Линево патент кальцинатор оптимизация разрядов

Закончен литьобзор
Пащенко

По разрядам
В угольных атмосферах
При мощных нагревах
.....



http://proza.ru/2025/05/17/691



Королевское химическое общество
Просмотреть PDF-версиюПредыдущая СтатьяСледующая Статья
Проверьте наличие обновлений

 Статья в открытом доступе
 Эта статья в открытом доступе распространяется по лицензии Creative Commons Attribution-Non Commercial 3.0 Unported
DOI: 10.1039/C8RA03205J (Статья) RSC Adv., 2018, 8, 22737-22747
Характеристики отрицательного разряда постоянного тока в конфигурации «провод-цилиндр» при воздействии компонентов пиролизного газа угля при высоких температурах
Цюаньлинь ЧэньЛоготип ORCID, Мэнсян ФанЛоготип ORCID, Цзяньмэн Цэнь* и Цзяцзя Лю
Государственная ключевая лаборатория использования чистой энергии, Чжэцзянский университет, Ханчжоу 310027, Китайская Народная Республика. Электронная почта: jmcen@zju.edu.cn

Получено 14 апреля 2018 г., принято 14 июня 2018 г.
Впервые опубликовано 20 июня 2018 года

Абстрактный
Цель этой работы — получить полное представление о разряде постоянного тока в условиях воздействия компонентов газа, образующегося при пиролизе угля (CO2, H2, N2, CH4, CO), и воздуха. Характеристики разряда постоянного тока были изучены в конфигурации «провод — цилиндр» в диапазоне температур окружающей среды от 20 до 600 °C путём анализа характеристик V–I, фотографий разряда и состава газа. С повышением температуры напряжение начала коронирования, напряжение искрового пробоя и рабочий диапазон напряжения для коронного разряда снижаются, но ток разряда и коэффициент электронного тока увеличиваются. Ток разряда CO2 выше, чем у воздуха, из-за разницы в электроотрицательности. При разряде CO2 с увеличением выходного напряжения последовательно наблюдаются три типа разряда: коронный, тлеющий и дуговой. Однако при разряде H2 наблюдается только тлеющий разряд. Температура существенно влияет на способность CO присоединять электроны. Разрядная характеристика CO аналогична электроотрицательным газовым средам при 20 °C и неэлектроотрицательным газовым средам при температуре выше 350 °C. Во время CH наблюдаются химические реакции и образование углерода4 и процесс разряда CO. Образование углеродных нитей в газовой среде CH4 приводит к неустойчивости тока разряда и короткому замыканию. Эти результаты помогают понять свойства ESP при высоких температурах.

1. Введение
Высокотемпературная очистка газов является ключевой задачей для передовых технологий производства электроэнергии, таких как сжигание в псевдоожиженном слое под давлением и интегрированный комбинированный цикл газификации.1,2 К технологиям удаления высокотемпературных частиц относятся высокотемпературные циклон-сепараторы, керамические фильтры, зернистые фильтры и высокотемпературные электростатические осадители (ESP). К преимуществам циклон-сепаратора относятся простая конструкция и стабильная работа, но эффективность улавливания мелких частиц низкая, и его можно использовать только в качестве предварительной обработки.3 Керамический фильтр обладает высокой эффективностью удаления частиц, но может быть разрушен при высокой температуре из-за теплового удара. 4 Перепад давления и энергопотребление зернистого фильтра относительно высоки, кроме того, зернистые материалы трудно регенерировать при высокой температуре. 5 Преимуществами электростатического фильтра являются высокая эффективность удаления частиц, низкое падение давления и широкая адаптивность; он широко используется на угольных электростанциях при температуре ниже 150 °C. 6 Однако исследования свойств электростатического фильтра при температуре выше 350 °C ограничены.
Коронный разряд является основополагающим процессом для ESP, поскольку ионы, образующиеся в ходе этого процесса, играют важную роль в зарядке частиц, тем самым влияя на эффективность сбора частиц.7–14 Сяо15 изучил характеристики отрицательного коронного разряда постоянного тока в конфигурации «провод-цилиндр» в диапазоне температур окружающей среды от 350 до 850 °C и пришёл к выводу, что отношение электронного тока к общему току разряда увеличивается с ростом температуры. Из-за электронного тока максимальная эффективность сбора снижается, а энергопотребление увеличивается с ростом температуры.16 Сюй3 изучил взаимосвязь между приложенным напряжением и эффективностью сбора и пришёл к выводу, что напряжение пробоя и искровое напряжение снижаются с повышением температуры, что приводит к снижению эффективности сбора частиц. Чтобы решить эту проблему, Янь6,10 изучил влияние конструкции разрядного устройства на диапазон рабочего напряжения и пришёл к выводу, что диапазон рабочего напряжения увеличивается с увеличением разрядного зазора, а ленточные электроды легче генерируют искры по сравнению с проволочными и спиральными электродами. Помимо температуры и конструкции разрядного устройства, газовая среда также является важным фактором, влияющим на характеристики разряда. Ван15,17 изучал характеристики разряда при высоких температурах в атмосфере O2, CO2 и N2 и пришёл к выводу, что ток разряда в смеси CO2 и N2 увеличивается при повышении содержания CO2.

Основными компонентами газа, образующегося при пиролизе угля, являются CO2, H2, N2, CH4 и CO.1 Газовая среда является важным фактором, влияющим на характеристики разряда. Однако почти не проводилось исследований характеристик разряда в среде газа, образующегося при пиролизе угля. Таким образом, в данной работе исследуются характеристики отрицательного разряда постоянного тока в конфигурации «провод-цилиндр» в среде газа, образующегося при пиролизе угля, при высоких температурах, что помогает понять свойства электростатического осадителя при высоких температурах.

2. Экспериментальная установка
Схема экспериментальной установки показана на рис. 1. Установка состоит из пяти частей: газовых баллонов, источника питания высокого напряжения, установки для получения отрицательного постоянного тока, печи с регулируемой температурой и измерительной системы.
файл изображения: c8ra03205j-f1.tif
Рис. 1 Схема экспериментальной установки.
2.1 Разгрузочное устройство
Устройство для выгрузки проволоки и цилиндров расположено в середине корундовой трубки, которая нагревается в печи. Длина корундовой трубки составляет 1,2 м, а её внутренний диаметр — 74 мм. Нержавеющая трубка-вставка соединена с корундовой трубкой с помощью фланцев. Внешний диаметр нержавеющей трубки-вставки совпадает с внутренним диаметром корундовой трубки.
Конфигурация проволочно-цилиндрического разряда состоит из разрядного электрода и цилиндрического электрода, изготовленных из нержавеющей стали 310s. Эффективная длина разрядного электрода составляет 180 мм, а диаметр — 2 мм. Анод представляет собой нержавеющую трубку длиной 180 мм и внутренним диаметром 60 мм. Таким образом, межэлектродный зазор этого разрядного устройства составляет 29 мм. Эффективным разрядным электродом является часть катодной проволоки внутри цилиндра.

При высокой температуре изоляционные свойства изоляционных материалов снижаются. Поэтому в данной работе на фланцы втулки устанавливается пластина из политетрафторэтилена, в которой вырезаются два отверстия, чтобы проводящие анод и катод провода могли проходить через них, не соединяясь.

2.2 Электрическая цепь
Источник питания высокого напряжения обеспечивает регулируемое отрицательное напряжение постоянного тока от 0 до 60 кВ и максимальный выходной ток 20 мА. В данной работе напряжение, подаваемое источником питания высокого напряжения, называется выходным напряжением, а напряжение между анодом и катодом называется портовым напряжением, которое измеряется высоковольтным пробником и устройством сбора данных Agilent 34970A. Портовое напряжение — это реальное напряжение между анодом и катодом, поэтому оно широко используется для представления результатов характеристик разряда. Резистор сопротивлением 800 кОм используется для защиты источника питания в случае искрового пробоя. Электрический ток измеряется с помощью прибора для сбора данных Agilent 34970A с минимальной точностью 1 нА.
2.3 Измерение и контроль температуры
Кремний-молибденовые электрические нагревательные элементы, подключённые к программируемому терморегулятору, нагревают корундовую трубку. Для измерения температуры печи используется термопара S-типа, которая затем передаётся на программируемый терморегулятор для регулировки мощности нагрева электрических нагревательных элементов.
Внутри и снаружи корундовой трубки наблюдается большая разница температур, и температура сильно влияет на характеристики разряда. Поэтому в данной работе в корундовую трубку через втулку из нержавеющей стали вставляется термопара K-типа для измерения температуры разрядного устройства и газовой среды. Термопара K-типа не контактирует с корундовой трубкой, поэтому температура, измеряемая термопарой, в основном определяется конвективной теплоотдачей газа и лучистой теплоотдачей корундовой трубки. Расход газа составляет 100 л/ч;1, а диаметр корундовой трубки — 74 мм, поэтому скорость потока воздуха при комнатной температуре составляет около 0,006 м/с;1. Длина корундовой трубки составляет 1,2 м, а выпускное устройство расположено в середине корундовой трубки. Таким образом, время нагрева составляет около 30–100 секунд, чего достаточно для нагрева газа до заданной температуры.

2.4 Экспериментальная процедура
Расход газа регулируется до 100 л/ч-1 с помощью расходомера, а давление в печи поддерживается на уровне 1 атм. Газовые среды, используемые в экспериментах, представляют собой основные компоненты газа пиролиза угля, а именно CO2, H2, N2, CH4 и CO. В этой работе также исследуется воздух для сравнения с другими газовыми средами. Температура испытаний для каждой газовой среды устанавливается при комнатной температуре (20 °C) и высоких температурах от 350 °C до 600 °C с интервалом в 50 °C. Температура в печи повышается со скоростью 3–5 °C в минуту после установки программы и нажатия кнопки запуска. Одновременно открывается клапан газового баллона, и газ поступает в печь. Затем включается источник питания отрицательного высокого напряжения, и выходное напряжение регулируется, когда температура достигает заданного значения. Напряжение начала коронирования определяется при возникновении первой короны. Ток коронирования определяется и регистрируется после возникновения короны, а выходное напряжение увеличивается с интервалом в 1 или 0,5 кВ. Напряжение искры определяется при резком увеличении тока разряда. В неэлектроотрицательных газовых средах возникают тлеющие разряды, а не коронные. Пороговое напряжение определяется при возникновении первого свечения. Каждое условие тестирования выдерживается в течение 5 минут для записи результатов. Определенные тесты повторяются для проверки повторяемости экспериментальных данных. Полученные результаты подчеркивают хорошую производительность экспериментальной системы.
3. Результат и обсуждение
3.1 Влияние температуры
3.1.1 Влияние температуры на напряжение возникновения короны/искры.На рис. 2 показано напряжение возникновения короны и искрового пробоя при различных температурах в газовой среде CO2. С повышением температуры напряжение возникновения короны и напряжение искрового пробоя снижаются. С повышением температуры коэффициент ионизации Таунсенда увеличивается, в результате чего несамостоятельный разряд легче переходит в самостоятельный разряд, который и является возникновением короны.18 При повышении температуры с 20 °C до 600 °C напряжение начала коронного разряда снижается с 8 кВ до 3,2 кВ, а напряжение искрового пробоя снижается с 16,5 кВ до 8,88 кВ. Таким образом, рабочий диапазон напряжения для коронного разряда снижается с 8,5 кВ до 5,68 кВ при повышении температуры с 20 °C до 600 °C. Слишком низкий диапазон рабочего напряжения для коронного разряда приведёт к частым поломкам электростатического осадителя и повлияет на его стабильную работу.
файл изображения: c8ra03205j-f2.tif
Рис. 2 Влияние температуры на возникновение короны и напряжение искры.
На рис. 3 теоретическое напряжение возникновения короны сравнивается с экспериментальными данными при различных температурах. Теоретическое напряжение возникновения короны рассчитывается по формуле Пика, выраженной в уравнении (1).

 
файл изображения: c8ra03205j-t1.tif (1)
где E0 — электрическое поле на радиусе r0, представляющее собой минимальное электрическое поле, необходимое для возбуждения коронного разряда; ; — относительная плотность, которая определяется уравнением (2); f — коэффициент, определяющий степень гладкости поверхности катода, когда она идеально отполирована (f = 1); f может быть низким в зависимости от шероховатости поверхности катода. В данной работе f = 0,28.
 
файл изображения: c8ra03205j-t2.tif (2)
где M — относительная молекулярная масса; P0 = 10[тонкое пространство (1/6-em)]325 Па, T0 = 298 К.

файл изображения: c8ra03205j-f3.tif
Рис. 3 Экспериментальные значения напряжения начала коронирования и формула Пика при различных температурах.
Экспериментальное напряжение пробоя хорошо согласуется с теоретическим напряжением пробоя при относительно низкой температуре (равной или ниже 550 °C). Однако экспериментальное напряжение пробоя, по-видимому, ниже теоретического напряжения пробоя при относительно высокой температуре (равной или выше 600 °C). При 600 °C экспериментальное напряжение пробоя составляет 3,2 кВ, а теоретическое напряжение пробоя — 3,6 кВ. Аналогичным образом Сяо15 и Ян6 сообщили о разнице между теоретическим и экспериментальным напряжением пробоя при высоких температурах. Эти результаты показывают, что формула Пика хорошо подходит для других электроотрицательных газовых сред с учётом относительной плотности, хотя эта формула была выведена для воздушной газовой среды. Отклонение, возникшее при высокой температуре, можно объяснить тем, что формула Пика была определена при комнатной температуре, когда ток разряда в основном состоит из ионных токов, в то время как электронный ток играет важную роль в токе разряда при высокой температуре.

3.1.2 Влияние температуры на характеристики V–I и обсуждение состава тока при высокой температуре.Рис. 4 иллюстрирует характеристики V–I конфигурации «проволока-цилиндр» при температурах от 350 °C до 600 °C в газовой среде CO2. При повышении температуры ток разряда увеличивается. При напряжении на выходе 8 кВ ток разряда увеличивается с 188 мкА при 350 °C до 445 мкА при 600 °C. Как показано в уравнениях (3) и (4), коэффициент первой ионизации Таунсенда ; означает количество пар электронов, образующихся при неупругом столкновении электрона с нейтральным газом на пути от катода к аноду. С увеличением ; ток разряда резко возрастает. Повышение температуры увеличивает среднюю длину свободного пробега электронов и молекул газа и помогает электронам получать дополнительную энергию от приложенного электрического поля. Таким образом, вероятность неупругих столкновений между электронами и молекулами газа увеличивается, и образуются дополнительные электронно-положительные ионные пары, что приводит к высокому току разряда при высоких температурах.7
 
файл изображения: c8ra03205j-t3.tif (3)
 
файл изображения: c8ra03205j-t4.tif (4)
где i — ток разряда, i0 — остаточный ток при отсутствии разряда, ; — коэффициент первой ионизации Таунсенда, d — расстояние между анодом и катодом, ; — коэффициент третьей ионизации Таунсенда, ; — длина свободного пробега, Vi — потенциал ионизации, E — электрическое поле.
файл изображения: c8ra03205j-f4.tif
Рис. 4. Влияние температуры на характеристики V–I.
Температура влияет не только на процесс ионизации, но и на процесс присоединения электронов. По словам Кристофору24, с повышением температуры эффективность недиссоциативного присоединения снижается, а эффективность диссоциативного присоединения повышается. Для газовой среды, такой как CO2, которая присоединяет электроны как недиссоциативно, так и диссоциативно, эффективность присоединения сначала снижается, а затем повышается с повышением температуры. Однако по сравнению с влиянием температуры на ионизацию влиянием на присоединение можно пренебречь.11

На рис. 5 сравниваются рассчитанные токи однополярных ионов насыщения с экспериментальными токами короны при различных температурах. Согласно Сигмонду19, плотность однополярных ионов насыщения выражается в уравнении (5). Таким образом, максимально возможный ток однополярных ионов при заданном напряжении UP и конфигурации «провод-цилиндр» определяется в уравнении (6).

 
файл изображения: c8ra03205j-t5.tif (5)
 
файл изображения: c8ra03205j-t6.tif (6)
где ;s — плотность однополярных ионов в состоянии насыщения, Is — ток однополярных ионов в состоянии насыщения, ; — подвижность отрицательных ионов, t — время дрейфа ионов, то есть время, необходимое для дрейфа ионов от катода к аноду.

файл изображения: c8ra03205j-f5.tif
Рис. 5. Сравнение экспериментального тока короны и тока насыщения ионов при различных температурах.
Предполагается, что подвижность ионов не зависит от электрического поля. Она является функцией относительной плотности. Для отрицательных ионов подвижность составляет 2,7 ; 10;4/; м2 в;1 с;1.

При температуре 20 °C экспериментальные токи меньше соответствующих токов насыщения ионов, когда напряжение на выходе ниже 12,58 кВ, что указывает на отсутствие токов, переносимых электронами. Когда напряжение на выходе превышает 12,6 кВ при температуре 20 °C, экспериментальные токи короны превышают соответствующие токи насыщения ионов. При температуре 400 °C токи короны превышают токи насыщения ионов, когда напряжение на выходе выше 5 кВ. Эти результаты показывают, что в таких случаях нельзя игнорировать электронные токи, а токи разряда состоят из ионных и электронных токов. Электронный ток Ie можно рассчитать по формуле I ; Is. Коэффициент электронного тока, то есть доля электронного тока в общем токе, может быть рассчитан по формуле Ie/I. При напряжении порта 10 кВ ток разряда при 20°C составляет 48 мкА, в то время как соответствующий ток иона насыщения составляет 69,5 мкА, таким образом, отношение электронных токов (Ie/I) равно 0. При повышении температуры до 400 °C и напряжении на выходе 10 кВ ток разряда составляет 457 мкА, а соответствующий ток насыщения ионов — 159,7 мкА. Таким образом, коэффициент электронного тока составляет 0,65. Эти результаты показывают, что коэффициент электронного тока увеличивается с повышением температуры. Янь6 и Сяо11,17 также обнаружили наличие электронного тока, и причина этого в том, что коэффициент ионизации увеличивается с повышением температуры, в то время как эффект присоединения практически не меняется. Электронный ток возникает не только в процессе высокотемпературного разряда, но и в процессе разряда при малом расстоянии между электродами. Феррейра25 создал устройство для точечно-плоскостного разряда и сообщил о существовании электронного тока при расстоянии менее 1,5 см.

В процессе электростатического осаждения частицы пыли заряжаются при столкновении с заряженными ионами и перемещаются к пылесборной пластине под действием силы электрического поля. Таким образом, ионный ток важен для зарядки пыли. Наличие электронного тока только увеличивает энергопотребление, но не может повысить эффективность удаления пыли. Таким образом, уменьшение доли электронного тока способствует повышению эффективности удаления пыли и снижению энергопотребления.

3.2 Влияние газовой среды
3.2.1 Влияние газовой среды на характеристики V–I и напряжение возникновения/пробоя искры в различных электроотрицательных газовых средах. Напряжение возникновения искры и напряжение пробоя искры при повышении температуры окружающей среды в различных атмосферах показаны на рис. 6. Напряжение возникновения искры в атмосфере CO2 выше, чем в воздухе, и разница уменьшается с повышением температуры. При температуре 350 °C напряжение начала коронного разряда CO2 составляет 4,6 кВ, а воздуха — 4 кВ, то есть разница между ними составляет 0,6 кВ. При повышении температуры до 600 °C напряжение начала коронного разряда CO2 всего на 0,1 кВ выше, чем у воздуха. Из формулы Пика можно вывести, что напряжение короны увеличивается с ростом относительной плотности, а относительная молекулярная масса CO2 больше, чем у воздуха, поэтому напряжение короны в CO2 выше, чем в воздухе, что соответствует результатам эксперимента.
файл изображения: c8ra03205j-f6.tif
Рис. 6 Напряжение возникновения короны и напряжение искрового пробоя в зависимости от повышения температуры окружающей среды в различных атмосферах. (а) Напряжение возникновения короны и (б) напряжение искрового пробоя.
Напряжение искрового пробоя в атмосфере CO2 постоянно выше, чем в атмосфере воздуха при температуре окружающей среды 350–600 °C, как показано на рис. 6(b). Однако Сяо11 сообщил, что напряжение искрового пробоя в воздухе выше, чем в CO2, потому что способность воздуха притягивать электроны сильнее, чем у CO2. Тлеющий разряд обычно образуется после газового пробоя. Согласно теории тлеющего разряда, тлеющий разряд возникает в результате вторичной эмиссии катода, и чем выше ионизационный потенциал газовой среды, тем легче возникает тлеющий разряд, то есть легче происходит пробой. Потенциал ионизации CO2, O2 и N 2 составляет 13,3 эВ20, 12,06 эВ21 и 15,6 эВ22 соответственно. Потенциал ионизации N2 выше, чем у CO2, а N2 является основным компонентом воздуха. Таким образом, по сравнению с CO2 воздух легче подвергается пробою, а напряжение пробоя воздуха ниже.

На рис. 7 сравниваются характеристики V–I воздуха и CO2 при различных температурах. Токи коронного разряда CO2 постоянно выше, чем у воздуха. При температуре 350 °C и напряжении на выходе 7,75 кВ ток коронного разряда CO2 составляет 171 мкА, а ток воздуха — 68 мкА. Аналогичным образом Сяо15 изучил характеристики разряда в воздушной и CO2-газовой среде и объяснил разницу в токах разницей в электроотрицательности воздуха и CO2. Однако Суриявонг26 изучил характеристики электростатического осаждения в атмосфере O2-CO2 и O2-N2 и сообщил, что ток разряда уменьшается с увеличением концентрации CO2 в атмосфере O2-CO2 при положительном разряде. Результаты работы Суриявонга показывают, что CO2 сложнее ионизировать по сравнению с O2. Однако, помимо ионизации, электроотрицательность играет важную роль в токе разряда при отрицательном коронном разряде. В воздухе молекулы O2 могут напрямую присоединять электроны с образованием O2;, и необходимая энергия электрона составляет 0,058 эВ;15,21 в CO2 молекулы присоединяют электроны в ходе двухэтапной реакции (показанной в уравнении (7)), и необходимая энергия электрона составляет 3,85 эВ.15,20 Молекулы газа с высокой электроотрицательностью (низкой требуемой энергией электронов в реакциях присоединения) могут присоединять дополнительные электроны в области дрейфа, тем самым снижая среднюю скорость зарядов и ток разряда.

 
CO2 + e; ; CO + O + e;, O + e; ; O; (7)

файл изображения: c8ra03205j-f7.tif
Рис. 7 Влияние газовой среды на ток коронного разряда при различной температуре. (а) 350 °C и (б) 500 °C.
3.2.2 Сравнение электроотрицательных газовых сред и неэлектроотрицательных газовых сред.Когда электроны сталкиваются с молекулами газа, некоторые молекулы газа могут присоединять электроны, образуя отрицательные ионы, и такие газы называются электроотрицательными, например воздух и CO2.10,15 Другие газы, которые не могут присоединять электроны, называются неэлектроотрицательными, например H2, N2 и CH4.10,15,23
Характеристики V–I конфигурации «провод-цилиндр» в газовой среде CO2 при различных температурах показаны на рис. 8, а фотографии разряда — на рис. 9. Соответствующие напряжения и токи указаны в таблице 1. При температуре в диапазоне 350–550 °C при увеличении выходного напряжения наблюдаются три типа разряда. На фотографиях № 1, № 4 и № 7 видны катодные головки, окружённые слабым свечением, что свидетельствует о коронных разрядах перед пробоем. После пробоя появляется прерывистый оптический канал, соединяющий два электрода, что указывает на начало тлеющего разряда, как показано на фотографиях № 2, № 5 и № 8. По мере увеличения выходного напряжения яркость светящегося канала увеличивается, и канал становится непрерывным, что указывает на дуговой разряд, как показано на фотографиях № 3, № 6 и № 9. Корона — это явление частичного разряда на поверхности заряженного тела в газовой среде. Тлеющий разряд — это процесс, при котором остаточные положительные ионы ускоряются в электрическом поле, приобретая достаточную кинетическую энергию для бомбардировки катода, в результате чего образуются вторичные электроны, а электроны генерируют больше заряженных частиц посредством лавины, делая газ проводящим. Дуговой разряд — это явление интенсивного освещения и нагрева. Как было сказано выше, коронный разряд является частичным разрядом и возникает до пробоя газа. Однако тлеющий разряд и дуговой разряд возникают после пробоя газа. Между тлеющим разрядом и дуговым разрядом есть два основных различия: (1) тлеющий разряд возникает из-за эмиссии вторичных электронов, а дуговой разряд — из-за термической ионизации; (2) при тлеющем разряде оптический канал, соединяющий два электрода, прерывистый, а при дуговом разряде — непрерывный.


файл изображения: c8ra03205j-f8.tif
Рис. 8 V–I характеристики разряда CO2 при высоких температурах.

файл изображения: c8ra03205j-f9.tif
Рис. 9 Фотографии выбросов CO2 при высоких температурах.
Таблица 1 Соответствующие напряжения и токи на рис. 9
Температура (°C) Корона Glow Arc
Напряжение порта (кВ) / ток (мкА) (нет.) Port voltage (kV)/current (;A) (no.) Port voltage (kV)/current (;A) (no.)
350 9.44/337.1 (1) 11.15/3078.6 (2) 5.4/4694 (3)
450 9.15/395 (4) 10.38/3057 (5) 5/4262 (6)
550 8.57/306.7 (7) 9/2195.4 (8) 4.68/4015 (9)

Три стадии разряда можно чётко различить на характеристиках V–I, как показано на рис. 8. Возьмём в качестве примера характеристики V–I при температуре 550 °C. При повышении напряжения порта до 3,78 кВ начинается коронный разряд. На этой стадии по мере повышения напряжения порта увеличиваются токи, а токи короны составляют от нескольких десятков до нескольких сотен микроампер. Когда напряжение на выходе увеличивается примерно до 9,5 кВ, происходит искровой пробой и начинается тлеющий разряд. На стадии тлеющего разряда напряжение на выходе практически не меняется при увеличении тока. Когда ток увеличивается до 3431 мкА, напряжение на выходе немедленно падает до 5,46 кВ и начинается дуговой разряд. На стадии дугового разряда напряжение на выходе уменьшается при увеличении тока.

Характеристики V–I и фотографии того же устройства в газовой среде H2 показаны на рис. 10 и 11 соответственно. Фотографии (напряжения и токи на выводах указаны в таблице 2), показанные на рис. 11, отличаются от тех, что показаны на рис. 9. Рис. 10 показывает, что напряжение на выводах увеличивается с ростом тока, что говорит о том, что это не дуговой разряд. В H2 отрицательный коронный разряд не возникает.7 Таким образом, можно сделать вывод, что разряд, показанный на рис. 11, является тлеющим. Если взять в качестве примера характеристики V–I в газовой среде H2 при температуре 550 °C, то разряд начинается при напряжении 2,05 кВ и быстро достигает пробоя, а ток достигает 164 мкА, образуя яркий тлеющий разряд. С увеличением напряжения на выходе ток разряда значительно возрастает. Когда напряжение порта увеличивается до 5,87 кВ, ток разряда увеличивается до 8472 мкА.


файл изображения: c8ra03205j-f10.tif
Рис. 10 V–I характеристики разряда H2 при высоких температурах.

файл изображения: c8ra03205j-f11.tif
Рис. 11 Фотографии разряда H2 при высоких температурах.
Таблица 2 Соответствующие напряжения и токи на рис. 11
Температура (°C) Напряжение порта (кВ) /ток (мкА)
350 6.94/6520
400 6.38/7212
450 6.17/7479
500 5.97/7708
550 5.76/7972
600 5.57/8223

3.2.3 Характеристики отрицательного постоянного тока в газовой среде CO.На рис. 12 показаны характеристики V–I для H2, CO и CO2 при различных температурах. При температуре 20 °C и напряжении на выходе 8,58 кВ токи для CO2 и CO составляют 21 мкА и 4,03 мкА соответственно. В то время как ток H2 составляет 9484 мкА при напряжении на выходе 7,56 кВ. Результаты показывают, что способность молекул CO присоединять электроны выше, чем у CO2 при 20 °C. Однако при температуре 600 °C и напряжении на выходе 4,05 кВ токи H2, CO2 и CO составляют 2558, 95 и 1190 мкА соответственно. Результаты показывают, что при высокой температуре CO не может присоединять электроны, и характеристики разряда CO аналогичны характеристикам неэлектроотрицательных газовых сред, таких как H2 и N2. В таблице 3 приведены некоторые экспериментальные результаты измерения разрядных токов в газовых средах H2, CO2 и CO.
файл изображения: c8ra03205j-f12.tif
Рис. 12 Сравнение CO, H2 и CO2 при разной температуре: (а) 20 °C, (б) 600 °C.
Таблица 3 Разрядные токи
Температура (°C) СО H2 CO2
Напряжение порта (кВ) /ток (мкА) Port voltage (kV)/current (;A) Port voltage (kV)/current (;A)
20 8.6/4.2 4.9/1427 8.6/23
20 15.2/73 7.56/9484 15.2/193
600 3.5/580 3.5/1720 3.5/71
600 5.48/5200 5.48/7800 5.48/189

3.3 Влияние химических реакций
В таблице 4 представлен состав газа после процесса разряда CH4 при температуре 500 °C, выходном напряжении 20 кВ и времени пребывания в плазме примерно 8,73 с. В процессе разряда CH4 образуются газообразные продукты, такие как H2, C2H4 и C2H6, а также твёрдые продукты, например, углеродные нити
Таблица 4 Составы газов после процесса выпуска СН4
Состав Объемная доля (%)
ГЛАВА4 98.44
Ч.2 1.35
С2Ч4 0.12
С2Ч6 0.09

На рис. 13(b) представлена кривая тока при температуре 20 °C и выходном напряжении 5,5 кВ, а на рис. 13(a) показаны фотографии разряда на кривой тока (время и значения тока указаны в таблице 5). На первой фотографии в газовой среде CH4 начинается тлеющий разряд при подаче высокого напряжения на разрядную конфигурацию. При столкновении электронов высокой энергии с молекулами CH4 образуются углеродные нити и другие газообразные продукты, а точки разряда перемещаются от катода к конечным точкам углеродных нитей. На второй и третьей фотографиях видно, что количество и длина углеродных нитей увеличиваются одновременно с разрядом и соответствующими токами. На четвёртой фотографии углеродные нити становятся нестабильными и разрушаются под действием тока разряда от катода, когда длина углеродных нитей увеличивается.


файл изображения: c8ra03205j-f13.tif
Рис. 13 (a) Фотографии разряда и (b) кривая тока при 20 °C и выходном напряжении 5,5 кВ.
Таблица 5 Соответствующие токи на рис. 13
Число Время (ы) Ток (мкА) Напряжение порта (кВ)
1 360 700 4.9
2 610 1430 4.39
3 790 1840 4.07
4 820 770 4.9

Помимо разрушения, на рис. 14 и в таблице 6 показан ещё один результат для углеродных нитей. Углеродные нити в конечном итоге достигают анода, когда их длина увеличивается и они соединяют электроды. В этот момент напряжение на выходе снижается до 0,12 кВ, а выходное напряжение падает ниже 20 кВ, поскольку максимальный выходной ток составляет 20 мА.


файл изображения: c8ra03205j-f14.tif
Рис. 14 (a) Фотографии разряда и (b) кривая тока при 20 °C и выходном напряжении 20 кВ.
Таблица 6 Соответствующие токи на рис. 14
Число Время (ы) Ток (мкА) Напряжение порта (кВ)
1 310 9500 12.6
2 930 15[тонкое пространство (1/6-em)]740 7.53
3 2090 19[тонкое пространство (1/6-em)]970 2.72
4 2420 19[тонкое пространство (1/6-em)]980 0.12

На рис. 15 показано сравнение характеристик V–I при различных скоростях нарастания напряжения. Красная линия представляет собой кривую V–I, где приращение напряжения составляет 0,5 кВ, а запись каждой точки занимает 5 минут, а чёрная линия представляет собой кривую V–I, где напряжение непрерывно нарастает со скоростью 10 кВ мин;1. Тенденция и текущее значение двух линий почти совпадают, за исключением того, что красная линия колеблется сильнее, чем чёрная.


файл изображения: c8ra03205j-f15.tif
Рис. 15 V–I характеристики CH4 при температуре 20 °C.
На рис. 16 сравниваются характеристики V–I для CH4 и H2 при температуре 500 °C. В CH4 напряжение непрерывно увеличивается со скоростью 10 кВ мин;1. Значение силы тока в этих средах практически одинаково, что указывает на то, что характеристики разряда в CH4 практически не отличаются от характеристик в атмосфере H2.


файл изображения: c8ra03205j-f16.tif
Рис. 16 Сравнение CH4 и H2 при температуре 500 °C.
Эти результаты указывают на то, что химические реакции влияют на характеристики разряда в двух аспектах: (1) процесс роста и разрушения углеродных нитей приводит к изменению разрядного промежутка, тем самым вызывая нестабильность разрядного тока, то есть ток разряда сильно колеблется в процессе разряда; (2) при определённых условиях рост углеродных нитей стабилен, и они в конечном итоге достигают анода, вызывая короткое замыкание между электродами, что приводит к прекращению процесса разряда. Помимо этих двух аспектов, CH4 относится к неэлектроотрицательным газообразным средам, и его характеристики при разряде схожи с характеристиками N2 и H2.

Помимо атмосферы CH4, в процессе выброса CO происходят химические реакции и образование углерода. Однако два различия в росте углерода между CO и CH4 заключаются в следующем: (1) при 20 °C углерод образуется в процессе разряда CH4, в то время как углерод не образуется в процессе разряда CO (углерод образуется в процессе разряда CO, когда температура превышает 350 °C); (2) в CH4 углерод образуется в виде зонтика вокруг катода, в то время как в CO углерод образуется в виде порошка вокруг анода; следовательно, не происходит ни процесса “роста и разрушения” углеродных нитей, ни изменчивости тока разряда.

4. Заключение
В этой работе исследовались характеристики выбросов основных компонентов пиролизного газа (CO2, H2, N2, CH4, CO) и воздуха при температуре 20–600 °C. Были сделаны следующие выводы:
(1) С повышением температуры напряжение начала коронного разряда и напряжение искрового пробоя снижаются, причём напряжение искрового пробоя снижается быстрее. Диапазон рабочего напряжения коронного разряда снижается с 8,5 кВ до 5,68 кВ при повышении температуры с 20 °C до 600 °C.

(2) Ток разряда увеличивается по мере повышения температуры. Коэффициент электронного тока увеличивается с повышением температуры и приложенного напряжения.

(3) Ток разряда CO2 выше, чем у воздуха, из-за разницы в электроотрицательности. Напряжение начала коронирования и напряжение искрового пробоя CO2 выше, чем у воздуха, в диапазоне температур 20–600 °C.

(4) При разряде CO2 с увеличением выходного напряжения последовательно наблюдаются три типа разряда: коронный, тлеющий и дуговой. Однако при разряде H2 наблюдается только тлеющий разряд.

(5) Температура существенно влияет на способность CO присоединять электроны. При 20 °C ток разряда в CO немного ниже, чем в CO2. Однако CO не может присоединять электроны при температуре 350–600 °C, и ток разряда аналогичен току разряда в H2.

(6) В процессе разряда CH4 и CO происходят химические реакции и образование углерода. Химическая реакция практически не влияет на характеристики разряда CO. Однако химические реакции влияют на характеристики разряда CH4 в двух аспектах: (1) процесс роста и разрушения углеродных нитей приводит к нестабильности разрядного тока; (2) углеродные нити, соединяющие два электрода, приводят к прекращению процесса разряда.

Конфликты интересов
Здесь нет конфликтов, о которых стоило бы объявлять.
Сокращения
r Расстояние в радиальном направлении от катода, м
R Радиус анодной трубки, м
r0 радиус катода, м
l Эффективная длина катода, м
Er Электрическое поле радиусом r, В м-1
E0 Электрическое поле на расстоянии r0, В м;1
;s Плотность униполярных ионов насыщения, А/м-3
;0 Диэлектрическая проницаемость, фм-1
Up Напряжение порта, приложенное к электроду, В
Я Ток разряда, А
Яс Униполярный ионный ток насыщения, А
То естьe Электронный ток, А
; Относительная плотность
Mгаз Относительная молекулярная масса газовой среды
P Давление газа в экспериментах, Па
P0 Стандартное атмосферное давление P0 составляет 10[тонкое пространство (1/6-em)]325 Па
T Температура проведения экспериментов, К
T0 Комнатная температура, T0 составляет 298 К
я0 Остаточный ток, когда газ не выпускается, А
; Первый коэффициент ионизации Таунсенда, м-1
d Расстояние между анодом и катодом, м
; Третий коэффициент ионизации Таунсенда
; Средняя длина свободного пробега, м
Vя Потенциал ионизации, В
; Подвижность отрицательных ионов, м2 (В;1 с;1)
t Время дрейфа ионов, с
Благодарности
Эта работа была профинансирована Национальной ключевой программой исследований и разработок Китая (№ 2017YFB0602800 и № 2016YFE0102500).
Примечания и ссылки
К. Ван, Технология многоступенчатого преобразования угля в сочетании с процессами пиролиза и сжигания, Springer International Publishing, 2017 Поиск в PubMed.
Т. Мельхиор и Р. Мадленер, «Экономическая оценка установок IGCC с очисткой горячих газов», Appl. Energy, 2012, 97, 170–184 CrossRef.
С. Сюй, С. Гао, П. Янь, В. Чжу, Ц. Чжэн и Ю. Ван, и др., Миграция и сбор частиц в высокотемпературном электростатическом осадителе, Sep. Purif. Technol., 2015, 143, 184–191 CrossRef.
Г. Ахмади и Д. Х. Смит, «Поток газа и осаждение частиц в фильтре горячего газа в проекте Pinon Pine», Powder Technol., 2002, 128, 1–10 CrossRef.
Г. Сяо, С. Ван, Дж. Чжан, М. Ни, С. Гао и З. Ло, и др., Фильтр с зернистым слоем: перспективная технология для очистки горячих газов, Powder Technol., 2013, 244, 93–99 CrossRef.
П. Янь, К. Чжэн, Г. Сяо, С. Сюй, С. Гао и З. Ло, и др., Характеристики отрицательного коронного разряда постоянного тока в конфигурации «проволока-пластина» при высоких температурах, Sep. Purif. Technol., 2015, 139, 5–13 CrossRef.
К. Сюй и Д. Чжу, «Физика газового разряда», издательство Фуданьского университета, 1996 Поиск в PubMed.
А. Вийо, И. Ф. Ж. Гонтье, Э. Гонзе и А. Бернис, «Численная модель кривой «ток-напряжение» для проволочных цилиндрических электростатических осадителей при отрицательном напряжении в присутствии неполярных газов», IEEE Trans. Plasma Sci., 2010, 38, 2031–2040 Поиск в PubMed.
А. Болога, Х. Р. Пауэр, Х. Зайферт и К. Волетц, «Влияние состава газа, температуры и давления на характеристики коронного разряда», Международный журнал плазменных исследований и технологий, 2011, 5, 110–116 Поиск в PubMed.
П. Янь, Ч. Чжэн, В. Чжу, С. Сюй, С. Гао и З. Ло, и др., Экспериментальное исследование влияния температуры и давления на отрицательный коронный разряд в высокотемпературных электростатических генераторах, Appl. Energy, 2016, 164, 28–35 CrossRef.
С. Ван, М. Ни, Г. Сяо, Дж. Чжан, С. Гао и К. Сен, Аналитический метод для отрицательного коронного разряда постоянного тока в проволочно-цилиндрическом устройстве при высоких температурах, J. Electrost., 2014, 72, 270–284 CrossRef.
З. Гу, С. Си, Дж. Ян и Дж. Сюй, Свойства катода RE–W и его применение в электростатическом осаждении для очистки высокотемпературных газов, Fuel, 2012, 95, 648–654 CrossRef.
Дж. Сюй, З. Гу, С. Си, Дж. Чжан и Дж. Лю, Механизм потерь и оценка срока службы катода Ce–W при высокотемпературном термоэлектронном электростатическом осаждении, J. Electrost., 2014, 72, 336–341 CrossRef.
А. Вийо, И. Гонтье, Э. Гонзе, А. Бернис, С. Равель и М. Грато, и др., Отделение частиц от синтез-газа при высоких температурах с помощью электростатического осадителя, Sep. Purif. Technol., 2012, 92, 181–190 CrossRef.
Г. Сяо, С. Ван, Дж. Чжан, М. Ни, С. Гао и К. Сен, Характеристики разряда постоянного тока в конфигурации «провод-цилиндр» при высоких температурах окружающей среды, J. Electrost., 2014, 72, 13–21 CrossRef.
Г. Сяо, С. Ван, Г. Ян, М. Ни, С. Гао и К. Сен, Экспериментальное исследование электростатического осаждения в конфигурации «проволока-цилиндр» при высоких температурах, Powder Technol., 2015, 269, 166–177 CrossRef.
Г. Сяо, С. Ван, Дж. Чжан, М. Ни, С. Гао и К. Сен, Анализ тока отрицательного коронного разряда постоянного тока в конфигурации «провод-цилиндр» при высоких температурах окружающей среды, J. Electrost., 2014, 72, 107–119 CrossRef.
Г. В. Найдус, моделирование стримерных импульсных разрядов в воздухе при атмосферном давлении, Eur. Phys. J.: Прикладная физика, 2009, 47, 22803 CrossRef.
Р. С. Зигмонд, «Простая приближенная модель униполярных корон с доминирующим пространственным зарядом: закон Варбурга и ток насыщения», J. Appl. Phys., 1982, 53, 891–898 CrossRef.
И. Итикава, сечения столкновений электронов с углекислым газом, J. Phys. Chem. Ref. Data, 2002, 31, 749 CrossRef.
И. Итикава, сечения столкновений электронов с молекулами кислорода, J. Phys. Chem. Ref. Data, 2009, 38, 1 CrossRef.
И. Итикава, сечения столкновений электронов с молекулами азота, J. Phys. Chem. Ref. Data, 2006, 35, 31 CrossRef.
Дж. Юн, М. Сонг, Дж. Хан, С. Х. Хван, У. Чанг и Б. Ли, и др., Сечения столкновений электронов с молекулами водорода, J. Phys. Chem. Ref. Data, 2008, 37, 913 CrossRef.
Л. Г. Кристофору, Р. А. Матис, С. Р. Хантер и Дж. Г. Картер, «Влияние температуры на пробивное напряжение электроотрицательных газов в однородном поле», Gaseous Dielectrics V, 1988, 63, 52–59 Поиск в PubMed.
Г. Ф. Л. Феррейра, О. Н. Дж. Оливейра и Дж. А. Джакометти, «Корона от точки к плоскости: вольт-амперные характеристики для положительной и отрицательной полярности с признаками электронной составляющей», J. Appl. Phys., 1986, 59, 3045–3049 CrossRef.
А. Суриявонг, К. Дж. Хоган-младший, Дж. Цзян и П. Бисвас, Зарядная фракция и электростатический сбор ультратонких и субмикронных частиц, образующихся при сжигании угля O–CO, Fuel, 2008, 87, 673–682 CrossRef.
Этот журнал является © Королевское химическое общество, 2018