3. Гибридные плазмотроны с комбинированным разрядом

 

Существует три основных типа плазмотронов: дуговые, ВЧ и СВЧ.

Мощности дуговых плазмотронов достигают 250 МВт.

Верхний уровень мощностей СВЧ плазмотронов  — 30 кВт при частоте 2,45 ГГц и 100 кВт при частоте 915 МГц. 

Мощности ВЧ плазмотронов — до 1МВт, но они имеют ограниченное применение в силу ряда специфических особенностей.

Таким образом, в диапазоне мощностей от 100 кВт до 250 МВт практически монопольное положение занимают дуговые плазмотроны (рис. 4.1)

Рис 4.1. Диапазон мощностей различных плазмотронов

     Основные недостатки дуговых плазмотронов:

• высокие температуры в канале дуги (до 12 000 – 15 000 °С);
• резкая неоднородность температуры и других параметров плазмы в рабочем объеме;
• жесткие требования к катоду и теплоизоляционным материалам, используемым для защиты рабочей камеры;
• быстрый износ катода и появление примесей при его распылении;
• высокая вероятность аварийного срыва дуги и необходимость принятия специальных мер по стабилизации дуги;
• невозможность подачи реагентов непосредственно в активную зону разряда;
• низкий КПД преобразования тепловой энергии дуги в энергию рабочего процесса.                                                            

 

В связи с этим, для плазмохимических процессов наиболее перспективными являются СВЧ-плазмотроны, основными преимуществами которых являются:

• объемная плазма;
• более активная плазмохимическая среда, позволяющая повышать скорость химических реакций;
• отсутствие электродов и загрязняющих примесей;
• меньшие рабочие температуры в реакционной зоне и менее жесткие требования к теплоизоляционным материалам;
• возможность работы в импульсном режиме.

 

Недостатки СВЧ плазмотронов – небольшие мощности и, соответственно, производительность, пониженное рабочее давление (менее 100 торр), большие расходы плазмообразующего газа.

Специалистами ООО «ТВИНН» был разработан и создан многоцелевой СВЧ-плазменный модуль. Впервые удалось получить объемную СВЧ-плазму большого размера, устойчивую при работе в разных режимах: постоянном и импульсном и диапазоне давлений в камере модуля от 70 торр до нескольких атмосфер, а также при пропускании через плазменную зону значительных объемов газообразных, жидких и сыпучих материалов.

 

На базе этого СВЧ-плазменного модуля в ООО «ТВИНН» был разработан принципиально новый тип плазмотрона с комбинированным разрядом — гибридный плазмотрон. (рис. 4.2).

Рис. 4.2  Различные режимы гибридного плазмотрона

а) соотношение мощностей СВЧ и дугового разрядов 1:4;

б) соотношение мощностей СВЧ и дугового разрядов 1:1;

в) только СВЧ разряд.

 

Недостаток мощности стандартных источников СВЧ энергии компенсируется за счет ввода в СВЧ-плазменный разряд мощности постоянного тока. Суммарная мощность таких плазмотронов может в десятки раз превышать мощность имеющихся СВЧ генераторов при сохранении всех основных преимуществ как СВЧ, так и дуговых плазмотронов.

 

  Плазмотрон с комбинированным разрядом характеризуется:

• возможностью обеспечения требуемой мощности в плазме за счет пропускания через объемный СВЧ разряд постоянного тока;
• отсутствием эрозии катода, эмиссия электрического тока происходит со всей поверхности катода при температуре ниже 1000 °С;
• регулируемой длиной плазменного канала;
• независимым управлением СВЧ и дуговой мощностями;
• вводом исходных реагентов (твердых, жидких, газообразных) непосредственно в активную зону разряда;

 

Пилотный образец гибридного плазмотрона суммарной мощностью 17 кВт (в т. ч. 5 кВт СВЧ мощности), показан на рис. 4.2. 

 

ООО «ТВИНН» имеет три патента РФ на гибридный плазмотрон, один европейский и один евразийский патент.

 

На первом этапе мощность гибридных плазмотронов может быть доведена  до 50 кВт с применением стандартных СВЧ плазмотронов мощностью 6 кВт и до 300 кВТ с использованием СВЧ плазмотронов мощностью 30 кВт. При использовании 100 кВт СВЧ плазмотронов с частотой 915 МГц мощность гибридных плазмотронов может быть доведена до 2–3 МВт. Гибридные плазмотроны мощностью от 50 кВт до 3 МВт могут обеспечить до 70% потенциальных потребностей плазмохимической отрасли.

 

Дальнейшее повышение производительности и эффективности плазмохимических установок с гибридными плазмотронами может быть достигнута за счет повышения рабочих давлений (до 5–10 атм и более), использования каскадных и комбинированных схем. Весьма перспективными являются импульсные плазмохимические технологии, внедрение которых позволит реализовать большой спектр так называемых пороговых, труднореализуемых химических реакций.

Гибридные плазмотроны могут повысить эффективность всех известных плазменных технологий и внести важный вклад в развитие плазмохимической отрасли. 

 

Гибридный плазмотрон был использован для обработки зернового материала с целью повышения урожайности.

Обработка зерна плазменным разрядом проводилась с использованием импульсной модуляции СВЧ энергии и энергии постоянного тока. Через СВЧ плазму пропускается постоянный электрический ток, что значительно увеличивает интенсивность плазменного воздействия на зерно.

 

Технические характеристики процесса СВЧ-плазменной обработки зерновых:

Время пролета зерновки через зону воздействия	0,1–0,2 сек
Время воздействия на зерновку горячими газами в сборнике	20 сек
Температура газа в разряде	3000 °С
Мощность комбинированного разряда	17 кВт (в т.ч. СВЧ - 5 кВт)
Расход технологического газа (азот, воздух, обогащённый азотом)	1л/сек
Давление в рабочей камере	1 атм.

 

На гибридном плазмотроне были проведены исследования эффективности обработки яровой мягкой пшеницы и ее влияние на урожайность и качество зерна.

Согласно методическим требованиям, для получения объективных данных, изучение СВЧ-плазменной обработки семян производилось в течение 3-х лет.

Исследования велись в полевых условиях на черноземах опытного стационарного участка отдела земледелия Оренбургского НИИСХ в 3-х кратной повторности во времени и в 4-х кратной в пространстве. 

В качестве контроля было взято химическое протравливание семян препаратом Виал ТТ из расчета 500 Г на 1 кг, который широко применяется в хозяйствах в Оренбургской области. 

После анализа шести изучаемых вариантов СВЧ-плазменной обработки семян в течение 3-х лет исследования был установлен самых эффективный вариант: 2 СВЧ генератора по 5 кВт, общая мощность 10 кВт, импульсивный режим — 50 мкс, плазмообразующий газ — воздух, обогащенный азотом до 90%.

Диапазон прибавки урожая за 3 года — от 9 до 40%. Средняя прибавка за год — 25%. 

 

Таким образом, СВЧ-плазменная обработка семян является экономически эффективной технологией и экологически чистой по сравнению с химическим протравливанием.