用于危险废弃物处理的直流等离子体射流特性研究

发布时间：2022-05-02 19:49

　　本文介绍了自行研制的具有双阳极特殊结构的等离子体喷枪，并对其产生的大气压直流等离子体射流的热力学特性、电弧脉动特性和动力学行为、光谱特性、热流分布和脉动行为进行了深入细致的研究。在此基础上对直流等离子体喷枪及其系统进行了优化整合，开发出基于热等离子体电弧技术的垃圾焚烧飞灰熔融系统，并对城市生活垃圾焚烧飞灰进行了玻璃化处理研究。利用经典的信号处理工具，如统计分析、快速傅立叶变换、时域相关分析等，重点研究了不同喷枪工作模式（双弧或单弧）下大气压直流等离子体射流的电弧脉动特性和气体动力学行为。同时，对喷枪的可控参数，如载气成分、载气流量和电弧电流对等离子体射流脉动特性的影响进行了分析。研究发现，无论等离子体喷枪处于双弧或者单弧工作模式，氩等离子体射流的脉动行为均属于接管（Takeover）模式，而氩氮等离子体射流的脉动行为则可以用重燃（Restrike）机制来表示。对于氩等离子体，电弧电信号（电压、电流、电弧功率）的频域和相关分析结果显示除了150 Hz的低频脉动（由等离子体电源引起），不存在任何高频分量（1-15 kHz），这表明在我们的实验中，直流氩等离子体射流的脉动主要是由等离子体三相... 

【文章页数】：210 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 等离子体概念
    1.2 热等离子体技术
        1.2.1 热等离子体技术在废弃物处理中的应用
        1.2.2 评价和展望
    1.3 本文的研究目标和主要内容
第2章 等离子体电弧的基本特性
    2.1 等离子体电弧的不同区域
        2.1.1 阴极区
        2.1.2 弧柱区
        2.1.3 阳极区
    2.2 等离子体中的碰撞过程
        2.2.1 弹性碰撞
        2.2.2 非弹性碰撞
        2.2.3 分布函数
        2.2.4 等离子体的热力学状态
    2.3 等离子体的辐射过程
        2.3.1 束缚-束缚跃迁(Bound-Bound Transition)
        2.3.2 自由-束缚跃迁(Free-Bound Transition)
        2.3.3 自由-自由跃迁(Free-Free Transition)
    2.4 小结
第3章 等离子体辐射传递理论
    3.1 等离子体的辐射机理
        3.1.1 宏观辐射过程
        3.1.2 微观辐射过程
        3.1.3 辐射传递方程(Equation of radiation transport)
    3.2 等离子体中谱线的增宽机理
        3.2.1 自然增宽
        3.2.2 多普勒增宽
        3.2.3 压力增宽
        3.2.4 仪器增宽(Instrumental broadening)
        3.2.5 卷积过程(Convolution procedure)
    3.3 分子光谱
        3.3.1 双原子分子光谱
        3.3.2 氮的第一负带系N_2~+(B~2Σ_u~+→X~2Σ_g~+)
    3.4 光谱仪参数
    3.5 小结
第4章 直流等离子体射流的电弧脉动
    4.1 电弧脉动和动力学特性
        4.1.1 等离子体电弧脉动
        4.1.2 阳极斑点
        4.1.3 电弧的混沌行为
    4.2 实验装置
        4.2.1 等离子体系统
        4.2.2 电弧的产生过程
        4.2.3 测量系统
    4.3 分析工具
        4.3.1 统计分析
        4.3.2 快速傅立叶变换(FFT)
        4.3.3 相关分析
    4.4 等离子体的热力学特性
    4.5 双弧氩等离子体射流
        4.5.1 伏安特性曲线
        4.5.2 电弧电压和电流脉动
        4.5.3 射流功率的脉动
        4.5.4 快速傅立叶变化(FFT)
        4.5.5 时域相关分析
    4.6 双弧氩氮等离子体射流
        4.6.1 电弧电压和电流脉动
        4.6.2 快速傅立叶变换和相关分析
    4.7 单弧氩等离子体射流
        4.7.1 电弧电压脉动
        4.7.2 伏安特性曲线
        4.7.3 快速傅立叶变换和相关分析
    4.8 小结
第5章 直流等离子体射流光谱诊断研究
    5.1 引言
    5.2 实验装置
    5.3 测量原理
        5.3.1 电子激发温度
        5.3.2 电弧脉动对温度测量的影响
        5.3.3 电子密度的测量
        5.3.4 振动温度和转动温度测量
    5.4 双弧氩等离子体射流
        5.4.1 发射光谱
        5.4.2 电子激发温度
        5.4.3 电子密度
        5.4.4 局域热力学平衡(LTE)判定标准
        5.4.5 氩等离子体局域热力学平衡
    5.5 双弧氩氮等离子体射流
        5.5.1 等离子体发射光谱
        5.5.2 电子激发温度
        5.5.3 电子密度
        5.5.4 振动温度和转动温度
        5.5.5 氩氮等离子体射流局域热力学平衡状态
    5.6 单弧氩等离子体射流
        5.6.1 射流发射光谱
        5.6.2 电子温度和电子密度
        5.6.3 气体流量对电子温度和密度的影响
    5.7 单弧模式下氩等离子体光谱轴向分布特性
        5.7.1 射流发射光谱
        5.7.2 实验结果
    5.8 小结
第6章 直流等离子体射流热流特性研究
    6.1 引言
    6.2 测量原理
    6.3 实验装置
    6.4 实验结果
        6.4.1 等离子体热流测量
        6.4.2 等离子体热流脉动特性
    6.5 小结
第7章 垃圾焚烧飞灰热等离子体玻璃化处理技术
    7.1 引言
    7.2 垃圾焚烧灰渣的种类和来源
    7.3 垃圾焚烧过程中重金属的来源和迁移机制
        7.3.1 飞灰中重金属的来源
        7.3.2 垃圾焚烧过程中重金属的迁移机制
    7.4 垃圾焚烧飞灰处理及处置方式
        7.4.1 固化/稳定化(Solidification/Stabilization, S/S)
        7.4.2 化学处理
        7.4.3 酸提取技术
        7.4.4 热处理技术
        7.4.5 小结
    7.5 玻璃化处理熔渣的资源化利用途径
    7.6 垃圾焚烧飞灰玻璃化处理研究进展
        7.6.1 法国国家电力公司EDF
        7.6.2 欧洲等离子体公司玻璃化处理过程
        7.6.3 法国国家煤气公司(GDF)VitriFlash技术
        7.6.4 瑞士ABB公司玻璃化处理
        7.6.5 日本茬原公司玻璃化技术
        7.6.6 瑞典ScanArc公司玻璃化技术
        7.6.7 英国Tetronics公司的玻璃化技术
        7.6.8 小结
    7.7 本章小结
第8章 垃圾焚烧飞灰等离子体电弧玻璃化处理研究
    8.1 引言
    8.2 实验装置
    8.4 实验结果和讨论
        8.4.1 飞灰粒径分布和化学成分
        8.4.2 XRD晶相结构分析
        8.4.3 SEM微观结构分析
        8.4.4 重金属毒性浸出特性
        8.4.5 耐酸碱腐蚀特性
        8.4.6 其他物理特性
    8.5 本章小结
第9章 全文总结和展望
    9.1 全文总结
    9.2 本文的主要创新点
    9.3 下一步工作展望
参考文献
附录 A
附录 B
攻读博士学位期间发表的论文
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]DC Arc Plasma Disposal of Printed Circuit Board[J]. 黄建军,施嘉标,孟月东,刘正之.  Plasma Science & Technology. 2004(04)
[2]A Preliminary Study of the Plasma Pyrolysis of Waste Tyres[J]. 唐兰,黄海涛,赵增立,吴创之.  过程工程学报. 2003(01)



本文编号：3649840