Термодинамическая оценка параметров систем C–H–O–N–Me как имитаторов рабочей среды в новых процессах газотермического напыления и сфероидизации порошков

В последнее время ведется разработка группы новых технологий высокотемпературного, в том числе плазменного электродугового, напыления (при атмосферном давлении) и сфероидизации некоторых керамических и металлических порошковых материалов как с использованием углеводородных газов в качестве теплоносителей, так и с внесением в высокотемпературную струю органических добавок (в частности, полимерных) для регулирования пористости напыляемых металлических покрытий. В статье рассмотрена возможность модификации процессов данной группы за счет ввода твердотопливных добавок полимерного типа в рабочую среду аппарата для газотермической (плазменной или другой) обработки, обеспечивающей плавление металлических или оксидных порошков. Для этого с помощью термодинамического анализа проведена оценка процессов при температурах (300–3000) К для набора реагирующих пятикомпонентных систем типа C–H–O–N–Me (при давлении 0,101 МПа) с пятью вариантами Ме – алюминий, титан, хром, медь, никель. Это позволяет рассматривать данные системы как имитаторы для потенциальных технологий обработки как оксидных (Al₂O₃, TiO₂, Cr₂O₃), так и металлических (Cu, Ni и их сплавы) порошков. С целью получения высокого экзотермического вклада в нагрев порошков в качестве смесевого теплоносителя для базового варианта моделируемого процесса выбрано сочетание «воздух + полимерная добавка (полиэтилен марки LDPE)». В ходе анализа равновесий в рассмотренных многокомпонентных системах (17 вариантов) для характеристики энергоемкости целевого процесса нагрева порошков использовали набор параметров: фактор эквивалентности реакционной смеси и ее адиабатическую температуру, энергетический КПД нагрева материала с учетом и без учета вклада топливной добавки, удельные энергозатраты на плавление порошка, степень автотермичности процесса при комбинированном нагреве (электротермическое нагревание через дугу плазмотрона и тепловыделение от смеси «воздух + твердотопливная добавка») тугоплавких порошков. В результате проведенной оценки найдены предпочтительные (с термодинамических позиций) режимы рассмотренных процессов и показана возможность реализации энергоэффективного нагрева данных оксидных и металлических материалов (без окисления последних до CuO_x, NiO) с пониженной долей электрического канала энергопереноса за счет существенного вклада топливного механизма нагрева в C–H–O–N–Me-системах.

1. Yugeswaran S., Amarnath P., Ananthapadmanabhan P.V., Pershin L., Mostaghimi J., Chandra S., Coyle T. W. (2021) Thermal Conductivity and Oxidation Behavior of Porous Inconel 625 Coating Interface Prepared by Dual-Injection Plasma Spraying. Surface and Coating Technology, 411, 126990. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2021.126990

2. Pershin L., Mitrasinovic A., Mostaghimi J. (2013) Treatment of Refractory Powders by a Novel, High Enthalpy DC Plasma. Journal of Physics D: Applied Physics, 46 (22), 224019. https://doi.org/ 10.1088/0022-3727/46/22/224019

3. Salimijazi H. R., Ghasemi R., Mostaghimi J., Pershin L. (2016) Characterization of YSZ Coatings Deposited by Conventional DC and CO2/CH4 Torches. International Thermal Spray Conference (ITSC 2016) Proceedings, 2, 613-616.

4. Mostaghimi J., Pershin L., Salimijazi H., Nejad M., Ringuette M. (2021) Thermal Spray Copper Alloy Coatings as Potent Biocidal and Virucidal Surfaces. Journal of Thermal Spray Technology, 30 (1-2), 1–15. https://doi.org/10.1007/s11666-021-01161-7

5. Sharifahmadian O., Salimijazi H. R., Fathi M.H., Mostaghimi J., Pershin L. (2013) Relationship between Surface Properties and Antibacterial Behavior of Wire Arc Spray Copper Coatings. Surface and Coating Technology,. 233, 74–79. https://doi.org/10.1016/j. surfcoat.2013.01.060

6. Wrona A., Bilewska K., Lis M., Kamińska M., Olszewski T., Pajzderski P., Więcław G., Jaśkiewicz M., Kamysz W. (2017) Antimicrobial Properties of Protective Coatings Produced by Plasma. Surface and Coating Technology, 318, 332–340. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2017.01.101

7. Mitrasinovic A., Pershin L., Wen J. Z., Mostaghimi J. (2011) Recovery of Cu and Valuable Metals from E-Waste Using Thermal Plasma Treatment. JOM: the journal of the Minerals, Metals & Materials Society, 63 (8), 24–28. https://doi.org/10.1007/s11837-011-0132-0

8. Borrell A., Carpio P., Salvador M. D., Mataix D. B., Carnicer V., Orts M. J. (2021) Modification of the Properties of Al2O3/TZ-3YS Thermal Barrier Coating by the Addition of Silicon Carbide Particles and Fructose. Coatings, 11 (4), 387. https://doi.org/10.3390/coatings11040387

9. Kornienko E. E., Mul’ D. O., Rubtsova O. A., Vaschenko S. P., Kuzmin V. I., Gulyaev I. P., Sergachev D. V. (2016) Effect of Plasma Spraying Regimes on Structure and Properties of Ni3Al Coatings. Thermophysics and Aeromechanics, 23 (6), 919-928. https://doi.org/10.1134/S0869864316060147

10. Kuzmin V., Gulyaev I., Sergachev D., Vaschenko S., Kornienko E., Tokarev A. (2017) Equipment and Technologies of Air-Plasma Spraying of Functional Coatings. MATEC Web of Conferences, 129, 01052. https://doi.org/10.1051/matecconf/201712901052.

11. Bielyi A. V., Kalinitchenko A. S., Kukareko V. A., Devoino O. G. (2017) Surface engineering of structural materials with using of plasma and beam technologies. Minsk, Belorusskaya nauka Publ. 457 (in Russian).

12. Lee H., Ramachandran C. S., Pala Z., Sampath S. (2018) Optimizing Thermoelectric Properties of In Situ Plasma-Spray-Synthesized Sub-stoichiometric TiO2-x Deposits. Journal of Thermal Spray Technology, 27 (6), 968-982. https://doi.org/10.1007/s11666-018-0731-1

13. Gorokhovski M., Karpenko E. I., Lockwood F. C., Messerle V. E., Trusov B. G., Ustimenko A. B. (2005) Plasma Technologies for Solid Fuels: Experiment and Theory. Journal of the Energy Institute, 78 (4), 157–171. https://doi.org/10.1179/174602205x68261

14. Barbin N. M., Terentiev D. I., Alexeev S. G., Barbina T. M. (2015) Thermodynamic Analysis of Radionuclides Be Behaviour in Products of Vapour Phase Hydrothermal Oxidation of Radioactive Graphite. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, 307 (2), 1459–1470. https://doi.org/10.1007/s10967-015-4587-2

15. Marquesi A. R., Filho G. P., Gorbunov A. V., Halinouski A. A., Essiptchouk A. M., Sismanoglu B. N. (2015) Theoretical Assessment of Plasma Gasification Process of Low Grade Coal and Biomass Feedstock. Advances in Chemistry Research. Vol. 26, Chapter: 4. Nova Science Publishers, 57-76. https://doi.org/10.13140/RG.2.1.2567.4481

16. Carpinlioglu M. O., Sanlisoy A. (2018) Performance Assessment of Plasma Gasification for Waste to Energy Conversion: a Methodology for Thermodynamic Analysis. International Journal of Hydrogen Energy, 43 (25), 11493-11504. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.08.147

17. Mourao R., Marquesi A. R., Gorbunov A. V., Filho G. P., Halinouski A. A., Otani C. (2015) Thermochemical Assessment of Gasification Process Efficiency of Biofuels Industry Waste with Different Plasma Oxidants. IEEE Transactions on Plasma Science, 43 (10), 3760–3767. https://doi.org/10.1109/TPS.2015.2416129

18. Mountouris A., Voutsas E., Tassios D. (2006) Solid Waste Plasma Gasification: Equilibrium Model Development and Exergy Analysis. Energy Conversion and Management, 47 (13–14), 1723–1737. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2005.10.015.

19. Bublievsky A.F., Sagas J. C., Gorbunov A. V., Maciel H. S., Bublievsky D. A., Filho G. P., Lacava P. T., Halinouski A. A., Testoni G. E. (2015) Similarity Relations of Power-Voltage Characteristics for Tornado Gliding Arc in Plasma-Assisted Combustion Processes. IEEE Transactions on Plasma Science, 43 (5), 1742–1746. https://doi. org/10.1109/TPS.2015.2419822

20. Matveev I. B., Messerle V. E., Ustimenko A. B. (2009) Plasma Gasification of Coal in Different Oxidants. IEEE Transactions on Plasma Science, 36 (6), 2947–2954. https://doi.org/10.1109/TPS.2008.2007643

21. Engel’sht V. S., Balan R. K. (2011) Chemical Thermodynamics of the Vapor-Oxygen Gasification of Graphite. High Temperature, 49 (5), 736–743. https://doi.org/10.1134/S0018151X11050063.

22. Zhukov M. F., Zasypkin I. M. (2007) Thermal Plasma Torches: Design, Characteristics and Applications. UK, Cambridge: Cambridge International Science Publishing. 596.

23. Oh S. Y., Yun S., Kim J. K. (2018) Process Integration and Design for Maximizing Energy Efficiency of a Coal Fired Power Plant Integrated with Amine-based CO2 Capture Process. Applied Energy, 216, 311–322. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2018.02.100.

24. NIST Chemistry WebBook. Available at: https://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=C74828&Units=SI&Mask=1#Thermo-Gas).

25. Zhou T., Francois B. (2009) Modeling and Control Design of Hydrogen Production Process for an Active Hydrogen/Wind Hybrid Power System. International Journal of Hydrogen Energy, 34 (1), 21–30. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2008.10.030

26. Wastes of manufacturing of polyethylene products. Available at: https://www.wastecation.ru/code/33521000000 (in Russian).

27. Tsiamis D. A., Castaldi M. J. (2016) The Effects of Non-Recycled Plastics (NRP) on Gasification: A Quantitative Assessment. Technical report. Earth Engineering Center, City College, City University of New York, NY. 42.

28. Walters R. N., Hackett S. M., Lyon R. E. (2000) Heats of Combustion of High Temperature Polymers. Fire and Materials, 24 (5), 245-252. https://doi.org/10.1002/1099-1018(200009/10)24:5<245::aid-fam744>3.0.co;2-7

29. Ng S. C., Chee K. K. (1993) Correlation between Heat of Combustion and Chemical Structure of Polymers. Polymer, 34 (18), 3870–3872. https://doi.org/10.1016/0032-3861(93)90513-A.

30. Grikina O. Ye., Stepanov N. F., Tatevskii V. M., Yarovoi S.S. (1971) Calculation of the Enthalpy and Entropy of Polymerization and Copolymerization Constants by the Structural-Element Contribution Method. Polymer Science U.S.S.R, 13 (3), 653–677. https://doi.org/10.1016/0032-3950(71)90031-1

31. Splitsto P. L., Johnson W. H. (1974) The Enthalpies of Combustion and Formation of Linear Polyethylene. Journal of Research of the National Bureau of Standards Section A Physics and Chemistry, 78A (5), 611-616. https://doi.org/10.6028/jres.078A.038

32. Kashiwagi T., Harris R. H., Zhang X., Briber R. M., Cipriano B. H., Raghavan S. R., Awad W. H., Shields J. R. (2004) Flame Retardant Mechanism of Polyamide 6–Clay Nanocomposites. Polymer, 45 (3), 881–891. https://doi.org/10.1016/j.polymer.2003.11.036

33. Ur’yash V. F., Larina V. N., Kokurina N. Yu., Novoselova N. V. (2010) The Thermochemical Characteristics of Cellulose and its Mixtures with Water. Russian Journal of Physical Chemistry, 84 (6), 915–921. https://doi.org/10.1134/S0036024410060051

34. Blokhin A. V., Voitkevich O. V., Kabo G. J., Paulechka U. U., Shishonok M. V., Kabo A. G., Simirsky V. V. (2011) Thermodynamic Properties of Plant Biomass Components. Heat Capacity, Combustion Energy, and Gasification Equilibria of Cellulose. Journal of Chemical Engineering Data, 56, 3523–3531. https://doi.org/10.1021/je200270t

35. Demirbaş A. (2005) Estimating of Structural Composition of Wood and Non-Wood Biomass Samples. Energy Sources, 27 (8), 761–767. https://doi.org/10.1080/00908310490450971.

36. Ioelovich M. (2018) Energy Potential of Natural, Synthetic Polymers and Waste Materials A Review. Academic Journal of Polymer Science, 1 (1), 1–15. https://doi.org/10.19080/AJOP.2018.01.555553

37. Jessup R. S., Prosen E. (1950) Heats of Combustion and Formation of Cellulose and Nitrocellulose (Cellulose Nitrate). Journal of research of the National Bureau of Standards, 44 (4), 387–393. https://doi.org/10.6028/jres.044.034.

38. Zhang Y., Li B., Li H., Liu H. (2011) Thermodynamic Evaluation of Biomass Gasification with Air in Autothermal Gasifiers. Thermochimica Acta, 519 (1-2), 65–71. https://doi.org/10.1016/j.tca.2011.03.005