DE4111385A1 - Verfahren zum aufschmelzen von filterstaeuben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufschmelzen von Filterstäuben gemäß Patentanspruch 1, wobei die Schmelze als glasiges Gut erstarrt.

In Verbrennungsanlagen, beispielsweise zur Müll- und Klär­ schlammverbrennung entstehen hochtoxische Filterstäube mit stark schwankender chemischer Zusammensetzung. Solche Fil­ terstäube werden in eine hohe Gefahrenklasse eingestuft, so daß diese Stäube unbehandelt nur auf speziellen Deponien (Bergwerke) eingelagert werden dürfen. Der Transport dieser Stäube muß entsprechend abgesichert werden und die aufzuwen­ denden Kosten für Transport und Einlagerung sind beachtlich. Eine Möglichkeit zur Reduzierung des Gefahrenpotentials ist, diese Stäube in bekannter Weise in einen körperfesten Zustand zu versetzen, in welchem sie z. B. von Wasser nicht mehr ausgelaugt und somit auf einer üblichen Deponie ent­ sorgt werden können.

Für dieses Verfahren des Verglasens reicht es nicht aus, nur die anfallenden Stäube zu erschmelzen, um nach dem Aufschmelzen und Erstarren ein Glas zu erzeugen. Es müssen noch andere Stoffe wie z. B. Kalk, Quarzsand, Tonerde, Feld­ spat, .. hinzugegeben werden, so daß sich die aufzuschmelz­ ende Menge Filterstaub um die, für eine sichere Verglasung benötigten Zuschlagstoffe erhöht.

Zum Einschmelzen dieser Gemische werden nach dem Stand der Technik Glaseinschmelzwannen verwendet, welche mittels elektrischem Stromdurchgang beheizt werden. Üblicherweise wird der Strom über Elektroden zugeführt, die entweder vom Boden oder von den Seitenflächen durch die Feuerfestzu­ stellung in das Schmelzbad hineinreichen.

Da jedoch beim Einschmelzen von Filterstäuben abweichend von der konventionellen Glasherstellung nicht mit einer fest vorgegebenen chemischen Analyse des Schmelzgutes ge­ rechnet werden kann, ergeben sich folgende Nachteile: Die feuerfesten Materialien der Ofenwanne werden von der Schmelze stark angegriffen und die Elektroden, über die der Schmelze der Strom zugeführt wird, erodieren sehr stark. Die stark schwankende Analyse und das Vorhandensein nahezu aller Elementkombinationen bedeutet für die Glaswannen­ technik ein prinzipielles, kaum beherrschbares Problem. Es ist nicht zu erwarten, daß bei Glaswannen-Öfen die Material­ probleme gelöst werden können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, ein Verfahren zu entwickeln, welches die Materialprobleme in der Glaswan­ nen-Ofen-Technik löst, die starke Erosion der Elektroden sowie die Staubbildung vermeidet, reduzierte Wärmeverluste und eine größere Einmischgeschwindigkeit der Zuschlagstoffe ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst wie im Patentan­ spruch 1 beschrieben, indem die Elektroden von oben in die Schmelze eintauchen, wie dies beispielsweise beim ESU- (Elektro-Schlacke-Umschmelz-) Verfahren üblich ist.

Die Schmelzwanne soll insgesamt wassergekühlt sein. Die notwendige thermische Barriere zwischen der flüssigen Schlacke und der Schmelzmasse kann durch eine erstarrte Glasschicht erzeugt werden. Zu Beginn ist es vorteilhaft, diese Wanne mit einem feuerfesten Material auszukleiden. Doch nach längerer Betriebszeit wird diese Feuerfestschicht stellenweise dort abgetragen und dann ergibt sich ein dynamisches Gleichgewicht zwischen erstarrter Schmelze an der wassergekühlten Wand und der Glasschmelze. (Ein dynamisches Gleichgewicht bedeutet, daß mit steigender Schmelzentemperatur die Schmelze dünnflüssiger und somit auch die an der wassergekühlten Wand erstarrte Schmelze dünner wird; bei sinkender Schmelzentemperatur wird auf­ grund der zäheren Schmelze die erstarrte Schicht dicker). Da der Schmelzbehälter in der vorgeschlagenen Einrichtung deutlich kleiner werden kann als bei einer konventionellen, großvolumigen Glasschmelze, können die Wärmeverluste durch den Wannenboden in erträglichen Grenzen gehalten werden. Der Schmelzofen sollte weitgehend geschlossen sein, so daß keine Gase unkontrolliert austreten können.

Um dies zu ermöglichen, wird der Auslauf der flüssigen Schmelze über einen Siphon vorgeschlagen. Anschließend kann diese Schmelze in Masseln vergossen werden oder in großen Blöcken erstarren, die dann entsprechend dem Anwendungs­ zweck weiterbehandelt werden können. Je nach Schmelzlei­ stung kann der Abguß kontinuierlich oder intermittierend erfolgen. Bei kontinuierlichem Auslauf ist es nicht not­ wendig den Ofen zu kippen. Bei intermittierendem Abguß kön­ nen Teilmengen durch Kippen oder durch das Öffnen eines Wand- oder Bodenauslaufes erfolgen.

Als Ofenoberteil wird ein geschlossener Deckel vorgeschla­ gen, ähnlich dem Heizteil einer VAD- oder VHD-Anlage (Vacuum Arc Degassing bzw. Vacuum Heating Degassing). Bei diesen in der Pfannenmetallurgie eingesetzten kombinierten Heiz- und Vakuumentgasungseinrichtungen wird mittels Dreh­ stromlichtbögen die Schmelze in der Pfanne von oben geheizt. Die Elektrodenspitzen werden dabei häufig bis in die auf der Metallschmelze schwimmenden Schlackeschicht eingetaucht. Der Lichtbogen brennt in einer selbst erzeugten Gasblase zwischen Elektrode und Metallschmelze. Die konventionellen Graphitelektroden sind in vakuumdichten Teleskopen ange­ ordnet, so daß in VAD-Anlagen auch bei Unterdruck geheizt werden kann.

In der Glasschmelztechnik ist es vorteilhaft, vom Drehstrom ausgehend, auch mit drei Elektroden zu arbeiten, aber zwei, vier oder sechs Elektroden sind ebenfalls denkbar. Für das Einschmelzen der Filterstäube soll aber nicht wie bei den VAD-Anlagen mit Lichtbögen gearbeitet werden, sondern es ist ein reiner Widerstandbetrieb wie beim Elektro-Schlacke- Umschmelzen vorgesehen. Ein Lichtbogenbetrieb würde zu einer starken Verdampfung von Schmelzgut führen, welches dann seinerseits wieder einen hohen Aufwand bei der Entstau­ bung verlangen würde. Zur Vermeidung der Lichtbögen muß mit kleineren Stromdichten in den Elektroden gearbeitet werden.

Als Elektrodenmaterial für die Stromzufuhr in die Schmelze sind Graphitelektroden, wie sie beim Lichtbogenofen-Schmelz­ betrieb üblich sind, Söderberg-Elektroden, wie sie in Reduk­ tionsöfen üblich sind, und auch Elektroden aus anderen elek­ trisch leitenden Werkstoffen denkbar.

Um das pulverförmige oder evtl. auch vorgranulierte Material schnell einzumischen, sollten die Elektroden möglichst nur geringfügig unter die Oberflächen der Schmelze eintauchen. Diese Fahrweise erzeugt hohe Strömungsgeschwindigkeiten un­ mittelbar unter den Elektroden. Die kontinuierliche und quasi- kontinuierliche Zugabe (z. B. in kleinen Portionen) des Schmelzgutes erfolgt über eine Schleuse (Zellradschleuse, Glockenschleuse oder dergleichen) und eine oder mehreren Rutschen auf die Schmelzbadoberfläche. Die freie Badober­ fläche kann mit dem auf zuschmelzenden Material abgedeckt werden. Dies hat den Vorteil, daß abdampfende Stoffe an der Abdeckschicht kondensieren können und damit der Staubaus­ trag sehr gering wird. Nur die bei niedrigen Temperaturen gasförmigen Stoffe müssen über Filtereinrichtungen und mög­ licherweise eine Reaktions-Reinigungsstrecke abgeführt werden.

Die Abdeckung der Schmelzbadoberfläche bietet die Vorteile:
reduzierte Wärmeverluste,
geringere Staubbildung,
größere Einmischgeschwindigkeit.

Die Abdeckschicht sollte insgesamt, aber vor allem in der Nähe der Elektroden, nicht zu hoch sein, da sonst das Material mit der warmen Elektrode verbacken kann.

Um den Elektrodenabbrand und die möglicherweise etwas schwankende Schmelzbadhöhe zu kompensieren, müssen die Elektroden beweglich durch die Schmelzkammer hindurchge­ führt werden. Für einen kontinuierlichen Schmelzbetrieb ist es vorteilhaft, wenn die Elektroden ohne zurückgezogen wer­ den zu müssen, verlängerbar sind. Dies ist bei Söderberg- Elektroden üblich, indem ein neues Rohrsegmentstück oben angeschweißt und dieses dann mit Kohle und Pech aufgefüllt wird.

Beim Einsatz von konventionellen Graphitelektroden, wie sie z. B. in der Lichtbogenofentechnik üblich sind, kann die Elektrode oben nachgenippelt werden. (Nachnippeln bedeutet, die Elektrode mittels eines Verbindungsteils, beispiels­ weise eines einschraubbaren doppelseitigen Konusstücks, zu verlängern.) Für eine industrielle Anlage mit möglichst kurzer Stromunterbrechungszeit ist es vorteilhaft, wenn das Nachnippeln der Elektroden mit einer halbautomatischen Vor­ richtung erfolgt. Zum Nachsetzen der Stromkontaktbacke relativ zur Elektrode kann die Elektrode dann mit dieser halbautomatischen Nachnippelvorrichtung gehalten werden. Anderenfalls muß hierzu ein Kran oder eine andere Halte­ vorrichtung verwendet werden.

Das Nachsetzen der Elektroden erfolgt bei Verwendung nur einer Kontaktzange pro Elektrode bei unterbrochenem Strom­ fluß. Bei Verwendung von zwei gegeneinander verschiebbaren Kontaktzangen braucht der Strom nicht unterbrochen zu wer­ den.

Die Abdichtung zwischen der Elektrode und der Kammer er­ folgt über ein, die Elektrode umhüllendes Teleskoprohr mit Schiebedichtung. Die Abdichtung zwischen dem Teleskoprohr und der Elektrode kann z. B. durch eine Blähdichtung ober­ halb des Stromanschlusses erfolgen. Zum Nachsetzen der Elek­ trode wird die Blähdichtung nur für kurze Zeit geöffnet und sofort nach dem beendeten Nachsetzvorgang wieder geschlos­ sen. So kann es vermieden werden, daß eine größere Menge an Ofenatmosphäre austreten kann oder, falls der Ofen mit Unterdruck betrieben wird, daß eine größere Menge Falsch­ luft in den Ofen hineingelangt, die dann zusätzlich mit dem Abgasstrom weggeführt werden muß.

Das kalte Chargiergut hat eine sehr geringe elektrische Leitfähigkeit. Diese Tatsache verlangt besondere Maßnahmen beim Anfahrvorgang eines kalten Ofens. Zum Starten des neuen Ofens oder nach einer längeren Betriebsunterbrechung, während die alte Schmelze erstarrt ist, wird auf die er­ starrte Schmelze oder die Wannenauskleidung eine elektrisch- leitende Platte (z. B. aus Graphit oder aus metallischem Werkstoff) gelegt, die die Aufsetzpunkte der Elektroden­ spitzen miteinander verbindet. Der eigentliche Startvorgang kann unterschiedlich durchgeführt werden:

• - Um die auf die Platte aufgesetzten Elektroden wird Char­ giergut aufgeschüttet; der Strom eingeschaltet und das Schmelzgut mittels Lichtbogen verflüssigt. Dieses Ver­ fahren hat den Nachteil häufiger Fehlstarts.
• - Zwischen die Elektrodenspitzen und die Starterplatte wird ein Gemisch aus Schmelzgut und Metallspänen geschichtet, das durch die elektrischen Wärmeverluste in dem relativ hochohmigen Spanhaufwerk verflüssigt wird.
• - Zwischen Elektrodenspitze und Starterplatte wird ein exothermes Pulver (z. B. Thermit) gelegt, was durch seinen Aluminium- oder Magnesiumanteil leitfähig ist. Nach dem Einschalten der Spannungsquelle entzündet sich das exotherme Pulver. Es bildet sich ein erster Schmelzsee aus, in den sich das um die Elektrode angefüllte Schmelzgut einmischt.

Als Stromquelle für diesen Einschmelzprozeß genügt ein unge­ regelter Hochstromtransformator. Die Stromstärke wird dadurch kontrolliert, daß die jeweilige Elektrode entsprechend tief in die Schmelze eingetaucht wird, wie dies beispielsweise vom Elektro-Schlacke-Umschmelzen bekannt ist. Jede der Strom­ zuführungselektroden wird getrennt in ihrer Eintauchtiefe geregelt. Als Meßgröße wird für den Regler der Elektroden­ strom der Phasenspannung oder eine Verknüpfung von beiden mit einem entsprechenden Sollwert verwendet.

Da mit Änderungen der chemischen Zusammensetzung der Schmelze zu rechnen ist, werden sich Änderungen des Badwiderstandes ergeben. Zur Kompensation dieses Einflusses kann ein über­ lagerter Regelkreis vorgesehen werden, der die Schwankungs­ breite der elektrischen Meßgrößen konstant hält:

• - Taucht die Elektrode nur noch ungenügend in die Schmelze ein, so kann die Schmelze aufgrund der lokalen Stromdichteüberhöhung verdampfen und unter der Elektrode ein Lichtbogen auftreten. Lichtbögen sollten grundsätzlich vermieden werden, da sonst mit hohem Staubanfall gerechnet werden muß.
• - Das zu tiefe Eintauchen der Elektrode in die Schmelze reduziert das Einmischvermögen und er­ höht die Erwärmung der Schmelze in Bodennähe.

Zur Anpassung der Stromversorgung an stark unterschiedliche Schmelzbadwiderstände bei stark abweichenden chemischen Zu­ sammensetzungen kann der Ofentransformator mit einem Spannungs­ stufenschalter versehen sein. Eine lastlose Umschaltung genügt den Prozeßanforderungen.

Das Erstarren der abgegossenen Schmelze kann je nach Aus­ laugungsbeständigkeit in kleinstückigem (z. B. Platten, die zerbrochen werden, oder Granulate durch Erstarren des Gieß­ strahles im Wasser) oder großstückigem Format geschehen. Die Großstückigkeit ist vorzuziehen, jedoch verlangt das rißarme Erstarren von großen Blöcken eine kleine Erstar­ rungsgeschwindigkeit. Durch die Auswahl geeigneter Zu­ schläge kann die zulässige Erstarrungsgeschwindigkeit er­ höht werden. Den erhöhten Kosten für diese Rohstoffe und die möglicherweise vermehrten Stromkosten stehen die niedrigeren Betriebskosten im Verfahrensschritt Erstarren gegenüber.

Eine mittlere Stückgröße kann über eine Masselgießmaschine erreicht werden. Die abgekippten Masseln werden in Trans­ portbehältern gesammelt, die das langsame weitere rißfreie Abkühlen der Masseln erlauben.

Claims (9)

1. Verfahren zum Einschmelzen von Filterstäuben in mit Glaswannen ausgestatteten Schmelzöfen, wobei die Filterstäube mit anderen Stoffen, wie beispielsweise Kalk, Quarzsand oder Flugasche gemischt werden, das Einschmelzen der Filterstäube und der Zuschlagstoffe in der Schmelzwanne mittels Stromzuführungs-Elektroden erfolgt und beim Erstarren der Schmelze ein glasiges Gut entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Wech­ selstrom, vorzugsweise mit Netzfrequenz betreibbaren Elektroden von oben vorzugsweise lotrecht in die Schmelz­ badoberfläche eintauchen und die Schmelze durch direkten Stromdurchgang aufheizen, die Eintauchtiefe der Elek­ troden verstellbar und diese Verstellbarkeit nach Schmelzbadniveau und Elektrodenabbrand regelbar ist, die Schmelzwanne in einem Bereich unterhalb der Schmelz­ badoberfläche, vorzugsweise mit Wasser kühlbar ist und daß der Raum des Schmelzofens, der sich oberhalb der Schmelzbadoberfläche befindet, gegenüber der ihn um­ gebenden Atmosphäre durch eine deckelartige Abdichtung getrennt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise drei Elektroden eingesetzt werden und diese Elektroden eine zur Schmelzbadtiefe vergleichs­ weise nur geringe Eintauchtiefe aufweisen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß als Regelparameter für die Elektrodenein­ tauchtiefe die Elektrodenspannungen, die Elektroden­ ströme oder auch eine Kombination aus Spannungen und Strömen verwendbar ist.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromzuführungselek­ troden mittels gasdichter Durchführungen in den Raum oberhalb der Schmelzbadoberfläche in den Schmelzofen einführbar sind.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmelzgut über Fördervorrichtungen in den Ofenraum einbringbar ist, ohne daß ein Gasaustausch zwischen dem Ofeninnenraum und der den Ofen umgebenden Atmosphäre stattfindet.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmelzgut vorzugs­ weise in pulvriger oder granulierter Form von oben auf die Schmelzbadoberfläche aufbringbar und über die ge­ samte Fläche verteilbar ist.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6. dadurch gekennzeichnet, daß das erschmolzene Gut vorzugsweise über ein Bodenloch, Seitenlöcher oder eine Siphonanordnung aus der Schmelzwanne ausbringbar ist.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlung der ausgebrachten Schmelze zunächst in Behältnissen beispielsweise in Gießkästen oder Masselkokillen erfolgt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Abkühlung des erschmolzenen Gutes vorzugs­ weise in Warmhaltegruben oder -behältern erfolgt.