直流電弧等離子體炬的能量特性實(shí)驗(yàn)分析

張子煒 周東升 劉春雨 陸杰 劉夏杰

摘 要：通過實(shí)驗(yàn)分別獲得空氣和氮?dú)庾鳛楣ぷ鳉怏w下自穩(wěn)弧長型直流電弧等離子體炬的能量特性數(shù)據(jù)，得出弧電流、氣量與弧電壓之間的影響規(guī)律和函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而分析等離子體射流功率與比焓的變化特征。結(jié)果表明：弧電流恒定不變的情況下，弧電壓及功率隨氣量的增大而增大，比焓隨氣量的增大而減小;氣量恒定不變的情況下，功率及比焓隨弧電流的增大而增大，弧電壓隨弧電流的增大而減小;擬合伏安特性函數(shù)式，空氣為Uair = 480（ I2 /G） -0. 08 G0. 30 ，氮?dú)鉃閁N2 = 693（ I2 / G） -0. 09 G0. 25 ，兩者的伏安特性曲線總體趨勢相同，且在相同弧電流與氣量下，氮?dú)庾鳛楣ぷ鳉獾幕‰妷?、功率及比焓均比空氣大?/p>

關(guān)鍵詞：等離子體炬;伏安特性;功率;比焓;能量特性

中圖分類號：TL941 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

等離子體處理技術(shù)可同時(shí)完成低中水平放射性廢物的減容減量和放射性核素的固定，具有不受處理對象限制、減容顯著、產(chǎn)物長期穩(wěn)定及核素浸出率低等特點(diǎn)[1] 。2004 年，瑞士ZWILAG[2] 將等離子體技術(shù)用于處理放射性廢物并獲得放廢處理運(yùn)營許可證;2018 年，保加利亞250 t/ a 處理量的放射性廢物等離子體處理項(xiàng)目投運(yùn)[3] ;2008 年，中核華龍后續(xù)機(jī)型研發(fā)課題啟動了等離子體高溫熔融工程樣機(jī)項(xiàng)目。國內(nèi)外一系列的研究和應(yīng)用表明[1，4] ，等離子體技術(shù)是處理放射性廢物最前沿技術(shù)之一。

近年來，國內(nèi)對等離子體技術(shù)處理放射性廢物的應(yīng)用研究取得了長足發(fā)展[5-11] 。等離子體炬作為放射性廢物等離子體處理技術(shù)的核心設(shè)備，其能量特性決定了系統(tǒng)的處理能力和處理效果。

目前，國內(nèi)各行業(yè)針對各種結(jié)構(gòu)的等離子體炬均有較深入的數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究。數(shù)值模擬方面主要研究等離子體射流的速度、壓力、溫度、電勢和電流密度等物理場的分布[12-16] ，實(shí)驗(yàn)方面主要研究等離子體炬的伏安特性、功率、射流比焓、效率、電極尺寸和氣體流量之間的關(guān)系[17-21] 。由于結(jié)構(gòu)簡單、性能良好，自穩(wěn)弧長型直流電弧等離子體炬是工業(yè)界中研究最多的一類等離子體炬。

本研究采用了自主研發(fā)的單電弧室自穩(wěn)弧長型等離子體炬，通過實(shí)驗(yàn)測試獲得直流電弧等離子體炬的能量特性———即弧電流、氣量與弧電壓的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，研究三者之間的影響規(guī)律和函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而分析等離子體射流功率與比焓的變化特征。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

1. 1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

典型的放射性廢物等離子體處理技術(shù)工藝流程如圖1 所示，其中等離子體發(fā)生器系統(tǒng)為該工藝提供高溫?zé)嵩春突罨瘹夥?。本?shí)驗(yàn)采用一套自主研發(fā)最大功率可達(dá)150 kW 的等離子體發(fā)生器系統(tǒng)，其效率高、火焰剛直，模塊化的設(shè)計(jì)使得運(yùn)維簡便。該系統(tǒng)由等離子體炬、等離子體電源、氣源和冷源組成，系統(tǒng)組成如圖2（a） 所示，系統(tǒng)實(shí)物如圖3 所示。等離子體發(fā)生器系統(tǒng)的功能是產(chǎn)生電弧等離子體，等離子體炬通過起弧機(jī)構(gòu)使陰極和陽極之間拉出電弧，并在切向旋轉(zhuǎn)的氣流作用下維持電弧在軸線上的穩(wěn)定燃燒，同時(shí)將電離氣體吹出形成等離子體射流。其中，等離子體電源為等離子體炬提供電能，可調(diào)節(jié)輸出電流，并反饋弧電流與弧電壓;氣源為等離子體炬提供工作氣體，采用空氣和氮?dú)?，可調(diào)節(jié)氣量;冷源為等離子體炬提供冷卻水，減緩電極燒蝕速率。

3. 2 應(yīng)用前景

（1）工程應(yīng)用方面：實(shí)際使用等離子體炬的過程中，調(diào)節(jié)功率的目的往往是提高等離子體射流平均溫度。提高等離子體射流的平均溫度意味著提高比焓，根據(jù)比焓特性的研究結(jié)果來看，弧電流大小是比焓大小的決定性因素，因此調(diào)節(jié)弧電流是調(diào)節(jié)等離子體炬功率的最佳方法，而通過調(diào)節(jié)氣量來調(diào)節(jié)等離子體炬功率往往會適得其反。再結(jié)合伏安特性的研究結(jié)果來看，在既定氣量下弧電流具有上限值，而氣量的提高可使弧電流的上限值提高，因此調(diào)節(jié)氣量可視為調(diào)節(jié)等離子體炬功率的輔助方法。

（2）研究開發(fā)方面：在研發(fā)等離子體炬的過程中，等離子體炬與等離子體電源需相互適配才能達(dá)到良好的使用性和經(jīng)濟(jì)性。因此，確定等離子體炬的伏安特性才能確定合適的等離子體電源參數(shù)。在大功率等離子體炬的研發(fā)上，根據(jù)伏安特性的研究結(jié)果，可在確定弧電流與氣量后初步估測弧電壓，提供等離子體電源參數(shù)設(shè)計(jì)的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[ 1 ] 陳明周，呂永紅，向文元，等. 核電站低中放固體廢物熱等離子體處理研究進(jìn)展[J]. 輻射防護(hù)，2012，32（1）：40-47.

[ 2 ] Shuey M W， Ottmer P P. LLW processing and operational experience using a plasma arc centrifugal treatment （PACTTM）system [C]. Tucson AZ： WM06 Conference， 2006.

[ 3 ] Deckers J. Treatment of low-level radioactive waste by Plasma： A Proven Technology？ [ C ]. ASME 2010 13th International Conference on Environmental Remediation and Radioactive Waste Management， 2010.

[ 4 ] 宋云，劉夏杰，陸杰，等. 等離子體熔融技術(shù)在核電站廢物處理中的應(yīng)用[J]. 污染防治技術(shù)，2012，25（1）：5-9.

[ 5 ] 林鵬，秦余新，呂永紅，等. 放射性廢物熱等離子體處理熔融爐溫度分布數(shù)值模擬及熔渣玻璃化配方初步研究[J].輻射防護(hù)，2013，33（4）：206-211.

[ 6 ] 徐文兵，呂永紅，陳明周，等. 熱等離子體處理模擬放射性廢物試驗(yàn)研究[J]. 核動力工程，2015，36（3）：175-179.

[ 7 ] 林鵬，劉夏杰，陳明周，等. 熱處理技術(shù)在核電廠放射性廢物處理中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 環(huán)境工程，2013，31（S1）：537-542.

[ 8 ] 鄭偉，王朝暉，林鵬，等. 核電站低放廢物集中減容處理技術(shù)探討[J]. 輻射防護(hù)，2021，41（4）：295-301.

[ 9 ] 劉夏杰，謝文章，李坤鋒，等. 放射性廢物等離子體處理系統(tǒng)中核素遷移的同位素示蹤研究[R]. 中國核科學(xué)技術(shù)進(jìn)展報(bào)告（第六卷），2019.

[10] 林鵬，陸杰，劉夏杰，等. 核電廠典型中低放射性廢物等離子體熔融處理試驗(yàn)研究[J]. 中國材料進(jìn)展，2016，35（7）：504-508.

[11] 陳明周，白冰，劉夏杰，等. 核電廠放射性可燃廢物等離子體玻璃固化配方初步研究[J]. 輻射防護(hù)，2015，35（5）：262-266.

[12] 陳明周，黃文有，呂永紅，等. 放射性廢物玻璃固化專用等離子體炬的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究[J]. 核聚變與等離子體物理，2016，36（3）：282-288.

[13] 黃衛(wèi)星，武劭恂，司徒達(dá)志，等. 直流電弧等離子炬溫度場-電場分布特性數(shù)值模擬[J]. 工程科學(xué)與技術(shù)，2020，52（5）：236-241.

[14] 武劭恂，司徒達(dá)志，張子煒，等. 耦合電極直流等離子體物理場數(shù)值模擬研究[J]. 高校化學(xué)工程學(xué)報(bào)，2020，34（2）：318-325.

[15] 陳文波，陳倫江，劉川東，等. 直流電弧等離子體炬的數(shù)值模擬研究[J]. 真空，2019，56（1）：56-58.

[16] 覃攀，冉祎，蘭天石，等. 熱等離子體射流溫度與放電功率和氣體流量的定標(biāo)關(guān)系[J]. 核聚變與等離子體物理，2008，28（1）：94-96.

[17] 何潤東，曹修全，徐浩銘，等. 湍流等離子體發(fā)生器工作特性實(shí)驗(yàn)[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程，2021，21（22）：9212-9216.

[18] 程昌明，唐德禮，蘭偉. 基于相似理論的等離子體炬電熱特性研究[J]. 核聚變與等離子體物理，2007，27（3）：247-250.

[19] 歐東斌，朱興營，馬漢東，等. 雙電弧室軸線式電弧等離子體炬熱特性試驗(yàn)研究[J]. 航天器環(huán)境工程，2021，38（6）：632-639.

[20] 曹亞文，韓先偉，譚暢，等. 雙弧室磁控空氣等離子體炬電弧特性的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 高電壓技術(shù)，2021，47（3）：832-839.

[21] 陳倫江，程昌明，劉川東，等. 空心陰極等離子體炬的實(shí)驗(yàn)性能研究[R]. 中國核科學(xué)技術(shù)進(jìn)展報(bào)告（第四卷），2015.

[22] Zhukov M F，陳明周，邱勵儉，等. 電弧等離子體炬[M]. 北京：科學(xué)出版社，2016.

[23] 過增元，趙文華. 電弧和熱等離子體[M]. 北京：科學(xué)出版社，1986.