FI75968B - Plasmaprocessenhet med cellstruktur. - Google Patents

Description

75968

Kennorakenteinen plasmaprosessiyksikkö

Taman keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon mukainen kennorakenteinen plasmaprosessiyksikko.

Yksikköä käytetään korkeita lämpötiloja ja suuria energiatiheyksiä vaativissa hajoitus-, hävitys- ja rekombinaatioso-velluksissa.

Kaikkien tunnettujen plasmalaiteratkaisujen rakenne on lähes yhtäläinen. Plasmapoltin on sijoitettu lieriömäiseen, korkeita lämpötiloja sietävällä materiaalilla vuorattuun reak-tiokammioon. Hajoitettava materiaali tuodaan erilaisilla yh-teillä lähelle plasmalieskaa nk. reaktioalueelle, jossa hajoamistuotteina syntyneet kaasut sekoittuvat ja reagoivat reaktiokammiossa ja poistuvat erillisen kaasunpesuyksikön kautta jatkokäsittelyyn.

Reaktiokammion koko määräytyy hajoamistuotteiden sekoittumisen ja rekombinaation vaatiman viiveajan sekä plasmatykin tehon perusteella. Viiveaikaa voidaan säätää apukaasuvirtoja tai materiaalinsyöttöä säätämällä. Reaktiokammion tilavuus ja tykin teho noudattavat tunnetuissa rakenteissa karkeasti lakia 4 litraa/kWf mikä johtaa suuriin reaktiokammioihin; 0,5 MW:n tykki vaatii 2 m^jn kammion.

Plasmalieskan synnyttämä säteilykuorma vaatii reaktiokammi-olta erittäin hyvää lämpötilankestoa. Kirjallisuudessa ja patenttijulkaaisuissa kuvatut reaktiokammiot on suojattu säteilyä vastaan erilaisilla keraamisilla massoilla tai tuli-kivillä.

Reaktiokammiosta poistuvat hajoamiskaasut jäähdytetään ja puhdistetaan erillisessä pesuriyksikössä. Pesurien toiminta perustuu ilma- ja/tai vesisuihkutukseen. Pesurien koko on karkeasti 2...3 kertaa reaktiokammion koko.

2 75968

Tunnetun tekniikan epäkohtana on se, että laitteistoon kuuluu kaksi kohtalaisen suurta yksikköä. Paksun vuorauksen takia reaktiokammion paino nousee helposti muutamiin tonnei-hin. Massiivinen rakenne myös hidastaa reaktorin lämmitystä, ensimmäinen ylösajo voi kestää useeita päiviä, ja keskeytyksenkin jälkeen lämmittäminen vie tunteja. Paksun vuorauksen halkeamisvaaran vuoksi joudutaan eräissä tapauksissa käyttämään lämmitykseen nestekaasu- tai muita polttimia. Jos vuoraus vaurioituu, sen korjaus kestää useita päiviä. Suuri ongelma on myös se, että nykyisissä ratkaisuissa ei pystytä hyödyntämään reaktiokammion koko kapasiteettia. Plasmatykin kokoon nähden sopiva materiaalinsyöttö johtaa suureen reaktoriin. Suurikokoisessa reaktorissa hajoamiskaasujen sekoittuminen taas vaatii pitkän ajan (n. 1 s), minkä vuoksi reaktoria on suurennettava tai materiaalin syöttönopeutta laskettava. Suureen reaktoriin saattaa jäädä kylmiä (< 700 °C) taskuja, mikä saattaa johtaa esim. jätteidenhävitysproses-sissa vakaviin ympäristö- ja henkilövahinkoihin. Vuorausma-teriaaleihin saattaa myös imeytyä reaktiotuotteita ja häiriötilanteissa myös lähtöaineita, jolloin ongelmajätteitä tuhottaessa vuorausaineet itse muuttuvat ongelmajätteiksi.

Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä kuvatussa tekniikassa esiintyvät haitat ja saada aikaan aivan uuden-tyyppinen kennorakenteinen plasmaprosessiyksikkö.

Keksintö perustuu siihen, prosessiyksikkö koostuu hajoitus-lieriön ympärille asennetuista sisäkkäisistä putkirakenteis-ta, joilla kaasun kulkureitti on muodostettu laskostetuksi käytäväksi, jolloin hajoitus- rekombinaatio-sekä pesurivyö-hykkeet on saatu samaan yksikköön.

Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle laitteistolle on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja.

Keksinnön mukainen laitteisto on tehtävissä pienikokoiseksi rakenteensa ansiosta. Pienestä koosta seuraa keveys ja help- 3 75968 po liikuteltavuus ja samalla lyhyt ylösajoaika: lämmitys kestää parhaimmillaan vain muutamia sekunteja. Pieni koko mahdollistaa helpon ja halvan puhdistuksen, huollon ja korjauksen verrattuna tavallisiin rakenteisiin. Kompakti rakenne antaa laitteelle myös selvästi paremman kestävyyden perinteisiin rakenteisiin verrattuna. Hajoituslieriön ansiosta hajoitettavalla materiaalilla ei ole mahdollisuutta välttää plasmalieskaa. Pitkänomaisen lieriön ansiosta hajoitettava aine joutuu alttiiksi plasmaolosuhteille kertaluokkaa kauemmin kuin tavanomaisissa rakenteissa, mikä varmistaa lähes täydellisen hajoamisen. Likimain täydellisesti kaasuiksi muodostuneet aineet sekoittuvat voimakkaasti kapeissa reak-tiovyöhykkeissä ja reagoivat lopputuotteiksi tehokkaasti ja nopeasti. Tehokkaan hajoituksen ja jälleenyhdistymisen vuoksi viiveaikoja voidaan lyhentää jopa kymmenenteen osaan nykyisestä. Keksinnön mukaisella laitteella myös koko kapasiteetti on käytettävissä. Oikein mitoitetussa laitteessa materiaalin syöttönopeus määräytyy tykin tehon mukaan. Laitteisto ei tarvitse myöskään apupolttimia eikä näiden vaatimia apujärjestelmiä. Häiriötilanteessa laitteeseen jäävä hajoamaton materiaalimäärä on oleellisesti pienempi kuin perinteisissä laitteissa, koska aineen hajoitus on tehokasta. Hajoamattomat aineet ovat myös helposti talteenotettavissa yksinkertaisen, vuoraamattoman ja pienikokoisen laitteiston ansiosta.

Keksintöä ryhdytään seuraavassa lähemmin tarkastelemaan oheisten piirustusten mukaisen sovellutusesimerkin avulla.

Kuviossa 1 on esitetty halkileikattuna sivukuvantona yksi mahdollinen ratkaisu kennorakenteisen plasmaprosessiyksikön toteuttamiseksi.

Kuviossa 2 on esitetty leikkauksena A - A kuvion 1 mukainen plasmaprosessiyksikkö.

Prosessikomponentin tukirakenteen muodostaa esimerkiksi erikoisteräksestä valmistettu runko 13, johon laitteiston muut 4 75968 osat on pääosin kiinnitetty. Järjestelmän ytimen muodostaa rungon yläosaan kiinnitetty plasmatykki 1. Plasmatykki 1 käsittää plasmakaasun syöttöelimet 2, sähkönsyöttöelimet 4 sekä tykin jäähdytyselimet 3. Hajoitettava materiaali syötetään materiaalinsyöttöelimillä 19 plasmatykillä 1 muodostettuun plasmalieskaan 6. Plasmatykin 1 alapuolella on hajoi-tusvyöhyke 8, jota sivuilta rajoittaa hajoituslieriö 9, joka on kiinnitetty plasmatykin ympärille. Hajoituslieriön 9 poikkileikkaus on edullisimmin pyöreä, koska tällöin plasma-lieska 6 täyttää lieriön täydellisimmin ja on mahdollista saavuttaa tasaisin lämpötilajakautuma ja samalla tehokkain aineen hajoitus. Hajoituslieriö 9 joutuu voimakkaan lämpö-kuormituksen alaiseksi, ja siksi se on valmistettu erikois-metallista, esimerkiksi niobiumista. Hajoituslieriön 9 mitoitusesimerkkinä voidaan mainita 200 kW:n plasmatykin yhteydessä käytettävän lieriön 9 mitat. Tällöin lieriön 9 pituus on 1000-1500 mm ja halkaisija 150-200 mm. Hajoituslie-riö 9 on kiinnitetty laitteiston runkoon 13 plasmatykin 1 ympärille esimerkiksi pulttaamalla ja sopivasti tiivistämällä. Tiivistemateriaalina voidaan käyttää riittävän hyvin lämpöä kestävää materiaalia, esimerkiksi asbestisekoitetta. Tarvittaessa tiivistettä voidaan jäähdyttää kaasuvirtauksel-la. Hajoituslieriön 9 plasmatykkiin 1 nähden vastakkainen pää on avoin hajoitetun kaasumaisen materiaalin virtauksen mahdollistamiseksi. Avoimen pään läheisyydessä oleva kaasu-tilaa rajoittava pinta 10 on jäähdytetty pinnan 10 takana olevalla aineella 11, esimerkiksi vedellä tai jollain muulla nesteellä. Kaasutilaa rajoittava pinta 10 voi. myös olla päällystetty (ei-esitetyllä) valumassalla, jolloin prosessin aikana massa voi olla sulaa plasmalieskan puolella ja kiinteässä tilassa jäähdytetyn pinnan 10 läheisyydessä.

Kaasutetun materiaalin kulkureitti muodostuu laskostetuksi keksinnön mukaisen sisäkkäisistä putkirakenteista, esimerkiksi lieriöistä 9, 14, 15, 16, muodostuvan rakenteen ansiosta. Kukin lieriö on kiinnitetty tosesta päästään runkoon 13 siten, että halkaisijaltaan pienin hajoituslieriö 9 on 5 75968 kiinnitetty yläpäästään ja halkaisijaltaan toiseksi pienin toinen lieriö 14 alapäästään ja niin edelleen. Rungon 13 ja kunkin lieriön kiinnittämättömän pään väliin jätetään rako kaasuvirtauksen mahdollistamiseksi. Raon suuruus määräytyy halutun virtauksen mukaan, mutta on sopivimmin hajoituslie-riön 9 säteen suuruinen.

Hajoitusvyöhykkeestä 8 tulevan hajoitetun kaasumaisen aineen rekombinaatiovyöhyke 12 muodostuu hajoituslieriön 9 ulkopinnan ja toisen lieriön 14 sisäpinnan väliin. Kyseisen rekom-binaatiovyöhykkeen 12 radiaalinen leveys on sopivimmin ha-joituslieriön 9 halkaisijan suuruinen ja pituudeksi muodostuu käytetyssä rakenteessa likimain hajoituslieriön 9 pituus. Kuvion mukaisessa ratkaisussa rekombinaatiovyöhyke 12 päättyy samalle seinämälle, johon plasmatykki 1 ja hajoitus-lieriö 9 on kiinnitetty.

Rekombinaatiovyöhykkeen 12 jälkeen kaasun kulkureitillä ovat pesurivyöhykkeet 7, joiden lukumäärä määräytyy halutun pesu-tehon mukaan. Kuvion ratkaisussa pesurivyöhykkeitä 7 on kaksi, joista ensimmäinen muodostuu toisen lieriön 14 ulkopinnan ja kolmannen lieriön 15 sisäpinnan väliin ja toinen kolmannen lieriön 15 ulkopinnan ja neljännen lieriön 16 sisäpinnan väliin.

Prosessikomponentin plasmatykin 1 puoleiseen seinämään pesu-rivyöhykkeisiin 7 on asennettu sumutussuuttimet 5, joiden kautta syötetään esimerkiksi kaasua tai nestettä rekombinaa-tiovyöhykkeestä 12 tulevan kaasun pesemiseksi. Sumutussuut-timia 5 asennetaan niin monta, että sumutussuihku kattaa koko vyöhykkeen poikkileikkauksen. Esimerkiksi vesi on sopiva pesuriaine. Piirustusten mukaisessa laitteistossa suuttimia on 8 kappaletta vyöhykettä kohti. Tarvittaessa voidaan re-kombinaatiovyöhykettä 12 seuraavan pesurivyöhykkeen sumutussuuttimet 5 sulkea, jolloin pesurivyöhyke 7 on muutettu re-kombinaatiovyöhykkeeksi 12. Hain voidaan rekombinaatio- ja pesuvyöhykkeiden pituutta säädellä halutun mittaiseksi. Pe-surivyöhykkeiden 7 tehtävänä on jäähdyttää nopeassti rekom- 6 75968 binaatiovyöhykkeestä 12 saapuvaa kaasua. Pesurivyöhykkeiden 7 jälkeen kaasu johdetaan jatkokäsittelyyn, esimerkiksi lämmön talteenottoon, prosessikomponentin ulkopuolelle.

Prosessikomponentin runko 13 voi olla täysin yhtenäinen ja kiinteä, jolloin joissakin lieriöissä on kaasun kulkua rajoittamattomia (ei-esitettyjä) kiinnityselimiä rungon alaosan 17 ja yläosan 18 toisiinsa sitomiseksi. Edullisimmin kiinnityselimet ovat uloimmissa lieriöissä, jolloin niiden lämpökuormitus on vähäinen.

Rungon 13 yläosa 18 ja alaosa 17 voivat olla myös täysin erillisiä, jolloin yläosa on tuettu erillisellä (ei-esite-tyllä) tukielimellä. Tällä ratkaisulla saavutetaan se etu, että kunkin lieriön ja runko-osan 13 välinen kaasunkulkuauk-ko tulee säädettäväksi. Myös laitteiston huolto ja puhdistus on vaivatonta, jos ylä- ja alaosa ovat toisistaan erillään.

Hajoituslieriön 9 poikkileikkaus voi olla ympyrästä poikkeava. Tällöin on edullista, että lieriö on symmetrinen lieskan suhteen, ja mahdollisten kulmien tulee olla pyöristetyt kylmien taskujen välttämiseksi.

Hajoituslieriön 9 ei ole välttämätöntä olla, kuten ei muidenkaan lieriöiden 14, 15 ja 16, puhtaasti matemaattisesti määritelty lieriö, vaan olennaista on rakenneosien putkimai-suus. Puhtaasta lieriömäisyydestä voidaan joutua poikkeamaan, mikäli virtausteknisistä syistä putkiin tehdään supistuksia tai putket valmistetaan kartiomaisiksi samoista syistä .

Lieriöiden 14, 15 ja 16 halkaisijat voidaan valita myös siten, että kunkin vyöhykkeen 7, 8, 12 plasmaprosessiyksikön pituusakseliin nähden kohtisuoran halkaisijan pinta-ala on vakio, jolloin kaasuvirtaus kohtaa kussakin vyöhykkeessä likimain yhtäläisen virtausvastuksen.

Lämpökuormituksen vähentämiseksi voidaan plasmatykin 1 ympärille asentaa (ei-esitetty) rengasmainen kaasusuutin, josta 7 75968 syötettävällä kaasulla, esimerkiksi käytetyllä plasmakaasul-la, jäähdytetään hajoituslieriön 9 sisäpintaa.

Sisäkkäisten lieriöiden lukumäärä voi olla mielivaltainen. Keksinnölle on kuitenkin oleellista, että sisimän lieriön 9 sisälle jäänyt tila toimii hajoitusvyöhykkeenä 8 ja kaasun kulkureitillä sitä seuraa vähintään yksi rekombinaatiovyöhy-ke 12, jonka jälkeen on riittävä määrä pesurivyöhykkeitä 7, jotka ovat sumutussuuttimien 5 sulkemisella muutettavissa rekombinaatiovyöhykkeiksi.

Hajoituslieriön 9 ja plasmatykin 1 välisen huonon tiiviyden aiheuttamia ongelmia voidaan pienentää järjestämällä lieriöön ympäristöä alhaisempi paine esimerkiksi pesurivyöhykkei-den 7 sumutussuuttimilla tai pesurivyöhykkeiden jälkeisellä kaasun imulla.

Piirustuksissa esitetty prosessikomponentin asento, jossa kaasutettava materiaali, samoin kuin pesussa käytettävä aine syötetään maan vetovoimakentän suuntaan on edullisin, mutta myös muut asennot ovat mahdollisia. Muiden asentojen yhteydessä sekä jäähdytys että varotoimet mahdollisen käyttöhäi-riön yhteydessä vaativat erikoisratkaisuja.

Claims (8)

8 75968

1. Kennorakenteinen plasmaprosessiyksikkö, joka käsittää - rungon (13), joka käsittää yläosan (18) ja alaosan (17), ja - runkoon (13) sovitetun, putkimaisen hajoituslie-riön (9), jolla hajoitusvyöhyke (8) on muodostettavissa, - vähintään yhden, hajoituslieriön (9) yhteen päähän sijoitetun plasmatykin (1) plasmakaasunsyöttö-elimineen (2), sähkönsyöttöelimineen (4) sekä jäähdytyselimineen (3), jolla tykillä (1) plasma-lieska (6) on muodostettavissa, - materiaalinsyöttöelimet (19), joilla materiaali on syötettävissä plasmalieskaan (6), - vähintään yhden rekombinaatiovyöhykkeen (12), jossa hajoitusvyöhykkeessä (8) hajoitettu aine on rekombinoitavissa uusiksi yhdisteiksi, - vähintään yhden pesurivyöhykkeen (7), jossa re-kombinaatiovyöhykkeissä (12) rekombinoituneet aineet ovat pestävissä, ja - vähintään yhden sumutussuuttimen (5) kussakin pesurivyöhykkeessä (7), jolla suuttimellä (5) pesevä aine on sumutettavissa kuhunkin pesurivyöhyk-keeseen (7), tunn.ettu olennaisen samankeskeisistä putkirakenteista (14, 15, 16), joista halkaisijaltaan pienin (14) 9 75968 on sovitettu toisesta päästään plasmatykkiin (1) nähden rungon (13) vastakkaiseen puoliskoon (17) olennaisen samankeskeisesti hajoituslieriön (9) ympärille ja vastaavasti muut putkirakenteet (15, 16) on sovitettu kasvavan halkaisijansa mukaan vuorotellen rungon (13) vastakkaisiin puoliskoihin (17, 18) laskostetun kaasunvirtauskanavan muodostamiseksi .

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laitteisto, tunnet-t u siitä, että putkirakenteiden (14, 15, 16) poikkileikkaus on ympyränmuotoinen.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että putkirakenteet (14, 15, 16) ovat lieriöitä .

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että rungon yläosa (18) ja alaosa (17) ovat toistensa suhteen liikuteltavat huollon helpottamiseksi ja kaasuvirtauksen säädön mahdollistamiseksi.

5. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että rungon yläosa (18) ja alaosa (17) ovat toistensa suhteen kiinteät.

6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että plasmakaasun syöttöelimet (2) on sovitettu siten, että osa plasmakaasusta on johdettavissa plasmalieskan (6) ja valokaaren ohi hajoituslieriön (9) seinämälle lämpökuormituksen pienentämiseksi.

7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että putkirakenteiden (14, 15, 16) halkaisijat on valittu siten että kunkin vyöhykkeen (7, 12) radiaalinen leveys on vakio.

8. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että putkirakenteiden (14, 15, 16) ίο 75968 halkaisijat on valittu siten, että kunkin vyöhykkeen (7, 8, 12. halkileikkauksen pinta-ala on vakio.