DE3205569A1 - Verfahren und vorrichtung zur thermischen zersetzung von organischen und anorganischen substanzen - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur thermischen zersetzung von organischen und anorganischen substanzenInfo
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Description
82 112 KN
N u k e m GmbH
6450 Hanau 11
6450 Hanau 11
Verfahren und Vorrichtung zur thermischen Zersetzung von organischen und anorganischen Substanzen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen
Zersetzung und Umsetzung von organischen und anorganischen Substanzen in einem aus mechanisch bewegten
Füllkörpern bestehenden Bett, das sich in einem beheizten, aufrechtstehenden zylinderförmigen Reaktor befindet, sowie
eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
In der Kerntechnik fallen eine Reihe von festen und flüssigen organischen und anorganischen Abfällen an, die
meist radioaktiv oder sonst hochgiftig sind und sicher beseitigt werden müssen. Diese Beseitigung erfolgt normalerweise
durch Verbrennung oder pyrolytische Zersetzung unter Beachtung zahlreicher sicherheitstechnischer Erfordernisse,
wie Abgasbehandlung, Reparaturfreundlichkeit und Betriebssicherheit der verwendeten Anlagen.
In der DE-OS 26 41 264 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur pyrohydrolytischen Zersetzung von Abfallstoffen beschrieben, wobei die Reaktion bei Temperaturen
zwischen 600 und 10000C stattfindet. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß durch die unterschiedlichen
Zersetzungsvorgänge von flüssigen und festen Stoffen unterschiedliche thermische Belastungen auftreten, die
zu unterschiedlich heißen und kalten Stellen im Reaktor führen. Dadurch läuft auch die Zersetzungsreaktion unterschiedlich
schnell ab, je nachdem, an welcher Stelle im
Reaktor sich das Reaktionsgemisch befindet. Da die Verweilzeit durch die Dosierleistung und das Volumen des
Reaktors vorgegeben wird, entstehen örtlich unterschiedliehe
Zersetzungswirkungsgrade, die insgesamt den Anteil an höheren Kohlenwasserstoffen (Teer, Ruß) im Abgas ansteigen
lassen. Darüberhinaus ist auch die Korrosion nur sehr eingeschränkt beherrschbar, da die Zersetzungsprodukte
nur Unvollständig durch beigemischte basische Zuschläge Ca(OH) ρ gebunden werden können. Dies liegt vor
allein daran, daß die Vermischungsgüte der zu zersetzenden flüssigen Substanz mit dem vorhandenen festen organischen
Abfall und dem in fester Form vorliegenden basischen Zu-,c
schlag sehr gering ist.
Aus der DE-OS 28 55 650 ist es bekannt, die pyrolytische Zersetzungsreaktion für flüssige Abfälle in einem Wirbelschichtreaktor
auszuführen. Der Nachteil des Wirbelbett—
2Q Verfahrens liegt jedoch in seinem kleinem Leistungsbereich
und im großen Staubaustrag begründet. Der Leistungsbereich wird dadurch begrenzt, daß bei zu kleiner Leistung das
Wirbelbett zusammenbricht und bei zu großer Leistung Unzersetztes in den Austrag gerät. Weiterhin führt die Anwendung
der Wirbeltechnik auf die Schadstoffbeseitigung zu großen Abgasmengen, die technisch und wirtschaftlich
sehr aufwendig gereinigt werden müssen.
In der DE-OS 30 28 193 wird ein Verfahren zur pyrolytischen
Zersetzung von organischen Substanzen in einem Reaktor beschrieben, wobei diese Substanzen mit basischen
Verbindungen gemischt in einem Festbett-Reaktor eingebracht werden, dessen kugelförmigen Füllkörper mechanisch
bewegt werden. Der Reaktor wird dabei von außen beheizt.
Bei diesem Verfahren werden die Füllkörper mittels eines Rührers so bewegt, daß sie durch die abgeschiedenen Zer-
— 2s —
Setzungsprodukte nicht zusammenbacken. Es können hierbei allerdings nur relativ kleine Abfallmengen in der Größen-Ordnung
von 1 kg/h verarbeitet werden, da bei größeren 5 Ofendurchme.ssern Probleme bei der Wärmeübertragung auftreten.
Bei einem Ofendurchmesser von mehr als 15 cm reicht im allgemeinen die integrale Wärmeleitfähigkeit
der Füllkörperschüttung nicht mehr aus, um ein Durchbrechen von unzersetzten Abfallprodukten in der Ofenmitte
lü zu verhindern.
Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur thermischen Zersetzung und Umsetzung von organischen und anorganischen Substan-'
zen in einem aus mechanisch bewegten Füllkörpern bestehenden Bett zu finden, das sich in einem beheizten, aufrechtstehenden zylinderförmigen Reaktor befindet, die technisch
und wirtschaftlich einfach und unweitfreundlich arbeiten
und einen erhöhten Durchsatz erlauben. 20
Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
die Füllkörper an der Reaktorwandung in axialer Richtung entlanggeführt und im Reaktorzentrum entgegengesetzt zurückgeführt
werden.
Durch gezieltes Rühren der Füllkörperschüttung werden die Füllkörper in einem speziellen Umlauf innerhalb des Reaktors
bewegt. Dadurch wird einerseits Energie von der Außenwand des Reaktors gleichmäßig nach innen transportiert
und andererseits ein Schichtaufbau von füllkörperfremden Substanzen auf den Füllkörpern und auf der Reaktorinnenwand
vermieden. Gleichzeitig entsteht ein relativ grobkörniger Staub als festes Reaktionsprodukt, der mit
dem Abgas ausgetragen wird. Das Abgas wird anschließend auf bekannte Weise entstaubt·
Das erfindungsgemäße Verfahren verhindert unterschiedliche thermische Belastungen des Reaktors sowie unterschiedlich
schnell ablaufende Zersetzungsreaktionen. Die Abgasmenge wird lediglich durch den minimal notwendigen
Spülgasstrom, z.B. Stickstoff, vergrößert. Das erfindungsgemäße Verfahren ist weitgehend unempfindlich gegen (jber-
und Unterdosierungen. Vorübergehende Überdosierungen sind problemlos, stöchiometrische Mischungen der zu zersetzenden
Stoffe" mit Zuschlagstoffen müssen nur über größere Zeiträume stimmen.
Es ist von besonderem Vorteil, wenn die Füllkörper an der
Reaktorwandung von unten nach oben geführt werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich auch größere spezifische
Abfallmengen durchsetzen, ohne daß es zu einem Durchbrechen von unzersetzten Produkten in der Reaktormitte
kommt.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird
vorzugsweise eine Vorrichtung verwendet, bestehend aus einem beheizten, aufrechtstehenden zylinderförmigen Reaktor
mit Füllkörpern und einem Rührer aus Rührerachse,
9ς Tragarmen und einem oder mehreren Wendeln, wobei die Stei-
ο gung der Wendeln zwischen 10 und 45 beträgt, die Wendeln
mit der Wandung des Reaktors einen Winkel ^ zwischen 45
und 85° bilden, die Tragarme in Drehrichtung gesehen nach vorne unten um einen Winkel ^r zwischen 5 und 45 geneigt
on sind und die Breite der Wendeln und Tragarme größer ist
als der Füllkörperdurchmesser bzw. der hydraulische Durchmesser der Füllkörper.
Die Abbildungen I und II zeigen schematisch eine beispielhafte
Ausführungsform:
Innerhalb eines beheizten, aufrechtstehenden, zylinderför-
migen Reaktors mit der Reaktorwand (7) und der Reaktorbodenplatte (10) ist ein Rührer (1) aus Rührerachse (8),
Tragarmen (9) und Rührerwendeln (2) angeordnet. Der Rührer bewegt die im Reaktorinnern (3) vorhandenen Füllkörper
(4), beispielsweise mit einer Drehzahl von 0,1 bis 2/rnin, in eine langsame Umlaufbewegung in axialer Richtung
an der Reaktorwand (7) entlang, mit Rückführung im Reaktorzentrum. Die Steigung der Wendeln (2) beträgt
ο ι
zwischen 10 und 45 . Die Wendeini (2) bilden mit der Wand
!z
(7) des Reaktors einen Winkel U-# !zwischen 45 und 85°. Die
Tragarme (9), in Drehrichtung gesehen, sind nach vorn unten um einen Winkel Q^ zwischen 5 und 45 geneigt. Weiterhin
ist die Breite der Wendeln (2) und der Tragarme (9) größer als der Füllkörperdurchmesser bzw. der hydraulisch
Durchmesser der Füllkörper.
Es ist besonders günstig, wenn die Steigung der Wendeln (2) zwischen 20 und 30° beträgt, die Wendeln (2) mit der
Wandung (7) des Reaktors einen Winkel Vp zwischen 65 und
7-5° bilden und die Tragarme (9) um einen Winkel *g zwi
schen 15 und 25° geneigt sind. Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Wendeln (2) mindestens eingängig sind, ebenso,
je wenn der Abstand zwischen der Außenkante (6) der Wendeln
(2) und der Wandung (7) höchstens 75 % des Durchmessers der kleinsten Füllkörper beträgt. Das gilt auch für den
Abstand des untersten Tragarmes (9) vom Boden (10) des Reaktors, der höchstens 75 % des Durchmessers der klein—
3Q sten Füllkörper betragen soll. Zur besseren Bewegung
der Füllkörper ist es günstig, wenn die Vorderkante (5) des Tragarmes (9) schaufel- oder keilförmig ausgebildet
ist.
Es hat sich gezeigt, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung
am günstigsten arbeitet, wenn die Füllkörperschüttung (4)
im Reaktor ein Verhältnis von Höhe zu Breite zwischen 0,75 und 1,5 einnimmt, wobei ein Höhen- zu Breitenverhältnis
der Füllkörperschüttung (4) für die Füllkörperbewegung besonders vorteilhaft ist.
Der Rührer ist zweckmäßigerweise aus einem metallischen
. Material gefertigt, das härter als die Füllkörper sowie "10 korrosions- und hochwarmfest ist.
Um Unwuchten zu vermeiden, können auch zwei und mehr Wendeln (2) auf der Rührerachse (8) angeordnet werden.
Durch die definierte Steigung der Wendeln (2) und den definierten Anstellwinkel von Wendeln (2) und Trägerarmen
(9) wird eine gerichtete Füllkörperbewegung an der Reaktorwand (7) und im Reaktorinnern erzeugt. Damit entsteht
aber in den oberen und unteren Füllkörperschichten auch ein gerichteter Strom von außen nach innen bzw. umgekehrt,
der die Wärmestromdichte von der Außenheizung zum Reaktorinnern wesentlich erhöht.
Die Reaktionsvorgänge und Stofftransportmechanismen werden
dadurch beschleunigt, so daß Reaktordurchmesser von 0,5 bis 1,5 m verwendet werden können, die spezifische
Durchsätze von 10 bis 100 kg Abfall substanzen pro Stunde gestatten, ohne daß es zu Durchbrüchen im Reaktorinnern
kommt. ■'-"-■
ΛΟ
Leerseite
Claims (10)
1. Verfahren zur thermischen Zersetzung und Umsetzung ■je von organischen und anorganischen Substanzen in
einem aus mechanisch bewegten Füllkörpern bestehenden Bett, das sich in einem beheizten, aufrechtstehenden zylinderförmigen Reaktor befindet, dadurch
gekennzeichnet, daß die Füllkörper an der Reaktorwandung in axialer Richtung entlanggeführt und im
Reaktorzentrum entgegengesetzt zurückgeführt werden.
2. Verfahren zur thermischen Zersetzung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Füllkörper an der Reaktorwandung von unten nach oben geführt werden.
3. Vorrichtung zur thermischen Zersetzung und Umsetzung
von organischen und anorganischen Substanzen nach Anspruch 1 und 2, bestehend aus einem beheizten,
aufrechtstehenden zylinderförmigen Reaktor mit Füllkörpern und einem Rührer aus Rührerachse, Tragarmen
und einem oder mehreren Wendeln, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung der Wendeln (2)
zwischen 10 und 45° beträgt, die Wendeln (2) mit der
Wandung (7) des Reaktors einen Winkel ψzwischen
45 und 85° bilden, die Tragarme (9) in Drehrichtung
gesehen nach vorne unten um einen Winkel Φ* zwischen
5 und 45° geneigt sind und die Breite der Wendeln (2) und Tragarme (9) größer ist als der Füllkörperdurchmesser
bzw. der hydraulische Durchmesser der Füllkörper.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch qekenn*-
,Q zeichnet, daß die Steigung der Wendeln (2) zwischen
20 und 30° beträgt, die Wendeln (2) mit der Wandung (7) des Reaktors einen Winkel ψ' zwischen 65 und 75
bilden und die Tragarme (9) um einen Winkel „r* zwischen
15 und 25° geneigt sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet ,
daß die Wendeln (2) mindestens eingängig sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß der Abstand zwischen der Außenkante (6) der Wendeln (2) und der Wandung (7) des Reaktors
höchstens 75 % des Durchmessers der kleinsten Füllkörper beträgt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß der Abstand des untersten Tragarmes (9) vom Boden (10) des Reaktors höchstens 75 % des Durchmessers
der kleinsten Füllkörper beträgt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorderkante (5) der Tragarme (9) schaufel- oder keilförmig ausgebildet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Füllkörperschüttung (4) im Reaktor ein Verhältnis von Höhe zu Breite zwischen 0,75 und
1,5 einnimmt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9 , dadurch gekennzeichnet,
daß die Füllkörperschüttung (4) im Reaktor 5 ein Höhen/Breitenverhältnis zwischen 0,9 und 1,1
einnimmt.
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