Vývoj probíhal v rámci projektu TK05020042 – „Vývoj plazmového hořáku pro termochemickou konverzi vstupních materiálů na plyn s vysokou koncentrací vodíku“. Výzkumná skupina Termochemické a vodíkové konverze během projektu nenavrhla pouze samotné hořáky, ale také jejich napájení, chlazení, rozvody provozních médií a průmyslový systém měření a řízení. Výsledkem je ucelená technologie, kterou lze začlenit do experimentálních zařízení i budoucích průmyslových linek.
Dva výkony pro rozdílné podmínky
Plazmový hořák, označovaný také jako plazmatron, vytváří pomocí elektrické energie vysokoenergetické plazmové prostředí. To umožňuje dodat do procesu energii potřebnou pro termochemický rozklad vstupních materiálů a jejich přeměnu na syntézní plyn.
Vyvinuté hořáky se liší nejen výkonem, ale také předpokládaným způsobem využití. Plazmatron o jmenovitém výkonu 50 kW je konstruován zejména pro výzkumné a experimentální jednotky, jelikož jeho provoz lze přizpůsobovat podmínkám experimentu, včetně rychlých změn a modulace výkonu.
Výkonnější plazmatron o jmenovitém výkonu 100 kW je určen především pro dlouhodobý provoz v průmyslových technologiích. Jeho konstrukce zohledňuje požadavky na stabilitu, spolehlivost a kontinuální provoz.
Vývoj se neomezil na samotný hořák
Jedním z hlavních témat projektu byla provozní stabilita zařízení a životnost elektrod, které jsou vystaveny vysokému tepelnému a elektrickému namáhání. Tým se zabýval také energetickou bilancí, řízením výkonu, volbou plazmatvorného plynu a možnostmi integrace hořáků do reálných technologií.
Důležitou součástí vývoje byly numerické simulace založené na metodě konečných prvků, známé pod zkratkou FEM. Pomocí nich bylo možné analyzovat elektromagnetické pole uvnitř plazmatronu a modelovat proudění plazmatvorného plynu. Simulace poskytly informace o rozložení teploty, chování plynu uvnitř zařízení i předpokládaném tvaru plazmové pochodně vystupující z hořáku.
Výpočty tak doplnily konstrukční práce a experimentální zkoušky obou zařízení.
Argon, dusík i vodní pára
Nové hořáky mohou pracovat s několika druhy plazmatvorných plynů, například s argonem, dusíkem nebo vodní párou. Volba provozního média umožňuje přizpůsobit vlastnosti plazmatu konkrétnímu procesu a požadovanému složení výsledného plynu.
Zvláštní význam má využití vodní páry. Ta vstupuje do chemických reakcí probíhajících během termochemické konverze a může přispívat ke zvýšení množství i podílu vodíku ve výsledném syntézním plynu. Tento princip potvrzují také odborné studie zaměřené na plazmové zplyňování, podle nichž je přívod vodní páry jedním z významných parametrů ovlivňujících produkci plynu bohatého na vodík.
Syntézní plyn je směsí tvořenou především vodíkem a oxidem uhelnatým. Podle jeho složení jej lze dále energeticky využít nebo zpracovávat jako surovinu pro navazující chemické a palivové procesy.
„Výzkum v oblasti plazmových technologií je perspektivní zejména díky možnosti transformovat vybrané druhy odpadních materiálů na syntézní plyn, který lze dále materiálově nebo energeticky využít. Tato technologie tak může přispět nejen k rozvoji energetiky, ale také ke snižování environmentální zátěže, například prostřednictvím bezpečného odstranění nebezpečných odpadů,“ uvedl Jan Najser, vedoucí výzkumné skupiny Termochemická a vodíková konverze.
Kompletní zařízení řízené průmyslovými automaty
Součástí výsledného řešení nejsou pouze dva plazmové hořáky. Výzkumníci vyvinuli také výkonové napájecí systémy, rozvody jednotlivých provozních médií, chladicí okruhy a potřebnou měřicí techniku.
Řízení technologie je založeno na průmyslových programovatelných automatech PLC. Ty umožňují sledovat provozní parametry zařízení, řídit jeho výkon a reagovat na změny během procesu. Právě propojení plazmatronu s napájením, chlazením, distribucí médií a automatizovaným řízením je nezbytným předpokladem pro jeho praktické nasazení.
Projekt vznikal ve spolupráci s průmyslovým partnerem, díky čemuž bylo možné při vývoji zohlednit nejen výzkumné cíle, ale také požadavky budoucího provozu.
Uplatnění v energetice i cirkulární ekonomice
Vyvinuté plazmatrony mohou najít uplatnění například v technologiích zaměřených na zpracování materiálů, které je obtížné využít běžnými postupy, nebo v procesech vyžadujících dosažení vysokých teplot. Pro praktické nasazení plazmové technologie je následně nutné optimalizovat proces s ohledem na konkrétní aplikaci.
Plazmové procesy mohou v budoucnu přispět k propojení energetiky, materiálového využití surovin a principů cirkulární ekonomiky. Nejde přitom pouze o výrobu energie. Syntézní plyn může sloužit také jako výchozí surovina pro další průmyslové procesy.
Projekt současně posílil odborné a technologické kompetence výzkumných pracovišť v oblasti konstrukce vysoce specializovaných zařízení, termochemických a vodíkových konverzí, decentralizované energetiky a nízkoemisních průmyslových technologií.