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热等离子体技术

    核工业西南物理研究院在上世纪90年代开始从事热等离子体技术的开发及应用研究,主要研究方向为直流非转移弧等离子体系统和射频等离子体系统。热等离子体射流具有高温(500020000K)、高焓、能量集中、气氛可控等特点,已经在机械加工、表面处理、加热、点火、材料合成、废物处理等领域得到广泛应用。

   直流非转移弧等离子体炬:从俄罗斯引进大功率长寿命非转移弧直流等离子体炬,通过消化吸收已掌握了制造等离子体炬的关键技术,已成功研制300kW200 kW150 kW100 kW60 kW30 kW等系列直流非转移弧等离子体炬。等离子体炬为固定弧长壁稳直流电弧非转移型,采用高频触发启弧,产生的等离子体射流具有高温(500020000K)、高焓、能量集中、气氛可控等特点。

 

 

   直流非转移弧等离子体炬电源:在国内率先研发出等离子体炬高频逆变特种电源,与传统晶闸管电源相比,高频逆变技术具有体积小、效率高、稳定性好、响应速度快等优点。目前我院开发的大功率高频逆变等离子体电源的转换效率大于90%,接近国际先进水平,远大于传统晶闸管电源60%的最好转换效率。

 

   射频等离子体炬系统:研制成功一套30kW高频等离子体纳米材料制备实验系统和一套100 kW射频等离子体粉末球化系统,成功开发了等离子体气相法制备纳米SiO2TiO2ZnO等工艺以及微粉球化工艺。

 
技术应用

1、热等离子体危险废物处理技术

    等离子体处理危险废物技术是利用等离子体炬产生的高温热等离子体将危险废物快速分解破坏,其中有机物热解为可燃性的小分子物质,无机物被高温熔融后生成类玻璃体残渣。该技术具有反应速度快、二次污染小、适用范围宽等特点,它克服了传统处理技术如焚烧、化学处理等二次污染大、工艺复杂、对废物有选择性等缺点。特别适合于医疗垃圾、石棉、焚烧飞灰、电池、轮胎、放射污染等固体危险废物的环保处理。

    目前,国外等离子体弧废物熔融技术在熔融医疗垃圾、城市垃圾(用此技术最佳规模可日处理1000吨城市垃圾,发电20MW)、焚烧飞灰等领域已进入实际运用阶段。根据我国现有危险废物产生量和历年累积的待处理量,国家规划建设综合性危险废物处置中心31个,新增危险废物处理能力282万吨/年,医疗垃圾集中处理中心300个,因此,危险废物的处理领域市场前景很大。

     核工业西南物理研究院正在建设一套单炉处理能力为50100kg/h的固体危险废物等离子体处理试验中试系统,开展相应的试验研究,逐步完成产业化准备工作。

石棉废物处理前后对比
 

2、热等离子体化工

   等离子气相法制备纳米粉末技术:现有一套高频等离子体纳米材料制备实验系统,成功开发了等离子体气相法制备纳米SiO2TiO2ZnO等工艺,所制备出的纳米材料纯度高、粒径分布范围窄、纳米粉末分散性较好。

   在此基础上,我们发展了超微粉末等离子体球化技术,其主要应用对象为球化钨粉、WC微粉、贫铀粉末、球化Ti粉、球形SiO2粉体等。目前已用射频等离子体直接球化形状不规则的钛粉、钨粉,制备出了低成本、高纯度、球形度高的实心粉体,球化率接近100%,球化后粉末与原粉末的平均粒径基本一致(11u),球形粉末的流动性、表面光洁度等性能均超过同类样品水平。

钨粉球化前后的检测图片(第1张为球化前图片)

    微米级球形SiO2粉体具有较高的填充性能、高的流动性和较高的均匀性等优点,广泛地应用于大规模集成电路、热喷涂、制备均匀孔隙的材料、催化剂载体、抛光磨料、光子晶体等。球形钨粉正逐渐取代常规钨粉,应用于大功率脉冲微波管阴极、人造卫星定位推进器、火箭喷嘴衬套等。在生产贫铀合金时,采用球化铀238粉末和球化Ti粉,将进一步提高贫铀合金的性能。球形超微Ti粉末能制备出形状复杂、成本低廉、组份及密度均匀、缺陷少、强度高的零部件,其制品可广泛用于航空航天、生物应用、智能功能材料等领域

 

3、等离子体点火

   等离子点火技术就是利用发电厂厂用低价电能产生等离子体,等离子体的高温及化学活性不仅可快速点燃煤粉,而且增加煤粉的挥发性,在等离子体燃烧器内被点燃的少量煤粉随同产生的高热值煤气、喷入炉内形成中心火焰区、代替燃油,并点燃主燃烧器的喷出煤粉,代替油枪点燃煤粉,节省燃油