PLASMAKUUMENNUS. LAPPEENRANNAN TEKNILLINEN YLIOPISTO Teknillinen tiedekunta Sähkötekniikan koulutusohjelma BL20A0800 Sähkölämpötekniikka

Transkriptio

1 LAPPEENRANNAN TEKNILLINEN YLIOPISTO Teknillinen tiedekunta Sähkötekniikan koulutusohjelma BL20A0800 Sähkölämpötekniikka PLASMAKUUMENNUS Lappeenrannassa Henri Hämäläinen Jesse Jäävalli Michal Kupisz

2 TIIVISTELMÄ Lappeenrannan teknillinen yliopisto Teknillinen tiedekunta Sähkötekniikan koulutusohjelma BL20A0800 Sähkölämpötekniikka Henri Hämäläinen Jesse Jäävalli Michal Kupisz Kirjallisuustyö 2014 Lappeenranta 15 sivua, 10 kuvaa Ohjaava opettaja: Janne Nerg Tämä kirjallisuustyö käsittelee plasmakuumennusta ja sen sovelluksia. Kirjallisuustyö on osa sähkölämpötekniikan kurssia. Työ on tehty LUT:n diplomityöohjetta noudattaen.

3 SISÄLLYSLUETTELO 1 JOHDANTO PLASMAN MUODOSTAMINEN Plasmageneraattori SOVELLUKSET Jätteiden käsittely plasman avulla Plasmakäsittelyn etuja Metallien sulattaminen plasman avulla Fuusioreaktori Plasmaleikkaus Plasmahitsaus Plasmapinnoitus Terminen plasmasuihkutus Kemiallinen höyrykerrostuma termisellä plasmalla (TPCVD) Mineraalien ja malmien käsittely plasmalla YHTEENVETO LÄHTEET... 14

4 1 1 JOHDANTO Käsittelemme tässä työssä plasmakuumennusta. Tekstissä käydään läpi lyhyesti mitä plasma on ja siihen liittyvät tärkeimmät laitteet. Työmme keskittyy sovelluksiin. Plasma hyödynnetään monella tapaan, eikä kaikissa ole kyse plasmakuumennuksesta. Esittämissämme sovelluksissa plasman korkealla lämpötilalla on aina iso merkitys. Suurimmalle osalle sovelluksista on löydetty järkevää käyttöä teollisuudessa. Työssämme ainoastaan esittelemme plasmasovelluksia. Emme luo tai tuo esiin omia ratkaisuja.

5 2 2 PLASMAN MUODOSTAMINEN Plasma on aineen olomuoto, jossa kaasun atomit ovat ionisoituneet. Se sisältää positiivisten ionien lisäksi vapaita elektroneja. Ulospäin plasma on sähköisesti neutraali, mutta vapaiden varaustensa ansiosta se johtaa hyvin sähköä. Plasmaa saadaan, kun kaasua kuumennetaan tarpeeksi korkeaan lämpötilaan ja ylitetään vaadittava ionisaatioenergia. Vaadittu lämpötila on vähintään K alkuaineesta riippuen. Teollisuudessa näin korkea lämpötila saadaan aikaiseksi valokaarella tai sähkömagneettisella kentällä. Teollisuuskäytössä vain osa plasman kaasuatomeista on ionisoituneita, tyypillisesti muutamasta prosentista 50 prosenttiin. Sen lämpötila vaihtelee C välillä. 100-prosenttista plasmaa syntyy vain lämpöydinfuusiossa. Sille ei ole teollisuudessa käyttöä hyvin korkean, useita miljoonia asteita ylittävän lämpötilansa vuoksi. Korkean lämpötilan ja hyvän sähkönjohtavuuden lisäksi plasmalla voidaan siirtää energiaa. Plasmatykillä puhallettaessa plasma muuttuu käsiteltävän aineen pinnalla takaisin kaasuksi, jolloin vapautuu runsaasti lämpöä. Keskimäärin 70 % plasman tuottamiseen kuluneesta sähköenergiasta muuttuu kohteessa lämmöksi. (BL20A0800 Sähkölämpötekniikka: luentomateriaali) 2.1 Plasmageneraattori Plasmakuumennuslaitteissa (kuva 1) plasman muodostamiseen tarvitaan plasmageneraattori. Siinä kaasu ionisoidaan, kuumennetaan ja johdetaan valmis plasma plasmasoihdun kautta ulos. Plasmageneraattoreiden tärkeimpiä komponentteja ovat plasmasoihtu, ohjauslaitteisto, jäähdytyslaitteisto, kaasun syöttölaitteisto sekä tasavirtamuuntaja, mikäli generaattori toimii tasavirralla. (Europlasma Group)

6 3 Kuva 1 Plasmakuumennuslaite (Europlasma Group) Pääasialliset laitteet plasman muodostamiseen ovat valokaariplasmageneraattori sekä induktioplasmageneraattori. Suurin ero näissä laitteissa on vaihe, jossa kaasu indusoituu. Valokaariplasmageneraattorissa katodin ja anodin välille muodostetaan valokaari, jonka läpi johdetaan kaasua. Valokaari saa kaasun indusoitumaan ja kuumenemaan, jolloin siitä muodostuu plasmaa (Kuva 2). Valokaariplasmageneraattori voi toimia sekä tasa- että vaihtovirralla. (BL20A0800 Sähkölämpötekniikka: luentomateriaali) Kuva 2 Valokaariplasmageneraattorin toiminta (Wikipedia) Induktioplasmageneraattorissa kaasu esi-ionisoidaan ja johdetaan kvartsiputkeen (kuva 3). Putken ympärillä oleva induktori kuumentaa ionisoituneen kaasun, jolloin siitä tulee plasmaa. Kun laite on saatu käyntiin ja plasmaa alkaa muodostua, esi-ionisointi voidaan lopettaa. (BL20A0800 Sähkölämpötekniikka: luentomateriaali)

7 Kuva 3 Induktioplasmageneraattorin toiminta (BL20A0800 Sähkölämpötekniikka: luentomateriaali) 4

8 5 3 SOVELLUKSET Tässä kappaleessa käsitellään tärkeimpiä plasmakuumennuksen sovelluksia. 3.1 Jätteiden käsittely plasman avulla Plasmakäsittelyssä jätteet käsitellään jopa ⁰C:n lämpötilassa, johon päästään plasmakaarikuumennuksen avulla. Plasman avulla orgaaniset aineet saadaan höyrystymään ja metallit sekä epäorgaaniset aineet saadaan sulamaan. Käsittelyn lopputuotteena on vain kiinteää jätettä, joka voidaan loppusijoittaa sellaisenaan. PACT-plasmakaarisulattimessa käsiteltävää jätemassaa pidetään pyörivässä liikkeessä (kuva 4) Paikallaan oleva plasmakaari osuu jätemassaan kertaa minuutissa sulattaen sen. Sula jäännös tyhjennetään sulattimen alla olevaan astiaan hidastamalla pyörimisliikettä. (Paajanen & Harjula 2005, s. 15) Kuva 4 PACT-plasmakaarisulatin (TMS)

9 Plasmakäsittelyn etuja Plasmakäsittelyn avulla voidaan käsitellä kaikenlaisia orgaanisia ja epäorgaanisia jätteitä eikä esikäsittelyä tarvita. Muihin jätteidenkäsittelymenetelmiin verrattuna plasmakäsittelyssä jäävän jätteen tilavuus on hyvin pieni, jolloin myös loppusijoituskustannukset ovat pienemmät. Plasmakäsittely ei myöskään tuota suuria päästöjä, mikäli poistokaasut jälkikäsitellään tehokkaasti. (Paajanen & Harjula 2005, s. 17) 3.2 Metallien sulattaminen plasman avulla Metallien ja muiden aineiden sulattamiseen on kehitetty plasmauuneja (kuva 5). Plasmauuneissa käytetään monesti useita plasmasoihtuja, joilla varmistetaan tasainen kuumennus. Plasmauunin etuja ovat mm. prosessin vakaus ja säädeltävyys, mahdollisuus sulattaa hiiliteräksiä ja niiden yhdisteitä sekä suhteellisen vähäiset päästöt. Plasmauuneja on kolmenlaisia. Sulatus voi tapahtua keraamisissa sulatusastioissa, kiteyttimien avulla tai scull:n sisällä. (Thermopedia) Kuva 5 Plasmauuni (HowStuffWorks)

10 7 3.3 Fuusioreaktori Fuusioreaktiossa kaksi kevyttä atomiydintä yhdistyy ja muodostuu raskaammaksi atomiytimeksi vapauttaen energiaa. Jotta kevyet atomit ovat tarpeeksi lähellä toisiaan, tarvitsee niiden olla korkeassa lämpötilassa. Helpommissa reaktioissa tarvittu lämpötila on noin 100 miljoonaa celsiusta. Suuren lämpötilavaatimuksen vuoksi polttoaine on plasmatilassa. Ongelmana on kuuman plasman rajaus ja eristäminen. Yksi lupaava laite fuusion luontia varten on tokamak. Tokamakissa plasmaa pidetään kasassa magneettikenttien avulla. Se on yksinkertaistettuna toruksen (donitsin) muotoinen solenoidi. (Rantamäki 2003, s. 12) Fuusioreaktorin toiminnan kannalta juuri vetyplasman virtaus ja magneettikenttä ovat tärkeitä tekijöitä ja niitä on pystyttävä hallitsemaan. Suunnitteluvaiheessa olevassa ITER-reaktorissa (International Thermonuclear Experimental Reactor) nämä tekijät on suunniteltu niin, että energiaa saadaan vähintään kymmenen kertaa niin paljon kuin siihen on syötetty. ITER:ssä plasman tilavuus on 387 kuutiometriä ja plasmavirta 15 miljoonaa ampeeria. (Tiede) 3.4 Plasmaleikkaus Plasmaleikkaus on tarkoitettu metallien leikkaukseen. Perusideana on elektrodin ja työkappaleen välille synnytetyn valokaaren kuristaminen kuparisuuttimella, jolloin plasman lämpötila ja nopeus kasvavat. Sen lämpötila on yli celsiusta ja vauhti lähellä äänen nopeutta. Kun leikkaaminen aloitetaan, plasmakaasun virtausta nopeutetaan jolloin plasmasoihtu läpäisee leikattavan materiaalin. Sula materiaali poistuu ulosvirtaavan plasman mukana (Kuva 6). (Lucas & Hilton) Kuva 6 Plasmaleikkaus (SST staalsijtechniek)

11 8 Plasmaleikkauskoneita valmistavan ESAB:n arvion mukaan käytetystä plasmakaasusta 30 % on ionisoitunutta ja jäljelle jäänyttä 70 %:a käytetään materiaalin poistoon ja jäähdytykseen (ESAB, 2014) Plasmaleikkaus on kilpaileva vaihtoehto hapella toimivalle prosessille. Niiden leikkausreunat ovat samantasoisia, mutta koska plasmaleikkaus perustuu sulattamiseen, on sen leikkausjäljelle ominaista pyöristynyt yläkulma, vajaa suorakulmaisuus tai viistoon leikattu reuna. Soihtuapujärjestelmällä voidaan korjata näitä ongelmia. Toisin kuin happiperusteisella prosessilla, plasmaleikkauksella voidaan leikata myös materiaaleja, jotka muodostavat tulenkestäviä oksideja. Tällaisia metalleja ovat esimerkiksi teräs, alumiini ja valurauta. (Lucas & Hilton) 3.5 Plasmahitsaus Plasmahitsauksen ainutlaatuiset käyttöominaisuudet johtuvat sen soihdun suunnittelusta. Valokaari muodostetaan elektrodin ja työkappaleen välille. Kuten plasmaleikkauksessa, valokaari pakotetaan kuparisuuttimen läpi. (YWI, 1995) Plasmahitsauksessa on kolme eri toimintatilaa, jotka riippuvat suuttimen reiän halkaisijan koosta ja virtausnopeudesta. Mikroplasmassa (0,1-15 A) kaari on stabiili ja alhainen hitsausvirta luo kynän muotoisen suihkun, joka sopii ohuiden materiaalien hitsaukseen. Mediumplasmaa ( A) käytetään korkeaa laatua ja tarkkuutta vaativiin töihin. Avainreikä-plasma (100 A) on hyvin voimakas ja muistuttaa lasersädettä. Plasmakaari halkoo metallin läpi luoden avaimenreiän muotoisen aukon kuvan 7 lasersäteen tapaan. Hitsauksen synnyttämä sula aine jähmettyy plasmakaaren halkomassa avaimenreiässä. (YWI, 1995)

12 9 Kuva 7 Avainreikähitsaus (Ionix Oy) 3.6 Plasmapinnoitus Plasmakäsittelyllä voidaan muokata monipuolisesti eri materiaalien pintoja. Plasman vuorovaikutus materiaalin pinnan kanssa voidaan jakaa useampaan luokkaan, pinnan putsaukseen ja syövytykseen, silottumiseen, sekä kemiallisena muutokseen. Se mikä näistä kategorioista dominoi, riippuu alustasta, plasmasta, välineistä ja toimintaparametreista. (Tuominen 2012, s. 18) Plasmakäsittelyssä plasman korkeaa lämpöä hyödyntävät esimerkiksi plasmasuihkutus ja kemiallinen höyrykerrostuma termisellä plasmalla Terminen plasmasuihkutus Termisessä plasmasuihkutuksessa metalliset/ei-metalliset aineet ruiskutetaan osittain tai täysin sulassa tilassa materiaalin pinnalle. Plasmasuihkutuksen avulla voidaan lisätä materiaalin lämmönsietoa, kulumisen kestoa, vähentää korroosiota ja vaikuttaa pinnan ominaisuuksiin. Pinnoittamalla saadaan myös palautettua kuluneet ja huonosti tehdyt osat alkuperäisiin mittoihinsa. Plasmaa käytetään pääasiassa tulenkestävien materiaalien pinnoitukseen, kun kaasun lämpötila on yli 8000 K:ä. Teollisuudessa suurin osa tehtaiden hyödyntämistä plasmasuihkutuksista toteutetaan tasavirtasoihduilla (dc). (Vardella et.al.2006, s. 599)

13 10 Kuvassa 8 näkyy plasmasuihkun perusperiaate. Se on plasmageneraattori, jonka avulla pinnoitukseen käytettävä hienonnettu aine ruiskutetaan. Suurin osa plasmasuihkuista perustuu tikun muotoiseen katodiin ja anodi suuttimeen (Vardella et.al.2006, s. 599). Kuva 8 Plasmasuihku dc plasmasoihdulla (Pfender 1999, s. 3) Johdinkaariruiskutus on edullinen pinnoiteprosessi. Se muistuttaa paljon plasma ruiskutusta, mutta prosessiin vaikuttaa vähemmän eri tekijöitä Tällä voidaan päällystää monien materiaalien pintoja, kuten keramiikkaa, metalleja ja muoveja. (Pfender 1999, s. 8) Kemiallinen höyrykerrostuma termisellä plasmalla (TPCVD) TPCVD prosessissa energiamäärältään tiheä plasma luo alustan päälle tiheän kaasufaasi-tilassa (olotila jossa aine voi olla neste tai kaasu) olevan paksun kalvon. TPCVD:tä voidaan hyödyntää esimerkiksi timanttipinnoituksessa. (Pfender 1999, s. 11) Kuvassa 9 Plasmasoihtu tuottaa kuuman ja nopean plasmasuihkun, joka törmää jäähtyneelle alustalle. Materiaali, jota suihkutetaan plasmaan, höyrystyy nopeasti ja johtuen plasman suuresta nopeudesta suuttimella, se liikkuu kiihtyvällä nopeudella kohti alustaa. Alustan pinnalle muodostuu rajakerros, jolle kaltevuus on tyypillistä. (Pfender 1999, s. 11)

14 11 Kuva 9 TPCVD tasavirralla (Pfender 1999, s. 12) 3.7 Mineraalien ja malmien käsittely plasmalla Plasmaa käytetään erottamaan jalo- ja maametalleja mineraaleista ja malmeista. Perinteisissä erottelumenetelmissä, kuten mekaanisissa ja kemiallisissa menetelmissä, saadaan jalostettua vain metallihiukkaset, joiden halkaisija on yli mikrometrin. Tästä tarkkuudesta johtuen osa metallista jää erottamatta ja menee hukkaan. Plasman avulla voidaan erotella yksittäiset metalliatomit, jolloin malmista saadaan enemmän metallia talteen ja jalostus on tehokkaampaa. Plasmaa käytettäessä myös päästöt ovat pienemmät verrattuna perinteisiin menetelmin. Plasmaerottelumenetelmästä on näistä syistä johtuen kehittymässä kaivosteollisuuden standardi jalometallien erottamisessa. Kemiallisessa erottelumenetelmässä osa metallista muuttuu oksideiksi, joita on usein mahdotonta jalostaa puhtaaksi metalliksi. Plasmaa käytettäessä plasman elektronit pommittavat malmin metalliatomeja, mikä palauttaa metallioksidit takaisin lähtöaineiksi. Myös mineraalisidosten rikkomiseen vaaditut korkeat lämpötilat saadaan aikaisiksi plasmalla, ja näin halutut metallit saadaan tehokkaasti eroteltua malmista. Verrattuna plasmaerotteluun kemiallinen erottelu on usein myös kallista ja aikaa vievää; platinaryhmän metallien erottaminen kestää viikkoja ja jopa kuukausia.

15 12 Plasmaerotteluprosessi alkaa syöttämällä malmimurskaa siivilän läpi, jolloin suurimmat partikkelit ja vieraat esineet saadaan eroteltua ja varmistetaan syötetyn malmin hiukkasten tasapaksuus ennen plasmakäsittelyä (kuva 10). Murska kulkee plasmaliekin läpi, joka sulattaa malmin metallit ja höyrystää orgaanisen ja epämetallisen osan. Plasman lämpötila voidaan säätää tiettyjä metallien sulamispisteitä vastaamaan. Sula metalli valutetaan pois säiliöstä ja jäähdytetään vesisuihkuilla, jolloin muodostuu metallipellettejä, jotka ovat valmiina jalometallimarkkinoille myytäviksi. Malmin kuona jäähdytetään, puhdistetaan ja siivilöidään. Palamisreaktion puutteen vuoksi plasmakammiossa ei ole happea, jolloin ei muodostu haitallisia palamiskaasuja, joita polttomenetelmissä muodostuu, ja siksi päästöt ovat huomattavasti pienemmät. Kuva 10 Metallin erottelu malmista plasman avulla (U.S. Precious Metals) Atomitasolla tarkasteltuna plasmaerotusmenetelmä perustuu molekyylisidosten rikkomiseen korkean lämpötilan avulla. Plasma riistää sidoselektronit palauttaen yhdisteet alkuaineiksi. Koska reaktiossa ei tapahdu palamista, estetään myös metallioksidien ja -seosten muodostuminen. Jalometalliteollisuudessa, jossa pienikin määrä erotettua metallia on merkityksellinen, plasmaerottelu on johtava menetelmä. Yleismetallien erotteluun plasman käyttö on sen sijaan kallista. (U.S. Precious Metals)

16 13 4 YHTEENVETO Plasma on hyvin käyttökelpoinen tekniikka teollisuudessa. Sitä voidaan soveltaa useaan eri tekniikan alaan, kuten jätteiden polttoon, metallien sulatukseen ja pintojen käsittelyyn. Plasmaa kehitetään jatkuvasti ja sen käytöstä saadaan yhä edullisempaa ja samalla kilpailukykyisempää perinteisiin menetelmiin verrattuna. Se on myös ympäristöystävällinen ja käytännössä päästötön. Tulevaisuudessa suurin plasman käyttökohde on fuusioreaktori, kun fuusioreaktiosta saadaan luotettava ja stabiili energiantuotantolähde.

17 14 LÄHTEET BL20A0800 Sähkölämpötekniikka. Kurssin luentomateriaali. Lappeenranta. Lappeenrannan teknillinen yliopisto ESAB. Plasma Cutting Process. [ESAB:n verkkosivuilta]. [Viitattu ]. Saatavissa < Europlasma Group. Plasma Heating systems. [Europasma Groupn verkkosivulta] [Viitattu ] Saatavissa < HowStuffWorks. How Plasma Converters Work. [HowStuffWorks:n verkkosivuilta]. [Viitattu Ionix Oy. Laser welding. [ Ionix Oy:n verkkosivuilta]. [Viitattu ] Saatavissa < ] Saatavissa < Lucas B., Hilton, D. Cutting processes plasma arc cutting process and equipment consideration. [TWI:n verkkosivuilta]. [viitattu ]. Saatavissa < Paajanen & Harjula. Hydrometallisten prosessien orgaanisten jäteliuosten käsittely projektiraportti PRO1/P1009/05. VTT-prosessit Pfender, E. Thermal Plasma Technology: Where Do We Stand and Where Are We Going?, Plasma Chemistry and Plasma Processing, Volume 19, Issue 1, s. 1-31, Maaliskuu 1999 Rantamäki K. Particle-in-Cell Simulations of the Near-Field of a Lower Hybrid Grill. Espoo VTT Publications s. ISBN X SST staalsijtechniek. Plasma-snijden. [SST staalsijtechniek:n verkkosivuilta]. [Viitattu ] Saatavissa <

18 15 Thermopedia. Plasma Arc Furnace. [Thermopedian verkkosivuilta]. [Viitattu ] Saatavissa < Tiede. Iteristä ensimmäinen fuusioreaktori. [Tieteen verkkosivuilta]. [Viitattu ] Saatavissa < TMS. Using the Centrifugal Method for the Plasma-Arc Vitrification of Waste [TMS:n verkkosivuilta]. [viitattu ] Saatavissa < Tuominen M. Atmospheric Plasma Modification in Extrusion Coating. Tampere Tampereen teknillinen yliopisto. 84 s. ISBN U.S. Precious Metals. Thermal Processing. [U.S. Precious Metals:n verkkosivuilta] [viitattu ] Saatavissa < Vardella, A., Fauchais, P., Vardella, M., Mariaux, G. Direct Current Plasma Spraying: Diagnostics and Process Simulations, Advanced Engineering Materials, Volume 8, Issue 7, s , Kesäkuu 2006 Wikipedia. File:Non-transferred DC plasma torch.png. [Viitattu ] Saatavissa < YWI. Plasma Arc Welding [TWI:n verkkosivuilta]. [viitattu ] Saatavissa <