DE19625539A1 - Verfahren zur thermischen Behandlung von Stoffen in einem Plasmaofen - Google Patents
Verfahren zur thermischen Behandlung von Stoffen in einem PlasmaofenInfo
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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 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.
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.
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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1996125539 DE19625539A1 (de) | 1996-06-26 | 1996-06-26 | Verfahren zur thermischen Behandlung von Stoffen in einem Plasmaofen |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE1996125539 DE19625539A1 (de) | 1996-06-26 | 1996-06-26 | Verfahren zur thermischen Behandlung von Stoffen in einem Plasmaofen |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19625539A1 true DE19625539A1 (de) | 1998-01-02 |
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ID=7798052
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DE1996125539 Withdrawn DE19625539A1 (de) | 1996-06-26 | 1996-06-26 | Verfahren zur thermischen Behandlung von Stoffen in einem Plasmaofen |
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DE (1) | DE19625539A1 (de) |
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