热等离子体炬技术及其应用现状.doc

1、4.5 热等离子体炬技术及其应用现状程昌明 唐德礼关键词 热等离子体 局部热力学平衡 等离子体炬141近年来，等离子体技术已经成为生产更新、更好材料的新技术。其中热等离子体和重粒子温度都较高，约为103104 K量级，电子温度范围为104106 K，接近于局域热力学平衡状态，可以用统一的热力学温度来描述热等离子体的状态。热等离子体具有高温、高焓、高能量密度以及气氛可控、温度梯度大等特点，已经在机械加工、冶金、材料、化工和环保等领域得到广泛应用1。1 等离子体炬众所周知，等离子体是由等离子体炬产生，主要通过直流（DC）、交流（AC）、射频（RF）和微波（MW）等放电形式而获得，较为常用的是直流电

2、弧等离子体炬。通常一个直流等离子体炬由一个棒状钨阴极和一个水冷铜阳极构成，当气体被送入电极间隙后，直流弧就在电极间建立起来，弧经过喷嘴吹出而形成高温、高速的火焰。根据弧是否转移到工件，等离子体射流可分为转移弧和非转移弧。工业上应用的电弧等离子体炬的主要技术指标是功率、效率和连续使用寿命。一般输出功率范围为102107 W，功率较低的一般应用于焊接、切割及喷涂等，而大功率的等离子体炬则用于冶金、加热及空间模拟等领域。等离子体炬的效率约为5090，转移弧高于非转移弧。炬的使用寿命受电极寿命限制，由于电极受活性工作气（氧氯和空气）的侵蚀，其连续寿命一般不超过200 h；备有补充电极的电弧等离子体炬，

3、寿命可达数百小时。等离子体射流温度范围约在370025000 K（取决于工作气体种类和功率等因素），射流速度范围为1104 m s-1。2 热等离子体炬技术的研究现状热等离子体技术的进展，主要取决于等离子体炬的水平。目前国外已有专门的公司生产工业用的各种成套等离子体加热系统，功率从几个千瓦到几十兆瓦，有些寿命已过千小时。Ar和N2作为保护性气体的技术难度较小，已经基本解决。而在含氧气氛（空气、氧气、工业普氮）中工作的空心电极技术难度较大。近年来热等离子体炬在基础理论、实验研究、数值模拟和诊断等领域都有所发展。热等离子体炬的基础理论研究包括电弧、气流、磁场及其相互作用等，各国的等离子体实验室基本

4、都基于自行研制的炬开展电弧及电极现象的研究。V. Valincius等人2利用自己设计制造的线性组合式直流等离子体炬，在大气压空气条件下测量并分析了其运行情况、热特性以及等离子体射流的热焓和速度分布，研究了弧电流、气流量和阳极直径对伏安特性和热效率的影响。H. Min 等人3设计制造了一个中空电极的等离子体炬，利用空气作为工作气体，基于输入电流、气体流量和电极直径研究了它的热特性及运行状况。热等离子体的模拟大致包括热力学特性、输运特性以及等离子体射流的模拟。在完全热力学平衡时，其热力学特性的计算比较容易；对于输运特性而言就很复杂了。许多计算使用电子温度高于重粒子温度的双温等离子体模型，近年来的

5、计算还计入了动力学系数，但由此使得计算时间大了3个数量级。双温等离子体模型的输运计算现在已经明确了，由于电子质量小，因而忽略了电子与重粒子的耦合，但对于扩散系数的计算就不适用了4。对等离子体射流的计算由于其中心温度很高，处于层流状态，而边缘的温度低，处于湍流状态就显得相当复杂，一般使用标准的k-湍流模型计算射流区域，而射流中心及尾部采用低雷诺k-模型。等离子体诊断对于等离子体射流来说，一般是测量等离子体温度、成分浓度或密度、气体速度及热流通量。对于等离子体射流中的飞行粒子则是测量其温度、粒子尺寸和速度等。探针和光谱测量是较常规的技术，激光扫描和CCD成像技术的发展为诊断技术带来了新的机遇。电压

6、波形分析以及射流声学分析等手段为在线控制提供了极大的帮助。混沌理论也开始尝试应用于实验数据的分析。我国在热等离子体技术的研究领域近年来也取得了较大的进步，许多研究所和高校都在开展这方面的工作。其中，中科院力学所和清华大学等在电极现象和弧根特性方面的研究较多，而复旦大学等则在数值模拟和诊断技术上发展较快。3 热等离子体技术应用现状目前，热等离子体技术的应用领域得到了较大的扩展，在传统的应用领域，热等离子体技术已趋向成熟，并有所发展，与此同时又扩展了许多新的应用领域。等离子体切割及焊接技术可以说比较成熟，应用也比较稳定。在涂镀、材料合成、化工以及废物处理等领域的应用异常活跃。等离子体涂镀包括喷涂、

7、汽相化学沉积等。喷涂技术应用范围从耐腐蚀、耐热和耐磨涂层到生产整体的最终形状金属或陶瓷部件，甚至超导材料也可以通过等离子体喷涂过程进行沉积。除了最普遍的大气等离子体喷涂过程外，其他等离子体喷涂过程诸如低压喷涂、超声速喷涂等也得到了发展。热等离子体化学汽相沉积（TPCVD）是近几年发展起来的技术，具有速度快、质量高的优点。目前研究与开发主要集中在边界和基材表面化学反应情况、控制镀膜的结构和质量、镀膜的生长速率及附着力等方面5。热等离子体材料合成应用较早的是固氮、生产乙炔和乙烯等，典型的Huls反应器利用1 m长8.5 MW的涡流稳定弧，已成功运行了50年。近来的研究主要集中在等离子体合成纳米粉末

8、及碳纳米管。利用热等离子体的高温和高温梯度，可以合成小到纳米级的细粉末，目前的研究集中在非氧化物粉末（氮化物和碳化物）。热等离子体合成碳纳米管还基本处于研究阶段。热等离子体处理废物具有反应速度快、尾气量小等优点，但其成本高、难于控制的缺点限制了它的应用范围。在一些特殊类型的有毒废物处理方面，等离子体处理具有独特的优势。西屋公司研制的等离子体热解反应器系统利用1 MW 的非转移等离子体炬，处理多氯联苯（PCBs），处理速度可达到12 ，处理效率高达89，粒子和酸排出物达到EPA 标准。Retech5 设计的等离子体离心式反应器利用1.2 MW的转移弧等离子体炬处理固体污染物。Ph. G . Ru

9、tberg6介绍了一种PT型交流等离子体炬，以及医疗废物和液体氯氟化碳的处理技术，将该等离子体炬用于医疗废物的处理，系统的处理量为200300 kg h-1，能量消耗为0.81 kWh kg-1。国内在等离子体制备超细粉末和等离子体化工领域的研究相对较多。超细粉末的制备主要集中在金属纳米粉体以及金属氧化物、碳氮化物，有些已经应用于工业生产。在等离子体化工领域主要包括等离子体煤化工、天然气化工等，由于其工艺流程简单、环境污染小以及生产成本低等特点，和传统工艺相比有巨大的竞争力。我国在热等离子体技术应用于废物处理方面起步较晚，而且目前大多数工作还停留在实验研究阶段，工业化应用的实例并不多见。4 展

10、 望今后在等离子体炬中的基本过程研究将更加深入，以期待不断提高等离子体炬的稳定性和可控性。稳定等离子体射流的3维模拟已确立，然而在特殊条件诸如层流中心、湍流边缘、气体卷吸和非平衡等方面，其模拟结果还需完善，瞬时3维模拟还处于起步阶段，在未来的几年里，主要的研究将集中在热等离子体与物料间的相互作用和电弧模型中阳极与阴极鞘层区域7。等离子体合成纳米材料将会随着控制技术的改善而逐步走向产业化。等离子体化工和废物处理技术将会有较大发展。等离子体煤气化及氢等离子体条件下煤制乙炔将会有所突破。环境保护是人类面临的最大问题之一，等离子体处理废弃物将会在某些领域（有害废弃物处理、金属氧化物废弃物处理和废液处理

11、等）投入工业应用，以形成一定产业。今后的趋势是建立一套简单的在线控制系统，它能在苛刻的环境下稳定工作，温度、速度和粒径等参数能在线测量。这些都有待于基础研究和开发之间更好的衔接以及相关技术的发展。参 考 文 献1 过增元, 赵文华，著. 电弧和热等离子体. 北京: 科学出版社, 19862 Valincius V, Krusinskaite V, et al. Electric and Thermal Characteristics of the Linear, Sectional dc Plasma Generator. Plasma Sources Sci. Techn., 2004, 1

12、3: 1993 Min H, Keun S K, Sang H H. Operational Features and Air Plasma Characteristics of a Thermal Plasma Torch with Hollow Electrodes. Plasma Sources Sci. Techn., 2003,12: 2554 Fauchais P, Vardelle A. Pending Problems in Thermal Plasmas and Actual Development. Plasma Phys. Contr. Fusion, 2000, 42:

13、 B3655 Retech E P. Thermal Plasma Technology: Where do We Stand and Where are We Going. Plasma Chem. Plasma Process, 1999,19（1）: 16 Rutberg Ph G, et al. Some Plasma Environmental Technologies Developed in Russia. Plasma Sources Sci. Techn., 2002, 11: A1597 Joachim H. New Approaches in Thermal Plasma Technology. Pure Appl.Chem., 2002,74（3）: 327