Laitteiston energiatehokkuus

Reaktorille 3 suoritetuissa koeajoissa päästiin 4 kW tehonsyötöllä 175 g/h polttono-peuteen kuivatulle C/A 867H ioninvaihtohartsille, jolloin energiatehokkuus laitteis-tolle ioninvaihtohartsia poltettaessa on 82 MJ/kg. Taulukossa 6.2 on verrattu VTT:n kehittämiä kapasitiivisesti ja induktiivisesti kytkettyjen plasmalaitteistojen tuloksia muihin kehitteillä oleviin ja kaupallisiin plasmapolttolaitteistoihin.

Taulukko 6.2 Kehitteillä olevien ja kaupallisten plasmapolttolaitteistojen tuloksia.

Painon

kaupallinen [29] 92 90 >99 3.8 180 4.20E-02 13

Poltto, kaupallinen [30] 91 - 1.5 300 1.30E-01 34

Plasmakaari, jatkuvatoiminen

Mikroaaltokuumennus [31] 100 100 3.00E-02 30 1.00E-03 160

Plasmasuihku [14] 95 80 >95 2.00E-02 10 3.40E-03 87

Kapasitiivisesti kytketty

plasma, panostoiminen [4] 90 >90 94.3 1.00E-02 12 8.33E-04 360

Induktiivisesti kytketty plasma,

jatkuvatoiminen 90 >90 93.5 (Cs)

0.035

[kg/h] 60 2.92E-03 82

Taulukosta 6.2 nähdään, että VTT:llä kehitetty induktiivisesti kytketty plasmapoltto-laitteisto on kilpailukykyinen muihin menetelmiin verrattaessa painon ja tilavuuden pienenemistä polton aikana. Laitteistojen radionuklidien pidätyskykyä on testattu muilla laitteistoilla käyttäen merkkiaineena cobolttia, kun VTT:n induktiivisesti kyt-ketyssä laitteistossa on käytetty cesiumia. Cesiumilla suoritettuja merkkiainekokeita voidaan pitää lähempänä todellisuutta vastaavaa tilannetta kuin coboltilla, koska kau-pallisessa laitteistossa kaikki radionuklidit on pidätettävä ja cesium höyrystyy cobol-tia alhaisemmassa lämpötilassa alhaisemman höyrynpaineen seurauksena. Taulukosta 6.2 nähdään käsittelynopeuden ja energiankulutuksen poltettua ioninvaihtohartsi kiloa kohden olevan suurimmat kehityksen tarpeessa olevat kohteet.

7 Johtopäätökset

Työssä kehitettiin ja tutkittiin ydinvoimaloissa käytetyn ioninvaihtohartsin hävittämi-seen suunnitellun matalapaineisen induktiivisesti kytketyn plasmapolttolaitteiston ra-kennetta. Työn tarkoituksena oli kehittää ja optimoida koelaitteistoa siten, että koetu-losten pohjalta voidaan arvioida teollisuusmittakaavaisenlaitteiston rakennetta.

Kappaleessa 6.1.2 esitetyissä plasmapolttolaitteiston koeajoissa havaittiin jatkuva-toimisen syöttömenetelmän olevan kannattavampaa kuin panosjatkuva-toimisen polttonopeu-den kannalta. Laitteistolle pystyttiin toteuttamaan jatkuvatoiminen tärysyöttömene-telmä. Taselaskelmien perusteella havaittiin 1 mbarin käyttöpaineen rajoittavan polt-tonopeutta alle 100 g/h:ssa. Kokeissa pystyttiin vahvistamaan tulos ja näyttämään to-teen paineen noston vaikutus polttonopeuto-teen. Kokeissa havaittiin tuuletuksen jääh-dytystehon rajoittavan tehon nostoa 2 kW. Laskelmien perusteella todettiin vesijääh-dytyksen olevan riittävä 6,5 kW lämpövirran poistolle reaktorista. Siirtyminen vesi-vaippajäähdytteiseen reaktoriin mahdollisti tehon noston 6,5 kW:iin. Sovituksen ai-heuttamat ongelmat rajoittivat kuitenkin tehon noston 4 kW:iin. Kappaleessa 6.3.1 reaktorille 3 suoritetuissa kokeissa havaittiin tehon ja paineen noston parantavan polt-tonopeutta lähes lineaarisesti. Plasmapolttolaitteiston kehityksen tuloksena pystyttiin polttonopeutta nostamaan 40 g/h tasosta 130 g/h tasoon. Hetkellisesti käyttämättömän ioninvaihtohartsin polttonopeutta pystyttiin nostamaan jopa 175 g/h 4 kW tehon

syö-töllä toimintapaineen ollessa 4 mbaria. Kokeiden perusteella 4 kg/h polttonopeuden saavuttamiseksi tarvitaan 65 kW tehonsyöttö ja vähintään 65 mbarin toimintapaine pumpun tilavuusvirralla 200 m³/h. Radionuklideista suoritettiin merkkiainekoe ce-siumille, jonka pidätyskyky pystyttiin pitämään entisellään verrattaessa 1997 suoritet-tuihin kokeisiin VTT:n kapasitiivisesti kytketyllä plasmapolttolaitteistolla.

Kappaleessa 6.3.1 esitetyissä koetuloksista havaittiin palamattoman hartsin muodos-tavan kasan vertikaalisen reaktorin pohjalle. Kasan pintaan muodostuu hiiltynyt hart-sikerrostuma, joka suojaa sen alla olevaa hartsia palamasta. Tämä on mahdollista es-tää lisäämällä jokin sekoitusmekanismi reaktorin pohjalle. Ioninvaihtohartsi sisäles-tää n. 10 % rikkiä, joka hapettuu plasmakäsittelyssä rikinoksideiksi. Nämä muodostavat veden kanssa rikkihapoketta kaasun lämpötilan laskiessa alle 150 ^oC. Rikkihapoke aiheuttaa laitteistolle korroosiota. Korroosio oli havaittavissa kuivaruuvipumpun pai-neennostopuolen ruostumisena. Tämä on estettävissä pitämällä lämpötila prosessissa yli 150 ^oC, mikä ei ole suositeltavaa radionuklidien mahdollisesti heikkenevän pidä-tyskyvyn kannalta. Toinen vaihtoehto on järjestää pumpulle jatkuvatoiminen pesujär-jestelmä, jonka avulla pumppu voidaan pitää puhtaana keskeyttämättä prosessia. Jat-kuvatoimisia pesujärjestelmiä on saatavissa 3000 euron hintaan kyseiselle kuivaruu-vipumpulle. Laitteiston putkistossa suuret virtausnopeudet aiheuttavat hartsin kulkeu-tumista suodattimelle. Tämä on estettävissä nostamalla painetta, jolloin tilavuusvirto-ja voidaan pienentää. Toinen vaihtoehto on suurentaa putkiston halkaisitilavuusvirto-jaa.

Poltettaessa ioninvaihtohartsia 175 g/h tehonsyötöllä 4 kW saadaan energiankulutuk-seksi 82 MJ/kg. Taulukossa 6.2 on verrattu VTT:n kehittämiä kapasitiiviisisesti ja induktiivisesti kytkettyjen plasmalaitteistojen tuloksia muihin kehitteillä oleviin plas-mapolttolaitteistoihin.

Laitteiston energiatehokkuuteen on syytä kiinnittää huomiota suunniteltaessa kaupal-lista laitteistoa. Tähän pystytään vaikuttamaan muotoilemalla kammion rakennetta siten, että plasma ja hartsipartikkelit kohtaavat toisensa paremmin. Kammion hal-kaisijan pienentäminen pienentäisi plasmapatsaan hukkakuutioita. Polttotehokkuuden parantuessa tehoa lisäämällä olisi mahdollista siirtyä in-fly polttoon, jossa ioninvaih-tohartsin partikkelit tippuisivat plasmapatsaan läpi ja palaisivat lennon aikana. Tätä

on tutkittava vielä teoreettiselta pohjalta niin polttonopeuden kuin mahdollisen lait-teistorakenteen kannalta ennen kokeellista toimintaa.

8 Kirjallisuus

[1] A. Tiitta, & P. Salonen, Orgaanisen ongelmajätteen plasmapoltto, Tutkimusse-lostus KET2000/99,Valtion teknillinen tutkimuskeskus, Espoo, 1999.

[2] A. Tiitta, & P. Salonen, Orgaanisen ongelmajätteen plasmapoltto 1999, Tutkimusselostus KET2036/99, Valtion teknillinen tutkimuskeskus, Espoo, 1999.

[3] Rosenberg, R., “Menetelmä ongelmajätteen käsittelemiseksi,” VTT, Pat.FI101681B (1995).

[4] Tiitta A, Zilliacus R, Salonen P., ONGELMAJÄTTEEN MATALALÄMPÖTILAPOLTTOLAITTEISTO, Tutkimusselostus nro KET2086/97, Valtion teknillinen tutkimuskeskus, Espoo 31.12.1997

[5] Heikkinen J.A., Kortelainen M. Particle Simulation of Radiofrequency Glow Discharges for Waste Incineration, Project report PRO1/P1005/05, Espoo 04.02.2005

[6] Kortelainen M., Matalapaineiseen epätasapainoplasmaan perustuvan polttolait-teen mallinnus ja diagnostiikka, Diplomityö, Espoo 2006.

[7] Preiffer Vacuum GmbH, Mass spectrometer catalog, June 2005

[8] Lan Mi, Peng Xu and Pei-NanWang, Temperature determination of N2 dicharge plasma by computational simulation of its emission spectra J. Phys. D: Appl.

Phys. 38 (2005) 3885–3888

[9] H Nassar, S Pellerin, K Musiol, O Martinie, N Pellerin andJ-M Cormier, N+2 /N2 ratio and temperature measurements based on the first negative N+2 and second positive N2 overlapped molecular emission spectra, J. Phys. D: Appl.

Phys.37(2004) 1904–1916

[10] Rhein –Nadel Automation GmbH, Operation instructions Linear feeder GL 01.

[11] FINEX, Käyttöturvallisuustiedote C/A 867H, 10.2.2006

[12] C.A. Pickles, J.M. Toguri, Plasma Arc Pyrolysis of Waste Radioactive Ion Ex-change Resins, Radioactive Waste Management and Environmental Restoration 1994, Vol 18, pp. 225-241

[13] Atsushi Nezu, Tatsuhiko Morishima, Takayuki Watanabe, Thermal plasma treatment of waste ion-exchange resins doped with metals, 2003 Elsevier Sci-ence

[14] Atsushi Nezu, Kouichi Moro, Takayuki Watanabe, Thermal plasma treatment of waste ion exchange resins by CO2 injection, 2005 Elsevier Science

[15] Finex, Condensate Purification, Painokotka Oy, 2004.

[16] Puukko Esa, Jaakkola Timo, Aktinidien ja beetaemitterien pitoisuudet TVO I:n bitumoitavissa hartseissa, Toukokuu 1991, TVO

[17] Rikkidioksidi ICSC kemikaalikortti,

kappa.tt1.fi/kemikaalikortit/khtml/nfin0074.htm

[18] CRS Chemistry Handbook [verkkotietokanta], [viitattu 3.18.2007], saatavissa:

Yliopiston sisäisessä käytössä, vaatii salasanan.

[19] ST-Ohje 6.2, SÄTEILYTURVAKESKUS, 1.7.1999

[20] MAOL-taulukot, Keuruu 1999, Otavan kirjapaino Oy, ISBN 951-1-16053-2 [21] Kari I. Keskinen, Kemian laitetekniikan taulukoita ja piirroksia, Helsinki 2004,

Hakapaino Oy, ISBN 951-672-069-2

[22] G.H.Lim, ON THE CONVEYING VELOCITY OF A VIBRATORY FEEDER, Computers & Structures Vol 62, No 1, pp. 197-203, 1997, Elsevier Science Ltd., Great Britain.

[23] E.M.Sloot, N.P.Kruyt, Theoretical and experimental study of the transport of granular materials by inclined vibratory conveyors, Powder Technology 87, pp.

203-210, 1996

[24] Keith Jones, Designing a hopper to maximize your vibratory feeder’s capacity, Powder and Bulk Engineering, November 2003

[25] W. L. McCabe, Unit Operations of Chemical Engineering 7^th edition, Mc Graw Hill, Boston, 2005.

[26] TKK:n kurssin Chemical Engineering I laskuharjoitukset ja luentomateriaali, [viitattu 10.12.2006], saatavissa: http://www.tkk.fi/Units/ChemEng/ kurs-sit/kem42101/index.html

[27] NIST chemistry webBook: Thermophysical Properties of Fluid Systems, [viitattu 20.10.2006], saatavissa: http://webbook.nist.gov/chemistry/fluid.

[28] W.H. Giedt, Trans. ASME, 71:375, 1949

[29] T.Yamoto, G. Katagiri, The Therm. Nucl. Power 49 (1998), 1175 [30] C. Hasegawa, The Therm. Nucl. Power 41 (1990), 606

[31] K. Kinoshita, M. Hirata, T. Yahata, J. Nucl. Sci. Technol. 28 (1991) 228.