Плазменные технологии и оборудование в инженерии

ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
(В ПРОЦЕССЕ РАЗРАБОТКИ)
Научно Технический Центр ПЛАЗЕР
г. Киев
E-mail: [email protected]
Тел: +38 044 585 26 07
Факс: +38044 585 26 06
Плазменная
обработка низкореакционных углей
Радикальное улучшение эффективности использования твердого топлива может
быть достигнуто только при использовании принципиально новых технологий.
Плазменная технология представляется многообещающей среди
альтернативных. Она обеспечивает существенную экономию за счет снижения
доли топлива в стоимости энергии и улучшение экологических показателей ТЭЦ,
работающих на твердом топливе.
Плазмотрон и его установка на
прямоточную угольную горелку
Снижение образования NOx и
мехнедожога
Плазменная обработка
низкореакционных углей
Основной принцип
плазменно-энергетической
технологии
Умножение мощности
Плазменноструйный реактор
Плазменная струя
(10kW )
Угольный факел
(200 kW)
Источник электропитания
Пульт управления
Питатель-дозатор угольной пыли
Плазменноэнергетическая
технология
плазменнопаровой конверсии
угля
Плазмотрон
Муфель
Водяной пар
Кварцевая труба
Плазмотрон
Комбинированная
плазменноугольная горелка
Вторичный воздух
муфель
Воздушноплазменная
струя
Схема плазменно-струйного реактора
Ноль отходов при интегрировании плазменнодуговой технологии в угольные ТЭЦ







При плазменном пиролизе твердые бытовые и другие
органические отходы (ТБО) превращаются в энергию синтез-газ и инертный остеклованный твердый остаток.
Особенности процесса плазменного пиролиза:
Металлическая или стеклянная ванна расплава
обеспечивает протекание процесса при стабильно
высокой температуре;
Высокая температура приводит к разрушению сложных
материалов в простые компоненты;
Высокие скорости реакций предотвращают образование
сложных формирований (диоксины и фураны);
Водяной пар смещает реакцию в сторону удаления
углерода
C + H2O → Н2 + СО
Газообразные продукты – топливная газовая смесь
(синтез-газ),
ПЛАЗМЕННЫЙ ПИРОЛИЗ
ТБО
Тепловая энергия синтез-газа
Подводимая электроэнергия
4,30
Пар
Тепловая энергия газа
0,34 Мккал
ТБО
1т - 2,37 Мккал
33% влаги
Электроэнергия
0,56Мвтч- 0,48Мккал
Плазменный
газификатор
Синтез-газ
857 нм3
тепловой эквивалент
2,06 Мккал - 2,4 Мвтч
Потери
0,45 Мккал






Концепция интегрирования плазменной переработки
ТБО с угольными ТЭЦ заключается в следующем:
Располагают плазменный модуль производительностью
1000 т/сутки в комплексе с существующими
работающими на угле электростанциями.
Количество угля, поставляемого на ТЭЦ будет
уменьшено, пропорционально к тепловой мощности ТБО.
Синтез-газ от плазменной системы подается
непосредственно в пылеугольную топку, чтобы
добавить тепловую мощность и обеспечить подсветку
пылеугольного факела.
ТБО заменяют большие объемы угля, устраняют
потребность для подсветки в природном газа (мазуте)
повышают рентабельность и улучшают экологию.
Снижаются капитальные затраты на строительство
завода по переработке ТБО (Рис.3), поскольку
используются существующие инфрастуктуры: паровая
система, сеть транспортирования, газовая система и др.
Источник энергииТепловой эквивалент, 2,5
1ккалПлазменная переработка ТБО
(1)0,9Геотермальный (2)0,47Биогаз (2)0,12Солнце
(2)0,09Ветер (2)0,04
1 – предполагается 100000 т/день
2 - экстраполируется из статистических данных 1999 г.
Cost ($millions)
300
200
Incineration Only
Incineration WTE
Plasma Stand Alone WTE
Plasma Integrated WTE
100
0
0
1000
2000
3000
Capacity (tons/day)








Резюме
Если к 2020 г. (когда по прогнозам цена на газ
вдвое превысит цену угля) все ТБО
обрабатывать плазмой в работающих на угле
электростанциях (100 000 т/день), ТБО могли бы:
снабжать приблизительно 5 % потребностей
электричества;
заменить приблизительно 14 миллионов т/год угля;
устранить приблизительно 1,5 миллионов т/год угольной
золы, направляемой в отвалы;
обеспечить значительно более чистые выбросы в
атмосферу;
Успешному продвижению плазменно-дуговых технологий
в крупнотоннажное производство способствуют примеры
успешного промышленного использования в различных
странах мира. Тормозом является отсутствие нормативов
и разрешений, а также общественное непринятие.
МВт 2500
2000
1500
1000
500
0
1985
1990
1995
2000
2005
2010
2015
Средний прирост производства солнечной электроэнергии в
мире с 1990 г по 2001 г составил 22% в год. В ближайшие
годы ожидаются более высокие темпы роста c
соответствующим наращиванием производства
высокочистого солнечного кремния - с 65000 тонн в 2001 г
до 350000 тонн в 2010 г.
Прогноз
индустрии высокочистого кремния
Возможности
электронной
промышленности
Ожидаемая
потребность
Цена кремния определяется его чистотой и
сегодня эта зависимость выглядит следующим
образом
1 ppt
~ 50 - 60 $/кг
EG-Si
1 ppb
~ 200 - 230 $/кг
Wafer
1 ppm
SoG-Si
~ 25 - 30 $/кг
0.1 %
1%
~ 0.05 $/кг
Qtz
0.1
~ 1 - 1.5 $/кг
MG-Si
1.0
10
100
1000
[$/кг]
Производство солнечного кремния
Равновесный выход кремния
(температура, давление)
Производство солнечного кремния


Согласно термодинамическим расчетам 100%
разложение моносилана происходит уже при
700 К.
Экспериментальные данные дают более
высокое значение температуры Т « 1000 К,
но в любом случае распад SiH4 происходит
при температурах много меньших
температуры плавления кремния
Тпл.Si = 1690 К.
Установка электродугового разложения
моносилана должна удовлетворять следующим
требованиям:




1. Обеспечивать высокую степень
перевода кремния в конденсированную
фазу;
2. Обеспечивать необходимый
гранулометрический состав получаемого
продукта;
3. Исключать загрязнение получаемого
кремния продуктами эрозии
электродов;
4. Иметь достаточно высокую
производительность и малые
энергозатраты.
Зависимость энергозатрат от
температуры
Производство солнечного кремния



при оптимальных температурном
режиме и степени разбавления SiH4
(1:2), а так же учитывая кпд
плазмотрона ( >0,5) уровень
энергозатрат можно оценить как 15-25
МДж (4-6 квт час) на кг Si.
Достигнутый к настоящему времени
уровень развития плазменной техники
позволят рассчитывать на создание
установки мощностью 1-2 МВт и
производительностью до 300-400 кг/час
Si.
Плазмохимический реактор
для пиролиза силана
Водородный плазмотрон 200 кВт
для пиролиза силана
Опытная установка плазменного пиролза силана
Работа плазмотрона для
пиролиза силана
Зарождение частиц кремния
из пара в плазме
Производство солнечного кремния

Производительность
плазменного агрегата с
плазмотроном мощностью 200
кВт составляет 50 кг/час
кремния. Это обеспечивает при
трехсменной работе и 220
рабочих днях в году ~ 200
т/год кремния.
ПЛАЗМЕННО-ДУГОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ НОВОГО
ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОГО ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА
Такой газ образуется в условиях очень интенсивных магнитных полей
в электрической дуге, погруженной в перерабатываемое жидкое сырье
â
ПЛАЗМЕННО-ДУГОВАЯ УСТАНОВКА ПОЛУЧЕНИЯ НОВОГО
ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОГО ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА ДЛЯ АВТОТРАНСПОРТА
РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОДУГОВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ
ПАРОВОДЯНОЙ ПЛАЗМЫ
Паровой плазмотрон
40 КВт
Лабораторная пароплазменная
Установка мощностью 40 КВт
РАЗРАБОТКА
ЭЛЕКТРОДУГОВЫХ
ГЕНЕРАТОРОВ
ПАРОВОДЯНОЙ ПЛАЗМЫ С
РЕКУПЕРАТИВНЫМ
ПОДОГЕВОМ ПАРА