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用于危险废弃物处理的直流等离子体射流特性研究

屠昕  
【摘要】: 本文介绍了自行研制的具有双阳极特殊结构的等离子体喷枪,并对其产生的大气压直流等离子体射流的热力学特性、电弧脉动特性和动力学行为、光谱特性、热流分布和脉动行为进行了深入细致的研究。在此基础上对直流等离子体喷枪及其系统进行了优化整合,开发出基于热等离子体电弧技术的垃圾焚烧飞灰熔融系统,并对城市生活垃圾焚烧飞灰进行了玻璃化处理研究。 利用经典的信号处理工具,如统计分析、快速傅立叶变换、时域相关分析等,重点研究了不同喷枪工作模式(双弧或单弧)下大气压直流等离子体射流的电弧脉动特性和气体动力学行为。同时,对喷枪的可控参数,如载气成分、载气流量和电弧电流对等离子体射流脉动特性的影响进行了分析。研究发现,无论等离子体喷枪处于双弧或者单弧工作模式,氩等离子体射流的脉动行为均属于接管(Takeover)模式,而氩氮等离子体射流的脉动行为则可以用重燃(Restrike)机制来表示。对于氩等离子体,电弧电信号(电压、电流、电弧功率)的频域和相关分析结果显示除了150 Hz的低频脉动(由等离子体电源引起),不存在任何高频分量(1-15 kHz),这表明在我们的实验中,直流氩等离子体射流的脉动主要是由等离子体三相整流电源的特征频率引起的;相反,当使用氩氮混合气体作为载气时,除了150 Hz的低频脉动,还可以观察到4.1 kHz的高频脉动,这一频率对应的是电弧击穿周期的时间,因此在我们的实验中,直流氩氮等离子体射流的脉动主要由以下两个方面引起,分别是等离子体三相整流电源的特征频率和电弧斑点在阳极壁面上有规律的往复运动。此外,研究中还发现氩等离子体电弧的阳极斑点模式和氩氮等离子体电弧不同,前者为扩散附着式,而后者为收缩式。 在实验中,我们利用发射光谱技术对不同工作参数下氩和氩氮等离子体射流的光谱特性进行了深入研究,测量了电子温度、电子密度、分子振动和转动温度等用来表征等离子体特性的重要参数,并对等离子体电弧是否满足局域热力学平衡状态进行了讨论。对于光学薄的等离子体,考虑谱线的自吸收,建立局域热力学平衡(LTE)的临界电子密度值在1×10~(22)m~(-3)数量级。辐射的自吸收,尤其是共振谱线的自吸收对等离子体局域热力学平衡状态的建立起着非常关键的作用。通过建立氩等离子体电弧局域热力学平衡模型,我们计算了给定压力下氩等离子体各成分的粒子数密度随温度的变化趋势,结果表明利用局域热力学平衡模型计算得到的电子密度和实验中利用斯塔克增宽得到的数值基本一致,因此在本文的实验条件下,大气压直流氩和氩氮等离子体射流均已经达到了局域热力学平衡。对于单弧模式下的直流氩等离子体射流,我们发现在弧室内和喷枪出口的电子参数变化非常微小,并不存在如其他等离子体射流那样明显的梯度分布。此外,单弧模式下直流氩等离子体射流沿轴向下游谱线强度和电子参数的分布趋势是由于空气卷吸对射流产生压力作用造成的。 此外,本文还就直流氩等离子体射流冲击平板的热流特性进行了分析研究。利用定常方法,我们测量了不同喷枪模式下直流氩等离子体射流冲击平板表面的热流密度轴向分布特性,并且通过常用的信号处理工具,探讨了影响热流脉动的主要因素。无论是在双弧或是单弧工作模式下,大气压直流氩等离子体的热流密度沿轴向分布趋势是:在恒定的电弧电流下,热流密度随着喷枪和热流计表面距离的增加而逐渐降低;当这一距离固定时,热流密度随着电弧电流或功率的增加会出现三个阶段:准线性增加、饱和、再下降的过程。对热流脉动信号进行频域分析均能看到三个主要的频率,其中热流的低频脉动和等离子体射流本身的脉动相关,从本质上说是由于等离子体电源的波动引起的;而热流的高频脉动(2.7 kHz和4.5 kHz)则是由于周围空气卷吸进入射流区域造成射流紊流强度增加引起的。 基于以上的研究,我们建立了基于热等离子体电弧技术的危险废弃物处理装置,并对垃圾焚烧飞灰进行了玻璃化处理研究,得到的熔渣固化物外观呈非透明黑色,表面构造坚硬且平整光滑,质地均一紧密,具有光泽,呈玻璃化。利用扫描电镜、XRD、重金属浸出特性、孔隙结构等测试手段对熔渣的基本物理化学特性进行了分析,结果表明熔渣呈无定形玻璃化状态,熔渣的比表面积和处理前相比减少了将近23倍,熔渣中的重金属浸出量远远低于国家规定的最低浸出限,熔渣表现出较强的耐酸碱腐蚀性和化学稳定性,已经实现无害化稳定化,可以作为建筑材料使用或进行后续热处理加工成为微晶玻璃以实现资源的二次利用。研究结果同时表明我们设计的直流非转移弧等离子体喷枪适合用于危险废弃物的处理,能够实现危险废弃物的无害化、稳定化和资源化。


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