DE10133056A1

DE10133056A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Einschmelzen und/oder Verglasen von Filterstäuben

Info

Publication number: DE10133056A1
Application number: DE10133056A
Authority: DE
Inventors: Johannes Vetter; Heinz-Dieter Forjahn
Original assignee: Messer Griesheim GmbH
Current assignee: Air Liquide Deutschland GmbH
Priority date: 2001-07-07
Filing date: 2001-07-07
Publication date: 2003-01-23
Anticipated expiration: 2021-07-08
Also published as: WO2003006906A1; DE10133056B4; US20070277556A1; EP1407209A1

Abstract

Beim Einschmelzen von feinen Filterstäuben in konventionellen Tiegel- und Induktionsöfen kommt es zu hohen Wiederverstaubungen. Eine Verpressung der Stäube ist mit hohem Aufwand verbunden und nicht immer möglich. DOLLAR A Erfindungsgemäß werden die Filterstäube vor der Zugabeöffnung eines mit einer Brennkammer thermisch verbundenen Schmelzaggregats in einem staubdichten Kopfraum aufgefangen. Im Kopfraum sinken die Staubteilchen unter der Wirkung der Schwerkraft in das Schmelzaggregat und werden dort aufgeschmolzen. Der Vorgang kann durch Erzeugen eines zusätzlichen Druckgefälles längs des Schmelzaggregats unterstützt werden. Ein Austragen von Staub wird weitgehend vermieden. Das Verfahren eignet sich auch zur Verglasung von insbesondere kontaminierten Stäuben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Einschmelzen von Filterstäuben.
Um das Volumen von als Filterstaub anfallenden Abfallstoffen zu vermindern, ist es zweckmäßig, die Filterstäube aufzuschmelzen. Beim Aufschmelzen werden die zwischen den einzelnen Staubpartikeln vorhandenen Zwischenräume entfernt und das Gesamtvolumen somit deutlich reduziert. Zudem ist die Schmelze, insbesondere von kontaminierten Filterstäuben, leichter zu handhaben als die Stäube selbst. Beim Einschmelzen von feinen Filterstäuben in konventionellen Tiegel- oder Induktionsöfen kommt es jedoch zu einer hohen Wiederverstaubung. Aus diesem Grunde müssen die Filterstäube vor dem Schmelzvorgang in aufwendiger Weise verpresst werden. Eine solche Verpressung ist jedoch in vielen Fällen nicht möglich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Möglichkeit zum Einschmelzen von Filterstäuben zu schaffen, bei der der unbeabsichtigte Austritt von Filterstaub weitgehend vermieden wird.
Gelöst ist diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Einschmelzen und/oder Verglasen von Filterstäuben mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Einschmelzen von Filterstäuben mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6.

Die Erfindung macht vom Aufbauprinzip einer aus der WO 97/05440 bekannten Vorrichtung zum Einschmelzen von Glas Gebrauch. Diese Vorrichtung umfasst ein Schmelzaggregat in Form einer Röhre, die mit einem gasdichten und feuerfesten Mantel versehen ist. Das - üblicherweise keramische - Material, aus dem der Mantel der Röhre gefertigt ist, bestimmt sich je nach dem einzuschmelzenden Rohmaterial, und ist derart gewählt, dass Reaktionen zwischen dem Mantelmaterial und dem einzuschmelzenden Rohmaterial auf ein Minimum reduziert werden. Die Röhre weist in ihrer oberen Stirnseite eine Zugabeöffnung auf, in der das Rohmaterial zugegeben wird. In einem unteren Bereich ist eine Austrittsöffnung zum Abführen der Schmelze vorgesehen. Das vorbekannte Schmelzaggregat ist konzentrisch in einem isolierten Stahlbehälter aufgenommen. Der ringförmige Zwischenraum zwischen der Isolierung des Behälters und der Keramikröhre bildet den Verbrennungsraum, in dem die für den Schmelzprozess erforderliche Hitze durch Verbrennen eines Gases, bevorzugt Erdgas, erzeugt wird. Das einzuschmelzende Material wird somit indirekt befeuert. Die beim Verbrennungsprozess entstehenden Abgase werden über eine vom Verbrennungsraum abgehende Abgasleitung abgeführt und kommen nicht mit der Schmelze oder dem Rohmaterial in Berührung.

Bei Glasschmelzöfen besteht in der Regel nicht das Problem einer Verstaubung der Umgebung durch das einzuschmelzende Material. Für die Erfindung ist jedoch die strenge Trennung von Schmelzbereich und Verbrennungsbereich, die kennzeichnend für den vorgenannten Gegenstand ist, besonders vorteilhaft, weil das einzuschmelzende Material stets vom Verbrennungsraum abgetrennt ist. Eine Kontamination der Verbrennungsabgase durch die einzuschmelzenden Filterstäube wird so zuverlässig vermieden. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist zudem der Zugabeöffnung des im wesentlichen vertikal angeordneten Schmelzaggregats ein staubdicht abschließbarer Kopfraum aufgesetzt, in den die einzuschmelzenden staubförmigen Zugabestoffe eingeführt werden. Unter der Wirkung der Schwerkraft sinken die Staubteilchen allmählich in das Schmelzaggregat hinein und werden aufgeschmolzen. Die Schmelze sinkt allmählich in den unteren Bereich des Schmelzaggregats, bis sie an der Austrittsöffnung abgelassen wird. Auch leichte Staubteilchen sinken nach einer gewissen Zeitdauer in das Schmelzaggregat und treten nicht in die Umgebungsatmosphäre ein.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, das Schmelzaggregat konisch auszubilden, wobei sich das Schmelzaggregat zur Austrittsöffnung hin verjüngt. Diese Ausführungsform ist insbesondere deshalb empfehlenswert, weil das Volumen der zugegebenen Teilchen mit zunehmender Aufschmelzung verkleinert.

Um die Kapazität der Vorrichtung zu erhöhen, ist es zweckmäßig, den Kopfraum konisch oder trichterförmig auszugestalten, wobei er sich zur Zugabeöffnung hin verjüngt. Hierdurch kann eine größere Menge an zu verschmelzenden Material aufgenommen werden.

Um das Eindringen von Staub aus dem Kopfraum in den Umgebungsbereich zuverlässig zu unterbinden und um einen kontinuierlichen Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, dem Kopfraum eine Schleusenanordnung vorzuschalten, durch die die staubförmigen Zusatzstoffe eingeführt werden. Bei dieser Schleusenanordnung kann es sich beispielsweise um eine entsprechend abgedichtete Schnecke handeln. Eine besonders zuverlässig abdichtende und daher bevorzugte Schleusenanordnung ist eine Zellenradschleuse.

Die Aufgabe der Erfindung wird auch mit einem Verfahren zum Einschmelzen von Filterstäuben mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden also staubförmige Zugabestoffe, die einem Schmelzaggregat zugeführt und durch Wärmeeinwirkung einer mit dem Schmelzaggregat thermisch verbundenen Heizeinrichtung aufgeschmolzen werden, vor dem Aufschmelzen einem dem Schmelzaggregat aufgesetzten staubdichten Kopfraum zugeführt, in dem sich die staubförmigen Zusatzstoffe sammeln und unter der Wirkung der Schwerkraft schließlich in das Schmelzaggregat hinein absinken.

Vorteilhafterweise werden die Zugabestoffe im Kopfraum dabei mit einem Druck beaufschlagt, der größer ist als der Umgebungsdruck an der Austrittsöffnung des Schmelzaggregats. Längs des Schmelzaggregats besteht so ein Druckgefälle, das den durch die Schwerkraft verursachten Vorgang des Absinkens und Verdichtens der Teilchen zusätzlich unterstützt. Der Überdruck kann dabei auf mechanischem Wege, etwa durch eine in dem Kopfraum eingebauten Presse oder durch Zuführung eines Gases unter Druck in den Kopfraum aufgebaut werden. Typische Druckwerte liegen dabei zwischen etwa 100 mbar und einigen bar.

Um unerwünschte chemische Reaktionen zu vermeiden, erweist es sich als vorteilhaft, den Kopfraum vor oder während der Zugabe der Zugabestoffe mit einem Inertgas, beispielsweise Stickstoff zu befüllen. Das Inertgas kann auch zum Aufbau des vorgenannten Überdrucks im Kopfraum eingesetzt werden.

Besonders vorteilhaft ist die gleichzeitige Zugabe von Glasbildnern, beispielsweise SiO₂, in den Kopfraum. Der - zweckmäßigerweise gleichfalls Form kleiner Partikel eingebrauchte - Glasbildner vermischt sich mit den staubförmigen Zugabestoffen. Nach Erstarren der Schmelze entsteht ein Glas, in das die Zugabestoffe eingeschlossen sind. Diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist besonders vorteilhaft für die Entsorgung kontaminierter Filterstäuben.

Anhand der Zeichnung soll nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden. Die einzige Zeichnung (Fig. 1) zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Einschmelzen und/oder Verglasen von Filterstäuben im Querschnitt.
Der in Fig. 1 dargestellte Schmelzofen 1 umfasst ein im wesentlichen rohrförmiges, vertikal betriebenes Schmelzaggregat 2, das konzentrisch im Innern einer im wesentlichen zylinderförmigen Brennkammer 3 aufgenommen ist. An seiner oberen Stirnseite ist das Schmelzaggregat 2 mit einer Zugabeöffnung 4 zum Zuführen von zu schmelzendem Rohmaterial versehen. Der Zugabeöffnung 4 ist ein trichterförmiger Kopfraum 5 zum Aufnehmen der zu schmelzenden staubförmigen Zusatzstoffe vorgesetzt. Der Kopfraum 5 ist staub- und druckdicht gegenüber der Umgebungsatmosphäre abgeschlossen. Aus dem Kopfraum 5 werden laufend neue Zugabestoffe in das Schmelzaggregat 2 zugeführt, ohne dass die thermischen oder chemischen Verhältnisse innerhalb des Schmelzaggregats 2 durch eindringende Außenluft u. dergl. nachhaltig gestört werden.
An ihrem unteren Abschnitt weist das Schmelzaggregat 2 eine Austrittsöffnung 6 zum Ablassen der im Schmelzaggregat 2 entstehenden Schmelze auf. An der Austrittsöffnung 6 ist eine Austrittsdüse 8 aus einem gut wärmeleitfähigen und chemisch reaktionsträgen Material, wie etwa Platin, angeordnet, die mit einer Heizeinrichtung 7 thermisch verbunden ist. Durch Heizen der Austrittsdüse 8 kann sichergestellt werden, dass sich das innerhalb der Austrittsdüse 8 befindliche Material im geschmolzenem, also fließfähigen Zustand befindet.
Die Wandung 9 des Schmelzaggregats 2 besteht aus einem hitzebeständigen und gasdichten, beispielsweise keramischen oder metallischen Material. Das dabei eingesetzte Material bestimmt sich nach der Art und der Zusammensetzung des einzuschmelzenden Stoffe. Insbesondere soll das Material der Wandung 9 so beschaffen sein, dass es mit der im Innern des Schmelzaggregats 2 entstehenden Schmelze möglichst keine Reaktion eingeht.
Durch die mit einer Isolierschicht 10 versehene Wandung 11 der Brennkammer 3 ist eine Brennstoffzuführung 12 für gasförmigen Brennstoff, beispielsweise Erdgas, sowie eine Vielzahl von Injektionsdüsen 13 für Sauerstoff hindurchgeführt. Die Injektionsdüsen 13 sind ringsum in gleichmäßigen Winkelabständen und in mehreren Reihen übereinander beabstandet angeordnet. Zum Ableiten des bei der Verbrennung entstehenden Abgases ist eine Gasableitung 14 vorgesehen. Der durch die Brennstoffzuführung 12 eingeleitete Brennstoff wird mit dem durch die Injektionsdüsen 13 zugegebenen Sauerstoff verbrannt. Die aus den Injektionsdüsen 13 einer Reihe zugeführte Sauerstoffmenge ist dabei jeweils separat einstellbar, wobei insgesamt eine den stöchiometrischen Verhältnissen entsprechende Sauerstoffmenge zugeführt wird. Diese Vorgehensweise ermöglicht die Einstellung eines für den Schmelzprozess vorteilhaften Temperaturprofils über die Höhe des Schmelzaggregats 2.
Beim Betrieb des Schmelzofens 1 werden die zum Einschmelzen und/oder Verglasen bestimmten staubförmigen Zugabestoffe über die Zuleitung 15 und einer Schleusenanordnung 14 den Kopfraum 5 zugeführt. Bei der Schleusenanordnung 16 handelt es sich bevorzugt um eine Zellenradschleuse, die sehr gut abzudichten ist. Ist die Verglasung der staubförmigen Zugabestoffe beabsichtigt, wird zusätzlich ein Glasbildner zugegeben, entweder gleichfalls über die Zuleitung 15 oder über eine hier nicht gezeigte separate, mit einer staubdichten Schleuse versehenen Öffnung. Die in den Kopfraum 5 eingeführten staubförmigen Zugabestoffe sinken nach einer gewissen Zeit zur Zugabeöffnung 4 und gelangen so in das Schmelzaggregat 2, in dem sie durch die in der Brennkammer 3erzeugte Wärme bis zur Höhe eines Schmelzspiegels 17 aufgeschmolzen werden. Oberhalb des Schmelzspiegels liegen die Zugabestoffe noch in fester Form, d. h. staubförmig vor. Der staubdichte Abschluss des Kopfraumes sowie die räumliche Trennung des Schmelzbereiches im Schmelzaggregat 2 von der Brennkammer 3 verhindern das unbeabsichtigte Austreten von Stäuben aus der Vorrichtung 1. Um den Aufschmelzungsprozess zu beschleunigen, steht der Kopfraum 4 über die Druckleitung 18 mit einem Druckgasvorrat für ein Inertgas, beispielsweise Stickstoff, in Strömungsverbindung. Durch Einleiten des unter Druck stehenden Inertgases wird im Innern des Kopfraums 4 ein Überdruck gegenüber dem Umgebungsdruck erzeugt. Es besteht somit längs des Schmelzaggregats 2 ein zusätzliches Druckgefälle von 100 bis 3000 mbar, das zum einen die noch festen Staubteilchen zusammenpresst, zum anderen die Geschwindigkeit beim Durchgang der aufzuschmelzenden Zugabestoffe durch das Schmelzaggregat 2 erhöht. Die aufgeschmolzenen Zugabestoffe treten an der Austrittsdüse 6 in flüssiger Form aus, wobei die Heizeinrichtung 7 eine vorzeitige Verfestigung im Innern der Austrittsdüse verhindert. Das aufgeschmolzene Material weist nach seiner Verfestigung ein erheblich geringeres Volumen als das Volumen seiner Staubform auf und kann leichter entsorgt oder einer Weiterverwertung zugeführt werden. Wurden den staubförmigen Zugabestoffen Glasbildner beigemischt, entsteht nach der Verfestigung der Schmelze ein Glas, in dem die Zugabestoffe eingeschlossen sind.
Der Schmelzofen 1 ist kompakt und flexibel einsetzbar und zeichnet sich gegenüber konventionellen Tiegelöfen durch eine hohe Wirtschaftlichkeit aus. Durch die Trennung von Schmelz- und Verbrennungsraum kann für die Isolierschicht 10 der Brennkammer 3 eine einfache und preiswerte Isoliermasse gewählt werden. Da auch das Abgas aus der Brennkammer 3 nicht mit der Schmelze im Schmelzaggregat 2 in Berührung kommt, besteht es - bei Verbrennung von Erdgas - zu annähernd 100% aus Kohlendioxid und Wasserdampf. Der Schmelzofen 1 kann sowohl kontinuierlich als auch im Batch - Betrieb eingesetzt werden. Bezugszeichenliste 1 Schmelzofen
2 Schmelzaggregat
3 Brennkammer
4 Zugabeöffnung
5 Kopfraum
6 Austrittsöffnung
7 Heizeinrichtung
8 Austrittsdüse
9 Wandung (des Schmelzaggregats)
10 Isolierschicht
11 Wandung (der Brennkammer)
12 Brennstoffzuführung
13 Injektionsdüse
14 Gasableitung
15 Zuleitung
16 Schleusenanordnung
17 Schmelzspiegel
18 Druckleitung

Claims

1. Vorrichtung zum Einschmelzen und/oder Verglasen von Filterstäuben, bei dem ein mit einem Verbrennungsraum (3) thermisch verbundenes Schmelzaggregat (2) mit einer Zugabeöffnung (4) zum Zuführen von zu schmelzenden Teilen sowie mit einer Austrittsöffnung (6) für geschmolzenes Material versehen ist, wobei dem im wesentlichen vertikal angeordnete Schmelzaggregat (2) ein sich an die Zugabeöffnung (4) anschließender, gegenüber der Außenatmosphäre staubdicht abschließbarer Kopfraum (5) aufgesetzt ist.

2. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmelzaggregat (2) konisch, sich zur Austrittsöffnung hin verjüngend, ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopfraum (5) konisch oder trichterförmig, dabei sich zur Zugabeöffnung (4) hin verjüngend, ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kopfraum (5) eine Schleusenanordnung (16) vorgeschaltet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Schleusenanordnung (16) eine Zellenradschleuse vorgesehen ist.

6. Verfahren zum Einschmelzen von Filterstäuben, bei dem staubförmige Zugabestoffe einem Schmelzaggregat (2) zugeführt, durch Wärmeeinwirkung eines mit dem Schmelzaggregat (2) thermisch verbundenen Heizeinrichtung, etwa ein Verbrennungsraum (3) oder einer elektrischen Heizeinrichtung, aufgeschmolzen und in flüssiger Form einer Austrittsöffnung (6) zwecks Weiterverarbeitung zugeführt wird, wobei die staubförmigen Zugabestoffe vor dem Aufschmelzen im Schmelzaggregat (2) einem auf das Schmelzaggregat (2) aufgesetzten staubdichten Kopfraum (5) zugeführt werden, aus welchem sie unter der Wirkung der Schwerkraft in das Schmelzaggregat (2) absinken.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabestoffe im Kopfraum (5) mit einem gegenüber dem Umgebungsdruck an der Austrittsöffnung (6) erhöhten Druck beaufschlagt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass vor und/oder während der Zuführung der staubförmigen Zugabestoffe der Kopfraum (5) mit einem Inertgas, beispielsweise Stickstoff, befüllt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kopfraum (5) zwecks Verglasung der Zugabestoffe Glasbildner, beispielsweise SiO₂ zugegeben werden wird.