DE69418668T2 - Verfahren zum Verbrennen und Verglasen von Abfall in einer Hafen - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbrennen und Verglasen von Abfällen in einen Tiegel.
• Die mineralischen oder nichtbrennbaren Abfälle, deren anorganische Bestandteile manchmal reich an bestimmten, sehr giftigen oder radioaktiven Schwermetallen sind, werden oft verarbeitet, indem man sie mittels Plasmabrenner auf eine solche Temperatur erhitzt, daß sie schmelzen und sich vitrifizieren und anschließend einen kompakten Glasblock bilden, in den die gefährlichen Stoffe eingeschlossen sind. Der Block wird dann gefahrlos recycelt oder zwischengelagert. Es ist also ein bequemes und sicheres Verfahren, das sich zur Weiterentwicklung eignet. Außerdem werden die organischen Abfälle, die mit den anorganischen Abfällen vermischt sein können, normalerweise verdampft und ihre Moleküle gekrackt, was sie in einfaches Gas verwandelt, das man wieder leicht verarbeiten kann, indem man es filtriert und z. B. neutralisiert.
• Mehrere konkrete Durchführungsarten sind vorgeschlagen worden, die aber alle in bestimmten Punkten Schwächen aufweisen. So sind die existierenden Tiegel (s. z. B. US-A-3 917 479) oft aus refraktären bzw. keramischen Materialien hergestellt, deren großer Vorteil darin besteht, unempfindlich gegenüber korrosiven Produkten wie z. B. Salzsäure zu sein, die von der Verdampfung der organischen Abfälle stammen. Man stellt aber fest, daß diese Tiegel sich im Kontakt mit dem geschmolzenen Glas schnell abnützen, und daß sie außerdem die Wärme, die in ihrem Innern erzeugt wird, so gut zurückhalten, daß man bald die Abgabemenge der Quelle begrenzen und somit die Verarbeitungskapazität verlangsamen muß. Das Kupfer, auch vorgeschlagen als Herstellungsmaterial des Tiegels, hat den Nachteil, korrosionsempfindlich zu sein.
• Zudem ist der Tiegel bei etlichen Konzeptionen drehbar, um das geschmolzene Glas Zentrifugalkräften auszusetzen, so daß es während der Erwärmung gegen die Seitenwand gedrückt wird. Der Grund ist, daß der Tiegel in der Mitte durchbohrt ist und daß das an das Aufheizen anschließende Gießen erfolgt, indem der Tiegel angehalten wird. Aber es ist teuer, den Tiegel mit Drehverbindungen auszurüsten, um ihn mit Kühlmittel und mit Elektrizität zu versorgen. Schließlich ist festzustellen, daß das Kracken der Gase ziemlich schwierig ist. Die Erfindung hat ein Verfahren zum Gegenstand, das diese diversen Nachteile vermeidet und das mit einem einfachen und kostengünstigen Tiegel verbunden ist, der geschützt ist gegen die Korrosion durch Glas oder andere Produkte, die aus der Verbrennung resultieren, z. B. die frei werdenden organischen Gase.
• In diesem Sinne schlägt die Erfindung ein Verfahren nach dem Anspruch 1 vor.
• Die Wärme wird einfach durch die Wand und die Kühlflüssigkeit abgeführt, was ermöglicht, anorganische oder verbrennbare Abfälle mit hohem Brennwert in den Tiegel zu werfen. Der reine Sauerstoff ermöglicht eine schnelle Verbrennung, ohne z. B. Stickstoffoxid zu erzeugen, im Gegensatz zu den existierenden Verfahren, wo üblicherweise Luft eingeblasen wird. Das Verfahren ist also wirtschaftlich mit plasmagenem Gas, was in Verbindung mit der guten Wärmeabführung ermöglicht, große Mengen von Abfällen zu verarbeiten.
• Die Erfindung wird nun mit Hilfe der zur Erläuterung beigefügten Figuren beschrieben, die nicht einschränkend sind:
• - die Fig. 1 stellt einen erfindungsgemäßen Tiegel dar, und
• - die Fig. 2 stellt einen anderen Tiegel partiell dar.
• Der Tiegel der Fig. 1 hat die Form eines im wesentlichen geschlossenen Tanks, der eine Hüllwand 1 umfaßt, an der Oberseite durchbrochen von einer Einfüllöffnung 2 der Abfälle, verbunden mit einem Trichter 3, über einer Elektrode 4, die sich auf dem Boden des Tiegels befindet. Zwei Sauerstoffplasmabrenner 5 durchqueren die Oberseite der Wand beiderseits der Einfüllöffung 2 und sind ausrichtbar dank Kugelgelenken 6, die in die Wand 1 eingebaut sind. Zudem sind die Brenner in den Kugelgelenken 6 verschiebbar, so daß sie nach Belieben weiter in den Tiegel hineingeschoben werden können.
• Die Seitenwand weist eine Austrittsöffnung der Gase 7 auf und der Boden ein Gießloch 8, das mit einem Stutzen 9 versehen ist und durch eine Schieberplatte 10 geschlossen werden kann, die sich unter dem Tiegel 1 befindet. Der Stutzen 9 kann mit einem Heizwiderstand versehen werden, um einen Stopfen aus erstarrtem Glas zu schmelzen, der sich in dem Loch 8 gebildet haben könnte. Der Stutzen 9 kann auch massiv bzw. dickwandig sein und aus einem gut die Wärme leitenden Material, um diese Wirkung zu erzielen, und die Schieberplatte 10 kann Kühleinrichtungen umfassen, damit sich ein solcher erstarrter Stopfen schneller bildet, wenn sie geschlossen wird, um das Gießen zu beenden. Die Patentanmeldung 93 05079 beschreibt einige Ausführungen vollständiger. Diese Art von Schieber hat sich als effizient erwiesen, um das Gießloch 8 sicher zu verschließen. Es ist also nicht mehr nötig, den Tiegel rotieren zu lassen, um mittels Zentrifugalkraft das geschmolzene Material von einem zentralen, immer offenen Gießloch fernzuhalten.
• Das Bad aus geschmolzenem Glas 11 füllt den Boden des Tiegels 1 und bedeckt die Elektrode 4. Seine die Wand berührende Schicht ist jedoch erstarrt und greift diese folglich nicht an. Kanäle 13, in denen Kühlflüssigkeit fließt, durchziehen nämlich die gesamte Wand 1 des Tiegels. Es kann sich um ein Netz vertikaler Kanäle in der Seitenwand und zueinander paralleler Kanäle im Boden und der Decke handeln, die mit einer Versorgungsleitung 14 und einer Entleerungsleitung 15 verbunden sind, wobei diese Leitungen geschleift und über eine Pumpe 17 und einen Wärmetauscher miteinander verbunden sind, um eine Zwangszirkulation der Kühlflüssigkeit mit thermischem Gleichgewicht herzustellen. Die Brenner 5 blasen ihre Plasmastrahlen 16 in Richtung Elektrode 4.
• Die Elektrode 4 wird gebildet durch eine Molybdänkerze 19, angebracht auf einem die Wand 1 des Tiegels durchquerenden Schaft 20, und sitzt in einer zentralen Bohrung einer Graphitscheibe 21. Wie die Wand 1 ist der Schaft 20 aus nichtoxidierbarem Stahl.
• In der Fig. 2 ist eine andere Ausführung dargestellt, die nur einen einzigen Plasmabrenner 22 umfaßt, der in einem zentralen Durchbruch der Oberseite des Tiegels gleitet, d. h. an der Stelle der Einfüllöffnung 2 der Abfälle der anderen Ausführung. Die Einfüllöffnung, hier mit 23 bezeichnet, befindet sich jetzt seitlich davon, im wesentlichen an der Stelle eines der Kugelgelenke 6 der anderen Ausführung, und es ist möglich, diesen Tiegel durch ein Beobachtungsfenster 24 zu vervollständigen, das auf die Elektrode gerichtet ist und sich im wesentlichen an der Stelle des anderen Kugelgelenks 6 befindet. Hier ist es nicht möglich, den Brenner 22 auszurichten, aber man kann ihn mehr oder weniger weit in den Tiegel hineinschieben. Die anderen Ausführungsdetails sind unverändert in bezug auf die Fig. 1 und daher nicht dargestellt.
• In beiden Fällen können die austretenden Gase behandelt werden, indem sie durch einen Wärmetauscher abgekühlt und dann filtriert und neutralisiert werden.
• Nun wird konkret ein Ablaufmodus des Verfahrens beschrieben, aber dazu ist es nützlich, den Aufbau eines Brenners 5 oder 22 mehr im Detail zu beschreiben.
• Man sieht hauptsächlich eine Außenhülse 25 und eine Innenhülse 26, die konzentrisch sind. Der zentrale Kanal 33, abgegrenzt durch die Innenhülse 26, wird durch eine Quelle 27 mit plasmagenem Gas gespeist, und der ringförmige Kanal 34 zwischen den beiden Hälsen 25 und 26 wird durch eine zusätzliche Quelle 28 mit Hüllgas versorgt. Die Hülsen 25 und 26 umfassen auch Kühlkanäle 29, verbunden mit einem Paar Entleerungsleitungen 31, und das Ende des Brenners 5 oder 22 wird durch einen Isolierring 32 aus Borkarbid geschützt, der jedoch durchbrochen ist, um das plasmagene Gas und das Hüllgas austreten zu lassen.
• Um das Plasma zu zünden, beginnt man mit dem Einblasen von 15 Nl/mn Argon in den zentralen Kanal 33 des Brenners 5 oder 22, an den ein elektrisches Potential gelegt wurde, so daß er die Rolle der Kathode spielt, von 5 Nl/mn Argon in den Hüllkanal 34, und von 30 Nl/mn Argon in das Beobachtungsfenster 24. Alle in der Vorrichtung vorgesehenen Öffnungen sind der Sitz von Einblaseinrichtungen von inertem Gas, um zu verhindern, daß sie sich übermäßig erhitzen und um die Außenseite vor dem Austreten eventueller verunreinigender oder gefährlicher Stäube zu schützen. Die Wahl von Argon anstatt Sauerstoff beruht darauf, daß ersteres nicht die Kerze 19 oxidiert, die dem Gas zunächst ausgesetzt ist, da der Tiegel noch leer ist.
• Die Kathodenspitze wird der Kerze 19 bis auf einige Millimeter genähert und eine Leerlaufspannung von ungefähr 300 V wird angelegt zwischen der Elektrode 4 und dem Brenner 5 oder 22. Der Lichtbogen wird durch eine Entladung gezündet und die Kathode von der Kerze 19 entfernt, bis die gewünschte Bogenlänge erreicht ist. Die Stromstärke ist auf 250 A festgelegt. Die Gasmengen werden dann auf 30 Nlmn Argon in dem zentralen Kanal 33 und 15 Nl/mn in dem Hüllkanal 34 justiert. Die Länge des Bogens wird auf 145mm eingestellt, indem man den Brenner 5 oder 22 zurückzieht, und die Spannung wird ungefähr 80 V. Nach zwanzig Minuten wird das thermische Gleichgewicht erreicht und das Einführen der Abfälle in den Tiegel beginnt. Nach einer Viertelstunde ist die Elektrode 4 bedeckt und die Bogenspannung, die seit dem Einführen der Abfälle angestiegen ist, überschreitet ohne Veränderung der Einstellung 100 V. Der Bogen wird nun in den Abfällen übertragen, die sich an der Unterseite des Bogens vitrifizieren. Sodann breitet sich die Schmelzzone über alle Abfälle aus, ausgenommen die erstarrte Schicht auf der Wand 1.
• Die Spannung des Bogens erreicht 175 V, wenn anstatt 15 Nl/mn Argon die gleiche Mengen Sauerstoff in den Hüllkanal 34 geblasen wird. Die elektrische Leistung erreicht dann 55 kW bei einer mittleren Abfalleinfüllmenge von 3,5 kg in der Stunde. Der Sauerstoff hat die Wirkung, die Lichtbogenspannung und folglich die elektrische Leistung, die Temperatur des Glasbads und seine elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen. So stabilisiert er einerseits die Plasmasäule auf dem Glasbad und oxidiert andererseits die flüchtigen Metalle wie die Chloride, die verdampfen könnten. Festzustellen ist, daß das System nur wenig thermische Trägheit hat, denn das Absenken der Sauerstoffmenge hat fast unmittelbar eine Reduzierung der Bogenspannung oder der elektrischen Leistung und der Wärmetransfers zur Folge.
• Wenn die gesamte Ladung geschmolzen ist, kehrt man zum Argonplasma zurück, wobei die Spannung dann auf 110 V sinkt, und um diesen Leistungsabfall auszugleichen, wird die Stärke auf 450 A erhöht, um eine zu große Abkühlung des Bades zu vermeiden, die eine Erhöhung der elektrischen Resistivität des Glases zur Folge hätte, was sich durch störendes Hängenbleiben bzw. Haften des Lichtbogenfußes an den Wänden des Ofens auswirken könnte. Das Plasma wird anschließend abgeschaltet und man läßt das Glasbad durch den Schieber fließen und sich abkühlen.
• Das Argon wird zum Schutz der empfindlichen Teile der Vorrichtung und auch als Grundmasse für den Sauerstoff verwendet, um einen minimalen Gasdurchsatz durch die Brenner 5 oder 22 aufrechtzuerhalten, ohne den sie nicht einwandfrei funktionieren würden. Die Verwendung von zusätzlichem Sauerstoff anstatt der Grundmasse kann eine für die gewünschte Vitrifikationsmengenleistung und den Widerstand des Tiegels übermäßige Energie und Temperatur erzeugen. Als Grundmasse und als Zündgas wäre auch jedes andere neutrale Gas geeignet und bliebe ohne Einfluß auf die Vitrifizierungs- oder andere Reaktionen. Daher spricht man von im wesentlichen reinem Plasma, wobei das neutrale Gas nur eine Atmosphäre oder eine schwache Leistung erzeugt, wenn es plasmagen ist.
• Die Temperatur, auf die die Wand 1 gekühlt wird, wird vorzugsweise so gewählt, daß zwar eine Glasschicht auf ihr erstarrt, daß aber die durch die Verdampfung der Abfälle entstehenen Dämpfe aus dem Tiegel austreten ohne sich auf der Wand 1 niederzuschlagen, was wichtig ist, denn diese Dämpfe sind oft korrosiv, wobei es sich oft um verdampfte Salzsäure handelt. Die Verbrennung sollte jedoch, so hofft man, die Entstehung korrosiver Dämpfe zugunsten von Oxiden reduzieren, die weniger schwierig zu behandeln sind.
• Der Lichtbogen könnte zwischen Brennern mit unterschiedlicher Polungen hergestellt werden. Das geschmolzene Material müßte sich dann in diesen Zwischenraum erstrecken.
• Resümierend kann man feststellen, daß der Zweck der Erfindung die Vitrifizierung diverser organischer und anorganischer Abfälle in großer Menge ist, was die Lieferung einer entsprechenden Wärmeleistung impliziert, die der Tiegel ebenso aushalten muß wie die Entstehung von Gasen, die giftig sein können.
• Das Sauerstoffplasma liefert die Leistung und macht die frei werdenden Gase unschädlich. Der gekühlte Metalltiegel, ein guter Wärmeleiter, ermöglicht die überschüssige Wärme abzuführen und dabei das Erstarren einer Schutzschicht zu begünstigen. Es ist dann vorteilhaft, wenn der Tiegel stationär ist, damit man keine Drehverbindungen für die Kühleinrichtung benötigt; der Schieber ermöglicht, dieses Ziel zu erreichen.
• Die Übertragung oder der Durchgang des Lichtbogens durch ein Bad aus geschmolzenem Glas ist ein wesentliches Element für das Gelingen des Verfahrens. Mit dem Durchqueren einer nicht zu vernachlässigenden Tiefe vitrifizierten Materials, um die Elektrode 4 zu erreichen und so die elektrischen Ströme "rückzuschleifen", gibt der Lichtbogen wirksam seine Wärme ab und der Wirkungsgrad der Vorrichtung ist zufriedenstellend. Anzumerken ist, daß die hier in Betracht gezogenen Abfälle im allgemeinen bei niedrigen Temperaturen elektrisch isolierend sind, was zu geeigneten Maßnahmen zwingt, um die Vitrifizierung einzuleiten, z. B. dem weiter oben beschriebenen Start- bzw. Zündschritt, der ein progressives Füllen des Tiegels durch nach und nach schmelzende Abfällen vorsieht, die zu Beginn die Elektrode nicht bedecken, gefolgt von dem Normalbetriebsschritt, in dem ein Teil der Argonmenge ersetzt wird durch Sauerstoff, mit der Wirkung, daß die Leistung des Plasmas sich erhöht und der Bogen sich stabilisiert. Zudem zerstört der auf sehr hohe Temperatur gebrachte Sauerstoff den in den Tiegel eingeführten organischen Teil der Abfälle.

Claims (5)

1. Verfahren zum Verbrennen und Verglasen von mineralischen und/oder organischen Abfällen in einem stätionären Tiegel mittels eines Plasmabrenners (5, 22), dadurch gekennzeichnet, daß es darin besteht, wenigstens einen Brenner (5, 22) mit im wesentlichen reinem Sauerstoffplasma (16) in dem genannten stationären Tiegel zu benutzen, in dessen Wand (1) aus nichtoxidierbarem Stahl Strömungskanäle (13) für eine Kühlflüssigkeit vorgesehen sind und der mit einem Gießschieber (10) versehen ist, und dadurch, daß das Plasma ein Plasma des Typs ist, bei dem der Bogen durch ein Bad aus geschmolzenem Glas (11) übertragen wird, in dem die elektrischen Ströme eine Schleife bilden.

2. Verfahren zum Verbrennen und Verglasen von mineralischen und/oder organischen Abfällen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sauerstoffplasma mit einem Strom aus neutralem Gas gemischt wird, das Zünden des Bogens zwischen dem Brenner (5, 22) und der auf dem Boden des Tiegels befindlichen Elektrode (4) nur mit dem neutralen Gas erfolgt und der Sauerstoff dann progressiv einen Teil des neutralen Gases ersetzt, um den Normalbetrieb zu erreichen.

3. Verfahren zum Verbrennen und Verglasen von mineralischen und/oder organischen Abfällen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand (1) auf eine Temperatur gebracht wird, die niedriger ist als die Erstarrungstemperatur der verglasten Abfälle und höher als die Kondensationstemperatur der freiwerdenden korrosiven Dämpfe.

4. Verfahren zum Verbrennen und Verglasen von mineralischen und/oder organischen Abfällen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sauerstoffplasma mit einem Strom aus neutralem Gas gemischt wird.

5. Verfahren zum Verbrennen und Verglasen von mineralischen und/oder organischen Abfällen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das neutrale Gas durch Öffnungen (24) geblasen wird, die in der Wand (1) vorgesehen sind.