Электродуговые генераторы низкотемпературной плазмы с повышенным ресурсом катодно-анодной группы

Электродуговые плазмотроны с цилиндрическими медными электродами получили широкое применение в энергетике, металлургии, химической промышленности благодаря простоте и надежности конструкций. Такие плазмотроны широко используются для розжига и подсветки пылеугольных котлов на ТЭС. Однако ресурс непрерывной работы электродов у них не превышает 500 часов, что является недостатком. Одним из перспективных путей увеличения ресурса непрерывной работы катода является использование регенерации материала электродов. Осаждение ионов и атомов на поверхность катода из дуги как возможный механизм регенерации катода впервые наблюдали в 1965 г. на химкомбинате г. Борзешти в Румынии [1]. Тогда было обнаружено формирование нароста углерода в зоне движения опорного пятна дуги на поверхности трубчатого чугунного внутреннего катода линейного плазмотрона во время процесса электрокрекинга природного газа до ацетилена. Углеродный нарост появлялся благодаря осаждению ионов углерода из атмосферы дуги, которые образуются в результате ионизации свободного углерода, выделяющегося в процессе диссоциации молекул плазмообразующей среды. Явление имеет большое прикладное значение и дало начало новому направлению исследований по проблеме увеличения ресурса непрерывной работы катода – созданию возобновляющихся катодов. При правильно подобранных условиях они обеспечивают регенерацию материала электрода, т.е. соответствие количества осаждаемого материала на поверхность катода количеству уносимого материала вследствие эрозии катода [2, 3, 4].

Для того чтобы удовлетворить жестким требованиям постоянной регенерации катода, была разработана и испытана конструкция воздушного электродугового плазмотрона, схема и фотография которого приведены на рисунках 1 и 2. Пропан-бутан подается в зону привязки дуги на катоде и аноде через отверстия с тыльной стороны катода и винтовые каналы в его графитовой вставке, а также с боковой поверхности анода. В результате этого в полости катода и на внутренней поверхности анода, образуется среда преимущественно из углеродосодержащего газа. Образовавшиеся в результате диссоциации молекул пропан-бутана и ионизации атомов углерода положительные ионы углерода под действием прика-тодного падения потенциала осаждаются на медной водоохлаждаемой поверхности образуя, таким об- разом, углеродный слой. Этот слой является «истинным» электродом, износ материала компенсируется возвратным потоком ионов и атомов углерода.

Рис. 1. Проект 25-киловаттного плазмотрона с повышенным ресурсом катодно-электродной группы: 1 - анодная группа, 2 - катодная группа

Рис.2. Электродуговой 25-киловаттный плазмотрон с повышенным ресурсом катодно-электродной группы

Физико-химическое исследование пленки показало, что он состоит из углерода (96.7-98.5%), водорода (1,2 -2,3 %) и меди (0,3 - 1,0 %). Межплоскостные расстояния составили 0.333, 0.207 и 0.168 нм при интенсивности пиков рентгеновского излучения 100, 1 и 5 % соответственно. Удельное электрическое сопротивление электродного кондесата равнялось 10-7 Ом •м. Таким образом, сформировавшийся «истинный» катод представляет собой токопроводящий поликристаллический графитоподобный материал.

На рисунке 3 представлен Раман-спектр катодного конденсата. Этот спектр был получен с помощью инфракрасного лазера с длиной волны 1,064 мкм. В Раман-спектре наблюдаются три интенсивных полосы 1290 см-1, 1582 см-1 и 2564.5 см-1 c относительной интенсивностью 0,04, 0,05, и 0,05 соответственно. Сравнение Раман-спектра полученного конденсата с известными из работы [5] спектрами углеродных материалов показало их соответствие Раман-спектру многостеночных углеродных нанотрубок с некоторым вхождением других углеродных форм, включая одностеночные углеродные нанотрубки.

0,0601

0,055

0,050

0,045

0,040

0,035

0,030 Int

0,025

0,020

0,015

0,010

0,005

2564,50;0,05

0,0000

4000,0

3193,21;0,02

Raman Shift / cm-1

500                    100,0

Рис.3. Раман-спектр углеродного конденсата с медного электрода плазмотрона, полученный на ИК-Раман

Фурье-спектрометре SPECTRUM GX (PerkinElmer, USA). Условия записи спектра:

λ=1.064 мкм, 100 сканов, 1500 мВт

Электродный конденсат был исследован с использованием сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) (рис. 4), атомного силового микроскопа (АСМ) (рис. 5). Из рисунка 4 видно, что конденсат представляет собой упрядоченные структуры с четко выраженными выходами жгутов углеродных нанотрубок.

Рис. 4 Фотографии проб конденсата, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа

Выводы

• 1.    На основании Раман-спектроскопического анализа и электронной микроскопии можно заключить, что электродный депозит, получаемый в плазмотроне окислительным пиролизом пропанбутановой смеси в условиях высокоточного разряда с магнитной фокусировкой без использования благородных газов (аргон, гелий), представляет собой композитный углеродный материал, построенный из нанокластеров углерода, состоящих в основном из многостеночных углеродных нанотрубок, нановолокон и других углеродных форм с некоторым количеством атомов меди, интеркалированных в углеродную матрицу.

• 2.    Проведенные испытания показали, что общий ресурс электродов плазмотрона составил более чем 1000 часов. Эксперименты подтвердили принципиальную возможность неограниченного увеличения срока службы электродов электродуговых плазмотронов, покрытых пленкой из углеродных нано-структурированных материалов.

Рис. 5. Фотография композита (проконденсата), полученная с помощью атомно-силового микроскопа