Aplicações de Plasmas em Sistemas Energéticos

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE AERONÁUTICA LPP- Laboratório de Plasmas e Processos Aplicações de Plasmas em Sistemas Energéticos Dr. Homero Santiago Maciel III EVFITA E-mail: homero@ita.br

Roteiro Conceitos Ilustrações (plasma na natureza e laboratórios) Fundamentos Geração de Plasmas por descargas Elétricas - Descargas Normais - Descargas Coronas Classificação de Plasmas Plasmas gerados em pressão atmosférica Processo Assistidos por Plasmas em Sistemas de Geração de Energia - Gaseificação - Plasma e Combustão Perspectivas de tecnologias de Plasma para Combustão - Ignitores a Plasma - Injetores a Plasma

O que é Plasma? Plasma = gás quaseneutro de partículas carregadas Plasma ( - moldable substance, jelly ) é um gás parcialmente ou totalmente ionizado no qual as densidades de cargas positivas e negativas são praticamente iguais. Palavra plasma foi introduzida em 1923 por Langmuir e Tonks quando estudaram os parâmetros de plasma de baixa temperatura ocorrida durante descarga em gás.

O que é Plasma?

Plasma na natureza Cold plasma: the Aurora Borealis Gaseous nebulae Comet tails are dusty plasmas Most of the sun is in a plasma state, especially the corona Plasmas at the birth of stars The earth flows through the magnetized interplanetary plasma created by the solar wind Spiral galaxies

Plasma na natureza Solar Wind The solar wind consists of plasma that is continually being released from the Sun.

Aurora: Points of View View From Earth View From Space

PLASMA DE DESCARGAS ELÉTRICAS Tokamak gerador de energia para o futuro

Tocha de Plasma Westinghouse

Gliding Arc Plasma Tornado

A multiplicação de elétrons Fonte de tensão Descargas Townsend ocorrem quando o campo elétrico e a pressão do gás permite aos elétrons livres ganharem uma energia maior que a energia de ionização entre duas colisões subseqüentes. Íons Elétrons Átomos Os elétrons ganham energia suficiente para ionizar e gerar novos elétrons que também ionizam as partículas do gás, realimentando o ciclo, e gerando um processo de Avalanche de elétrons. A corrente de descarga resultante cresce exponencialmente com d se a tensão é aumentada proporcionalmente.

A multiplicação de elétrons Fonte de tensão n e ( x) n (0) exp[ x] e onde α representa o número de eventos ionizantes por unidade de comprimento. APexp BP E Íons Elétrons Átomos depende da pressão (P) e do tipo de gás (coeficientes A e B).

A multiplicação de elétrons + Fonte de tensão - Geração de elétrons secundários γ representa o número de elétrons secundários emitidos do catodo pelo impacto de íons. Átomos d ln 1 1 Íons Elétrons depende do material do eletrodo e do tipo de gás.

Tensão de ruptura (V) A Tensão de Ruptura (Lei de Paschen) 10 4 A tensão em que um gás em baixa pressão rompe, depende somente do produto P.d. 10 3 10 2 10-1 10 0 10 1 10 2 10 3 P.d (torr.cm) A tensão mínima de ruptura e correspondente P.d depende do gás e do coeficiente de emissão de elétrons secundário (γ) do material do catodo. V b ln ( V b ) min ( P. d) min Bpd Apd ln(1 1/ e B A e A ln ln 1 1 ) 1 1

I. Introduction DC-Corona Discharges and Electrostatic Precipitation + Positive Corona - Negative Corona Ionization region Needle e- + + Needle + e- e- e- N - e- Electron N Gas molecule - Negative ion + Positive ion Drift region N + + Particles (dusts) N e- - - - N Corona wind Grounded Electrode Positive ions are directly created in the ionisation region (ions act like an extension of the active electrode) Negative ions are created in ionisation and drift regions

Plasma não-térmico: (Te >>Tg): Temperatura no Plasma Plasma térmico (Te Tg): chama aplicada sobre refratário

PARÂMETROS TÍPICOS DE PLASMAS GERADOS DE DESCARGAS ELÉTRICAS Parâmetros Descarga luminescente Descarga de barreira dielétrica Gliding arc Tocha de plasma térmico Pressão < 10 mbar 1 bar 1 bar > 1 bar Energia dos elétrons < 5 ev 5.000-20.000 K 1-10 ev 1-10 ev 1-3 ev Densidade de elétrons cm -3 10 8 10 11 10 11-10 12 < 10 13 10 15-10 16 Temperatura do gás (K) 300-600 300-600 300-2000 3000-10000 Tensão 400 900 V <10 kv <10 kv 100-500 V Corrente A < 1 A < 0,3 A < 1A (100 500) A Fotos(LPP ITA) do

Log pressure (torr) Types of plasma processes for different ranges of gas pressure +3 +2 0-1 atmosphere Chemistry Thermal Processes Plasma Deposition Plasma Polymerization Chemical Etching Plasma Sintering Plasma Spray TPCVD Plasma Metallurgy -2-3 -4 Ion-assisted damage etching Inhibitor Ion-enhanced etching Sputter Etching Plasma Source Ion Implantation Physical to Chemical to Thermal

Plasmas gerados em pressão atmosférica Tocha de Plasma Térmico GÁS PARTIDA Rf ISOLANTE CATODO 15.000 0 C BOBINA ANODO

Tocha de arco não transferido.

Tocha de arco não transferido.

Tocha de arco não transferído 50 kw Unicamp, LPI/IFGW ITA/CTA

Classificação de tochas de plasma COMBUSTÃO PLASMA CombustívelOxigênio(ar) Gásde plasma Gásde plasma Gás de plasma (-) (-) T = ~ 2000 K (máx.) Chama (CO2, H2O, N2, O2) Arcode plasma Chama (Ar, N2) (+) ARCO NÃO-TRANSFERIDO ANT Arcode plasma Trabalho (Ar, N2) (+) ARCO TRANSFERIDO AT Chama RADIO FREQÜÊNCIA T = 3000 ~ 15000 K

Tecnologia de plasmas térmicos: Plasma Spray Powder Feed Substrate Plasma Flame 1. Powder melts in Plasma Flame 2. Molten droplets are accelerated towards substrate 3. Droplets solidify on substrate 4. A new layer of molten droplets solidifies

Reentrada atmosférica Pesquisar e desenvolver métodos de testar materiais utilizados como escudos de proteção térmica de artefatos espaciais recuperáveis

Sistemas de recuperação de satélites

Apollo 8 capsule photographed during re-entry

NASA image of the Genesis sample return capsule on September 8, 2004, buried halfway in the Utah desert where it crashed as it returned from a mission to the Sun. Uncontrolled reentry

Galileo probe heat shield ablation fluxo térmico: ~ 35 KW/cm2 Carbon phenolic material Galileo Probe during final assembly

Satélite Recuperável Atmosférico Condições de reentrada

Parâmetros de reentrada e materiais utilizados em sistemas de proteção térmica fluxo térmico: ~ 2,5 MW/m 2 (máx.) temperatura externa: -30...+2400 o C temperatura interna: 90 o C (máx.) T ~ 2400 o C T ~ 1500 o C T ~ 250 o C T ~ 1000 o C

Métodos utilizados cálculo numérico Desenvolvimento de um sistema de proteção térmica menor custo (requer validação) simulação em laboratório custo intermediário (problema de escala)-túnel de plasma ensaio em vôo ($20.000/kg) maior confiabilidade 3 métodos são complementares

reentrada Simulação em laboratório com o uso de tochas de plasma

Túnel de plasma do ITA

Túnel de plasma para simulação de condições de re-entrada Jatos de plasma subsonicos/supersonicos. Pesquisar e desenvolver métodos de testar materiais para escudos de proteção térmica durante a reentrada atmosférica.

Túnel de plasma do ITA Jato de plasma supersônico

Gas Temperature (ºC) Gas Temperature X Electron Temperature 100000 10000 1000 100 arc Dielectric barrier Plasma jet corona Low pressure 10 0 2 4 6 8 10 Electron Temperature (ev) Low-pressure Arc and plasma discharge 10 torch 10 Arc and plasma 10 15 torch Corona 10 Corona 10 Dielectric Dielectric barrier barrier 10 10 Plasma jet discharge Plasma jet Comparison of the gas and electron temperatures for different atmospheric-pressure plasmas versus low-pressure plasmas. Densities of charge species Densities in the of plasma Oxygen discharges species in the plasma discharge Source Plasma Source Plasma density density (cm (cm -3-3 )) Low-pressure 10 8-10 13 discharge O +, O 2+, O- O O 3 10 12 10 16-10 19 <10 10 10 14 10 15 <10 16 10 9-10 13 10 12 10 12 10 12-10 15 10 16 10 11-10 12 10 18 10 18 10 16 < >

Gaseificação assistida a PLASMA Aumenta a dissociação molecular do gás, permitindo um melhor aproveitamento do processo de gaseificação de materiais carbonosos. tocha de plasma gaseificador

Gaseificação assistida a PLASMA Ar comprimido Vapor de água Vapor de etanol Carvão Fonte de Potência Gerador de plasma Câmara de decomposição Sistema de tratamento de gases Gaseificador cinzas Ar pré-aquecido Gás de síntese limpo Sistema de gaseificação de carvão mineral em duas etapas

Gaseificação assistida a PLASMA 5 Oxygen Extreme Conditions: Up to 70 atm or more Nominal 1500 C Corrosive slag and H 2 S gas Coal/Coke Slurry Products (syngas): CO (Carbon Monoxide) H 2 (Hydrogen) [CO/H 2 ratio can be adjusted] By-products: H 2 S (Hydrogen Sulfide) CO 2 (Carbon Dioxide) Slag (Minerals from coal)

15 Air Separation Unit Coal + H2O Slurry O2 Low Temp Gas Cooling Shift Rx (option) Hg Removal Acid Gas Removal CO2 Flexibility for CO2 Sequestration (Concentrated Stream) CO/H2 Particulate Scrubber Sulfur Recovery Claus/Scot Sulfur Texaco "Quench" Gasifier Fines/Char HRSG CO2 Steam Turbine Electricity Air Slag/Frit PRE-COMBUSTION Treatment of Pollutants High pressure Low Volume Concentrated stream (easier to treat) Combustion Turbine Compressed Air to ASU Electricity

Síntese do estado da arte das tecnologias de combustão do carvão mineral

Rate constant for reactions responsible for autoignition, and for dissociation by electron impact at electric field values equal to 100 Td and 200Td (horizontal lines)

Gaseificação de carvão mineral assistida a plasma térmico Composição do gás de síntese Composição do carvão mineral Gaseificador a plasma Vapor Tratamento de gases Produto final

Thermal Plasma Reactor Rectifier Cooling tower TORCH Waste feed 50% N 2 20000 0 C GAS 20% H 2 30% CO Melted slag Contaminated soils Solid and liquid organic wastes Ash Hazardous metal wastes Industrial wastes Hospital wastes

Gliding Arc Plasma Tornado Combustão Assistida por Fonte de Plasma Plataforma experimental para produção de gás de síntese consistindo de unidade laboratorial no ITA, com instrumentos de leitura para estudos/otimização de parâmetros e consolidação de equipe.

Gaseificação de carvão mineral assistida a plasma Espécies iniciais do plasma Cavidade catódica (câmara de decomposição) Jato de plasma gaseificador espectrômetro Vapor d água M: moléculas Voláteis/carvão

Pressão Parcial (Torr) Pressão Parcial (Torr) Pressão Parcial (Torr) 10-4 10-5 Inicia Gaseificação Carvão - 530ºC P=3mBar N 2 CO Gaseificação de carvão mineral assistida a plasma 10-6 10-7 H 2 O CH 4 N H 2 O CN NO O 2 CO 2 Espécies iniciais do plasma C 0 10 20 30 40 50 m/z (uma) Jato de plasma gaseificador espectrômetro 10-4 10-5 Carvão - 462ºC P=3mBar N 2 CO O 2 10-4 10-5 Gaseificação + PLASMA H 2 N 2 Carvão + Plasma - 565ºC CO O CH 4 CN atenção P=3mBar 10-6 10-7 H H 2 N O H O 2 CO 2 10-6 10-7 H 3 CH C C 2 NO O 2 CO 2 0 10 20 30 40 50 m/z (uma) 0 10 20 30 40 50 m/z (uma) M: moléculas

Intensidade (u.a.) Sinal H 2 aumenta 2 ordens de grandeza Gaseificação de carvão mineral assistida a plasma 1 H 2 0,1 inicia Plasma 0,01 sem Plasma 460 480 500 520 540 560 580 Temp. Gaseificação (ºC) Gaseificação

Gaseificação de carvão mineral assistida a plasma

Gaseificação de carvão mineral assistida a plasma

% no gás medido Gaseificação de carvão mineral assistida a plasma modo normal de operação 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 plasma ligado 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Tempo (min.) plasma desligado H 2 H 2 O CO O 2 CO 2 Variação temporal das espécies H 2, H 2 O, CO, O 2 e CO 2.

Tocha de plasma por microondas.

Reformador a plasma por microondas do LPP do ITA

Combustão Assistida por Plasma Plasma térmico Aquecimento local, dissociação, propagação em cadeia de reações químicas e desenvolvimento da ignição Plasma não-térmico - Mecanismo de aporte de energia veiculada essencialmente por elétrons livres acelerados pelo campo elétrico da descarga: coronas dc, coronas pulsadas, microondas, centelhas transitórias, micro descargas em DBD, descargas ultra-curtas (ns) - Geração de elétrons energéticos, indução de seletividade de reações cinéticas favorecendo seletivamente a dissociação e geração de radicais/espécies excitadas sem custo do aumento de temperatura do gás - Química iônica e de espécies excitadas - Importante em misturas pobres, aplicações supersônicas Desafios - Qual a melhor estrutura de descarga elétrica? - Quais dados experimentais a serem monitorados de forma a confirmar inequivocamente a eficácia do plasma para o processo de combustão? - Quais os mecanismos de cinética de reações? (modelagem, simulação, teoria experimentos). - Taxas de reação envolvendo espécies excitadas?

Extension of explosion limits of H 2 :O 2 mixture under the action of a discharge

Rate constant for reactions responsible for autoignition, and for dissociation by electron impact at electric field values equal to 100 Td and 200Td (horizontal lines)

Measured ignition delay time upon gas temperature. Mixture H 2 :O 2 :N 2 :Ar = 6:3:11:80, 1 autoignition and 2 ignition by nansecond discharge. U = 160kV From J. Phys. D: Appl. Phys. 39 (2006) pp. 265-299 Ignition delay time versus temperature. Mixture CH 4 :O 2 :N 2 :Ar = 1:4:15:80. Symbols: 1 2 atm, autoignition; 2 2 atm, ignition with discharge; 3 0.5 atm, ignition with discharge; dashed line 0.5 atm, autoignition (calculated) and 4 2 atm, autoignition (calculated).

Plasma assisted combustion

Turbina para geração de energia

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