DD298459A7 - Plasmachemischer reaktor, insbesondere zur vernichtung toxischer abprodukte - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen plasmachemischen Reaktor, insbesondere zur Vernichtung toxischer Abprodukte. Der plasmachemische Reaktor, insbesondere zur Vernichtung toxischer Abprodukte, wie halogenierte Kohlenwasserstoffe, vermeidet kalte wandnahe Zonen im Plasmastrahl und macht dadurch einen 100%igen Umsatz der zugefuehrten thermisch und chemisch hochstabilen toxischen Stoffe in unschaedliche Produkte moeglich. Die Aufgabe wird dadurch geloest, dasz der Reaktor aus einer primaeren Plasmareaktionszone und einer sekundaeren Reaktionszone besteht, wobei zur Kuehlung der primaeren Plasmareaktionszone Luft verwendet wird, die gleichzeitig in der sekundaeren Reaktionszone als Oxidationsmittel eingesetzt wird. Als Reaktormaterial werden Keramiken verwendet, die im Reaktor so angebracht sind, dasz sie keinen mechanischen Spannungen infolge der thermischen Belastung und der Temperaturwechselbelastung ausgesetzt sind. Fig. 1{Plasmareaktor; Abprodukt; toxische Stoffe; halogenierte Kohlenwasserstoffe; Vernichtung; Reaktionszone; Kuehlung; Luft; Oxidationsmittel; Reaktormaterial; Keramik; Belastung}

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung ist anwendbar zurTotalvernichtung stabiler fester, gasförmiger, flüssiger oder pastöser hochtoxischer Stoffe bzw. toxischer Stoffe enthaltender Abprodukte, die im Bereich der chemischen Industrie, der Mikroelektronikindustrie und anderer Industriezweige anfallen, aber auch für verschiedene plasmapyrolytische Prozesse.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Plasmachemische Reaktoren sind unabhängig vom gefahrenen Prozeß auf Grund ihrer hohen thermischen Belastung durch den Plasmastrahl stets mit Einrichtungen versehen, die eine intensive Wasserkühlung ermöglichen. Dadurch ist es erst möglich, als Reaktormaterial Stahl bzw. temperaturbeständigen Stahl bzw. Kupfer, Messing, etc. zur Abschirmung des plasmachemischen Prozesses von der Umwelt einzusetzen. Die notwendige Kühlung der Reaktoren führt iur Ausbildung eines zum Teil starken radialen Temperaturgradienten zwischen Kernzone des Plasmastrahles und der Reaktorwand. Dadurch entsteht der Nachteil, daß in den Plasmastrahl eingedüste Rohstoffe, die sich im wandnahen Bereich befinden, zum Teil erheblich geringere Umsatzraten aufweisen. Bei einigen plasmachemischen Verfahren (z. B. der Pyrolyse von Erdgas) muß dies nicht unbedingt einen prinzipiellen Nachteil nach sich ziehen, da in den wandnahen Reaktorzonen nicht umgesetztes Erdgas im Kreislauf in den Reaktor zurückgeführt werden kann, jedoch ist mit der notwendigen Wandkühlung stets eine mehr oder minder große thermische Wirkungsradverminderung bzw. Umsatzgradverminderung verbunden.

Bekannt sind weiterhin Reaktorformen, bei denen der Reaktor mit einem Inlay aus temperatur- bzw. chemisch beständigem Material versehen ist, z. B. Graphit bei Pyrolyseverfahren. Damit kann der Wirkungsgrad prinzipiell verbessert werden, es treten jedoch Probleme dadurch auf, daß durch die irgendwie geartete notwendige mechanische Verbindung zwischen Inlay und Reaktormantel und deren unterschiedliche thermische Ausdehnung bei Erwärmung auf hohe Temperaturen mechanische Spannungen oder Wechselspannungen (durch An- und Abfahrprozesse) auftreten, die zu einer Ermüdung des Inlaymaterials oder zum Reaktorbruch führen. Bekannt sind eine Reihe von plasmachemischen Verfahren zur Vernichtung toxischer Abprodukte entweder durch Plasmapyrolyse oder durch Plasmaverbrennung mittels H₂-oder Luftplasma (DE-OS 3424710, DD-WP 245 941, DE-OS 3605785, DD-WP 158128), deren Gegenstand jedoch nicht eine Reaktorbauform ist, die die Nachteile der bekannten Bauformen vermeidet. Ein bekanntes Plasmaverbrennungsverfahren arbeitet mit direkter Einwirkung des Lichtbogens auf die umzusetzenden Stoffe, wobei infolge starker Temperaturgradienten zwischen Bereichen innerhalb und außerhalb der Bogenzone keine gleichmäßige Umsetzung erreicht werden kann. Die Folge und der Nachteil besteht in der Notwendigkeit des Einsatzes eines zweiten Plasmareaktors zur Nachreaktion.

Die bekannten Reaktorbauformen besitzen sämtlich den Nachteil eines möglichen Schadstoffdurchbruches durch die kühlen wandnahen Zonen und damit einer Kontaminierung nachfolgender Verfahrensstufen oder der Umwelt. Um dennoch einen hohen Entgiftungsgrad zu erreichen, muß gegebenenfalls der Nachteil in Kauf genommen werden, zwei Plasmatrons jeweils mit Plasmareaktor hintereinander zu schalten, wobei neben höherem apparativem und energetischem Aufwand die Gefahr des Schadstoffdurchbruchs zwar vermindert, aber nicht völlig ausgeschaltet wird. Darüber hinaus tritt bei den bekannten Reaktorbauformen das Problem der Beherrschung von Wärmespannungen und der Temperaturwechselbeständigkeit auf.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist es, einen plasmachemischen Reaktor zu schaffen, der eine 100%ige Entgiftung von flüssigen, festen, gasförmigen oder breiig-pastösen toxischen Abprodukten und deren Überführung in unschädliche und umwelfreundliche Stoffe mit hohem thermischem Wirkungsgrad und hohen Reaktorstandzeiten ermöglicht.

-2- 298 459 Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen plasmachemischen Reaktor anzugeben, der einen 100%igen Umsatz der eingesetzten Stoffe in nur einer plasmachemischen Stufe bei hoher Temperaturwechsel· und Temperaturbeständigkeit ohne Durchbrüche von Schadstoffen durch kalte Reaktorzonen garantiert.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem plasmachemischen Reaktor, der über einen Flansch mit einem Plasmatron verbunden ist. Der Flansch besitzt radiale Kanäle zum Eindüsen der Rohstoffe in den zentral angeordneten Plasmastrahlkanal sowie einen Kühlwasserringkanal. Im Reaktor befindet sich ein Rohr aus hochtemperaturbeständigem Material, um das mit Abstand ein äußerer zylindrischer Reaktormantel mit Gaszuführungsstutzen nahe dem Piasmatronflansch angeordnet ist. Die Erfindung besteht darin, daß das Rohr locker auf einen konischen Erweiterungsring aufgesteckt ist, der sich im Plasmareaktor dem Piasmatronflansch anschließt. Dessen Innenraum dient als Mischkammer. Das Rohr wird seitlich durch am Reaktormantel angeordnete Distanzstifte fixiert, so daß die Einhaltung eines symmetrischen Ringspaltes zwischen Rohr und Reaktormantel gewährleistet ist. Der Reaktormantel ist kürzer als das Rohr, so daß dieses in einen sekundären Reaktionsraum ragt. Dieser wird durch ein zylindrisches Doppelmantelrohr mit einem ringspaltförmigen Kühlwasserkanal gebildet, das an den Reaktormantel angeflanscht ist.

Vorteilhafterweise hat das Doppelmantelrohr den gleichen Innendurchmesser wie der Reaktormantel. Es kann zweckmäßig sein, in dem hochtemperaturbeständigen Rohr koaxial ein weiteres hochtemperaturbeständiges Rohr mit einem geringeren Durchmesser anzuordnen, das nur maximal dessen halbe Länge aufweist und auf dem konischen Erweiterungsring formschlüssig fixiert ist.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird anhand von zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die dazugehörige Zeichnung zeigt die Grundvariante der Reaktorausführung und zusätzlich den Einsatz nach der zweiten Variante.

Der Plasmareaktor ist durch den Plasmatronflansch 1 mit dem Plasmatron 2 verbunden. Im Plasmatronflansch 1 befinden sich radiale Rohstoffzuführungskanäle 3, der axiale, als Zumischkammer ausgebildete Plasmastrahlkanal 4 und ein Kühlwasserringkanal S. Auf dem Plasmatronflansch 1 ist in axialer Verlängerung auf der vom Plasmatron 2 abgewandten Seite ei.-, ι,r Innern konischer Erweiteriingsring 6 angebracht, um weichen ein Siliziumkarbidrohr 7 befestigungslos auf den Plasmatronflansch 1 aufgesetzt und vom konischen Erweiterungsring 6 in seiner Lage fixiert ist. Das nach oben offene Silizumkarbidrohr 7 ist vom Außenmantel 8 des Plasmareaktors koaxial umgeben, wobei sich in unmittelbarer Nähe des Piasmatronflansches 1 Luftzuführungsstutzen 9 befinden. Zwischen Siliziumkarbidrohr 7 und Außenmantel 8 befinden sich Distanzstifte 11, die das Siliziumkarbidrohr 7 spannungsfrei auch in seinem oberen Bereich fixieren. Dabei entsteht zwischen Siliziumkarbidrohr 7 und Außenmantel 8 ein Ringspalt 10 für Kühlluft. In axialer Verlängerung des Außenmantels 8 ist ein Doppelmantelrohr 12 mit einem Kühlwasserkanal 13 und entsprechenden Kühlwasserzuführungsstutzen 16 und einer mittig angeordneten Gasabführung 17 mit Hilfe eines Flansches 18 angebracht Das Siliziumkarbidrohr 7 endet hinter dem Flansch 18 ir. der Reaktorzone 15. Der Plasmareaktor wird damit in ineinander übergehende Zonen 4; 10; 14; 15 unterteilt. Die Wirkungsweise des Plasmareaktors soll anhand eines technologischen Beispiels erläutert werden: Ein flüssiges Abprodukt, welches mit chlorierten Kohlenwasserstoffen kontaminiert ist, wird durch die Rohstoffzuführungskanäle 3 in den Plasmastrahlkanal 4, in welchem sich ein WasserJampfplasma mit einer mittleren Massentemperatur von 3200K ausbreitet, radial zugedüst. Im Inneren des die primäre Plasmareaktionszone 14 bildenden Siliziumkarbidrohres 7 findet eine Abspaltung randständiger Halogene aus den chlorierten Toxinen, eine Zertrümmerung der Rümpfe aller Kohlenwasserstoffe und die vergasende Fixierung des Kohlenstoffes und des Wasserstoffes in CO und H₂ statt, wobei die Halogene an reaktive Η-Atome in Form von HCI gebunden werden. Voraussetzung für eine 100%ige Zerstörung halogenierter Kohlenwasserstoffe, die thermisch und chemisch sehr stabil sind, ist eine Mindesttemperatur von ca. 1400⁰C, ohne differenzierte radiale Temperaturfelder, die Schadstoffdurchbrüche durch kalte Zonen zulassen. Während konventionelle wassergekühlte Plasmareaktoren starke radiale Temperaturfelder aufweisen, was zum Durchbruch von Toxinen durch kalte wandnahe Zonen führt, wird die primäre Plasmareaktionszone des erfindungsgemäßen Plasmareaktors durch über die Luftzuführungsstutzen 9 im unteren Teil des Reaktors zugeführte Luft gekühlt. Dadurch wird es möglich, die mittlere Temperatur der prim'ren Plasmareaktionszone 14 zu erhöhen (z. B. auf 2500⁰C) mit einer Kerntemperatur des Plasmas auf der Zonenachse von ca. 3000⁰C, wobei die Wandtemperatur auf der Innenseite des Siliziumkarbidrohres 7 auf ca. 2000⁰C hochgenommen wird, die mit Sicherheit eine Abspaltung aller randständigen Halogene gewährleistet. Damit sind keine Schadstoffdurchbrüche durch die primäre Plasmareaktionszone 14 mehr möglich und die im zugoführten Abprodukt enthaltenen Toxine werden vollständig in CO, H₂ und HCI umgewandelt. Das reaktive Plasma strömt nach Reaktion in dor primären Plasmareaktionszone 14 in die sekundäre Reaktionszone 15, wo eine Vermischung mit der erhitzten Kühlluft aus dem Ringspalt 10 stattfindet. Dabei findet eine Quenchung auf ca. 1500⁰C statt, wobei diese Temperatur ausreichend ist, um die in der primären Plasmareaktionszone 14 durch plasmachemische Vergasung gebildeten stabilen Brennstoffe H₂, CO zu CO₂ und H₂O zu oxidieren. Das wird dadurch erreicht, daß die erfindungsgemäße Reaktorform mit mehreren ineinander übergehenden Zonen 10; 14; 15, insbesondere die direkte Verbindung zwischen Ringspalt 10 als Kühlzone der primären Plafmavcaktionszone 14 und der sekundären Reaktionszone 15 eine Mehrfachnutzung der über die Luftzuführungsstutzen 9 zugeführten Luft, einerseits als Kühlmittel und andererseits als erhitztes Oxidationsmittel, gestattet, wodurch der Oxidationsprozeß problemlos durchführbar wird. In der sekundären Reaktionszone 15 kommt es zu einer gesteuerten Oxidation der stabilen Brennstoffe, wobei wegen der Exothermic eine Wasserkühlung dieser Zone über den Kühlwasserkanal 13 realisiert wird.

Die Reaktionsprodukte CO₂, H₂O-Dampf, HCI werden über die Gasabführung 17 abgezogen.

Infolge der einseitigen lockeren Halterung mit froier möglicher Raumausdehnung des Siliziumkarbidrohres 7 durch den konischen Erweiterungsring β und Hie mit Spiel zum Siliziumkarbidrohr 7 angebrachten Dlstanzstifu, 11 treten trotz riar hohen thermischen Belastung (bis 2000⁰C) und der hohen Tmeperaturwechselbaanspruchunrj am Siliziumkarbidrohr 7 keinerlei thermische und mechanische Spannungen auf und es ist dadurch eine hohe Lebensdauer des Reaktors gegeben.

Im erfindungsgemäßen Plasmareaktor treten weiterhin keine Abdichtungsprobleme mehr auf, da infolge eines höheren Druckverlustes im Ringspalt 10 (höhere Strömungsgeschwindigkeit) gegenüber der primären Plasmareaktion6zone 14 an der Übergangsstelle zwischen Piasmatronflansch 1 und Siliziumkarbidrohr 7 prinzipiell keine Abdichtung mehr notwendig ist. Es kommt stets zu einem geringen Kühlluftstrom aus dem Ringspalt 10 in die primäre Reaktionszone 14, was sich nicht negativ auf die Plasmareaktione ι in der primären Plasmareaktionszone 14 auswirkt, nie jedoch zu einem Durchbruch von Toxinen aus der primären Plasmareaktionszone 14 in den Ringspalt 10 infolge der herrschenden Druckdifferenz. Aus diesem Grunde ist eine Einspannung des Siliziumkarbidrohres 7 nicht mehr notwendig und thermische und mechanische Spannungen werden grundsätzlich beseitigt.

Eine Ergänzung des Plasmareaktors ergibt sich, wenn z. B. in eine Nut des konischen Erweiterungsringes 6 ein weiteres Siliziumkarbidrohr 19 mit einer geringeren axialen Länge und einem geringeren Durchmesser als das Siliziumkarbidrohr eingesetzt wird, wodurch sich eine zusätzliche Mischstrecke 20 mit kleinerem Durchmesser zwischen Wasserdampfplasma und Abprodukt herausbildet, in deren oberem Bereich sich beim Übergang zwischen den Mischstrecken 20 und 14 durch das Vorhandensein der Abrißkante des Siliziumkarbidrohres 19 intensive Turbulenzen herausbilden. Der erfindungsgemäße Reaktor gestattet eine nahezu vollständige Vernichtung auch hochstabiler Abprodukte durch Realisierung hoher Kern- und Wandtemperaturen, gewährleistet eine optimale Energieausnutzung durch einstufige Arbeitsweise und Ausnutzung der Kühlluftzone als zweckmäßige Isolierung des Plasmastrahls von der Umwelt, sowie dadurch, daß die erwärmte Kühlluft gleichzeitig als Oxidationsmittel genutzt wird. Er arbeitet mit einem hohen thermischen Wirkungsgrad und hoher Standzeit trotz hoher Belastung des Reaktormaterials. Darüber hinaus kann er auch für andere plasmapyrolytische Prozesse eingesetzt werden.

Claims (4)

1. Plasmachemischer Reaktor, insbesondere zur Vernichtung toxischer Abprodukte, der über einen Piasmatronflansch mit radialen Kanälen für die Rohstoffzufuhr in den zentralen Plasmastrahlkanal und einem Kühlwasserringkanal mit einem Plasmatron verbunden ist und ein Rohr aus hochtemperaturbeständigem Material enthält, um das mit Abstand ein äußerer zylindrischer Reaktormantel mit Gaszuführungsstutzen nahe dem Piasmatronflansch angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (7) locker auf einen konischen Erweiterungsring (6) aufgesteckt ist, der sich im Plasmareaktor dem Plasmatronflansch (1) anschließt, und mit am Reaktormantel (8) angeordneten Distanzstiften (11) fixiert ist, wobei der Reaktormantel (8) kürzer als das Rohr (7) ist, und an den Reaktormantel (8) ein zylindrisches Doppelmantelrohr (12) mit einem ringspaltförmigen Kühlwasserkanal (13) angeflanscht ist.

2. Plasmachemischer Reaktor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das zylindrische Doppelmantelrohr (12) den gleichen Innendurchmesser wie der Reaktormantel aufweist.

3. Plasmachemischer Reaktor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß im Rohr (7) ein weiteres hochtemperaturbeständiges Rohr (19) angeordnet ist.

4. Plasmachemischer Reaktor nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Länge des Rohres (19) die Hälfte der Länge des Rohres (7) beträgt.