DD245941A1

DD245941A1 - METHOD AND DEVICE FOR THE PLASMAPYROLYSIS OF DAMAGES AND TOXINS

Info

Publication number: DD245941A1
Application number: DD25564283A
Authority: DD
Inventors: Hans-Joachim Spangenberg; Heinz Hoffmann
Original assignee: Adw Der Ddr Zi F Physikalische
Priority date: 1983-10-13
Filing date: 1983-10-13
Publication date: 1987-05-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur schadstoffarmen Umwandlung von vorzugsweise hochtoxischen gasfoermigen und fluessigen Verbindungen, wie sie in der chemischen Industrie, aber auch in anderen Industriezweigen anfallen, mit dem Ziel einer vollstaendigen thermischen Spaltung dieser Stoffe in einer plasmachemischen Pyrolysestufe und ihre Zerlegung in ungiftige, umweltfreundliche Bestandteile. Das wird dadurch erreicht, dass fluessige und gasfoermige Gift- und Schadstoffe ueber eine Einduesungsvorrichtung in eine Reaktionskammer eingefuehrt, mit einem Wasserstoff-Plasmastrahl vermischt werden und infolge der extrem hohen Temperaturen in stark reduzierender Atmosphaere die Giftstoffe mit Sicherheit gespalten, teilweise hydriert und in einer nachgeschalteten Verbrennungsstufe mit Sauerstoff in ungiftige Bestandteile ueberfuehrt werden. FigurThe invention relates to a method and a device for low-pollutant conversion of preferably highly toxic gaseous and liquid compounds, as obtained in the chemical industry, but also in other industries, with the aim of complete thermal cleavage of these substances in a plasmachemic pyrolysis and their decomposition in non-toxic, environmentally friendly ingredients. This is achieved by introducing liquid and gaseous toxic substances and pollutants into a reaction chamber via a pressurizing device, mixing them with a hydrogen plasma jet and, as a result of the extremely high temperatures in a strongly reducing atmosphere, separating the toxins with certainty, partially hydrogenating them and downstream Combustion stage be converted with oxygen into non-toxic components. figure

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungFor this 1 page drawing

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur schadstoffarmen Umwandlung hochtoxischer gasförmiger und flüssiger organischer Verbindungen, wie sie in der chemischen Industrie, aber auch in anderen Industriezweigen anfallen.The invention relates to a method and apparatus for low-pollutant conversion of highly toxic gaseous and liquid organic compounds, such as those incurred in the chemical industry, but also in other industries.

Characteristic of the known technical solutions

Es existieren zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen, die sich mit dem Beseitigen von Abfallstoffen befassen. So ist bekannt, Abfallstoffe in die Flamme eines Gas- und Ölbrenners einzuführen und mit Luft oder sauerstoffreichem Gas zu verbrennen. (DE-OS-1 930496; DE-OS-2510508).There are numerous methods and devices that deal with the disposal of waste materials. So it is known to introduce waste into the flame of a gas and oil burner and burn with air or oxygen-rich gas. (DE-OS-1 930 496; DE-OS-2510508).

Andere Vorrichtungen verwenden an Stelle eines Gasbrenners im Reaktionsraum einen Plasmalichtbogen, in dem unter Luftzufuhr eine vollständige Aufoxidation der zu vernichtenden Schadstoffe erfolgt (DE-OS-2425007; GB-PS-1 459159) bzw. einen Plasmastrahl, in dem besonders giftige und thermisch stabile Abprodukte in einem Plasmastrom, der entweder aus Luft, Sauerstoff oder sauerstoff haltigen Abgasen besteht, verbrannt werden (DD-WP-1 581 28). In einer anderen Variante wird ein Teil des in einem Pyrolysebehälter durch die thermische Zersetzung von Abfallstoffen gebildeten Pyrolysegases, das hauptsächlich aus CO, H₂O-Dampf, H₂ und CO₂ besteht, in einem Plasmabrenner aufgeheizt und über eine Düsenanordnung im Gegenstrom wieder in den Reaktionsraum eingeblasen (DE-OS-2621 393).Other devices use instead of a gas burner in the reaction chamber, a plasma arc in which under air complete oxidation of the pollutants to be destroyed takes place (DE-OS-2425007, GB-PS-1 459159) or a plasma jet, in the particularly toxic and thermally stable Abprodukte in a plasma stream consisting of either air, oxygen or oxygen-containing exhaust gases are burned (DD-WP-1 581 28). In another variant, part of the pyrolysis gas formed in a pyrolysis vessel by the thermal decomposition of waste materials, which consists mainly of CO, H ₂ O vapor, H ₂ and CO ₂ , heated in a plasma torch and a nozzle assembly in countercurrent back into injected the reaction space (DE-OS-2621 393).

Nachteile der genannten Verfahren bestehen zum einen darin, daß besonders giftige und damit umweltbelastende Substanzen nicht vollständig beseitigt werden, so daß die verbleibenden Rückstände trotz nachfolgender offener Verbrennung bzw. Verbringung auf Spezialdeponien immer noch zu einer Umweltbelastung bzw. -Schädigung führen. Zum anderen werden bei Verwendung von Gas-oder OIbrennern die für die vollständige Vernichtung von Giftstoffen erforderlichen hohen Temperaturen nicht erreicht. Aber selbst beim Plasmaverfahren können infolge ungleichmäßiger Aufheizung im Pyrolysegas noch Giftstoffe auftreten. Auch beim zusätzlichen Einblasen von vorerhitztem Pyrolysegas, das aus den Verbrennungsprodukten von Luft mit den zu vernichtenden Abfallstoffen entsteht, müssen wegen der geringen Reduktionswirkung der heißen Verbrennungsprodukte häufig in aufwendiger Weise Reduktionsmittel Zugesetztwerden. Aus den gleichen Gründen ist auch die vorgeschlagene direkte Beseitigung von Schadstoffen in einer plasmachemischen Verbrennungsstufe durch Zufuhr eines Oxidationsmittels (Luft, Sauerstoff) direkt im Plasmabrenner wenig geeignet.Disadvantages of said methods are, first, that particularly toxic and thus polluting substances are not completely eliminated, so that the remaining residues, despite subsequent open combustion or shipment to special landfills still lead to environmental pollution or damage. On the other hand, when using gas or oil burners, the high temperatures required for complete destruction of toxins are not achieved. But even in the plasma process can still occur as a result of uneven heating in the pyrolysis gas toxins. Even with the additional injection of preheated pyrolysis, which arises from the combustion products of air with the waste to be destroyed, reducing agents must be added in a complex manner because of the low reduction effect of the hot combustion products often. For the same reasons, the proposed direct removal of pollutants in a plasma-chemical combustion stage by supplying an oxidizing agent (air, oxygen) directly in the plasma torch is less suitable.

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist die Beseitigung der genannten Nachteile, d.h. die vollständige thermische Spaltung von zu beseitigenden Giftstoffen in einer plasmachemischen Pyrolysestufe und ihre Zerlegung in ungiftige Bestandteile.The aim of the invention is to eliminate the said disadvantages, i. the complete thermal cleavage of toxins to be removed in a plasmachemic pyrolysis step and their decomposition into non-toxic components.

Object of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine'wirksame Methode zur Vernichtung hochtoxischer gasförmiger und flüssiger organischer Verbindungen in einer plasmachemischen Verbrennungsstufe in stark reduzierender Atmosphäre zu entwickeln.The object of the invention is to develop an effective method for the destruction of highly toxic gaseous and liquid organic compounds in a plasma-chemical combustion stage in a strongly reducing atmosphere.

Features of the invention

Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß vorzugsweise flüssige und gasförmige Giftstoffe über eine Eindüsungsvorrichtung in eine Reaktionskammer eingeführt und mit einem in einem oberhalb der Eindüsungsvorrichtung. befindlichen Plasmabrenner erzeugten, vertikal von oben in die Reaktionskammer einströmenden turbulenten Wasserstoff-Plasmastrahl vermischt werden und daß infolge der extrem hohen Temperaturen im Plasmastrahl in stark reduzierender Atmosphäre die Giftstoffe mit Sicherheit gespalten, teilweise hydriert und in einer nachgeschalteten Verbrennungsstufe mit Sauerstoff in ungiftige Bestandteile überführt werden. Die in der Reaktionskammer gebildeten gasförmigen Pyrolyseprodukte und der Plasma-Wasserstoff erfahren eine Vorquenchung auf etwa 1 200 K in einer Kühlzone, die gleichzeitig als Wärmeaustauscher zur Vorwärmung der zu vernichtenden flüssigen und gasförmigen Ausgangsprodukte sowie des plasmabildenden Wasserstoffs dient. Die endgültige Abkühlung auf Temperaturen unter 500 K erfolgt in der sich anschließenden Quenchstufe, die gleichzeitig als Einlaßvorrichtung für flüssige Giftstoffe, deren Speicherung in einem darunterliegenden Vorratsbehälter erfolgt, dient. Aus dem Vorratsbehälter werden die flüssigen Giftstoffe gemeinsam mit einer verdichteten Teilmenge des im Prozeß anfallenden Pyrolysegases im Wärmeaustauscher vorgewärmt und am oberen Ende der Reaktionskammer über spezielle Düsenanordnungen als Aerosol fein verteilt eingesprüht. Dabei dient das Pyrolysegas als Zerstäubergas für die Aerosolbildung der flüssigen Giftstoffe. Eine andere Teilmenge des im Prozeß anfallenden Pyrolysegases wird ebenfalls verdichtet und in einer Brennkammer unter Luft- und Sauerstoffzufuhr verbrannt.According to the invention this is achieved in that preferably liquid and gaseous toxins introduced via a injection device in a reaction chamber and with a in one above the injection device. generated plasma torch generated vertically from above into the reaction chamber incoming turbulent plasma hydrogen jet are mixed and that due to the extremely high temperatures in the plasma jet in a strongly reducing atmosphere, the toxins split with certainty, partially hydrogenated and transferred in a subsequent combustion stage with oxygen in non-toxic constituents , The gaseous pyrolysis products formed in the reaction chamber and the plasma hydrogen undergo a preliminary quenching to about 1200 K in a cooling zone which simultaneously serves as a heat exchanger for preheating the liquid and gaseous starting products to be destroyed and the plasma-forming hydrogen. The final cooling to temperatures below 500 K takes place in the subsequent quenching stage, which also serves as an inlet device for liquid toxins, the storage takes place in an underlying reservoir. From the reservoir, the liquid toxins are preheated in the heat exchanger together with a compressed portion of the resulting pyrolysis gas in the process and sprayed finely distributed at the upper end of the reaction chamber via special nozzle arrangements as aerosol. The pyrolysis gas serves as an atomizing gas for the aerosol formation of the liquid toxins. Another portion of the pyrolysis gas obtained in the process is also compressed and burned in a combustion chamber with air and oxygen supply.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung der Plasmapyrolyse von Schad- und Giftstoffen besteht aus einem Plasmabrenner, der im Deckel eines mehrwandigeh zylindrischen Rohres, bestehend aus Eindüsungsvorrichtung, Reaktionskammer, Wärmeaustauscher und Einlaßvorrichtung, montiert ist. Der untere Teil des mehrwandigen zylindrischen Rohres endet in einem Vorratsbehälter fürflüssige Schad- und Giftstoffe.A device according to the invention for carrying out the plasma pyrolysis of pollutants and toxins consists of a plasma torch which is mounted in the lid of a multi-walled cylindrical tube consisting of injection device, reaction chamber, heat exchanger and inlet device. The lower part of the multi-walled cylindrical tube ends in a reservoir for liquid pollutants and toxins.

Der Plasmabrenner erzeugt einen auf 3 500 bis 6000 K erhitzten Wasserstoff-Plasmastrah I, der von oben in die Reaktionskammer geleitet wird. Die flüssigen Giftstoffe werden gemeinsam mit einer verdichteten Teilmenge des im Prozeß anfallenden ,Pyrolysegases in einem Wärmeaustauscher vorgewärmt und unter erhöhtem Druck über eine Eindüsungsvorrichtung in die Reaktionskammer geleitet. Die flüssigen Giftstoffe gelangen dabei über Steigrohre und die verdichtete Teilmenge des Pyrolysegases über Zerstäuberrohre zu den speziellen Düsenanordnungen der Eindüsungsvorrichtung. Ein zweiter Wärmeaustauscher dient der separaten Vorwärmung des plasmabildenden Wasserstoffs.The plasma torch generates a hydrogen plasma jet I heated to 3,500 to 6,000 K, which is passed from above into the reaction chamber. The liquid toxins are preheated in a heat exchanger together with a compressed portion of the resulting in the process, pyrolysis gas and passed under elevated pressure via an injection into the reaction chamber. The liquid toxins arrive via risers and the compressed portion of the pyrolysis gas via atomizer tubes to the special nozzle arrangements of the injection device. A second heat exchanger is used for separate preheating of the plasma-forming hydrogen.

embodiment

Durch die optimale Vermischung hochtoxischer Ausgangssubstanzen mit dem Wasserst off plasma unter Verwendung des im Prozeß selbst anfallenden Pyrolysegases als Zerstäubergas gelingt eine vollständige Spaltung hochtoxischer organischer Verbindungen im Plasmastrahl. Durch die extrem hohen Temperaturen werden die Giftstoffe mit Sicherheit gespalten, teilweise hydriert und in einer nac'hgeschalteten Verbrennungsanlage in ungiftige Bestandteile überführt. Etwa noch vorhandene Schadstoffe wie HCI oder H₂S können in an sich bekannter Weise entfernt werden.Due to the optimal mixing of highly toxic starting substances with the Wasserst off plasma using the pyrolysis gas obtained in the process itself as Zerstäubergas succeeds a complete cleavage of highly toxic organic compounds in the plasma jet. Due to the extremely high temperatures, the toxins are certainly split, partially hydrogenated and converted into non-toxic components in a downstream incinerator. Any remaining pollutants such as HCI or H ₂ S can be removed in a conventional manner.

Eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist in der Figur dargestellt. Die Vorrichtung besteht aus einem Plasmabrenner 1, der im Deckel eines mehrwandigen zylindrischen Rohres 2, bestehend aus Eindüsungsvorrichtung 3, Reaktionskammer 4, Wärmeaustauscher 5, Wärmeaustauscher 6 und Einlaßvorrichtung 7, montiert ist. Der untere Teil des mehrwandigen zylindrischen Rohres 2 endet in einem Vorratsbehälter 8 für Schad- und Giftstoffe.A corresponding device for carrying out the method is shown in the figure. The device consists of a plasma torch 1, which is mounted in the lid of a multi-walled cylindrical tube 2, consisting of injection device 3, reaction chamber 4, heat exchanger 5, heat exchanger 6 and inlet device 7. The lower part of the multi-walled cylindrical tube 2 terminates in a reservoir 8 for harmful and toxic substances.

Der Plasmabrenner 1 erzeugt einen auf 3500 bis 6000K erhitzten Wasserstoff-Plasmastrahl, der über ein sich innen konisch erweiterndes Graphitteil 9 in die Reaktionskammer 4 gelangt. Die flüssigen Giftstoffe werden über die Zuführung 10 in den innersten Mantel des Rohres 2, dessen Innenwand die äußere Begrenzung des Reaktionsgemisches bildet und als Wärmeaustauscher 5 arbeitet, unter erhöhtem Druck eingeleitet.The plasma torch 1 generates a heated to 3500 to 6000K hydrogen plasma jet, which passes through an internally conically widening graphite part 9 in the reaction chamber 4. The liquid toxins are introduced via the supply 10 in the innermost shell of the tube 2, the inner wall forms the outer boundary of the reaction mixture and works as a heat exchanger 5, introduced under elevated pressure.

Gleichzeitig wird über die Zuführung 11 eine Teilmenge des im Prozeß anfallenden Pyrolysegases durch die Flüssigkeit geleitet. Die flüssigen Schad-und Giftstoffe werden über Steigrohre 12, die zusammen mit Zerstäuberrohren 13 im Graphitmantel 14 der Reaktionskammer 4 eingebettet sind, zur Eindüsungsvorrichtung 3 geführt, in der ihre Vernebelung mit Hilfe des über die Zerstäuberrohre 13 zugeführten verdichteten Pyrolysegases in den turbulenten Plasmastrahl hinein erfolgt. Der plasmabildende Wasserstoff gelangt über die Zuführung 15 in den Wärmeaustauscher 6, wird dort vorgewärmt und dem Plasmabrenner 1 als Betriebsgas zugeführt. In der Fteaktionskammer 4 werden die Giftstoffe in stark reduzierender Atmosphäre infolge der dort herrschenden hohen Temperaturen mit Sicherheit gespalten, teilweise hydriert und gelangen nach Passieren der ' Wärmeaustauscher 5; 6 sowie der Einlaßvorrichtung 7, über die kontinuierlich Gift- und Schadstoffe der Anlage zugeführt werden, als Pyrolysegas zusammen mit dem Plasma-Wasserstoff in den Vorratsbehälter 8. Hier werden frisch zugeführte und nicht umgesetzte Flüssigkeitsanteile gesammelt und erneut der Plasmapyrolyse zugeführt. Das Pyrolysegas wird bei Temperaturen <500K im oberen Teil des Vorratsbehälters 8 abgezogen und einem Kühler 16 sowie Kompressor 17 zugeführt. Eine Teilmenge des gekühlten und verdichtetenPyrolysegases wird über die Zuführung 11 als Zerstäubergas im Prozeß wiederverwendet.At the same time, a subset of the pyrolysis gas obtained in the process is passed through the liquid via the feed 11. The liquid pollutants and toxins are fed via riser tubes 12, which are embedded together with atomizer tubes 13 in the graphite jacket 14 of the reaction chamber 4, to the injection device 3, in which their nebulization with the aid of the supplied via the nebulizer tubes 13 compressed pyrolysis gas into the turbulent plasma jet takes place , The plasma-forming hydrogen passes via the feed 15 into the heat exchanger 6, where it is preheated and fed to the plasma torch 1 as operating gas. In the reaction chamber 4, the toxins are split in a strongly reducing atmosphere due to the high temperatures prevailing there with certainty, partially hydrogenated and pass after passing 'heat exchanger 5; 6 and the inlet device 7, are continuously supplied to the toxic and pollutants of the system, as a pyrolysis gas together with the plasma hydrogen in the reservoir 8. Here freshly supplied and unreacted liquid fractions are collected and fed back to the plasma pyrolysis. The pyrolysis gas is withdrawn at temperatures <500K in the upper part of the reservoir 8 and fed to a cooler 16 and compressor 17. A portion of the cooled and compressed pyrolysis gas is reused via feed 11 as a nebulizer gas in the process.

Eine andere Teilmenge wird in einer nachgeschalteten Brennkammer 18 unter Sauerstoff-oder Luftzufuhr verbrannt. Das die Brennkammer 18 verlassende Gas besteht bei unvollständiger Verbrennung im wesentlichen aus CO2, CO, H₂, N₂ und H₂O, wobei noch vorhandene Chlor- und Schwefelanteile, die überwiegend als HCI, H₂S und COS vorliegen, in an sich bekannter Art und Weise adsorbtiv entfernt werden können.Another subset is burned in a downstream combustion chamber 18 under oxygen or air. The gas leaving the combustion chamber 18 consists in incomplete combustion essentially of CO2, CO, H ₂ , N ₂ and H ₂ O, with remaining chlorine and sulfur components, which are predominantly present as HCI, H ₂ S and COS, in per se known manner can be removed adsorbtiv.

Ein Plasmabrenner von 8OkW Nutzleistung gestattet bei einem Wasserstoffdurchsatz von 30m³/h sowie einer Pyrolysegasrückführung von 4m³/h für die Zerstäubung eine Menge von 14kg/h hochtoxischer organischer AbprodukteA plasma torch of 8OkW efficiency allows for a hydrogen throughput of 30m ³ / h and a pyrolysis gas recirculation of 4m ³ / h for the atomization amount of 14kg / h highly toxic organic waste products

Claims

Claim for the invention:.

1. A process for the low-emission conversion of highly toxic gaseous and liquid organic compounds using highly heated hydrogen as an energy source, characterized in that gaseous or liquid poison and pollutants introduced a injection device in a reaction chamber and with a, in a suitable, above the. Producing device located plasma torch generated, vertically flowing from above into the reaction chamber turbulent plasma jet hydrogen are mixed and that due to the extremely high temperatures in a strongly reducing atmosphere, the toxins split with certainty, partially hydrogenated on their way from the reaction chamber via the heat exchanger and inlet device and after cooling and compression in a downstream combustion stage with oxygen into non-toxic components are transferred.

2. The method according to item 1, characterized in that the liquid toxins are preheated together with a Zerstäubergas in a heat exchanger and introduced together via an injection device in the reaction chamber.

3. The method according to item 1 and 2, characterized in that the Zerstäubergas is a compacted subset of the resulting pyrolysis gas in the process.

4. The method according to item 1 to 3, characterized in that the liquid poison and pollutants are used before being stored in the reservoir and later plasmachemischen implementation in an inlet device for direct cooling of the pyrolysis gas already formed.

5. Apparatus for carrying out the method according to item 1 to 4, characterized in that by means of a plasma torch (1) for generating a heated to 3500 to 6000K hydrogen plasma jet above a cylindrical tube (2) consisting of injection device (3) , Reaction chamber (4), heat exchanger (5; 6), inlet device (7) and reservoir (8) is mounted, wherein the reaction chamber (4) has a heat-resistant and heat-insulating inner lining, expediently in the form of a graphite sheath (14), at the Upper part are a number of annularly arranged nozzles, via which in the heat exchanger (5) preheated liquid toxin and a compressed portion of the pyrolysis gas formed in the process are injected together into the reaction chamber (4), a complete cleavage and partial hydrogenation of the toxins on their way from the reaction chamber (4) via heat exchanger (5; 6) and inlet device ng (7) takes place and after cooling and compression in a downstream combustion chamber (18) with oxygen in non-toxic and environmentally friendly components can be transferred.