DE19625539A1 - Verfahren zur thermischen Behandlung von Stoffen in einem Plasmaofen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen Behandlung von Stoffen in einem Plasmaofen mit mindestens einem tiegel- oder rohrförmigen Innenteil und mindestens einem Plasmabrenner oder einer Lichtbogenelektrodenanord­ nung.

Die Erfindung ist anwendbar für die stoffliche Umsetzung, Trennung oder Vernichtung von festen, flüssigen oder gasförmigen Stoffen unterschiedlicher Zusammensetzung, insbesondere solcher, die vergasbare, schmelzbare oder schwer schmelzbare Komponenten in unterschiedlichen Anteilen enthalten und mittels einer thermischen Behandlung selektiert, umgewandelt und/oder unschädlich gemacht werden können. Die Erfindung findet besonders Anwen­ dung im Bereich der Abfallwirtschaft, der Wertstoffaufarbeitung, der Sekundär­ rohstoffgewinnung, der Altlastensanierung und in Forschungs- und Industriebe­ reichen, in denen Mehrstoffsysteme zu thermischen Trennung, Umwandlung Zersetzung oder Vernichtung anstehen.

Es sind Verfahren bekannt, bei denen gasförmige, feste oder flüssige Stoffe in den Wirkungsbereich des Plasmastrahles eines Plasmabrenners mit nicht übertragenem Bogen eingebracht werden und sich in Abströmrichtung des Plasmas mit abnehmender Plasmatemperatur aufheizen (DE OS 39 22 383, EP 0 289 422, DE 34 24 710 A1). Diese Verfahren weisen den Nachteil auf, daß Feststoffpartikel oberhalb einer bestimmten Korngröße wegen zu geringer Verweildauer überhaupt nicht auf das erforderliche Energieniveau gebracht werden können. Außerdem weisen derartige Plasmabrenner prinzipiell einen verminderten energetischen Wirkungsgrad auf und benötigen hohe Zusatzgas­ mengen, um die notwendige Energie des Plasmalichtbogens in den Plasma­ strahl zu übertragen und um die kinetische Energie für das Einbringen der Teilchen in den Plasmastrahl aufzubringen.

Das abströmende Plasma solcher Plasmaerzeuger ist nicht mehr stromdurch­ flossen. Es weist wegen fehlender Pinchkräfte eine verminderte Eigensteifigkeit sowie starke Turbulenzen in den Randbereichen auf, wodurch es zu starker Durchmischung mit der angrenzenden Kaltgasschicht kommt. Die auf den zu behandelnden Stoff übertragenen Kräfte beziehen sich im Wesentlichen auf die Volumenexpansion des eingesetzten Plasmagases, was eine Einflußnahme auf größere Teilchen begrenzt.

Die bezeichneten Nachteile führen zu einer energetischen Überdimen­ sionierung der Anlagentechnik mit den daraus ableitbaren negativen wirtschaft­ lichen Folgen und schränken diese Verfahren auf feste und flüssige Einsatz­ stoffen mit kleinen Teilchengrößen ein. Das Anwendungsgebiet der genannten Anlagen-Anordnungen erstreckt sich daher hauptsächlich auf das Plasmasprit­ zen und das Sphärodisieren kleiner Teilchen im µm-Bereich.

Die technischen Ursachen dieser Mängel sind darin begründet, daß für den Stofftransport der zu behandelnden Stoffkomponenten und den Energietrans­ port auf diese Komponenten stets zusätzliche Mittel erforderlich sind, die zu zusätzlichen energetischen Verlusten führen. Weiterhin besteht keine direkte Kopplung zwischen dem energiespeisenden Plasmalichtbogen und dem zu erhitzenden Stoffteilchen.

Es sind weiterhin Verfahren bekannt, bei denen in relativ großvolumigen, häufig schlecht wärmeisolierten Ofengefäßen Lichtbögen oder Plasmabögen in übertragener oder nicht übertragener Weise betrieben werden und Feststoffe oder Flüssigkeiten in dieses Gefäß zur Behandlung eingebracht werden. Für diese Verfahren ist charakteristisch, daß der Energieeintrag im wesentlichen räumlich eng begrenzt auf die Oberfläche der eingebrachten Stoffe erfolgt, was eine gleichmäßige Erhitzung aller Stoffanteile regelmäßig ausschließt. Ein Wärmeaustausch zwischen verdampftem Stoff und der bestehenden großvolu­ migen Gasphase entsteht hauptsächlich durch turbulente Durchmischung der abströmenden Plasma- und Gasphase. Zusätzlich sind diese Verfahren zur Vermeidung lokaler Überhitzungen häufig durch Bewegungsmechanismen, wie schwenkbare oder rotierende Plasmaanordnungen, rotierende Ofenanordnung (EP 0 216 395 A2, EP 098 538 A2, EP 0 290 815 A1, OS 2 207 048, GB 1529 526) oder hohe zusätzliche Plasmagasmengen (FR 2630529) charakterisiert. Hierdurch sind erhöhte technische Aufwendungen notwendig. Außerdem wird auf diese Weise die Anlagenzuverlässigkeit und die Lebensdauer herabge­ setzt.

Es erweist sich hierbei als Nachteil, daß das örtlich auf den Feststoff oder die Flüssigkeiten ausgerichtete Plasmavolumen nur eng begrenzt wirksam ist und ein erhebliches Temperaturgefälle außerhalb der eigentlichen Plasmazone und damit großflächige unbehandelte Bereiche zuläßt. Dadurch wird der zu behan­ delnde Stoff und die sich entwicklende abströmende Gasphase nicht über eine gleichmäßige Verweildauer auf dem erforderlichen Energieniveau gehalten oder das Energieniveau kann nur durch ein Energieüberangebot und hocher­ hitzte Zusatzgasmengen aufrecht erhalten werden.

Die bezeichneten Nachteile führen zur energetischen und räumlichen Überdi­ mensionierung der Anlagentechnik, zu aufwendigen Zusatzausrüstungen und zu erhöhtem Energiebedarf beim Betrieb.

Die technischen Ursachen dieser Mängel sind darin begründet, daß der Ener­ gietransport lokal begrenzt und unabhängig vom Stofffluß auf einen geringen Anteil der Oberfläche von festen oder flüssigen Einsatzstoffen ausgerichtet ist und damit die lokale Verweildauer bezogen auf die eingebrachte Stoffmenge sehr gering ist und daß wegen des Fehlens eines gleichgerichteten Stoff- und Energieflusses ein zufälliger Energieaustausch zwischen dem kalten Einsatz­ stoff und der überhitzenden Gasphase nicht unterbunden wird.

Weiterhin sind Verfahren bekannt, bei denen durch die Anwendung magneti­ scher Felder eine flächenhafte Ausbildung einer Plasmaschicht erzielt werden kann (DD 2 67 989, GB 992 371), jedoch ist deren Anwendbarkeit lediglich auf gasförmige oder sehr feinkörnige Stoffe eingeschränkt, da die Verweildauer der Stoffe auf die Durchtrittszeit durch den Plasmaschleier beschränkt und diese zu kurz ist, um eine ausreichende Aufheizung größerer Teilchen zu bewirken. Ursache hierfür ist, daß die kinetische Energie des eingebrachten Stoffes wesentlich von Parametern außerhalb des Lichtbogenschleiers beeinflußt wird. Außerdem werden die den Lichtbogenschleier verursachenden Komponenten keiner gezielten Beeinflussung unterzogen, was eine gezielte Beeinflussung von Stoffteilchen mit definierten Eigenschaften wie Dichte und Größe aus­ schließt.

In der Lösung nach GB 992 371 erweist sich außerdem als nachteilig, daß die Gewährleistung einer ausreichenden Verweildauer der Gasphase nach Passie­ ren der Plasmazone durch das zwangsläufige Tangieren großflächiger intensiv gekühlter Elektroden- und Wandbereiche erheblich eingeschränkt wird. Dies hat zur Folge, daß dem Prozeß die im abströmenden Plasmavolumen gespei­ cherte Energie entzogen wird und damit weder zum Transport des Stoffes als kinetische Energie noch zu dessen Aufheizung zur Verfügung steht. Die bezeichneten Nachteile führen zu einer Einschränkung der Anwendbarkeit der Verfahren und bedingen erhebliche energetische Verluste.

Die technischen Ursachen dieser Mängel sind darin begründet, daß der Stoff­ fluß nicht einer gerichteten Beziehung zu den einzelnen Komponenten des Plasmalichtbogens und auch nicht hauptsächlich dessen Kraftwirkungen folgt, und/oder daß dem Stoff und dem abströmenden Plasma im Wirkungsbereich engen energetischen Austausches sowohl thermische als auch kinetische Energie und damit die Möglichkeit einer Beeinflussung durch steuerbare Kenngrößen entzogen wird.

In ähnlicher Weise wird nach der US 5 399 829 versucht, im Grenzbereich zweier zylindrischer Lichtbogenelektroden vermittels eines kreisförmig umlau­ fenden bewegten, radial ausgerichteten Lichtbogens eine Plasmaschicht zu erzeugen, Abfallstoffe durch eine innere Elektrode einzubringen, gasförmige Stoffe durch den Plasmaschleier hindurchzuführen und feste bzw. flüssige Stoffe in eine weitere Richtung abzuführen. Bei diesem Verfahren lassen sich zwar intensiv gekühlte Flächen und damit erhöhte Wärmeverluste vermeiden, es erweist sich jedoch als Nachteil, daß die bevorzugt radiale Lichtbogenaus­ breitung hauptsächlich einen Energieeintrag in die abströmende Gasphase bewirkt, die sich im Bereich unter der Lichtbogenanordnung ausbildende flüssige und feste Phase nur über Wärmstrahlung oder indirekte Wärmeleitung in den thermischen Behandlungsprozeß einbezogen wird. Dies hat zur Folge, daß wegen der ungünstigen Wärmeübertragungsmechanismen und des dadurch begrenzten Leistungseintrages in die Feststoffe nur hinreichend kleine Partikel unmittelbar thermisch behandelt werden, größere Partikel sammeln sich zu einer Schicht, begrenzen den Feststoffdurchsatz und bewirken damit eine Disproportion des Energieeintrages zwischen Feststoffphase und Gaspha­ se. In einer Ausführungsvariante wird daher versucht, durch mechanische Bewegung (Rotation) des die Feststoffe aufnehmenden Gefäßes einen besse­ ren Wärmeübergang zu erzielen, was die bereits weiter oben beschriebenen Nachteile in sich birgt.

Die technischen Ursachen dieser Mängel sind dadurch begründet, daß die Art der Ausbildung eines Plasmaschleiers einseitig auf die entstehende Gasphase ausgerichtet ist, nicht jedoch auf das zugeführte Gesamtstoffsystem, und ungünstige Wärmeübergangsbedingungen für die Feststoffe bestehen, was zur Folge hat, daß bei größeren Partikeln der Massendurchsatz begrenzt ist, das Verfahren dadurch teilweise in seinem Anwendungsbereich beschränkt ist, oder eine erhöhter Anteil von Verlustenergie durch die Gasphase oder durch lokale Verluste abgeführt wird.

Ziel der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur thermischen Behandlung von Stoffen in einem Plasmaofen zu schaffen, das die bezeichneten ökonomischen Nachteile vermeidet und bei einem erweiterten Anwendungsbereich verringerte Betriebskosten und einen verminderten Realisierungsaufwand aufweist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur thermischen Behandlung von Stoffen in einem Plasmaofen zu entwickeln, welches eine lokal räumlich eng begrenzte Energiezufuhr auf den zu behandlenden Stoff und die dadurch bedingte lokale Überhitzung vermeidet und eine durch den Plas­ malichtbogen selbst bedingte verlängerte und durch die ihn beeinflussenden physikalischen Einflußgrößen steuerbare Verweildauer und dadurch einen besseren Wärmeübergang ermöglicht.

Weiterhin soll durch die Gewährleistung eines intensiven Kontaktes zwischen zugeführtem Stoff und Plasma sowie durch geeignete Beinflußung des Licht­ bogenheizsystemes ohne eine zusätzliche Energiequelle eine stoffangepaßte teilweise getrennte Energiezufuhr auf Stoffanteile mit unterschiedlicher Dichte und eine teilweise getrennte Führung der behandelten Stofffraktionen erfolgen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren nach dem Patentan­ spruch 1 gelöst, wobei die weiteren Ansprüche 2 bis 13 besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen.

Das Wesen der Erfindung besteht dabei darin, daß in einem Plasmaofen mit mindestens einem tiegelförmigen oder rohrförmigen elektrisch leitenden oder elektrische Kontaktstellen enthaltenden Ofengefäß und einem darin weitgehend koaxial befindlichen Innenteil, welches mindestens einem Plasmabrenner oder mindestens eine Elektrodenanordnung, vorzugsweise aus Graphit aufweist, zunächst mindestens ein Lichtbogen mit mindestens einem axialen Säulenab­ schnitt und mindestens einem radialen Säulenabschnitt erzeugt wird, dieser einem zusätzlichen Magnetfeld unterworfen wird und vermittels geeigneter Gasführung derart zur Rotation gebracht wird, daß ein spiralförmig verwirbelter Lichtbogen erzeugt wird, der eine spiralförmig gerichtete Plasmaströmung verursacht.

Hierbei führen im axialen und radialen Säulenabschnitt mit zunehmender Lichtbogenlänge Aufweitungserscheinungen der Lichtbogensäule zu einer gerichteten Eigenströmung des Plasmagases, welche sich im axialen Säulen­ bereich zunächst axial ausbildet. Mindestens ein vorhandener radial ausgerich­ teter Lichtbogenabschnitt bewirkt unter dem Einfluß eines zusätzlichen Magnet­ feldes eine zusätzliche radiale und tangentiale Eigenströmung des Plasmagases, welche sich in Umlaufrichtung des radialen Lichtbogenabschnit­ tes vollzieht, so daß sich durch die Überlagerung der Strömungskomponenten eine spiralförmig ausgerichtete Gesamtströmung ergibt.

Das Verfahren bewirkt eine besonders vorteilhafte thermische Behandlung, wenn der Lichtbogenstrom auf Werte <100 A, die magnetische Induktion des die Rotation verursachenden Feldes auf Werte <5 mT und die mittlere Lichtbo­ genlänge auf Werte <4 cm gesteuert wird, wobei sich der Teilchendurchmes­ ser je nach Dichte in Bereichen <2,5 cm bewegen kann und die Wärmefluß­ dichte im vom Lichtbogen beanspruchten Bereich des Ofengefäßes vorzugsweise auf unter 40 W/cm² im Mittel begrenzt wird.

Die axiale Komponente kann besonders durch die axiale Lichtbogenlänge, aber auch durch den Bogenstrom und die Führung des Ofengases im Einströmbe­ reich des Bogenansatzes des axialen Lichtbogenabschnittes beeinflußt wer­ den.

Die Tangentialkomponente dieser Strömung kann besonders durch die magne­ tische Induktion des zusätzlichen Magnetfeldes beeinflußt werden, aber auch durch den Bogenstrom.

Um die kinetische Energie dieser Strömung zu erhalten, ist es besonders vorteilhaft, die Fußpunktwärme und die Bogenleistung des radialen Bogenab­ schnittes zur Kompensation des sich radial ausbreitenden Teiles des Wärme­ flusses mit zu nutzen und gleichermaßen durch Begrenzen des Wärmeflusses mittels thermischer Isolationswiderstände den Leistungsverlust zu minimieren.

Wird nun ein Stoff so dosiert, daß er in Abhängigkeit von seiner Dichte einen ausreichenden Strömungswiderstand für die Geschwindigkeitskomponente der spiralförmigen Plasmaströmung darstellt, um von dieser beschleunigt zu werden, und wird dieser Stoff in den Wirkungsbereich der tangentialen Strö­ mungskomponente der spiralförmigen Plasmaströmung eingebracht, so daß er durch diesen zusätzlich in einer anderen als der Erdbeschleunigung folgenden Richtung beschleunigt wird, dann verweilt er hierin länger als über eine reine Fallzeit und ist dem unmittelbaren konvektiven Wärmefluß und dem Strah­ lungswärmefluß des Lichtbogens über einen erweiterten Zeitbereich ausge­ setzt. Durch die Eigenturbulenz der Stoffteilchen im Plasmastrom wird erreicht, daß der Wärmeübergang nicht nur einseitig erfolgt, wie bei ruhenden Schich­ ten. Gleichermaßen wird gewährleistet, daß der Leistungsfluß durch Strahlung und Konvektion optimal wirkt. Die thermische Wirkung auf den zu behandeln­ den Stoff wird dadurch zusätzlich verstärkt, daß sich eine Rückstrahlungskom­ ponente des Ofeninnenteils mit den bezeichneten Komponenten des Lei­ stungsflusses ergänzt.

Erfolgt nun die Führung des Stoffes in der spiralförmig gerichteten Plasmaströ­ mung so, daß er durch diese zusätzlich in einer anderen als der der Erdbe­ schleunigung folgenden Richtung mitgeführt wird und somit länger als über eine reine Fallzeit in der Plasmaströmung verweilt, so ergibt sich ohne Zuführung zusätzlichen Plasmagases ein erhebliche verbesserter Energieein­ trag in den zu behandelnden Stoff. Je nach Dichte des eingesetzten Stoffes lassen sich Partikel mit einem Durchmesser im mm- bis cm-Bereich erfolgreich behandeln.

Eine Beeinflussung der Verfahrensbedingungen ist durch nachfolgende Einfluß­ größen möglich:
Die Verweildauer der eingebrachten Stoffteilchen wird durch die axiale Strö­ mungskomponente der Plasmaströmung bestimmt.

Die Axialkomponente der Plasmaströmung wird durch die Lichtbogenlänge beeinflußt. Eine Verlängerung der Axialkomponente vergrößert deren Geschwindigkeit und bedingt damit einen verstärkten Durchsatz des Stoffes durch die spiralförmig gerichtete Plasmaströmung.

Ebenso kann die Axialkomponente der Plasmaströmung durch den Lichtbogen­ strom beeinflußt werden, da ein größerer Lichtbogenstrom die axiale Stabilität beeinflußt und eine verstärkte Volumenausdehnung des Plasmas bewirkt.

Auch eine Gasführung mit fokussierender Wirkung auf Abschnitte der Axial­ komponente der Bogensäule trägt dazu bei, die Axialkomponente der Plasma­ strömung zu beeinflussen.

Für den möglichen Energieeintrag in den zu behandelnden Stoff ist die Ver­ weildauer wesentlich. Sie kann zunächst durch die Tangentialkomponente der Plasmaströmung gesteuert werden.

Eine Beeinflussung dieser Tangentialkomponente der Plasmaströmung ist durch den Lichtbogenstrom möglich, kann jedoch zusätzlich vermittels der magnetischen Induktion des zusätzlichen Magnetfeldes verändert werden.

Unter dem Einfluß der spiralförmig verwirbelten Plasmaströmung werden die Stoffteilchen in Abhängigkeit von der Dichte und vom Strömungswiderstand beschleunigt. Dies macht eine räumliche Trennung von Stoffkomponenten möglich. Dadurch ist es möglich, Stoffprodukte, die in unterschiedlichen Frak­ tionen (fest, flüssig, gasförmig ) anfallen auch getrennt abzuführen und somit zu selektieren.

Eine besondere Wirkung auf eingesetzte Stoffsubstanzen kann in einem tiegelförmigen Ofengefäß erreicht werden. Hierin erzeugen die Tangential- und die Axialkomponente des spiralförmig verwirbelten Lichtbogens einen zirkulie­ renden Wirbel. Eine in der Achse hervorgerufene gerichtete axiale Strömungs­ komponente führt im Bereich des Tiegelbodens zu einer Prallströmung. Diese überlagert sich mit der radialen und der tangentialen Strömungskomponente im Wandbereich des Tiegels zu einer gegengerichteten Gesamtströmung. Wird nun in der verfahrensgemäßen Weise Stoff in den Wirkungsbereich der tangen­ tial gerichteten Strömungskomponente eingebracht, und ist die gegengerichtete Gesamtströmung ausreichend, um die Erdbeschleunigung der Stoffteilchen zu überwinden, so folgt der Stoff dieser Strömung. Je nach Ausgestaltung der wirkenden Strömungskomponenten ist somit eine zirkulierende oder eine abströmende Wirkung entgegen der axialen Strömungskomponente des axialen Lichtbogenabschnittes auf die Stoffteilchen erzielbar. Die zirkulierende Wirkung wird erzielt durch eine ansaugende Wirkung des axialen Lichtbogen­ abschnittes im Zuge der Ausbildung seiner Eigenströmung.

Eine zusätzliche Führung der Rückstrahlungskomponente des Leistungsflusses ist dadurch möglich, daß die Temperatur des Ofeninnenteils lokal vermittels örtlich unterschiedlicher thermischer Widerstände des Auskleidungsmateriales beeinflußt werden kann.

Die Erfindung soll nachstehend durch ein Ausführungsbeispiel näher beschrie­ ben werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt schematisch einen Plasmaofen, an dem folgende Details sichtbar werden:

1 rohrförmiges Ofengefäß
2 Graphitelektrode
3 Stoffeingabe
4 Stoffpartikel
5 magnetische Flußlinien
6 Lichtbogen
7 axiale Komponente (der Plasmaströmung)
8 radiale Komponente (der Plasmaströmung)
9 tangentiale Komponente (der Plasmaströmung)
10 spiralförmig gerichtete Plasmaströmung
11 Strom
12 geometrische Bogenlänge.

Gemäß Zeichnung wird zunächst ein magnetisch bewegter Lichtbogen 6 erzeugt, welcher eine axiale Komponente 7 und eine radiale Komponente 8 der Plasmaströmung aufweist. Die axiale Komponente 7 folgt den eigenmagneti­ schen Kräften, die sich aus der Magnetflußdichte im Bereich der Stromzu­ führung und der Stromdichte in der Nähe des Bogenansatzes ergibt.

Die radiale Komponente 8 ergibt sich aus dem Abstand zur äußeren Elektrode, d. h. zum rohrförmigen Ofengefäß 1. Durch den Einfluß des äußeren magneti­ schen Feldes ergibt sich eine tangentiale Lichtbogenwanderung sowie eine tangentiale Komponente 9 der Plasmaströmung. Durch Überlagerung beider Strömungskomponenten ergibt sich eine gestreckt spiralförmige Auslenkung des Plasmalichtbogens, die zu einer ebenso spiralförmig gerichteten Plasma­ strömung 10 führt. Strömungsgeschwindigkeit und kinetische Energie, welche von diesem Plasmabogen ausgehen, werden wesentlich bestimmt durch die Lichtbogenlänge sowie die die Plasmabogenleistung beeinflussenden Größen Plasmabogenspannung, Plasmabogenstrom und mittelbar Magnetfeldinduktion des die Rotation verursachenden Magnetfeldes.

Je nach Relation von axial ausgerichtetem Bogenabschnitt und radial ausge­ richtetem Lichtbogenabschnitt in Verbindung mit der diesen radialen Lichtbo­ genabschnitt tangentialbeschleunigenden Magnetfeld ergeben sich auch unterschiedliche axiale, radiale und tangentiale Geschwindigkeitskomponenten.

Wird nun ein Stoff so dosiert daß er vermittels seiner durch den Strömungswid­ erstand bedingten Widerstandskraft durch die Plasmaströmung beeinflußt werden kann und wird dieser Stoff unmittelbar in den Bewegungsbereich des sich spiralförmig ausbildenden, rotierenden Plasmabogens eingebracht, so folgt dieser Stoff vorrangig der Plasmaströmung, wird durch sie beschleunigt und die Stoffpartikel 4 unterliegen dem unmittelbaren konvektiven und Strahlungswär­ meübergang des spiralförmig ausgelenkten Plasmalichtbogens. Durch Verän­ derung der Leistungsparameter des spiralförmig ausgelenkten Plasmalichtbo­ gens ist es möglich, die zulässige Partikelgröße und Partikeldichte zu beeinflussen. Der Prozeß wird vorteilhaft durch Rückstrahlung begrenzender Wandelemente und verminderten Wärmeverlust beeinflußt, indem der Wärme­ fluß im Grenzbereich der tangentialen Strömungskomponente durch Elektro­ denmaterialen oder Wärmedämmstoffe vermindert wird und dadurch die kinetische Energie des spiralförmig ausgelenkten Plasmalichtbogens erhalten bleibt.

Bei einer geeigneten Wahl der elektromagnetischen Parameter von zum Beispiel Bogenstrom 200 A, magnetischer Induktion des die Rotation verursa­ chenden Feldes < 5 mT und mittleren Bogenlängen < 5 cm können so Teilchen je nach Dichte von bis über 2 cm Durchmesser im spiralförmig ausgelenkten Plasmalichtbogen auch in einer der Wirkung der Erdbeschleunigung abge­ wandten Richtung beschleunigt werden.

Die Verweildauer des eingebrachten Stoffes kann zusätzlich durch die tangen­ tiale Plasmaströmungskomponente beeinflußt werden, wohingegen die axiale Komponente der Plasmaströmung 7 den möglichen Stoffdurchsatz beeinflußt. Der oben beschriebene Prozeß der Beeinflussung von Stoffpartikeln 4 vermit­ tels der einfließenden elektromagnetischen Größen macht es auch möglich, daß die Stoffpartikel 4 nach ihrer Größe und Dichte getrennt beeinflußt werden so daß es zu einer Trennung unterschiedlicher Stofffraktionen im Plasma kommt. Dies ermöglicht zusätzlich die Trennung von gasförmigen und festen Stoffkomponenten ausgangs der Behandlungsphase sowie deren getrennte Abführung.

Ebenso ist es möglich, in einem tiegelförmigen Gefäß die bezeichneten Strö­ mungskomponenten durch Überlagerung in Wandnähe zu einer zirkulierenden, aufstrebenden Strömung umzulenken, wodurch sich ein zirkulierender Wirbel ausbildet und die Stoffkomponenten in diesem wiederholt mitgeführt werden.

Claims (13)

1. Verfahren zur thermischen Behandlung von Stoffen in einem Plasmaofen mit mindestens einem tiegelförmigen oder rohrförmigen elektrisch leitenden oder elektrische Kontaktstellen enthaltenden Ofengefäß und einem darin weitgehend koaxial befindlichen Innenteil, welches mindestens einen Plasmabrenner oder mindestens eine Elektrodenanordnung, vorzugsweise aus Graphit, aufweist, wobei die Stoffe fragmentiert, ggf. als Stoffgemische mindestens anteilsweise fragmentiert, vorliegen und entweder schmelzbar sind oder Kohlen- oder Kohlenwasserstoffe enthalten, dadurch gekennzeichnet,
daß ein erzeugter Lichtbogen (6) durch Einwirken elektrischer, geometrischer und magnetischer Parameter so beeinflußt wird, daß er eine gestreckt spiralför­ mig gerichtete Form annimmt und eine gestreckt spiralförmig gerichtete Plas­ maströmung (10) verursacht,
daß Stoffe dosiert in die gestreckt spiralförmig gerichtete Plasmaströmung (10) eingebracht und von ihr mitgeführt werden, wobei diese Strömung in Abhängig­ keit von der gewünschten Verweilzeit der Stoffe, ihrer Dichte und ihrer Größe hinsichtlich Beschleunigung und Bewegungsrichtung gesteuert wird
und diese Steuerung durch elektrische und/oder magnetische und/oder geometrische Parameter sowie durch thermophysikalische Parameter der äußeren Begrenzung erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtbogenstrom auf Werte <100A, die magnetische Induktion des die Rotation verursachenden Feldes auf Werte <5 mT und die mittlere Lichtbogenlänge auf <4 cm gesteuert wird, wobei sich der Teilchendurchmesser je nach Dichte in Bereichen <2,5 cm bewegen kann und die Wärmeflußdichte im vom Lichtbogen (6) beanspruchten Bereich des Ofengefäßes (1) vorzugsweise auf unter 40 W/cm² im Mittel begrenzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mögliche Stoffdurchsatz durch die axiale (7) und die radiale Komponente (8) der gestreckt spiralförmig gerichteten Plasma­ strömung (10) beeinflußt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff mit geringer Anfangsgeschwindigkeit oder geringer Relativgeschwindigkeit zur Plasmaströmung in diese eingebracht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale (7) und die radiale Komponente (8) der spiralförmig gerichteten Plasmaströmung (10) durch die Lichtbogenlänge und oder den Lichtbogenstrom beeinflußt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Komponente (7) der spiralförmig gerichteten Plasmaströmung (10) einer Führung durch deren Stromdichte unterliegt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verweildauer des Stoffes in der Plasmaströ­ mung durch die tangentiale Komponente (9) der spiralförmig gerichteten Plasmaströmung (10) gesteuert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die tangentiale Komponente (9) der spiralförmig gerichteten Plasmaströmung (10) durch den Lichtbogenstrom gesteuert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die tangentiale Komponente (9) der spiralförmig gerichteten Plasmaströmung (10) durch eine äußere magnetische Induktion gesteuert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die tangentiale Komponente (9) der spiralförmig gerichteten Plasmaströmung (10) durch den lokalen thermischen Widerstand des Ofengefäßes (1) gesteuert wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vermittels der tangentialen Komponente (9) der spiralförmig gerichteten Plasmaströmung (10) eine von der Dichte und vom Strömungswiderstand der Stoffpartikel (4) abhängige räumliche Trennung von Stoffkomponenten erfolgt.

12. Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in einem tiegelförmigen Ofengefäß vermittels der tangentialen (9) und der axialen (7) und der radialen Komponente (8) der spiralförmig gerichteten Plasmaströmung (10) ein zirkulierender Wirbel erzeugt und die Stoffkomponenten diesem wiederholt ausgesetzt werden.

13. Verfahren nach Anspruch 1 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß vermittels der Wirkung der spiralförmig gerichte­ ten Plasmaströmung (10) gasförmige und feste oder flüssige Stoffbestandteile dichteabhängig getrennt beeinflußt und dadurch getrennt gerichtet abgeführt werden.