléchi par l'objet traité ne vienne altérer les pièces du générateur, notamment les électrodes. Il est donc très souhaitable que le jet de plasma soit sensiblement plus long. Cependant, il n'est possible d'allonger le jet de plasma selon les technologies existantes qu'en augmentant la puissance incidente, le rendement énergétique d'un tel générateur est très bas vu que les pertes de puissance augmentent pratiquement proportionnellement au carré de la dimension du jet, de forme proche de la sphère. Dans le contexte de ce qui précède, un but de la présente invention est d'élaborer un procédé de génération de jet de plasma non-isothermique stable, à une pression voisine de la pression atmosphérique ou supérieure à la pression atmosphérique, qui puisse être utilisé de manière avantageuse pour la réalisation industrielle de réactions plasmochimiques notamment dans le domaine de la destruction et du recyclage des déchets, en particulier des déchets organiques. „ . , . „
Il est avantageux d exploiter un procède de génération d un jet de plasma non- isothermique uniforme dans l'espace d'un réacteur plasmochimique.
Il est également avantageux d'exploiter un procédé de génération d'un jet de plasma non-isothermique stable dans le temps pendant toute la durée d'un traitement plasmochimique.
Il est aussi avantageux d'utiliser un jet de plasma de forme allongée et dont le rapport de la longueur au diamètre est substantiellement supérieur à l'unité, II est d'autant plus avantageux d'utiliser un jet de plasma non-isothermique laminarisé de manière à en augmenter la longueur tout en limitant les échanges énergétiques avec le milieu gazeux environnant.
Un grand avantage présente toute technologie capable d'assurer un traitement contrôlé variable en fonction de la composition du gaz d'apport, de la forme, de la nature, et de la composition du produit traité.
Des buts de l'invention sont réalisés grâce à la génération d'un jet de plasma non-isothermique, à pression voisine de la pression atmosphérique, selon un procédé de génération d'un jet axisymétrique de plasma non-isothermique à l'aide d'une décharge électrique à haute tension en courant continu ou alternatif monophasé ou triphasé dans un flux de gaz, décharge initiée par un plasma de claquage, propulsée par une force électromagnétique et par la force de traînée exercée par le flux de gaz et localisée aux extrémités d'électrodes, caractérisé en ce que le flux de gaz propulsant le plasma de la décharge est stabilisé en tous les points du jet de plasma résultant, la vitesse relative du gaz, V*, en tout point du flux propulsant, obéissant à la relation du type:
r*< D* : V*(r*) = l.
D*≤r*≤l: V*(r*) = 1 - cos [n(r*- 1)/2(D*-1)],
et qu'est satisfaite la condition de stabilisation hydrodynamique de l'arc:
V≤Re*.r) / p. D,
où
D*=D/D0 ; r*=2r/D0 ;
D et D0 sont respectivement le diamètre extérieur du jet, et le diamètre de la zone de laminarisation et que D < D0 ;
r est le rayon du point du jet où est déterminée la vitesse courante V ;
V0 est la vitesse du flux laminarisé.
Re* est le nombre critique de Reynolds du flux stabilisé ;
η et p sont respectivement la viscosité dynamique et la densité du gaz propulsant à la température du flux propulsant de la présente invention et un .
dispositif pour la mise en œuvre d un procède de génération d'un jet de piasma non-isothermique tel que ci-dessus dans lequel le flux de gaz propulsant pénètre dans la zone de formation de l'arc par l'intermédiaire d'un distributeur de gaz comprenant un collecteur d'entrée, un dispositif de formation du profil des vitesses et une grille- tamis de la présente invention.
D'autres buts, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortent des dessins, schémas et illustrations annexés à la présente invention, dans lesquels :
• La figure 1 illustre la configuration de l'arc à haute tension généré entre deux électrodes en régime de courant alternatif (50 Hz) convoyé par un flux de gaz dans deux cas : fig.la : le flux de gaz est turbulent
fig.lb : le flux de gaz est organisé de manière que les pulsations hydrodynamiques soient minimales, en particulier, le flux de gaz est laminarisé.
La fig.lc illustre également le fait que le jet de plasma non-thermique stabilisé comme le propose la présente invention, en particulier laminarisé, se propage sur une distance sensiblement supérieure à la longueur du flux non stabilisé.
• La fig.2 montre un schéma de réalisation du dispositif permettant de mettre en œuvre la présente invention (« a ») et mentionne deux variantes de refroidissement des électrodes : fig.2a : refroidissement à l'air ; fig.2b : refroidissement à l'eau.
• La fig.3 illustre un système de génération de jet de plasma non- thermique à trois électrodes alimentées par une source de courant triphasé.
• La fig.4 a illustre un système de génération de jet de plasma non- thermique à six électrodes alimentées par une source de courant triphasé, suivant deux configurations : fig.4b : raccordement en étoile ; fig.4c : raccordement en triangle;
La fig.5a illustre un cas particulier d'application de la présente invention quand le générateur est alimenté par du courant alternatif triphasé et est pourvu de trois électrodes de base et d'une électrode annulaire de manière à étirer la partie du jet de plasma excitée par le courant électrique et de cette manière en contrôler la configuration.
La fig.5b illustre le cas où l'électrode annulaire est refroidie par gaz ou par eau.
La fig.6 illustre le cas particulier de l'application d'un champ magnétique à chacune des six électrodes alimentant un générateur de jet non- thermique : fig. 6a : section transversale du dispositif ; fig. 6b : section longitudinale, champ magnétique puisant dirigé de manière à concentrer la décharge électrique dans la zone axiale du jet de plasma. fig. 6c : secti n longitudinale, champ magnétique puisant dirigé de manière à localiser la décharge électrique dans la zone périphérique du jet de plasma. fig 6d: section longitudinale, le champ magnétique est continu et constant dans le temps. Dans ce cas, la décharge électrique effectue des oscillations.
La fig.7 montre une section transversale d'un jet de plasma non- isothermique généré par six électrodes et amené en mouvement de rotation autour de son axe grâce à un système de déflecteurs et/ou à un Champ magnétique coaxial.
La fig.8 illustré le cas particulier où le jet de plasma non-thermique est propulsé et stabilisé par un flux de gaz composé de zones concentriques de gaz chacune desquelles ayant un débit contrôlé par des vannes. · . _, , , ,.
• La tig.9 est un graphique de. la variation de la longueur ae rare générant le jet de plasma non-isothermique, pour deux valeurs de la tension, en fonction de la .vitesse V du gaz propulsant introduit pour stabiliser le jet de plasma non-isothermique selon la présente invention.
• FiglO. configuration des électrodes avec corps central fraisé.
• Figll. configuration des électrodes avec plaquettes. Le principe du procédé proposé réside en ce qui suit :
Il est proposé d'utiliser comme base le procédé de génération d'un jet axisymétrique de plasma non-isothermique à l'aide d'une décharge électrique à haute tension en courant continu ou alternatif monophasé ou triphasé dans un flux de gaz, décharge initiée par un plasma de claquage, propulsée par une force électromagnétique et par la force de traînée exercée par le flux de gaz et localisée aux extrémités d'électrodes.
Le plasma dans un tel jet est en état non-thermique tel que défini par les formules [1] - [3], ce qui donne des avantages de principe à la présente invention. Malheureusement, dans les applications existantes le jet de plasma généré est turbulent et l'avantage du plasma non-thermique reste pratiquement inutilisé, vu que les échanges énergétiques dans un plasma turbulisé sont trop intenses et il devient impossible de les exploiter : l'énergie des électrons et celle des particules excitées et des radicaux libres éventuellement formés et en état métastable, sont « gaspillées » et perdues en chaleur.
L'invention présente permet, au contraire l'exploitation de ces avantages basée sur la limitation des pertes calorifiques et l'optimisation de l'utilisation des états excités des particules.
La présente invention consiste à stabiliser le jet de plasma en agissant sur le flux de gaz qui l'alimente et le propulse. La stabilisation est principalement de caractère hydrodynamique. Elle consiste à organiser en tous les points du flux de gaz qui enrobe et propulse le jet de plasma des conditions où les échanges convèctifs sont éliminés et ne subsiste pratiquement que la dissipation moléculaire, notamment la conduction thermique et la diffusion. L'expérience des auteurs de la présente invention a montré que, pour cela : • la vitesse relative du gaz, V*, en tout point du flux propulsant, doit obéir à la relation empirique du type:
r*< D* : V*(r*) = l. [1];
D*< r* < l: V*(r*) = l - cos [n(r*- l)/2(D*-l)] [2];
• que doit être satisfaite la condition de stabilisation hydrodynamique:
V < e*.r| / p. D, [3]
où
D*=D/D0 ; r*=2r/D0 ;
D et D0 sont respectivement le diamètre extérieur du jet
et le diamètre de la zone de stabilisation (D < D0);
r est le rayon du point du jet où est déterminée la vitesse courante
V ;
V0 est la vitesse du flux laminarisé ;
Re* est le nombre critique de Reynolds du flux stabilisé ;
η et p sont respectivement la viscosité dynamique et la densité du gaz propulsant à la température et à la pression du flux
propulsant.
Par nombre critique de Reynolds, Re*, on entend la valeur du nombre de Reynolds à laquelle le flux passe de manière spontanée de l'état laminaire à l'état turbulent. Pour un flux dans un tube axisymétrique cette valeur est bien connue et se trouve au niveau de 2000. L'expérience montre que ce passage spontané est déterminé par les différences de vitesse entre les couches voisines du fluide ou plus précisément par le gradient de cette vitesse. Il est imaginable, et l'expérience des auteurs de la présente invention le confirme, d'avoir un flux de base de grande vitesse et de dimension caractéristique restreinte pour lequel le caractère des échanges reste moléculaire même si le nombre de Reynolds est fortement supérieur à 2000. Des flux de ce genre sont appelés pseudo-laminaires par les auteurs de la présente invention. Des flux pseudo-laminaires ont été observés par les auteurs de la présente invention pour des nombres de Reynolds (calculés formellement) allant jusqu'à 100000. Il suffit pour cela que le flux soit enrobé dans une « gaine » de fluide où la vitesse passe de manière monotone et sous forme de fonction lisse de la valeur de la vitesse au cœur du flux de base à la vitesse du flux environnant, en particulier la vitesse nulle d'un environnement immobile. En plus, l'expérience a montre que pour qu un flux soit pseudo-laminaire, il est nécessaire que le gradient de la vitesse du flux dans la zone intermédiaire soit égal à zéro aux frontières du flux intermédiaire avec le flux de base et le flux environnant.
La valeur de Re* ne peut être déterminée qu'empiriquement. Les travaux effectués par les auteurs de la présente invention ont montré que, pratiquement, Re* ~ 1,5.104. Ce résultat peut être utilisé pour toutes les configurations de jet de plasma mentionnées et pour tous les dispositifs dé mise en œuvre cités dans la présente invention. Pour d'autres configurations, afin de rester dans le domaine d'application de la présente invention, il y a lieu, avant de fixer le régime et les paramètres d'exploitation du jet de plasma, d'effectuer les mesures hydrodynamiques bien connues et classiques sur le dispositif adopté de manière à déterminer empiriquement Re*et, par la suite, choisir la valeur de V selon la formule [3].
Quand un flux pseudo-laminaire baigne un cordon de plasma ou un arc, l'expérience des auteurs de la présente invention a montré que la condition de pseudo-laminarité autour du cordon de plasma se satisfait pratiquement automatiquement : le cordon de plasma ne se perturbe pas. Les échanges avec le flux restent laminaires.
Pour que le cordon de plasma (même si l'axe de celui-ci a une direction perpendiculaire par rapport à la direction du flux qui le contourne) ne soit pas perturbé par le flux propulsant, il suffit donc que ce flux soit pseudo-laminaire.
Les relations [1] - [3] sont un exemple pratique de réalisation de la condition de pseudo-laminarité revendiquée dans la présente invention. La présente invention permet donc, en particulier, de minimiser les échanges énergétiques entre le jet de plasma et le milieu environnant. Des exemples ont montré que le jet de plasma pseudo-laminarisé, et donc stabilisé, peut être très long. On a donc la possibilité d'en contrôler et d'en optimiser la forme et le bilan énergétique de manière à optimiser les échanges thermiques et les échanges de masse avec la charge de matière traitée.
Une telle optimisation est possible, par exemple, en appliquant un champ magnétique perpendiculaire à la direction du courant électrique . . , , , , , ■ ·
qui parcourt le cordon de plasma générant le jet de pia iid . Leb l ur ces électromagnétiques engendrent une rotation de l'arc électrique ce qui stimule les échanges énergétiques au sein du jet de plasma non- thermique.
Une rotation du jet de plasma non-thermique est également obtenue en introduisant le flux de gaz propulsant sous un angle tel qu'il forme un tourbillon de · plasma grâce auquel les échanges énergétiques sont stimulés dans le jet de plasma.
Des champs magnétiques peuvent également appliqués à chacune des électrodes ce qui permet de modifier la forme du cordon de plasma, le rapprochant de l'axe du jet ou l'en éloignant suivant que la direction d'application du champ magnétique (parcouru par un courant alternatif) par rapport à la direction du courant électrique qui alimente la décharge. Un champ magnétique constant peut permettre d'élargir et de raccourcir la forme du jet.
Une fois le jet de plasma stabilisé (pseudo-laminarisé), il devient maintenant avantageux de combiner la vitesse du jet de plasma, déterminant l'intensité des échanges énergétiques et la formation du plasma non-thermique autour du (des) cordons de plasma, les effets de stabilisation et de pseudo-laminarisation(organisation du profil des vitesses du gaz propulsant), de rotation électromagnétique, de rotation hydrodynamique, de compression ou d'extension de la forme du(des)cordons de plasma ce qui donne la possibilité d'introduire des mélanges gazeux (contenant des composant qui se décomposent en particules actives au contact du plasma non-thermique)dans le jet de plasma non-thermique et d'optimiser leur état d'excitation et leur composition, notamment la concentration des radicaux libres qui favorisent la destruction des molécules organiques et la reconstruction de composants utiles tels que le syngaz, par exemple.
Le principe du dispositif de la présente invention est illustré sur la figure 1.
La fig.la montre le caractère chaotique du cordon de plasma 2 issu des électrodes 1 d'un dispositif standard alimenté par un flux turbulent de gaz, tel qu'utilisé dans la pratique et que photographié de multiples fois par les utilisateurs. On voit que les électrodes 1 émettent un cordon de α3π >2 de fôrme indéterminée, instable dans l'espace et le temps. La zone de plasma 3 autour du cordon est également instable dans le temps et l'espace. Cette configuration limite fortement les applications de ce type de plasma qui ne peut pas être appelé un jet de plasma.
La fig.lb montre le résultat de principe de l'utilisation d'un dispositif de distribution du débit de gaz propulsant. Le cordon de plasma 2 est stabilisé. Le jet de plasma 4 est enrobé dans le jet de gaz 5 issu du distributeur 6. il est de configuration stable et uniforme.
La f'ig. le donne une comparaison de principe des deux cas mentionnés plus haut : le cordon de plasma 2, la zone de plasma 3 sont sensiblement étirés et de longueur plus grande que dans le cas du dispositif standard. Apparaît un jet de plasma 4 stabilisé par le jet de gaz 5.
De manière générale, le dispositif pour la mise en œuvre du procédé de génération d'un jet de plasma non-thermique stabilisé tel que défini dans la présente invention est illustré par la fig.2. Une décharge à haute tension sous la forme d'un cordon de plasma de section pratiquement constante, 2, est amorcée entre deux électrodes 1, parallèles ou divergeant sous un angle déterminé par rapport à l'axe de symétrie du générateur, reliés par l'intermédiaire de tiges métalliques 7 et d'un cône métallique 8 à une source de courant alternatif 9. Le cône métallique est relié au système d'alimentation électrique par l'intermédiaire d'un condensateur 10 et peut être déplacé le long de son axe de manière à faire varier la distance le séparant des tiges métalliques.
Le gaz d'alimentation, propulsant et stabilisant le jet de plasma non- thermique 4 est introduit par l'intermédiaire d'un conduit 11 pourvu d'un collecteur 12, d'une grille-tamis 13 et d'un dispositif de distribution de débit (de vitesse) 14.
Le collecteur est alimenté en gaz par l'intermédiaire du conduit d'entrée 15. Des composants gazeux, liquides ou sous forme de gouttelettes pulvérisées, peuvent être ajoutés au flux de gaz par l'intermédiaire du conduit 16.
Le distributeur de débit 14 peut servir à prédéterminer et contrôler la distribution rgdiale du débit du flux de gaz. Il peut être constitué, notamment, d'un ensemble de tubes de faible diamètre disposés en nid d'abeilles, comme le montre la fig.2. Le profil des longueurs de ces tubes ι - _ι ' · , . , . , ΙιΙ\?*, i ne le profil des résistances hydrodynamiques en τοηαιοη du rayon du distributeur. Cela permet de créer un profil 17 de vitesses (V(r)) qui prédétermine la stabilité du flux de gaz et donc du flux résultant de plasma. En particulier, on peut de cette manière former un flux de gaz dont la partie centrale 18 de diamètre D a une vitesse constante et la partie périphérique, limitée au diamètre D0 (19), a un profil radial prédéterminé (17). L'expérience montre qu'un tel flux a toutes les apparences et les caractéristiques d'un flux laminaire. Quand ce flux baigne le cordon de plasma, il le stabilise. Les échanges au sein de ce jet (zones 4) sont des échanges moléculaires dont l'intensité est substantiellement inférieure à celle des échanges turbulents. En particulier, les échanges thermiques et les échanges de masse sont déterminés par la conductivité thermique et la diffusion dans le milieu et non par les échanges thermiques et les échanges de masse turbulents. Ils sont donc de beaucoup plus faible intensité et de plus grande étendue. Cela permet d'obtenir un jet de plasma de grandes dimensions, surtout de grande longueur, c'a d. de transporter le plasma à grande distance sans en perdre les caractéristiques déterminantes (l'enthalpie) ce qu'illustre la fig. le.
En d'autres termes, le dispositif selon la présente invention est notamment caractérisé en ce que le dispositif de formation du profil de vitesses du flux de gaz propulsant (14) est un système axisymétrique de tubes coaxiaux disposés en nid d'abeilles et traversés longitudinalement par les supports conducteurs des électrodes, l'axe des tubes étant parallèle à l'axe du flux et la longueur courante des tubes inversement proportionnelle à la vitesse locale du flux de gaz.
Les tiges 7 sont construites de manière à représenter une résistance hydrodynamique minimale pour le flux de gaz de manière à ne perturber que localement le caractère du flux de gaz.
Les électrodes 1 qui supportent les dégagements de chaleur dus au passage des charges électriques de la zone métallique au gaz (émission auto-électronique) et sont inévitablement soumis à une érosion peuvent être refroidis par un flux de gaz (l'électrode 1 peut dans ce cas être traversé par un canal de gaz 20 qui les parcourt comme le montre la fig.2 b ) ou par un courant d'eau (l'électrode 1, dans ce cas, est parcourue par un courant d'eau 21 comme le montre la fig.2 c ). Le cone métallique (8) qui permet l'amorçage de la dc ucn c es électrodes peut être remplacé par un corps fraisé longitudinalement (35) tel qu'illustré sur la figure 10, ce qui permet de diminuer sa résistance hydrodynamique. Cette dernière peut également être réduite si le cône métallique 8 est remplacé par des plaques métalliques (36) radiales fixées sur les électrodes et conçues de manière que la distance entre les plaques soit minimale dans la partie des électrodes la plus en amont du flux axial de gaz, comme le montre la figure 11
Le dispositif fonctionne de la manière suivante : au moment de l'amorçage de* la décharge, un arc court s'allume entre le cône 8 et les tiges 7.
Poussé par les forces électromagnétiques et la traînée du flux de gaz qui baigne le cordon de plasma 2, celui-ci se déplace vers la droite, atteint les électrodes 1 et se fixe à leurs extrémités en position 22. Sa forme stable est déterminée par l'équilibre entre les forces mentionnées et la force de résistance thermique qui contraint l'arc à occuper le canal ionisé créé plutôt que de se déplacer dans une zone voisine non ionisée. Autour du cordon de plasma se crée une zone de plasma non-thermique 4 stable et uniforme : les conditions (2) et (3) ont lieu. Les valeurs et les gradients de températures (Ta, Te) et de concentrations des composants du plasma dans cette zone sont déterminés par les échanges moléculaires (conduction thermique, diffusion, conductivité électrique) et conditionnent l'étendue de la zone de plasma non-thermique du jet.
La fig.3 illustre un schéma de mise en œuvre de la présente invention selon lequel le cordon de plasma 2 est généré par trois électrodes 1 par l'intermédiaire d'un cône métallique 8 connecté à un générateur de courant électrique triphasé avec des éléments de ballast sous forme d'inductances 23 ce qui permet d'avoir un rendement énergétique particulièrement élevé. Le système est stabilisé par un flux de gaz issu d'un distributeur de gaz 6 permettant d'enrober les électrodes et les cordons de plasma par un flux de gaz dont le profil radial du débit est prédéterminé de manière à stabiliser la décharge et laminariser le jet de plasma.
Une solution encore plus avantageuse est proposée sur la fig.4. Dans ce cas, le cordon de plasma 2 est généré par six électrodes 1 par l'intermédiaire du cône métallique 8, connecté à un générateur de ectr que r p as . ensem e es ectr par un flux laminarisé de gaz stabilisant 5 issu d'un distributeur 14. Suivant que les connections des électrodes sont effectuées en triangle (comme le montre la connexion 9' de la fig. 4 b ) ou en étoile (comme le montre la connexion 9" de la fig. 4 c ), on a une configuration des cordons de plasma centralisée 24' ou périphérique 24" . Suivant l'application du jet de plasma non-thermique, l'une ou l'autre des solutions est préférable.
La fig.5 illustre une autre réalisation possible de la présente invention. Dans ce cas le jet de plasma non-thermique stabilisé 4 est formé par des cordons de plasma 2 connectant les trois électrodes alimentées par une source de courant alternatif triphasé 9 à une électrode annulaire 5 Comme le montre la fig.5 c l'électrode annulaire 25, disposée à se surchauffer vu son contact avec le jet de plasma, peut être refroidie, par exemple à l'aide d'un courant d'eau amené et évacué par les conduits 26. Des protubérances 27 sont éventuellement pratiquées de manière à localiser et fixer la base des cordons de plasma.
De cette manière, le dispositif revendiqué dans la présente invention est notamment caractérisé en ce qu'il est pourvu d'une électrode (25) à la masse, circulaire, coaxiale au jet laminarisé et l'entourant à l'intérieur de la zone de laminarisation de manière à localiser la décharge dans la zone de laminarisation du jet généré.
La stabilisation (voir fig. 5 b ) se réalise par un flux de gaz 5 issu d'un distributeur 6 dans lequel le dispositif de nid d'abeille 14 de la fig. 2 est remplacé par un système d'expansion brusque 27 qui permet de créer un profil de vitesses 17 du flux adapté empiriquement au schéma de la figure 5. On voit que le gaz de propulsion 28 introduit dans le distributeur 6 crée un tourbillon 29 dans le flux de gaz profilé 30 dirigé vers la grille-tamis 13, formant ainsi le profil de vitesses voulu V(r) 17.
La fig.6a illustre le cas d'addition de solénoïdes 31 créant des champs magnétiques perpendiculaires aux cordons de plasma 2 issus de chacun des électrodes 1. Le flux de gaz propulsant issu du distributeur 6 et stabilisant le jet de plasma 4 est organisé de manière à enrober toute la configuration des cordons de plasma, que ceux-ci soient concentrés par le champ magnétique, généré par courant alternatif, vers l'axe du générateur (voir fig. 6 b), ou bien poussés vers l'extérieur (voir fig. 6 c ) suivant que les oscillations du champ et du courant sont en phase ou en ase ou en encore, orc s par un c amp m dnt dans le temps, oscillant entre les deux situations des fig.6 b et fig,6 c comme le montre la fig.6 d .
La fig.7a montre la section transversale d'un autre dispositif de mise en œuvre de la présente invention, selon lequel le flux de gaz propulsant 28, et par conséquence les cordons de plasma 2 issus des six électrodes 1, après avoir quitté le cône métallique 8, sont tourbillonnés par des déflecteurs hydrodynamiques 32 ou par un champ magnétique généré par un solénoïde 31, champ magnétique dont les oscillations sont synchronisées avec le courant alternatif d'alimentation des décharges.
La fig.7 b montre l'angle δ entre l'axe des déflecteurs et la direction du flux de gaz propulsant.
La fig.7 c montre l'angle δ' entre l'axe du déflecteur et la tangente au cercle de fixation radiale des déflecteurs.
On a δ < 90° et δ'<90°.
Le dispositif selon la présente invention peut également être caractérisé en ce qu'il comporte des solénoïdes (31) parcourus par un courant électrique continu ou alternatif, notamment synchronisé avec le courant alimentant la décharge, les solénoïdes étant disposés de manière à créer un champ magnétique dirigé sous un angle β compris entre 0° et 90° par rapport à la direction du courant de la décharge et sous un angle γ entre 0° et 90° par rapport à la direction du flux laminarisé.
La fig. 8 montre la section longitudinale d'un dispositif de distribution du gaz propulsant 28 selon lequel la position du cordon de plasma 2 et la configuration de la zone de plasma 3 issus des électrodes 1 après avoir quitté le cône métallique 8 sont contrôlées par un dispositif 33 pourvu de vannes 34 assurant une distribution du gaz propulsant 28, par portions, le long du cône métallique, à travers les électrodes (notamment pour les refroidir) et à la périphérie du générateur.
La fig.9 illustre la dépendance de la longueur du jet de plasma, L(m) de la vitesse du gaz de propulsion, V (m/s) pour différentes valeurs de la tension appliquée aux électrodes. a c ente nvent on peut tre avantageusement ,, es industries chimique, plasmochimique, et pharmaceutique, notamment pour la fabrication de poudres et en particulier de nano-poudres.
Les générateurs de jet de plasma non-thermique peuvent être avantageusement utilisés dans différentes industries pour la stérilisation instantanée de surfaces contaminées.
L'utilisation de la présente invention est exceptionnellement effective et avantageuse, notamment économiquement pour la destruction des déchets ménagers, médicaux industriels et surtout pour l'incinération par plasma des déchets organiques. Dans ce cas, elle permet notamment d'éliminer des.gaz résiduels nocifs tels que les dioxines et les furanes et de recycler les déchets organiques en les transformant en produits combustibles tels que le syngaz.
Exemples :
1. Générateur de jet de plasma non-thermique à base d'air à pression atmosphérique applicable pour la destruction de déchets médicaux.
Puissance : 100 kW
Pression : 1 bar
Tension aux électrodes : 10 kV
Fréquence : 50 Hz
Courant électrique maximum : 10 A
Quantité d'électrodes : 6
Dispositif de stabilisation: distributeur à nid d'abeilles.
Nombre de Reynolds du flux d'air baignant l'arc de plasma : varie entre 300 et 14.000. Le jet de plasma conserve ses propriétés quasi-laminaires grâce aux mesures prises pour le stabiliser.
2. Générateur de jet de plasma non-thermique à base de gaz de composition complexe à pression sub-atmosphérique applicable pour la destruction de déchets médicaux.
Puissance : 100 kW
Pression : 1,7 bar.
Tension aux électrodes : 20 kV
Fréquence : 50 Hz
Courant électrique maximum : 5 A , ect ro es .
Dispositif de stabilisation: distributeur à expansion brusque.
Nombre de Reynolds du flux d'air baignant l'arc de plasma : varie entre 300 et 14.000. Le jet de plasma conserve ses propriétés quasi-laminaires grâce aux mesures prises pour le stabiliser.
Dans le cas des deux exemples cités plus hau l'application d'un champ magnétique perpendiculaire de 0,11T au courant électrique selon la figure 6 a permis, suivant la configuration de ce champ, de réduire la longueur du jet d 3m à 0,8 m et d'en augmenter le diamètre de 4,5 cm à 12cm.
La figure 9 illustre la variation de la longueur de l'arc générant le jet de plasma non:ïsothermique en fonction de la vitesse du flux d'air propulsant le jet de plasma non-thermique, pour les deux valeurs de la tension illustrées dans les deux exemples ci-dessus, selon la présente invention.
Conclusions
1. La mise en œuvre de la présente invention permet d'obtenir des longueurs d'arc générant le jet de plasma non-isothermique de l'ordre de plusieurs mètres, ce qui est de beaucoup supérieur à l'étendue des arcs glissants connus et des jets de plasma non- isothermiques non stabilisés.
2. Le jet de plasma conserve ses propriétés de quasi-laminarité, même quand le nombre de Reynolds est supérieur à 2000.
3. Le procédé revendiqué et le dispositif de sa mise en œuvre tel qu'utilisé dans les présents exemples permet d'atteindre des buts de la présente invention. Il permet de transporter le plasma à une distance supérieure à celle atteinte dans l'exemple précédent, et donc de le projeter sur la cible que peut représenter une charge de déchets médicaux, sans être perturbé par ou agir sur les pièces du dispositif de génération du jet de plasma, notamment les électrodes.
4. L'utilisation de très hautes tensions est cependant peu recommandée vu la probabilité et le danger de décharges non f % programmées en dehors du dispositif. On observe également, a très haute tension des décharges intérieures que viennent « shunter » l'arc et perturber le jet de plasma. L'utilisation d'un champ magnétique perpendiculaire au courant électrique de la décharge, permet de contrôler la configuration du jet et d'en optimiser les dimensions et le bilan énergétique, ce qui confirme l'utilité de l'invention pour des applications pratiques nécessitant l'adaptation du jet de plasma à la charge de matière à traiter, |î>ar exemple, dans le cas de la destruction ou du recyclage des déchets, notamment médicaux.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de génération d'un jet axisymétrique de plasma non- isothermique à l'aide d'une décharge électrique à haute tension en courant continu ou alternatif monophasé ou triphasé dans un flux de gaz, décharge initiée par un plasma de claquage, propulsée par une force électromagnétique et par la force de traînée exercée par le flux de gaz et localisée aux extrémités d'électrodes, caractérisé en ce que le flux de gaz propulsant le plasma de la décharge est stabilisé en tous les points du jet de plasma résultant, la vitesse relative du gaz, V*, en tout point du flux propulsant, obéissant à la relation du type:
r*< D* : V*(r*) = l.
D*≤r*≤l: * V*(r*) = l - cos [n(r*- l)/2(D*-l)],
et qu'est satisfaite la condition de stabilisation hydrodynamique de l'arc:
V < e*.q / p. D,
où
D*=D/D0; r*=2r/D0 ;
D et D0 sont respectivement le diamètre extérieur du jet, et le diamètre de la zone de laminarisation et que D < D0 ;
r est le rayon du point du jet où est déterminée la vitesse courante V ;
V0 est la vitesse du flux laminarisé.
Re* est le nombre critique de Reynolds du flux stabilisé ;
η et p sont respectivement la viscosité dynamique et la densité du gaz propulsant à la température du flux propulsant.
2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'arc est soumis à l'action de champs magnétiques perpendiculaires au courant électrique.
3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le courant électrique de l'arc ou des arcs est dirigé parallèlement ou sous des angles δ < 90° par rapport à l'axe du flux de gaz propulsant et δ'< 90° par rapport à la tangente au cercle sur lequel sont positionnés les déflecteurs.
4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le flux de gaz propulsant contient des composants moléculaires, par exemple de la vapeur d'eau, qui se décomposent en particules 2011/138525 ^ i J- .PCT/FR2011/000277 eA tees metastables et en radicaux au contact au piasma non thermique.
5. Dispositif pour la mise en œuvre du procédé de génération d'un jet de plasma non-isothermique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le flux de gaz propulsant (28) pénètre dans la zone de formation de l'arc(4) par l'intermédiaire d'un distributeur de gaz (6 )comprenant un collecteur d'entrée (12), un dispositif de formation du profil des vitesses(14) et une grille- tamis (13).
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif de formation du profil de vitesses (14) du flux de gaz propulsant (28)est un système axisymétrique de tubes coaxiaux disposés en nid d'abeilles et traversés longitudinalement par les supports conducteurs des électrodes, l'axe des tubes étant parallèle à l'axe du flux et la longueur courante des tubes inversement proportionnelle à la vitesse locale du flux de gaz telle que déterminée dans la revendication 1.
7. Dispositif selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que le dispositif de formation du profil de vitesses (14) du flux de gaz propulsant (28) comprend un collecteur(12), un anneau d'expansion brutale(27) et une grille-tamis (13).
8. Dispositif selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce qu'il comporte des solénoïdes (31) parcourus par un courant électrique continu ou alternatif, notamment synchronisé avec le courant alimentant la décharge, les solénoïdes étant disposés de manière à créer un champ magnétique dirigé sous un angle β compris entre 0° et 90° par rapport à la direction du courant de la décharge et sous un angle γ entre 0° et 90° par rapport à la direction du flux laminarisé.
9. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que le collecteur du dispositif de laminarisation est pourvu de conduits d'alimentation(15,16) en composants sous forme de liquides, de jets pulvérisés ou de gaz.
10. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 9, caractérisé en ce qu'il est pourvu d'une électrode à la masse (25), circulaire, coaxiale au jet laminarisé et l'entourant à l'intérieur de la zone de laminarisation de 2011/138525 . . .. . , , , . . , , PCT/FR2011/000277 . manière a localiser la décharge dans la zone de laminarisanon au jet généré.
11. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 10, caractérisé en ce que le cône métallique (8) permettant l'amorçage de la décharge entre les électrodes (1) est remplacé par un corps fraisé longitudinalement (35) ce qui permet de diminuer sa résistance hydrodynamique.
12. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 11, caractérisé en ce que le cône métallique 8 est remplacé par des plaques métalliques radiales (36) fixées sur les électrodes (1) et conçues de manière que la distance entre les plaques soit minimale dans la partie des électrodes la plus en amont du flux axial de gaz.
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