直流电弧等离子体炬的能量特性实验分析

张子炜 周东升 刘春雨 陆杰 刘夏杰

摘 要：通過实验分别获得空气和氮气作为工作气体下自稳弧长型直流电弧等离子体炬的能量特性数据，得出弧电流、气量与弧电压之间的影响规律和函数关系，进而分析等离子体射流功率与比焓的变化特征。结果表明：弧电流恒定不变的情况下，弧电压及功率随气量的增大而增大，比焓随气量的增大而减小;气量恒定不变的情况下，功率及比焓随弧电流的增大而增大，弧电压随弧电流的增大而减小;拟合伏安特性函数式，空气为Uair = 480（ I2 /G） -0. 08 G0. 30 ，氮气为UN2 = 693（ I2 / G） -0. 09 G0. 25 ，两者的伏安特性曲线总体趋势相同，且在相同弧电流与气量下，氮气作为工作气的弧电压、功率及比焓均比空气大。

关键词：等离子体炬;伏安特性;功率;比焓;能量特性

中图分类号：TL941 文献标识码：A

等离子体处理技术可同时完成低中水平放射性废物的减容减量和放射性核素的固定，具有不受处理对象限制、减容显著、产物长期稳定及核素浸出率低等特点[1] 。2004 年，瑞士ZWILAG[2] 将等离子体技术用于处理放射性废物并获得放废处理运营许可证;2018 年，保加利亚250 t/ a 处理量的放射性废物等离子体处理项目投运[3] ;2008 年，中核华龙后续机型研发课题启动了等离子体高温熔融工程样机项目。国内外一系列的研究和应用表明[1，4] ，等离子体技术是处理放射性废物最前沿技术之一。

近年来，国内对等离子体技术处理放射性废物的应用研究取得了长足发展[5-11] 。等离子体炬作为放射性废物等离子体处理技术的核心设备，其能量特性决定了系统的处理能力和处理效果。

目前，国内各行业针对各种结构的等离子体炬均有较深入的数值模拟及实验研究。数值模拟方面主要研究等离子体射流的速度、压力、温度、电势和电流密度等物理场的分布[12-16] ，实验方面主要研究等离子体炬的伏安特性、功率、射流比焓、效率、电极尺寸和气体流量之间的关系[17-21] 。由于结构简单、性能良好，自稳弧长型直流电弧等离子体炬是工业界中研究最多的一类等离子体炬。

本研究采用了自主研发的单电弧室自稳弧长型等离子体炬，通过实验测试获得直流电弧等离子体炬的能量特性———即弧电流、气量与弧电压的基础数据，研究三者之间的影响规律和函数关系，进而分析等离子体射流功率与比焓的变化特征。

1 实验设备与方法

1. 1 实验设备

典型的放射性废物等离子体处理技术工艺流程如图1 所示，其中等离子体发生器系统为该工艺提供高温热源和活化气氛。本实验采用一套自主研发最大功率可达150 kW 的等离子体发生器系统，其效率高、火焰刚直，模块化的设计使得运维简便。该系统由等离子体炬、等离子体电源、气源和冷源组成，系统组成如图2（a） 所示，系统实物如图3 所示。等离子体发生器系统的功能是产生电弧等离子体，等离子体炬通过起弧机构使阴极和阳极之间拉出电弧，并在切向旋转的气流作用下维持电弧在轴线上的稳定燃烧，同时将电离气体吹出形成等离子体射流。其中，等离子体电源为等离子体炬提供电能，可调节输出电流，并反馈弧电流与弧电压;气源为等离子体炬提供工作气体，采用空气和氮气，可调节气量;冷源为等离子体炬提供冷却水，减缓电极烧蚀速率。

3. 2 应用前景

（1）工程应用方面：实际使用等离子体炬的过程中，调节功率的目的往往是提高等离子体射流平均温度。提高等离子体射流的平均温度意味着提高比焓，根据比焓特性的研究结果来看，弧电流大小是比焓大小的决定性因素，因此调节弧电流是调节等离子体炬功率的最佳方法，而通过调节气量来调节等离子体炬功率往往会适得其反。再结合伏安特性的研究结果来看，在既定气量下弧电流具有上限值，而气量的提高可使弧电流的上限值提高，因此调节气量可视为调节等离子体炬功率的辅助方法。

（2）研究开发方面：在研发等离子体炬的过程中，等离子体炬与等离子体电源需相互适配才能达到良好的使用性和经济性。因此，确定等离子体炬的伏安特性才能确定合适的等离子体电源参数。在大功率等离子体炬的研发上，根据伏安特性的研究结果，可在确定弧电流与气量后初步估测弧电压，提供等离子体电源参数设计的依据。

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