DE3935263C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Schmelzofen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein Schmelzofen dieser Art ist aus der DE-AS 12 36 136 be­ kannt, wobei die Vakuumkammer des Vakuumschmelzofens von außen mit Kühlwasser gekühlt wird. Falls bei einem Leck in der Wand der Vakuumkammer Wasser in die Kammer eindringt, besteht die Gefahr einer Wasserdampfexplosion, da das Wasser schnell ver­ dampft und sein Volumen schlagartig vergrößert.

Aus der DE-AS 10 46 271 ist ein Glasschmelzofen mit im wesent­ lichen zylindrischer Gefäßwandung bekannt, bei dem die Ofen­ wand selbst als äußere Elektrode dient. Vorgewärmtes Glas wird dabei unter Ausnutzung der Eigenleitfähigkeit durch einen Stromfluß zwischen einer inneren Elektrode und Behälterwand geschmolzen. Der Boden des Gefäßes ist mit einer mittigen Aus­ flußöffnung versehen und mit der Wand elektrisch leitend ver­ bunden, wobei der Abstand der inneren Elektrode vom Boden kleiner ist als der Abstand von der Gefäßwand, um gerade in der Nähe der Ausflußöffnung das Glas besonders stark zu er­ hitzen. Eine um die Ausflußöffnung vorgesehene Elektrode oder Induktionsspule ist auch aus GB 20 69 672 A bekannt.

Schließlich ist es aus DE 37 39 084 A1 bekannt, Platten mit beispielsweise einer Luftkühlung für die Innenwandung eines Lichtbogenofens vorzusehen, um relativ kostenaufwendiges, feuerfestes Material einsparen zu können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schmelzofen der eingangs angegebenen Art so auszubilden, daß einer Korro­ sion der Elektroden entgegengewirkt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kenn­ zeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Da bei einem Schmelz­ ofen, bei dem die Ofenwand als Elektrode verwendet wird, die Heizelektrode und die Ofenwand, die als Gegenelektrode dient, durch das geschmolzene Glas und die hohe Temperatur einer er­ höhten Korrosionsgefahr unterliegen, wird durch Kühlen dieser beiden Elektroden einer Korrosion entgegengewirkt, wobei durch die Verwendung von Luft als Kühlmittel die Anforderungen an Sicherheitseinrichtungen geringer sind, die speziell beim Schmelzen von hochradioaktiven Abfällen notwendig sind.

Durch die Luftkühlung wird die Lebensdauer des Schmelzofens auf Grund der verringerten Korrosion erhöht, wobei zudem beim Verschmelzen hochradioaktiver Abfälle eine geringere Menge an sekundären Abfällen erzeugt wird als dies bei feuerfestem Wandmaterial des Schmelzofens der Fall ist, das an sich auf Grund höherer Korrosionsbeständigkeit eine längere Lebensdauer hat. Auch können mit einem derartigen Schmelzofen größere Ab­ fallmengen verarbeitet werden als dies bei einem Schmelzofen mit externer Heizeinrichtung der Fall ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weite­ ren Ansprüchen angegeben.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird nach­ folgend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Schnittansicht eines Ausführungs­ beispiels des erfindungsgemäßen Schmelzofens zum Behandeln von Abfällen,

Fig. 2 eine Horizontalschnittansicht längs der Linie II-II in Fig. 1, und

Fig. 3 eine Fig. 2 ähnliche Horizontalschnittansicht bei einem weiteren Ausführungsbeispiel, bei dem meh­ rere Heizelektroden vorgesehen sind.

In Fig. 1 und 2 ist ein Schmelzofen zum Behandeln von Abfällen dargestellt. Der Schmelzofen weist einen Behälter 1 aus einer hitzebe­ ständigen Legierung auf, der einen zylindrischen Teil 1b zum Schmelzen des Glases und einen konischen Teil 1c zum Abgeben des geschmolzenen Glases umfaßt. Der obere Rand 1a des Glas­ schmelzteils 1b steht nach außen vor. Der Abgabeteil 1c ver­ läuft konisch vom unteren Ende des Glasschmelzteils 1b unter einem Neigungswinkel zwischen 30° und 60° und ist am vorderen Ende mit einer Glasabgabedüse 2 vom Typ eines Gefrierventils versehen. Der Behälter 1 ist durch eine feuerfeste Hülle 3, die um den Behälter 1 herum angeordnet ist, und durch ein Metallgehäuse 4, das die feuerfeste Hülle 3 enthält, vertikal gehalten und festgelegt.

Am oberen Rand 1a des Behälters 1 befindet sich ein oberer Deckel oder eine obere Abdeckung 8, die über einem Isolierma­ terial 5 angeordnet ist. Der obere Deckel 8 weist eine Be­ schickungsöffnung 6 zum Zuführen des Glasrohmaterials und der zu behandelnden Abfälle in den Behälter 1, und eine Gasauslaß­ öffnung 7 zum Entlüften des im Inneren des Behälters 1 erzeug­ ten Gases auf. Eine Düse 9 ist an der Beschickungsöffnung 6 so angebracht, daß sie durch diese Öffnung 6 hindurchgeht. Eine kreisförmige Öffnung ist im wesentlichen in der Mitte des oberen Deckels 8 gebohrt, und eine zylindrische Heizelek­ trode 10 aus einer hitzebeständigen Legierung mit einem ge­ schlossenen unteren Ende ist vertikal durch die kreisförmige Öffnung über ein Isoliermaterial 11 so eingesetzt, daß das untere Ende der Elektrode 10 in das geschmolzene Glas im Inneren des Behälters 1 eingetaucht ist. Die Elektrode 10 ist elektrisch mit dem Behälter 1 über eine Wechselstromquelle 12 verbunden.

Ein Strömungsweg 13 für Kühlluft befindet sich an der Rückseite des Glasschmelzteiles 1b des Behälters 1. Der Strömungsweg 13 wird von einer zylindrischen Hülle 20 be­ grenzt, die zwischen dem Glasschmelzteil 1b und der feuer­ festen Hülle 3 ausgebildet ist, und weist ein unteres Ende auf, das in einem Stück vom Behälter 1 an der Grenze zwischen dem Teil 1b und dem Teil 1c vorsteht, wobei eine Umlenkplatte 21 an der Oberkante 1a des Behälters 1 aufgehängt ist und den Raum in der Hülle 20 in einen äußeren und einen inneren Raum unterteilt. Eine Verbindungsöffnung befindet sich im Strömungsweg 13 zwischen dem äußeren und dem inneren Raum und eine Einlaßöffnung 13a und eine Auslaßöffnung 13b zum Einströmen der Kühlluft in den äußeren Raum und zum Aus­ strömen der Kühlluft vom inneren Raum sind in der Nähe der Oberkante 1a des Behälters 1 jeweils angeordnet. Ein Rohr 14 ist in das Innere der Elektrode 10 so eingesetzt, daß ein Zwischenraum zwischen der Außenwand des Rohrs 14 und der Innenwand der Elektrode 10 sowie ein Zwischen­ raum zwischen dem unteren Ende des Rohres 14 und dem Boden der Elektrode 10 bleibt. In dieser Weise ist ein Strömungsweg 15 der Kühlluft zwischen der Innenseite des Rohrs 14 und dem Zwischenraum zwischen dem Rohr 14 und der Elektrode 10 begrenzt. Eine Einlaßöffnung 15a be­ findet sich am oberen Ende des Rohrs 14, und eine Aus­ laßöffnung 15b befindet sich am oberen Ende des Zwischen­ raumes zwischen dem Rohr 14 und der Elektrode 10.

Eine Heizeinheit 16 aus einer Induktionsheizspule oder einem Widerstandsheizelement ist zwischen dem Abgabeteil 1c des Behälters 1 und der feuerfesten Hülle 3 und um die Abgabe­ düse 2 für das geschmolzene Glas herum angeordnet. Die Heiz­ einheit 16 ist elektrisch mit einer nicht dargestellten äußeren Energiequelle verbunden.

Ein Schmelzofen mit dem oben beschriebenen Aufbau zum Be­ handeln von Abfällen arbeitet in der folgenden Weise. Das Glasrohmaterial und die zu behandelnden Abfälle werden zu­ nächst in den Behälter 1 zwischen dem Glasschmelzteil 1b und der Elektrode 10 über die Beschickungsdüse 9 eingegeben.

Wenn anschließend eine Spannung von der Wechselstromquelle 12 zwischen der Elektrode 10 und dem Behälter 1 liegt, während Kühlluft durch die Einlaßöffnung 13a des Strömungsweges 13 und durch die Einlaßöffnung 15a des Strömungsweges 15 einge­ führt wird, dann fließt ein elektrischer Strom durch das Glas zwischen der Innenwand des Behälters 1 und der Elektrode 10, so daß das Glas durch die Joule′sche Wärme erhitzt und geschmolzen wird, während die Oberflächen des Glasschmelz­ teils 1b des Behälters 1 und der Elektrode 10 zwangsweise durch die Kühlluft gekühlt werden, die über die Strömungswege 13 und 15 strömt. Die Abfälle werden in dieser Weise in das geschmolzene Glas eingeschlossen.

Die Kühlluft, die über die Strömungswege 13 und 15 strömt, nimmt die Hitze vom Glasschmelzteil 1b des Behälters 1 und der Elektrode 10 auf, so daß sie dann, wenn sie aus den jeweili­ gen Auslässen 13b und 15b abgegeben wird, eine hohe Tempera­ tur hat.

Das im Inneren des Behälters 1 während des Schmelzens des Glasrohmaterials und der Abfälle erzeugte Gas wird von der Gasbelüftungsöffnung 7 abgeführt.

Um das die Abfälle enthaltende geschmolzene Glas, das während des obigen Arbeitsvorganges erzeugt wurde, abzuführen, wird die Heizeinheit 16 über eine nicht dargestellte äußere Heiz­ energiequelle erhitzt. Dann werden der Abgabeteil 1c des Be­ hälters 1 und die Abgabedüse 2 durch die Heizeinheit 16 erhitzt, so daß das die Abfälle enthaltende Glas im Behälter ausreichend aufgeschmolzen wird und mit hoher Fließfähigkeit über die Glasdüse 2 abgeführt werden kann. Das die Abfälle enthaltende geschmolzene Glas, das von der Düse 2 abgeführt wird, wird in einen als Kanister bezeichneten Behälter gegossen und im abgekühlten und verfestigten Zustand aufbewahrt oder gelagert.

Bei der Behandlung der Abfälle in der oben beschriebenen Weise wird ein Heizverfahren verwandt, bei dem das Glas im Behälter 1 aufgeschmolzen wird, während die Oberflächen des Glasschmelzteils 1b des Behälters 1 und der Elektrode 10 ge­ kühlt werden. Deren Oberflächentemperaturen liegen daher unter den Werten ohne eine Kühlung, so daß die Korrosion der Oberflächen aufgrund der Außenatmosphäre im Behälter 1 be­ grenzt werden kann. Da mit anderen Worten der Abstand zwischen der Elektrode 10 und der Gegenelektrode, die aus dem Glasschmelzteil 1b besteht, relativ kurz ist, ergibt sich eine hohe Stromdichte dazwischen und es ergeben sich hohe Oberflächentemperaturen, so daß die Korrosion der Oberflächen, die mit dem geschmolzenen Glas in Berührung stehen, stark fortschreitet. Durch eine Kühlung der Ober­ flächen dieser Elektroden kann die Korrosion der Oberflächen drastisch begrenzt werden, so daß der Schmelzofen eine längere Lebensdauer als ohne eine derartige Kühlung hat.

Da eine hitzebeständige Legierung als Material für den Be­ hälter 1 und für die Elektrode 10 verwandt ist, erzeugt der in dieser Weise aufgebaute Schmelzofen, verglichen mit einem Schmelzofen, der einen Behälter aus einem feuerfesten Material hat, eine geringere Menge an sekundären Abfällen.

Die Heizung über die Zuführung von elektrischer Energie er­ folgt darüber hinaus an allen Teilen des Glases zwischen der Innenwand des Behälters 1 und der Elektrode 10, wobei die Elektrode 10 im geschmolzenen Glas angeordnet ist. Die Ver­ arbeitungskapazität pro Ofeneinheit kann daher dadurch er­ höht werden, daß in geeigneter Weise die Form und die Größe des Behälters 1 und der Elektrode 10, der Abstand zwischen den Elektroden und die Leistung der Wechselstromquelle 12 gewählt werden.

Selbst wenn hochradioaktive Abfälle, die Metalle der Platingruppe enthalten, behandelt werden, werden die sich ergebenden, elektrisch leitenden Materialien, die schwierig zu lösen sind, gleichmäßig vom Behälter 1 zusammen mit dem geschmolzenen Glas nach außen abgeführt, da die Schräge mit einem Winkel von 30° bis 60° am Glasabgabeteil 1c des Be­ hälters 1 angeordnet ist, und das Glas am Teil 1c und in der Düse 2 in ausreichendem Maße unter Verwendung der Heizein­ heit 16 aufgeheizt wird. Ein Abfall im Stromwirkungsgrad, und somit ein Abfall im Heizwirkungsgrad infolge einer Ab­ lagerung von leitenden Materialien kann daher vermieden werden. Selbst wenn elektrisch leitendes Material sich am Boden des Behälters 1 zwischen den Entleerungsvorgängen ab­ lagern sollte, tritt kaum ein elektrischer Kurzschluß durch das leitende Material auf, da der Behälter selbst als Elektrode arbeitet.

Da die feuerfeste Hülle 3 um den Behälter 1 herum angeord­ net ist, wird das geschmolzene Glas durch die feuerfeste Hülle 3 gehalten und aufgehalten, selbst wenn der Behälter 1 brechen und das geschmolzene Glas vom Behälter 1 auslaufen sollte, was die Sicherheit erhöht. Die Isoliermaterialien 5 und 11, die zwischen der Oberkante 1a des Behälters 1 und dem oberen Deckel 8 und zwischen dem oberen Deckel 8 und der Elektrode 10 angeordnet sind, verhindern einen gegenseitigen elektrischen Kontakt des Behälters 1, des oberen Deckels 8 und der Elektrode 10, so daß kein elektrischer Kurzschluß auftritt. Die Temperatur der über den Strömungsweg 13 strömenden Luft in der Nähe des Glasspiegels im Inneren des Behälters 1 kann auf eine hohe Temperatur gebracht werden, die das Aufschmelzen der Glasrohmaterialien fördert, indem in geeigneter Weise die Einströmungsverhältnisse der Kühl­ luft durch den Kühlungsweg 13, beispielsweise deren Tempera­ tur und Durchsatz, gesteuert werden, wobei die Strahlungs­ wärme von dieser auf hoher Temperatur befindlichen Luft dazu benutzt werden kann, die Glasrohmaterialien aufzu­ schmelzen, was die Verarbeitungskapazität pro Schmelzofen­ einheit weiter erhöht.

Bei dem Schmelzofen ist es darüber hinaus möglich, mehrere Heizelektroden vorzusehen, wie es in Fig. 3 dargestellt ist, um die Verarbeitungskapazität pro Ofeneinheit zu erhöhen, oder ein elektromagnetisches Horn 17 zum Bestrahlen des oberen Deckels 8 mit Mikrowellen vor­ zusehen, um dadurch die Glasoberfläche im Innern des Be­ hälters 1 zusätzlich zur Heizung durch Zuführung von elektri­ scher Energie den Mikrowellen auszusetzen. Es ist auch möglich, eine Heizung durch Zuführung elektrischer Energie zu bewirken und den Abgabeteil 1c des Behälters 1 durch die Heizeinheit 16 gleichzeitig zu erhitzen. Es können daher am obigen Ausführungsbeispiel verschiedene Änderungen und Abwandlungen vorgenommen werden.

Da die Heizelektrode in einem Behälter angeordnet ist, dessen Wand aus einer hitzebeständigen Legierung besteht und der als Gegenelektrode arbeitet, und die Heizelektrode in das zu schmelzende Glas eingesetzt ist, kann eine Heizung durch Zuführung von elek­ trischer Energie direkt durch alle Teile des Glases zwischen der Elektrode im Behälter und der Gegenelektrode der Behälterwand erfolgen. Die Verarbeitungskapazität der Schmelzofeneinheit kann daher erhöht werden, und der Behälter und somit der Schmelzofen können in ihren Abmessungen kompakt ausgebildet werden.

Da weiterhin die Wand des Behälters aus einer hitzebestän­ digen Legierung besteht, muß nur der Behälter selbst aus­ getauscht werden, wenn das Ende seiner Lebensdauer erreicht ist. Das hat zur Folge, daß die erzeugte Menge an sekun­ dären Abfällen, verglichen mit der Sekundärabfallmenge bei feuerfesten Öfen, kleiner ist.

Es ist möglich, große Abfallmengen durch eine Schmelzofeneinheit über eine lange Zeit zu be­ handeln und den Arbeitsaufwand und die Kosten herabzuset­ zen, die zum Behandeln der sekundären Abfälle, wie bei­ spielsweise des Behälters, nach Erreichen seiner Lebensdauer erforderlich sind.

Das geschmolzene Glas, das sich am Boden des Behälters an­ sammelt, kann weiterhin leicht von der Abgabedüse abgeführt werden, da die Heizeinheit um die Glasabgabedüse herum und in der Nähe dieser Düse angeordnet ist und der Boden des Behälters eine Neigung hat, die auf die Abgabedüse zu ver­ läuft. Selbst wenn daher hochradioaktive Abfälle behandelt werden, die Metalle der Platingruppe enthalten, können die sich ergebenden leitenden Materialien, die schwierig zu lösen sind, gleichmäßig vom Behälter zusammen mit dem ge­ schmolzenen Glas nach außen abgeführt werden. Das hat zur Folge, daß ein Abfall im Stromwirkungsgrad aufgrund der Ab­ lagerung von leitenden Materialien verhindert werden kann, und der Heizwirkungsgrad erhöht werden kann.

Claims (8)

1. Schmelzofen zum Behandeln von Abfällen umfassend einen Behälter (1), der mit einer Beschickungs­ öffnung für ein Glasrohmaterial und die zu behandelnden Abfälle am oberen Teil und mit einer Abgabeöffnung für das die Abfälle enthaltende geschmolzene Glas am unteren Teil versehen ist, wobei der Behälter (1) eine Wand aus einer elektrisch leitenden hitzebeständigen Legierung aufweist, die mit einer Kühleinrichtung versehen ist, und während des Betriebs des Schmelzofens mit dem geschmolze­ nen Glas im Inneren des Behälters (1) in Kontakt steht, und wenigstens eine Heizelektrode (10), die im Behälter (1) angeordnet ist, wobei die Behälterwand als Gegenelektrode für die Heizelektrode (10) dient, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kühleinrichtung mit Luft als Kühlmedium an der Außenseite eines zylindrischen Abschnitts (1b) der Behäl­ terwand und an der Innenseite der Heizelektrode (10) an­ geordnet ist.

2. Schmelzofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Heizeinrichtung (16) in der Nähe der Abgabe­ öffnung für das geschmolzene Glas angeordnet ist.

3. Schmelzofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (16) eine Induktionsheizspule oder ein Widerstandsheizelement umfaßt.

4. Schmelzofen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenwand des Behälters (1) eine Schräge hat, die zu der Abgabeöffnung hin verläuft.

8. Schmelzofen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Heizelektroden (10a, 10b) im Behälter (1) an­ geordnet sind.

5. Schmelzofen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelektrode (10) eine Elektrode umfaßt, die aus einer hitzebeständigen Legierung besteht.

6. Schmelzofen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung einen Strömungsweg aufweist, der an der Rückseite der Behälterwand verläuft, wobei die Behälterwand als eine der Wände des Strömungsweges (13, 15) dient.

7. Schmelzofen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektromagnetisches Horn (17) zum Abgeben von Mikrowellen in das Innere des Behälters (1) am oberen Teil des Behälters angeordnet ist.