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研究生:陳亮瑜
論文名稱:高溫電漿技術在核廢料處理之模型研究
論文名稱(外文):Numerical Modeling of Thermal Plasmas Used for Radioactive Waste Treatment
指導教授:魏大欽
指導教授(外文):Ta Chin Wei
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:化學工程學系
學門:工程學門
學類:化學工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2000
畢業學年度:88
語文別:中文
論文頁數:75
中文關鍵詞:高溫電漿電漿火炬
外文關鍵詞:thermal plasmaplasma torch
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電漿焚化熔融技術使用高溫電漿火炬處理廢棄物,以達到減容、固化、無害化及回收金屬的目的。為能對高溫電漿火炬有進一步的瞭解,本研究採用電腦模擬的方法,結合動量、能量、質量和電位守恆方程式,來探討電漿火炬內部溫度、流場、及各物種濃度的變化。本研究共分三大部分:(一)電流、電場、氣體入口流速和氣體種類等參數對高溫電漿火炬內部溫度、流場變化的影響。(二)探討非傳輸型、傳輸型、混和型三種電漿火炬的優缺點,及其電場、溫度、速度分佈的比較。(三)模擬廢棄物進入電漿火炬反應器中,其加熱時間對熔融程度的關係。
模型結果發現,電漿火炬之溫度、速度分佈會隨供給電流、電壓提高而增加;氣體入口流速增加,速度分佈會隨之增加,但火炬溫度僅稍微下降。空氣電漿的溫度、速度分佈較氬氣電漿為低,且空氣電漿會產生許多氮氧化物,模擬結果發現降低進料氣體氧氣含量,對NO的排放濃度影響不大。
非傳輸型電漿火炬加熱效率最差,而傳輸型電漿火炬加熱效率最高,非傳輸型和混和型電漿火炬主要加熱區域集中於陰極頂端附近,而傳輸型電漿火炬的加熱區域較為平均,且其電弧可以延伸到火炬爐體中,提昇其加熱效率。
廢棄物進入火炬爐體內與高溫氣體接觸,隨加熱時間增加,與高溫氣體接觸的表面會逐漸開始熔融,而其中與管壁相近的廢棄物表面,熔融速率會較快,模擬結果發現,利用100KW之高溫電漿火炬可在47分鐘內熔融800cm3之低放射性固化廢棄物。
Thermal plasma technology takes the advantages to incinerate the combustible parts of the radioactive wastes for volume reduction and to vitrify the noncombustible counterparts simultaneously into glassy slags with limited pretreatment steps. In this study, a mathematical model of thermal plasma torches was developed. Mass, energy, and momentum conservation equations coupled with detailed reaction mechanism were solved to study the effect of operating conditions on the temperature, flow field, and species concentration in the plasma reactor.
It was found that an increase in the current intensity results in increases of gas temperature and velocity. Increasing the feed flow rate only results in an increase of gas velocity. The gas temperature and velocity is lower in air plasma than in argon plasma under the same operating condition. A large amount of NOx was produced in N2/O2 plasmas. Reducing the oxygen content in the feed of N2/O2 plasma can’t effectively reduce the emission of NO. The transferred arc plasma torch is more energy-efficient than other arc plasma torches. Finally, The melting process of radwaste surrogates in plasma melting furnace is simulated. It was found that an 800 cm3 radwaste surrogate could be totally molten within 47 minutes in a furance equipped with an 100 kW non-transferred plasma torch.
目錄
中文摘要
英文摘要
誌謝
目錄
表列
圖列
第一章 緒論
1-1. 研究緣起
1-2. 研究目的
第二章 文獻回顧
2-1. 電漿原理
2-2. 高溫電漿技術
2-2-1. 高溫電漿反應器
2-2-2. 高溫電漿之工業應用
2-3. 電漿焚化熔融技術簡介
2-3-1. 電漿焚化熔融爐優缺點比較
2-3-2. 電漿熔融技術程序
2-3-3. 有害事業廢棄物處理之應用
2-3-4. 放射性廢棄物之處理
2-4. 電漿火炬模擬研究之文獻回顧
第三章 研究方法
3-1. 模擬方式
3-2. 模型假設
3-3. 控制方程式
3-4. 非傳輸型電漿火炬模型
3-5. 傳輸型電漿火炬性質研究
3-6. 核研所INER-100NT直流電漿火炬模型
3-7. 氮氧化物之生成機構
第四章 結果與討論
4-1. 非傳輸型電漿火炬
4-1-1. 基礎模型建立
4-1-2. 電流強度之影響
4-1-3. 陰極放電距離之影響
4-1-4. 氣體流量之影響
4-1-5. 氣體種類之影響
4-1-6. 氮氧化物之生成
4-2. 傳輸型與非傳輸型電漿火炬性質之比較
4-3. 核研所電漿火炬熔融模型
第五章 結論與建議
參考文獻
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