Oddzialywanie wyladowan elektrycznych na procesy spalania

Mgr inŜ. Arkadiusz Dyjakon
Politechnika Wrocławska
Instytutu Techniki Cieplnej
I Mechaniki Płynów
Oddziaływanie wyładowań elektrycznych na procesy
spalania
Streszczenie
W pracy dokonano przeglądu moŜliwości zastosowań wyładowań elektrycznych w
technice spalania. Opisano ich wpływ na zmianę właściwości płomieni, ograniczenie emisji
zanieczyszczeń i modyfikację paliw. Zwrócono uwagę na moŜliwość zwiększenia zakresu
stabilności palników pyłowych i gazowych.
Abstract
The number of industrial applications of electrical discharges in combustion
technology was presented in the paper. The possibility of flames modification, reduction of
pollutant emission and fuel processing were shown. The ability to expand flammibility limits
for gas and pulverized-coal burners was discussed.
1. Wstęp
Powszechnie znanym zastosowaniem wyładowań elektrycznych w technice spalania
jest iskrowy zapłon palnej mieszaniny w tłokowych silnikach spalinowych. Jakość działania
iskrowego urządzenia zapłonowego w silnikach spalinowych ma duŜe znaczenie dla rozruchu
silnika oraz emisji zanieczyszczeń, nic więc dziwnego, Ŝe trwają poszukiwania zwiększenia
efektywności zapłonu. Jednym z takich rozwiązań jest zapłon plazmowy, który polega na
wytworzeniu, a następnie wprowadzeniu do przestrzeni spalania plazmy elektrycznej, co
zapewnia skuteczny zapłon [1].
Istnieją teŜ inne obiecujące moŜliwości zastosowań elektrotechnologii w technikach
spalania. Jedną z najwaŜniejszych dziedzin takich zastosowań jest stabilizacja działania
palników wyładowaniami elektrycznymi w celu zwiększenia zakresu ich pracy i ograniczenia
emisji zanieczyszczeń. Inne waŜne dziedziny wykorzystania wyładowań elektrycznych to
incyneracja niebezpiecznych odpadów i modyfikacja paliw.
2. Charakterystyka wyładowań elektrycznych w gazach
Wyładowanie elektryczne jest to przepływ prądu w gazie uzaleŜniony od procesów
jonizacyjnych, a jego charakter określa wartość prądu przepływającego między elektrodami
pod wpływem przyłoŜonego do nich napięcia [2]. NatęŜenie prądu zaleŜy od warunków i
parametrów pracy układu jak: ciśnienie, rodzaj gazu, dostarczona moc, natęŜenie i
częstotliwość pola elektrycznego, natęŜenie prądu, materiał elektrod, geometria elektrod,
temperatura, moc odprowadzona itd. NajwaŜniejsze parametry wyładowania to: napięcie i
natęŜenie prądu oraz ciśnienie gazu [3].
1
Napięcie
Odcinek AB – wyładowanie niesamoistne
Punkt B – w pobliŜu tego punktu zachodzi
zapłon, gaz zaczyna świecić; wyładowanie
zaczyna być samoistne
Odcinek BC – zwiększona jonizacja powoduje
wzrost przewodnictwa czyli spadek oporu gazu;
napięcie spada
Odcinek CD – normalne wyładowanie
jarzeniowe
Odcinek DE – niestacjonarne wyładowanie
jarzeniowe
Punkt E – zaczyna się obszar wyładowania
łukowego
Punkt F – stabilne wyładowanie łukowe
NatęŜenie prądu
Rys.1. Charakterystyka prądowo-napięciowa wyładowania pod niskim ciśnieniem [4].
WyróŜnia się następujące typy (rodzaje) wyładowań elektrycznych w gazach [3]:
ciemne, jarzeniowe, koronowe, iskrowe i łukowe.
Podczas wyładowań elektrycznych w gazach, w wyniku ruchu i kolizji ładunków
występuje jonizacja cząstek gazu, a ponadto zachodzą procesy termoemisji i elektrostatycznej
emisji elektronów z cząstek stałych. Przepływający przez mieszaninę prąd elektryczny
podgrzewa ją, co prowadzi do wzrostu temperatury, rozkładu termicznego substratów i
zapoczątkowania egzotermicznej reakcji chemicznej (zapłonu) [5].
W technice spalania najpowszechniej stosowanym wyładowaniem elektrycznym jest
wyładowanie iskrowe. Czas wyładowania iskrowego jest krótki: rzędu 10-8÷10-7s, istnieje
więc minimalna energia iskry niezbędna do wywołania płomienia w palnej mieszance.
Wartość minimalnej energii iskry zaleŜy od składu palnej mieszanki oraz od warunków jej
przepływu [2,6]. Na przykład, minimalna wartość energii potrzebnej do zapłonu mieszaniny
gazowej jest w zakresie 1mJ ÷ 0,5 J, natomiast dla zapłonu mieszanin pyłowych minimalna
energia iskry musi być 10 ÷100 razy większa [7].
Okazuje się, Ŝe poza wyładowaniem iskrowym, kaŜdy z wymienionych typów
wyładowań elektrycznych moŜe wpływać na procesy spalania. W technice spalania i w
pokrewnych dziedzinach, jak podczas unieszkodliwiania odpadów i przeróbki paliw, waŜne
zastosowanie znajdują wyładowania koronowe i łukowe (termiczne).
2.1. Wyładowania koronowe
Specyficzną formą wyładowania jarzeniowego jest wyładowanie koronowe, które
występuje przy ciśnieniu zbliŜonym do atmosferycznego oraz duŜych odstępach między
elektrodami, gdy napięcie między nimi nie wystarcza do przebicia iskrowego [8]. NatęŜenie
pola elektrycznego musi być na tyle silne, aby wywołać jonizację przy zderzeniu cząstek [9].
Tego typu wyładowania szczególnie intensywnie występują, gdy powierzchnie elektrod mają
cylindryczny układ lub duŜe krzywizny (ostrza, cienkie druty, itp.) [10]. Powstają wtedy duŜe
nierównomierności, które tworzą w reakcyjnej objętości nierównowagowe i bardzo reaktywne
środowisko sprzyjające reakcjom chemicznym.
Podczas wyładowań koronowych ponad 80% energii elektrycznej zostaje
zaabsorbowane przez endotermiczne reakcje. Czas przebywania w strefie reakcji jest w
przybliŜeniu 10-3 s, co jest wystarczającym czasem dla zajścia wielu reakcji chemicznych w
fazie gazowej [11].
2
2.2. Wyładowania termiczne
Powstanie wyładowania łukowego wymaga wysokiego ciśnienia gazu i dostatecznie
duŜej mocy źródła zasilania. Cechuje je duŜe natęŜenie prądu przy niewielkim napięciu [3].
Podczas wyładowania łukowego decydującą rolę odgrywają zjawiska zachodzące na katodzie,
poniewaŜ rozŜarzona do wysokiej temperatury katoda stanowi obfite źródło elektronów.
Elektrony wywołują z kolei lawinową jonizację napotkanych atomów powietrza i w ten
sposób powstaje wyładowanie łukowe. Zmniejszenie oporu w trakcie wyładowania wywołane
jest tym, Ŝe ze wzrostem natęŜenia prądu wzrasta temperatura katody, liczba wybitych
elektronów i jonizacja. Efektem tego jest wzrost liczby nośników ładunku, co pociąga za sobą
spadek oporu (odcinek E-F na rys.1) [9].
W wyniku wyładowania termicznego powstaje niskotemperaturowa plazma, która
stanowi częściowo zjonizowany gaz składający się z cząstek elektrycznie neutralnych oraz
elektronów i jonów w stęŜeniu 1014÷1017 cm-3 [8]. Temperatura niskotemperaturowej plazmy
jest w zakresie (20÷100)·103K [12]. Ponadto plazma charakteryzuje się wysokim
współczynnikiem przenoszenia ciepła oraz wysoką koncentracją energii (do 40 kW/cm2) [8].
3. Poprawa jakości spalania za pomocą wyładowań elektrycznych
Problem uzyskania statecznego płomienia jest szczególnie istotny w urządzeniach
technicznych, w których występują duŜe prędkości wypływu mieszanki palnej [6].
Dodatkowe czynniki jak: turbulencja, temperatura, ciśnienie, wilgotność, potrzeba
ograniczenia emisji, jeszcze bardziej komplikują zagadnienie stabilizacji płomienia.
Stabilność płomienia ma zasadnicze znaczenie dla poprawnej pracy palników, istnieje
więc wiele sposobów stabilizacji płomieni. Interesujące moŜliwości stwarza zastosowanie
niektórych efektów elektrycznych, a do najbardziej obiecujących czynników naleŜą: pole
elektryczne, wyładowanie koronowe i wyładowanie termiczne.
3.1. Wpływ pola elektrycznego na stabilność płomieni gazowych
Istnieje moŜliwość poprawy stabilności gazowych płomieni przez przyłoŜenie pola
elektrycznego wywołanego napięciem kilku tysięcy wolt w strefie spalania. Efekt stabilizacji
występuje zarówno podczas spalania ubogich, jak i bogatych mieszanin [13].
Na rys.2a pokazano schematycznie zastosowanie pola elektrycznego do stabilizacji
płomienia gazowego, a uzyskany efekt stabilizacji płomienia metanowo-powietrznego
pokazano na rys.2b.
3
b)
płomień
źródło
zasilania
palnik
pręt
izolowany
elekroda
11
10
Prędkość przepływu mieszanki
[m/s]
a)
9
8
7
6
5
Płomień
niestabilny bez
pola
elektrycznego
Płomień niestabilny
3 kV
4
3
2
0 kV
Płomień stabilny
1
0
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
1,40
1,60
Współczynnik nadmiaru powietrza
metan + powietrze
Rys. 2. Wpływ pola elektrycznego na zwiększenie obszaru stabilizacji płomienia gazowego
a) schemat układu elektrod b) wykres dla mieszanki metan-powietrze (D=16,2mm)
NaleŜy podkreślić niewielki pobór mocy elektrycznej dla stabilizacji płomienia
„ciemnym” wyładowaniem elektrycznym. W eksperymencie, którego wyniki przedstawiono
na rys.2 pobór mocy elektrycznej stanowił około 0,01% mocy cieplnej palnika.
Pomimo, Ŝe efekt stabilizacji płomienia gazowego przy pomocy pola elektrycznego
znany jest od pół wieku, brak przekonującej teorii wyjaśniającej mechanizm stabilizacji. Na
przykład, Calcote i Berman [13] sugerują, Ŝe stabilizację płomienia powoduje pole
elektryczne generujące „wiatr jonowy”. Opóźnia to oderwanie płomienia od wylotu palnika
ze wzrostem prędkości wypływu.
3.2. Stabilizacja płomienia wyładowaniem koronowym
Jeszcze wyraźniejszy efekt stabilizacji płomieni gazowych stwierdzono po
zastosowaniu wyładowań koronowych w płomieniu [14]. Geometria elektrod była podobna
jak na rys.2a.
W tym przypadku takŜe nie ma zgodności co do dominującego mechanizmu
stabilizacji płomienia. NaleŜy wziąć pod uwagę trzy waŜne czynniki: generację ozonu (O3),
wydzielanie się ciepła podczas wyładowania koronowego i zmianę składu paliwa.
Ozon jest reaktywnym reagentem, a ponadto podczas jego rozkładu powstaje
atomowy tlen, co przyspiesza reakcję zapłonu. Rozkład ozonu przedstawia reakcja [15]:
O3 + M → O2 + O + M
Z drugiej jednak strony stabilizujące działanie ozonu w płomieniu osłabia
temperaturowa zaleŜność szybkości rozkładu ozonu i rekombinacji rodników O [15]:
2O3 → 3O2
13 -24450/RT
w której stała szybkości reakcji k ≈ 10 e
.
Autorzy pracy Bradley i Nesser [14] sugerują, Ŝe prawdopodobnie przewaŜa cieplny
efekt stabilizacji, wywołany nagrzewaniem się katody podczas wyładowań koronowych.
Istnieje jeszcze jeden czynnik przyczyniający się do stabilizacji płomieni
węglowodorowych, a mianowicie powstawanie podczas wyładowania koronowego wodoru i
acetylenu z metanu [16]. Obecność H2 i C2H2 w palnej mieszance ułatwia zapłon i rozszerza
jej granice palności.
4
3.3. Plazmowe palniki pyłowe
W energetyce węglowej wzrasta zainteresowanie problematyką stabilności pracy
palników pyłowych. NajwaŜniejsze przyczyny tego zainteresowania, to: konieczność
prowadzenia bloków energetycznych z małym obciąŜeniem (<50%), konieczność stabilizacji
pracy niskoemisyjnych palników pyłowych, próby opracowania pyłowych palników
podtrzymujących małej mocy i próby rozruchu kotłów pyłowych bez palników mazutowych.
Ze względu na znacznie większą wartość energii zapłonu pyłów niŜ gazów, do
stabilizacji płomieni pyłowych zastosowanie znalazły wyładowania termiczne (łukowe).
Wytworzona w tych wyładowaniach zimna plazma w wieloraki sposób oddziałuje na
mieszankę pyłowo-powietrzną stanowiąc pewne źródło zapłonu [17].
NajwaŜniejsze składniki entalpii wewnętrznej zimnej plazmy to: entalpia fizyczna,
entalpia wynikająca z jonizacji cząstek oraz entalpia dysocjacji molekuł. Na rys.3 pokazano
udziały wymienionych składników entalpii zimnej plazmy na bazie powietrza.
5,5
1
Entalpia powietrza-10-4 [kJ/kg]
5
4,5
4
2
3,5
3
2,5
3
2
1,5
1
0,5
0
1000
2000 3000
4000 5000
6000
7000 8000
9000 10000 11000
Temperatura [K]
Rys. 3. ZaleŜność entalpii powietrza od temperatury (1 – z uwzględnieniem dysocjacji i
jonizacji, 2 – bez jonizacji, 3 – bez jonizacji i dysocjacji, nagrzewanie bierne) [17]
Oddziaływanie plazmy na pył węglowy jest złoŜone, poniewaŜ obejmuje zarówno
procesy fizyczne jak i chemiczne [18]. NajwaŜniejsze przemiany zachodzące podczas
kontaktu niskotemperaturowej plazmy z cząstkami węgla to [19]: nagrzewanie cząstek węgla,
gwałtowny rozkład termiczny substancji organicznej, szybkie wydzielanie części lotnych
(CO, CO2, CH4, C6H6, N2, H2O) oraz związków azotu (pirydyna C5H5N, pirol C4H5N),
rozpad cząstek węgla na cząstki o mniejszych rozmiarach (fragmentacja), dysocjacja
termiczna wielu produktów gazowych rozkładu i powstawanie w fazie gazowej rodników (O,
H, C, S, NH, CH, CN, OH i innych), jonizacja i tworzenie się jonów dodatnich (C+, H+, N+,
CO+, O+, Si+, K+ i inne) oraz ujemnych (O-, H-, N2- i inne).
Pod wpływem kontaktu cząstek węgla z plazmą występują w nich silne napręŜenia
cieplne wywołujące rozpad cząstek i gwałtowne wydzielanie części lotnych. Zatem pył
węglowy w kontakcie z plazmą staje się bardzo reaktywną substancją z duŜą zawartością
gazowych substratów, w których są wolne rodniki oraz zjonizowane cząstki. W kontakcie z
powietrzem szybko rozwija się płomień, co stanowi podstawę stabilizacji spalania mieszanki
pyłowo-powietrznej. Schemat palnika plazmowego do zapłonu i podtrzymania spalania pyłu
węglowego przedstawia rys.4.
5
Plazmotron
Pył węglowy
+ powietrze
nośne
Plazma
Płomień
Rys. 4. Plazmowy palnik pyłowy
Jednym z waŜnych zagadnień dotyczących zastosowania wyładowań elektrycznych do
stabilizacji pracy palników pyłowych jest zapotrzebowanie energii elektrycznej do
plazmowego zapłonu mieszanki pyłowej. WaŜnym czynnikiem decydującym o energii
zapłonu są właściwości węgla. Na rys.5 pokazano jak potrzebna do plazmowego zapłonu pyłu
węglowego energia wyładowań elektrycznych zaleŜy od udziału części lotnych w węglu.
Ilość części lotnych [%]
60
50
40
30
20
10
0
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
Strata energetyczna [kWh/kg]
Rys. 5. Wpływ zawartości części lotnych w węglu na zapotrzebowanie na energię elektryczną
niezbędną do podtrzymania płomienia [17]
Zastosowanie technologii plazmowej w energetyce kotłowej moŜe przynieść znaczne
korzyści, gdyŜ umoŜliwia [20]: poprawę efektywności procesu rozpalania, stabilne spalanie
wszystkich rodzajów węgli: od antracytu do brunatnego, zmniejszenie straty niedopału,
wyeliminowanie spalania mazutu, automatyzację procesu rozruchu kotła i zmniejszenie emisji
zanieczyszczeń do atmosfery.
4. Modyfikacja właściwości paliw wyładowaniem elektrycznym
Istnieją obiecujące perspektywy zastosowania wyładowań elektrycznych do
modyfikacji paliw kopalnych, dzięki którym moŜna zmieniać skład palnych mieszanek,
własności płomieni, a nawet wytwarzać nowe paliwa lub substraty dla technologii
chemicznej.
Węgiel i ropa naftowa, obok roli podstawowych surowców energetycznych, znajdują
zastosowanie jako wyjściowe substraty chemiczne w procesach syntezy organicznej. Z paliw
kopalnych otrzymuje się cenne węglowodory gazowe takie jak: acetylen, etylen czy metan.
NajwaŜniejszymi zaletami plazmowego rozkładu związków organicznych są intensyfikacja i
selektywność procesu ciągłego oraz moŜliwość wykorzystywania niskowartościowych
surowców [3].
6
4.1. Modyfikacja płomieni gazowych wyładowaniem koronowym
JeŜeli w dyfuzyjnym płomieniu metanowym wywołać wyładowanie koronowe, to
metan przed spaleniem ulegnie głębokim przemianom. Przede wszystkim pojawi się sadza, a
ponadto metan w duŜym stopniu (10 ÷ 40%) ulegnie rozkładowi do acetylenu i wodoru [16].
Na rys.6 schematycznie przedstawiono koncepcję palnika gazowego z wykorzystaniem
wyładowań koronowych do modyfikacji właściwości płomienia.
Pojawienie się sadzy w płomieniu metanowym ma duŜe znaczenie dla zwiększenia
intensywności przekazywania ciepła od płomienia, poniewaŜ płomień metanowy, który jest
nieświecący, staje się płomieniem świecącym. Obecność acetylenu i wodoru w palnej
mieszance poprawia stabilność płomienia.
płomień
elektroda
gaz
ziemny
powietrze
powietrze
Rys. 6. Schemat palnika z wyładowaniem koronowym
Podsumowując, zastosowanie wyładowań koronowych w gazowych płomieniach
węglowodorowych zwiększa świecenie płomienia, poprawia jego stabilność, a ponadto
umoŜliwia zmniejszenie emisji termicznych NOx [16]. Zapotrzebowanie na energię
elektryczną wyładowań koronowych w płomieniu gazowym oceniana się na około 25%
energii chemicznej niesionej strumieniem metanu.
4.2. Modyfikacja paliw gazowych wyładowaniem jarzeniowym i łukowym
W obszarze wyładowań elektrycznych następuje rozkład cząstek organicznych do
innych produktów gazowych, których stopień przemiany zaleŜy od rodzaju wyładowania.
Głównymi produktami rozkładu węglowodorów nasyconych są: wodór, acetylen i etylen.
PoniŜej przedstawiono przykłady oddziaływania wyładowania koronowego lub
łukowego na palne składniki gazowych mieszanin:
a) Mieszanina metanu z powietrzem [16]
Stwierdzono konwersję metanu (50%) pod wpływem wyładowania koronowego do
produktów: wodór (40%), acetylen (6%), etylen (0,2%), etan (0,03%).
b) Mieszanina metanu z dwutlenkiem węgla [11]
Pod wpływem działania wyładowania koronowego o mocy 2,8-3,4 MJ/m3 na
mieszaninę CH4 i CO2 stwierdzono konwersję (reforming) z efektywnością 23-42% do
produktów: H2, CO, H2O, CO2.
c) Propan [21]
W wyniku wprowadzenia do reaktora plazmowego propanu stwierdzono następujący
skład objętościowy głównych produktów: C2H2 (13,7%), C2H4 (5,83%), CH4 (8,38%),
C3H8 (2,87%), H2 (66,4%).
7
4.3. Modyfikacja paliw ciekłych
Sprzyjające warunki termiczne i gazodynamiczne, charakterystyczne dla strumienia
plazmy niskotemperaturowej, znalazły zastosowanie w reaktorach plazmowych do przeróbki
paliw ciekłych. Stosowanie jako gazu roboczego argonu, wodoru czy azotu powoduje, Ŝe w
produktach reakcji brak jest związków tlenowych, co istotnie upraszcza proces separacji
składników powstałej mieszaniny gazowej [3].
Przykładowe wyniki pirolizy ciekłych węglowodorów przeprowadzonej pod wpływem
wyładowania łukowego w reaktorze plazmowym to:
a) Benzen surowy [21]
Skład objętościowy produktów po przeprowadzonej pirolizie w reaktorze plazmowym
wynosił odpowiednio: C2H2 (18,1%), C2H4 (0,96%), CH4 (2,96%), H2 (75,9%).
b) Benzyna niskooktanowa [22]
W strumieniu plazmy wodorowej i mocy wyładowania łukowego 50kW otrzymano
następujące stęŜenia gazowych produktów pirolizy: C2H2 (56%), C2H4 (42%).
c) Ropa naftowa [21]
Przeprowadzono pirolizę ropy naftowej, w wyniku czego otrzymano następujący skład
produktów reakcji: C2H2 (15,0%), C2H4 (6,43%), CH4 (6,26%), H2 (68,2%).
4.4. Modyfikacja paliw stałych
Zastosowanie wyładowania elektrycznego w obszarze przepływu pyłu węglowego
stwarza moŜliwość uzyskania palnych składników gazowych. Szybkie ogrzanie węgla do
temperatury powyŜej 1500K prowadzi do jego rozkładu na gazowe palne związki
węglowodorowe [23]. Przykładowe oddziaływania wyładowania łukowego na pył węglowy
do produkcji składników gazowych:
a) W strumieniowym reaktorze plazmochemicznym przedstawionym na rys.7
przeprowadzono badania rozkładu drobnoziarnistego węgla o zawartości części lotnych
36%. Moc wyładowania łukowego zmieniała się w zakresie 4÷14kW, a jako gaz roboczy
stosowano argon i wodór. Stwierdzono rozkład do acetylenu dla plazmy wodorowej 40%,
a dla plazmy argonowej 20% [24].
gaz
roboczy
4
1
2
3
5
gaz transportujący
6
1 – katoda
2 – anoda
3 – chłodzenie odbieralnika
4 – zasilanie elektryczne
5 – podalnik
6 – filtr
gazy poreakcyjne
produkty stałe
Rys. 7.Chemiczny reaktor plazmowy do pirolizy węgli [24]
8
b) W wyniku przepływu mieszanki pyłu węglowego i dwutlenku węgla przez obszar
wyładowania łukowego w reaktorze plazmowym o mocy 52kW przeprowadzono syntezę
substratów do produktu końcowego jakim był tlenek węgla. Sprawność reakcji
chemicznej C(s) + CO2(g) = 2CO(g) wyniosła 80 ÷87% [25].
c) Przy uŜyciu plazmy argonowo-wodorowej i nakładzie mocy 14,5kW stwierdzono
konwersję pyłu węglowego o rozmiarze około 200µm do produktów [23]: C2H2 (74%),
CH4, C2H4, C2H6, CO.
5. Zastosowanie wyładowań elektrycznych do zmniejszania emisji
zanieczyszczeń
5.1. Zmniejszenie emisji NOx
Dzięki stabilizującemu działaniu pola elektrycznego udaje się spalać ubogie mieszanki
gazowe, dla których płomień ma znacznie niŜszą temperaturę niŜ płomienie o składzie
zbliŜonym do stechiometrycznego.
Ze względu na silną temperaturową zaleŜność termicznych NOx (k≈e-67000/T)
zmniejszenie temperatury płomienia powoduje znaczną redukcję NOx. Na rys.8 pokazano jak
bardzo stabilizacja ubogiego płomienia metanowego polem elektrycznym o napięciu 3kV
pozwala zmniejszyć emisję NOx w porównainu do emisji z płomienia bez stabilizacji. Efekt
ograniczenia NOx dzięki zastosowaniu wyładowań elektrycznych obserwowano zarówno dla
laminarnych, jak i turbulentnych płomieni gazowych [26].
140
120
3 kV
0 kV
NO [ppm]
100
80
60
40
20
0
0,90
1,00
1,10
1,20
1,30
1,40
Ws półczynnik nadm iaru powietrza
Rys. 8. Wpływ pola elektrycznego na powstawanie NO (D=16,2mm, Re=3500) [26]
5.2. Zmniejszenie emisji związków organicznych
Gazy odlotowe z wielu przemysłowych procesów chemicznych, jak: obróbka plastiku,
przeróbka papieru, wytwarzanie farb i innych, zawierają róŜne lotne związki organiczne
(VOCs) [27]. W ich skład zaliczyć moŜna: węglowodory (toluen, ksylen, etylobenzen), estry
(octan etylu, octan butylu), alkohole (butylowy, etylowy). Lotne zanieczyszczenia organiczne
wywierają negatywny wpływ na środowisko naturalne, a ponadto w pewnym stęŜeniu
stwarzają zagroŜenie wybuchowe.
Istnieje moŜliwość ograniczenia negatywnych efektów występowania VOCs w gazach
odlotowych, dzięki zastosowaniu wyładowań elektrycznych, poniewaŜ pod wpływem
9
wyładowań koronowych lub łukowych w obecności powietrza następuje ich konwersja do
substancji o mniejszej szkodliwości [11].
Na przykład, w powietrzu zanieczyszczonym takimi substancjami organicznymi, jak:
heptan, toluen i inne węglowodory, wyładowanie koronowe powoduje ich utlenienie z 90%
skutecznością. Inne przykłady zastosowań wyładowań elektrycznych do unieszkodliwiania
lotnych związków organicznych przedstawiono poniŜej [28]:
a) Heptan
Pary heptanu (2000 ppm) zawarte w powietrzu zostały całkowicie usunięte i
zamienione głównie na CO2. Całkowita moc elektryczna dostarczona do reaktora
plazmowego wynosiła 0,94 kW przy przepływie powietrza 1,8 nm3/h.
b) Toluen
Początkowa koncentracja oparów toluenu (1800 ppm) w powietrzu została
zredukowana w reaktorze przy przepływie powietrza 2,0 nm3/h i mocy 0,84 kW do ilości
140 ppm.
c) Ksylen
Przy ciśnieniu atmosferycznym i zapotrzebowaniu mocy przez reaktor 0,12 kWh/nm3
obniŜono koncentrację ksylenu w obecności powietrza ze 160 ppm do 30 ppm.
5.3. Plazmowe unieszkodliwianie odpadów niebezpiecznych
MoŜliwość uzyskiwania wysokich temperatur w strumieniu plazmowym stwarza nową
jakość procesu destrukcji odpadów w porównaniu do tradycyjnego spalania [29], poniewaŜ w
temperaturze rzędu 10000K mogą przebiegać takie reakcje chemiczne, jakie nie zachodzą w
niŜszych temperaturach.
Dzięki wysokiej temperaturze i duŜej gęstości energii w plazmie, szybkość procesu
destrukcji jest wysoka, co decyduje o duŜej wydajności incyneracji odpadów [30]. Istotą
termochemicznej neutralizacji i likwidacji aktywnych substancji chemicznych jest
wykorzystanie strefy plazmy do atomizacji, utleniania i przekształcenia produktów procesu w
związki mało aktywne. Doprowadzenie do reaktora czynnika utleniającego zapewnia
efektywne utlenianie odpadów w strefie plazmy. Na rys.9 przedstawiono schemat reaktora do
plazmowej likwidacji niebezpiecznych odpadów.
Istnieje moŜliwość uzyskania końcowych produktów incyneracji odpadów w mało
ługowalnej postaci ( w formie spieku, ŜuŜla lub szkła). W tym celu do reaktora łukowego
dodatkowo wprowadza się stabilizujące dodatki, które ulegają przetopieniu i wiąŜą
pozostałości po incyneracji. Odpady wtórne powstają w minimalnych ilościach, zwykle
poniŜej 1% masy wsadu [29].
Plazmowa utylizacja odpadów organicznych moŜe być prowadzona w następujących
warunkach [29]:
a) pirolizy termicznej (prowadzona w obecności wody, co korzystnie wpływa na
redukcję sadzy i sprzyja powstawaniu procesów rodnikowych i łańcuchowych;
głównymi produktami pirolizy plazmowej są: CO, H2, CO2, HCl, niŜsze
węglowodory gazowe, odpady nieorganiczne w postaci stopionego ŜuŜlu.
b) plazmy powietrznej lub tlenowej (następuje głębsza destrukcja odpadów, ale
istnieje moŜliwość powstawania dioksyn)
c) plazmy wodnej (obecność pary wodnej powoduje wysoką reaktywność tworzących
się rodników hydroksylowych, bardzo szybką reakcję rozkładu i powstawanie
gazu palnego)
d) plazmy wodorowej (duŜa efektywność tworzenia się niŜszych węglowodorów
nasyconych, ale proces jest bardzo kosztowny)
10
Przykłady zastosowania plazmy do procesu utylizacji odpadów niebezpiecznych w
reaktorach plazmowych to:
a) Odpady szpitalne [29]
W wyniku wprowadzenia substratów do reaktora plazmowego (rys. 9.) i prowadzenia
procesu bez udziału powietrza (zapobiegło to tworzeniu się dioksyn, furanów i NOx)
wytworzono gaz palny o wartości opałowej około 12 MJ/m3 i następującym składzie
chemicznym: H2 (52%), CO (35%), CO2 (6%), CH4 (2%), inne gazy (5%).
gaz
roboczy
wylot gazu
wlot gazu
katoda
łuk elektryczny
wymurówka
materiał stopiony
anoda
Rys. 9. Schemat reaktora plazmowego [29]
b) Odpady chloroorganiczne [31]
W reaktorze plazmowym z łukiem wirującym poddano destrukcji: chlorometan
(CH3Cl), czterochlorek węgla (CCl4), chlorobenzen (C6H5Cl), PCB. Efektywność
procesu była większa niŜ 99,99% za wyjątkiem pirolizy CCl4, w której stwierdzono w
gazach wylotowych zawartość 0,02% CCl4.
c) Olej transformatorowy zawierający PCB (polichlorowany bifenyl), odpady węglowe,
opony, odpady komunalne [29]
Po poddaniu pirolizie tych odpadów w reaktorze plazmowym o mocy 3,5 MW i
zuŜyciu energii 1 kWh/kg stwierdzono następujący skład głównych gazów odlotowych:
H2 (41÷53%), CO (27÷39%).
6. Podsumowanie
Wykazano, Ŝe kaŜdy rodzaj wyładowań elektrycznych w płomieniu moŜe oddziaływać
na zachodzące w nim procesy spalania. Najbardziej podatny na oddziaływania elektryczne
jest płomień gazowy, w którym nawet pole elektryczne bez wyładowań wywołuje efekt
stabilizacji.
Z technicznego punktu widzenia prawdopodobnie najwaŜniejszy jest efekt stabilizacji
płomienia pyłowego strumieniem plazmy. Mechanizm stabilizacji jest bardzo złoŜony,
obejmuje bowiem efekty termiczne, fragmentację cząstek węgla, bezpośrednią generację
rodników i jonizację.
Istnieją obiecujące perspektywy zastosowania wyładowań elektrycznych do
zmniejszenia emisji takich zanieczyszczeń, jak tlenki azotu (NOx) i lotne zanieczyszczenia
organiczne (VOCs). WaŜne znaczenie dla likwidacji niebezpiecznych zanieczyszczeń ma
zastosowanie reaktorów plazmowych.
W przyszłości praktyczne zastosowanie mogą znaleźć elektrotechnologie pozwalające
modyfikować cechy płomieni, zmieniać właściwości paliw oraz wytwarzać substraty dla
przemysłu chemicznego.
11
Na zakończenie naleŜy takŜe zaznaczyć, Ŝe zastosowanie elektrotechnologii w
procesach spalania wiąŜe się z koniecznością poboru energii elektrycznej, której
zapotrzebowanie zaleŜy od rodzaju zastosowanego wyładowania. Dodatkowy pobór energii
oraz koszty instalacji elektrycznej będzie miała istotne znaczenie dla oceny efektywności
ekonomicznej zastosowań elektrycznych w procesach spalania.
LITERATURA:
1. Weinberg F.J., „Ignition by plasma jet”, Nature, vol. 272 (str.341), 1978
2. Frączek Jerzy, „Aparatura przeciwwybuchowa w wykonaniu iskrobezpiecznym”, Śląskie
Wydawnictwo Techniczne, Katowice, 1995
3. Brzeski Jerzy i inni „Chemia plazmy niskotemperaturowej”, Warszawa, WNT 1983
4. Stachórska D. „Wstęp do elektrycznych wyładowań w gazach”, Uniwersytet Marii CurieSkłodowskiej, Lublin, 1977
5. Bobrov Yu.K., Korobeinikov V.P., „On electrical discharges and ignitions of combustible
mixtures”, archivum combustionis, Vol. 18, No. 1-4, 1998
6. Chomiak Jerzy, „Podstawowe problemy spalania”, PWN, Warszawa, 1977
7. Bobrov Yu.K., Djakov A.F., Korobeinikov V.P., „On electrostatic discharges in dusty
gases”, Proc. 7th Intern. Colloq. on Dust Explosion, Univ. of Bergen, Bergen, Norway,
1996
8. Celiński Zdzisław „Plazma”, Warszawa, PWN 1980
9. Szczeniowski Sz., „Fizyka doświadczalna-elektryczność i magnetyzm”, PWN, Warszawa,
1966
10. Zdanowski Jerzy, „Wyładowania elektryczne w gazach”, PWr, Wrocław, 1975
11. Fridman A., Nester S., Kennedy L.A., Salveliev A., Mustaf-Yardimci O., Gliding arc gas
discharge, Prog. Energy Combust. Sci., Vol. 25
12. Hering Mieczysław „Podstawy elektrotermii” cz. II, Warszawa, WNT 1998
13. Calcote H.F., Berman C.H., „Increased methane-air stability limits by a dc electric field”,
ASME, vol. 25, 1989 (s. 25)
14. Bradley D., Nasser S.H., „Electrical Coronas and Burner Flame Stability”, Combustion
and Flame, vol. 55 (str.53), 1984
15. Frank-Kameneckij D.A., „Diffuzija i teploperedača v chimičeskoj kinetike”, Akademija
Nauk CCCP, Moskva, 1987
16. Berman C.H., Dreizin E.L., Hoffmann V.K., Calcote H.F., „An atmospheric pressure glow
discharge for enhanced combustion”, AeroChem Research Lab. Inc., GRI-95/0243,
Princeton, New Jersey, 1995
17. Karpenko E.I., Messerle V.E., „Vvedenie v plazmenno-energetičeskie technologii
toplivoispol’zovanija”, Vostočno-Sibirskij gosudarstvennyj technologičeskij universitet,
1996
18. Ecker G. und andere „Das Niedertemperatutplasma-Ein Universalschlssel zu neuen
Mrkten und Zukunftstechnologien”, VDI-Verlag GmbH, Dsseldorf 1988
19. D’iakov A.F., Karpenko E.I., Messerle V.E., „Plazmenno-energetičeskie technologii i ich
mesto v teploenegetike”, Teploenergetika, nr 6, s.25, 1998
20. The Branch Centre for Plasma-Energy Processes of Russian Joint-Stock; Company „The
United Energy System of Russia” at JC „The Gusinoozyorsk State District Elektric Power
Station”; Gusinoozyorsk 1996
21. Błaszczuk Aleksander, „Piroliza węglowodorów”, WNT, Warszawa, 1973
22. Gladish H., Chem. Ing. Tech., 41 (4), 205, 1969
12
23. Szekely J., Apelian D., „Plasma processing and Synthesis of materials”, Littlewood K.,
„Interaction of coal particles injected into argon and hydrogen plasmas”, Symposium,
November 1983, Boston, Massachusetts, U.S.A. (s.127)
24. Bond R.L., Ladner W.R., McConnel G.I.T., Fuel, nr 5 (str.381), 1966
25. Szekely J., Apelian D., „Plasma processing and Synthesis of materials”, Giacobbe F.W.,
Schmerling D.W. „Design and use of an efficient plasma jet reactor for high temperature
gas/solid reactions”, Symposium, November 1983, Boston, Massachusetts, U.S.A. (s.133)
26. Berman C.H., Gill R.J., Calcote H.F., „NOx reduction in flames stabilized by an electric
field”, ASME, vol. 33, 1991 (s. 71)
27. Czernichowski A., Lesueur H., Fillon G., „Proc Workshop on Plasma Destruction of
Wastes”, Odeillo-Font Romeu, France, 1990
28. Czernichowski A., Lesueur H., 10th Int Symp on Plasma Chemistry, 3.2.1.,Bochum,
Germany, 1991
29. Piecuch Tadeusz „Termiczna utylizacja odpadów i ochrona powietrza przed szkodliwymi
składnikami spalin”, Politechnika Koszalińska, Koszalin, 1998
30. Kołaciński Z., Cedzyńska K., „Piroliza plazmowa alternatywą spalania odpadów oraz
nowoczesną techniką wytwarzania czystych paliw”, Politechnika Łódzka
31. Cedzyńska K., Kołaciński Z., „Plazmowa destrukcja ciekłych i gazowych odpadów
chloroorganicznych”, V Jubileuszowa Konferencja Naukowo-Techniczna, Termiczna
utylizacja odpadów-wymiana doświadczeń i poglądów
13