DE4432012C2 - Vorrichtung zur Beseitigung von in Verbrennungsabfällen vorhandenen Rußen durch elektrische Gleitentladung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beseitigung von Rußen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie findet vor allem im Gebiet der Behandlung und der Zerstörung von chemischen und insbe­ sondere explosiven Produkten durch Verbrennung zu Asche Anwen­ dung.

Bei der Zerstörung von explosiven Produkten bestehen offensichtlich Probleme der Sicherheit und der Pyrotechnik, jedoch auch Probleme der Schadstoffemission, weil die Verbrennungsprodukte sowohl für den Menschen als auch für die Umwelt giftig sein können. Von diesen Verbrennungsprodukten können saure Gase wie etwa NO_x, SO₂, HCl, HF oder HCN, aber auch Ruße erwähnt werden; unter Rußen werden Kohlenstoffsubstanzen verstanden, die sich aus einer unvollständigen Verbrennung von organischen Produkten ergeben.

Im allgemeinen hat die Entstehung von Rußen ihre Ursache in einer geringen Verbrennungstemperatur bestimmter chemischer Verbindun­ gen, Materialien und brennbarer Abfälle wie etwa Benzol, Toluol, Nitrotoluol und Kautschuk.

Normen und Vorschriften im Bereich des Umweltschutzes führen zahlreiche neue Programme und die Entwicklung von Vorrichtungen für die Verbrennung zu Asche insbesondere im Hinblick auf die Re­ duktion der Emissionen von Distickstoffmonoxid und festen Verbrennungsrückständen wie etwa der Ruße herbei.

Es sind Vorrichtungen überlegt worden, um die Verbrennungsabfälle zu filtern. Sie tragen indessen zu einer Lösung des Problems der Ver­ schmutzung durch die Ruße nur wenig bei. Diese Vorrichtungen erlau­ ben bestenfalls eine "Verlagerung der Verschmutzung", weil die Ruße und die Filterungsprodukte in Spezialdeponien gelagert oder ein zweites Mal zu Asche verbrennt werden müssen.

Ein zweiter untersuchter Weg ist derjenige der thermischen Oxidation der Abfälle von Industrieanlagen, um daraus die Ruße zu entziehen. Dennoch und trotz neuester Forschungen ist diese zweite Lösung in zahlreichen Fällen unzureichend.

Eine dritte Alternative ist die Zerstörung der Ruße mittels elektrischer Entladungen. Diese wirksamere Lösung ist in dem Dokument "Simultaneous removal of NO_x, CO_x, SO_x and soot in diesel engine exhaust", von K. Fujii u. a., Universität von J. Baraki, Japan, 21. bis 25. September 1982, beschrieben.

Für die Beseitigung der Ruße wird ein Plasmareaktor mit elektrischen Entladungen verwendet.

Unglücklicherweise stehen der Energieverbrauch und die Abmessungen der eingesetzten Vorrichtung in einem ungünstigen Verhältnis und sind somit nachteilig.

Andererseits sind Reaktoren mit elektrischen Gleitentladungen, die einen geringeren Energieverbrauch haben und einfacher zu integrieren sind, für die Behandlung von giftigen Abfällen im Hinblick auf die Zerstörung von flüchtigen Verbindungen untersucht worden. Ein solcher Reaktor ist beispielsweise in dem Dokument FR-A-2 639 172 oder auch in dem Artikel von A. Czernichowski u. a., "La chimie des plasmas pour la d´pollution", erschienen in "des cahiers de l′innovation", November 1991, beschrieben.

Ein Reaktor mit elektrischen Gleitentladungen enthält im allgemeinen wenigstens zwei auseinanderlaufende Elektroden, die längs der zu verarbeitenden Gasströmung angeordnet sind. Wenn der Reaktor von einem Gas durchströmt wird und an die Elektroden eine hohe Poten­ tialdifferenz angelegt ist, werden die Entladungen, die zwischen den Elektroden an einem Punkt beginnen, wo der Abstand zwischen den Elektroden gering ist, "weggeblasen" und gleiten zu den weiter beab­ standeten Enden der Elektroden.

Die durch die Entladungen erzeugten Lichtbögen ermöglichen die Behandlung des Gases.

Das Dokument FR-A-2 666 518 gibt ein Beispiel für die Verwendung eines Reaktors mit Gleitentladungen zur Behandlung von Lösungsmit­ teldämpfen.

Unglücklicherweise sind die bekannten Reaktoren mit elektrischen Gleitentladungen nicht für die Ruße enthaltenden Verbrennungsabfälle geeignet. Wenn sich nämlich die Ruße auf den Elektroden ablagern, wird das Gleiten der Bögen, zu den Enden der Elektroden behindert, so daß der Reaktor nicht mehr funktionsfähig ist. Außerdem kann die Ablagerung von Rußen in dem Bereich, in dem die Elektroden gering beabstandet sind, für die Lichtbögen einen Einrastpunkt bilden, woraus sich eine Verschlechterung der Elektroden ergeben kann.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Rußbeseitigungs­ vorrichtung zu schaffen, die die Nachteile des Standes der Technik überwindet und insbesondere bei mäßigen Kosten eine wirksame Behandlung der durch die Verbrennung von explosiven Produkten erzeugten Ruße ermöglicht und die gleichzeitig mit den Rußen die gasförmigen giftigen Verbindungen beseitigt, die durch die Ver­ brennung erzeugt werden.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch eine Rußbeseiti­ gungsvorrichtung, die die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale besitzt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Völlig überraschend ermöglicht eine Vorrichtung, die einen Reaktor mit Gleitentladungen enthält, der seinerseits unter besonderen Bedin­ gungen in bezug auf die Temperatur, die Zusammensetzung, und den Durchsatz der Abfälle betrieben wird, die wirksame Zerstörung der Ruße der Verbrennung.

Unter Verbrennungsabfällen wird ein Gasgemisch verstanden, das aus dem Verbrennungsbehälter entnommen wird und aus Abgasen, die von den zu Asche verbrannten Materialien hervorgehen, sowie aus dem die Verbrennung bewirkenden Gas (das im folgenden "Brenngas" genannt wird), das nicht reagiert hat, zusammengesetzt ist.

Der Gasdurchsatz im Verbrennungsbehälter beeinflußt die Anzahl der kinetischen Parameter der Verbrennung.

Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung enthält das Steuersystem Mittel zum Steuern der Entnahmegeschwindigkeit und der Temperatur der aus dem Verbrennungsbehälter austretenden Ab­ fälle sowie des Verhältnisses des Gemischs Brenngas/Abgas.

Zu diesen Steuermitteln können Steuermittel für die Einlaßgeschwin­ digkeit des Brenngases hinzugefügt sein. Die Steuermittel ermöglichen einzeln und noch besser in Kombination die genaue Einstellung der Temperatur, des Durchsatzes und der Zusammensetzung der Verbren­ nungsabfälle, die zum Gleitentladungsreaktor geleitet werden.

In der Erfindung kann jeder beliebige Gleitentladungsreaktor, bei­ spielsweise der in dem Dokument FR-A-2 639 172 beschriebene Reak­ tor verwendet werden.

Gemäß einer Variante kann die Vorrichtung mehrere hintereinander angeordnete Reaktoren enthalten. Eine experimentelle Vorrichtung, die sechs Reaktoren enthält, die ihrerseits jeweils drei Elektroden aufwei­ sen, die in einem Winkel von 120° angeordnet und durch Hochspan­ nungstransformatoren mit 10 kV versorgt werden, hat sich als beson­ ders vorteilhaft erwiesen.

Insbesondere ermöglichen die Steuermittel die Einstellung des relativen Verhältnisses des Abgases und des Brenngases in den zum Gleitentla­ dungsreaktor geleiteten Abfällen.

Eine geeignete Einstellung der verschiedenen Parameter ermöglicht nicht nur die Verwendung von Gleitentladungsreaktoren für die Besei­ tigung der Ruße mit ausreichendem Wirkungsgrad, sondern läßt auch deren ununterbrochenen Gebrauch zu, indem die Verschmutzung ihrer Elektroden vermieden wird.

Gemäß weiterer Merkmale der Erfindung enthalten die Mittel zum Steuern der Entnahmegeschwindigkeit eine Entnahmevorrichtung mit einstellbarem Durchsatz, die stromabseitig zum Entladungsreaktor angebracht ist.

Selbstverständlich können andere Systeme mit gesteuerter Entnahme in Betracht gezogen werden, insbesondere kann in dem Fall einer für die Verbrennung zu Asche von stets gleichen Produkten bestimmten Vor­ richtung ein Schornstein mit konstantem Zug, der für das besondere Produkt ein für allemal genau eingestellt worden ist, eine interessante Lösung darstellen.

Die Mittel zum Steuern der Einlaßgeschwindigkeit des Brenngases enthält eine einstellbare Förderpumpe, die stromaufseitig zum Einlaß angebracht ist. Hier können außerdem andere Steuerelemente wie beispielsweise ein Schieber oder eine Düse mit einstellbarem Durchsatz je nach dem besonderen Fall die Mittel zum Steuern der Einlaßge­ schwindigkeit des Brenngases bilden.

Die Ausdrücke stromaufseitig und stromabseitig sind auf die Gasströ­ mungsrichtung bezogen.

Die Mittel zum Einstellen der Temperatur der Gase enthalten einen Heizwiderstand zum erneuten Erwärmen der Abfälle, der an der Aus­ laßleitung für die Abfälle angebracht ist.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung enthält das Steuer­ system außerdem Mittel zum Messen der verschiedenen Parameter der Verbrennung.

Diese Meßmittel sind mit einer Reihe von Meßwertaufnehmern wie etwa beispielsweise Thermometern, Opazimetern sowie Gasanalysato­ ren ausgerüstet, die die Berücksichtigung insbesondere der Tempera­ tur, der Zusammensetzung und des Rußgehalts der Verbrennungsabfäl­ le, ermöglichen.

Vorteilhaft enthält die Vorrichtung außerdem an die Meßmittel ange­ schlossene Regelungsmittel sowie eine Recheneinheit, die beispielswei­ se die ununterbrochene Bestimmung der Einstellungen der Durchsätze und der Temperaturen des eingelassenen Gases und der entnommenen Abfälle in Abhängigkeit von den erhaltenen Meßwerten ermöglichen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachstehend näher erläutert. Es zeigt: Eine schematische Schnittansicht einer Einheit für die Verbrennung zu Asche, die mit einer Vorrichtung zur Beseiti­ gung von Rußen gemäß der Erfindung ausgerüstet ist.

Die in der Figur gezeigte Einheit für die Verbrennung zu Asche enthält einen Verbrennungsbehälter 10, der mit einer Einlaßleitung 12 für das Brenngas, das im vorliegenden Fall Luft ist, sowie mit einer Auslaßlei­ tung 14 für die Abfälle versehen ist.

Der Verbrennungsbehälter enthält eine Feuerungsanlage 16, die einen Rost 18 enthält, der in bezug auf die untere Wand 20 des Behälters erhöht ist. Auf diesem Rost sind die zu verbrennenden Materialien angeordnet.

Unter dem Rost 18 der Feuerungsanlage 16 ist ein Verteiler 20 ange­ ordnet und mit der Einlaßleitung 12 verbunden. Der Verbrennungsbe­ hälter ist außerdem mit einem Abzug 24 versehen, der die Feuerungs­ anlage 16 überdeckt und in seinem oberen Teil einen Ausgang 26 für die abgehenden Gase aufweist, der mit der Auslaßleitung 14 verbunden ist.

Außerdem ist mit der Auslaßleitung 14 ein Reaktor mit elektrischen Gleitladungen 28 verbunden, durch den die vom Verbrennungsbehälter 10 austretenden Abfälle verlaufen.

Die Einheit für die Verbrennung zu Asche enthält außerdem ein Steuer­ system, das eine Entnahmevorrichtung 30 für die Abfälle mit einstell­ barem Durchsatz enthält. Die Entnahmevorrichtung 30 ist stromabseitig zum Gleitentladungsreaktor 28 in der Leitung 14 angebracht und mün­ det in die Atmosphäre.

In der Einlaßleitung 12 für das Brenngas ist stromaufseitig zum Ver­ brennungsbehälter 10 eine Pumpe 32 mit einstellbarer Förderleistung in der Weise angebracht, daß der zum Verteiler 22 geleitete Brenngas­ strom eingestellt werden kann.

Darüber hinaus ist ein elektrischer Widerstand 34 vorgesehen, der die in der Auslaßleitung 14 sich bewegenden Abfälle erneut erwärmt, so daß ihre Temperatur eingestellt wird.

An verschiedenen Stellen längs des von den Gasen durchlaufenen Wegs sind Meßmittel angeordnet, die die Verbrennungsparameter wie etwa die Temperatur, die Menge des erzeugten Rauchs usw. überprüfen.

Im Verbrennungsbehälter ist beispielsweise ein Wärmemeßwertauf­ nehmer 36 angeordnet. Außerdem sind beiderseits des Reaktors 28 in der Auslaßleitung 14 Nebenleitungen 40, 42 angeordnet, die mit einem Gasanalysator 44 verbunden sind. Stromabseitig vom Reaktor 28 ist ein Opazimeter 38 angebracht.

Eine Regelungseinheit 46, die die Informationen vom Analysator 44 und von den Meßwertaufnehmern 36, 38 empfängt und mit der Ent­ nahmevorrichtung 30, der Pumpe 32 und dem Widerstand 34 verbun­ den ist, ermöglicht die Steuerung des Durchsatzes der Abfälle und/oder des Durchsatzes und der Temperatur des Brenngases in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Abfälle vor und nach dem Reaktor.

Außerdem sind Einrichtungen für die Betriebssicherheit der Vorrich­ tung für die Verbrennung zu Asche vorgesehen. So ist beispielsweise die Abzugshaube mit Klappen 48 versehen, die bei unbeabsichtigten Überdrücken weggeblasen werden können. Außerdem umgibt den Verbrennungsbehälter 10 ein seinerseits von einem Erdwall umgebener Behälter 50, der mit einem (nicht gezeigten) Ablenkblech für die Einleitung der brennbaren Materialien versehen ist. Ein (nicht gezeig­ tes) Notberieselungssystem, das fernbedienbar ist, kann ebenfalls vorgesehen sein.

Beispielsweise sind in der obigen Installation 2 kg von Produkten, die aus Trinitrotoluol bestanden, unter den folgenden Bedingungen behan­ delt worden:

• - Luftdurchsatz: 100 m³/h,
• - Temperatur der Abfälle am Einlaß des Gleitentladungsreaktors 28: 300°C,
• - Entnahmedurchsatz: 250 m³/h,
• - verbrauchte elektrische Energie: 0,5 kWh/kg,
• - Gesamtdauer der Verbrennung: ungefähr 7 Min.

Auf diese Weise ist am Ausgang des Gleitentladungsreaktors 28 ein Gas erhalten worden, das weniger als 100 mg Ruß/m³ unter Normal­ bedingungen und bis 6% Sauerstoff enthielt.

Eine Anlage mit industriellem Charakter würde die Behandlung von größeren Mengen ermöglichen.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Beseitigung von Rußen, die in den aus einem Verbrennungsbehälter (10) austretenden Verbrennungsabfällen enthal­ ten sind, der seinerseits mit einer Einlaßleitung (12) für das Brenngas sowie mit einer Auslaßleitung (14) für die Abfälle versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Reaktor mit elektrischen Gleitentladungen (28), der mit der Auslaßleitung (14) verbunden und von den Abfällen durchlaufen wird, sowie ein System zum Steuern wenigstens eines Parameters vorgesehen sind, der in Abhängigkeit von den zu behan­ delnden Abfällen aus dem Parameter des Durchsatzes des Brenngases, dem Parameter der Temperatur der Abfälle und dem Parameter des Durchsatzes der Abfälle gewählt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersystem Mittel zum Steuern der Entnahmegeschwindigkeit der Abfälle aus dem Verbrennungsbehälter enthält.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das Steuersystem Mittel zum Steuern der Einlaßgeschwindig­ keit des Brenngases enthält.

4. Vorrichtung nach irgendeinem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersystem Mittel zum Steuern der Temperatur der Abfälle enthält.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Steuern der Temperatur einen Heizwiderstand (34) für die Abfälle enthalten, der an der Auslaßleitung (14) angebracht ist.

6. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 2 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Steuern der Entnahmege­ schwindigkeit der Abfälle eine Entnahmevorrichtung (30) mit einstell­ barem Durchsatz enthalten, die stromabseitig vom Entladungsreaktor (28) angebracht ist.

7. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 2 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Steuern der Einlaßge­ schwindigkeit des Brenngases eine Pumpe mit einstellbarer Förder­ menge (32) enthalten, die stromaufseitig zum Verbrennungsbehälter (10) in der Einlaßleitung (12) angebracht ist.

8. Vorrichtung nach irgendeinem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersystem Mittel zum Messen der Verbrennungsparameter enthält.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß an die Meßmittel Regelungsmittel für wenigstens eines der Steuermittel angeschlossen sind, das seinerseits aus den Mitteln zum Steuern der Entnahmegeschwindigkeit der Abfälle, den Mitteln zum Steuern der Einlaßgeschwindigkeit des die Verbrennung bewirkenden Gases und den Mitteln zum Steuern der Temperatur der Abfälle gewählt ist.