Plasmatoortsverwarming

Hoe werkt een plasmatoorts?

Bij plasmatoortsverwarming wordt verwarmd met een zeer heet plasma. Een plasma is een geïoniseerd gas, een plasma bestaat uit positieve ionen en negatieve elektronen. Een plasma is daardoor elektrisch geleidend. Een plasma wordt wel de vierde toestand van de materie genoemd, naast de vaste, de vloeibare en de gasvormige toestand. Bij een plasmatoorts wordt de elektrische energie via een gasontlading overgedragen aan het plasma, dat op zijn beurt de energie weer overdraagt aan het te verwarmen product. De plasmatoorts levert een stroom zeer heet geïoniseerd gas op, met een hoge energiedichtheid, die toegepast wordt in verschillende industriesectoren in processen waar hoge temperaturen zijn vereist.


Installatie

De plasmatoorts bestaat uit twee elektroden, waartussen een hoge spanning wordt aangelegd. Tussen elektroden door wordt een gas geblazen.

De spanning tussen de elektroden is zo hoog, dat tussen de elektroden doorslag in het gas optreedt, het gas wordt in de boog geïoniseerd. Doordat het geïoniseerde gas elektrisch geleidend is wordt veel energie in het gas ontwikkeld. Het gas kan volledig of gedeeltelijk geïoniseerd zijn. In een volledig geïoniseerde plasma zijn alle aanwezige atomen of moleculen van het gas geïoniseerd. De temperatuur van een dergelijk plasma is hoog, ruim boven de tienduizenden graden Celsius. Plasma's die in industriële processen worden gebruikt zijn meestal gedeeltelijk geïoniseerd, dat wil zeggen; naast ionen en elektronen bestaat het gas uit atomen van de gedissocieerde gasmoleculen en uit moleculen van het gas zelf.

Doordat het gas tussen de elektroden wordt geblazen en daar ioniseert treedt een plasma met een hoge temperatuur naar buiten. Vormt het werkstuk een elektrode, meestal de positieve, van het hoogspanningssysteem, dan wordt gesproken van een overgedragen boog. Als het product, dat behandeld moet worden, geen deel uitmaakt van het elektrodensysteem, wordt gesproken van een niet-overgedragen boog. In het eerste geval komt een stroom gas versneld op het product; in het tweede geval komt een stroom gas uit de elektrode opening die op het product wordt gericht.

De plasmatoorts wordt gevoed via een wisselspannings- of een gelijkspanningsbron die aangesloten wordt op de elektroden. Gelijkspanning wordt het meest toegepast. Er is een grote variëteit aan elektrodevormen mogelijk. Twee hoofdvormen worden onderscheiden, namelijk plasmatoortsen met een massieve elektrode, zoals in bovenstaande figuur gegeven, en toortsen met een holle elektrode. Als elektrodemateriaal wordt onder andere gebruik gemaakt van koperlegeringen, van wolfram en in mindere mate van staal en grafiet. Al naar gelang de toepassing, worden verschillende gassen gebruikt als energieoverdrachtsmedium zoals lucht, zuurstof, stikstof, koolmonoxide, argon, methaan en helium. Gasmengsels worden ook toegepast als overdrachtsmedium. Het vermogen van de toorts kan zowel via de stroomsterkte als via gaskoeling en/of de gasdruk snel, en op elk moment, goed worden geregeld.

Met de plasmatoorts kunnen zeer hoge temperaturen, tot 20.000 oC, worden bereikt. Veel industriële toepassingen gebruiken plasmatoortsen bij temperaturen van rond de 12.000 oC. De plasmatoorts wordt toegepast bij verschillende drukken. Deze kunnen uiteenlopen van laag vacuüm tot 20 atmosfeer al naar gelang de aard van de toepassing. Installaties met een vermogen tot 20 MW worden gebruikt voor de diverse toepassingen. Dank zij het feit dat de hoge energiedichtheden elektrisch worden opgewekt en gezien het ontbreken van thermische traagheid in het opwekkingsproces, zijn plasmatoortsprocessen uitstekend regelbaar. In tegenstelling tot warmte opgewekt uit fossiele brandstoffen, gaat er, bij de omzetting van elektriciteit in warmte, geen energie met uitlaatgassen verloren. Het rendement is daardoor relatief hoog, ook bij temperaturen die met fossiele brandstoffen net haalbaar zijn. Bij fossiele brandstoffen is de temperatuur beperkt tot circa 2000 oC. Bij 1600 oC is slechts 20% van de fossiele energie beschikbaar voor verwarming, bij de plasmatoorts is dit ruim 80% van de elektrische energie. Gerekend met een omzettingsrendement van 40% voor het omzetten van primaire energie in elektriciteit betekent dit dat 32% van de primaire energie hier beschikbaar is. Het elektrische proces verbuikt dus aanzienlijk minder energie dan het proces met fossiele brandstoffen. Dit verschil loopt op als rekening wordt gehouden met het feit dat de totale brandstofinzet voor de productie van elektriciteit aanzienlijk lager ligt dan met een rendement van 40% bepaald. Dit komt omdat ongeveer de helft van de Nederlandse centrales ook warmte leveren en dat een deel van de elektriciteit uit hernieuwbare bronnen komt. Beide verlagen de brandstofinzet voor de productie van elektriciteit.


Voor- en nadelen

Voor- en nadelen van plasmatoorts verwarmen
Voordelen Nadelen
hoge energiedichtheden mogelijk tot 105 kW/m3 hoge investeringskosten
hoge temperatuuren mogelijk tot 20.000 oC relatief hoge bedrijfskosten
hoog vermogen tot 20 MW hoge onderhoudskosten
snelle opwarming van producten  
goed regelbaar, korte opstarttijden  
gasatmosfeer kan aangepast worden aan het te verwarmen product  
schone verwerking van materialen  


Toepassingen

De plasmatoorts wordt in verschillende industrietakken toegepast, In de staalindustrie voor de productie van ijzer en ijzerlegeringen en voor terugwinnen van metalen uit metaalafval. Daarnaast wordt de toorts ook toegepast voor het lassen en het snijden van metalen. De hoge temperatuur en de mogelijkheid om verschillende gassen te gebruiken leiden ook tot processen in de chemische industrie onder andere voor de productie van titanium dioxide, acetyleen, hydrazine, stikstofoxiden, keramische materialen en organische metaalverbindingen. De plasmatoorts wordt ook gebruikt om chemisch afval, zoals bijvoorbeeld gechloreerde koolwaterstoffen (PCB's), vernietigen. Daarnaast wordt de plasmatoorts gebruikt om asbestafval onschadelijk te maken en om ziekenhuisafval te vernietigen. Als laatste wordt de plamatoorts ook gebruikt voor het coaten van producten. Door het aanbrengen van een oppervlaktelaag van een materiaal met hoogwaardige eigenschappen worden laagwaardige materialen van bijzondere eigenschappen worden voorzien of wordt de levensduur van het materiaal verlengd.

Toepassingen van de plasmatoorts
Industriesector Processen met een plasmatoorts
Metaalindustrie productie van ijzer en ijzerlegeringen als ijzerchroom, ijzermangaan en ijzersilicium
Metaalindustrie productie van ijzer en staal uit schroot
Metaalindustrie terugwinnen van zink, lood, chroom, nikkel, platina en molybdeen uit metaalafval
Metaalindustrie lassen van 'moeilijke' metalen als chroomnikkelstaal, roestvrijstaal en titanium
Metaalindustrie snijden van metalen
Chemische industrie productie van titanium dioxide, acetyleen, hydrazine, stikstofoxiden, keramische materialen en organische metaalverbindingen
Afvalverwerking vernietigen van chemisch afval; bijvoorbeeld gechloreerde koolwaterstoffen (PCB's), fenolen, cyaniden en verontreinigde grond
Afvalverwerking onschadelijk maken van asbestvezels en asbest geschikt maken voor hergebruik
Diverse industrietakken coaten van materialen in de luchtvaart-, ruimtevaart-, elektronica, energie- en automobielindustrie
Medische sector vernietigen van ziekenhuisafval