用于危險(xiǎn)廢棄物處理的直流等離子體射流特性研究.pdf

1、本文介紹了自行研制的具有雙陽(yáng)極特殊結(jié)構(gòu)的等離子體噴槍，并對(duì)其產(chǎn)生的大氣壓直流等離子體射流的熱力學(xué)特性、電弧脈動(dòng)特性和動(dòng)力學(xué)行為、光譜特性、熱流分布和脈動(dòng)行為進(jìn)行了深入細(xì)致的研究。在此基礎(chǔ)上對(duì)直流等離子體噴槍及其系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化整合，開發(fā)出基于熱等離子體電弧技術(shù)的垃圾焚燒飛灰熔融系統(tǒng)，并對(duì)城市生活垃圾焚燒飛灰進(jìn)行了玻璃化處理研究。 利用經(jīng)典的信號(hào)處理工具，如統(tǒng)計(jì)分析、快速傅立葉變換、時(shí)域相關(guān)分析等，重點(diǎn)研究了不同噴槍工作模式(雙弧或

2、單弧)下大氣壓直流等離子體射流的電弧脈動(dòng)特性和氣體動(dòng)力學(xué)行為。同時(shí)，對(duì)噴槍的可控參數(shù)，如載氣成分、載氣流量和電弧電流對(duì)等離子體射流脈動(dòng)特性的影響進(jìn)行了分析。研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)論等離子體噴槍處于雙弧或者單弧工作模式，氬等離子體射流的脈動(dòng)行為均屬于接管(Takeover)模式，而氬氮等離子體射流的脈動(dòng)行為則可以用重燃(Restrike)機(jī)制來表示。對(duì)于氬等離子體，電弧電信號(hào)(電壓、電流、電弧功率)的頻域和相關(guān)分析結(jié)果顯示除了150 Hz的低頻脈動(dòng)

3、(由等離子體電源引起)，不存在任何高頻分量(1-15 kHz)，這表明在我們的實(shí)驗(yàn)中，直流氬等離子體射流的脈動(dòng)主要是由等離子體三相整流電源的特征頻率引起的；相反，當(dāng)使用氬氮混合氣體作為載氣時(shí)，除了150 Hz的低頻脈動(dòng)，還可以觀察到4.1 kHz的高頻脈動(dòng)，這一頻率對(duì)應(yīng)的是電弧擊穿周期的時(shí)間，因此在我們的實(shí)驗(yàn)中，直流氬氮等離子體射流的脈動(dòng)主要由以下兩個(gè)方面引起，分別是等離子體三相整流電源的特征頻率和電弧斑點(diǎn)在陽(yáng)極壁面上有規(guī)律的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

4、此外，研究中還發(fā)現(xiàn)氬等離子體電弧的陽(yáng)極斑點(diǎn)模式和氬氮等離子體電弧不同，前者為擴(kuò)散附著式，而后者為收縮式。 在實(shí)驗(yàn)中，我們利用發(fā)射光譜技術(shù)對(duì)不同工作參數(shù)下氬和氬氮等離子體射流的光譜特性進(jìn)行了深入研究，測(cè)量了電子溫度、電子密度、分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)溫度等用來表征等離子體特性的重要參數(shù)，并對(duì)等離子體電弧是否滿足局域熱力學(xué)平衡狀態(tài)進(jìn)行了討論。對(duì)于光學(xué)薄的等離子體，考慮譜線的自吸收，建立局域熱力學(xué)平衡(LTE)的臨界電子密度值在1×10<'22

5、>m<'-3>數(shù)量級(jí)。輻射的自吸收，尤其是共振譜線的自吸收對(duì)等離子體局域熱力學(xué)平衡狀態(tài)的建立起著非常關(guān)鍵的作用。通過建立氬等離子體電弧局域熱力學(xué)平衡模型，我們計(jì)算了給定壓力下氬等離子體各成分的粒子數(shù)密度隨溫度的變化趨勢(shì)，結(jié)果表明利用局域熱力學(xué)平衡模型計(jì)算得到的電子密度和實(shí)驗(yàn)中利用斯塔克增寬得到的數(shù)值基本一致，因此在本文的實(shí)驗(yàn)條件下，大氣壓直流氬和氬氮等離子體射流均已經(jīng)達(dá)到了局域熱力學(xué)平衡。對(duì)于單弧模式下的直流氬等離子體射流，我們發(fā)現(xiàn)在弧

6、室內(nèi)和噴槍出口的電子參數(shù)變化非常微小，并不存在如其他等離子體射流那樣明顯的梯度分布。此外，單弧模式下直流氬等離子體射流沿軸向下游譜線強(qiáng)度和電子參數(shù)的分布趨勢(shì)是由于空氣卷吸對(duì)射流產(chǎn)生壓力作用造成的。此外，本文還就直流氬等離子體射流沖擊平板的熱流特性進(jìn)行了分析研究。利用定常方法，我們測(cè)量了不同噴槍模式下直流氬等離子體射流沖擊平板表面的熱流密度軸向分布特性，并且通過常用的信號(hào)處理工具，探討了影響熱流脈動(dòng)的主要因素。無(wú)論是在雙弧或是單弧工作模式

7、下，大氣壓直流氬等離子體的熱流密度沿軸向分布趨勢(shì)是：在恒定的電弧電流下，熱流密度隨著噴槍和熱流計(jì)表面距離的增加而逐漸降低；當(dāng)這一距離固定時(shí)，熱流密度隨著電弧電流或功率的增加會(huì)出現(xiàn)三個(gè)階段：準(zhǔn)線性增加、飽和、再下降的過程。對(duì)熱流脈動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻域分析均能看到三個(gè)主要的頻率，其中熱流的低頻脈動(dòng)和等離子體射流本身的脈動(dòng)相關(guān)，從本質(zhì)上說是由于等離子體電源的波動(dòng)引起的；而熱流的高頻脈動(dòng)(2.7 kHz和4.5 kHz)則是由于周圍空氣卷吸進(jìn)入射流區(qū)

8、域造成射流紊流強(qiáng)度增加引起的。 基于以上的研究，我們建立了基于熱等離子體電弧技術(shù)的危險(xiǎn)廢棄物處理裝置，并對(duì)垃圾焚燒飛灰進(jìn)行了玻璃化處理研究，得到的熔渣固化物外觀呈非透明黑色，表面構(gòu)造堅(jiān)硬且平整光滑，質(zhì)地均一緊密，具有光澤，呈玻璃化。利用掃描電鏡、XRD、重金屬浸出特性、孔隙結(jié)構(gòu)等測(cè)試手段對(duì)熔渣的基本物理化學(xué)特性進(jìn)行了分析，結(jié)果表明熔渣呈無(wú)定形玻璃化狀態(tài)，熔渣的比表面積和處理前相比減少了將近23倍，熔渣中的重金屬浸出量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)家