Zastosowanie plazmy niskotemperaturowej w technice

Zastosowanie plazmy niskotemperaturowej w technice spalania Przemysław KOBEL, Tadeusz MĄCZKA Politechnika Wrocławska, Instytut Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów, Zakład Spalania i Detonacji Wybrzeże Wyspiańskiego 27, 50-370 Wrocław, Poland przemyslaw.kobel@pwr.wroc.pl, tadeusz.maczka@pwr.wroc.pl Streszczenie W artykule przedstawiono typowy podział plazmy w zależności od jej parametrów i obszaru zastosowań, ze szczególnym uwzględnieniem obecnie stosowanych technik plazmowych stosowanych w spalaniu paliw stałych. Głównym tematem omawianym w artykule jest zastosowanie plazmowych palników pyłowych do zapłonu węglowej mieszanki pyłowo-powietrznej. W dalszej części artykułu syntetycznie opisano budowę plazmowego palnika pyłowego opartego o prototypowy plazmotron wnękowy. Przedstawiono również wyniki prób poligonowych zapłonu pyłu węglowego z wykorzystaniem plazmotronu w muflowym palniku rozpałkowym kotła energetycznego. 1. Wstęp Plazma jest uważana przez wielu badaczy za czwarty stan skupienia materii, a przez innych określana jako zjonizowany w większym lub mniejszym stopniu gaz. Uważa się, że plazma stanowi 99% wszechświata [1, 2]. W technologiach plazmowych plazmę dzieli się na trzy typy, mianowicie: plamę wysokotemperaturową (w anglosaskiej nomenklaturze spotyka się określenie high temperature plasma, equilibrium plasma), plamę niskotemperaturową (thermal plasma, quasi-equilibrium plasma) i plazmę występująca pod nazwami nietermiczna, zimna (non-thermal plasma, nonequilibrium plasma, cold plasma). Makroskopowo, niezależnie od rodzaju, plazma jest elektrycznie obojętna. W tabeli 1 podano typową klasyfikację plazmy i jej właściwości [2,3]. Tabela 1. Klasyfikacja plazmy Plazma Wybrane parametry Charakterystyka Przykład Wysokotemperaturowa (equilibrium plasma) T e = T i = T h; T p = 10 6-10 8 K n e 10 20 m 3 Cząstki - elektrony, jony, cząstki neutralne są w stanie równowagi termicznej Reakcje termonuklearne, fuzja Niskotemperaturowa (quasi-equilibrium plasma) Nietermiczna (non-equilibrium) T e T i T h; T p 10 3-10 4 K n e 10 20 m 3 T e >> T i T h; T p otocz. - 4 10 2 K n e 10 10 m 3 Cząstki znajdują się lokalnie w stanie równowagi termicznej Brak równowagi termicznej Wyładowanie elektryczne zupełne, łuk elektryczny, plazma wysokoczęstotliwościowa ciśnienia atmosferycznego, Wyładowanie elektryczne niezupełne, korona, wyładowanie w gazach rozrzedzonych, DBD T e temperatura elektronów, T i temperatura jonów, T h temperatura cząstek neutralnych, T p temperatura plazmy, n e koncentracja elektronów

Technologie plazmowe są wykorzystywane od wielu lat, mimo to prowadzi się nadal intensywne badania plazmy, a wyniki tych badań znajdują zastosowanie w różnych dziedzinach techniki. Plazma w technice znalazła zastosowanie nie tylko ze względu na uzyskiwane bardzo wysokie temperatury podczas jej wytwarzania. Szczególnie istotny jest fakt występowania w plazmie: cząstek elementarnych, emisji fotonów, tworzenie unikalnych cząsteczek (jak fulereny), bardzo reaktywnych rodników oraz występowanie szerokiego spektrum promieniowania elektromagnetycznego. Szczególnie szerokie zastosowanie w technice ma niskotemperaturowa plazma termiczna. Jest ona stosowana w badaniach podstawowych, technologiach kosmicznych, mikroelektronice, nanotechnologii, w technologii chemicznej, ochronie wody i atmosfery, metalurgii i wielu innych branżach [1,3]. Na szczególną uwagę zasługują badania nad przemysłowym wykorzystaniem plazmy termicznej w procesie utylizacji odpadów przemysłowych zwłaszcza niebezpiecznych produktów chemicznych (węglowodory, chlorowane bifenyle i dioksyny - PCBs, PCDDs) [2-5]. Prowadzone są także badania zastosowania plazmy termicznej do utylizacji sprzętu jednorazowego użytku jak i tzw. pozostałości biologicznych ze szpitali i placówek opieki zdrowotnej [6]. Plazmowe termiczne przekształcanie odpadów organicznych może polegać na ich pirolizie plazmą gazu obojętnego [6, 7] lub zgazowaniu przy wykorzystaniu plazmy powietrznej lub wodnej [2, 4, 5, 7]. Oba procesy prowadzą do wytworzenia mieszaniny gazów palnych (H 2, CO, węglowodory), która następnie może być spalana w kotłach, silnikach tłokowych lub turbinach gazowych, a także przekształcana chemicznie w celu uzyskania wodoru, paliw syntetycznych i innych produktów [2]. W przypadku odpadów z dużą zawartością substancji nieorganicznej takich jak: popioły, żużle, skażona ziemia, odpady radioaktywne, odpady szpitalne, toksyczne szlamy, odpady azbestowe itp. plazma może zostać wykorzystana do ich witryfikacji (zeszklenia). W procesie tym substancja, ulega termicznemu rozkładowi w wysokiej temperaturze z wydzieleniem produktów gazowych a następnie spopieleniu. Popiół zostaje stopiony i szybko schłodzony, dzięki czemu zyskuje strukturę szkła [8]. Witryfikacja pozwala zdecydowanie zmniejszyć objętość odpadów i zniwelować zagrożenie niebezpiecznymi substancjami dzięki ich rozkładowi i trwałemu związaniu pozostałości (np. metale ciężkie) w powstającym szkle. Szkło to może być bezpiecznie składowane lub wykorzystane jako materiał budowlany [9]. Ostatnio bardzo duże zainteresowanie badaczy skupia się na przemysłowym wykorzystaniem plazmy termicznej w procesie spalania i gazyfikacji paliw stałych [2, 7, 10-12]. Związane jest to z promowaną polityką proekologiczną prowadzącą do zaostrzania norm dotyczących poprawy efektywności i jakości spalania, a tym samym ograniczenia emisji gazów cieplarnianych. Z kolei światowy wzrost ceny ropy naftowej spowodował zainteresowanie energetyki węglowej systemami rozruchu pyłowych kotłów węglowych eliminującymi użycie ciężkiego oleju opałowego (mazutu) [8, 9]. Z ekonomicznego, energetycznego i ekologicznego punktu widzenia najkorzystniejsze byłoby uruchamianie kotła wyłącznie przy użyciu pyłu węglowego [13]. Zastosowanie bezpośredniego plazmowego systemu rozruchowego w dużych jednostkach energetycznych spalających węglowe mieszanki pyłowo-powietrzne może również przyczynić się do poprawy stabilności płomienia przy minimalnym obciążeniu kotła, zmniejszenia emisji zanieczyszczeń do środowiska i stabilizacji warunków pracy niskoemisyjnych palników pyłowych [14]. Pilotażowe badania zastosowania systemów plazmowych wskazały pozytywny aspekt znacznego ograniczenia emisji NO x podczas spalania pyłu węglowego [10, 12]. Mimo prowadzonych badań w różnych ośrodkach badawczych a także istniejących rozwiązań komercyjnych, plazmowa technika rozruchu kotłów nie jest obecnie szeroko stosowana.

2. Źródła plazmy niskotemperaturowej do zastosowań przemysłowych W urządzeniach plazmowych dużej mocy, pod ciśnieniem atmosferycznym, powszechnym źródłem plazmy jest łukowe wyładowanie elektryczne w stałym polu elektrycznym DC lub przemiennym AC najczęściej o częstotliwości sieciowej rzadziej podwyższonej (do kilku kilo herców) [1-7, 15]. W specjalnych zastosowaniach wykorzystuje się również wyładowanie w polu impulsowym [1, 16-18]. Plazma termiczna generowana w wyładowaniu łukowym powstaje w obszarze pomiędzy elektrodami. Klasyczną konfiguracją elektrod w urządzeniach do wytwarzania plazmy (plazmotronach) jest rozwiązanie, w którym wewnętrzna elektroda jest w postaci pręta, często zaostrzonego (plazmotrony palcowe), a zewnętrzna jest elektroda walcowa otaczająca elektrodę wewnętrzną (jest to układ bez transferu łuku plazmowego rys. 1a). Stosuje się również układy z tzw. transferem łuku plazmowego, w którym elektrodą zewnętrzną może być np. obrabiany materiał rys. 1b). Plazmotrony z transferem łuku elektrycznego są najczęściej stosowane w metalurgii [2, 19]. Pomiędzy elektrodami w plazmotronie wymusza się zwykle przepływ tzw. gazu plazmotwórczego (najczęściej jest to argon, hel, azot, wodór, CO 2 lub powietrze). Strumień plazmy powstający w wyładowaniu łukowym cechuje się dużą gęstością energii i wysoką temperatura w rejonie między elektrodami. Na rys. 2 przedstawiono typowy rozkład temperatury w kanale plazmowym. Ze względu na wysokie temperatury w kanale plazmowym elektrody w plazmotronach są zwykle chłodzone wodą, a średni czas życia elektrod zawiera się w przedziale 100-500 h w środowisku utleniającym i do 3000 h przy zastosowaniu gazu ochronnego. Czas życia elektrod uzależniony jest również od ich materiału [2]. Na podstawie literatury i własnych badań stwierdza się, że czas życia elektrod maleje wraz ze wzrostem mocy plazmotronu. Rys. 1. Idea plazmotronu o wyładowaniu łukowym a) układ bez transferu łuku plazmowego, b) układ z transferem łuku plazmowego Rys. 2. Rozkład temperatury w łukowym kanale plazmowym [3]

Moc plazmotronów łukowych zawiera się od kilku kw do 1,5 MW nawet do 6 MW, a ich sprawność zawiera się w granicach 60-90% [2, 3, 19]. W związku z rozwojem energoelektroniki coraz częściej wykorzystuje się tzw. indukcyjną plazmę termiczną częstotliwości radiowej RF plazma [2, 6, 11, 17, 18]. Dzięki zjawisku indukcji elektromagnetycznej możliwe jest wytworzenie plazmy niskotemperaturowej wewnątrz cewki dzięki wzajemnemu elektrodynamicznemu oddziaływanie pola elektromagnetycznego i ładunków elektrycznych w nim się znajdujących, indukowanie prądów wirowych, generowanie ciepła w wyniku strat Joule a (kolizje elektronów i cząsteczek obdarzonych ładunkiem pomiędzy sobą i z otaczającymi cząsteczkami neutralnymi z wydzieleniem ciepła), a w konsekwencji jonizacja zderzeniowa i powstanie plazmy niskotemperaturowej [6, 19]. Zaletą tego rozwiązania jest brak elektrod wyładowczych oraz fakt, że uzwojenie cewki może być oddzielone materiałem izolacyjnym i ogniotrwałym ( niewidzialnym dla pola elektromagnetycznego) od strefy generowania plazmy. Na rys. 3. przedstawiono schemat konstrukcji plazmotronu indukcyjnego IPG3 zasilanego prądem o częstotliwości w zakresie 0,5-1,5 MHz i o maksymalnej mocy 50 kw opracowanego przez Institut fur Raumfahrtsysteme (IRS), University of Stuttgart [6, 17, 18]. Element sytemu chłodzącego Rura kwarcowa Element systemu chłodzącego System wprowadzania gazu Element sytemu chłodzącego Cewka indukcyjna Sytem chłodzący System wprowadzania gazu Okno wziernika Cewka indukcyjna Element sytemu chłodzącego Okno wziernika Rys. 3. Indukcyjny generator plazmy IPG3 [6, 17] Ogólnie ujmując indukcyjne generatory plazmy niskotemperaturowej cechują się niższą sprawnością (40-70%) w porównaniu z plazmotronami łukowymi, mniejszą mocą (ok. 100 kw), choć były wykonywane egzemplarze o mocy rzędu 1 MW [2]. Uzyskiwane temperatury w kanale plazmowym są nieco niższe niż w plazmotronach łukowych. Strumień plazmy indukcyjnej RF cechuje się większą objętością i jest bardziej jednorodny przez co możliwe jest oddziaływanie na obrabiany element większą powierzchnią. Ze względu na brak elektrod istnieje większa możliwość wprowadzania ciał bezpośrednio w strumień plazmy. Do wad plazmotronów indukcyjnych należy zaliczyć trudny ich rozruch (zainicjowanie plazmy), jak również to, że do ich zasilania należy stosować specjalne zasilacze z możliwością regulacji częstotliwości prądu zasilającego zwykle w zakresie 1-10 MHz. Obiecującym wydaje się również zastosowanie energii promieniowania mikrofalowego jako źródła plazmy termicznej w zastosowaniach przemysłowych, w tym i technice spalania [1, 20-22]. Zaletą mikrofalowych generatorów plazmowych, podobnie jak indukcyjnych, jest brak elektrod wyładowczych. Jednak układ wytwarzania i propagacji mikrofal jest bardziej skomplikowany w stosunku do układów indukcyjnych. Zespół plazmowego generatora mikrofalowego musi bowiem zawierać blok zasilania, specjalny blok generacji mikrofal (magnetron) i układ propagacji mikrofal (falowód) co schematycznie pokazano na rys. 4. Ze względu na szkodliwe działanie mikrofal na tkanki biologiczne należy również zachować szczególne środki bezpieczeństwa podczas eksploatacji mikrofalowych generatorów plazmy [23].

Rys. 4. Ideowy schemat mikrofalowego generatora plazmy Mikrofalowa technika wytwarzania plazmy wydaje się atrakcyjna szczególnie dla zapłonu mieszanin gazowo-pyłowych, w których cząsteczki pyłu wykazują właściwości polarne w polu elektromagnetycznym o częstotliwości mikrofalowej (od dziesiętnych części GHz do kilku GHz) [21, 22]. Wydaje się jednak, że na obecnym etapie badań mikrofalowa technologia plazmowa nie jest na tyle rozwinięta, żeby można było ją uznać za wdrożoną na skalę przemysłową do techniki spalania. W przyszłości może się ona jednak okazać bardzo atrakcyjna, ponieważ dostępne są już źródła promieniowania mikrofalowego (magnetrony) o mocy do 100 kw, a wyniki badań potwierdzają przydatność metody do spalania węglowych mieszanek pyłowo powietrznych, dezaktywacji substancji niebezpiecznych i w technologiach modyfikacji powierzchni [1, 19-22]. Bardzo interesującym rozwiązaniem źródła plazmy termicznej dużej mocy jest przedstawiony na rys. 5 generator hybrydowy, będący szeregową kaskadą plazmotronu łukowego DC i plazmotronu indukcyjnego RF. Łączna moc opracowanego plazmotronu wynosi 20 kw. Łączy on w sobie zalety plazmotronu łukowego DC i plazmotronu indukcyjnego. Przykładowo człon DC może pracować z mocą 10 kw a RF z mocą 7 kw. Możliwa jest również np. tylko praca członu DC przy mocy 17 kw podczas gdy moc członu RF wynosi 0 kw. Autorzy projektu podają, że w przyszłości planują zbudowanie generatora trójstopniowego złożonego z członu mikrofalowego połączonego z blokiem DC-RF o łącznej mocy 100 kw [17]. Tak zbudowany plazmotron ma cechować duża elastyczność podczas jego zastosowania w różnych technologiach przemysłowych wykorzystujących plazmę. Zasilanie gazem Katoda Rura wyładowcza plazmy RF Anoda Wylot plazmy DC Zwoje cewki Człon I plazmotron DC Człon II plazmotron RF Rys. 5. Schemat plazmotronu hybrydowego ATTILA [17]

3. Zastosowanie plazmy w spalaniu paliw stałych Węgiel z pokładów kopalnych jest podstawowym paliwem stałym wykorzystywanym w energetyce światowej do wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej. Z dostępnych metod spalania węgla najbardziej rozpowszechnioną metodą, ze względu na dość wysoką wydajność i z przyczyn ekonomicznych, jest spalanie węglowych mieszanek pyłowo-powietrznych [10, 13]. W energetyce zawodowej w głównej mierze węgiel spala się w kotłach pyłowych [24]. Wykorzystanie plazmy niskotemperaturowej w technice spalania węgla jest od lat 80 ubiegłego stulecia przedmiotem intensywnych badań naukowych prowadzonych w kilku ośrodkach badawczych [10-14, 22, 25]. Szczególne zainteresowanie wzbudza możliwość zastosowania techniki plazmowej do rozruchu pyłowych kotłów energetycznych i wyeliminowanie rozruchów przy pomocy palników na paliwa ciekle lub gazowe. Drugim polem zastosowania plazmy w technice spalania węgla w paleniskach kotłowych jest stabilizacja płomienia pyłowego w przypadku spalania np. węgli antracytowych. Istotna jest również możliwość ograniczenia emisji zanieczyszczeń podczas rozruchu kotła, jak również podczas stabilizacji pracy kotła przy minimalnym obciążeniu dzięki użyciu plazmy [10, 12, 14]. Standardowo najczęściej rozruch typowego energetycznego kotła pyłowego przeprowadza się z wykorzystaniem palników mazutowych. Tak prowadzony rozruch kotła jest uciążliwy dla środowiska naturalnego ze względu na wysoką emisję sadzy i ciężkich węglowodorów do atmosfery. Spowodowana jest ona koniecznością wyłączenia elektrofiltrów na czas pracy palników mazutowych i objawia się dymieniem z komina elektrowni. Koszty rozruchu mazutowego są wysokie, ze względu na wysoką (i stale rosnącą) cenę tego paliwa. Dodatkowo instalacja dostarczająca mazut jest skomplikowana i energochłonna, ze względu na konieczność jej ciągłego grzania w celu utrzymania płynności paliwa. Istota plazmowego rozruchu typowego kotła pyłowego polega na tym, że od stanu zimnego kotła do stanu ustalonego pracują palniki pyłowe, na których zostały zainstalowane plazmotrony. Procedura plazmowego rozruchu kotła pyłowego jest podobna do normalnej procedury rozruchu z zastosowaniem palników olejowych i opisano ją w pracy [14]. Instalacja rozruchowa wykorzystująca plazmowy zapłon pyłu węglowego zwykle składa się z generatora plazmy - plazmotronu, palnika pyłowego oraz układów: zasilania, automatyki i pomiarów. Podczas plazmowego rozruchu kotłów nie stwierdzono zwiększonej emisji zanieczyszczeń [10, 25]. W najczęściej spotykanych rozwiązaniach działanie plazmowego palnika pyłowego polega na wprowadzeniu strumienia niskotemperaturowej plazmy wytworzonej w plazmotronie łukowym do przewodu, którym przepływa mieszanka pyłowo-powietrzna Pod wpływem kontaktu cząstek węgla z plazmą następuje gwałtowne wydzielanie części lotnych, rozpad cząstek i zapłon. W efekcie otrzymuje się stabilny płomień pyłowy. (rys. 6). Moc plazmotronów łukowych w spotykanych w takich rozwiązaniach zawiera się przedziale 10-200 kw [10, 12, 14, 26, 27]. Rys. 6. Idea działania plazmowego palnika pyłowego

Obecnie na świecie pracują instalacje plazmowego rozruchu kotłów pyłowych o różnym stopniu zaawansowania (laboratoryjne, pilotowe, a nawet w pełnej skali). Jednakże technika ta nie jest w pełni wdrożona na skalę komercyjną, bowiem istnieje wiele problemów związanych z zapewnieniem niezawodnego działania plazmowych układów rozpałkowych. Natomiast wiedza na ten temat zawarta w dostępnej literaturze wydaje się niepełna. Poniżej przedstawiono przykładowe rozwiązanie plazmowych instalacji zastosowanych do termicznego przetwarzania pyłu węglowego.w firmie ORGREZ a.s. z Czech opracowano i wykonano instalację rozruchową do energetycznego kotła pyłowego opartą o plazmotron łukowy (rys. 7) zasilany prądem stałym (w którym katoda jest cylindryczną tuleją, a anoda ma postać tulei stożkowej) [28]. W rozwiązaniu tym czynnikiem plazmotwórczym jest powietrze, czynnikiem chłodzącym jest wodą, a do zapłonu wykorzystuje się pomocnicze wyładowanie między elektrodami głównymi plazmotronu. Próby prowadzone były na instalacjach pilotowych w elektrowniach Vojany (Słowacja) i Prunéřov (Czechy) na kotłach o wydajności 355 t/h [26, 27]. Praca jest na etapie wdrożeniowym i eksperymentalnym. Według [27] wykonane zostało wiele udanych rozruchów kotłów, brakuje jednak danych na temat niezawodności tego rozwiązania, które to informacje są bardzo istotne ze względu na stabilną i pewną pracę bloku energetycznego. Rys. 7. Plazmotron na pyłoprzewodzie palnika rozruchowego rozwiązanie firmy ORGREZ [27] Chińska firma Yantai Longyuan Co. opracowała i wytwarza plazmotron rozruchowy o konstrukcji palcowej (w którym katoda ma postać pręta, a anoda jest tuleją stożkową) o mocy 80-100 kw (rys. 8). Plazmotron jest zasilany prądem stałym, czynnikiem plazmotwórczym jest powietrze, chłodzony jest wodą. Urządzenie charakteryzuje się zapłonem poprzez mechaniczne odsuwanie katody początkowo zwartej z anodą, przy zachowaniu stałej wartości prądu co komplikuje jego budowę. Producent określa czas życia elektrod jako 50h dla katody i 500h dla anody. Rozwiązanie ma charakter komercyjny i wg danych firmy z roku 2006 jest zainstalowane i pracuje z powodzeniem na kilkuset blokach energetycznych o mocy 50-1000 MW zasilanych różnymi rodzajami węgla, w niektórych przypadkach jako jedyny układ rozruchowy (brak zapasowego układu olejowego) [29, 30].

Rys. 8. Plazmotron firmy Yantai Longyuan Co. [29] Znane są również prototypowe rozwiązania, w których mieszanka pyłowo-powietrzna przepływa przez przestrzeń plazmotronu, przykład takiego rozwiązania opisano w pracy [11]. W rozwiązaniu tym zastosowano indukcyjny palnik pyłowy o mocy do 100 kw. Ideę opracowanego rozwiązania przedstawia rys. 9, a na rys. 10 przedstawiono zdjęcie palnika indukcyjnego podczas pracy. Dozownik pyłu Zasyp pyłu węglowego Powietrze wtórne obwodowe Materiał ogniotrwały Izolacja cieplna Uzwojenie Cewki Ściana kotła Wziernik Powietrze pierwotne Komora formowania płomienia Przestrzeń w kotle - palenisko Zasilacz mocy Wcz Rys. 9. Schemat indukcyjnego palnika pyłowego [11] Rys. 10. Indukcyjny palnik pyłowy podczas pracy [11]

W pracy [21] przedstawiono wyniki pilotażowych badań nad spalaniem węglowej mieszanki pyłowo-powietrznej z wykorzystaniem mikrofalowego generatora plazmy o częstotliwości roboczej 2,45 GHz i mocy mikrofal 4,5 kw. Opisany mikrofalowy palnik pyłowy i reaktor umożliwiał spalanie pyłu węglowego w zakresie 3-50 kg/h. W rozwiązaniu tym, podobnie jak poprzednio, mieszanka pyłowo-powietrzna przepływa przez strefę formowania płomienia plazmowego, a więc stanowi medium plazmotwórcze. Schemat opracowanego rozwiązania przedstawiono na rys. 11. Cylinder formujący Powietrze dodatkowe Mikrofalowy palnik pyłowy Powietrze wtórne Falowód Zasobik węgla Młyn mieszanka pyłowa Cyrkulator Regulator mocy Dozownik pyłu Zasilacz Magnetron Miernik mocy mikrofal Powietrze pierwotne Pirometr Komora spalania reaktora Wymurówka Wziernik Powietrze chłodzące Kolektor na popiół Analizator gazu System poboru cząstek Do cyklonu Rys. 11. Reaktor - kocioł do spalania węgla z mikrofalowym palnikiem pyłowym[21] Podsumowując, można stwierdzić, że mimo obiecujących wyników badań laboratoryjnych, pilotowych, a nawet zastosowań w pełnej skali, obecnie brakuje pewnych informacji o wdrożonych i sprawdzonych rozwiązaniach w skali przemysłowej wykorzystujących plazmę termiczną w technice spalania węgla. Dlatego w Zakładzie Spalania i Detonacji Instytut Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów Politechniki Wrocławskiej podjęto się badań nad opracowaniem i wprowadzeniem techniki plazmowej w do bezpośredniego rozruchu i stabilizacji pracy energetycznych kotłów pyłowych. Prowadzone są również prace mające na celu określenie maksymalnego bezawaryjnego czasu pracy plazmotronu o wyładowaniu łukowym. W tym celu prowadzi się badania korozji różnych materiałów elektrod w zależności od zastosowanego gazu plazmotwórczego i mocy plazmotronu. Bada się również wpływ konstrukcji i geometrii elektrod na aerodynamikę strumienia plazmy i jego parametry, jak na szybkość erozji elektrod. 4. Badania nad zastosowaniem plazmotronu wnękowego do zapłonu węglowej mieszanki pyłowo-powietrznej Na podstawie przeglądu literatury i przeprowadzonych analiz wynika, że zastosowanie techniki plazmowej do bezpośredniego rozruchu i stabilizacji pracy energetycznych kotłów pyłowych niesie korzyści zarówno techniczne jak i ekonomiczne [13, 14, 31]. W związku z tym w Zakładzie Spalania i Detonacji podjęto się badań w tej dziedzinie.

4.1. Plazmotron wnękowy konstrukcja i działanie Na obecnym etapie badań opracowano prototypową konstrukcję ulepszonego plazmotronu o cylindrycznych elektrodach wnękowych, tzw. plazmotronu wnękowego. Cechami charakterystycznymi tej konstrukcji jest zastosowanie cylindrycznych elektrod wnękowych oraz wprowadzenie przepływu tzw. powietrza obwodowego przez wyżłobienia w pierścieniu ceramicznym, a następnie przez kanał utworzony przez anodę i katodę. Przepływ powietrza obwodowego powoduje w kanale plazmotwórczym powstanie przepływu zawirowanego, który ma za zadanie odpychać łuk elektryczny od szczeliny między katodą i anodą. Rozwiązanie to zapewnia powstanie stabilnego strumienia plazmy i ogranicza erozję elektrod. Na rys. 12 przedstawiono schemat plazmotronu wnękowego podczas pracy, a na rys. 13 jego widok. Strumień plazmy K - Katoda Rys. 12. Wizualizacja pracy plazmotronu wnękowego Rys. 13. Plazmotron wnękowy podczas prób. Ważnym etapem prac było opracowanie urządzenia rozruchowego (inicjującego główne wyładowanie łukowe) o niskim poziome zakłóceń elektromagnetycznych z wysokonapięciowym, niskoczęstotliwościowym wyładowaniem iskrowym (UR-WN). Ten sposób rozruchu plazmotronów wnękowych jest przedmiotem zgłoszenia patentowego [32]. W rozwiązaniu tym pracę plazmotronu inicjuje wysokonapięciowe wyładowanie iskrowe powstające pomiędzy ostrzami elektrod pomocniczych (rys. 14).

a) b) Strumień plazmy Rys. 14. Idea rozruchu plazmotronu z użyciem wysokonapięciowego wyładowania iskrowego a) moment inicjacji plazmotronu, b) normalna praca plazmotronu 4.2. Analiza pracy plazmowego palniku pyłowego w obiekcie rzeczywistym Do badania zapłonu węglowej mieszanki pyłowo-powietrznej wykorzystano zmodyfikowany palnik muflowy pełniący rolę palnika rozpałkowego kotła OP-130. Zastosowanie plazmotronu w palniku muflowym pozwala na wyeliminowanie palnika gazowego standardowo używanego do zapłonu pyłu i rozgrzania ścian palnika muflowego podczas rozruchu kotła. Plazmotron zainstalowano w kanale pyłowym (pyłoprzewodzie) palnika muflowego zgodnie z ideą pokazanego na rys. 6. Umożliwia to zapłon strumienia pyłu węglowego podawanego pyłoprzewodem do palnika i wytworzenie stabilnego płomienia pyłowego, który następnie służy do rozruchu kotła. Zastosowane rozwiązanie pozwala na łatwy montaż i demontaż plazmotronu i umożliwia prowadzenie badań bez zaburzania właściwego cyklu pracy kotła. Muflowy palnik pyłowy po modyfikacji określany jest mianem plazmowego palnika pyłowego (PPP). Umiejscowienie plazmotronu na kotle i podstawowe elementy instalacji schematycznie pokazano na rys. 15. Na rys 16. pokazano palnik muflowy z zamontowanym plazmotronem podczas pracy. Rys. 15. Umiejscowienie plazmotronu na kotle; 1 rozpałkowy palnik muflowy, 2 zasilanie pyłem węglowym, 3 plazmotron, 4 szafa sterowniczo-zasilająca plazmotronu, 5 układy elektryczne plazmotronu, 6 główne palniki kotła

Rys. 16. Plazmotron umieszczony na palniku muflowym w czasie pracy. Opisane w artykule próby działania układu przeprowadzono podczas normalnej pracy kotła. Głównym ich celem było zbadanie pracy plazmowego palnika pyłowego w zależności od mocy plazmotronu. W tym celu badano charakterystyki mocy plazmotronu w zależności od parametrów przepływowych gazu roboczego (powietrza). Podczas prób moc plazmotronu regulowano w zakresie 20-50 kw. W trakcie eksperymentu zmieniano zarówno strumień powierza osiowego (przepływającego wzdłuż osi plazmotronu) jak i obwodowego odpowiedzialnego za zawirowanie strumienia plazmy w obrębie katody i anody. Jego sumaryczny strumień objętościowy w czasie prób regulowano w zakresie 20-40 m 3 /h. Każdorazowo po zmianie parametrów przepływowych gazu roboczego rejestrowano prąd i spadek napięcia w strumieniu plazmy. Moc plazmotronu określano jako iloczyn tych wielkości. Ze względu na normalna pracę kotła próby wykonano tak aby nie zakłócić jego pracy (unikano zerwania płomienia na palniku), a liczbę powtórzeń ograniczono do niezbędnego minimum. W tabeli 2 zestawiono podstawowe parametry zarejestrowane podczas ustalonej pracy plazmowego palnika pyłowego. Zmienianym parametrem w trakcie prób był strumień objętościowy powietrza, dzielący się na strumień osiowy i obwodowy. Podczas wszystkich prób zachowano stałość proporcji: strumień osiowy stanowił około 20% strumienia obwodowego. Strumień masy pyłu wynosił około 0,05 kg/s. Tabela 2. Podstawowe parametry robocze plazmowego palnika pyłowego L.p. Strumień objętości powietrza Prąd strumienia plazmy Napięcie na plazmotronie Wydzielona moc m 3 /h A V kw 1 22 128 170 21,8 2 29 130 230 29,9 3 29 153 220 33,7 4 34 152 250 39,5 5 34 174 250 43,5 6 38 175 260 45,5 7 38 176 260 45,8 Uwagi Początki niestabilności strumienia plazmy

Na podstawie przeprowadzonych prób można stwierdzić że poprzez zwiększenie strumienia objętości powietrza przepływającego przez plazmotron można znacznie zwiększyć moc wydzielaną w plazmie co pokazuje rys. 17. Zwiększenie mocy związane jest najprawdopodobniej z jednoczesnym wydłużeniem strumienia plazmy (co powoduje zwiększenia spadku napięcia na kanale plazmowym). Przemawia za tym tendencja liniowości charakterystyki prądowo-napięciowej plazmy co pokazano na rys. 18. Ograniczeniem dalszego wzrostu mocy jest niestabilność strumienia plazmy przy strumieniu powyżej 38 m 3 /h. Dalsze zwiększenie przepływu doprowadza do zerwania strumienia plazmy. Wnioskuje się, że W celu uzyskania większej mocy plazmy trzeba wykonać plazmotron o większych wymiarach geometrycznych (średnica i długość). 50 300 P, W 40 30 20 10 U, V 250 200 150 0 20 25 30 35 40 100 120 130 140 150 160 170 180 V, m 3 /h I, A Rys. 17. Moc plazmotronu w zależności od strumienia gazu roboczego Rys. 18. Charakterystyka prądowo-napięciowa plazmy Zarejestrowane orientacyjne temperatura plazmy (mierzona płaszczową termoparą NiCr-Ni) tuż na wylocie z pyłowego palnika plazmowego wynosiła ok. 1170-1200 C. W odległości 5 cm od wylotu z plazmotronu wynosiła ok. 940 C. Jak wykazały próby możliwy jest efektywny zapłon węglowej mieszanki pyłowopowietrznej w muflowym palniku rozpałkowym przy pomocy plazmotronu o mocy w zakresie 20-50 kw. Powstały w wyniku modyfikacji plazmowy palnik pyłowy o większej mocy będzie można wykorzystać do rozruchu zimnego kotła. (w celu przeprowadzenia tych prób podjęto już przygotowania i ustalenia z władzami Zespółu Elektrociepłowni Wrocław Kogeneracja S.A. i służbami techniczno-ruchowymi w Elektrociepłowni Czechnica. W celu określenia wytycznych do rozruchu kotła takich jak moc palnika plazmowego, ich liczba, czas rozruchu itp. konieczne są dalsze badania. Związane jednak to będzie z koniecznością wyłączenia bloku z pracy. W przyszłości planuję się również wykonanie analizy numerycznej i symulacji komputerowych procesów cieplno-przepływowych zachodzących podczas generowania plazmy mających na celu optymalizacje konstrukcji plazmotronu. Bibliografia: [1] C. Tendero, Chr. Tixier, P. Tristant, J. Desmaison, P. Leprince, Atmospheric pressure plasmas: A review, Spectrochimica Acta Part B 61 (2006) 2 30 [2] H. Huang, L. Tang, Treatment of organic waste using thermal plasma pyrolysis technology, Energy Conversion and Management 48 (2007) 1331 1337 [3] G. Bonizzoni, E. Vassallo, Plasma physics and technology; industrial applications, Vacuum 64 (2002) 327 336 [4] Seok-Wan Kima, Hyun-Seo Parkb, Hyung-Jin Kim, 100kW steam plasma process for treatment of PCBs (polychlorinated biphenyls) waste, Vacuum 70 (2003) 59 66 [5] Hiroshi Nishikawa, Masaaki Ibe, Manabu Tanaka, Tadashi Takemoto, Masao Ushio, Effect of DC steam plasma on gasifying carbonized waste, Vacuum 80 (2006) 1311 1315 [6] G. Herdrich, M. Auweter-Kurtz, Inductively heated plasma sources for technical applications, Vacuum 80 (2006) 1138 1143

[7] G. Van Oost, M. Hrabovsky, V. Kopecky, M. Konrad, M. Hlina, T. Kavka, Pyrolysis/gasification of biomass for synthetic fuel production using a hybrid gas water stabilized plasma torch, Vacuum 83 (2009) 209 212 [8] K. Kasprzyk, W. Kordylewski, W. Zacharczuk, Modification of fly-ash by vitrification, Archivum Combustionis, vol. 23, nr 1/2 (2003), s. 21-30 [9] K.E. Haugsten,B. Gustavson, Environmental properties of vitrified fly ash from hazardous and municipal waste incineration, Waste Management, Vol. 20, (2000) s. 167 [10] Masaya Sugimotoa, Kaoru Marutaa, Koichi Takedaa, Oleg P. Solonenkob, Masao Sakashitac, Masakazu Nakamurac, Stabilization of pulverized coal combustion by plasma assist, Thin Solid Films 407 (2002) 186 191 [11] Li Wenjiao, Kefa Cenm Chuguang Zheng, Junhu Zhou, Xinyu Cao, Induction-heating ignition of pulverized coal stream, Fuel 83 (2004) 2103-2107 [12] E.I. Karpenko, V.E. Messerle, A.B. Ustimenko, Plasma-aided solid fuel combustion, Proceedings of the Combustion Institute 31 (2007) 3353 3360 [13] P. Bukowski, A. Dyjakon, W. Kordylewski, M. Salmonowicz, Analiza ekonomiczna plazmowego rozruchu kotłów pyłowych, Międzynarodowa X Konferencja Kotłowa 2006, Szczyrk 17-20.10.2006. [14] P. Kobel, W. Kordylewski, Zastosowanie plazmotronu zasilanego powietrzem do stabilizacji płomienia pyłowego, Archiwum Spalania, vol. 8, nr 1-2(2008), 55-62 [15] A.M. Kruczinin, A. Sawicki, Piece i urządzenia plazmowe, Cz. 1 Piece i urządzenia plazmowe ciśnienia atmosferycznego, Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2001 [16] J.B. Gajewski., T. Mączka, D. Nowak-Woźny, J. Fleszyński, R. Poźniak, Some Hydrocarbon Derivative Compounds Decomposition Using the HV Impulse Discharges, Journal of Electrostatics 62 (2004) 269-275 [17] M. Auweter-Kurtz, G. Herdrich, S. Laure, H. Wagner, Plasma source development for technical applications at IRS, Vacuum 73 (2004) 309 316 [18] M. Auweter-Kurtz, Plasma source development for the qualification of thermal protection materials for atmospheric entryvehicles at IRS, Vacuum 65 (2002) 247 261 [19] M.Orfeuil, Electric Process Heating, Technologies/Equipment/Applications, Battle Press, Columbus, Ohio 1987 [20] Ladislav Bardos, Hana Barankova, Plasma processes at atmospheric and low pressures, Vacuum 83 (2009) 522 527 [21] P.M. Kanilo, V.I. Kazantsev, N.I. Rasyuk, K. Schu nemann, D.M. Vavriv, Microwave plasma combustion of coal, Fuel 82 (2003) 187 193 [22] E. Lester, S. Kingman, The effect of microwave pre-heating on five different coals, Fuel 83 (2004) 1941 1947 [23] H. Korniewicz, A. Koperski, Elektrotermia, Higiena pracy w polach wielkiej częstotliwości, WNT, Warszawa 1979. [24] W. Kordylewski. i inni, Spalanie i paliwa, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2008 [25] E. Karpenko, V. Messerle, A. Ustimenko, Plasma application for coal combustion activation, 31 st EPS Conference on Plasma Phys, London, 28 June-2 July 2004 ECA Vol. 28G, P-1.023 (2004) [26] Oferta handlowa firmy ORGREZ, a.s. Hudcova 76, 657 97 Brno, Czeska Republika [27] ORGREZ a.s., Plasma Technology - The most modern technology of boiler starting Międzynarodowa X Konferencja Kotłowa 2006, Szczyrk 17-20.10.2006 [28] Opis ochronny wzoru użytkowego PL64036, Plazmotron, J. Lojkasek i inni [29] The Application of Plasma Ignition Technology in China, prezentacja DEI of EDF China Division (2008) [30] Plasma Technology for Ignition an Stabilized Combustion of Pulverized-Coal Fired Boilers, materiały firmy Yantai Longyuan Co. (2006) [31] A. Dyjakon, W. Kordylewski, Stabilisation of pulverized coal burning with plasma assists. Archivum Combustionis. 2002 vol. 22, nr 3/4, s. 121-129, [32] Zgłoszenie patentowe nr P 382394 z dnia 10.05.2007 Sposób i urządzenie do uruchamiania palników plazmowych, W. Kordylewski i inni, Application of quasi-equilibrium plasma in combustion technology This paper outlines the principles of quasi-equilibrium plasma. A review of plasma supported solid fuel combustion technology is presented. The main topic of this paper is ignition and stabilization of pulverized coal combustion by plasma torch. A construction of the prototype plasmatron used for ignition of pulverized coal fuel-air mixture in coal burner is shortly presented. Also the results of field tests of ignition of pulverized coal fuel-air mixture are given. Prace wykonano w ramach grantu nr N N501 115636 Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego