DD299614A7 - Verfahren zum stabilen betrieb von wasserdampfplasmatrons - Google Patents

Abstract

Das Verfahren zum stabilen Betrieb von Wasserdampfplasmatrons soll die fuer Wasserdampfplasmen typischen Fluktuationen im Betrieb und die erhoehte Elektrodenerosion vermeiden. Erfindungsgemaesz wird das erreicht durch die Beimischung von bis zu 50% eines Gases mit einer Kondensationstemperatur unter 50C zum Wasserdampf. Das verhindert durch Senkung des Wasserdampfpartialdruckes 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; Erosion; Elektroden; Kuehlung; Kondensation; Verdampfung; Inertgas; Kondensationstemperatur; Wasserdampfpartialdruck; 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 plasmapyrolytische 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 chemischer Erosion Standzeiten ergeben, die einen kontinuierlichen Betrieb eines Plasmatrons unmöglich machen, wenn keine intensive Kühlung erfolgt, wobei als Kühlmittel üblicherweise Wasser von etwa 2O⁰C verwendet wird. Das betrifft in erster Linie die Elektroden, aber auch die Gaskammer, das Piasmatrongehäuse, die Anschlußstutzen und, je nach konstruktiver Auführung, 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 Elektrodenwechsels 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 Plasmaenthalpie. 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 Wasserdampfplasmen im Vergleich zu anderen Gasplasmen wesentlich höhere Erosion der Elektroden und für die Fluktuationen im Betrieb bei gleichen thermischen Prozeßbedingungen und intensiver Kühlung aller thermisch hoch beanspruchten Teile, insbesondere der Elektroden. Die Lösung der Aufgabe besteht in einer Senkung der Kondensationstemperatur infolge Verwendung eines Gasgemisches als Plasmagas, bestehend aus mindestens 50% Wasserdampf und einem Gas mit einer Kondensationstemperatur unter 50⁰C bei

einem Druck von 0,1 MPa.

Eine besonders wirksame Lösung besteht in einer Kombination von Begrenzung der Kühlung durch Verwendung von Heißwasser als Kühlmittel und gleichzeitiger 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 Wasserdamfan stark gekühlten Teilen und eine folgende explosionsartige Verdampfung der bei der Kondensation gebildeten Tröpfchen unter 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 Angriffspunkte für die weitere Erosion darstellen.

Weiterhin wird infolge der schlagartigen Verdampfung der kontinuierliche Dampfdurchsatz stark gestört oder kurzzeitig unterbrochen, wodurch es zu den genannten 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 der Piasmatronparameter beseitigt, ohne den üblichen Weg (Verstärkung der Kühlung) zu gehen.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispieles 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 25 kg/h vorgelegtem Dampf mit einer Temperatur von 300°C bei 0,1 MPa als Plasmagas betrieben. Trotz intensiver Kühlung der Elektroden treten ohne Anwendung der Erfindung erhebliche Schwankungen der Betriebs- und Qualitätsparameter im Plasmatron auf.

Erfindungsgemäß werden nun 62,5 mVh Luft nach der Verdampferstufe in den Plasmadampf eingemischt. Es kommt zu einer Kondensation, durch die der Wärmeübergangskoeffizient auf etwa 15 % seines Wertes bei Sattdampfkondensation reduziert wird. Das führt zu einer gleichwertigen Reduzierung der Kondensatmenge auf den Elektroden. Die Kondensationstemperatur der Plasmagaspartialkomponente des Wasserdampfes liegt bei etwa 8O⁰C, was bei einer Kühlwassertemperatur von 20"C gegenüber der Sattdampfkondensation zusätzlich die thermische Triebkraft um 25% reduziert. Dadurch wird die im Plasmatron auftretende Kondensatmenge von 15% auf etwa 11 % gegenüber den ursprünglichen Verhältnissen reduziert. Das führt bereits zu einer wesentlichen Stabilisierung des Piasmatronbetriebes und Verringerung des erosiven Elektrodenabtrages durch explosionsartiges Verdampfen des kondensierten Plasmadampfes.

Eine andere Ausführungsform des Verfahrens ergibt sich, wenn statt Luft eine bezüglich des Sauerstoffgehaltes aufkonzentrierte Teilfraktion eines Sauerstoff-Stickstoff-Gemisches von 80:20 zwischen den Trennstufen einer Luftzerlegungsanlage entnommen wird und diese dem Plasmadampf vor dem Eintritt in das Plasmatron zugemischt wird.

Eine weitere vorteilhafte Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dann erhalten, wenn ein luftgekühlter Plasmareaktor benutzt wird und ein Teilstrom der durch das Kühlen vorgewärmten Luft dem Plasmadampf zugemischt wird. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nicht nur eine wesentliche Erhöhung der Standzeit der Elektroden bewirkt, so daß Elektrodenmaterial eingespart und der Verfügungsgrad der Anlagen erhöht wird, sondern ein weiterer Vorteil ist auch die Erhöhung des Wirkungsgrades infolge des ungestörten fluktuationsarmen Betriebs und der Einsparung von Energie für Bereitstellung und Überhitzung von Dampf. Gleichzeitig wird die Produktqualität verbessert und die Ausbeute gesteigert. Für bestimmte Zwecke sind aber auch diese geringen Fluktuationen nicht vertretbar, beispielsweise bei der plasmachemischen Vernichtung toxischer Stoffe können dadurch geringe Mengen toxischer Schadstoffe austreten. Deshalb wird die erfindungsgemäße Senkung der Kondensationstemperatur und der Wärmeübergangskoeffizienten durch Zumischen eines weiteren Gases kombiniert mit einer Anhebung der Temperatur der Elektroden. Das wird erreicht durch Verwendung von Heißwasser mit einer Temperatur von 80°C als Kühlmittel. Bei einer Kühlwassergeschwindigkeit an der Anode von 50...70m/s und den daraus resultierenden Durchsätzen ergibt sich eine Kühlwasseraustrittstemperatur von 81 ...82X. Diese Kühlwassertemperaturen reduzieren die thermische Triebkraft zwischen Elektrodenoberflächentemperatur und ursprünglicher Kühlwassertemperatur unwesentlich. Ais Ergebnis tritt keine Kondensation von Plasmadampf mehr auf. Die Einschränkung in der chemischen Reaktivität des Plasmas durch den mit der Luft eingebrachten Stickstoff wird durch den Anteil plasmachemisch hochreaktiven Sauerstoffes ausgeglichen. Mit dieser Kombination lassen sich Durchbrüche toxischer Stoffe vollständig vermeiden. Dabei wird auch der Wirkungsgrad weiter verbessert, da die Kühlleistung reduziert wird.

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   1. Verfahren zum stabilen Betrieb von Wasserdampfplasmatrons, gekennzeichnet durch Senkung der Kondensationstemperatur des Plasmagases infolge Verwendung eines Gasgemisches als Plasmagas, bestehend aus mindestens 50% Wasserdampf und einem Gas mit einer Kondensationstemperatur unter 50⁰C bei einem Druck von 0,1 MPa.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß neben der Senkung der Kondensationstemperatur des Plasmagases eine Begrenzung der Kühlung durch Verwendung von Heißwasser als Kühlmittel erfolgt.