DE3854081T2 - Verbrennungssystem zur vernichtung schädlicher abfälle. - Google Patents
Verbrennungssystem zur vernichtung schädlicher abfälle.Info
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Description
- Die Erfindung betrifft allgemein die Behandlung möglicherweise gefährlicher Abfallmaterialien, und spezieller betrifft sie ein verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbrennen solcher Materialien.
- Vor dem aktuellen Bewußtsein hinsichtlich der gefährlichen Art zahlreicher Anfallmaterialien wurden diese Materialien typischerweise entweder auf eine Deponie gegeben oder sie konnten auf andere Weise in das Ökosystem eindringen. Beispiele für derartige Vorgehensweisen waren die in großem Umfang betriebene Haldenlagerung von chlorierten Kohlenwasserstoffe enthaltenden Abfällen auf dem Boden oder die Freisetzung giftiger Schwermetalle, wie sie in der Metallbeschichtungs-oder Metallendbearbeitungsindustrie erzeugt wurden, in Klärsysteme und demgemäß in Schlämme, wie sie aus der Klärbehandlung oder der Bodenbestellung erhalten wurden. Derartige Materialien können in die Kette der Erzeugung von Nahrung für den Menschen eintreten, und haben dies bereits getan, und zwar entweder durch das Herauslösen der gefährlichen Materialien durch Regen in den Grundwasserspiegel oder über Nahrung, die auf Boden kultiviert wurde, der durch diese Substanzen verunreinigt wurde.
- Es wurden zahlreiche Versuche unternommen, mit diesen Umweltproblemen fertig zu werden. In der Vergangenheit wurden stark verunreinigter Boden oder Schlamm häufig an einen Ort entfernt von Bevölkerungszentren oder von Trinkwasserqßuellen transportiert. Der verunreinigte Boden oder der Schlamm wurde dann nach einer Fixierung an "sicheren Landauffüllungen deponiert. Ein attraktiver technischer Lösungsansatz hinsichtlich der Schwierigkeit des Deponierens gefährlichen Abfallmaterials bietet sich durch Verbrennung, die die Umwandlung chlorierter Kohlenwasserstoffe in weniger gefährliche Nebenprodukte wie Kohlendioxid und Chlorwasserstoff oder von Schwermetallen in umweltmäßig sichere Oxide erleichtert. Damit dieses Verfahren erfolgreich ist, müssen jedoch zwei Erfordernisse erfüllt sein. Erstens muß die Verbrennung vollständig sein, da eine teilweise Oxidation chlorierter Kohlenwasserstoffe zur Erzeugung von Verbindungen führen kann, die schädlicher sind als das ursprüngliche Material. Diese schädlichen Verbindungen können entweder in der Form von Abgasen oder von Restasche oder von beidem vorliegen. Zweitens müssen alle schädlichen Verbrennungsprodukte vollständig aus dem bei der Verbrennung erzeugten Gasstrom entfernt und danach ungefährlich gemacht werden.
- Bisher haben Verbrennungsprozesse diesen zwei Grunderfordernissen nicht genügt. Eine Schwierigkeit stellt sich durch die Komplexität und die Empfindlichkeit des Steuerungssystems, wie es zum Bewirken vollständiger Verbrennung erforderlich ist. Ein anderes Hindernis waren die Größe und die Kosten von Verbrennungsanlagen, die industrielle Abfallmengen beseitigen können. Die Größe und die Kosten zweckentsprechender Waschsysteme zum Reinigen der sich ergebenden Gase sind auf ähnliche Weise entmutigend. Darüber hinaus verringert sich der Kostenwirkungsgrad existierender Verbrennungssysteme deutlich dadurch, daß innerhalb des Waschsystems mechanische Rühr- oder Schwingungsvorgänge erforderlich sind. Eine andere gewaltige Beschränkung ist der Widerstand der Öffentlichkeit sowohl gegen die Installierung einer solchen Verbrennungsanlage in ihrer Nachbarschaft als auch gegen den Transport gefährlicher Abfälle dorthin.
- Im Ergebnis sind Verbrennungsanlagen im allgemeinen sehr groß, teuer und, dem Erfordernis nach, stationär. Demgemäß müssen große Mengen gefährlicher Abfallmaterialien von abfallerzeugenden Stellen über große Entfernungen auf öffentlichen Straßen mit der offensichtlich vorhandenen Begleitgefahr in bezug auf die Umgebung transportiert werden. Daruber hinaus ist der Widerstand in der Umgebung des Orts derartiger Verbrennungsanlagen hinsichtlich ihrer Lage auf ein solches Ausmaß gestiegen, daß der Aufbau und die Verwendung dieser möglicherweise förderlichen Technik verhindert ist. Es ist demgemäß eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren für die vollständige Verbrennung gefährlichen Abfalls in umweltmäßig sichere Abgase und Restasche zu schaffen.
- Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, ein solches Verfahren zu schaffen, bei dem alle gefährlichen Verbrennungsnebenprodukte aus dem durch den Verbrennungsprozeß erzeugten Gasstrom entfernt werden und danach unschädlich gemacht werden.
- Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, durch das schädliche Teilchen dadurch aus dem Gasstrom entfernt werden, daß dieser durch eine Waschkammer geführt wird, ohne daß mechanische Schwingungen oder Rührvorgänge erforderlich sind.
- In International Journal of Air Pollution Control and Hazardous Waste Management, 37 (1987), Mai, Nr. 5 ist auf den Seiten 558 - 586 in einem Übersichtsartikel über die Verbrennung gefährlicher Abfälle eine Vorrichtung beschrieben, die im wesentlichen mit dem obigen Oberbegriff übereinstimmt, bei der jedoch die endgültige Abtrennung fester Verbrennungsstoffe in einer Venturi-Waschanlage erzielt wird, wobei eine Waschflüssigkeit in den Abgasstrom gespritzt wird, wenn dieser mit hoher Geschwindigkeit durch eine Verengung strömt. Auch beschreibt US-A-3,673,769 eine Gaswaschanlage, bei der eintretendes Gas abgeschreckt wird, durch ein Venturirohr in ein turbulentes Wasserbett eingeblasen wird, um auf ein versenktes Umlenkblech zu treffen und dann nach oben durch Schlitze abgesaugt wird, um dem Gas eine Zyklonströmung zu verleihen, damit feste Stoffe herausgeschleudert werden.
- Gemäß einer ersten Erscheinungsform der Erfindung ist ein Verfahren zum Behandeln gefährlicher Abfälle durch Verbrennung geschaffen, mit den folgenden aufeinanderfolgenden Schritten:
- (a) Verbrennen gefährlichen Abfallmaterials in einer ersten Verbrennungskammer zum Erzeugen eines schweren Feststoffrests, feiner Feststoffe und dampfförmiger Verbrennungsnebenprodukte, und in einer zweiten Verbrennungskammer zum Erzeugen von Abgas;
- (b) Kühlen des Abgases;
- (c) Reinigen des abgekühlten Abgases durch Hindurchleiten durch einen Wassersprühnebel und ein Wasserbad und durch Einleiten in eine Sekundärwaschkammer und
- (d) Ausgeben des gereinigten Abgases in die Atmosphäre;
- dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas zunächst durch den Wassersprühnebel geleitet wird, dann so abgelenkt wird, daß es einen gewundenen Weg durch ein Venturirohr einnimmt, um wiederholt mit den Waschflächen des Venturirohrs in Berührung zu kommen, und es schließlich mit lebhafter Rühr-oder Turbulenzwirkung in das Wasserbad eingeleitet wird.
- Gemäß einer zweiten Erscheinungsform der Erfindung ist eine Vorrichtung geschaffen, mit einer Waschkammer, die so ausgebildet ist, daß sie folgendes enthält: ein Wasserbad an ihrem unteren Ende, einen Einlaß für Abgas aus einem Verbrennungssystem an ihrem oberen Ende, eine Wassersprühvorrichtung, die nahe beim Einlaß liegt, eine Ablenkeinrichtung, die in solcher Weise angrenzend an den Einlaß liegt, daß das Abgas auf einem gewundenen Weg in einem Venturirohr heruntergeführt wird, dessen oberer Teil mit der Ablenkeinrichtung verbunden ist und dessen unterer Teil so liegt, daß er in das Wasserbad eintaucht und einen Auslaß für gewaschene Abgase, der im wesentlichen über dem Wasserbad liegt.
- Die Erfindung ist auf ein Verbrennungssystem für die Zerstörung gefährlichen Abfalls gerichtet. Gemäß den weit gesteckten Gesichtspunkten der Erfindung wird Abfall in der Form fester, flüssiger oder schlaammförmiger Substanzen in eine erste Verbrennungskammer eingeleitet und verbrannt, um Asche, Feststoffteilchen und dampfförmige Materialien zu erzeugen. Die Aschenebenprodukte werden aus der ersten Verbrennungskammer ausgetragen und die restlichen Feststoffteilchen und dampfförmigen Materialien werden in eine zweite Verbrennungskammer eingeleitet und dort verbrannt, um Abgase zu erzeugen. Im allgemeinen ist die Sauerstoffquelle in der ersten und zweiten Verbrennungskammer Luft.
- Die Abgase werden aus der zweiten Kammer herausgeleitet und über Schlangen mit umgewälztem Kaltwasser geleitet, um die Temperatur der Abgase auf mindestens 540 ºC (1000 ºF) zu verringern, um ein Ausfiltern der Teilchen des Feststoffrests zu ermöglichen. Nachdem die abgekühlten Gase einem Wassersprühnebel unterzogen wurden, werden sie durch ein Wasserbad geleitet und dann in eine Primärwaschkammer ausgegeben. Vorteilhafterweise werden die abgekühlten Gase in die Primärwascheinrichtung eingeleitet, ohne daß mechanische Schwingung oder ein Rühren erforderlich ist, und zwar durch Ablenken der abgekühlten Gase ein Venturirohr hinunter in das Wasserbad. Die aus der Primärwascheinrichtung ausgegebenen Gase werden anschließend durch eine Sekundärwaschkammer geleitet, um alle Aerosolblasen zu entfernen und um alle Restverunreinigungen zu entfernen. Nachdem die Behandlung in der Sekundärwaschkammer abgeschlossen ist, werden gereinigte Gase ausgeblasen.
- Die Erfindung wird untenstehend beispielhaft in der folgenden Beschreibung beschrieben, die nur unter Berücksichtigung auf die beigefügte Zeichnung zu betrachten ist, wobei es sich um eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verbrennungssystems handelt.
- Beim Ausführen der Erfindung wird, wie in Fig. 1 veranschaulicht, verunreinigtes Abfallmaterial in fester oder flüssiger Form in das offene Ende (1) einer ersten Verbrennungs-oder Drehherdofen-Kammer (3) eingeleitet, die in horizontaler, leicht geneigter Position gehalten wird. An den dem offenen Ende (1) gegenüberliegenden Ende der Drehherdofen-Kammer (3) ist eine Flamme oder ein Brenner (2) so angeordnet, daß es zu einer Gegenstromverbrennung des zugeführten Materials innerhalb der Verbrennungskammer (3) kommt. Die Gegenstromverbrennung ermöglicht es, daß die leichteren Verbrennungsprodukte durch die oberen Teile der Verbrennungskammer (3) laufen, während die schwereren Verbrennungsprodukte am Boden der Kammer (3) verbleiben. Auf diese Weise läuft weniger Abfallmaterial durch das System.
- Der schwerere Feststoffrest aus diesem Verbrennungsvorgang wird an einer Öffnung (4) in der Drehherdofen-Kammer (3) entnommen, während teilweise verbrannte feine Feststoffe und Dampfmaterialien in einem Gasstrom in tangentialer Richtung in eine zweite Verbrennungskammer (6) befördert werden. Diese Feststoffteilchen und Dampfmaterialien laufen durch ein offenes Ende (5) von der ersten Verbrennungskammer (3) in die zweite Verbrennungskammer (6). Eine andere Flamme oder ein Brenner (7), wie am entgegengesetzten Ende der zweiten Kammer (6) angeordnet, sorgt für einen gleichzeitigen Horizontalbetrieb der Verbrennung, der zu vollständiger Verbrennung der teilchenförmigen und der gasförmigen Stoffe führt. Die tangentiale Einleitung in die zweite Verbrennungskammer (6) verleiht dem Gasstrom, der die verbrannten feinen Feststoffe und die dampfförmigen Materialien mit sich führt, eine Drehbewegung. So wird die Verweilzeit innerhalb der zweiten Kammer (6) vergrößert, ohne daß teilchenförmiges Abfallmaterial in der Kammer (6) abgelagert wird.
- Die Drücke und Temperaturen, wie sie in der ersten Verbrennungskammer (3) und der zweiten Verbrennungskammer (6) verwendet werden, sind nicht kritisch. Im allgemeinen liegt die Temperatur im Bereich von ungefähr 760 - 870 ºC (1400 1600 ºF) und der Druck liegt im Bereich von ungefähr 108 115 kPa (1 - 2 lbs.). Im allgemeinen sind eine Temperatur von ungefähr 815 ºC (1500 ºF) und ein Druck von ungefähr 108 kPa (1 lb.) bevorzugt.
- Im allgemeinen ist die Sauerstoffguelle in der ersten Verbrennungskammer (3) und der zweiten Verbrennungskammer (6) Luft.
- Die aus der zweiten Kammer (6) austretenden Abgase treten am offenen Ende (8) der zweiten Verbrennungskammer (6) aus und treten durch ein offenes Ende (9) in ein Gehäuseteil (23) ein, das ein System von Schlangen (10) enthält, in denen kaltes Wasser umläuft. Die Abgase werden zunächst horizontal über die Schlangen (10), in denen das kalte Wasser umgewälzt wird, geleitet. Dadurch wird die Temperatur der Gase auf ungefähr 540 ºC (1000 ºF) verringert, was zu einer Verringerung des Volumens der Gase vor der Einleitung in eine Primärwascheinrichtung (17) führt. Am Einlaß (12) der Primärwascheinrichtung (17) werden die abgekühlten Gase einem Wassersprühnebel (13) unterzogen, um die Gase weiter abzukühlen und um jegliche restlichen schweren Teilchen zu entfernen. Dann werden die Gase durch Ablenkeinrichtungen (14) durch ein Venturirohr (15) in ein Wasserbad (16) heruntergeleitet, das am unteren Ende des Primärwascheinrichtung-Gehäuseteils (17) liegt. Die Ablenkeinrichtungen (14) liegen am Ende des Venturirohrs (15).
- Wegen des anfänglichen starken Ablenkwinkels von zumindest 135º gegenüber der Horizontalen folgen die Gase einem gewundenen Pfad durch das Venturirohr (15) und treffen wiederholt auf die Waschfläche. Dann treten die Gase in einer Richtung und mit einer Geschwindigkeit in das Wasserbad (16) ein, daß es zu lebhafter Rührwirkung oder Turbulenz kommt. Diese Wirkung wird ganz durch die Richtungsänderung der Gasströmung erzeugt und erfordert keinerlei sich bewegende mechanische Teile. Der pH-Wert der sich ergebenden Lösung kann leicht dadurch eingestellt werden, daß geeignete Säuren oder Basen in das Wasserbad (16) eingeleitet werden. Im allgemeinen liegt der pH-Wert der sich ergebenden Lösung im Bereich von 6,5 - 8,5.
- Beim Fortsetzen der Behandlung laufen die Gase oder Dämpfe, wie sie vom Wasserbad (16) freigegeben werden, von der Primärwascheinrichtung (17) zu einer Sekundärwascheinrichtung (20). Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Sekundärwascheinrichtung (20) eine mit Feststoffen gefüllte Säule sein, wobei die Feststoffe im Säulenbett mit einem Film aus kontinuierlich laufendem Wasser bedeckt sind, das durch eine Öffnung (21) eingeleitet wird. Das Filmmaterial besteht aus unregelmäßig geformten Kunststoffteilen, die sich nicht ineinanderschieben oder verdichten können. Diese Stufe dient dazu, jegliche Aerosolblasen zu entfernen, die durch die Turbulenz in der vorangehenden Waschstufe erzeugt wurden. Sie dient auch zum Entfernen jeglicher Restmaterialien, die nicht beider vorangehenden Behandlung gereinigt wurden. Schließlich werden diegereinigten Gase durch einen Kamin (22) ohne Gefahr oder Verunreinigung in die Atmosphäre ausgeblasen.
- Die Steuerung des Verbrennungsprozesses, die für eine "saubere" Verbrennung wesentlich ist, wird bei der Erfindung durch einen zuverlässigen Prozeß erzielt, bei dem die Gastemperaturen gemessen werden und automatisch über ein von einem Mikrocomputer unterstütztes Regelungssystem eingestellt werden, das die Lufteinlaß-Steuerventile am Ort der ersten Verbrennungskammer (3) betreibt. So können beide Verbrennungskammern (3) und (6) mit vorgegebenen und kontinuierlich aufrechterhaltenen Temperaturen betrieben werden. Genauer gesagt, ist das Mikrocomputer-Regelungssystem ein kontinuierliches Überwachungssystem mit einer Meßsonde, einer Heißgas-Transportleitung, Meßpumpen, einem Analysator für Sauerstoff O&sub2; und Kohlenmonoxid CO, einem von Hand kalibrierten Analysatorsystem und einer Datenaufzeichnungseinrichtung. Wenn einmal die Verbrennungsbedingungen wie die Temperatur- und Druckbereiche eingestellt sind, überwacht das Mikrocomputer-Regelungssystem den Betrieb des Verbrennungssystems unter den gewünschten Behandlungsbedingungen. Wenn die Betriebsbedingungen von den vorgegebenen Bereichen abweichen, wird eine Ausfallsicherung ausgelöst.
- Ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung ist die Einfachheit des Beseitigens teilchenförmiger und gasförmiger Verbrennungsprodukte durch Einleiten von Chemikalien zum Deaktivieren oder Binden wasserlöslicher gefährlicher Materialien im Primärwaschsystem (17). Genau gesagt, ermöglicht das erfindungsgemäße System die Verwendung sehr reaktionsfreudiger Verbindungen in der Primärwaschstufe (17), gefolgt von Wasser oder weniger reaktionsfreudigen Materialien in der Sekundärwascheinrichtung (10). Beispiele für solche Möglichkeiten sind: Natriumhydroxid-Lösung in beiden Wascheinrichtungen zum Entfernen des Chlorwasserstoffs, wie er durch die Verbrennung chlorierter Kohlenwasserstoffe erzeugt wird; und Hydrazin oder Natriumborhydrid in der primärwaschstufe zum chemischen Reduzieren derjenigen Metalloxide zu Metall, die die Verbrennungsnebenprodukte aus mit Schwermetall verunreinigten Schlämmen sind.
- Die Erfindung schafft einen weiteren Vorteil dahingehend, daß das erfindungsgemäße Verbrennungssystem an jeden gewünschten Ort transportiert werden kann. Das erfindungsgemäße Verbrennungssystem besteht aus einer ersten Verbrennungskammer (3), einer zweiten Verbrennungskammer (6), die in Verbindung mit der ersten Verbrennungskammer (3) steht, einem Gehäuseteil (23), das ein System von Schlangen (10), in denen kaltes Wasser umläuft, enthält, wobei das Gehäuseteil (23) in Verbindung mit der zweiten Verbrennungskammer (6) steht, eine Primärwascheinrichtung (17) in Verbindung mit dem Gehäuseteil (23) und eine Sekundärwascheinrichtung (20) in Verbindung mit der Primärwascheinrichtung (17). Die Kammern und Teile, die das Verbrennungssystem bilden, können entweder als Einheit transportiert werden oder sie können am Ort, an dem sich gefährlicher Abfall befindet, zusammengebaut werden. Auf diese Weise können gefährliche Materialien behandelt und am Ort ihrer Entstehung deponiert werden, wodurch das Erfordernis teuren und gefährlichen Transport derartiger Materialien beseitigt ist.
- Es ist zu beachten, daß das erfindungsgemäße Abfallverbrennungssystem, wie es vorstehend beschrieben wurde, den dargelegten Aufgaben dahingehend genügt, daß es beweglich ist und die Behandlung gefährlichen Abfalls am Entstehungsort ermöglicht.
Claims (10)
1. Verfahren zum Behandeln gefährlichen Abfalls durch Verbrennung, mit
den folgenden aufeinanderfolgenden Schritten:
(a) Verbrennen gefährlichen Abfallmaterials in einer ersten
Verbrennungskammer (3) zum Erzeugen eines schweren Feststoffrests, feiner Feststoffe
und dampfförmiger Verbrennungsnebenprodukte, und in einer zweiten
Verbrennungskammer (6) zum Erzeugen von Abgas;
(b) Kühlen (10) des Abgases;
(c) Reinigen des abgekühlten Abgases durch Hindurchleiten durch einen
Wassersprühnebel (13) und ein Wasserbad (16) und durch Einleiten in eine
Sekundärwaschkammer (20) und
(d) Ausgeben (22) des gereinigten Abgases in die Atmosphäre;
dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas zunächst durch den Wassersprühnebel
geleitet wird, dann so abgelenkt wird (14), daß es einen gewundenen Weg
durch ein Venturirohr (15) einnimmt, um wiederholt mit den Waschflächen
des Venturirohrs in Berührung zu kommen, und es schließlich mit lebhafter
Rühr- oder Turbulenzwirkung in das Wasserbad (16) eingeleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das gefährliche Abfallmaterial im
Gegenstrom zu den Verbrennungsprodukten der ersten Verbrennung durch die
erste Verbrennungskammer geleitet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der der in der ersten
Verbrennungskammer erzeugte schwere Feststoffrest ausgetragen wird und die
feinen Feststoff- und dampfförmigen Nebenprodukte in die zweite
Verbrennungskammer eingeleitet werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Verbrennung
in der ersten und der zweiten Verbrennungskammer mittels einer
Temperatursonde und eines Computer-Regelungssystems eingestellt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Abgas dadurch
auf eine Temperatur von mindestens 535 ºC (1000 ºF) abgekühlt wird, daß es
über ein System von Schlangen (10) geführt wird, in denen kaltes Wasser
umläuft.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der pH-Wert des
Wasserbads eingestellt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Abgas in der
Sekundärwaschkammer über mehrere unregelmäßig geformte Kunststoffstücke
geleitet wird, die mit einem Film aus strömendem Wasser überzogen sind.
8. Vorrichtung mit einer Waschkammer (17), die so ausgebildet ist, daß
sie folgendes enthält: ein Wasserbad (16) an ihrem unteren Ende, einen
Einlaß (12) für Abgas aus einem Verbrennungssystem an ihrem oberen Ende,
eine Wassersprühvorrichtung (13), die nahe beim Einlaß liegt, eine
Ablenkeinrichtung (14), die in solcher Weise angrenzend an den Einlaß liegt, daß
das Abgas auf einem gewundenen Weg in einem Venturirohr (15)
heruntergeführt wird, dessen oberer Teil mit der Ablenkeinrichtung verbunden ist und
dessen unterer Teil so liegt, daß er in das Wasserbad eintaucht und einen
Auslaß (18) für gewaschene Abgase, der im wesentlichen über dem Wasserbad
liegt.
9. Vorrichtung zur Verwendung beim Ausführen des Verfahrens von Anspruch
1, mit einer Reihenschaltung von: (a) einer ersten Verbrennungskammer (3);
(b) einer zweiten Verbrennungskammer (6); (c) einem Gehäuseteil (23), das
ein System von Kühlschlangen (10) enthält; (d) einer
Primärwascheinrichtung (17) und (e) einer Sekundärwascheinrichtung (20), dadurch
gekennzeichnet, daß die Primärwascheinrichtung eine Vorrichtung gemäß Anspruch 8
enthält.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der die erste Verbrennungskammer
einen Drehherdofen aufweist.
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