Modelling and diagnostics of an incineration device based on low-pressure non-equilibrium plasma

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Helsinki University of Technology | Diplomityö
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2006
Major/Subject
Ydin- ja energiatekniikka
Mcode
Tfy-56
Degree programme
Language
fi
Pages
80
Series
Abstract
Ydinvoimaloissa ensiöpiirin vettä puhdistetaan yleisesti ioninvaihtohartsilla. Käytössä kontaminoitunut hartsi voidaan polttaa epätasapainoisessa happiplasmassa, jolloin jätteen massa pienenee merkittävästi ja se menettää orgaanisen luonteensa. Epätasapainoplasmassa ionien ja taustakaasun lämpötilat voivat jäädä riittävän alhaisiksi, jotta hartsin sisältämät radionuklidit eivät merkittävästi höyrysty. Tällöin radionuklidit saadaan kerättyä talteen ilman suurta määrää uutta, kontaminoituneista suodattimista muodostuvaa jätettä. Tämän diplomityön tavoitteena on esittää malli, mittauslaitteisto ja mittausmenetelmiä tällaisen polttolaitteen suunnittelemiseksi ja polttoprosessin tehokkuuden määrittämiseksi. Polttokammio on lasista tehty sylinteri, ja sen ympärille on kiedottu helikaalinen kuormituskela. Plasmaan syötetään tehoa radiotaajuusgeneraattorista sovitinpiirin kautta kuormituskelalla. Polttokaasuna käytetään joko puhdasta happea, tai happi-argon -seosta, alle millibaarin paineessa. Plasma kytkeytyy kelaan induktiivisesti, jolloin purkaukselta odotetaan korkeampaa elektronitiheyttä ja siten tehokkaampaa polttoa kuin kapasitiivisesti kytketyltä plasmapurkaukselta. Induktiivista kytkentää mallinnetaan ilmasydämisenä muuntajana, missä ensiöpiirinä on kela ja toisiopiirinä on plasma. Induktiivisen kytkennän lisäksi plasma kytkeytyy kelaan kapasitiivisesti, mikä huomioidaan kytkennän mallinnuksessa muuntajalle rinnakkaisena haarana. Yksinkertaisesta nolladimensioisesta plasman tasapainomallista saadaan hiukkastiheydet ulkoisten parametrien funktiona. Malli ennustaa puhtaalla hapella optimistisilla oletuksilla noin 350 g/h hartsin polttonopeuden. Happi-argon -seoksella saadaan vielä hieman suurempi polttonopeus, ja optimaalinen polttoalue on kaasujen seossuhteessa laaja. Kelan jännite ja virta mitataan asianmukaisilla antureilla, joiden signaalit luetaan oskilloskoopilla. Näin saadaan kelan yli oleva jännite, kelassa kulkeva virta ja kelasta plasmaan siirtyvä teho. Plasman optisesta emissiospektristä voidaan arvioida kaasun ja erityisesti viritystilojen koostumusta purkauksessa, sekä purkauksen elektronien tiheys ja kaasun lämpötila. Palokaasujen koostumus voidaan nähdä ohjaamalla pieni osa kaasuista massaspektrometriin, jota voidaan siten käyttää polttoprosessin etenemisen seurantaan. Kaasun paine on tärkeä parametri purkaukselle, ja sitä mitataan useasta kohdasta laitteistoa. Kokeiden aikana törmättiin muutamiin käytännön ongelmiin. Polttokammion jäähdytystä jouduttiin parantamaan huomattavasti suunnitellusta. Plasmapurkaus levisi tyhjöputkiin polttokammion ulkopuolelle, minkä aiheuttamaa haittaa rajoitettiin käyttämällä teräsputkia. Muun muassa edellä mainittu plasmapurkaus aiheutti mittalaitteissa häiriöitä, joita saatiin eliminoitua parantamalla laitteiston maadoitusta. Induktiivisesti kytketyn plasman mooditransitio ja kapasitiiviseen purkaukseen verrattuna suurempi elektronitiheys havaittiin kokeellisesti. Odotusten mukaisesti argonpurkaus oli kirkkaampi ja siirtyy induktiiviseen moodiin pienemmällä teholla kuin happipurkaus. Kelan kierrostiheyttä kasvattamalla saatiin homogeenisempi plasma. Käyttämättömän ioninvaihtohartsin massasta noin puolet on vettä, mikä havaittiin myös kokeellisesti kuivaamalla hartsia uunissa. Hartsin polton kokeiluissa havaittiin, että purkauksen kannalta on edullisempaa syöttää jatkuvasti hartsia purkaukseen kuin syöttää polttokammioon pieni kertalataus ennen purkausta.
Description
Supervisor
Salomaa, Rainer
Thesis advisor
Tiitta, Antero
Keywords
inductively coupled plasma, induktiivisesti kytketty plasma, ion exhange resin, ioninvaihtohartsi, toxic waste incineration, ongelmajätteen poltto
Other note
Citation