直流電弧等離子體炬的能量特性實驗分析

張子煒 周東升 劉春雨 陸杰 劉夏杰

摘 要：通過實驗分別獲得空氣和氮氣作為工作氣體下自穩弧長型直流電弧等離子體炬的能量特性數據，得出弧電流、氣量與弧電壓之間的影響規律和函數關系，進而分析等離子體射流功率與比焓的變化特征。結果表明：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;擬合伏安特性函數式，空氣為Uair = 480（ I2 /G） -0. 08 G0. 30 ，氮氣為UN2 = 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，氮氣作為工作氣的弧電壓、功率及比焓均比空氣大。

關鍵詞：等離子體炬;伏安特性;功率;比焓;能量特性

中圖分類號：TL941 文獻標識碼：A

等離子體處理技術可同時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、產物長期穩定及核素浸出率低等特點[1] 。2004 年，瑞士ZWILAG[2] 將等離子體技術用于處理放射性廢物并獲得放廢處理運營許可證;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目投運[3] ;2008 年，中核華龍后續機型研發課題啟動了等離子體高溫熔融工程樣機項目。國內外一系列的研究和應用表明[1，4] ，等離子體技術是處理放射性廢物最前沿技術之一。

近年來，國內對等離子體技術處理放射性廢物的應用研究取得了長足發展[5-11] 。等離子體炬作為放射性廢物等離子體處理技術的核心設備，其能量特性決定了系統的處理能力和處理效果。

目前，國內各行業針對各種結構的等離子體炬均有較深入的數值模擬及實驗研究。數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] ，實驗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系[17-21] 。由于結構簡單、性能良好，自穩弧長型直流電弧等離子體炬是工業界中研究最多的一類等離子體炬。

本研究采用了自主研發的單電弧室自穩弧長型等離子體炬，通過實驗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數據，研究三者之間的影響規律和函數關系，進而分析等離子體射流功率與比焓的變化特征。

1 實驗設備與方法

1. 1 實驗設備

典型的放射性廢物等離子體處理技術工藝流程如圖1 所示，其中等離子體發生器系統為該工藝提供高溫熱源和活化氣氛。本實驗采用一套自主研發最大功率可達150 kW 的等離子體發生器系統，其效率高、火焰剛直，模塊化的設計使得運維簡便。該系統由等離子體炬、等離子體電源、氣源和冷源組成，系統組成如圖2（a） 所示，系統實物如圖3 所示。等離子體發生器系統的功能是產生電弧等離子體，等離子體炬通過起弧機構使陰極和陽極之間拉出電弧，并在切向旋轉的氣流作用下維持電弧在軸線上的穩定燃燒，同時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，可調節輸出電流，并反饋弧電流與弧電壓;氣源為等離子體炬提供工作氣體，采用空氣和氮氣，可調節氣量;冷源為等離子體炬提供冷卻水，減緩電極燒蝕速率。

3. 2 應用前景

（1）工程應用方面：實際使用等離子體炬的過程中，調節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，根據比焓特性的研究結果來看，弧電流大小是比焓大小的決定性因素，因此調節弧電流是調節等離子體炬功率的最佳方法，而通過調節氣量來調節等離子體炬功率往往會適得其反。再結合伏安特性的研究結果來看，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，因此調節氣量可視為調節等離子體炬功率的輔助方法。

（2）研究開發方面：在研發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到良好的使用性和經濟性。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。在大功率等離子體炬的研發上，根據伏安特性的研究結果，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設計的依據。

參考文獻：

[ 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展[J]. 輻射防護，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. 等離子體熔融技術在核電站廢物處理中的應用[J]. 污染防治技術，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值模擬及熔渣玻璃化配方初步研究[J].輻射防護，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. 熱處理技術在核電廠放射性廢物處理中的應用研究進展[J]. 環境工程，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探討[J]. 輻射防護，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中核素遷移的同位素示蹤研究[R]. 中國核科學技術進展報告（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研究[J]. 中國材料進展，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，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值模擬與實驗研究[J]. 核聚變與等離子體物理，2016，36（3）：282-288.

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

[14] 武劭恂，司徒達志，張子煒，等. 耦合電極直流等離子體物理場數值模擬研究[J]. 高校化學工程學報，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關系[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. 湍流等離子體發生器工作特性實驗[J]. 科學技術與工程，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研究[J]. 航天器環境工程，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驗研究[J]. 高電壓技術，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驗性能研究[R]. 中國核科學技術進展報告（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：科學出版社，2016.

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