DE3101455A1 - Verfahren und vorrichtung zur ueberfuehrung von gefaehrlichem material in einen relativ harmlosen zustand - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur ueberfuehrung von gefaehrlichem material in einen relativ harmlosen zustand

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Description

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Zur Volumenverringerung wurde seit langem die Veraschung von verbrennbaren Abfallmaterialien angewandt. Das Abfallmaterial wird mit einer Zündflamme entzündet und die Verbrennung durch Zuführung von Luft aufrechterhalten. Oft ist eine zweite Verbrennungskammer vorgesehen, um den Rauch mit zusätzlich zugeführter Luft vollständig zu verbrennen. Die Endprodukte sind Gase und Aschen.
Die Aschen werden oft durch Vergraben im Erdreich beseitige. Wenn die Aschen jedoch toxische oder gefährliche Materialien, wie Arsenoxid und Oxide von radioaktiven Elementen enthalten, wird die Beseitigung auf diesem Wege gewöhnlich nicht erlaubt. Das Problem liegt darin, dass das gefährliche Material durch Wasser aus den Aschen herausgelöst werden kann und dabei die Umwelt verunreinigt.
Es ist bekannt, Asche zu verfestigen, indem man sie mit erhitztem Bitumen mischt, das ganze in Container giesst und dann abkühlt. Dieses Produkt ist jedoch eine Mischung und nicht eine feste Lösung, und die Sicherheit hängt von der Stabilität des Bitumens ab. Bitumen unterliegt durch Feuereinwirkung, mikrobische Einwirkung und Radiolyse einer Zersetzung, wobei das untergemischte, gefährliche Material wieder in die Umgebung verstreut werden würde.
In jedem Falle aber birgt das Vermiscten mit Bitumen die Gefahr der Zerstreuung der Aschen während der Handhabung zwischen den Stufen und einer zweiten Verarbeitungsstufe. Beides sind beträchtliche Nachteile des Biturnen-Verfahrens.
Gemäss der vorliegenden Erfindung erfolgt die Überführung des gefährlichen Materials in einen relativ harmlosen Zustand in einer Umwandlungskammer, die ein Bad aus geschmolzenem Glas enthält. Das gefährliche Material verbrennt zu Asche und die Aschemasse wird in dem Glas aufgelöst unter Bildung eines molekularhomogenen Glases, in welchem die gefährlichen Elemente durch das Siliciumdioxidnetz gegen Auflösung und Verteilung durch und im Wasser aus der Umgebung geschützt werden.
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Ein Vorteil ist darin zu gehen, dass die Verfestigung der Aschen in einer einzigen Kanuner und in einem einzigen Verarbeitungsschritt erfolgt, wodurch eine mögliche Verstreuung der Aschen während der Handhabung vermieden wird.
Ein anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass das Endprodukt chemisch ausserordentlich beständig ist und durch Wasser, Feuer, mikrobische Einwirkung oder Radiolyse nicht zersetzt wird.
Andere Aspekte der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung ersichtlich werden, welche einen Längsschnitt durch eine schematische Darstellung einer besonderen Ausführungsform einer erfindungsgemässen Vorrichtung zeigt.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung 10 umfasst ein langgestrecktes, sich in horizontaler Richtung erstreckendes Gefüge 12 mit einer Bodenplatte 14, einer Deckplatte 16, einer Rückwand 18, einer Vorderwand 20 und zwei Seitenwänden, von denen eine dargestellt und mit dem Bezugszeichen 22 versehen ist. Das Gefüge 12 bildet eine langgestreckte Umwandlungskammer 24, die einen unteren Kammerteil 24a und einen oberen Kammerteil 24b umfasst.
Die Bodenplatte 14 und wenigstens die unteren Teile der Rück-, Vorder- und Seitenwände 18 bis 22 bestehen aus einem feuerfesten, glasbeständigen Material, so dass ein geschmolzenes Glasmaterial in dem unteren Teil 24a der Umwandlungskammer 24 aufbewahrt werden kann. Die Deckplatte 16 und die oberen Teile der Wände 18 bis 22 können aus Schamotte-Stein bestehen.
Im oberen Teil der Rückwand 18 ist eine Einlassöffnung 26 für festes Abfallmaterial vorgesehen. Eine abwärts geneigte Beschickungsrutsche 28 führt zu der öffnung 26 und einem Tor 30, das mit schematisch dargestellten Betätxgungsmxtteln 32 versehen ist, so dass die öffnung 26 wahlweise geschlossen werden
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kann. Am rückwärtigen Ende des Gefüges 12 ist in der Deckplatte 1 6 auch ein Einlass 34 für flüssiges Beschickungsgut vorgesehen, der mittels eines Ventils 36 kontrolliert wird, und weiterhin auch eine Einlassöffnung 38 für Glasbeschickungsgut. Teilchenförmiges Glasmaterial, wie beispielsweise zerstossenes Flaschenglas, mit dem Bezugszeichen 40 versehen, befindet sich in einem Schüttgutbehälter 42 und wird mittels einer Transportschnecke 44 nach Bedarf zu der Beschickungsöffnung 38 am rückwärtigen Ende des Gefüges 12 geführt.
Ein Satz Elektroden 46 (mit "E" bezeichnet) ist entlang der gesamten Länge des unteren Teils der einen Seitenwand 22 in beabstandeten Intervallen angeordnet, und ein zweiter Satz entsprechender Elektroden ist auf der gegenüberliegenden Seitenwand 22 angeordnet. Die genaue Lage und Stromkreise der Elektroden kann nach Wunsch modifiziert werden. Bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung lässt man einen Strom zwischen den zwei Sätzen Elektroden fliessen, um das Glas in dem unteren Teil 24a der Umwandlungskammer durch den Joule-Effekt zu erhitzen, so dass das Glas in dem Kammerteil 24a in einem geschmolzenen Zustand gehalten wird.
Am anderen Ende des Gefüges 12 ist eine Abflussröhre 48 am unteren Ende der Vorderwand 20 vorgesehen, wobei die Röhre 48 nach Wunsch geöffnet oder geschlossen werden kann, beispielsweise mittels eines Schieberventils, das schematisch in der Zeichnung angegeben und mit dem Bezugszeichen 50 versehen ist. Das Glasmaterial, das durch die Röhre 48 abgelassen wird, lässt man in einer Kühlzone absetzen, die, wie hier gezeigt, ein Lagertank oder eine Lagertrommel 52 sein kann.
Von dem Auslassende des Gefüges 12 führt ein Gefüge mit rohrförmiger Wandung 53 nach oben, wodurch ein Abgasdurchlass 54 gebildet wird, dessen oberes Ende mit einem sich, seitlich erstreckenden Filtergefüge 56 verbunden ist, welches einen sich horizontal erstreckenden Filterbereich 58 bildet. In dem Filterbereich 58 ist eine Mehrzahl von porösen Filterblöcken 60
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angeordnet. Bei der hier dargestellten, bevorzugten Ausführungsform bestehen diese Filterblöcke 60 aus keramischer Faser, die mit dem in dem unteren Teil 24a der Umwandlungskammer enthaltenen Glas verträglich sein würde.
Das vordere Ende des Filterbereichs 58 ist mittels eines luftdichten Deckels 62 verschlossen und ein Schiebearm 64 reicht so durch den luftdichten Deckel 62 hindurch, dass der vorderste der Filterblocke berührt werden kann. Wie nachfolgend noch beschrieben werden wird, bewegt der Schiebearm die Filterblöcke in periodischen Abständen rückwärts, so dass der hinterste Block 60 durch den Abgasdurchlass 54 nach unten in das geschmolzene Glas am vorderen Ende des unteren ümwandlungskammerteils 24a fällt.
Ein Abgaskanal 66 erstreckt sich, ausgehend von dem mittleren Bereich des Filtergefüges 56, nach oben, um das Abgas aufzunehmen, das durch den Filterbereich 58 fliesst. Dieser Abgaskanal 66 kann mit einer zusätzlichen Filtervorrichtung verbunden sein, die eine herkömmliche ist oder sein kann. Das Glas 72 in dem unteren Kammerteil 24a kann eine sehr verschiedene Zusammensetzung haben und kann ein siliciumhaltiges Produkt sein, das mit Alkali- und Metalloxiden kombiniert ist, zuzüglich hinzugefügtem Natriumcarbonat, welches das Schmelzen erleichtert.
Zu Beginn wird das Glas 72 durch eine Brennstofflamme in einen geschmolzenen und damit leitfähigen Zustand gebracht und durch elektrische Erwärmung (Joule-Effekt), unterstützt durch die Verbrennungswärme des Abfallmaterials, auf der gewünschten Betriebstemperatur von etwa 1050 bis 15000C (1900 bis 27000F), vorzugsweise etwa 1200 bis 15000C und insbesondere etwa 12600C (23000F) gehalten.
Die Abfallmaterialien können sehr verschieden sein, beispielsweise organische und anorganische Materialien, die verbrennbar oder oxidierbar sind, zusammen mit Metalloxiden, die radioaktiv oder nicht-radioaktiv sein können.
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Beim Betrieb der erfindungsgemässen Vorrichtung wird ein Behälter 68 mit Abfallmaterial durch geeignete Mittel, wie beispielsweise einen Schiebearm 74, die Rutsche 28 hinunterbewegt, durch die hintere Beschickungsöffnung 26 und auf den hinteren Teil des geschmolzenen Glasbades 72 geführt. Das verbrennbare Material, das leichter als das Glas 72 ist, schwimmt oben auf dem Glas 72 und beginnt augenblicklich zu verbrennen infolge der in der Umwandlungskammer 24 aufrechterhaltenen hohen Temperatur. Durch die öffnungen 7 0 wird Luft zugeführt, so dass die Verbrennung mit der gewünschten Geschwindigkeit erfolgt. Durch die Verbrennung des Abfallmaterials werden Abgase, wie Kohlendioxid, und Aschematerial erzeugt. Die Asche besteht im allgemeinen aus Metalloxiden, wie Siliciumdioxid, Eisenoxid, Calciumoxid, Aluminiumoxid und dergleichen. Dieses Aschematerial ist mit Glas verträglich, und die Ascheteilchen fallen auf die Oberfläche des geschmolzenen Glases 7 2 und werden damit ein Teil von diesem. Kleinere Ascheteilchen können jedoch in den gasförmigen Verbrennungsprodukten suspendiert bleiben.
Die gasförmigen Verbrennungsprodukte fliessen in horizontaler Richtung durch den oberen Teil 24b der Umwandlungskammer nach vorne. Während die gasförmigen Verbrennungsprodukte durch die Kammer 24 fliessen, setzen sich die meisten der kleineren Ascheteilchen aus den gasförmigen Verbrennungsprodukten ab und fallen auf das geschmolzene Glas 72 und lösen sich in dem Gasmaterial 72. In dem oberen Kammerteil 24b findet auch eine Reaktion statt, die als "Feinverbrennung" (polish combustion) bezeichnet wird und die letzte Stufe der Verbrennung der Produkte darstellt, die zuvor in dem Einführungsbereich der Umwandlung skammer nicht oxidiert worden sind.
Rückblickend auf den Teil des erfindungsgemässen Verfahrens, welches oben beschrieben wurde, wird offensichtlich, dass der Verbrennungsbereich der Umwandlungskammer 24 auoh^als eine anfängliche Materialabbauzone bezeichnet werden kann, in welcher das verbrennbare Material verbrennt und das nicht ver brennbare schmilzt oder auf irgendeine Weise abgebaut wird. Der vordere Teil der Kammer 24 kann als Absetzbereich angesehen
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werden. In der Abbauzone verbrennt im wesentlichen alles verbrennbare Material (oder wenigstens ein sehr grosser Teil davon) , wobei sich die grösseren Ascheteilchen auf dem geschmolzenen Glas 72 absetzen. Wie bereits oben erwähnt, fallen in dem Absetzbereich die kleineren Ascheteilchen und anderes teilchenförmiges Material auf das geschmolzene Glas 72, und möglicherweise unterliegen einige dieser Teilchen der letzten Verbrennungsphase, die oben als "Feinverbrennung" bezeichnet wurde.
Es ist möglich, dass etwas Staub durch den Abgasdurchlass 54 mitgeschleppt wird. Das nach oben durch den Durchlass 54 abfliessende Abgas wird durch die Filterblöcke 60 in dem Filterbereich 58 bewegt und entweicht dann durch den Abgaskanal 66. Ein beträchtlicher Teil des Staubes wird in den Filterblöcken aufgefangen.
Sobald der erste Filterblock 60 teilweise durch den Staub verstopft ist, wird der Schiebearm 64 betätigt, um die Filterblöcke 60 so zu verschieben, dass der erste Block 60 auf den vorderen Bereich des geschmolzenen Glases 72 fällt. Der Filterblock 60 besteht geeigneterweise aus keramischem Material, das sich in dem Glas löst, so dass das Filtermaterial und der Staub ein Teil des Glases werden. In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der Filterblock auch teilweise oder insgesamt aus einem verbrennbaren Material bestehen. Wenn ein solcher Block dann auf das Glas fällt, bildet sich Asche und ein gasförmiges Produkt.
Falls gewünscht, können die Fasern oder die Oberfläche der Filterblöcke 60 mit einem geeigneten Oberflächenüberzug versehen sein, damit die Teilchen an dem Fasermaterial haften. Ein Beispiel hierfür ist Eisenoxid, mit welchem Rutheniumoxid eingefahgen werden kann. '- <
Wenn das Niveau des Glases 72 zu hoch wird, wird das Ventil 50 geöffnet, damit das geschmolzene Glasmaterial 72 in den Kühl-
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bereich (hier als Behälter 52 gezeigt) abfliessen kann. Das geschmolzene Glas einschliesslich der aufgelösten Asche verfestigt sich beim Abkühlen zu einem Block, der hier mit dem Bezugszeichen 76 versehen ist. Der Block 76 kann dann ohne eine Gefahr der Verunreiniung der Umwelt zur Lagerung oder Beseitigung gebracht werden.
Das zu beseitigen Abfallmaterial muss nicht im trockenen Zustand vorliegen. Eine wässrige Aufschlämmung von organischen Ionenaustauschharz-Perlen kann als Beschickungsgut dienen. Das Wasser verdampft, das Harz verbrennt, und die Asche löst sich in dem Glas. Dies stellt eine bedeutende Möglichkeit der Anwendung für Kernkraftanlagen dar, wo die Asche radioaktive Elemente enthält.
Ende der Beschreibung
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Le e rs e i t e

Claims (7)

  1. DR.-ING. WALTER ABITZ DR. DIETER F. MORF DIPL.-PHYS.M. GRITSCHNEDER Patentanwälte
    München.
    19. Januar 1981
    Postannchrift / Postal Address Postfach ββΟΙΟΘ. 8ΟΟΟ München 8β
    Pienzenauerstraße 28
    Telefon ββ 3222
    Telegramme: Chemlndus München
    Telex: (O) 523992
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    H. Larry Penberthy
    Seattle, Washington, V.St.A.
    Verfahren und Vorrichtung zur überführung von gefährlichem Material in einen relativ harmlosen Zustand
    Patentansprüche
    Verfahren zur überführung von potentiell gefährlichem, verbrennbarem Abfallmaterial in einen weniger gefährlichen Zustand, dadurch gekennzeichnet, dass man
    a. ein Bad aus geschmolzenem Glas in einer abgeschlossenen, sich horizontal erstreckenden ümwandlungs- bzw. Überführungskammer herstellt, wobei die Umwandlungskammer einen anfänglichen Verbrennungsberexch und einen folgenden Asche-Absetzbereich umfasst, der von dem anfänglichen Verbrennungsberexch -irt horizontaler Richtung getrennt ist,
    .b. das genannte Abfallmaterial nahe bei dem anfänglichen Verbrennungsberexch in die Umwandlungskammer einführt,
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    c. das Glas auf einer ausreichend hohen Temperatur hält, um das Abfallmaterial mit zugeführter Luft in einen Aschebestandteil und einen gasförmigen Bestandteil zu verbrennen, wobei wenigstens ein Teil des Aschebestandteils teilchenförmige Asche ist, die in dem gasförmigen Bestandteil suspendiert ist,
    d. den gasförmigen Bestandteil im allgemeinen horizontal von dem Verbrennungsbereich zu einer Stelle über dem geschmolzenen Glasmaterial in dem Absetzbereich bewegt, wobei sich wenigstens ein Teil der genannten suspendierten, teilchenförmigen Asche auf das geschmolzene Glasmaterial in dem Absetzbereich absetzt und sich dabei ein gelöste Asche-Glas-Material bildet, und
    e. das kombinierte Asche-Glas-Material in eine Kühlzone ablässt, wo sich ein festes Abfall-Glas-Produkt bildet.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man den gasförmigen Bestandteil aus dem Absetzbereich durch wenigstens einen Filterbestandteil leitet, welcher aus einem Filtermaterial besteht, das mit dem Glasmaterial kombiniert werden kann, wobei wenigstens ein Teil der suspendierten, teilchenförmigen Asche in dem Filterbestandteil eingefangen wird, und dann den Filterbestandteil in das geschmolzene Glasmaterial überführt, so dass der Filterbestandteil mit der teilchenförmigen Asche in das Glasmaterial eingearbeitet wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man den gasförmigen Bestandteil aus dem Absetzbereich durch wenigstens einen Filterbestandteil führt, der aus einem Filtermaterial besteht, welches wenigstens teilweise verbrennbar ist, wobei wenigstens ein Teil der suspendierten, teilchenförmigen Asche in dem Filterbestandteil eingefangen wird, und dann den Filterbestandteil in das geschmolzene Glasmaterial überführt, so dass die teilchenförmige Asche in das Glasmaterial eingearbeitet wird.
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  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Glasmaterial durch Hindurchleiten von elektrischem Strom erhitzt wird.
  5. 5. Vorrichtung zur Überführung von Abfallmaterial in einen relativ harmlosen Zustand, gekennzeichnet durch
    a. Mittel (14, 16, 18, 20, 22), die eine abgeschlossene, sich horizontal erstreckende Umwandlungskammer (24) bilden, wobei die Umwandlungskammer (24) einen anfänglichen Verbrennungsbereich und einen folgenden Absetzbereich, welcher in horizontaler Richtung von dem anfänglichen Verbrennungsbereich getrennt ist, aufweist, wobei der untere Teil (24a) der Umwandlungskammer (24) ein Bad aus geschmolzenem Glas enthält und wobei ein oberer Teil (24b) so ausgelegt ist, dass er einen gasförmigen Bestandteil enthalten kann,
    b. Einlassmittel (26, 28, 30, 32), die in den anfänglichen Verbrennungsbereich führen, wobei diese Einlassmittel so ausgelegt sind, dass das Abfallmaterial in die Umwand lungskammer 24 geführt wird,
    c. Auslassmittel (48, 50), die so ausgelegt sind, dass ein gelöste Asche-Glas-Material aus dem Absetzbereich abgeführt werden kann,
    d. Mittel zur Abführung des gasförmigen Bestandteils aus dem Absetzbereich, und
    e. Mittel (46), um das Glasmaterial in der Umwandlungskammer auf einer ausreichend hohen Temperatur zu halten, so dass das Abfallmaterial mit zugeführter Luft verbrennt,
    wobei das gefährliche Abfallmaterial, wenn es in dem anfänglichen Verbrennungsbereich zu dem geschmolzenen Glasmaterial geführt wird, in einen Aschebeständteil und einen gasförmigen Bestandteil abgebaut wird, wenigstens ein Teil des Aschebestandteils eine teilchenförmige Asche ist, die in dem gasförmigen Bestandteil suspendiert ist,
    13006*7/0507
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    und der gasförmige Bestandteil über den Absetzbereich hinweg bewegt wird, wobei sich wenigstens ein Teil der suspendierten, teilchenförmigen Asche auf dem geschmolzenen Glas in dem Absetzbereich absetzt und dabei ein kombiniertes Asche-Glas-Material gebildet wird, das dann aus dem Absetzbereich in eine Kühlzone überführt werden kann, wo sich ein festes Äbfall-Glas-Produkt bildet.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, zusätzlich gekennzeichnet durch Mittel (53), die einen Abgasdurchlass (54) bilden, der von dem Absetzbereich wegführt, wobei wenigstens ein Filterbestandteil (56) in dem Abgasdurchlass (54) angeordnet ist und der Filterbestandteil (56) ein Filtermaterial enthält, das mit dem Glasmaterial kombiniert werden kann, und Mittel (62, 64), um den Filterbestandteil in das geschmolzene Glasmaterial zu überführen, so dass der Filterbestandteil mit der eingefangenen, teilchenförmigen Asche in das Glasmaterial eingearbeitet werden kann.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch ein Filtermaterial, das wenigstens teilweise verbrennbar ist.
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DE19813101455 1980-01-18 1981-01-19 Verfahren und vorrichtung zur ueberfuehrung von gefaehrlichem material in einen relativ harmlosen zustand Granted DE3101455A1 (de)

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