Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur pyrolytischen Vernichtung von Müll beispielsweise von mehrfach chlorierten Biphenylen (PCBs).
Es gibt eine steigende Anzahl von toxischen oder gefährlichen Verbindungen, deren Gebrauch verboten wurde und
die sicher beseitigt werden müssen. Neben PCB's gibt es organische Phosphor- und Stickstoff- sowie metallorganische
Verbindungen und andere Materialien, die in hohen Mengen vorkommen und wirksame Verfahren zur Beseitigung
erfordern. Die Mehrzahl der giftigen Verbindungen liegen in zusammengesetzter Grundform vor und sind aus organisehen
sowie anorganischen Komponenten aufgebaut, beispielsweise PCB-haltige Kondensatoren, für deren sichere
Beseitigung wenig oder keine Technologie zur Verfügung steht.
Zur Beseitigung solch giftigen Mülls wurden verschiedene Verfahren erprobt, unter anderem thermische Zersetzung,
chemische Entgiftung, Langzeit-Verkapselung sowie spezielle Auffüllverfahren. Bis auf Hochtemperatur-Verbrennung
wurden wenig Erfolge bei der sicheren Beseitigung solchen Mülls erzielt. Mit den erprobten Verfahren konnten
entweder ausschließlich homogene Müllzufuhrströme oder nur relativ geringe Giftkonzentrationen im Müll verarbeitet
werden. Sehr wenige der Beseitigungsverfahren wurden bis heute kommerziell eingesetzt, da bei den zuständigen
Stellen nicht nachgewiesen werden konnte, daß diese Verfahren absolut sicher sind.
Von den bekannten Verfahren war die thermische Zersetzung am vielversprechendsten. Der giftige Müll weist jedoch
gewöhnlich sehr stabile organische Moleküle auf, so daß
sehr lange Verweilzeiten bei hohen Temperaturen für die thermische Zersetzung nötig sind. Einige Verbrennungsoder Veraschungssysteme können die nötigen Bedingungen
erzeugen, jedoch waren die Vorrichtungen sehr groß und die Verbrennungsprodukte stellten ebenso große Beseitigungsprobleme
wie der ursprüngliche giftige Müll dar.
In der Vergangenheit wurden auch Versuche gemacht, elektrische Plasmalichtbögen zur Zerstörung von Giftmüll
heranzuziehen. Laborversuche haben gezeigt, daß ein Plasmalichtbogen in der Lage ist, toxische organische Verbindungen
zu atomisieren und zu ionisieren und daß diese Atome und Ionen gewöhnlich zu einfachen Produkten rekombinieren.
Wenn restliche Giftstoffe gebildet wurden, konnten diese festgehalten werden, so daß Giftstoffe nicht in
wesentlichem Umfang in die Umwelt abgegeben wurden.
Jedoch wurde bisher kein kommerziell nutzbares Verfahren zur pyrolytischen Vernichtung von Müll angegeben, das den
zuständigen Behörden ausreichend verläßlich und wirksam erschien.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines verbesserten Verfahrens und einer verbesserten Vorrichtung
zur pyrolytischen Müllvernichtung.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren gemäß Hauptanspruch mit Hilfe der im kennzeichnenden Teil dieses
Anspruchs genannten Merkmale gelöst. Zur Lösung dieser Aufgabe dient auch eine Vorrichtungzur pyrolytischen Müllvernichtung,
die durch die Merkmale des Anspruchs 16 gekennzeichnet ist.
Bei der Erfindung wird eine Plasmalichtbogenvorrichtung zur Ionisierung und zur Atomisierung von Müll verwendet.
Die Rekombinationsprodukte werden auf einfache und kostengünstige Weise ohne Belastung für die Umwelt wirksam
neutralisiert und gereinigt.
Mit der Erfindung wird daher ein Verfahren zur pyrolytischen Vernichtung von Müll mit folgenden Schritten geschaffen:
Der Müll wird in einen Hochtemperatur-Plasmalichtbogen zur Atomisierung und Ionisierung eingebracht.
Das atomisierte und ionisierte Müllmaterial wird dann in einem Reaktionsraum zur Bildung von Rekombinationsprodukten
wie Produktgas und teilchenförmiges Material abgekühlt.
Die Rekombinationsprodukte werden mit einem alkalischen Sprühnebel abgeschreckt, um diese zu neutralisieren
und das teilchenförmige Material anzufeuchten. Das erzeugte
Gas wird von den Rekombinationsprodukten abgezogen und verbrannt.
Mit Hilfe der Erfindung wird außerdem eine Vorrichtung zur pyrolytischen Vernichtung von Müll geschaffen. Die
Vorrichtung weist einen Plasmabrenner mit zumindest zwei kollinearen, hohlen Elektroden und einer Einrichtung zur
Stabilisierung des dazwischen verlaufenden Plasmalichtbogens auf. Mit den Elektroden ist zur Erzeugung des Plasmalichtbogens
eine Spannungsversorgung verbunden. Außerdem ist eine Kühleinrichtung zur Kühlung der Elektroden vorgesehen.
Mit dem Plasmabrenner ist ein Reaktionsbehälter mit einem eine feuerfeste Ausfütterung aufweisenden Reaktionsraum
zur Aufnahme des Plasmalichtbogens verbunden. Es ist eine Vorrichtung vorgesehen, mit der Müll in den
Plasmalichtbogen eingebracht werden kann, so daß er atomisiert und ionisiert wird und dann in der Reaktionskammer
zu den Rekombinationsprodukten rekombiniert. Der Reaktionsbehälter
weist einen Auslaß zum Entfernen der Rekombinationsprodukte auf. Mit dem Auslaß des Reaktionsbehälters
steht ein Sprühring in Verbindung. Mit diesem ist
ein unter Druck stehender Vorrat einer alkalischen Flüssigkeit zum Abschrecken und Neutralisieren der Rekombinationsprodukte
verbunden. Mit dem Ausgang des Sprührings ist ein Skrubber verbunden, der Produktgas von dem flüssigen,
teilchenförmigen Material in den Rekombinationsprodukten trennt. Mit diesem steht eine Einrichtung zur
Entfernung des flüssigen, teilchenförmigen Material und des Produktgases in Verbindung.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher
erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Ansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Vorrichtung zur pyrolytisehen Vernichtung von Müll;
Figur 2 einen senkrechten Schnitt durch einen bei der
Vorrichtung gemäß Figur 1 verwendeten Skrubber;
Figur 3 einen Schnitt entlang der Linie 3 - 3 in Figur 2; Figur 4 einen senkrechten Schnitt durch einen bei der
Vorrichtung gemäß Figur 1 verwendeten Aktivkohle-Filter ;
Figur 5 einen Schnitt entlang der Linie 5 - 5 in Figur
4; und
Figur 6 eine vergrößerte schematische Ansicht eines Teils von Figur 1, die ein anderes Ausführungs
beispiel des Plasmabrenners wiedergibt ο
In Figur 1 ist eine Pyrolyseeinrichtung 10 dargestellt, die einen Plasmabrenner 12 zum Atomisieren und Ionisieren
von Müll aufweist. Ein Reaktionsbehälter 14 nimmt den atomisierten und·ionisierten Müll auf, der dort abgekühlt
wird und zu Gas und teilchenförmigem Material rekombiniert. Die rekombinierten Produkte treten aus dem Reaktionsbehälter
14 aus und passieren einen Sprühring 16, wo sie mittels eines Hochdruck-Laugen-Zerstäubers abge-
schreckt und neutralisiert werden. Die rekombinierten Produkte werden dann durch einen Skrubber 18 gesaugt, wo das
Produktgas von dem flüssigen, teilchenförmigen Material getrennt wird. Ein Induktionsgebläse 20 befördert das
Produktgas entweder zum Abfackeln zu einem Fackelrohr 22 oder zu einem Aktivkohle-Filter 24. Die Plasma-Pyrolyseeinrichtung
10 ist so kompakt, daß sie in einen geschlossenen, 13,7 m langen, Schlepperanhänger (drop-bed-Lkw)
paßt, so daß die Pyrolyseeinrichtung 10 beweglich ist und an jeden Ort mit giftigem, zu beseitigendem Müll transportiert
werden kann.
Der Plasmabrenner 12 weist ein Paar kollinearer, hohler Elektroden 26, 28 auf, die intern jeweils über elektrisehe
Leitungen 32 und 34 mit einer geeigneten Spannungsversorgung 30 verbunden sind. Bei der Spannungsversorgung
30 handelt es sich um eine wassergekühlte Sechs-Impuls-Thyristoreinheit mit einer Nennleistung von 500 kW, die
auf der Primärseite mit 480 Volt einer Dreiphasenzuleitung des öffentlichen Versorgungsnetzes verbunden werden
kann. Die Spannungsversorgung 30 liefert für die Elektroden 26 und 28 eine Gleichspannung, um eine
variable Plasma-Ausgangsleistung von 200 bis 500 kW zu erreichen.
Bei dem von dem Plasmabrenner 12 erzeugten Plasmalichtbogen handelt es sich um Hochtemperatur-Plasma mit Temperaturen
von über 5 0000C bis zu 50 000°C, wogegen bei Niedertemperatur-Plasma ein Edelgas oder Vakuum erforder-
3Q lieh ist, um den Plasmalichtbogen zu zünden und aufrechtzuerhalten
.
Der Plasmalichtbogen im Plasmabrenner 12 wird von ringförmigen Spulen 36 und 38, die ein elektromagnetisches Feld
erzeugen und den Lichtbogen rotieren lassen, stabilisiert
oder eingestellt. Darüber hinaus ist ein ringförmiger
Spalt 40 zwischen den Elektroden 26 und 28 vorgesehen, der über eine mit einem geeigneten Steuerventil 46 versehene
Luftversorgungsleitung mit einer Hochdruck-Gasversorgung
42 und mit einem geeigneten Gas-Zuführungsring verbunden ist. Die Hochdruck-Gasversorgung 42 dient zur Erzeugung
eines Wirbels im Plasmabrenner 12 und trägt dazu bei, den Lichtbogen rotieren zu lassen und zu stabilisieren.
Die Wirbelluft wird dem Plasmabrenner 12 mit einer Strömungsrate von 0,75 m /min. und mit einem Druck von
6,9 bar (690 kPa) zugeführt. Diese Luftmenge spielt keine Rolle, da sie weniger als 1 bis 2 % der zur Verbrennung
der meisten organischen Abfallstoffe notwendigen stöchiometrischen
Luftmenge ausmacht, so daß das Verfahren im wesentlichen pyrolytisch ist.
Die Elektroden 26 und 28 sowie die Spulen 36 und 38 werden durch Kühlwasser gekühlt, das um und durch diese
in ersten Kühldurchlässen 47 und 49 verläuft. Diese sind mit einer Kühlwasserquelle in einem Vorratstank bzw. Wasserbehälter
48 mit einem Fassungsvermögen von üblicherweise 590 1 verbunden. Das Wasser zirkuliert in einem
geschlossenen Kreislauf mit einer typischen Strömungsrate von 160 l/min und einem typischen Druck von 6,9 bar. Eine
geeignete Kühlwasserpumpe 50 befindet sich in einer Kühlwasser-Zuleitung
52 und ein Ventil 54 in der Kühlwasser-Rückleitung 56. Das Ventil 54 kann zur Steuerung der
Strömungsrate des Kühlwassers verwendet werden. Alternativ ist die Wasserströmung konstant und ein nicht dargestellter
Wärmeaustauscher ist in die Kühlwasser-Rückleitung 56 eingebracht, um die durch den Kühlwasserkreislauf
abgeleitete Wärme zu steuern. Über Kühlleitungen 58 wird ein Teil des Kühlwassers durch an den elektrischen Leitungen
32 und 34 der Spannungsversorgung 30 vorgesehene Kühlhülsen geleitet, um die Leitungen 32, 34 zu kühlen.
Zur Kühlung wird aufbereitetes oder entionisiertes Wasser
verwendet.
Der Aufbau des Plasmabrenners 12 selbst ist nicht Teil der Erfindung und wird nicht genauer beschrieben. Die
Grundausführung des Plasmabrenners 12 ist bei Westinghouse Electric Corporation in Pittsburg, Pennsylvania,
USA erhältlich; er entspricht im wesentlichen dem in der US-PS 3 832 519 beschriebenen Brenner.
Müll wird dem Plasmabrenner 12 über eine Müllzufuhr-Leitung 16 mit etwa 4,5 l/min zugeführt. Sie ist mit
einem oder mehreren ringförmigen Einlaßringen 62 verbunden, von denen nur einer in Figur 1 dargestellt ist.
Gemäß Figur 1 ist der Einlaßring 62 koaxial zwischen den hohlen Elektroden 26 und 28 und gemäß Figur 6 nach den
Elektroden 26 und 28 angebracht. Der Müll strömt durch den Einlaßring 62 und wird direkt in den von den Elektroden
26 und 28 gebildeten kollinearen Elektrodenspalt 40 injiziert. Es ist nicht notwendig, den Müll beim Eintritt
in den Plasmabrenner 12 zu atomisieren oder zu zerstäuben.
Figur 6 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, bei dem
der Einlaßring 62 koaxial am Auslaßende der Elektrode 28 nahe dem Reaktionsbehälter 14 angeordnet ist. Bei diesem
Ausführungsbeispiel wird der Müll auch direkt in den
Lichtbogen eingebracht, jedoch an der in Strömungsrichtung abgewandten Seite des Spalts 40, in dem der Lichtbogen
erzeugt wird. Dies wird in den Fällen gemacht, in denen die Einleitung von Müll die Bildung oder Erzeugung
des Plasmalichtbogens stört.
Die Müllzufuhr-Leitung ist mit zwei Behältern 64 und 66 versehen. Der erste Behälter 64 enthalt eine ungiftige,
organische Flüssigkeit, beispielsweise Äthanol, die dem
Plasmabrenner 12 beim Start der Pyrolyse als Startmaterial zugeleitet wird, bis die Pyrolyseeinrichtung 10 stabil
ist und beim Abschalten der Pyrolyseeinrichtung 10 dazu dient, diese zu spülen. Der zweite Behälter 66
enthält den zu vernichtenden Müll, der beim bevorzugten Ausführungsbeispiel flüssig ist oder in verflüssigter
Form vorliegt. Die Behälter 64 und 66 sind über Zufuhrleitungen 70 und 72 mit einem Dreiweghahn 68 verbunden. Eine
mit variabler Geschwindigkeit arbeitende Müllzufuhr-Pumpe
74 führt über die Müllzufuhr-Leitung 60 dem Plasmabrenner
12 entweder die ungiftige, organische Flüssigkeit oder den Müll zu. Es ist ein zusätzlicher Abschlußhahn 76 in
der Müllzufuhr-Leitung 60 vorgesehen, der den Zufluß von
Müll unterbricht, sobald unten beschriebene, Fehlerzustände eintreten.
Der Plasmabrenner 12 ist auf geeignete Weise mit dem Reaktionsbehälter 14 verbunden, der ein zylindrisches Gehäuse
aus rostfreiem Stahl mit einer feuerfesten Ausfütterung 78 aufweist, und dessen Innenraum eine Reaktionskammer 79 mit einem Volumen von etwa 2 m bildet. Die
Ausfütterung besteht aus gesponnenen Kaolin-Fasern und wird unter dem Warenzeichen KAOWOOL von Babcock & Wilcox
Refractories in Burlington, Ontario, Kanada verkauft. Die übliche Temperatur im Reaktionsbehälter 14 liegt zwischen
900 und 12000C. Der Reaktionsbehälter 14 weist ein hohles,
zylindrisches Element 80 auf, das koaxial mit den Elektroden 26, 28 des Plasmabrenners 12 montiert ist und
mit diesen zusammenwirkt. Das zylindrische Element 80 ist mit einem hohlen, inneren Graphitzylinder 82 versehen,
der den Plasmalichtbogen aufnimmt und in den Reaktionsbehälter 14 leitet. Zweite Kühlwasserdurchlässe 84 und 86
stehen zur Kühlung des Graphitzylinders 82 mit den ersten Kühlwasserdurchlässen 47 und 49 im Plasmabrenner 12 in
Verbindung. Das zylindrische Element 80 ist ebenfalls mit.
dem feuerfesten Material KAOWOOL zum Schutz der zweiten Kühlwasserdurchlässe 84, 86 beschichtet.
Der Reaktionsbehälter 14 weist außerdem im axialen Abstand vom Graphitzylinder 82 ein Graphitgestell bzw.
Graphit-Auslaßschild 88 auf. Reste des aus dem zylindrischen Element 80 austretenden Plasmas treffen auf den
Graphit-Auslaßschild 88. Dieser ist mit querverlaufenden Auslaßöffnungen 90 versehen, die mit dem hohlen Inneren
des Auslaßschilds 88 verbunden sind und den Ausgang des Reaktionsbehälters 14 bilden. Durch die querverlaufenden
Auslaßöffnungen 90 werden genug Turbulenzen erzeugt, um
sicherzustellen, daß im Reaktionsbehälter 14 entstehende Teilchen oder Asche durch den Auslaß des Reaktionsbehälters
14 austreten.
Das Innere des Plasmabrenners 12 und des Graphitzylinders 82 dienen als Zerstäubungszone mit Stopfenströmung, während
das Innere des Reaktionsbehälters 14 als Misch-Rekombinationszone dient. Die Verweildauer im Inneren der Zerstäubungszone
beträgt üblicherweise etwa 500 Mikrosekunden und die Verweildauer in der Rekombinationszone etwa 1
Sekunde.
Der Sprühring 16 ist mit dem Ausgang des Reaktionsbehälters 14 verbunden, um daraus austretendes Produktgas
und teilchenförmiges Material aufzunehmen. Er besteht aus
rostfreiem Stahl und weist eine innere, hohle, zylindrische Hülse 92 auf, in der drei ringförmige Reihen nach
innen gerichteter Sprühdüsen 94 befestigt sind. Die Reihen der Sprühdüsen 94 sind am Umfang gleichmäßig versetzt.
Die Sprühdüsen 94 stehen mit einem Ringkanal 96 in Verbindung, der mit einer unter hohem Druck stehenden
Abschreck- bzw. Quenchflüssigkeit gefüllt ist. Die Sprühdüsen 94 atomisieren diese Quenchflüssigkeit zur Bildung
eines gleichmäßigen Sprühnebels aus Tropfen der Größe von 0,001 mm, um das gasförmige Produkt und die teilchenförmige
Material, die durch den Sprühring 16 treten, abzuschrecken. Der Innendurchmesser der inneren Hülse 92 beträgt
etwa 10,5 cm und die Länge etwa 25,5 cm.
Der Ringkanal 96 des Sprührings 16 ist mit einem Vorratsbehälter 98 für unter Hochdruck stehendes Quenchwasser
verbunden. Der Vorratsbehälter 98 ist üblicherweise ein 136 1-Tank und wird über einen geeigneten Hahn 102 von
der Hauswasserleitung 100 versorgt. Bei Bedarf kann ein nicht dargestellter Luftspalt vor dem Hahn 10 2 vorgesehen
werden, um die Pyrolyseeinrichtung 10 von der Hauswasserleitung 100 zu trennen. Das Quenchwasser im Vorratsbehälter
98 wird dem Sprühring 16 über eine Pumpe 104 mit veränderbarer Geschwindigkeit zugeführt, die auf 45 l/min
bei einem Druck von 10,34 bar eingestellt ist. Ein Teil der Quenchwasserströmung kann zur Kühlung eines
Thyristors in der Spannungsversorgung 30 verwendet und dann wieder der Hauptströmung zugeleitet werden, was allerdings
in Figur 1 nicht gezeigt ist. Ein in der Quenchwasserleitung 108 vorgesehener Quenchwasser-Hahn 106 hält
eine Quenchwasserströmung von etwa 20 - 40 l/min aufrecht.
Es ist ein Vorratsbehälter 110 für eine alkalische Flüssigkeit vorgesehen, die dem dem Spühring 16 zugeleiteten
Quenchwasser zugefügt wird. Der Vorratsbehälter 110 ist üblicherweise ein 250 1-Faß mit flüssigem Natriumhydroxid
oder Ätznatron. Eine mit variabler Geschwindigkeit arbeitende Pumpe 112 ist auf 9 l/min und einen Druck von 1034
kPa eingestellt und liefert das Ätznatron über ein geeignetes Absperrorgan 114 an die Quenchwasserleitung 108.
Dem Quenchwasser wird so viel Ätznatron zugefügt, daß alle aus dem Reaktionsbehälter 14 austretenden sauren
Gase neutralisiert werden. Dazu wird die Ausgangsleistung
34 2471O
der Pumpe 112 über einen nicht dargestellten pH-Sensor gesteuert, der den pH-Wert des in den Skrubber 18 eintretenden
Wassers überwacht. Mit "neutralisieren" ist in diesem Zusammenhang ein pH-Wert zwischen 5 und 9 gemeint.
5
Der Skrubber 18 hat einen zentralen Einlaß 116, der über eine geeignete Leitung 118 mit dem Ausgang des Sprührings
16 verbunden ist. Der Skrubber 18 ist ein zylindrischer Tank mit üblicherweise 60 cm Durchmesser und 1 m Höhe und
weist ein zentrales senkrechtes Rohr 120 mit etwa 12 cm Durchmesser und 70 cm Länge auf, das mit dem zentralen
Einlaß 116 in Verbindug steht. Ein innerhalb des Skrubbers 18 angebrachtr Korb 122 aus Streckmetall hat
eine massive Bodenplatte 124 mit mehreren radial verlaufenden, gekrümmten Leitschaufeln 126, so daß eine Strömung
rekombinierter Produkte von oben nach unten durch das Rohr 120 auf die Bodenplatte 124 und die Leitschaufeln
126 trifft, und eine Wirbelströmung im Gegenuhrzeigersinn bildet . Der Korb 122 ist mit einem Paar in vertikalern
Abstand angeordneter Ablenkbleche 128 versehen. Auf diese Weise bilden sich entlang der Wände des Korbes 122
Druckunterschiede, so daß durch die dadurch verlaufende Strömung Flüssigkeiten und Feststoffe aus dem Produktgas
der rekombinierten Produkte abgetrennt werden. Der Skrubber 18 wirkt also mechanisch. Das Produktgas strömt
weiter nach oben und durch einen in der Wirbelströmung angeordneten Rohrbogen 130 aus. Dieser bildet einen
Skrubber-Auslaß 132, der über eine geeignete Leitung 134 gemäß Figur 1 zur Ansaugseite des Induktionsgebläses 20
führt .
Der Skrubber 18 hat einen unteren Sumpf oder Sammelraum 136, in dem sich Flüssigkeit und Teilchen sammeln, um von
einer Abzugspumpe 138 abgesaugt und über eine Ablaßleitung an einen Abwasserkanal oder einen Aufbewahrungstank
. 19 _ 34247Ί
zur weiteren Verarbeitung abgeleitet, zu werden. In dem
Sammelraum 13 6 des Skrubbers 18 ist zur Steuerung der Abzugspumpe 138 eine Flüssigkeits- niveau-Überwachung 144
angebracht. Es ist ein Dreiweghahn 146 vorgesehen, um bei Bedarf die Flüssigkeit und Teilchen einer Probierleitung
148 zuzuleiten.
Das Induktionsgebläse 20 ist auf einen typischen Wert von 21,2 m /min eingestellt und saugt kontinuierlich am
Skrubber 18 und dem Reaktionsbehälter 14, um atmosphärischen Druck oder einen leichten Unterdruck in der Vorrichtung
aufrechtzuerhalten.
Das Produktgas aus dem Skrubber 18 tritt durch das Induktionsgebläse
20 und wird an ein Dreiweg-Absperrglied 150 weitergeleitet. Im Normalbetrieb strömt das Produktgas
durch das Absperrglied 150 zum Fackelrohr 22, wo es elektrisch gezündet wird. Das Gas besteht größtenteils
aus Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Stickstoff und brennt deshalb in einer sauberen Flamme bei einer Temperatur von
etwa 1800 bis 21000C. Das Fackelrohr 22 dient zur Reinhaltung
der Luft, indem brennbare Gase und irgendwelche anderen Spurenelemente verbrannt werden.
Das Produktgas kann, statt abgefackelt zu werden, auch als Heizgas verwendet werden. Dem an das Fackelrohr 22
gelieferten Produktgas werden durch einen geeigneten, mit einer Produktgas-Analyseeinrichtung 154, die unten beschrieben
wird, verbundenen Sensor 152 Proben entnommen.
Der Aktivkohle-Filter 24 steht über eine mit dem Einlaß 158 des Filters verbundene Einlaßleitung 156 mit dem
Dreiweg-Absperrglied 150 in Verbindung. Der Aktivkohle-Filter 24 hat einen rechteckigen Kasten bzw. ein quadratisches
Gehäuse 160 mit 60 cm Kantenlänge und 30 cm
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Dicke, das gemäß Figur 1 einen mit einem Entlüftungsrohr
164 verbundenen Auslaß 162 aufweist. Der Aktivkohle- Filter 24 schließt ein mit Aktivkohle 168 gefülltes, etwa 15
cm dickes Gittergehäuse 166 ein. Bei einem Stromausfall 5 oder bei einem Abreißen des Plasmalichtbogens lenkt das
Dreiweg-Absperrglied 150 die Produktgasströmung vom Fackelrohr 22 ab und in den Aktivkohle- Filter 24 um, um
die Freisetzung jeglicher unzerstörter Giftstoffe im Produktgas zu verhindern.
Die Produktgas-Analyseeinrichtung 154 ist vorgesehen, um sicherzustellen, daß die Wirksamkeit der Müllvernichtung
der Pyrolyseeinrichtung 10 so hoch ist, daß der Anteil von giftigen oder gefährlichen Stoffen im Produktgas deutlieh
unterhalb der von den zuständigen Stellen festgesetzten Grenzwerte liegt, obwohl anzunehmen ist, daß die
Verbrennung im Fackelrohr 22 all solche gefährlichen Reste von Materialien zerstört. Sollten die Spuren von
gefährlichen Stoffen im Produktgas oberhalb der festgesetzten Grenzwerte liegen, stellt dies die Analyseeinrichtung
154 fest und schaltet automatisch die Müllzufuhr ab, bis die Betriebsparameter der Pyrolyseeinrichtung 10 entsprechend
geändert sind, um die Restwerte der gefährlichen Stoffe auf die genannten Grenzwerte zu reduzieren.
Die Analyseeinrichtung 154 weist ein Massenspektrometer der Art Hewlett-Packard 5792A-Gaschromatograph auf, der
mit einem Hewlett-Packard-9570A Massen-Selektivdetektor verbunden ist. Bei einem Stichprobenentnahmeverfahren werden
dem Produktgas 100 1 Probe entnommen und durch eine Wärme verfolgte (heat traced) Leitung zur Entfernung sämtlichen
Kohlenstoffs einem Teilchenfilter zugeleitet. Das gereinigte Gas wird dann durch einen Absorber mit einem
Rückhaltevermögen von etwa 99% zugeleitet. Der Absorber wird dann schnell erhitzt, um eingefangene organische
Stoffe freizusetzen. Eine Stickstoffströmung trägt die
organischen Stoffe zur Analyse zum Massenspektrometer. Das Massenspektrometer tastet bis zu 6 spezifische Massen
ab entsprechend den Ionen, deren Gegenwart entweder den Grad der Vernichtung des toxischen Mülls oder die Bildung
möglicher neuer toxischer Stoffe anzeigt. Wenn die Konzentrationen dieser Chemikalien die von den zuständigen Stellen
vorgegebenen Grenzwerte überschreitet, wird die Müllzufuhr zum Plasmabrenner 12 unterbrochen. Wenn die Konzentrationsgrenzen
nicht überschritten werden, wird der Analysezyklus automatisch wiederholt.
Für den Fall, daß sich giftige Spurenelemente im Produktgas befinden könnten, nach denen nicht speziell gesucht
wird, kann das Massenspektrometer auch nach Stoffen mit einem Molekulargewicht zwischen 200 und 450 suchen. Dies
kann auf den Bereich von 10 bis 600 ausgedehnt werden, wenn dies von den zuständigen Stellen gefordert wird.
Wenn unbekannte Verbindungen mit einem den gefährlichen Chemikalien entsprechenden Molekulargewicht und in einer
Konzentration oberhalb der festgesetzten Grenzwerte festgestellt werden, wird die Zufuhr von Müll zum Plasmabrenner
12 ebenfalls gestoppt und, wie unten beschrieben, eine automatische Abschaltung eingeleitet.
Das Produktgas wird auf gefährliche Stoffe überprüft, zusätzlich ist eine chromatographische Einrichtung zur
On-line-Analyse vorgesehen, beispielsweise zur Analyse
von Wasserstoff, Wasser, Stickstoff, Methan, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Äthylen, Äthan, Acetylen, Propan, Propylen,
L-Buten und Chlorwasserstoff. Anhand der Analyse von Chlorwasserstoff, beispielsweise zusammen mit der Analyse
verflüssigter, teilchenförmiger Materie aus dem
Skrubber 18, wird die Wirksamkeit der Neutralisierung des sauren Chlorwasserstoffgases durch den Sprühring 16 bestimmt.
Die Hochdruckgasversorgung 42 in Figur 1 liefert auch Luft zum Ausblasen der Wasserleitungen, zum Bedienen des
Dreiweg-Absporrgliedes 150 und zur Herstellung eines inneren Überdrucks im Wasserbehälter 48 und im Vorratsbehälter
98 für Quenchwasser. Die Hochdruck- Gasversorgung 42 umfaßt einen auf 2 m /min bei einem Druck von 8800 kPa
eingestellten Kompressor mit einem 550 1-Drucktank, der einen Luftverteiler 170 versorgt. Es werden nicht dargestellte,
bekannte Luftfilter, Lufttrockner und Druckregulatoren verwendet. Das Dreiweg-Absperrglied 150 wird über
eine Luftleitung 172 und ein Steuerventil 174 betätigt. Das Dreiweg-Absperrglied 150 und das Steuerventil 174
sind so eingestellt, daß im Normalbetrieb Produktgas an das Fackelrohr 22 geliefert wird, daß aber bei Feststel-
"15 lung unerwünschter Stoffe im Produktgas, beim Abschalten
oder bei einem Stromausfall das Steuerventil 174 das Dreiweg-Absperrglied 150 so betätigt, daß das Produktgas
durch den Aktivkohlefilter 24 geleitet wird.
Es sind Luf tdruckleitungen 176 und 178 mit jeweiligen Ventilen 180 und 182 vorgesehen, mit denen zur Funktionsaufrechterhaltung
die Quenchwasserversorgungsleitung 108, die Kühlwasser-Zuleitung 52 sowie die Kühlwasser-Rückleitung
56 abgeblasen werden.
Falls ein Stromausfall oder ähnliches auftritt, ist es wünschenswert, die Kühlwasserströmung für den Plasmabrenner
12 und die Quenchwasserströmung aufrechtzuerhalten. Die Kühlwassernrömung wird dadurch aufrechterhalten, daß
der Wasserbehälter 48 mit Hilfe einer Luftleitung 184 und eines Ventils 186 unter Druck gesetzt wird. Das Ventil 54
wird geschlossen und ein zu einem Abwasserkanal oder einem Aufbewahrungstank führendes Ablaßventil 188 öffnet,
so daß der unter Druck stehende Wasserbehälter 48 bewirkt, daß eine Kühlwasserströmung in der Kühlwasser-Zu-
leitung 52 mit verminderter Geschwindigkeit aufrechterhalten
wird. Das Ablaßventil 188 steuert die Kühlwasserströmung, die für etwa 20 Minuten aufrechterhalten wird, so
daß die wichtigsten Elemente nach einer Abschaltung ausreichend gekühlt werden und Wartungsarbeiten ausgeführt
werden können.
Über eine Leitung 190 und ein Absperrglied 192 wird der Vorratsbehälter 98 für Quenchwasser unter Druck gesetzt.
Bei einem Stromausfall oder ähnlichen Fehlfunktionen wird
der Hahn 102 geschlossen und der Quenchwasser-Hahn 106 geöffnet, so daß Quenchwasser weiter in den Sprühring 16
strömt und alle durch den Sprühring 16 tretenden Rekombinationsprodukte abgeschreckt, werden, die nach Abschaltung
des Plasmabrenners 12 erzeugt werden. Es ist festzuhalten, daß die Trägheit des Induktionsgebläses 20 dafür
sorgt, daß dieses für eine kurze Weile, etwa 1 Minute lang, weiterarbeitet und den Reaktionsbehälter 14, den
Sprühring 16 und den Skrubber 18 selbst bei Stromausfall absaugt.
Die Pyrolyseeinrichtung 10 ist so kompakt, daß sie innerhalb eines geschlossenen 13,7 m langen Schlepperanhängers
untergebracht werden kann. Zusätzlich kann ein vollkommen mit Instrumenten und Überwachungseinrichtungen ausgerüsteter
Steuerraum innerhalb des Transporters angeordnet werden, so daß die gesamte Pyrolyseeinrichtung 10 beweglich
ist und leicht zur Lagerstätte des Mülls transportiert werden kann. Der Transporter muß nur an eine geeignete
Spannungsversorgung, die Hauswasserversorgung und an einen Abwasserkanal oder bei Bedarf an einen Tank angeschlossen
werden. Wenn das Produktgas als Heizgas verwendet werden soll und nicht im Fackelrohr 22 abgefackelt
werden soll, muß natürlich eine geeignete Verbindung zur Aufnahme des Produktgases hergestellt werden.
Vor Inbetriebnahme der Plasma-Pyroloyseeinrichtung 10 ist es nützlich und wünschenswert, vorauszusagen, welche
Rekombinationsprodukte bei einem gegebenen, zu vernichtenden Müllmaterial im Rekationsbehälter 14 hergestellt werden.
Da der Plasmabrenner 12 den Müll praktisch gänzlich atomisiert oder ionisiert, können aufgrund des kinetischen
Gleichgewichts die aus diesen Atomen und Ionen erzeugten Rekombinationsprodukte vorausgesagt werden. Mit
Hilfe der Minimierung der Gibb'sehen freien Energie wird
die Gleichgewichtskonzentration der Produkte für einen weiten Bereich ausgewählter Temperaturen und Druckverhältnisse
bestimmt. Sollte die Rekombination unerwünschter Produkte im Reaktionsbehälter 14 vorausgesagt werden, können
die Müllzufuhr oder die Betriebsbedingungen geändert werden, um die Erzeugung dieser unerwünschten Produkte zu
vermeiden. Wenn zum Beispiel der zu vernichtende Müll aus Tetrachlorkohlenstoff besteht, kann bei bestimmten Temperatur-
und Druckverhältnissen Phosgengas hergestellt werden. Dies kann jedoch einfach dadurch verhindert werden,
daß zum eingeleiteten Müll eine andere Kohlenwasserstoff-Verbindung
zugefügt wird. Oft muß nur Wasser dem zugeführten Müll zugefügt werden, um die bei der Rekombination
vorhandene Wasserstoffmenge zu vergrößern. Als unerwünschtes Produkt kann auch beispielsweise Fluorwasserstoffsäure
im Reaktionsbehälter entstehen, und zwar wenn Fluorkohlenstoff im Müll vorhanden ist. Andere Beispiele unerwünschter
Produkte und die Minimierung oder Elimination derselben durch Änderung des zugeführten Müllmaterials
oder der Betriebsbedingungen sind dem Fachmann bekannt.
Es ist nicht nur erwünscht, die im Reaktionsbehälter 14 entstehenden Rekombinationsprodukte vorherzusagen, sondern
auch die Enthalpieänderung zwischen dem zu vernichtenden Mül lmat-erial und den rekombinierten Produkten vorherzusagen.
Daraus läßt, sich die zur Müllvernichtung er-
forderliche Plasmaenergie vorbestimmen. Daraus können die Anfangsbedingungen für Spannung und Strom für den Plasmabrenner
12 berechnet werden. Die Enthalpie der Rekombinationsprodukte ist günstigerweise eine Funktion der Temperatur
und des Drucks im Reaktionsbehälter 14 und kann durch Änderungen der Zuführungsrate des Mülls oder der
Eingangsleistung für den Plasmabrenner 12 geändert werden. Entsprechend können die Ausgangswerte für die Müllzuführungsrate
und die Eingangsleistung für den Plasmabrenner 12 für die gewünschten Ergebnisse vorausgesagt werden.
Günstig ist es auch, etwas Wirbelluft über die Luftversorgungsleitung
44 in den Plasmabrenner 12 zu injizieren. Die Einleitung dieser Wirbelluft sollte bei der Berechnung
der in der Pyrolyseeinrichtung 10 auftretenden Enthalpieänderung berücksichtigt werden. Die in den Plasmabrenner
12 injizierte Wirbelluftmenge ist relativ gering und beträgt höchstens 1 bis 2% der zur Verbrennung des
Mülls notwendigen stöchiometrischen Sauerstoffmenge. Daher ist die erfindungsgemäße Müllvernichtung als pyrolytisch
anzusehen. Günstig ist ebenfalls, daß Wärmeverluste im Plasmabrenner 12 und im Reaktionsbehälter 14 bei der
Bestimmung der Ausgangsspannung bzw. des Ausgangsstromes für den Plasmabrenner 12 berücksichtigt werden können.
Im Betrieb wird, nachdem die Rekombinationsprodukte vorhergesagt und das Müllmaterial angepaßt ist, so daß keine
unerwünschten Produkte vorhersehbar sind, die Änderung der Enthalpie vorausbestimmt, so daß die Anfangswerte für
die Versorgung des Plasmabrenners 12 und die Zufuhrraten für den Müll bestimmt werden können. Die Hochdruck-Gasversorgung
42 wird dann eingeschaltet, um den Vorratsbehälter 98 für Quenchwasser und den Wasserbehälter 48 für
Kühlwasser nach deren Befüllen mit Wasser unter Druck zu setzen. Die Kühlwasserpumpe 50, die Pumpe 104 für Quench-
wasser und die Abzugspumpe 138 des Skrubbers 18 werden eingeschaltet. Dann wird Spannung an den Plasmabrenner 12
gelegt und die Luftversorgungsleitung 44 für Wirbelluft geöffnet. Hierauf wird die Pumpe 112 für die Laugenversorgung
eingeschaltet und eine geeignete Rate von Natriumhydroxid dem Quenchwasser zugeleitet. Dann wird die Müllzufuhr
zum Plasmabrenner 12 aus dem ersten Behälter 64 für organische Flüssigkeit begonnen. Die Plasrnawirbelluft,
die Müllzufuhr und die Laugenzufuhr werden bei Bedarf eingestellt. Wenn die Pyrolyseeinrichtung 10 einen
stabilen Zustand erreicht hat, was nur etwa 3 Minuten dauert, wird die Müllzufuhr auf den Müll im zweiten
Behälter 66 umgeschaltet.
Aus dem oben gesagten ergibt sich, daß der in dem Plasmabrenner 12 eingeleitete Müll zur Atomisierung und Ionisierung
einem Plasmalichtbogen hoher Temperatur von über 50000C umgesetzt wird. Der atomisierte und ionisierte Müll
tritt dann durch den Graphitzylinder 82 in den Reaktionsraum 79 ein, wo er zu den Rekombinationsprodukten wie
Produktgas und teilchenförmigem Material rekombiniert.
Dies findet bei einer Temperatur zwischen 900 und 1200 C statt in Übereinstimmung mit der vorhergesagten Enthalpieänderung
bezüglich dem Endzustand der Reaktionsprodukte in dem Reaktionsraum 79. Das atomisierte und ionisierte
Müllmaterial wird im Reaktionsraum 79 zur Bildung von im Gleichgewicht befindlichen Rekombinationsprodukten gekühlt.
Einige der Rekombinationsreaktionen im Reaktionsraum 79 sind endotherm und einige exotherm, so daß das
atomisierte und ionisierte Müllmaterial im Reaktionsraum 79 nicht im strengen Sinn gekühlt werden muß. Der Begriff
"Kühlen" in dieser Beschreibung umfaßt alle Reaktionen und Kombinationen, die beim atomisierten und ionisierten
Müllmaterial im Reaktionsraum 79 stattfinden. Die Rekombinationsprodukte im Reaktionsraum 79 treten dann aus dem
Reaktionsbehälter 14 durch den Sprühring 16 aus, wo sie auf eine Temperatur von etwa 80 C abgeschreckt und durch
Besprühen mit einer zerstäubten Lauge neutralisiert wer-" den. Die abgeschreckten Rekombinationsprodukte gelangen
dann in den Skrubber 18, wo das Produktgas extrahiert wird und flüssiges, teilchenförmiges Material, beispielsweise
Salze und Kohlenstoff in Lösung, übrigbleiben. Die Lösung wird dann in einen Abwasser- oder Aufbewahrungstank
gepumpt und das Produktgas durch ein Induktionsgeblase 20 an ein Fackelrohr 22 weitergeleitet oder als
Heizgas verwendet.
Wie oben gesagt, herrscht im Reaktionsraum 79 atmosphärischer oder leichter Unterdruck, der durch das Induktionsgebläse
20 erzeugt wird, das die Rekombinationsprodukte aus dem Reaktionsbehälter 14 absaugt. Die Temperatur im
Reaktionsraum 79 kann entweder durch Einstellung der Eingangsleistung in den Plasmabrenner 12 oder die Zufuhrrate
von Müllmaterial eingestellt werden.
Wenn die Plasma-Pyrolyseeinrichtung 10 abgeschaltet werden soll, wird der Dreiweg-Hahn 68 sofort betätigt, um
auf die Zufuhr ungefährlicher, organischer Flüssigkeit umzuschalten und die Einrichtung zu spülen. Dies kann
auch dann geschehen, wenn irgendeine der Betriebsparameter der Einrichtung aus seinem normalen Bereich fällt.
Wenn die Pyrolyseeinrichtung 10 mit der ungiftigen, organischen Flüssigkeit gespült wurde, wird diese gestoppt,
die Spannung vom Plasmabrenner 12 entfernt und die Plasmawirbelluft abgeschaltet. Wenn die Temperatur im Reaktionsraum 79 ein akzeptables Maß erreicht hat, wird das Induktionsgebläse
20 sowie die Zufuhr von Quenchwasser zum Sprühring 16 abgeschaltet. Wenn die Temperaturen innerhalb
des Plasmabrenners 12 ein geeignetes Niveau erreicht haben, wird die Kühlwasserpumpe 50 abgeschaltet; danach
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kann bei Bedarf die Hochdruck-Gasversorgung 42 abgestellt werden.
Bei Stromausfall, bei Erlöschen des Plasmalichtbogens im
Plasmabrenner 12, bei Feststellung unerwünschter Stoffe im Produktgas im Fackelrohr 22, bei Ausfall des Induktionsgebläses
20 oder bei Ausfall der Plasmakühlungswasserströmung schließt der Abschlußhahn 76 sofort und unterbricht
die Zufuhr von Müll. Die Strömung der Wirbelluft "Ό zum Plasmabrenner 12 wird ebenfalls unterbrochen, so daß
die Verweilzeit der Rekombinationsprodukte innerhalb des Reaktionsraums 79 verlängert wird.
Es ist festzuhalten, daß unter allen Betriebs- und Abschaltbedingungen
der Druck im Kühlwassersystem sehr viel größer ist als der Druck im Müllzufuhrsystem, im Wirbelluftsystem
oder im Reaktionsbehälter 14. Sollte also ein Leck in der Wasser- oder Müllzufuhr auftreten, wird der
Wasserbehälter 48 nicht durch Müll verunreinigt.
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Nach der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
ist festzuhalten, daß Verfahren und Vorrichtung auf verschiedene
Weise verändert werden können. Beispielsweise ist es nicht notwendig, das Müllmaterial direkt in die
Einschnürungsstelle des Lichtbogens im Plasmabrenner 12 einzuleiten. Der Müll könnte in den Reaktionsraum eingebracht
und der Plasmalichtbogen in den Raum eingeleitet werden, um auf den Müll zu treffen. Dies würde jedoch die
Verweildauer des Mülls im Plasmalichtbogen reduzieren, so daß er für einige Müllmaterialien nicht so wirksam ist.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wurde flüssiger Müll oder verflüssigte Müllmaterialien verwendet. Durch
geeignete Änderungen des Müllzufuhrsystems könnte es an Feststoffe oder an eine Zusammensetzung von Flüssigkeiten
und Feststoffen angepaßt werden. Diese könnte sogar anor-
ganische Materialien enthalten. Der Plasmalichtbogen würde anorganische Stoffe schmelzen und zu Schlacke umwandeln
oder verdampfen, so daß gefährliche organische Stoffe, wie oben beschrieben, zerstört werden können,
5 ohne daß die Wirksamkeit reduziert wird. Ein bekanntes Beispiel für solche zusammengesetzten Materialien wären
PCB-gefüllte Kondensatoren.
Für Fachleute ist klar, daß die Plasma-Pyrolyseeinrichtung 10 gemäß Figur 1 nur eine schematische Darstellung
ist. Zusätzliche Ventile, andere Arten von Ventilen, verschiedene Temperatur-, Druck- und Strömungssensoren und
andere bekannte Verfahrenssteuerungseinheiten wären bei einer aufgebauten Einrichtung vorzusehen.
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Es ist nicht notwendig, erwartete Rekombinationsprodukte oder die Enthalpieänderung, wie oben beschrieben, vor
Inbetriebnahme der Plasma-Pyrolyseeinrichtung 10 vorherzusagen. Die Einrichtung könnte unter Verwendung von ungiftigem
oder ungefährlichem Müll bis zur Erreichung des stabilen Zustands in Betrieb genommen werden. Danach könnte
stattdessen giftiger Müll eingeleitet und zerstört werden oder die Überwachungsanlage würde die Pyrolyseeinrichtung
10 automatisch abschalten.
Schließlich ist es nicht wesentlich, daß eine Analyse des Produktgases oder der verflüssigten Feststoffe durchgeführt
wird, besonders wenn die Pyrolyseeinrichtung 10 zur Vernichtung bekannter Müllmaterialien mit regulären oder
geeigneten Grundstoffen verwendet wird. Die Überwachungsund Analyseverfahren wurden primär zur Befriedigung zuständiger
Stellen vorgesehen, die bei der Bewertung neuer Technologien einen besonders ausfallsicheren Betrieb verlangen.
Aus dem oben gesagten ergibt sich, daß die Plasma-Pyro-
lyseeinrichtung 10 zur Müllvernichtung einfach, kompakt
und transportabel ist und kommerziell innerhalb akzeptabler Belastungsgrenzen für die Umwelt für viele gefährliche
oder giftige Chemikalien eingesetzt werden kann und daß, falls die Stoffe nicht innerhalb akzeptabler Grenzwerte
vernichtet werden können, die Einrichtung dies feststellen kann, bevor giftige Materialien in die Umwelt
freigesetzt werden.