DE102005009324B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Dekontamination von Oberflächen - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Dekontamination von Bauwerken im oberflächennahen Bereich durch Bestrahlen der Oberfläche mit einem energiereichen Strahl, bei dem die Oberfläche aufgeschmolzen wird, dadurch gekennzeichnet,
dass die Schmelze und in der Schmelze befindlichen Feststoffe mit einem Gasstrahl ausgeblasen, werden wobei auf den Wirkungsbereich des Strahls ein Ausblasstrahl gerichtet ist,
und dass die erstarrende Schmelze mittels eine dem Wirkungsbereich des Strahls zugeordneten hochwirksamen Absaugeinrichtung abgesaugt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Dekontamination von Bauwerken und Anlagen im oberflächennahen Bereich (im Folgenden von Oberflächen) unter Verwendung eines energiereichen Strahls (im Folgenden Laser).
• Es ist bereits bekannt, mit Radionukliden kontaminierte Oberflächen durch Bestrahlung der Oberfläche mit einem energiereichen Strahl, insbesondere einem Laser, aber auch einem Lichtbogen zu dekontaminieren.
• Nach EP 0 091 646 B1 werden die Innenwände eines nuklearen Dampferzeugers mit einem Laser bestrahlt und die von der Oberfläche gelösten Kontaminationsstoffe abgesaugt.
• Gemäß DE 692 19 114 T2 wird die kontaminierte Oberfläche mit einem Laser aufgeschmolzen. Dabei werden die Kontaminationsstoffe in die Oberfläche eingeschmolzen, d. h. auf ihr fixiert. Zum sicheren Einschmelzen wird die Oberfläche mit einem gut schmelzbaren Material, wie z. B. Glas, beschichtet.
• Nach DE 694 09 066 T2 wird die Oberfläche von Beton auf eine Temperatur aufgeheizt, die unterhalb der Schmelztemperatur des Betons, liegt. Durch Dehydration (gegebenenfalls nach vorherigem Tränken mit Wasser) platzt die oberste Schicht ab. Dieses Verfahren wird kombiniert mit dem Auftragen einer oder zweier dünner Schichten zur Versiegelung bzw. dem mechanischen Verfestigen der abplatzenden kontaminierten Teile der Oberflächenschicht, um diese gefahrloser zu entsorgen.
• Die DE 696 10 190 T2 bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung von radioaktiv kontaminierten Abfällen. Mittels Laser und unter Zugabe vitrifizierender Feststoffe (Sand, Beton oder Aluminiumdioxid) erfolgt ein Einschmelzen der kontaminierten Abfälle in einem Bad oder nach vorherigem Zerkleinern der Abfälle in Kügelchen.
• Nach DE 695 09 236 T2 werden Oberflächenkontaminierungen, die in organische Stoffe (Farbe, Epoxidharz, Dichtungsmaterial usw.) eingebettet sind, bei schonender Behandlung des Festkörpers mittels Laser oberflächlich verbrannt oder anderweitig chemisch umgewandelt. Die Asche bzw. die Reaktionsprodukte werden abgeblasen und vor Ort abgesaugt. Laserkopf, Gebläseaustritt und Absaugeinlass sind am Arm eines mobilen Trägers montiert.
• Aufgabe der Erfindung ist es, eine weitere Lösung zur möglichst gefahrlosen Dekontamination von Oberflächen anzugeben.
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe insbesondere durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 4 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen beinhalten die Merkmale der Patentansprüche 2 bis 3 und 5 bis 10.
• Die kontaminierte Oberfläche wird bis zu einer Tiefe von etwa 10 mm aufgeschmolzen. Die Schmelze und in der Schmelze befindlichen Feststoffe werden möglichst vollständig ausgeblasen und abgesaugt. Durch unmittelbar anschließendes Abkühlen der Tröpfchen bzw. Spritzer werden die kontaminierten Produkte fest eingeschlossen. Auch die mengenmäßig geringen gasförmigen Produkte, die im Prozess entstehen, werden abgekühlt und abgefiltert und können zusammen mit den Schmelzpartikeln weitgehend gefahrlos entsorgt werden. Dekontamination und Abproduktkonditionierung vollziehen sich nahezu gleichzeitig und vor Ort.
• Es können verschiedene Stoffe dekontaminiert werden, vorzugsweise Beton (quarzitisch, calcitisch oder deren Mischungen), aber auch Sedimente, Putz oder andere anorganisch nichtmetallische Stoffe.
• Zur Erzeugung des energiereichen Strahls stehen CO₂-, Nd:YAG- oder Hochleistungsdioden-Laser mit Leistungen von mehr als 1000 W zur Verfügung.
• Das unmittelbare Ausblasen und Absaugen der Schmelze erfordert den Einsatz hochwirksamer strömungstechnischer Mittel, einmal um die Schmelze zu lösen und zum anderen, um sie möglichst vollständig zu erfassen. In den Erprobungen haben sich für das Gebläse Laval-Ring-Düsen, zum Absaugen Coanda-Düsen und zum Abkühlen bzw. Kondensieren ein Ranque-Hilsch-Rohr bewährt.
• Beide Düsen werden vorzugsweise in Bezug auf den Schmelzbereich etwa diametral gegenüberliegend angeordnet.
• Zur Erhöhung bzw. Herstellung der Schmelzfähigkeit können dem Gasstrahl vitrifizierbare Feststoffe, wie Glaspulver, Sand oder oder andere oxidische Pulver zugegeben werden. Ebenso ist eine vorherige Beschichtung der Oberfläche mit diesen Additiven möglich.
• Alle Vorrichtungsteile können auf einer verfahrbaren Robotereinheit mit Fernsteuerung angeordnet werden.
• Weitere Ausgestaltungen enthalten die Unteransprüche und Ausführungsbeispiele.
• Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen gezeigt. In den Zeichnungen zeigen
• 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
• 2 einen Schnitt durch die Absaugdüse 5 gemäß 1,
• 3 einen Schnitt durch eine Coanda-Absaugdüse 5;
• 4 die Seitenansicht von 3,
• 5 einen Längsschnitt durch die Kältefalle 10 gemäß 1,
• 6 einen Querschnitt von 5.
• Ein mittels Laser 1 erzeugter Laserstrahl 2 ist etwa senkrecht auf die kontaminierte Oberfläche einer zu dekontaminierenden Betonwand 6 gerichtet. Im Wirkungsbereich 7 des Laserstrahls 2 schmilzt der Beton auf.
• Auf der einen Seite des Wirkungsbereichs 7 ist etwa parallel zur Betonoberfläche 6 eine Absaugeinrichtung mit Absaugdüse 5 angeordnet. Dieser nachgeordnet sind eine Kältefalle 10 und ein Filter 9.
• Auf der anderen Seite des Wirkungsbereichs 7 sind eine Ausblasdüse 3 und eine Ablenkdüse 4 vorgesehen. Die Ausblasdüse 3 ist unter einem Winkel von ca. 30° zur Betonoberfläche angeordnet. Die Ablenkdüse liegt etwa parallel zur Oberfläche. In der resultierenden Wirkungsrichtung von Ausblasdüse 3, Ablenkdüse 4 und Saugdüse 5 werden Schmelzetropfen 8 in die Absaugeinrichtung transportiert. Gasförmige Produkte werden mitgeführt und in der Kältefalle 10 kondensiert.
• Bei Versuchen mit einem fasergeführten Hochleistungsdiodenlaser (eingestellte Leistung 1,5 kW) wurde Beton mit calcitischen und quarzitischen Zuschlagstoffen mit einer Intensität des Laserstrahls im Wirkungsbereich von 1,2 kW/cm² bestrahlt.
• Der Luftdruck der Ausblasdüse 3 betrug etwa 5 bar. Die Absaugdüse 5 hatte einen Durchmesser von etwa 60 mm. Die Strömungsgeschwindigkeit in der Absaugeinrichtung betrug ca. 1 m/s.
• Bei einer Bearbeitungsgeschwindigkeit von etwa 5 mm/s wurde eine Abtragtiefe von ca. 5 mm gemessen.
• Die in 1 gezeichnete Absaugdüse 5 ist in 2 im Querschnitt gezeigt. Im oberen Teil ist eine Öffnung 11 für den Laserstrahl 2 vorgesehen. Die Absaugdüse 5 kann dadurch sehr dicht an die Schmelze 7 herangeführt werden.
• An Stelle der Absaugdüse 5 kann auch eine Coandadüse, wie sie in den 3 und 4 schematisch dargestellt ist, verwendet werden. Der Treibgaseintritt 12 erfolgt von oben. Das Gas strömt durch einen schmalen Spalt um eine Rundung, legt sich an dieser an und reißt dabei die Schmelzetröpfchen mit. Der Vorzug dieser Ausgestaltung liegt in der hohen Strömungsgeschwindigkeit, die mit der Coanda-Düse erreicht werden kann.
• In den 5 und 6 ist eine Kältefalle schematisch dargestellt. Der mit Pfeilen gekennzeichnete Abgasstrom durchströmt einen zylindrischen Mantel. Dieser ist mit einem Kühlkörper 14 umgeben. Als Wärmetauscher sind Gitterstäbe 15 im Inneren des Mantels angeordnet. Sie sind thermisch mit dem Kühlkörper 14 verbunden.

1

Laseroptik

2

Laserstrahl

3

Ausblasdüse

4

Ablenkdüse (optional)

5

Absaugdüse

6

zu dekontaminierende Wand

7

Schmelze

8

abgesaugte Schmelzetropfen

9

Filter

10

Kältefalle

11

Öffnung für Laserstrahl

12

Treibgaseintritt

13

Abgasstromaustritt

14

Kühlkörper

15

Kühlrippen

Claims (10)

1. Verfahren zur Dekontamination von Bauwerken im oberflächennahen Bereich durch Bestrahlen der Oberfläche mit einem energiereichen Strahl, bei dem die Oberfläche aufgeschmolzen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze und in der Schmelze befindlichen Feststoffe mit einem Gasstrahl ausgeblasen, werden wobei auf den Wirkungsbereich des Strahls ein Ausblasstrahl gerichtet ist, und dass die erstarrende Schmelze mittels eine dem Wirkungsbereich des Strahls zugeordneten hochwirksamen Absaugeinrichtung abgesaugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass dem Gasstrahl gut schmelzbare Additive in Pulverform zugefügt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Oberfläche vor dem Dekontaminieren mit gut schmelzbaren Additiven beschichtet wird.
4. Vorrichtung zur Dekontamination von Bauwerken im oberflächennahen Bereich durch Bestrahlen der Oberflächen mit einem energiereichen Strahl (2), gekennzeichnet dadurch, dass auf den Wirkungsbereich (7) des Strahls (2) ein Ausblasstrahl mit Ausblasdüse (3) gerichtet ist, und dass dem Wirkungsbereich (7) des Strahls (2) auf der Oberfläche eine hochwirksame Absaugeinrichtung mit Absaugdüse (5) und Kältefalle (10) zugeordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, dass die Absaugdüse (5) eine Coandadüse ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, dass in der Absaugeinrichtung nach der Kältefalle (10) ein Filter (9) vorgesehen ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, dass der Ausblasstrahl unter einem spitzen Winkel zur Oberfläche angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, dass zur Bündelung des Ausblasstrahls eine Laval-Ring-Düse (3) vorgesehen ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, gekennzeichnet dadurch, dass sich Absaugdüse (5) und Ausblasdüse (3), ausgehend vom Wirkungsbereich (7) des Strahls (2) auf der Oberfläche, etwa diametral gegenüber liegen.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüchen 4 bis 8, gekennzeichnet dadurch, dass zur Unterstützung des Ausblasstrahls in Richtung Absaugdüse (5) ein etwa parallel zur Oberfläche gerichteter Ablenkstrahl (4) vorgesehen ist.