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PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Umsetzung von thermisch zersetzbare chemische Substanzen enthaltendem oder einschliessendem Abfallmaterial zu stabilen Endprodukten, wobei das Abfallmaterial zur Herbeiführung der Zersetzung einem Hochtemperatur-Plasmagas ausgesetzt wird, welches in einem Plasmagenerator erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Abfallmaterial in einer dessen Zuführung erlaubenden Form zwangsweise durch eine auf mindestens 2 000 C erhitzte Reaktionszone geführt wird und dass in der genannten Reaktionszone ein solches Sauerstoffpotential eingehalten wird, welches zur kontinuierlichen Bildung von stabilen Endprodukten aus den Zersetzungsprodukten führt.
2. Verfahren gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abfallmaterial nach dem Plasmagenerator zwangsweise in das Plasmagas eingeführt wird.
3. Verfahren gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abfallmaterial vor dem Plasmagenerator zwangsweise in das Plasmagas eingeführt wird.
4. Verfahren gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abfallmaterial direkt zwangsweise in die Reaktionszone eingeführt wird.
5. Verfahren gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Plasmagas Sauerstoff vor und/oder nach dem Plasmagenerator und/oder in der Reaktionszone zugeführt wird.
6. Verfahren gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abfallmaterial, wenn es gasförmig vorliegt, vollständig oder teilweise mit dem Plasmagas vor dem Plasmagenerator gemischt wird.
7. Verfahren gemäss einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Abfallmaterial in fester Form dadurch in eine dessen Zuführung erlaubende Form gebracht wird, dass es entweder in Lösung oder in Suspension gebracht wird oder dass es mechanisch zerkleinert wird.
8. Verfahren gemäss einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Abfallmaterial in Form von Teilchen mit maximaler Grösse von 2 mm mittels eines Trägergases zwangsweise in das Plasmagas eingeführt wird.
9. Verfahren gemäss Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Abfallmaterial in Form eines Fluidums zugeführt wird, wobei das Fluidum eine Suspension ist, in der die festen Teilchen eine maximale Grösse von ungefähr 0,25 mm haben.
10. Verfahren gemäss einem der Patentansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Einpressdruck, unter dem das Abfallmaterial in das Plasmagas eingeführt wird, mehr als 2 bar beträgt.
11. Verfahren gemäss einem der Patentansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einblasgeschwindigkeit des Abfallmaterials mehr als 5 Sekunde ist und bevorzugterweise zwischen 40 und 100 m/Sekunde liegt.
12. Verfahren gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasmagas mit dem Abfallmaterial und/ oder dessen Zersetzungsprodukten in eine Vorreaktionskammer eingeführt wird, welche zwischen dem Plasmagenerator und der Reaktionskammer angeordnet ist, wobei die Mischung in der Vorreaktionskammer in hohe Turbulenz gebracht wird.
13. Verfahren gemäss einem der Patentansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasmagas aus Luft oder aus andern, sauerstoffhaltigen Gasen besteht, wobei die Sau erstoffgehalte auf die Zersetzungsverfahren sowie auf die
Mengen an Abfallmaterial abgestimmt sind.
14. Verfahren gemäss einem der Patentansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmastrahl vom Plasma generator her gegen eine gaspermeable Füllung in Stückform gerichtet ist, so dass in der genannten Füllung während der Reaktion ein Hohlraum gebildet wird, in welchem die gesuchte Umsetzung stattfindet.
15. Verfahren gemäss Patentanspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung gesamthaft oder teilweise aus kohlenstoffhaltigem Material wie Koks besteht.
16. Verfahren gemäss Patentanspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung teilweise oder gesamthaft aus Dolomit oder anderem schwefelbindendem Material besteht.
17. Verfahren gemäss einem der Patentansprüche 1 bis 16.
dadurch gekennzeichnet, dass die Aufenthaltszeit der Reaktionsteilnehmer im genannten Hohlraum einige Millisekunden beträgt und dass die Aufenthaltszeit der Reaktionsteilnehmer im Rest der Füllung etwa 1 bis 5 Sekunden beträgt.
18. Verfahren gemäss einem der Patentansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet. dass das Gas, welches die Reaktionskammer verlässt, schnell abgekühlt wird und mit einer kaustischen Sodalösung gewaschen wird, um so Chlor und Chlorwasserstoff zu binden.
19. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens gemäss Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch eine Reaktionskam mer (1) mit hitzebeständiger Auskleidung (2), durch mindestens einen Plasmagenerator (3), durch Vorrichtungen (4) für die Zufuhr von Abfallmaterial, durch eine Düse unmittelbar vor dem Plasmagenerator (3), wobei die Mittel (4) für die Zuführung des Abfallmaterials in die genannte Düse einmünden und durch Zuführmöglichkeiten (13) für Sauerstoff, die ebenso in die genannte Düse einmünden.
20. Vorrichtung gemäss Patentanspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionskammer in einem Schacht ofen ist und dass sie eine gaspermeable Füllung (6) enthält, welche Füllung in Stückform vorliegt.
21. Vorrichtung gemäss Patentanspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Schachtofen mit einem Hochofenabschluss (8) versehen ist, durch den die Stücke zum Erneuern der Füllung eingeführt werden können, sowie durch einen
Schlackenausgang (9) am Boden des Ofens.
22. Vorrichtung nach Patentanspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung (6) aus kohlenstoffhaltigem
Material wie Koks besteht.
23. Vorrichtung gemäss einem der Patentansprüche 20 bis
22, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Eintrittsvolumens des Plasmagasstrahls ein Hohlraum (7) in die Füllung (6) gebrannt wird, wobei der genannte Hohlraum die Reak tionszone darstellt.
24. Vorrichtung gemäss Patentanspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Düse und der Reaktionskammer (1) eine Vorreaktionskammer (10) angeordnet ist, bevorzugterweise in Form einer Turbulenzkammer, um so die Aufenthaltszeit zur Zersetzung des Abfallmaterials zu erhöhen und dass anschliessend an die gesagte Vorreaktionskam mer eine zweite Düse angeordnet ist, welche eine zusätzliche
Einführung von Sauerstoff erlaubt.
25. Vorrichtung gemäss einem der Patentansprüche 19 bis
24, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmagenerator zwei zylindrische Elektroden mit einem ringförmigen Zwischen raum umfasst sowie Vorrichtungen für die Zuführung von
Plasmagas durch den genannten ringförmigen Zwi schenraum.
Die hier beschriebene Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Umsetzung von Abfallmaterial, welches thermisch zersetz bare chemische Substanzen enthält oder einschliesst und zwar zu stabilen Endprodukten wie CO2, H20 und HCI. Das Ab fallmaterial wird dazu einem Plasmagas von hohen Tempera
turen aus einem Plasmagenerator ausgesetzt. Ebenso betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Ausführung des genannten Verfahrens.
Der Vorschlag, Abfallmaterial in einem Reaktionsofen mit Reaktionsherd und einer Mehrzahl von Plasmabrennern oberhalb des Herdes zu verbrennen, ist schon gemacht worden. Das Plasmagas aus dem Plasmabrenner wird dabei in Form eines Strahls gegen das Abfallmaterial im Herd gerichtet. Das Abfallmaterial wird so mechanisch zersetzt, nicht jedoch bis zur Teilchenform. Das Material verbleibt im Reaktionsherd unter der Einwirkung des Plasmagases. Stabile Endprodukte, die dabei erhalten werden, können entweder als Schlacke oder als Gase abgezogen werden. Die Aufgabe der Plasmabrenner ist, die geforderten, hohen Temperaturen zu schaffen. Mittels einer solchen Vorrichtung können jedoch die Reaktionsabläufe nur ganz beschränkt kontrolliert werden. Zudem befinden sich dabei die individuellen Volumenelemente der Abfallmaterialien nicht in einer im thermodynamischen Sinn gleichförmigen Umgebung.
All dies führt dazu, dass ein Erreichen von definierten, stabilen Endprodukten mittels der genannten Methode nicht gesichert ist.
Der Zweck dieser Erfindung ist es, die in der Einleitung beschriebene Methode so kontrollieren zu können, dass die Reaktionsabläufe unter totaler Kontrolle verlaufen, um so die gesuchte Herstellung von stabilen Endprodukten zu sichern. Ein weiteres Ziel dieser Erfindung ist es, die Vorrichtung zu schaffen, welche die genannte Kontrolle im Verfahren mittels einfacher und betriebssicherer Anordnungen ermöglicht.
Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass das Abfallmaterial in einer dessen Zuführung erlaubenden Form zwangsweise durch eine auf mindestens 2 000 C erhitzte Reaktionszone geführt wird und dass in der genannten Reaktionszone ein solches Sauerstoffpotential eingehalten wird, welches zur kontinuierlichen Bildung von stabilen Endprodukten aus den Zersetzungsprodukten führt.
Die Erfindung fordert, dass Reaktionstemperatur, Reaktionszeiten und Oxydationspotential genau kontrolliert werden müssen, um so die gesuchte Bildung von stabilen Endprodukten zu erreichen. Es besteht ein Zusammenhang zwischen der Reaktionstemperatur und der Reaktionsdauer, wobei die benötigte Dauer bei erhöhter Reaktionstemperatur abnimmt und umgekehrt. Gemäss der Erfindung wird die kontrollierte Zersetzung hauptsächlich dadurch gesichert, dass Reaktionstemperatur und Reaktionszeit einem niederen Oxydationspotential angepasst wird. Die Anpassung der Reaktionstemperatur wird durch geeignete Einstellung der Plasmabrenner erreicht. Die Reaktionsdauer kann durch Anordnung einer Vorreaktionskammer zwischen der Düse für die Zuführung des Abfallmaterials und der Hauptreaktionskammer kontrolliert werden.
Nur nach der kontrollierten Zersetzung wird die Reaktion fortgesetzt und zwar wiederum bei definiertem Sauerstoffpotential mittels Zugabe von weiterem Sauerstoff.
So werden schliesslich die stabilen Endprodukte erreicht. Die Reaktionsdauer kann durch Einflüsse auf die Durchlaufwege variiert werden. Sowohl während dem Zersetzungsstadium wie auch während der Fortsetzung der Reaktion auf stabile Endprodukte hin ist es von grösstem Vorteil, wenn das Abfallmaterial in einer fein verteilten Form zugeführt werden kann. Das bringt eine grosse Oberfläche und speziell gute Reaktionsfähigkeiten der einzelnen Partikel des Abfallmaterials.
Dazu kommt noch, dass sowohl während der Zersetzung wie auch während der folgenden Umsetzung alle diese einzelnen Teilchen in praktisch derselben thermodynamischen Umgebung sind und zwar hinsichtlich Druck, Temperatur und anderen Reaktionsteilnehmern. Feinverteilte Form umfasst die Formen, welche den Transport und die Zuführung des Abfallmaterials erlauben. Vorteilhafterweise wird das Material zwangsweise in die Düse zugeführt.
Das erfindungsgemässe Verfahren kann hinsichtlich verschiedener Ausbildungen weiter entwickelt werden. Beispielsweise kann ein Teil des für die Stabilisierung der Zersetzungsprodukte benötigten Sauerstoffs mit dem Trägergas und/oder mit dem Plasmagas gemischt werden. Speziell kann der Sauerstoff in erhitztem Zustand mit dem Träger oder Plasmagas und den darin enthaltenen Zersetzungsprodukten gemischt werden. In Fällen, bei denen extrem hohe Temperaturen erfordert sind, kann der Sauerstoff in Form eines Plasmagases mit Temperaturen zwischen 2 000 und 4 000 C zugemischt werden. Der Sauerstoff kann in Form von Luft und/oder in Form von Sauerstoff angereicherter Luft oder aber auch in Form von technisch reinem Sauerstoff zugegeben werden.
Aber auch Wasser kann als Sauerstoffträger zugegeben werden, da das Wasser sich im Plasmagas zersetzt und so wegen der hohen Temperatur Sauerstoff und Wasserstoff liefert.
Gemäss dieser Erfindung kann das Abfallmaterial in einer dessen Zuführung erlaubenden Form vollständig oder teilweise dem Plasmagas nach dem Plasmabrenner zugeführt werden. In Fällen von Abfallmaterialien wie Dioxinen, PCB, ölverseuchtem Erdgut und ähnlichem, werden reproduzierbare Resultate erhalten, wenn man Reaktionszeiten von einigen Millisekunden einhält. Ebenso müssen dazu das Trägerund das Plasmagas in genügend hoher Turbulenz auf einem geeigneten Weg im Plasmabrenner und in der Reaktionskammer geführt werden. Das Gas, welches die stabilen Endprodukte enthält, kann anschliessend abgekühlt werden und zwar sofort nach oder auch anschliessend an das Verlassen der Reaktionskammer.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Strahlen aus den Plasmageneratoren gegen eine gaspermeable Koksfüllung in der Verbrennungskammer gerichtet. Das Abfallmaterial in zur Zuführung geeigneten Form und/oder seine Reaktionsprodukte werden mit dem Plasmastrahl in die genannte Reaktionskammer eingeführt.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens, das thermisch zersetzbare chemische Substanzen enthält oder umfasst, und zwar zu stabilen Produkten wie CO2, H2O und HC1. Die genannte Vorrichtung umfasst eine Reaktionskammer mit hitze- und korrosionsbeständiger Auskleidung, mindestens einem Plasmabrenner und Einrichtungen zur Einführung des Abfallmaterials. Der Plasmagasstrahl aus dem Plasmabrenner ist in die Reaktionskammer gerichtet und die gasförmigen Reaktionsprodukte können aus der Reaktionskammer entfernt werden.
Charakteristisch für die Vorrichtung ist eine Düse, welche unmittelbar vor dem Plasmagenerator vorgesehen ist, wobei die Mittel zur Zuführung des Abfallmaterials in die genannte Düse einmünden und wobei die Zuführungsvorrichtungen für den Sauerstoff ebenfalls in die genannte Düse einmünden.
Weitere Ausbildungen dieser Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Reaktionskammer eine Koksfüllung, bestehend aus groben Koksstücken. Die Reaktionskammer befindet sich bevorzugterweise in einem Schachtofen mit einem Oberteil, wie ihn Hochöfen haben. Durch den genannten Oberteil kann dem Ofen Koks zugeführt werden. Der Ofen weist unten einen Schlackenauslauf auf. Dies ermöglicht die kontinuierliche Ersetzung von aufgebrauchtem Koks wie beim normalen Hochofen. Selbstverständlich werden die gasförmigen Reaktionsprodukte nach Entnahme aus dem Ofen im allgemeinen einer Reinigung unterzogen, welche beispielsweise auch das Abkühlen und/oder die Staubfiltration umfasst.
Die Erfindung fordert, dass die Reaktionen zur Umsetzung von Abfallmaterial in stabile Endprodukte unter genau definierten thermodynamischen Bedingungen ausgeführt werden. Solche Bedingungen sind unter anderem eine spezifische Temperatur, ein spezifischer Druck und spezifische Reaktionspotentiale, speziell das Sauerstoffpotential. Beispielsweise muss ein gewisser Überschuss an Sauerstoff so lange vorliegen, bis die Reaktionen zu den stabilen Endprodukten fortgeschritten sind. Gleichzeitig muss jedoch die Bildung von störenden, chemischen Verbindungen verhindert werden. Es ist nun überraschenderweise gefunden worden, dass dieses Problem erfindungsgemäss gelöst wird und zwar indem die Koksfüllung im Reaktionsraum rasch für den Abbau des überschüssigen Sauerstoffs sorgt.
Die Koksfüllung kann selbstverständlich auch verwendet werden zur Schaffung einer reduzierenden Atmosphäre für die Reaktionen.
Die Koksfüllung stabilisiert die Umsetzungsreaktionen.
Die Plasmagasmenge wird angepasst hinsichtlich Temperatur und Zusammensetzung an die herrschenden Verfahrensbedingungen und so auch an das zu verarbeitende Abfallmaterial.
Das Abfallmaterial kann beispielsweise in einer fein verteilten Form einem Trägergas zugemischt werden. Dieses Gas wird dann im Brenner in das Plasmagas umgewandelt, wobei anfänglich sein Sauerstoffpotential für eine vollständige Verbrennung des Abfallmaterials oder der Zersetzungsprodukte des genannten Materials ungenügend ist. Das Material wird also vorerst im Plasmagas zersetzt und anschliessend wird der Mischung weiterer Sauerstoff zugegeben. Der Sauerstoff kann aber auch schon mit dem Trägergas zugegeben werden.
Die Zersetzung kann bei Temperaturen zwischen 2 000 und 4000 DC geschehen, sie kann aber auch in Regionen weitergehen, die nach diesen hohen Temperaturen folgen. Wegen gewisser Umstände kann es erfindungsgemäss günstig sein, vor der eigentlichen Reaktionskammer eine Vorreaktionskammer einzurichten und zwar beispielsweise in Form eines Turbulenzraums; in diesen Raum kann der zusätzliche Sauerstoff eingeführt werden.
Die Erfindung wird nun anhand der beigelegten Zeichnung weiter erläutert.
Die Vorrichtung, die in der Zeichnung dargestellt ist, soll die Umsetzung von Abfallmaterial ermöglichen, welches thermisch zersetzbare chemische Substanzen enthält oder daraus besteht. Speziell kann die Anlage für die thermische Zersetzung oder Verbrennung von Plastikmaterialien verwendet werden. Die gesuchten stabilen Endprodukte sind beispielsweise CO2, H2O und HCI. Die Vorrichtung umfasst vor allem eine Reaktionskammer 1 mit hitzebeständiger Auskleidung 2, mindestens Plasmabrenner 3 und Mittel 4 für die Zuführung des Abfallmaterials. Der Plasmabrenner 3 ist bevorzugterweise von der Art, die zwei zylindrische Elektroden benützen mit einem ringförmigen Zwischenraum, durch welchen das Plasmagas eintritt. Das Plasmagas wird durch die elektrischen Entladungen im genannten Raum zwischen den Elektroden erhitzt.
Das Plasmagas wird durch die Eintrittsleitung 12 eingeführt und der Plasmagasstrahl 5, welcher den Brenner 3 verlässt, tritt in die Reaktionskammer 1 ein. Die gasförmigen Reaktionsprodukte, welche dabei gebildet werden, fliessen aufwärts durch die Reaktionskammer und verlassen dieselbe beim Gasaustritt 11. Die Reaktionskammer 1 enthält eine Koksfüllung von der Art, welche dem Gas den Durchtritt durch die Füllung erlaubt.
Der Plasmagasstrahl 5 führt die zersetzten Abfallmaterialien undloder die Reaktionsprodukte davon in die Reaktionskammer 1. Im gezeigten Beispiel besteht die Koksfüllung aus einer Kolonne von groben Koksstücken. Innerhalb dem Volumen, in das der Plasmagasstrahl 5 eintritt, bildet sich ein Ausbrennungshohlraum 7, welcher die eigentliche Reaktionszone zur Umsetzung zu stabilen Produkten bildet. Daneben zeigt die Figur, gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die Reaktionskammer 1 in einem Schachtofen mit einem Hochofenoberteil 8 für die Zufuhr von Koks und mit einem Schlackenauslass 9 am Boden des Ofens. Eine Vorreaktionskammer 10 in Form einer Turbulenzkammer ist vor der eigentlichen Reaktionskammer vorgesehen.
Das kohlenstoftilaltige Material in Stückform wird, wie in der Figur gezeigt wird, durch den Hochofenoberteil in die Reaktionskammer eingegeben. Die Eingabe erfolgt so, dass das Material auf die Seiten der Reaktionskammer herunterfällt.
Dadurch bildet sich eine obere Begrenzung der Koksfüllung gemäss dem Schüttwinkel des Materials aus. Zugleich werden die Koksteile in etwa gemäss ihrer Grösse von innen nach aussen abgelagert. Diese Anordnung führt dazu, dass sich der aufsteigende Gasstrom vor allem in der Mitte des Ofens ausbildet. Dadurch wiederum wird die thermische Belastung der Auskleidung und des ganzen Ofens verringert. Zudem wird ein im wesentlichen konstanter Gasstrom innerhalb der ganzen Reaktionskammer erreicht, was im Hinblick auf die Konstanthaltung der thermodynamischen Bedingungen für alle Materialien, die an den Reaktionsprozessen teilnehmen, sehr wichtig ist.
Das Abfallmaterial wird also durch die Zugabeeinrich tungen 4 in die Düse eingeführt. welche unmittelbar vor dem
Plasmagenerator angeordnet ist. In der gezeigten Ausfüh rungsform ist die Düse in einem Stück ausgeführt mit der
Vorreaktionskammer 10. Sauerstoff kann nun sowohl vor wie auch nach der Vorreaktionskammer zugeführt werden.
Die Vorteile, die bei der Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens erreicht werden, sind die, dass die Umsetzung unter guter Kontrolle ausgeführt werden kann und dass daher die Bildung von stabilen Endprodukten erreicht werden kann. Die erfindungsgemässe Methode kann für viele verschiedene Arten von Abfallmaterial verwendet werden. Es können zum Beispiel auch Abfallmaterialien damit behandelt werden, welche nicht brennbar oder nur sehr schwer brennbar sind. Die Tatsache, dass das Verfahren in einer einfachen Vorrichtung ausgeführt werden kann, die damit auch leicht zu fahren ist, ist von speziellem Vorteil.
Das erfindungsgemässe Verfahren wird nun anhand von Beispielen näher erläutert.
Beispiel 1
In einem Versuchslauf zur Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens in einer Vorrichtung gemäss Figur 1 wurden 37 kg einer 1 0%gen Lösung von Pentachlorphenol in einem organischen Lösungsmittel durch Umsetzung abgebaut.
Im Versuch wurde Luft als Plasmagas eingesetzt, und die Temperatur des Gases nach dem Plasmabrenner wurde auf ungefähr 2 500 ¯ C eingestellt. Nach Aufheizen der Experimentieranlage auf Betriebstemperatur, d.h. auf ungefähr 2 000 C, wurde die Pentachlorphenollösung in die Düse eingespritzt und zwar mit einer Massengeschwindigkeit von
1,3 kg/Minute. Die Zufuhr von elektrischer Energie aus dem Plasmagenerator wurde auf 460 kW eingestellt. Komprimierte Luft wurde wie gesagt als Plasmagas eingesetzt und der Plasmagasstrom betrug 1.8 m3n/Minute. In die Düse vor dem Plasmabrenner wurden 1,2 m3 n pro Minute Sauerstoff zugegeben.
Die Zersetzung des Pentachlorphenols geschieht, wenn es den hohen Temperaturen des Plasmagases ausgesetzt wird, und die vollständige Zersetzung wird erreicht in der heissen Koksfüllung im Hohlraum 7 gleich anschliessend an die Düse. Unmittelbar nach der Zersetzung und vor allem im Hohlraum 7 in der Koksfüllung vor der Düse wird die gesamte Menge von freigesetztem Kohlenstoff gebunden wie auch eine kleine Menge von Wasserstoff, welche vor allem durch den Sauerstoff des Plasmagases und durch den zusätzlich eingeführten Sauerstoff gebunden wird. Das Gas, welches in Kokskolonne beim Austritt 11 verlässt, weist immer noch eine hohe Temperatur von ungefähr 1 900 C auf. Es wird abgekühlt und mit einer kaustischen Sodalösung gewaschen, wodurch Chlor und alle Kohlenwasserstoffe gebunden werden.
Das Gas, welches die Waschanlage verlässt, besteht aus einer Mischung von Kohlenstoffmonoxyd, Wasserstoff und Stickstoff mit ungefähr 4% Kohlenstoffdioxyd. Mittels Analyse gelang der Nachweis von Anwesenheit von Pentachlorphenol weder in der Waschlösung noch im Austrittgas nach der Waschung. Die Gesamtmenge Gas, welche den Ofen verlässt, betrug 8 m3n/Minute. Die Analyse des gewaschenen Gases ergab 36% CO, 4% CO2, 42% Wasserstoff und der Rest hauptsächlich Stickstoff. Die gesamte Menge an verbrauchtem Koks während des Versuchs betrug etwa 2,5 kg und eine gewisse Menge Schlacke wurde im unteren Teil des Ofens festgestellt. Die Menge an gebundenem Chlor in der Waschflüssigkeit betrug 2,45 kg.
Beispiel 2
In Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens wurde Sand, welcher mit Traasformeröl und chloriertem Kohlenwasserstoff getränkt war, durch thermische Zersetzung abgebaut. Das Abfallmaterial wog gesamthaft 60 kg und enthielt 6,2 kg Öl mit 2% (ungefähr 125 g) chloriertem Kohlenwasserstoff. Während des Experimentes wurde Luft als Plasmagas eingesetzt und die Temperatur des Gases nach dem Plasmabrenner wurde auf ungefähr 2 500 C eingestellt. Der verunreinigte Sand wurde mit 55 kg Kalk gemischt, um so den Schmelzpunkt und die Fliessfähigkeit der gebildeten Schlacke zu verbessern. Das Material wurde mit Hilfe von Luft als Trägergas in das Plasmagas eingespritzt und zwar bei dessen Ausgang auf dem Brenner.
Die Reaktionsteilnehmer wurden durch das Plasmagas in den Reaktionsraum getragen, welcher Reaktionsraum mit einer Koksfüllung aus Stücken von 40 bis 60 mm gefüllt war. Vor dem Experiment war die Reaktionskammer auf Betriebstemperatur, d.h. auf ungefähr 2 000 C erwärmt worden. Die Zugabegeschwindigkeit betrug 2 kg/Minute und die Massengeschwindigkeit des Trägergases war 0,6 m3n/Min. Die elektrische Energie auf dem Plasmagenerator wurde auf 540 kW eingestellt. Die Plasmagasmenge betrug 1,8 m3n/Min. Das Transformeröl und die chlorierten Kohlenwasserstoffe wurden zu Russ, zu Wasserstoff und zu Chlor zersetzt. Diese Verbindungen reagierten sofort mit dem Sauerstoff in der Luft unter Bildung von Kohlenstoffmonoxyd und wenig Wasserdampf.
Gleichzeitig schmolz der Sand unter dem Einfluss des Kalkes zu Schlacke ab und ergab CaO SiO2. Die Schlacke wurde bei 9 an der untersten Partie des Schachtofens entfernt. Das Gas, das CO2, H2, H2O und Cl2/HCI enthielt, wurde nach Austritt des Schachtofens abgekühlt und mit kaustischer Sodalösung gewaschen. Mittels Analyse war der Nachweis von chlorierten Kohlenwasserstoffen weder in der Waschlösung noch im Austrittsgas nach der Waschung möglich. Die Menge an absorbiertem Chlor in der Waschlösung betrug 77 g und die Analyse des gewaschenen Gases ergab 28 CO, 4% CO2, 7%H2 und der Rest hauptsächlich Stickstoff. Die Qualität an verbrauchtem Koks während des Experimentes betrug 4,1 kg und die Menge der gebildeten Schlacke war 117 kg.
Die eben beschriebenen zwei Beispiele stellen bloss bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemässen Verfahrens dar. Die erfindungsgemässe Methode kann auch zur Zersetzung von anderen Materialien eingesetzt werden. Die Abfallmaterialien, die erfindungsgemäss umgesetzt werden sollen, können flüssig, gasförmig oder fest sein.
Beispiele für flüssige Abfallmaterialien sind organische Lösungsmittel, Dioxine, Biocide usw., wie auch überschüssige Lösungsmittel aus industriellen Produktionsverfahren.
Feste Materialien können sein Pentachlorphenol, verunreinigter Sand und Erde, usw.
Gasförmiges Material kann bestehen aus Freonen, chemischen und biologischen Kampfgasen, usw.
Gemäss der Erfindung sollte das Ausgangsmaterial in eine dessen Zuführung erlaubende Form gebracht werden. Feste Materialien können beispielsweise gelöst, suspendiert oder gebrochen und zerkleinert werden.
Festes Material kann mit Hilfe eines Trägergases in das System eingeführt werden, wobei es im voraus zu einer Teilchengrösse von kleiner als 2 mm zerkleinert werden soll. Der Einblasdruck sollte mehr als 2 bar betragen.
Wenn der Feststoff als Suspension eingebracht werden soll, sollte die Teilchengrösse weniger als 0,25 mm betragen.
Hinsichtlich Vergiftungsgefahren sind Suspensionen oder Lösungen vorzuziehen, da diese in geschlossenen Systemen vorbereitet werden können. Es ist schwieriger, eine Verteilung von giftigem Material zu verhindern, wenn dieses mechanisch zerkleinert wird.
Unabhängig davon, ob die Zufuhr des Abfallmaterials in Gas- oder Flüssigkeitsform geschieht, sollte die Einblasgeschwindigkeit 5 m/Sekunde übersteigen, bevorzugterweise liegt sie zwischen 40 und 100 m/Sekunde. Dies trifft auch für Flüssigkeiten zu. Das Einblasen geschieht mit Vorteil in die Düse gleich vor dem Plasmabrenner.
Wenn das Abfallmaterial in Gasform vorliegt, wird es bevorzugterweise durch den Plasmabrenner ins System eingeführt. Natürlich kann das Material in diesem Fall auch aufgeteilt werden, so dass nur ein Teil durch den Plasmagenerator eintritt und zwar mit dem Plasmagas, währenddem der Rest nach dem Generator in das Plasmagas oder direkt in die Reaktionszone eingeführt wird. Das Plasmagas, welches in der Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens verwendet wird, sollte bevorzugterweise aus einem Gas bestehen, welches die geeignete Sauerstoffkonzentration für den Prozess aufweist. Alternativ dazu kann aber auch ein spezieller Sauerstoffzusatz vorgesehen werden und zwar mittels Zugabe von Sauerstoff in die Düse oder in die Reaktionszone.
Die Anfangstemperatur des Plasmagases nach dem Brenner sollte mindestens 2 000 oC betragen und das Gas sollte bevorzugterweise einen solchen Energieinhalt haben, das die Temperatur in der Reaktionskammer 2 000 DC übersteigt.
Das Plasmagas kann Luft sein, Umwälzgas vom Prozess, usw.
Hinsichtlich der Lokalisation des Hohlraums, d.h. der Reaktionszone mit Schacht, ist zu sagen, dass dieser sich vor dem Plasmagenerator während der Umsetzung bildet. Der Hohlraum bleibt jedoch nicht unverändert, er fällt wieder zusammen und wird dann wieder neu gebildet, usw. Im Prinzip besteht der Hohlraum aber auch aus den Leerräumen zwischen den Füllstücken, die sich ausdehnen, wenn die Reaktion fortschreitet.
Sauerstoff kann in irgendeiner Form zugegeben werden, beispielsweise als Wasser, als Wasserdampf usw.
Die Füllung kann auch Dolomit oder ähnliche Substanzen enthalten wie Kalk, welche Schwefel zu binden vermögen.
Das kohlenstoffhaltige Material ist bevorzugterweise Koks und zwar in Stückform mit Stückgrössen grösser als 20 mm, bevorzugterweise mit Stückgrössen zwischen 40 und 60 mm.
Zur totalen Umsetzung sollte das Material bevorzugterweise sich einige Millisekunden lang im gebildeten Hohlraum aufhalten und etwa 1 bis 5 Sekunden lang in der restlichen Kokskolonne. Diese Umsetzungszeiten können durch ver schiedene Massnahmen wie Änderung der Zuführungsge schwindigkeit reguliert und den Umständen angepasst werden.
Falls aus technischen Gründen gewünscht, kann die Gastemperatur im oberen Teil des Schachtes durch Zuführen von Wasser auf etwa 1 000 'C erniedrigt werden.
Das Gas, welches dem Schachtofen entnommen wird, wird geeigneterweise auf Raumtemperatur abgekühlt.
Dem zugeführten Abfallmaterial können, falls nötig, schlackenbildende Materialien zugesetzt werden.
Die Erfindung ist offensichtlich nicht auf die oben beschriebenen bevorzugten Formen beschränkt, sie kann vielmehr in vielen Arten variiert werden, immer jedoch innerhalb der Grenzen der vorliegenden Patentansprüche.
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PATENT CLAIMS
1. A method for converting thermally decomposable chemical substances containing or including waste material to stable end products, wherein the waste material for causing the decomposition is exposed to a high-temperature plasma gas which is generated in a plasma generator, characterized in that the waste material in a permitting its supply Form is forcibly passed through a reaction zone heated to at least 2,000 ° C. and that such oxygen potential is maintained in the reaction zone mentioned, which leads to the continuous formation of stable end products from the decomposition products.
2. The method according to claim 1, characterized in that the waste material is forcibly introduced into the plasma gas after the plasma generator.
3. The method according to claim 1, characterized in that the waste material is forcibly introduced into the plasma gas upstream of the plasma generator.
4. The method according to claim 1, characterized in that the waste material is forcibly introduced directly into the reaction zone.
5. The method according to claim 1, characterized in that oxygen is supplied to the plasma gas before and / or after the plasma generator and / or in the reaction zone.
6. The method according to claim 1, characterized in that the waste material, if it is in gaseous form, is mixed completely or partially with the plasma gas upstream of the plasma generator.
7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the waste material is brought into a solid form in a form allowing its supply, that it is either brought into solution or in suspension or that it is mechanically comminuted.
8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the waste material in the form of particles with a maximum size of 2 mm is forcibly introduced into the plasma gas by means of a carrier gas.
9. The method according to claims 1 to 7, characterized in that the waste material is supplied in the form of a fluid, the fluid being a suspension in which the solid particles have a maximum size of approximately 0.25 mm.
10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the injection pressure under which the waste material is introduced into the plasma gas is more than 2 bar.
11. The method according to any one of claims 1 to 10, characterized in that the blowing speed of the waste material is more than 5 seconds and is preferably between 40 and 100 m / second.
12. The method according to claim 1, characterized in that the plasma gas with the waste material and / or its decomposition products is introduced into a pre-reaction chamber which is arranged between the plasma generator and the reaction chamber, the mixture being brought into high turbulence in the pre-reaction chamber.
13. The method according to any one of claims 1 to 12, characterized in that the plasma gas consists of air or other, oxygen-containing gases, the oxygen content on the decomposition process and on the
Amounts of waste material are matched.
14. The method according to any one of claims 1 to 13, characterized in that the plasma jet is directed from the plasma generator against a gas-permeable filling in piece form, so that a cavity is formed in the filling during the reaction in which the desired reaction takes place .
15. The method according to claim 14, characterized in that the filling consists entirely or partially of carbonaceous material such as coke.
16. The method according to claim 14, characterized in that the filling consists partly or entirely of dolomite or other sulfur-binding material.
17. The method according to any one of claims 1 to 16.
characterized in that the residence time of the reaction participants in the cavity mentioned is a few milliseconds and that the residence time of the reaction participants in the rest of the filling is about 1 to 5 seconds.
18. The method according to any one of claims 1 to 17, characterized. that the gas leaving the reaction chamber is rapidly cooled and washed with a caustic soda solution so as to bind chlorine and hydrogen chloride.
19. Device for carrying out the method according to claim 1, characterized by a reaction chamber (1) with a heat-resistant lining (2), by at least one plasma generator (3), by devices (4) for the supply of waste material, through a nozzle immediately before the plasma generator (3), the means (4) for supplying the waste material opening into said nozzle and by means of supply (13) for oxygen, which also open into said nozzle.
20. The device according to claim 19, characterized in that the reaction chamber is in a shaft furnace and that it contains a gas-permeable filling (6), which filling is in the form of a piece.
21. The device according to claim 20, characterized in that the shaft furnace is provided with a blast furnace end (8) through which the pieces can be inserted to renew the filling, and by one
Slag outlet (9) at the bottom of the furnace.
22. The device according to claim 21, characterized in that the filling (6) made of carbon
Material like coke.
23. Device according to one of the claims 20 to
22, characterized in that a cavity (7) is burned into the filling (6) within the inlet volume of the plasma gas jet, said cavity representing the reaction zone.
24. The device according to claim 19, characterized in that a pre-reaction chamber (10) is arranged between the nozzle and the reaction chamber (1), preferably in the form of a turbulence chamber, so as to increase the residence time for the decomposition of the waste material and that subsequent to the said Vorreaktionskam mer a second nozzle is arranged, which an additional
Oxygenation allowed.
25. Device according to one of the claims 19 to
24, characterized in that the plasma generator comprises two cylindrical electrodes with an annular space and devices for the supply of
Plasma gas through said annular inter mediate space.
The invention described here relates to a method for
Conversion of waste material that contains or includes thermally decomposable chemical substances to stable end products such as CO2, H20 and HCI. From the waste material is a plasma gas of high tempera
exposed from a plasma generator. The invention also relates to a device for carrying out said method.
The proposal to incinerate waste material in a reaction furnace with a reaction cooker and a plurality of plasma torches above the cooker has already been made. The plasma gas from the plasma torch is directed in the form of a jet against the waste material in the stove. The waste material is broken down mechanically, but not to the shape of a particle. The material remains in the reaction center under the influence of the plasma gas. Stable end products obtained can be drawn off either as slag or as gases. The task of the plasma torch is to create the required high temperatures. With such a device, however, the reaction processes can be controlled only to a very limited extent. In addition, the individual volume elements of the waste materials are not in a thermodynamically uniform environment.
All of this means that the achievement of defined, stable end products using the method mentioned is not ensured.
The purpose of this invention is to be able to control the method described in the introduction in such a way that the reaction processes run under total control, in order to ensure the desired production of stable end products. Another object of this invention is to provide the device which enables said control in the process by means of simple and reliable arrangements.
According to the invention, this object is achieved in that the waste material in a form permitting its supply is forcibly passed through a reaction zone heated to at least 2,000 ° C. and that such oxygen potential is maintained in the said reaction zone which is necessary for the continuous formation of stable end products from the Decomposition products leads.
The invention requires that the reaction temperature, reaction times and oxidation potential have to be controlled precisely in order to achieve the desired formation of stable end products. There is a relationship between the reaction temperature and the reaction time, the time required decreasing with an increased reaction temperature and vice versa. According to the invention, the controlled decomposition is mainly ensured by adapting the reaction temperature and reaction time to a low oxidation potential. The adjustment of the reaction temperature is achieved by suitable adjustment of the plasma torch. The reaction time can be controlled by arranging a pre-reaction chamber between the waste material supply nozzle and the main reaction chamber.
The reaction is continued only after the controlled decomposition, again at a defined oxygen potential by adding further oxygen.
This is how the stable end products are ultimately achieved. The reaction time can be varied by influencing the flow paths. Both during the decomposition stage and while the reaction to stable end products continues, it is of the greatest advantage if the waste material can be fed in in a finely divided form. This brings a large surface area and especially good reactivity of the individual particles of the waste material.
In addition, both during the decomposition and during the subsequent reaction, all of these individual particles are in practically the same thermodynamic environment, in terms of pressure, temperature and other reactants. Finely divided form includes the forms that allow the transportation and supply of the waste material. The material is advantageously forcibly fed into the nozzle.
The method according to the invention can be further developed with regard to various designs. For example, part of the oxygen required for stabilizing the decomposition products can be mixed with the carrier gas and / or with the plasma gas. Specifically, the heated oxygen can be mixed with the carrier or plasma gas and the decomposition products contained therein. In cases where extremely high temperatures are required, the oxygen can be mixed in the form of a plasma gas at temperatures between 2,000 and 4,000 ° C. The oxygen can be added in the form of air and / or in the form of oxygen-enriched air or else in the form of technically pure oxygen.
However, water can also be added as an oxygen carrier, since the water decomposes in the plasma gas and thus supplies oxygen and hydrogen due to the high temperature.
According to this invention, the waste material in a form allowing its supply can be completely or partially supplied to the plasma gas after the plasma torch. In the case of waste materials such as dioxins, PCBs, oil-contaminated soil and the like, reproducible results are obtained if the response times of a few milliseconds are observed. Likewise, the carrier and the plasma gas must be guided in a sufficiently high turbulence in a suitable way in the plasma torch and in the reaction chamber. The gas which contains the stable end products can then be cooled, either immediately after or after leaving the reaction chamber.
According to a preferred embodiment of the invention, the jets from the plasma generators are directed against a gas-permeable coke filling in the combustion chamber. The waste material in the form suitable for supply and / or its reaction products are introduced with the plasma jet into said reaction chamber.
The invention also relates to a device for carrying out the method according to the invention, which contains or comprises thermally decomposable chemical substances, namely to produce stable products such as CO2, H2O and HC1. Said device comprises a reaction chamber with a heat and corrosion-resistant lining, at least one plasma torch and devices for introducing the waste material. The plasma gas jet from the plasma torch is directed into the reaction chamber and the gaseous reaction products can be removed from the reaction chamber.
Characteristic of the device is a nozzle which is provided directly in front of the plasma generator, the means for supplying the waste material opening into said nozzle and the supply devices for oxygen likewise opening into said nozzle.
Further developments of this invention are specified in the dependent claims.
According to a preferred embodiment, the reaction chamber contains a coke filling consisting of coarse pieces of coke. The reaction chamber is preferably located in a shaft furnace with an upper part, such as blast furnaces. Coke can be fed into the furnace through the upper part mentioned. The furnace has a slag outlet at the bottom. This enables the continuous replacement of used coke as in the normal blast furnace. Of course, the gaseous reaction products are generally subjected to cleaning after removal from the furnace, which also includes, for example, cooling and / or dust filtration.
The invention requires that the reactions for converting waste material into stable end products are carried out under precisely defined thermodynamic conditions. Such conditions include a specific temperature, a specific pressure and specific reaction potentials, especially the oxygen potential. For example, there must be a certain excess of oxygen until the reactions to the stable end products have progressed. At the same time, however, the formation of disruptive chemical compounds must be prevented. Surprisingly, it has now been found that this problem is solved according to the invention, namely in that the coke filling in the reaction space rapidly ensures that the excess oxygen is broken down.
The coke filling can of course also be used to create a reducing atmosphere for the reactions.
The coke filling stabilizes the reaction.
The amount of plasma gas is adjusted in terms of temperature and composition to the prevailing process conditions and thus also to the waste material to be processed.
The waste material can, for example, be mixed into a carrier gas in a finely divided form. This gas is then converted into the plasma gas in the torch, initially its oxygen potential is insufficient for a complete combustion of the waste material or the decomposition products of said material. The material is initially decomposed in the plasma gas and then further oxygen is added to the mixture. The oxygen can also be added with the carrier gas.
The decomposition can occur at temperatures between 2,000 and 4,000 DC, but it can also continue in regions that follow after these high temperatures. Because of certain circumstances, it may be advantageous according to the invention to set up a pre-reaction chamber in front of the actual reaction chamber, for example in the form of a turbulence chamber; the additional oxygen can be introduced into this room.
The invention will now be explained with reference to the accompanying drawing.
The device which is shown in the drawing is intended to enable the conversion of waste material which contains or consists of thermally decomposable chemical substances. In particular, the system can be used for the thermal decomposition or combustion of plastic materials. The stable end products sought are, for example, CO2, H2O and HCI. The device mainly comprises a reaction chamber 1 with a heat-resistant lining 2, at least plasma torch 3 and means 4 for supplying the waste material. The plasma torch 3 is preferably of the type which uses two cylindrical electrodes with an annular space through which the plasma gas enters. The plasma gas is heated by the electrical discharges in the space mentioned between the electrodes.
The plasma gas is introduced through the inlet line 12 and the plasma gas jet 5, which leaves the burner 3, enters the reaction chamber 1. The gaseous reaction products which are formed flow upwards through the reaction chamber and leave it at the gas outlet 11. The reaction chamber 1 contains a coke filling of the type which allows the gas to pass through the filling.
The plasma gas jet 5 leads the decomposed waste materials and / or the reaction products thereof into the reaction chamber 1. In the example shown, the coke filling consists of a column of coarse pieces of coke. A burnout cavity 7 forms within the volume into which the plasma gas jet 5 enters and forms the actual reaction zone for conversion to stable products. In addition, the figure shows, according to a preferred embodiment of the invention, the reaction chamber 1 in a shaft furnace with a blast furnace upper part 8 for the supply of coke and with a slag outlet 9 at the bottom of the furnace. A pre-reaction chamber 10 in the form of a turbulence chamber is provided in front of the actual reaction chamber.
The piece of carbonaceous material, as shown in the figure, is fed into the reaction chamber through the furnace top. The input is made so that the material falls onto the sides of the reaction chamber.
This creates an upper limit of the coke filling according to the angle of repose of the material. At the same time, the coke parts are deposited from the inside to the outside according to their size. This arrangement means that the rising gas flow is formed primarily in the middle of the furnace. This in turn reduces the thermal load on the lining and the entire furnace. In addition, an essentially constant gas flow is achieved within the entire reaction chamber, which is very important with regard to keeping the thermodynamic conditions constant for all materials that take part in the reaction processes.
The waste material is thus introduced into the nozzle by the feed devices 4. which immediately before
Plasma generator is arranged. In the embodiment shown, the nozzle is made in one piece with the
Pre-reaction chamber 10. Oxygen can now be supplied both before and after the pre-reaction chamber.
The advantages that are achieved when carrying out the process according to the invention are that the reaction can be carried out under good control and that the formation of stable end products can therefore be achieved. The method according to the invention can be used for many different types of waste material. For example, it can also be used to treat waste materials that are non-combustible or very difficult to combust. The fact that the method can be carried out in a simple device which is also easy to drive is of particular advantage.
The method according to the invention is now explained in more detail with the aid of examples.
example 1
In an experimental run for carrying out the method according to the invention in a device according to FIG. 1, 37 kg of a 10% solution of pentachlorophenol in an organic solvent were degraded by reaction.
In the experiment, air was used as the plasma gas and the temperature of the gas after the plasma torch was set at approximately 2500 ° C. After heating up the experiment system to operating temperature, i.e. at about 2,000 C, the pentachlorophenol solution was injected into the nozzle at a mass velocity of
1.3 kg / minute. The supply of electrical energy from the plasma generator was set to 460 kW. Compressed air was used as plasma gas and the plasma gas flow was 1.8 m3n / minute. Oxygen was added to the nozzle in front of the plasma torch at 1.2 m3 per minute.
The decomposition of the pentachlorophenol takes place when it is exposed to the high temperatures of the plasma gas, and the complete decomposition is achieved in the hot coke filling in the cavity 7 immediately after the nozzle. Immediately after the decomposition and especially in the cavity 7 in the coke filling in front of the nozzle, the entire amount of carbon released is bound as well as a small amount of hydrogen, which is bound primarily by the oxygen of the plasma gas and by the additionally introduced oxygen. The gas leaving the coke column at outlet 11 is still at a high temperature of approximately 1,900 ° C. It is cooled and washed with a caustic soda solution, which binds chlorine and all hydrocarbons.
The gas leaving the car wash consists of a mixture of carbon monoxide, hydrogen and nitrogen with approximately 4% carbon dioxide. Analysis revealed the presence of pentachlorophenol neither in the wash solution nor in the exit gas after the wash. The total amount of gas leaving the furnace was 8 m3n / minute. Analysis of the scrubbed gas showed 36% CO, 4% CO2, 42% hydrogen and the rest mainly nitrogen. The total amount of coke consumed during the experiment was about 2.5 kg and a certain amount of slag was found in the lower part of the furnace. The amount of chlorine bound in the washing liquid was 2.45 kg.
Example 2
In carrying out the process according to the invention, sand which had been impregnated with traasformer oil and chlorinated hydrocarbon was broken down by thermal decomposition. The waste material weighed a total of 60 kg and contained 6.2 kg of oil with 2% (approximately 125 g) chlorinated hydrocarbon. During the experiment, air was used as the plasma gas and the temperature of the gas after the plasma torch was set at approximately 2500 ° C. The contaminated sand was mixed with 55 kg of lime in order to improve the melting point and the flowability of the slag formed. The material was injected into the plasma gas with the aid of air as the carrier gas, namely when it exited the torch.
The reaction participants were carried through the plasma gas into the reaction space, which reaction space was filled with a coke filling from pieces of 40 to 60 mm. Before the experiment, the reaction chamber was at operating temperature, i.e. warmed to about 2,000C. The addition speed was 2 kg / minute and the mass speed of the carrier gas was 0.6 m3n / min. The electrical energy on the plasma generator was set to 540 kW. The amount of plasma gas was 1.8 m3n / min. The transformer oil and chlorinated hydrocarbons were decomposed to carbon black, hydrogen and chlorine. These compounds immediately reacted with the oxygen in the air to form carbon monoxide and little water vapor.
At the same time, the sand melted to slag under the influence of the lime and gave CaO SiO2. The slag was removed at 9 on the bottom of the shaft furnace. The gas, which contained CO2, H2, H2O and Cl2 / HCI, was cooled after the shaft furnace emerged and washed with caustic soda solution. By means of analysis, the detection of chlorinated hydrocarbons was not possible in the wash solution or in the exit gas after the wash. The amount of chlorine absorbed in the washing solution was 77 g and the analysis of the washed gas showed 28 CO, 4% CO2, 7% H2 and the rest mainly nitrogen. The quality of coke consumed during the experiment was 4.1 kg and the amount of slag formed was 117 kg.
The two examples just described merely represent preferred embodiments of the method according to the invention. The method according to the invention can also be used for the decomposition of other materials. The waste materials that are to be implemented according to the invention can be liquid, gaseous or solid.
Examples of liquid waste materials are organic solvents, dioxins, biocides, etc., as well as excess solvents from industrial production processes.
Solid materials can be pentachlorophenol, contaminated sand and earth, etc.
Gaseous material can consist of freons, chemical and biological combat gases, etc.
According to the invention, the starting material should be brought into a form allowing it to be fed. Solid materials can be dissolved, suspended or broken and crushed, for example.
Solid material can be introduced into the system with the aid of a carrier gas, whereby it should be crushed beforehand to a particle size of less than 2 mm. The injection pressure should be more than 2 bar.
If the solid is to be introduced as a suspension, the particle size should be less than 0.25 mm.
With regard to the risk of poisoning, suspensions or solutions are preferable because they can be prepared in closed systems. It is more difficult to prevent toxic material from spreading when mechanically crushed.
Regardless of whether the waste material is supplied in gas or liquid form, the blowing speed should exceed 5 m / second, preferably between 40 and 100 m / second. This also applies to liquids. It is advantageous to blow into the nozzle right in front of the plasma torch.
If the waste material is in gaseous form, it is preferably introduced into the system by the plasma torch. Of course, in this case the material can also be divided so that only a part enters through the plasma generator, specifically with the plasma gas, while the rest is introduced after the generator into the plasma gas or directly into the reaction zone. The plasma gas which is used in the implementation of the method according to the invention should preferably consist of a gas which has the suitable oxygen concentration for the process. Alternatively, however, a special addition of oxygen can also be provided, namely by adding oxygen into the nozzle or into the reaction zone.
The initial temperature of the plasma gas after the torch should be at least 2,000 oC and the gas should preferably have an energy content that exceeds the temperature in the reaction chamber 2,000 DC.
The plasma gas can be air, circulating gas from the process, etc.
With regard to the localization of the cavity, i.e. the reaction zone with shaft, it can be said that this forms in front of the plasma generator during the reaction. However, the cavity does not remain unchanged, it collapses again and is then formed again, etc. In principle, however, the cavity also consists of the empty spaces between the fillers, which expand as the reaction proceeds.
Oxygen can be added in any form, such as water, water vapor, etc.
The filling can also contain dolomite or similar substances such as lime, which are able to bind sulfur.
The carbon-containing material is preferably coke, namely in the form of pieces with piece sizes larger than 20 mm, preferably with piece sizes between 40 and 60 mm.
For total conversion, the material should preferably remain in the cavity formed for a few milliseconds and in the remaining coke column for about 1 to 5 seconds. These implementation times can be regulated by various measures such as changing the feed speed and adapted to the circumstances.
If desired for technical reasons, the gas temperature in the upper part of the shaft can be lowered to about 1,000 ° C. by adding water.
The gas removed from the shaft furnace is suitably cooled to room temperature.
If necessary, slag-forming materials can be added to the waste material supplied.
The invention is obviously not limited to the preferred forms described above, but can be varied in many ways, but always within the limits of the present claims.