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Submitted on 1 Jan 1990
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ÉLECTRO-BRÛLEURS À ARCS GLISSANTS
H. Lesueur, A. Czernichowski, J. Chapelle
To cite this version:
H. Lesueur, A. Czernichowski, J. Chapelle. ÉLECTRO-BRÛLEURS À ARCS GLISSANTS. Journal
de Physique Colloques, 1990, 51 (C5), pp.C5-57-C5-64. �10.1051/jphyscol:1990508�. �jpa-00230806�
COLLOQUE DE PHYSIQUE
C o l l o q u e C5, supplément a u n018, Tome 51, 1 5 septembre 1990
H. LESUEUR, A. CZERNICHOWSKI e t J. CHAPELLE
Groupe de Recherche sur 1'Energétique des Milieux Ionisés (GREMI) Universite d'Orléans, 45067 Orléans Cedex 02, France
Résumé, .' On décnt /e fonclbnnement d'un générateur de p/asms basses températures menant r ) profit /es prop/iétés des arcs é/ectnques ghssants. caracteusés par un fonctionne- ment dscontinu avec une p&ode de que/qr/es m/;///secondes. Ce généafeur est ut/fisé comme é/ectro-brÛ/eur et on présenfe ses ca/actééstiques é/ecfu~ues dans /es deux configurat/bns su/lantes :
-
/'une compon'anf deux é/ectrodes a/imefées en courant redess4-
/'autre compon'ant rrok é/ectrodes ahinentées en a/ternat/TAbstrac : The ma/?? top/E b a /ow temperature plasma genemtofi ushg ghU/hg arcs Sequem7t/a//process of arc has an average hife //?ne of a few m/fiseconds. Th/s p/asma generator 1s used as an e/ectfo-burnef and son?e e/ectnca/ caracteustics sh two /aboratoy sca/e confi&uraf/uns are as fo//ows :
-
A fwo e/ectrod configurat/on fedby a DCpower supph-A fhee e/ectrod configuration fedby a theephase ACpowef suppN
1. Introduction
Périodiquement depuis le début du 20em siècle [ I l , on a cherché à apporter, de manière relativement simple au moyen de décharges ou d'arcs électriques, un supplément d'énergie à un processus de combustion; pourtant aucun procédé n'est actuellement en exploitation commerciale. On peut cependant citer les travaux d'EDF [2], [3] dans le domaine des Electro-Brûleurs.
D'une manière générale, un électro-brûleur est un générateur de plasma qui permet de dissiper de i'énergie électrique sous forme d'arcs dans un milieu en combustion et plus précisément dans une flamme de gaz naturel. Du fait de ses caractéristiques, un électro-brûleur peut jouer un rôle important dans certains secteurs de notre industrie notamment en sidérurgie, fonderie, transformation des métaux, produits réfractaires, etc. et plus généralement dans le domaine des flammes hors stoechiomé- trie.
Le dispositif que nous présentons dans cet article est un générateur de plasma polyvalent fonctionnant h basse température (300
-
3000 K) et pression élevée et qui peut être utilisé non seulement comme électro-brûleur mais également pour toutes les applications de chimie des plasmas avec toute sorte de mélange gazeux.D'un point de vue généalogique, on peut accorder à notre dispositif [4], deux origines : celle des "arcs horn" utilisés pour la production industrielle d'engrais azotés (ref. [5] à [IO]) et celle des éiectro- brûleurs expérimentaux (ref. [Il, [ I l ] à [18]).
Les "arcs horn" sont dérivés des parafoudres à cornes du siècle dernier. Pendant le premier quart de ce siècle ils ont constitué l'un des principaux dispositifs électriques de production d'engrais azotés à partir de l'azote de l'air (procédé "PAULING"). On peut citer une installation célèbre au pied des chutes du Niagara qui fonctionnait en utilisant cette technologie.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1990508
COLLOQUE DE PHYSIQUE
I n j e c t i o n d e g a z
Figure 1.
Principe de base. Basic scheme.Le principe de base (figure 1) consistait à placer autour de I'axe d'écoulement de l'air des électrodes divergentes. L'arc initié à l'endroit où là distance entre les électrodes est la plus faible était soufflé par le flux gazeux et glissait ainsi en s'allongeant jusqu'au extrémités des électrodes où on cherchait à l'y maintenir pour obliger le gaz à traverser la colonne d'arc. Lorsque l'arc se coupait, il se rétablissait automatiquement suivant le processus précédent. Les puissances électriques dissipées étaient importantes et pouvaient atteindre 400 kW par paire d'électrodes pour des débits d'air de 10 Nm3/h.
Ces énergies spécifiques sont comparables à celles des torches à plasma industrielles de forte puissance [19].
Les électro-brûleurs d'EDF consistent principa!ement en deux électrodes placées sur I'axe de l'écoulement, face à face, en aval de l'injection des gaz dans un ouvreau réfractaire de brûleur à gaz avec une recirculation sur I'axe donnant une flamme de type "boule". Pour tous les électro-brûleurs, le problème est I'ionisation initiale du volume gazeux et de nombreuses solutions sont expérimentées.
Grâce à la recirculation et à la turbulence de la flamme de type "boule", I'ionisation primaire ne sert en principe qu'à l'instant du démarrage. Dans le cas des prototypes industriels, le rapport U/I (en VIA) entre la tension U moyenne aux bornes des électrodes et l'intensité I s'établit entre 0.5 et 1 pour une puissance moyenne comprise entre 300 kW et 1 MW électrique et une puissance gaz de 1 à 2 MW.
L2
Aspect plas-. .
Pour les applications de chimie des plasmas (la combustion assistée en est une), deux régimes sont importants : les "Glow discharges" (décharges lumineuses) et les Arcs. La première catégorie est caractérisée par un fort déséquilibre entre la température Te des électrons et la température Tg du
"gaz" avec un rapport Teng compris entre 10 et 100. L'absence d'équilibre thermodynamique rend possible l'obtention (très recherchée en chimie des plasmas) d'une température de gaz proche de la température ambiante alors que les électrons sont suffisamment énergétiques pour causer la rupture de liaisons moléculaires. Par opposition, les plasmas d'arc produisent des températures très élevées, de l'ordre de 10.000 K au niveau de la colonne d'arc, qui les destinent plus particulièrement à des applications en chimie inorganique puisque les composés organiques sont, le plus souvent, rapidement dégradés en raison de leur faible stabilité thermique.
Un plasma de décharge est caractérisé (à pression atmosphérique) par des tensions U aux bornes des électrodes assez élevées et des intensités I faibles avec un rapport UA (en VIA) compris entre 10 et 1000 alors que ce rapport, pour un plasma d'arc, s'établit entre 0.01 et 1. Un rapport compris entre 1 et 10 représente souvent une caractéristique transitoire d'établissement ou de coupure d'un arc.
Dans le cas des 'arcs horn" comme dans le cas des actuels électro-brûleurs, la durée de vie des électrodes refroidies (respectivement en fonte et en cuivre) n'excéde que rarement 500 heures. En première approximation, on peut considérer que la durée de vie des électrodes est inversement proportionnelle à la valeur de i'intensité du courant d'arc; cependant, en obligeant le pied d'arc à se déplacer sur les électrodes on améliore considérablement la durée de vie de ces dernières. Dans le cas des arcs à forte intensité (torches), on utilise principalement des champs magnétiques pour remptir cet office.
Les arcs glissants bénéficient des avantages des 'arcs Horn" tout en offrant de nouvelles possibilités;
ainsi, ils permettent d'une part de multiples combinaisons de montage et d'autre part l'obtention de durées de vie des électrodes plus importantes.
~ G S des élcctro-brûlcurs à arcs glissants
-
Ils peuvent être alimentés aussi bien en courant redressé qu'en courant alternatif.-
Ils fonctionnent parfaitement dans tout gaz animé d'une vitesse d'écoulement supérieure à 10 m/s sans pratiquement g6nérer de perte de charge.-
La température initiale des gaz n'influence pas le fonctionnement seuls les aspects mécaniques sont affectés principalement au niveau du choix des matériaux.-
Ils fonctionnent indifféremment avec des mélanges oxydants, réducteurs ou réactifs.-
La présence de fines particules liquides ou solides dans i'écoulement n'influence pratiquement pas le fonctionnement.-
Ils fonctionnent soit en régime de décharge (qui facilite la réactivité chimique) soit en régime transitoire d'établissement du régime d'arc (pour les applications de chauffage) avec des tensions U moyennes de quelques kilovolts et un rapport U/I (en V/A)compris entre 4 et 100 en fonction de l'application souhaitée.-
Ils permettent d'obtenir, à la pression atmosphérique ou à des pressions plus élevées, des volumes de plasma (hors d'équilibre thermodynamique) très importants.-
Pour un débit donné de 1 Nm3/h, la puissance électrique dissipée peut aller de quelques W à quelques kW. Ces dernières valeurs sont comparables à celles des torches à plasma industrielles basse enthalpie mais ne présentent que peu d'intérêt pour les électro-brûleurs en raison des températures atteintes trop élevées.-
Comparativement aux autres générateurs de plasma d'arc, pour une puissance électrique dissipée donnée, les intensités sont beaucoup plus faibles et limitent ainsi l'érosion des électrodes.-
La vitesse de déplacement des pieds d'arcs, de quelque dizaines de mètres par seconde, favorise également l'accroissement de la durée de vie des électrodes.2.
P w p e d e base des électro-hr_ûlenrs- .
à arcselissants
Pour fonctionner, un dispositif à arcs glissants doit être conçu autour d'un écoulement de gaz animé d'une vitesse au moins égale à 10 mls. On considère que seule la zone centrale de l'écoulement à besoin d'être initialement animée de cette vitesse. Ce flux gazeux assure à lui seul l'intégralité des fonctions, souvent acquises à grand frais dans les autres dispositifs, de déplacement des pieds d'arc pour limiter l'usure des électrodes et d'allongement des colonnes d'arc pour accroître la tension et diminuer l'intensité. La turbulence de l'écoulement accentue également ce dernier point.
D'une manière générale l'écoulement est simple et axi-symétrique comme par exemple dans le cas d'une canalisation cylindrique, d'une tuyère ou d'une injection en jet libre. En fonction de leur nombre, les électrodes sont réparties autour de l'axe de l'écoulement. Le dessin des électrodes doit tenir
C5-60 COLLOQUE DE PHYSIQUE
compte de la nature de l'écoulement en évitant le décollement des filets de gaz le long du profil des électrodes; première approximation, un profil elliptique convient dans des cas (figure
Figure 2.
Profil des klectrodes. Electrod profil.Le choix du nombre d'électrodes est arbitraire mais ,dépend de l'alimentation électrique et de la puissance que l'on souhaite dissiper. Le fonctionnement en courant redressé présente de nombreux avantages au niveau des études en laboratoire et de la modélisation mais impose une dissymétrie des électrodes en raison des comportements différents des cathodes et anodes. De plus, pour une puissance donnée, il est préférable de multiplier le nombre des électrodes afin de limiter la valeur de l'intensité et améliorer la répartition de l'énergie. Dans ce cas, on peut facilement envisager de disposer des électrodes sur plusieurs niveaux le long de l'écoulement.
Le choix du matériau pour réaliser les électrodes est relativement aisé; nous utilisons d'une part des électrodes (parfois refroidies) en tube de cuivre standard et d'autre part des électrodes planes non refroidies usinées en acier doux.
La qualité essentielle de I'alimentation d'un dispositif à arcs glissants réside dans la possibilité de limiter I'intensité du courant d'arc à une valeur donnée. Cette valeur conditionne en effet le mode de fonctionnement : décharge ou régime d'arc transitoire. Une fois cette valeur déterminée, I'alimentation doit pouvoir délivrer une tension à vide importante (quelques kV) pour amorcer les décharges entre les électrodes et une tension nominale moyenne de fonctionnement qui doit s'établir (en fonction de la géométrie des électrodes, des paramètres de l'écoulement et de la valeur nominale de l'intensité) à une valeur la plus proche possible de la tension d'amorçage.
23 Mesure des
p u i s a x a
Les mesures de puissance sont effectuées à l'aide d'un oscilloscope numérique à quatre voies.
L'acquisition des tensions se fait par l'intermédiaire de sondes haute tension (coefficient de réduction 1:1000). La mesure des courants de ligne se fait à I'aide de sondes à effet Hall. Chaque enregistrement est caractérisé par 10240 points digitalisés en 256 niveaux "pieine échelle" (8 bits) pour chacune des voies utilisées. Les valeurs des tensions et courants ainsi obtenus sont transferées vers un ordinateur qui calcule les valeurs de la puissance instantanee et la puissance moyenne correspondant aux 10240 points de mesure.
Dans le cas de I'électro-brûleur triphasé, la puissance est obtenue suivant la méthode des deux wattmètres à partir de la mesure de deux courants de ligne et de deux tensions entre phase.
La première décharge s'établit à l'endroit ou la distance entre les électrodes est la plus faible ; le petit volume ionisé est aussitôt soufflé par le jet de gaz en évitant ainsi l'établissement immédiat du régime d'arc. Par ailleurs, les variations brutales d'intensité et les valeurs élevées du courant sont limitées par les caractéristiques du générateur.
Chassés par les gaz, les points d'accrochage de la colonne ionisée glissent le long des électrodes divergentes à une vitesse proche de celle du gaz au voisinage des électrodes. Les autres parties du volume ionisé évoluent en fonction de la vitesse et de la turbulence locale. Ainsi, la colonne d'arc s'allonge (en même temps que la tension entre ses extrémités augmente) sous l'effet de la vitesse de soufflage des gaz et de l'écartement des électrodes.
Deux cas peuvent se présenter :
-
La différence de potentielle délivrée par le générateur n'est plus suffisante pour entretenir la décharge qui se coupe. II s'ensuit une augmentation de la tension et un réamorçage de l'arc au point ou la distance entre les électrodes est la plus faible.-
La valeur de la tension de réamorçage correspondant à la distance inter électrode la plus faible est atteinte; L'arc est alors court circuité par un nouvel arc qui se développe normalement entre les électrodes.Dans tous les cas, il n'y a qu'un seul arc entre deux mêmes électrodes. Le processus est donc essentiellement discontinu. Cependant, dans les dispositifs polyphasés on constate l'existence de plusieurs décharges simultanées entre deux couples d'électrodes différents.
Malgré le volume ionisé relativement faible du canal d'arc, la propagation de la décharge entre les électrodes engendre un volume plasmagène important et très réactif caractérisé par la présence de nombreuses espèces excités ou radicalaires.
Diode de protection A l i m e n t a t i o n
haute tension
1
Alimentation dc puissance1
Figure 3.
Alimentation eiectrique redressée. DC eiectricai suppiy..
* --
II d i s r > o s i t i f n t é en caurant redressé
Ce dispositif expérimental, qui comporte deux électrodes alimentées en courant redressé, est utilisé en laboratoire pour étudier les contributions des différents paramètres de fonctionnement.
Ainsi l'alimentation électrique (figure 3) est constituée de deux modules connectés en parallèle aux bornes des deux électrodes. Le premier module délivre une faible puissance avec un courant limité à 1 A et une haute tension pouvant atteindre 5 kV qui sert à l'amorçage. Le second module (qui est protégé de la haute tension par une diode) délivre une puissance que l'on peut faire varier entre 1 kW et 30 kW en agissant sur les réglages de tension et de limitation de courant.
La figure 4 montre respectivement les courbes de tension aux bornes des deux électrodes et du courant ainsi que la courbe de puissance instantanée. La puissance moyenne s'établit à environ 9.5 kW pour un débi total de 120 Nm3Ih d'un mélange contenant un très large excès d'air dont 10 Nm3/h sont injectés à forte vitesse par une buse de diamètre 2 mm au centre de l'écoulement qui est canalisé par une conduite cylindrique de diamètre intérieur 85 mm et dans laquelle sont fixées les électrodes.
COLLOQUE DE PHYSIQUE
Tension
3000Voltage
500
V par division
O
Intensite
50Intensity
10 A
par division
OPuissance
Power
9.5 k W
O I I i
Figure 4. Exemple de coubes de tension, courant, et puissance. Les valeurs moyennes des tension et courant sont respectivement
480 V et 20 Apour une puissance d e i'ordre de
9.5 kW.C u ~ v e of voltage, intensity and power for mean value respectivly in order of
480V,
20 Aand
9.5 kW.Les caractéristiques d e courant et d e tension sont semblables
àcelles q u e l'on peut 0 b s e ~ e r d a n s
lec a s des disjoncteurs
[20].Figure 5. Tension en fonction du courant. Voltage as a fonction of intensity.
La figure
5montre le "nuage" d e points expérimentaux correspondant
àla caractéristique d e tension e n fonction d u courant et correspondant aux conditions d e la figure
4La figure
6montre les allures d e s courbes
decourant et tension aux bornes
desélectrodes pour tesquelles les réglages des générateurs électriques étaient identiques mais les débit d e gaz différents (respectivement
3et
10Nm3lh injectés
àforte vitesse par une b u s e centrale d e diamètre
4mm).
L'injection se
faite n jet libre d a n s l'air ambiant. Les différences
setraduisent principalement par une
variation d e la fréquence
àlaquelle se succèdent les arcs. La durée d e la mesure était
de 500ms.
Tension pour un débit d e 3 Nm3ih.
Voltage for a flow rate of 3 Nm3h
Courant pour un débit de 3 Nm3/h.
Intensity for a flow rate of 3 Nm3ih
Tension pour un débit de 10 Nm3/h.
Voltage for a flow rate of 10 Nm3h
Courant pour un dkbit de 10 Nm3h.
Intensity for a flow rate of 10 Nm3h
O
40 ~ b o 1510
2d0 2k0 3010350
4b0 4510 msFigure 6.
Influence du debit de gaz. Influence of flow rate of e s L E m p l c du_disgmulLm- . .
'phasc
La figure 7 présente les deux courants de ligne et les deux tensions entre phase ainsi que la courbe de puissance instantanée déduite de la méthode des deux wattmètres pour une durée de 100 ms.
Les relevés pnt été effectués dans un ouvreau sans recirculation avec (au niveau des électrodes) un taux d'aération primaire
n,
proche de 0.12 (mélange très riche à 47% deCH,)
pour un débit total de 55 Nllmn. L'énergie électrique spécifique apportée est de 3400 JINI. les tensions efficaces entre phases sont de l'ordre de 700 V et les courants efficaces de ligne sont de l'ordre de 2.7 A.l
Figure 7.
Caracteristiques e n triphasé correspondant à une puissance moyenne d e 2,2 kW Electrical caracteristics in a three phase electroburner wrresponding with a mean power of 2,2 kW.COLLOQUE DE PHYSIQUE
Les électro-brûleurs triphasés sont des dispositifs simples et économiques qui peuvent être utilisés dans de bonnes conditions pour assister électriquement les réactions de combustion. Nous disposons actuellement au laboratsire de plusieurs dispositifs dont les puissances électriques s'échelonnent entre 3 et 30 kW et il semble que rien ne s'oppose à la réalisation d'unités capables de dissiper 100 kW par paire d'électrode avec des durées de vie d'électrode très satisfaisantes. Nous avons en cours d'élaboration, une unité de 150 kVA alimentée en triphasé.
Ces générateurs de plasmas ont l'avantage d'accepter tous les mélanges gazeux, à toutes les températures et avec des débits importants ce qui devrait permettre d'envisager, de maniére particulièrement favorable, différentes applications industrielles dans les domaines de la combustion et de la chimie des plasmas.
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