Praca Przejsciowa

Politechnika Warszawska

Wydział Budownictwa, Mechaniki i Petrochemii w Płocku

Praca przejściowa

„Otrzymywanie i zastosowanie plazmy wysokotemperaturowej w unieszkodliwianiu materiałów niebezpiecznych”

Jakub Nowakowski

Sprawdził: dr inż. Mirosław Grabowski

Spis treści:

1. Wstęp:1.1. Co to jest plazma?

2. Reakcja syntezy:2.1. Synteza jąder pierwiastków lekkich.2.2. Warunki zachodzenia syntezy w plazmie.

3. Otrzymywanie plazmy wysokotemperaturowej:3.1. Podstawowe problemy.3.2. Magnetyczne utrzymywanie plazmy.3.3. Inercyjne utrzymywanie plazmy.

4. Zastosowanie plazmy wysokotemperaturowej w unieszkodliwianiu materiałów niebezpiecznych:4.1. Wstęp.4.2. Koncepcja wykorzystania techniki plazmowej do termicznego

przetwarzania materiałów organicznych.4.3. Instalacja do plazmowego przetwarzania materiałów

organicznych.4.4. Wstępne wyniki badań plazmowego przetwarzania biomasy:

4.4.1. Materiał do badań.4.4.2. Przebieg plazmowego przetwarzania.4.4.3. Analiza produktów powstałych podczas prób plazmowego

przetwarzania biomasy.5. Podsumowanie i wnioski.6. Literatura.

1. Wstęp:1.1. Co to jest plazma?

Plazma to zjonizowany gaz o odpowiednio dużej koncentracji cząstek naładowanych w postaci jonów i elektronów. Proces powstawania w gazie jonów i elektronów nazywamy jonizacją gazu. Na ogół gaz przed jonizacją jest elektrycznie obojętny, więc zgodnie z zasadą zachowania ładunku wytworzona plazma będzie również obojętna, ponieważ będzie zawierać jednakowe ilości ładunków dodatnich i ujemnych. Jednak na skutek termicznych ruchów jonów, elektronów, atomów lub cząsteczek w plazmie występują chaotyczne, chwilowe niejednorodności przestrzennego rozmieszczenia ładunków. Te niejednorodności wywołują w plazmie szereg specyficznych zjawisk, dlatego plazmę nazywamy quasi-obojętny elektrycznie. Naładowane cząstki plazmy oddziałują ze sobą za pośrednictwem sił kulombowskich. Są to siły dalekiego zasięgu i plazmy nie można traktować jako gaz, w którym cząstki oddziałują ze sobą jedynie podczas zderzeń. Dlatego też plazmę można rozpatrywać jednocześnie jako ośrodek ciągły (podobny do własności cieczy) oraz jako ośrodek składający się z dużych zbiorów pojedynczych cząstek (podobnie jak gaz). Nie jest to więc ani ciecz ani gaz i plazmę traktujemy jako czwarty stan skupienia materii.

Siły dalekiego zasięgu pojawiają się jednak tylko wtedy, gdy dla danego rozmiaru plazmy, jonów jest dostatecznie dużo czyli jest odpowiednio duży stopień jonizacji. Aby to wyjaśnić trzeba przyjrzeć się procesom zachodzącym w otoczeniu naładowanej cząstki. Każda naładowana cząstka znajdująca się w zjonizowanym gazie wytwarza własne pole elektryczne, które powoduje polaryzację otaczającego ją ośrodka. Dookoła takiej cząstki grupują się cząstki naładowane przeciwnie, co w pobliżu cząstki, osłabia praktycznie do zera pole elektryczne. Takie zjawisko nazywamy ekranowaniem. Rozmiary przestrzeni, w którym zachodzi ekranowanie nazywamy promieniem Debye'a. Jeżeli obszar zjonizowanego gazu jest dużo większy od promienia Debye'a to siły dalekiego zasięgu się ujawniają i gaz ma

własności plazmy. Promień Debye'a rośnie wraz z temperaturą i maleje wraz ze wzrostem ładunku i koncentracji otaczających go cząstek. Więc o tym czy zjonizowany gaz ma własności plazmy, decyduje nie tylko temperatura i koncentracja cząstek naładowanych, ale też najmniejszy rozmiar przestrzeni wypełnionej plazmą. Czym mniejszy jest obszar to w danej temperaturze koncentracja jonów powinna być większa. Plazma silnie oddziaływuje z zewnętrznym polem elektrycznym i magnetycznym. Jest również dobrym przewodnikiem prądu elektrycznego. Opór elektryczny plazmy maleje wraz ze wzrostem temperatury i w wysokich temperaturach plazma jest lepszym przewodnikiem niż metale. Plazma wysyła silne promieniowanie w zakresie światła podczerwonego, widzialnego, nadfioletowego i rentgenowskiego. Przy niskich temperaturach emituje przede wszystkim widmo dyskretne (w świetle są tylko poszczególne długości światła) związane z przejściem elektronów między określonymi poziomami energetycznymi atomów lub jonów. Ze wzrostem temperatury (a więc i jonizacji) wzrasta udział promieniowania o widmie ciągłym, pochodzących z procesu zobojętniania (rekombinacji) jonów i elektronów oraz procesu hamowania swobodnych elektronów w polu elektrycznym jonów. Emisja promieniowania jest przyczyną stygnięcia plazmy. Aby taki stan utrzymać przez dłuższy czas należy zapewnić stały dopływ energii. Każda substancja w odpowiednio wysokiej temperaturze może przejść w stan plazmy w wyniku termicznej jonizacji. W bardzo wysokich temperaturach (powyżej miliona Kelwinów) materia jest już całkowicie zjonizowana i taki stan materii występuje w jądrze Słońca i innych gwiazd. Wtedy w przypadku atomów lekkich istnieją tam tylko jądra atomowe i elektrony. Plazmą jest również obszar międzygwiezdny. Chociaż temperatura przestrzeni wynosi zaledwie 3K (-270°C), ale zajmuje ogromny obszar (dużo większy od promienia Debye'a), jest to więc też stan plazmy. Jak się szacuje plazma jest najczęściej spotykanym stanem materii we Wszechświecie i stanowi 99% znanej materii Wszechświata.Plazma występuje w jonosferze ziemskiej i w pasach van Allena. Właściwości plazmy decydują o ochronnej funkcji ziemskiej atmosfery przed wiatrem słonecznym promieniowaniem kosmicznym. Również zorza polarna związana jest ze zjawiskami zachodzącymi w plazmie jonosfery. W warunkach ziemskich plazma występuje rzadko. Można ją spotkać w wyładowaniach atmosferycznych, płomieniu, w łuku elektrycznym (jest to wyładowanie w gazie np. powietrzu między dwoma elektrodami węglowymi lub metalowymi) oraz lampach wyładowczych - świetlówki (lampy rtęciowe) i lampy neonowe.

2. Reakcja syntezy:

2.1. Synteza jąder pierwiastków lekkich.

Synteza jest źródłem energii Słońca i gwiazd. W wyniku syntezy na Słońcu, w temperaturze 10-15 mln.oK, wodór przekształca się w hel. Powstaje na tyle dużo energii, aby podtrzymywać reakcje zachodzące wewnątrz Słońca i jednocześnie życie na Ziemi. Zakrojony na szeroką skalę, ogólnoświatowy program badawczy ma na celu wykorzystanie do produkcji elektryczności energii powstającej w czasie syntezy. Jeśli badania te zakończą się sukcesem to w perspektywie najbliższych 30-40 lat powstanie alternatywne, w stosunku do istniejących, bezpieczne i przyjazne środowisku źródło energii. Do wykorzystania w warunkach ziemskich nadaje się reakcja pomiędzy dwoma cięższymi izotopami wodoru: deuterem (D) i trytem (T). Wszystkie izotopy wodoru zawieraj po jednym protonie i jednym elektronie. Protium – najbardziej rozpowszechniony izotop wodoru nie zawiera w jądrze

neutronu. Deuter posiada jeden a tryt dwa neutrony. Jeżeli zmusi deuter i tryt do zbliżenia to ich jądra ulegną fuzji. Nastąpi ich przekształcenie w jądro helu zawierające dwa protony i dwa neutrony. Nadmiar energii opuszcza obszar reakcji głównie w postaci swobodnych neutronów. Nadmiar energii pochodzi stąd, że produktem reakcji jest jądro bardziej stabilne niż jądra substratów.

Plazma powstaje w bardzo wysokiej temperaturze – jadra atomowe zostają pozbawione elektronów (rys. po prawej)

Energia uwalniana w czasie większości reakcji jądrowych jest większa niż energia uwalniana w reakcjach chemicznych, dlatego, że energia wiązania nukleonów w jądrze jest większa niż energia wiązania elektronów pozostających na powłokach. (rys. po prawej)

Synteza z zadawalającą wydajnością zachodzi jedynie w ekstremalnie wysokiej

temperaturze. W warunkach ziemskich jest to ponad 100 mln.oK. W tej temperaturze gazowy deuter i tryt (D-T) przechodzą w stan plazmy. Plazma to gorący, elektrycznie naładowany gaz. Elektrony odrywają się od jąder atomowych przyjmujących postać jonów. Aby nastąpiła synteza dodatnio naładowanych jonów ich temperatura (lub energia) musi by na tyle znacząca, aby pokona siły odpychania. W celu wykorzystania energii syntezy naukowcy i inżynierowie opracowują systemy służące kontrolowaniu plazmy wysokotemperaturowej. Plazma niskotemperaturowa jest już powszechnie stosowana w warunkach przemysłowych w szczególności przy produkcji półprzewodników.

Kontrolowanie plazmy wysokotemperaturowej wciąż nastręcza wiele problemów. W szczególności chodzi tu o podgrzewanie gazu do temperatury przewyższającej 100 mln.oK oraz utrzymywanie plazmy tak, aby mogła zachodzi stabilnie reakcja syntezy.

2.2. Warunki zachodzenia syntezy w plazmie.

Aby zachodziły reakcje syntezy w plazmie muszą zostać spełnione jednoczenie trzy warunki. Dotycz one temperatury, gęstości oraz czasu utrzymania. Iloczyn tych wielkości nazywany jest iloczynem potrójnym lub fuzją. Aby zachodziła synteza deuter-tryt (D-T) iloczyn potrójny musi by większy niż ściśle określona wartość. Jest to kryterium Lawsona, sformułowane w roku 1955 i nazwane od nazwiska angielskiego badacza, który je sformułował. Samozapłon nastąpi, gdy spełnione zostanie kryterium Lawsona. Inaczej mówiąc jest to punkt po przekroczeniu, którego energia pozyskiwana z syntezy przewyższa energie potrzebną do ogrzania i utrzymania plazmy. Temperatura Reakcja syntezy zachodzi, z zadawalającą wydajnością jedynie przy bardzo wysokiej temperaturze. Wtedy dodatnio naładowane jony posiadają energie przewyższającą siły odpychania elektrostatycznego. W JET2, reakcja syntezy deuteru i trytu zachodzi w temperaturze powyżej 100 mln. oK (10keV). W przypadku innych reakcji np. D-D lub D-He3 w warunkach ziemskich wymagane są jeszcze wyższe temperatury. Gęstość Aby synteza zachodziła z wymaganą wydajnością gęstość jonowa paliwa (mierzona w gramach na metr sześcienny) musi być ściśle określona. Moc otrzymywana w czasie syntezy ulega redukcji, jeśli paliwo ulega zanieczyszczeniu przez inne atomy oraz poprzez nagromadzenie jonów helu pochodzących z samej reakcji syntezy. Tak, więc w trakcie procesu syntezy następuje wypalanie paliwa i musi być ono uzupełniane. Hel stanowi swoisty popiół i należy się go pozbywać. Czas utrzymania Energia Czas utrzymania plazmy jest miarą długości zatrzymana energii w plazmie przed jej utraceniem. Jest ona zdefiniowana jako stosunek energii termicznej utrzymanej w plazmie do dostarczonej mocy służącej do uzyskania takich warunków. W celu utrzymania energii w plazmie tak długo jak to jest możliwe w JET używa się pola magnetycznego. Izoluje ono gorącą plazmę od względnie zimnych ścian komory. Straty w przypadku plazmy utrzymywanej magnetycznie mają głownie charakter radiacyjny. Czas utrzymania wzrasta gwałtownie wraz ze wzrostem objętości plazmy. Większa ilość plazmy utrzymuje lepiej ciepło. Szczególnym przykładem jest Słońce, dla którego czas utrzymania energii jest olbrzymi.

Join European Torus (JET). Tokamak znajdujący się w Culham w Wielkiej Brytanii. Strzał nr #64159 – Obraz plazmy za pośrednictwem kamery wideo (poprzez okno kwarcowe).

Aby zaszła synteza konieczne jest spełnienie jednoczesne następujących warunków:

temperatura plazmy : (T) 100-200 milionów stopni Kelwina,

czas utrzymania: (t) 1-2 sekund,

gęstość w osi: (n) 2-3 x 1020 cząstek/m-3 (~1/1000 g m-3)

3. Otrzymywanie plazmy wysokotemperaturowej:

3.1. Podstawowe problemy.

Zasadniczym problemem jest wytworzenie ekstremalnie wysokiej temperatury i ciśnienia w zjonizowanym gazie - plazmie oraz utrzymanie jej w tych warunkach wystarczająco długo, aby zainicjować emisję energii. Gdy się taki cel osiągnie i zajdzie wystarczająca liczba reakcji syntezy, dostawa świeżego paliwa powinna zapewnić tworzenie energii w sposób ciągły. Warunkiem koniecznym dla produkowania energii w reaktorze termojądrowym przy plazmie deuterowo-trytowej (w stosunku 1:1) jest spełnienie tzw. kryterium Lawsona, które głosi, że iloczyn gęstości jąder w plazmie i czasu utrzymania plazmy w temperaturze zapłonu plazmy powinien przewyższać wartość progową 1020-1021 s/m3. Konieczność utrzymania wysokiej temperatury oznacza, że plazma nie może znaleźć się w kontakcie ze ścianami jakiegokolwiek naczynia. Jest rzeczą oczywistą, że żadne ścianki materialne nie są w stanie wytrzymać tak wysokich temperatur a realizacja reakcji syntezy jądrowej na Ziemi stanowi niezwykłe wyzwanie dla uczonych i techników. Dlatego też należy

wypracować specyficzne techniki utrzymywania plazmy. W centrum Słońca, w którym panuje temperatura rzędu 107 K, a gęstość dochodzi do 100 kg/dcm3 panują idealne warunki do utrzymywania plazmy. Utrzymywanie to nazywamy z naturalnych względów grawitacyjnym. Opis cykli syntezy termojądrowej w Słońcu i innych gwiazdach zawdzięczamy fizykowi niemieckiemu, Hansowi Albrechtowi Bethemu (1916 - 2005), rys. 3.1. Ten typ pułapkowania grawitacyjnego nie jest jednak możliwy w warunkach ziemskich.

Rys 3.1. Hans Albrecht Bethe

Prócz metody grawitacyjnej istnieją jeszcze dwie inne metody utrzymania plazmy w zamknięciu, a mianowicie: magnetyczna i inercyjna. W wypadku metody magnetycznej, gdzie gęstość cząstek przewyższa około 1020/m3 , czas utrzymywania plazmy, zgodnie z kryterium Lawsona, powinien przewyższać 1 s. Przy inercyjnym utrzymywaniu plazmy gęstość cząstek jest mniejsza od około 1031/m3, a czas utrzymywania plazmy dłuższy od 10-11 s. Reakcją, którą się wykorzysta w przyszłości, jest synteza deuteru i trytu, choć rozpatruje się też syntezę dwóch atomów deuteru. Deuter można łatwo znaleźć w wodzie (30 g na metr sześcienny). Tryt jednak musi być wytworzony albo w reaktorze jądrowym, albo powstać w reaktorze termojądrowym z litu - pierwiastka, który znajduje się w dużych ilościach w skorupie ziemskiej. Taki reaktor termojądrowy składałby się z grubego (ok. 1 m) płaszcza litowego, zawierającego także beryl, otaczającego rdzeń reaktora. Sam lit pochłaniałby neutrony spowalniane w tymże płaszczu. Ostatecznie lit przekształcałby się w tryt i hel. Wyzwalana energia ogrzewałaby płaszcz litowy i byłby to punkt startowy do wytwarzania energii użytecznej. Beryl jest natomiast niezbędny dla podtrzymania liczby neutronów w układzie.

3.2. Magnetyczne utrzymywanie plazmy.

Ruchem cząstek naładowanych w plazmie można sterować przy użyciu pola magnetycznego. W układach tworzących zamknięte pułapki magnetyczne, w reaktorach zwanych Tokamakami, grzeje się i gromadzi plazmę (na przykład deuterowo-trytową) o gęstości około 1021 lub mniej cząstek na metr sześcienny. W przeciwnym wypadku plazma natychmiast się schładza i zachodzenie reakcji syntezy staje się niemożliwe. Przy atmosferycznej gęstości cząstek (około 1027 na metr sześcienny) i ich energii termicznej

wynoszącej 10 keV, ciśnienie magnetyczne musi przewyższać 108 hPa. Tak wielkiego ciśnienia nie mogą wytrzymać ani cewki pola magnetycznego, ani związana z nimi mechaniczna konstrukcja! Aby zmniejszyć ciśnienie należy obniżyć gęstość cząstek. Ponieważ jednak reakcja syntezy zachodzi, gdy cząstki zderzają się ze sobą, gorącą plazmę trzeba utrzymać przez dość długi okres. Z tego względu, aby zaszła konkretna reakcja syntezy, należy spełnić wspomniane już kryterium Lawsona, podające wartość krytyczną iloczynu gęstości cząstek i czasu ich zgromadzenia w temperaturze zapłonu plazmy. Dla plazmy deuterowo-trytowej ma ono postaćn0τ>3∗1020 m−3 s. Dla plazmy deuterowej i reakcji d-d powyższy iloczyn powinien przekraczać 1022 m-3s. Jak się okazało, najefektywniejszą konfiguracją pola magnetycznego jest konfiguracja toroidalna. Wygląda ona jak pączek amerykański i tworzy zamkniętą "butelkę magnetyczną". Dla zapewnienia stabilności plazmy linie pola magnetycznego powinny układać się na helisie. Taki typ pułapki tworzą układy znane pod nazwą tokamaków, stellaratorów i układów „pinchu” (z samozaciskającym się sznurem plazmy) z odwróconym polem magnetycznym (RFP - od ang. Reversed Field Pinch). W Tokamaku (nazwa pochodzi od ros. toroidalnaja kamiera, magnitnaja katuszka), wokół reaktora w kształcie torusa znajduje się szereg cewek pola magnetycznego. Rdzeń transformatora przechodzi przez środek Tokamaka, prąd w plazmie tworzy zaś uzwojenie wtórne. Zmienne pole magnetyczne w rdzeniu transformatora generuje wewnątrz toroidu wirowe pole elektryczne, które przyspiesza jony i elektrony plazmy. Prostopadłe do pola toroidalnego pole magnetyczne (tzw. poloidalne) wytwarzane jest bezpośrednio przez indukowany w plazmie prąd. Prąd ten także ogrzewa plazmę do wymaganej temperatury około 106 K (mamy tu do czynienia z tzw. grzaniem omowym). Z kolei pole magnetyczne wytwarzane przez prąd płynący przez plazmę wywołuje efekt samozaciskania się sznura plazmowego (tzw. pinch effect), skutkujący zwiększeniem gęstości plazmy. Dodatkowe cewki nawinięte na obwodzie torusa wytwarzają pole magnetyczne stabilizujące sznur plazmowy. Opisana konfiguracja pól magnetycznych powoduje, że cząstki w plazmie poruszają się po torach śrubowych wzdłuż osi torusa, nie dotykając ścianek komory. Pomysł Tokamaka pochodzi od fizyków rosyjskich: Andrieja Sacharowa i Igora Tamma. Największą wadą tych urządzeń jest fakt, iż zakres możliwych parametrów ich pracy jest silnie ograniczony. Pierwszym zbudowanym na świecie tokamakiem był tokamak uruchomiony w Instytucie Energii Atomowej w Moskwie. Pokazujemy odpowiednio jeden z najmniejszych na świecie tokamaków: „Novillo” i największy zbudowany dotąd - JET (od ang. Joint European Torus).

Rys 3.2 . Zasada tokamaka z pokazanym sznurem plazmowym (rys. oryg. Forschungszentrum Jülich GmbH)

Rys 3.3. Jeden z najmniejszych na świecie tokamak „Novillo”

Podobnie, jak w wypadku reaktorów jądrowych tak i w budowie tokamaków można wyróżnić kilka generacji. I tak, do generacji I zaliczamy układy małe i średnie, które budowano głównie do lat 1970. Kolejna generacja II objęła cztery układy dużej skali, a mianowicie wspomniany już JET oraz TFTR (Tokamak Fusion Test Reactor w USA), JT60 (w Japonii) oraz T15 w b. ZSRR. Warto zwrócić uwagę, że typowe natężenia prądów w tokamaku, to wiele megaamperów.

Rys 3.4. Schemat JET

Generacja III, to rozpoczęty właśnie projekt ogólnoświatowy budowy tokamaka o nazwie ITER (od ang. International Thermonuclear Experimental Reactor), w której objętość komory będzie dziesięciokrotnie przewyższał komorę w JET, a o rozmiarze całości może świadczyć sylwetka człowieka u dołu rys. 3.6. Po stacji orbitalnej Alfa jest to obecnie najdroższy projekt naukowy realizowany na świecie (ok. 10 miliardów Euro), a uczestniczą w nim Unia Europejska, USA, Rosja, Japonia, Korea Południowa i Chiny. Wyniki uzyskane na instalacji ITER mają posłużyć do zbudowania tokamaka czwartej generacji – DEMO, będącego już przygotowaniem do budowy prototypu pierwszej elektrowni termojądrowej – PROTO. Ta ostatnia być może nawet nie będzie budowana i od razu przystąpi się do budowy regularnej elektrowni.

Rys 3.5. Wnętrze komory tokamaka JET

Rys 3.6. Schemat reaktora ITER.

Innym rozwiązaniem technicznym dla utrzymania plazmy jest stellarator, w którym pole magnetyczne wytwarzane jest przez cewki o silnie zdeformowanym (lecz precyzyjnie obliczonym) kształcie. Rys. 3.7. pokazuje kształt takich cewek. Oczywiście pole wytwarzane przez takie cewki prowadzi również do specyficznego kształtu sznura plazmowego. Stellaratory są budowane w kilku krajach. Największy z nich LHD (od ang. Large Helical Device) został zbudowany w Japonii, patrz rys. 3.8.

Rys 3.7. Wygląd cewek pola magnetycznego stellaratora

Rys 3.8. Największy na świecie układ stellaratora w Japonii. Z prawej pokazany jest kształt sznura plazmowego w tym stellaratorze

3.3. Inercyjne utrzymywanie plazmy.

Idea pułapki inercyjnej sprowadza się do przygotowania pastylki z paliwem termonuklearnym, a następnie spowodowania znacznej jej kompresji przez bombardowanie silnymi, dobrze zogniskowanymi, symetrycznymi impulsami światła laserowego lub wiązkami jonów. Powierzchnia pastylki w tych warunkach odparowywuje i tworzy koronę plazmową. Rozszerzająca się plazma tworzy falę uderzeniową biegnącą w kierunku pastylki, co skutkuje implozją pastylki i krótkotrwałym zajściem reakcji syntezy. Schematyczny przebiegu całego procesu ilustruje rys. 3.9. Najbardziej zaawansowanym układem, w którym wykorzystuje się ten typ pułapki plazmowej jest NOVA w Lawrence Livermore Laboratory w USA (rys. 3.10.). Pokazano tam, że podczas ściskania plazmy można otrzymać gęstości 600 razy większe niż gęstość cieczy D-T (deuterowo-trytowej) i 20 razy większe niż gęstość ołowiu. Niestety raczej niska sprawność laserów nie pozwala na bardzo efektywne wykorzystanie metody utrzymywania inercyjnego.

Rys 3.9. Przebieg wywołania reakcji syntezy jądrowej z utrzymywaniem inercyjnym

Rys 3.10. Instalacja NOVA w Lawrence Livermore Laboratory (USA)

Średnica komory wynosi 10 m, waga zaś (aluminium), to 450 ton. Jakże przy tym maleńka jest pokazana wyżej kuleczka mieszaniny D+T (pelet), będąca równoważna w mocy wybuchu 50 kg TNT.

Przyjęte rozwiązanie cechuje się kilkoma wadami: • Stosunek energii uzyskanej z syntezy do energii niezbędnej do jej zainicjowania wynosi (dla równomiernie grzanego peletu D+T) około 225. • Niska efektywność laserów i źródeł jonów powoduje konieczność dostarczenia do układu energii co najmniej 104 razy większej. • Zainicjowanie syntezy wymaga energii 100 kJ, co oznacza, że zbudowanie reaktora wymagałoby laserów o mocy kilku megawatów. A już obecna hala laserów (rys. 7.15) wygląda imponująco. • Trudności zagwarantowania odpowiedniej częstości repetycji laserów i wytrzymałości ich okien.

W Stanach Zjednoczonych w Sandia National Laboratories miast laserów korzysta się z nanosekundowych impulsów promieniowania rentgenowskiego o energii około 1 keV, wysyłanego z tzw. układu Z. Układ ten wykorzystuje opisane przez nas wcześniej zjawisko samozaciskania (pinchu) sznura plazmowego w tokamakach. Odpowiednia technologia pozwala na wyzwalanie impulsów elektrycznych dużej mocy podczas rozładowania baterii kondensatorów. Dzięki połączeniu tych impulsów ze zjawiskiem Z-pinchu i wytwarzanym promieniowaniem rentgenowskim można inicjować reakcje syntezy w kuleczkach z paliwem deuterowo-trytowym. Technika ta ma, jak dotąd, tylko skalę laboratoryjną.

4. Zastosowanie plazmy wysokotemperaturowej w unieszkodliwianiu materiałów niebezpiecznych:4.1. Wstęp.

Plazma, będąca w większym lub mniejszym stopniu zjonizowanym gazem, bywa uważana za czwarty stan materii. W technologiach plazmowych plazmę dzieli się na trzy typy, mianowicie: plazmę wysokotemperaturową (ang. high temperature plasma, equilibrium plasma), plazmę niskotemperaturową (ang. thermal plasma, quasi-equilibrium plasma) i plazmę występująca pod nazwami nietermiczna, zimna (ang. nonthermal plasma, non-equilibrium plasma, cold plasma). Plazma jest już stosowna w technice od ponad stu lat, ale nadal prowadzone są badania podstawowe oraz aplikacyjne nad jej wykorzystaniem i stale napływają informacje o nowych obszarach jej zastosowań. Ostatnio duże zainteresowanie skupia się na wykorzystaniu plazmy termicznej w procesie utylizacji odpadów komunalnych, w tym szpitalnych i odpadów przemysłowych, zwłaszcza niebezpiecznych organicznych związków chemicznych (fenol, chlorowane bifenyle i dioksyny, PCBs, PCDDs). Na szczególną uwagę zasługują badania nad wykorzystaniem plazmy termicznej w procesie spalania i gazyfikacji organicznych materiałów stałych (biomasa i tworzywa sztuczne).

Wpływ na rozwój badań nad wykorzystaniem techniki plazmowej do utylizacji odpadów ma promowana polityka proekologiczna krajów wysokorozwiniętych, zwłaszcza członków Wspólnoty Europejskiej. Wyniki pilotażowych badań wskazują, że zastosowanie techniki plazmowej do pozyskiwania paliw płynnych z biomasy i odpadów komunalnych może okazać się efektywne, jak również bezpieczne dla środowiska. Również światowy wzrost ceny ropy naftowej spowodował zainteresowanie systemami pozyskiwania paliw ze zgazowania węgla i alternatywnych paliw, takich jak odpadowe tworzywa sztuczne, biomasa, osady ściekowe i odpady organiczne. Istotny jest także fakt pozyskiwania w procesie zgazowania biomasy znacznych ilości wodoru uważanego za paliwo przyszłości

.

4.2. Koncepcja wykorzystania techniki plazmowej do termicznego przetwarzania materiałów organicznych.

Wykorzystanie plazmy do termicznego przetwarzania materiałów organicznych może przyczynić się do rozwiązania poważnego problemu związanego z utylizacją odpadów (komunalnych, szpitalnych, recyklingu itp.) skażonych zarówno bakteriologicznie, jak i chemicznie, zwłaszcza związkami węglowodorowymi.

Plazma stanowi wysokotemperaturowy, silnie zjonizowany ośrodek w którym następuje szybki rozkład termiczny substancji organicznej. Po schłodzeniu produktów odgazowania wydzielają się z nich składniki gazowe (np. CO, CO2, CH4, C2H6, N2), ciekłe (kondensujące, jak: woda, alkohole, kwasy i aldehydy, smoła) i stałe (pozostałość koksowa). Plazma czyni przetwarzaną mieszankę bardziej reaktywną w wyniku dysocjacji termicznej wielu produktów gazowych z wytworzeniem rodników (C, S, CN, OH, NH, CH, CH3...).

Występuje ponadto jonizacja produktów rozpadu z tworzeniem się jonów dodatnich (C+, H+, N+, CO+, O+, Si+, K+ i inne) oraz ujemnych (O-, H-, N- i inne), co ułatwia przebieg procesu zgazowania/pirolizy. Przykładowo podczas plazmowego zgazowania odpadów (szpitalnych) zawierających celulozę (papier), polietylen (plastik) i wodę reakcje zgazowania można przedstawić w sposób uproszczony wg poniższego schematu:

Celuloza C6H10O5 + plazma → CH4 + 2CO + 3H2O + 3C → nCO + mH2

Polietylen (CH2-CH2)n + plazma + H2O → xCH4 + zCO + rodniki → nCO + mH2.

Według wyników badań zawartych w pracy do zgazowania 1 kg odpadów szpitalnych o składzie wagowym 60% papieru, 30% tworzywa sztucznego i 10% wody zużywa się ok. 1 kWh energii elektrycznej, a z powstającego gazu syntezowego (CO i H2) można uzyskać, po uwzględnieniu konwersji do energii elektrycznej, ponad 3 kWh – są to przesłanki świadczące o opłacalności przedsięwzięcia. Duża zawartość wodoru w gazie syntezowym dodatkowo przemawia za atrakcyjnością plazmowego zgazowania odpadów uznawanych za paliwa alternatywne. Obecnie standardową i najtańszą metodą produkcji wodoru na skalę przemysłową jest katalityczny reforming parowy węglowodorów. Jednak takie wytwarzanie wodoru jest na tyle technologiczne skomplikowane, że jest to produkcja scentralizowana, prowadzona na dużą skalę, zatem przypisana do konkretnego miejsca. Do tzw. produkcji rozproszonej przydatna może okazać się metoda plazmowego zgazowania związków organicznych. Przemawia za tym fakt, że zgazowanie plazmowe jest efektywne zarówno w dużej, jak i małej skali. Ponadto plazmowa produkcja gazu o dużej zawartości wodoru jest stosunkowo prosta i wydajna w porównaniu do katalitycznego parowego reformingu, a wynika to z faktu, że sama plazma wykazuje właściwości katalityczne.

4.3. Instalacja do plazmowego przetwarzania materiałów organicznych.

Przedstawiona w pracy pilotażowa instalacja do plazmowego przetwarzania materiałów organicznych (docelowo odpadowych tworzyw sztucznych i odpadowej biomasy) w paliwa płynne opiera się na szybkiej pirolizie. Zawiera ona następujące elementy funkcjonalne: węzeł przygotowania surowca stałego do reaktora plazmowego (rozdrobnienie lub stopienie), człon obróbki termicznej (zgazowanie plazmowe), układ szybkiego schładzania gazów, instalację oczyszczania paliwa syntezowego (docelowo), układy pomiarowe, zbiorniki na pozyskane paliwo. Co schematycznie zilustrowano na rysunku 4.1.

Rys 4.1. Schemat instalacji do plazmowego zgazowywania materiałów organicznych.

W reaktorze zgazowującym, jako źródło plazmy zastosowano plazmotron wnękowy, bazujący na wyładowaniu łukowym w stałym polu elektrycznym DC. Kanał plazmowy w plazmotronie wnękowym cechuje się dużą gęstością energii i wysoką temperaturą sięgającą kilku tysięcy K, a w samym jądrze kanału plazmowego temperaturę szacuje się na kilkanaście tysięcy K. Ze względu na wysokie temperatury w kanale plazmowym, elektrody w plazmotronach są zwykle chłodzone wodą. Doświadczenia własne wykazały, że średni czas życia elektrod miedzianych z chłodzeniem wodnym zawiera się w przedziale 50-150 h w środowisku utleniającym i do 300 h przy zastosowaniu gazu ochronnego. Czas życia elektrod uzależniony jest również od materiału elektrod. Zasadniczym elementem instalacji jest blok plazmowego zgazowania. Stanowi go reaktor zgazowujący wraz z plazmotronami, widoczne na rysunku 4.2.

Rys 4.2. Reaktor do plazmowego zgazowywania materiałów organicznych.

W przeprowadzonych wstępnych pracach nad plazmowym zgazowaniem materiałów organicznych w celu pozyskiwania paliw płynnych, jako czynnik plazmotwórczy wykorzystywano azot. W zakresie badań przewidziane jest również wykorzystanie pary wodnej, jako plazmotwórczego czynnika zgazowującego. W plazmotronach łukowych czynnikiem plazmotwórczym najczęściej są takie gazy jak: argon, azot, CO2, para wodna lub ich mieszaniny. Podczas prób rozdrobniony materiał (przechodzący przez sito o oczku 630

µm) podawano do reaktora plazmowego podajnikiem pneumatycznym przez górny otwór rewizyjny znajdujący się nad strefą płomienia plazmowego (widoczny na rysunku 4.2). Ważnym elementem instalacji jest chłodnica do szybkiego schładzania produktów powstałych podczas plazmowego przetwarzania. Właściwa szybkość schładzania produktów zgazowania jest bardzo istotna dla największego uzysku frakcji płynnych. To chyba najtrudniejszy etap w technologii szybkiej pirolizy wytwarzania paliw płynnych. Przy założeniu pozyskiwania w procesie plazmowego zgazowania ciekłych frakcji paliwowych, w tym smolistych, zdecydowano się na wykonanie chłodnicy, jako wymiennika płytowego (rysunek 4.3), w którym czynnikiem chłodniczym jest woda sieciowa. Zastosowana autorska konstrukcja chłodnicy umożliwia szybkie schładzanie gazów procesowych dzięki stosunkowo dużej powierzchni wymiany jak i spowolnieniu prędkości ich przepływu. Umożliwia ona również bezpośredni odbiór skroplonej frakcji ciekłej (do analizy lub magazynowania) przez otwory spustowe znajdujące się dolnej części chłodnicy.

Rys 4.3. Elementy konstrukcyjne chłodnicy gazów procesowych.

Otwory robocze i rewizyjne chłodnicy umożliwiają również podłączenie analizatorów gazów do oznaczania składu produktów powstających podczas zgazowania w czasie rzeczywistym celem dobrania optymalnych parametrów procesu. Widok zasadniczych elementów pilotażowej instalacji do plazmowego zgazowania przedstawiono na rysunku. 4.4.

Rys 4.4. Widok zasadniczych elementów instalacji do plazmowego zgazowania.

Do analizy w czasie rzeczywistym składu gazów procesowych powstałych podczas plazmowego przetwarzania wykorzystano stacjonarny analizator gazów procesowych GAS 3000R z detektorami NDIR na cztery gazy, takie jak: (CO: 0-50%, CO2: 0-25%, CH4: 0-10%, H2: 0-25%).

4.4. Wstępne wyniki badań plazmowego przetwarzania biomasy.

4.4.1. Materiał do badań.

Do badań nad możliwością plazmowego przetwarzania biomasy w przedmiotowej instalacji w celu pozyskiwania paliw płynnych wybrano pyły trzech materiałów: - wytłoki z buraka cukrowego, - miskantus olbrzymi, - wierzba konopianka. Wytypowane materiały biomasy roślinnej przed właściwym procesem zgazowania zostały wstępnie rozdrobnione, a następnie zmielone w młynie firmy Retsch typu SM100 i przesiane przez kalibrowane sita laboratoryjne do uzyskania frakcji pyłu < 630 µm. W celu określenia jakości rozdrobnienia materiałów poddawanych plazmowemu przetwarzaniu wykonano analizę sitową, której wyniki przedstawiono w tabeli 4.1.1.

W tabeli 4.1.2 podano wyniki analizy technicznej, a w tabeli 4.1.3 wyniki analizy elementarnej materiałów wykorzystanych w procesie (analizy wykonało Laboratorium Analiz Elementarnych Wydziału Chemicznego Uniwersytetu Wrocławskiego).

Przeprowadzona analiza techniczna i elementarna wskazuje na duże podobieństwo składu chemicznego badanych surowców biomasy roślinnej. Istotnym parametrem dla procesu zgazowania jest zawartość części lotnych. Wszystkie poddane procesowi plazmowego przetwarzania rodzaje biomasy cechują się zawartością części lotnych powyżej 60%.

4.4.2. Przebieg plazmowego przetwarzania.

Eksperyment przebiegał dwuetapowo. Pierwszy to etap przygotowawczy: komora reaktora była wygrzewana grzałką elektryczną do temperatury rzędu 500-600°C w celu uniknięcia zniszczenia obmurza reaktora. Ten etap obejmował również przygotowanie i uruchomienie wszystkich układów i instalacji pomocniczych, niezbędnych do przeprowadzenia procesu pirolizy. Drugi etap to właściwy proces pirolizy wybranego surowca biomasy. Badania wstępne plazmowej pirolizy biomasy wykonano przy wykorzystaniu jednego plazmotronu. Po uruchomieniu plazmotronu instalacja pracowała na biegu jałowym przez około 5 minut, aż do momentu ustabilizowania cieplnych warunków procesu, po czym następowało podawanie biomasy ze stałym ustalonym wydatkiem. We wszystkich próbach strumień czynnika zgazowującego (N2) wynosił około 15 m3/h. Pył biomasy podawano bezpośrednio nad obszar oddziaływania plazmy. Dzięki stycznemu wprowadzeniu plazmy do reaktora materiał przyjmował wirowy kierunek ruchu postępujący w stronę wylotu z reaktora. Za reaktorem znajduje się cyklon odpylający, który usuwał z otrzymanego gazu procesowego stałą pozostałość (karbonizat). Następnie gaz trafiał do chłodnicy płytowej, gdzie zachodziło jego wychłodzenie. W trakcie badań rejestrowane były podstawowe parametry techniczne procesu, które dla wybranych prób przedstawiono zbiorczo w tabeli 4.2.1. Dokonano kilkunastu prób pirolizy dla wybranych materiałów zmieniając ich wydatek w zakresie od 1 do 4 kg/h. Zaobserwowano, że wraz ze wzrostem wydatku podawanego paliwa temperatura procesu pirolizy ulega zmniejszeniu. Najprawdopodobniej jest to związane z faktem, iż większa ilość podawanej biomasy absorbuje więcej energii cieplnej dostarczanej do reaktora na reakcje przemiany (pirolizy).

4.4.3. Analiza produktów powstałych podczas prób plazmowego przetwarzania biomasy.

W celu oceny jakości procesu plazmowego przetwarzania badanych surowców biomasy wykonano analizy podstawowych składników gazu procesowego. Analizator gazów dokonywał bieżącej (w czasie rzeczywistym) rejestracji stężenia H2, CO, CH4 i CO2. Dodatkowo po zakończeniu każdego cyklu prób do dalszej analizy pobierano pozostałość stałą (karbonizat) i pozostałość ciekłą/bezpostaciową. Tabela 4.3.1 zawiera udziały podstawowych gazów uzyskanych podczas procesu plazmowej pirolizy wybranych surowców biomasy. Produktem stałym uzyskiwanym podczas plazmowego przetwarzania biomasy był karbonizat który posłużył do określenia skuteczności odgazowania materiału wejściowego. Skuteczność procesu plazmowego przetwarzania wyznaczano z zależności:

ξ=(1−θk

θa )∗100 % gdzie:

θk−¿zawartość części lotnych w karbonizacie, θa−¿zawartość części lotnych w biomasie nieprzetworzonej.(Oznaczenie zawartości części lotnych wykonano zgodnie z PN 98 G-04516).

Wyniki oszacowania skuteczności plazmowego przetwarzania biomasy dla przeprowadzonych prób podano w tabeli 4.3.2.

Obok produktów gazowych i pozostałości stałej (karbonizatu), w procesie plazmowego przetwarzania biomasy otrzymano niewielką ilość frakcji ciekłej i smół osadzających się na ściankach chłodnicy. Materiał ciekły do analizy pobrano z komór chłodnicy płytowej (przez specjalne króćce umożliwiające odbiór wykroplonej cieczy widoczne na rysunku 3.3).

Badaniom poddano ciecz pochodząca ze zgazowania zmielonej wierzby konopianki. Charakterystykę fizykochemiczną tej frakcji podano w tabeli 4.3.3.

Reasumując, z przeprowadzonych doświadczeń wynika, że jakość (wartość opałowa) otrzymanych produktów gazowych (paliw) rośnie wraz we wzrostem wydatku podawanej biomasy. Najlepszy gaz uzyskano zgazowując wytłoki z buraków cukrowych. Dla wydatku 4 kg/h uzyskano gaz o kaloryczności około 1,4 MJ/Nm3. Należy jednak zaznaczyć, że dla porównywalnych wydatków kaloryczność otrzymanych gazów jest zbliżona. I tak dla wydatku 3 kg/h wartość opałowa gazu pirolitycznego otrzymanego z przemiany trzech różnych surowców biomasy wahała się w granicach 1 MJ/Nm3. Otrzymany gaz jest na granicy palności. Oszacowana skuteczność plazmowego przetwarzania dla wszystkich przebadanych rodzajów biomasy i prób świadczy o zbyt niskiej sprawności procesu.

5. Podsumowanie i wnioski.

W pracy opisano istotę plazmy, ukazano ją jako czwarty stan skupienia materii, który w warunkach ziemskich występuje np. w postaci płomienia czy wyładowania atmosferycznego. Dodatkowo przedstawiono dość szczegółowo syntezę/ fuzję jądrową, reakcje łączenia się jąder lekkich z jądrami cięższych pierwiastków (deuteru i trytu). Udowodniono że odpychanie się dodatnio naładowanych jąder pierwiastków można przezwyciężyć zbliżając je do siebie, a to najłatwiej osiągnąć w wysokich temperaturach (rzędu 107 K). Ponadto przedstawiono urządzenia do wytwarzania plazmy w warunkach ziemskich, jakimi są tokomaki, stellaratory czy Z-pinch. Plazma uzyskiwana jest w komorach tych urządzeń poprzez stworzenie silnego pola magnetycznego, którego zadaniem jest utrzymanie plazmy w torrusie. Większość z tych badań sprowadza się do budowy reaktorów termojądrowych. W pracy przedstawiono także ideę metody pozyskiwania paliw w procesie plazmowego przetwarzania odpadów, w tym biomasy roślinnej. Podano koncepcję plazmowego przetwarzania materiałów organicznych i przedstawiono opracowaną na tej podstawie prototypową instalację do plazmowego zgazowania/pirolizy. Opisano ogólną zasadę działania plazmowej instalacji zgazowującej i rolę jej poszczególnych elementów w procesie przetwarzania. Podano podstawowe parametry pracy instalacji wyznaczone w trakcie prac nad jej rozruchem. Podano również kierunki dalszych prac nad optymalizacją działania powstałej instalacji, mających na celu opracowanie efektywnej technologii pozyskiwania paliw płynnych ze zgazowania/pirolizy odpadów organicznych, w tym zawierających związki organiczne zakwalifikowane jako odpady niebezpieczne. Reasumując, wstępne prace wykazały, że w prezentowanej prototypowej instalacji jest możliwe plazmowe przetwarzanie materiałów organicznych z uzyskaniem płynnych frakcji paliwowych. Oceniając skuteczność plazmowego przetwarzania stwierdza się, że dobrane parametry procesu pirolizy nie powodują całkowitego przekształcenia badanego materiału na oczekiwane wysokokaloryczne płynne frakcje paliwowe (gaz syntezowy i ciekłe frakcje paliwowe). Wynika to m.in. z budowy chemicznej biomasy roślinnej, która nie jest korzystnym substratem/składnikiem odpadów do uzyskiwania paliw płynnych w procesie przetwarzania plazmowego. Zaznaczyć jednak należy, że zaproponowana w niniejszej pracy nowatorska metoda plazmowego przetwarzania biomasy odpadowej może okazać się alternatywą do obecnie stosowanych klasycznych metod zgazowania i pirolizy. Przemawia za tym stosunkowo nieskomplikowana budowa instalacji, jej modułowy charakter oraz krótki czas rozruchu i wyłączenia z eksploatacji. Dlatego celowym wydaje się prowadzenie dalszych prac nad udoskonaleniem zaproponowanej metody. W pierwszej kolejności, aby usprawnić proces plazmowego przetwarzania, należy podnieść temperaturę w reaktorze plazmowym.

6. Literatura.

A. Bartczak, Nowe stany skupienia materii, http://fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_no5.html (dostęp 08.09.2015);

L. Dobrzyński, Elementy fizyki jądrowej i reaktorowej rozdział VII, 19.06.2013http://ncbj.edu.pl/zasoby/wyklady/ld_stud_podypl/07. En_termo.pdf (dostęp 08.09.2015);

S. Jednoróg, M. Karpińska, ITER (INTERNATIONAL THERMONUCLEAR EXPERIMENTAL REACTOR) PANACEUM NA KŁOPOTY ENERGETYCZNE, 30.09.2006 http://www.if.pw.edu.pl/~pluta/pl/dyd/mtj/ITER-SJ.pdf (dostęp 09.09.2015);

T. Mączka, R. Miller, W. Kordylewski, E. Śliwka, Treatment of waste biomass using plasma technology, 03.04.2013 yadda.icm.edu.pl/yadda/element/bwmeta1.element.baztech-88e078e7-4a1e-46a4-8b3e-64f0974b73d1/c/Maczka.pdf (dostęp 09.09.2015);

Jacek Tyczkowski, Neony, plazma, warstwy; Wiedza i Życie 7/2002;

Encyklopedia fizyki współczesnej;

Czesław Bobrowski, Fizyka - krótki kurs;