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(wěn)弧長型直流電弧等離子體炬的能量特性數(shù)據(jù)，得出弧電流、氣量與弧電壓之間的影響規(guī)律和函數(shù)關(guān)系，進而分析等離子體射流功率與比焓的變化特征。結(jié)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(shù)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(guān)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(shù)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(chǎn)物長期穩(wěn)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(shù)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(xù)機型研發(fā)課題啟動了等離子體高溫熔融工程樣機項目。國內(nèi)外一系列的研究和應用表明[1，4] ，等離子體技術(shù)是處理放射性廢物最前沿技術(shù)之一。

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

目前，國內(nèi)各行業(yè)針對各種結(jié)構(gòu)的等離子體炬均有較深入的數(shù)值模擬及實驗研究。數(shù)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(guān)系[17-21] 。由于結(jié)構(gòu)簡單、性能良好，自穩(wěn)弧長型直流電弧等離子體炬是工業(yè)界中研究最多的一類等離子體炬。

本研究采用了自主研發(fā)的單電弧室自穩(wěn)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(chǔ)數(shù)據(jù)，研究三者之間的影響規(guī)律和函數(shù)關(guān)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(shù)工藝流程如圖1 所示，其中等離子體發(fā)生器系統(tǒng)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(fā)最大功率可達150 kW 的等離子體發(fā)生器系統(tǒng)，其效率高、火焰剛直，模塊化的設計使得運維簡便。該系統(tǒng)由等離子體炬、等離子體電源、氣源和冷源組成，系統(tǒng)組成如圖2（a） 所示，系統(tǒng)實物如圖3 所示。等離子體發(fā)生器系統(tǒng)的功能是產(chǎn)生電弧等離子體，等離子體炬通過起弧機構(gòu)使陰極和陽極之間拉出電弧，并在切向旋轉(zhuǎn)的氣流作用下維持電弧在軸線上的穩(wěn)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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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(jù)比焓特性的研究結(jié)果來看，弧電流大小是比焓大小的決定性因素，因此調(diào)節(jié)弧電流是調(diào)節(jié)等離子體炬功率的最佳方法，而通過調(diào)節(jié)氣量來調(diào)節(jié)等離子體炬功率往往會適得其反。再結(jié)合伏安特性的研究結(jié)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(diào)節(jié)氣量可視為調(diào)節(jié)等離子體炬功率的輔助方法。

（2）研究開發(fā)方面：在研發(fā)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(jīng)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(shù)。在大功率等離子體炬的研發(fā)上，根據(jù)伏安特性的研究結(jié)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(shù)設計的依據(jù)。

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