DE602004011326T2

DE602004011326T2 - Verfahren und anlage zum behandeln von stoffen, insbesondere abfallstoffen und müll

Info

Publication number: DE602004011326T2
Application number: DE602004011326T
Authority: DE
Inventors: Edoardo Rossetti; Massimo Malavasi
Original assignee: Itea SpA
Current assignee: Itea SpA
Priority date: 2003-04-23
Filing date: 2004-04-22
Publication date: 2008-11-27
Anticipated expiration: 2024-04-23
Also published as: AU2004233308B2; US20140076214A1; US20070039527A1; CN1809714B; ITBO20030242A1; EP1616129B1; JP4520459B2; US9557052B2; ES2298746T3; CN1809714A; WO2004094904A1; DE602004011326D1; AU2004233308A1; HK1092518A1; ATE384229T1; JP2006524308A; EP1616129A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage für die Behandlung von Materialien verschiedener Art, und insbesondere, jedoch nicht in begrenzender Weise, Abfallmaterialien und Müll.
Die Erfindung wurde mit besonderem Bezug auf eine Anlage, die als Input beliebige Materialien in fester, granulärer oder flüssiger Form oder als Schlämme aufnehmen kann, und auf ein Verfahren entwickelt, das die Behandlung davon mit der Herstellung von inerter Schlacke und Gasen hervorbringt, die ohne Schädigung der Umwelt leicht entsorgt werden können.
Hintergrund
Ein bekanntes Verfahren und eine Anlage des vorstehend ausgewiesenen Typs werden in US-Patent 5 337 683 und anschließende Verbesserungen in der Patentanmeldung der gleichen Anmelder WO 02/081970 beschrieben. Dieses Patent betrifft ein Verfahren, das Materialien, zum Beispiel Abfallmaterialien und Müll, ermöglicht, behandelt zu werden, um leicht und ökonomisch daraus durch die Einführung der Materialien in einen unter Druck gesetzten Reaktor, in den Luft, angereichert mit Sauerstoff, möglicherweise bis zu 100% (d. h. reiner Sauerstoff, mindestens innerhalb der mit den technischen Mitteln verfügbaren, erreichbaren Grenzen), eingespritzt wird, entsorgt zu werden. Die in dem Reaktor erzielte hohe Temperatur verursacht eine vollständige Dissoziation der Molekülbindungen des zu behandelnden Materials und seine Sublimation.
Wie in dem vorstehend erwähnten US-Patent 5 337 683 beschrieben, wird das Verfahren vorzugsweise durch Halten eines Drucks zwischen 30 und 100 bar innerhalb des Reaktors ausgeführt, obwohl die Anwendung von niederen Drücken, auch nur leicht oberhalb Atmosphärendruck, nicht ausgeschlossen ist, um in jedem Fall vollständigen Molekülzerfall von Materialien und deren Sublimation innerhalb des Reaktors hervorzubringen, wenn sich einmal die am meisten geeigneten Anwendungszeiten und Temperaturen für die Art des zu behandelnden Materials eingestellt haben.
Ein weiteres Verfahren wird in der WO 02/081970 des gleichen Anmelders beschrieben, wobei das Verfahren das vorstehend beschriebene Verfahren verbessert, wodurch der Druck innerhalb des Reaktors durch Modulieren desselben zwischen einem minimalen Wert und einem maximalen Wert, gemäß den vorbestimmten Variationsregeln, reguliert werden kann, was somit die Ausbeute erhöht, und die Zeit vermindert, die für den vollständigen Zerfall der Molekülbindungen des Materials innerhalb des Reaktors erforderlich ist, ohne dadurch übermäßig hohe Temperaturen und Drücke zu erfordern, die eine Erhöhung im Aufbau und in der Konstruktionskomplexität des Reaktors ergeben würden.
Jedoch die dem Verfahren innewohnenden Übergänge sichern nicht bei jedem Moment während des Reaktionsverlaufs und für jeden Typ an Verbrennungsmaterial, die Abwesenheit von relativ kalten Zonen des Reaktors, wo die flüchtigen organischen Substanzen, die durch das Erhitzen des Verbrennungsmaterials erzeugt werden, sich erneut vereinigen können, um Substanzen zu bilden, die kinetisch das Oxidieren verlangsamen, thermisch stabiler sind und leider toxischer sind, wie Dioxine, Furane und Polyaromaten.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist deshalb, ein Verfahren und eine Anlage bereitzustellen, die den vorstehend erwähnten Erfordernissen in den meisten Fällen genügen, und die gleichzeitig wirksam, leicht einzubauen und sehr zuverlässig bei der Anwendung sind.
US 4 925 389 offenbart eine Vorrichtung zum Behandeln von Abfallmaterialien, die organische Verunreinigungen enthalten, die im Wesentlichen aus den nachstehenden Teilen besteht:

– einem direkt beschickten Drehofen 13, worin es eine Brennereinheit 21 gibt, worin das zu behandelnde Material zugeführt und in Gegenwart von Luft verbrannt wird. Die Aschen werden an dem Ausgabeende 25 abgelassen.
– Eine zweite Verbrennungseinheit 37, worin die in dem Ofen 13 erzeugten Abgase behandelt werden. Die Einheit schließt einen Brennerabschnitt 39 ein, in dem die Abgase hohen Temperaturen unterzogen werden. In Zonen 111 und 113 von der Einheit wird eine Turbulenz derart gebildet, dass alle von den Teilchen, Gase und Dämpfe in der Kammer einer im Wesentlichen gleichförmigen hohen Temperatur unterzogen werden. Einheit 37 schließt einen Kühlabschnitt 43 ein, in dem Wassersprühungen die Gase kühlen, und suspendierte Stoffe veranlassen, in einen Sammelbehälter 47 zu fallen. Nach Passieren des Reinigungsgassystems 53 wird das Gas in die Atmosphäre mit Hilfe eines Gebläses 56 abgelassen, das in dem gesamten System einen konstanten negativen Druck hält.

EP 416 533 D2 offenbart ein Verbrennungsverfahren, umfassend die nachstehenden Schritte:

(A) Bereitstellen von verbrennbarem Dampf in einer Verbrennungszone;
(B) Bereitstellen von Oxidationsmittel in der Verbrennungszone, getrennt von der Bereitstellung des verbrennbaren Dampfes;
(C) Liefern von zerstäubter Flüssigkeit (zum Beispiel Wasser, siehe die Beispiele) in die Verbrennungszone, getrennt von dem Oxidationsmittel, und wobei der verbrennbare Dampf Kühlmittel für die Verbrennungszone bereitstellt;
(D) Mischen von Kühlmittel mit dem verbrennbaren Dampf und/oder Oxidationsmittel;
(E) Verbrennen des erhaltenen verbrennbaren Dampfes mit dem erhaltenen Oxidationsmittel.

Das Oxidationsmittel 9 wird in den Reaktor mit einer derart hohen Geschwindigkeit eingespritzt, dass eine starke Gasrückzirkulation innerhalb des Reaktors eingestellt wird, die wesentlich ist, um Temperaturgleichförmigkeit durch Aufbrechen von Schichtbildung und Taschen an Gasen zu erreichen.
US 6 029 588 beschreibt die Verbrennung von verbrennbaren Materialien, einschließlich toxischen Mülls, in einem rotierenden zylindrischen Reaktor, der mit dem verbrennbaren Material gespeist wird, mit dem Comburent bzw. Verbrennungshilfsstoff, und mit vorerhitzten, recycelten Verbrennungsgasen, wobei nicht brennbare Aschen an dem Boden des Drehofens ausgegeben werden.
Jedoch die Verbrennungstemperaturspitze, die durch die Schmelztemperatur der Aschen wiedergegeben wird und das Vorliegen von unvermeidlichen Kaltzonen der Zuführungsseite (die typisch auf dem Fachgebiet sind), führen zu der Erzeugung von toxischen organischen Nebenprodukten (Dioxine und Furane, usw.), die über den Rauch getragen werden. Eine Erhöhung im Staub (flüchtige Aschen), der durch den Rauch mitgezogen wird und die Schwermetalle enthält, von denen bekannt ist, dass sie toxisch sind, wird auch beobachtet und ist besonders bemerkenswert, wenn sich die Temperatur des Reaktors erhöht. Im Ergebnis gibt es deshalb eine im Wesentlichen erhöhte Last auf die Techniken der Nachbehandlung von dem Rauch, und das Problem der organischen und anorganischen toxischen Substanzen wird von den Verbrennungsgasen zu den flüssigen und festen Phasen verschoben, wobei der Abfall davon problematisch ist (und zu dem so genannten dauerhaften Herauslösen führt).
US 5 309 850 stellt die Behandlung von Schlämmen mit hohem Feststoff- und Wassergehalt bei einem Reaktor bereit, das die Verbrennung der organischen Substanzen und Fusion der nicht brennbaren Aschen mit anschließender Verfestigung als inerte, glasartige Schlacke hervorruft. Der Reaktor wird mit Schlämmen, Verbrennungsträgern und Verbrennungsrauch versorgt, die zu dem Reaktor nach der Entfernung von Wasserdampf durch Kondensation und Wiedererhitzen zurückgeführt werden. Der Rauch hat den dualen Zweck eines thermischen Moderators und eines Trägers für die Entfernung von den großen Mengen an Wasser, die mit dem Schlamm eingeführt werden.
Obwohl der recycelte Rauch, aus dem Wasser entfernt wurde, vorerhitzt wird, beseitigt er jedoch nicht die kalten Zonen an der Zuführungsstelle des Reaktors, mit den Folgen, die auf dem Fachgebiet hinsichtlich der Bildung von toxischen organischen Substanzen bekannt sind, und die Temperaturen, die während der Verbrennung erreicht werden, erlauben nur teilweise Segregation der nicht brennbaren Aschen und insbesondere der schmelzenden Fraktion, da die flüchtige Komponente der Aschen in den Verbrennungsrauch mitgezogen wird.
Um die vorstehend angezeigte Aufgabe zu lösen, ist der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Anlage mit den in Ansprüchen 1 bzw. 13 angezeigten Eigenschaften, die der vorliegenden Beschreibung angehängt werden.
Insbesondere haben Versuche, die durch den Anmelder ausgeführt wurden, Daten verfügbar gemacht, die zu der Identifizierung der fundamentalen Eigenschaften eines Verbrennungsreaktors oder allgemeiner einer Oxidationskammer in einer erfindungsgemäßen Anlage führten. Im Einzelnen umfasst die Anlage einen Verbrennungsreaktor, der im Wesentlichen isotherm oder quasi-isotherm bei Anwendung bei hoher oder sehr hoher Temperatur ist, einschließlich der Wände, und ohne wesentlichen Sauerstoffmangel in allen seinen Teilen.
In einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Mittel zum Hervorbringen von hohem Austausch und Übertragungen von Wärme zwischen den Wänden des Reaktors und den zugeführten und Verbrennungsgasen und zwischen jenen Gasen und dem Verbrennungsmaterial (hauptsächlich mit dem festen verbrennbaren Material) durch IR-(Infrarot)-Strahlung wiedergegeben, was zu Austauschströmen und zur Wärmeüber tragung führt, die größer sind, je höher die Temperatur ist (proportional zu T⁴).
In überraschender Weise wurde gefunden, dass die Verbrennung mit Sauerstoff Gemische von Gasen mit einer hohen Konzentration (größer als ungefähr 90 Volumenprozent) von Verbindungen ergibt, die starke Absorptionsmittel-Emittierer von IR-Strahlung sind, wie CO₂ und H₂O (insbesondere das Letztere), das heißt, die „opake" Gase sind, und weiterhin, dass diese innewohnende Eigenschaft weiter durch das Erhöhen der Volumendichte von jenen Gasen verstärkt werden kann, das heißt, der Gesamtdruck der Verbrennungskammer.
In ähnlicher Weise wurde auch in überraschender Weise gefunden, dass während der Verbrennung mit technischem Sauerstoff, das Mischen des kalten Sauerstoffs mit dem Verbrennungsrauch (in einer Konzentration größer als 10 Volumenprozent und vorzugsweise größer als 60 Volumenprozent) ein Gemisch erzeugt, das einen hohen Grad an „Opazifizierung" des Verbrennungsträgers sichert, und auch beim Erzeugen unter Druck, und deshalb in einem bestrahlten Reaktor fast beispielhaftes Erhitzen des Verbrennungsträgers sichert, der zu Temperaturen oberhalb 1300°K gespeist wird.
Die großen kalten Zonen in der Nachbarschaft der Zuführung, die typischerweise Verbrennungsträger des Standes der Technik mit Sauerstoff und/oder Luftverbrennungsträger darstellen (im Hinblick auf die Tatsache, dass sowohl Sauerstoff O₂ als auch Stickstoff N₂ Gase darstellen, die transparent zu IR sind), können somit in der vorstehend erwähnten besonderen Ausführungsform der Erfindung entfernt werden.
Ein Vorteil des vorstehend ausgewiesenen Verfahrens wird auch bei der Bestimmung des Stroms von recycelten Gasen deutlich. Es ist auf dem Fachgebiet eine bekannte Tatsache, dass die recycelten Gase aufgrund eines nennenswerten Wärmeunterschieds zwischen dem Input und dem Output des Reaktors die Funktion des Sicherns des Wärmeausgleichs einer kontinuierlich betriebenen Anlage durch Entfernen der überschüssigen Reakti onswärme ausführen können. Die minimale Recycling-Fließrate von Gasen, die ausgewählt ist, um den Einfluss auf das Reaktionsvolumen zu minimieren, wird von niederen Temperaturen der recycelten Gase (unmittelbar oberhalb des Taupunkts der Verbrennungsgase, das heißt ist etwa 500°K, zum Vermeiden der Anwendung von Materialien, die in einem hohen Grad in Kontakt mit sauren Kondensaten gebunden sind) begleitet. Das vorstehend beschriebene, sofortige Erhitzen des recycelten Stroms ermöglicht, dass die Recyclingtemperatur auf das Minimum vermindert wird. Vorzugsweise werden die Rückzirkulationsgase, die sich aus der Verbrennung ergeben, bei minimierter Fließrate und/oder Temperatur zugeführt, sodass das Gesamtvolumen des Gases in dem Reaktor für eine gegebene Zeit, die in dem Reaktor durch die Gase verbleiben kann, minimiert und die Entfernung von Reaktionswärme aus dem Reaktor gesichert wird.
In der vorliegenden Erfindung wird deshalb, im Gegensatz zu den Lehren von US 5 309 850 und US 6 029 588 , die den Abzug des Recyclingstroms von dem Rauch nach Abtrennung des Wassers durch Kondensation und Vorerhitzen vor dem Recycling zu dem Reaktor bereitstellen, das Vorliegen des Wassers in dem Recyclingstrom anstatt dessen unterstützt, um die ausstrahlenden Ströme, weg von und zu dem Gas in jedem Teil der Reaktionskammer zu verstärken, zu dem Ausmaß des möglichen Bereitstellens für die Einspritzung von Wasser in den Recyclingstrom, zum Beispiel für vorherrschende Kohlenstoffmaterialien und Materialien mit niedrigem Feuchtigkeitsgehalt, damit die Konzentration des Wassers in dem Rezirkulationsstrom auf mindestens mehr als 10 Volumenprozent, vorzugsweise mehr als 20 Volumenprozent und auch bevorzugter mehr als 30 Volumenprozent gebracht wird. Die Einführung des Wassers in den Rezirkulationsstrom kann bis zum gesamten Austausch des Rauchs als dem Recyclingmittel führen. Jedoch ist es nicht ratsam, so weit von dem Optimum zu gehen, dass der absteigende Teil abgedeckt wird, was aufgrund des Vorherrschens der negativen Effekte der Reduktion des nutzbaren Reaktionsvolumens entsteht, wegen des unvorteilhaften Unterschieds von der molaren spezifischen Wärme von Wasser, im Vergleich mit Kohlendioxid.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein im Wesentlichen kontinuierliches Verfahren deshalb aufgebaut und implementiert in einem kompakten Reaktor mit begrenzten Abmessungen, vorzugsweise, jedoch in nicht begrenzender Weise mit einer keramischen Auskleidung, mit Hilfe der Anwendung von technischem Sauerstoff und von Druck, bei hohen oder sehr hohen Temperaturen (vorzugsweise oberhalb 1900°K), und deshalb mit hohem Energieaustausch zwischen den Wänden, zwischen den Gasen und den Wänden, und umgekehrt, unter schnellem Erhitzen des brennbaren Materials und des Verbrennungsträgers durch Bestrahlung, im Wesentlichen sehr nahe zu dem isothermen Profil, das eines der Haupteigenschaften der vorliegenden Erfindung ausmacht.
Eine weitere vorteilhafte Eigenschaft der Erfindung ergibt sich aus der Tatsache, dass in überraschender Weise gefunden wurde, dass der Reaktionsdruck moduliert werden kann (von atmosphärischem Druck, vorzugsweise bis zu etwa 600 kPa), in Abhängigkeit von der Art des Mülls, um für jeden Teil des Reaktors eine große Menge Sauerstoff pro Einheitsreaktorvolumen in einem begrenzten Volumen (auf dem Fachgebiet als Hold-up bekannt), trotz der Verminderung in der Dichte des Gase aufgrund von hohen Temperaturen, zu sichern. Unterschiede in den Verbrennungsphasen (Blitz bzw. Flash, Teer, Kohle) entstehen tatsächlich mit Variationen im Typ des zu behandelnden Materials und insbesondere, im Ergebnis der Variabilität der Eigenschaften, auch des gleichen Abfallmaterials oder Mülls; diese Unterschiede ergeben Situationen von plötzlichen und lokalen Sauerstoffverbrauchsspitzen, die nicht nachweisbar sind und in jedem Fall nicht durch normalen, herkömmlichen Sensor und normale, herkömmliche Kontrollsysteme korrigiert werden können. Der Hold-up von Sauerstoff eröffnet einen Passivschutz gegen die Bildung von Sauerstoffmangelzonen innerhalb des Reaktors, aufgrund des hohen Partialdrucks von Sauerstoff, der für eine gegebene Konzentration bei dem Output von dem Reaktor anwendbar ist; das heißt, ohne die Verschwendung von Sauerstoff, die sich ergeben würde, wenn große Überschüsse davon, bezogen auf die stöchiometrische Menge, die für die theoretisch korrekte Verbrennung notwendig ist, anzuwenden wären.
Eine weitere vorteilhafte Eigenschaft der Erfindung ergibt sich aus der weiteren überraschenden Beobachtung der Wirksamkeit, mit der der Reaktor der vorliegenden Erfindung auf nicht brennbarer Schlacke betrieben werden kann. Es wurde beobachtet, dass die hohe Heizrate des brennbaren Materials (fest oder von der festen Fraktion) durch Bestrahlung, im Gegensatz zum Stand der Technik (zum Beispiel US 5 309 850 ), zu einer beträchtlichen Verminderung in der Staubfraktion führt, die aus dem Reaktor mit den verbrannten Gasen mitgerissen wird, und eine parallele Erhöhung von der geschmolzenen flüssigen Asche, die in dem Reaktor segregiert ist, ergibt. Es wird jedoch angenommen, dass, jedoch ist diese Interpretation nicht begrenzend, der kompakte Reaktor mit niedrigen Gasdurchgangsgeschwindigkeiten und hoher Heizrate eine Fusionskonkurrenz bei der Entfernung der staubenden Aschen durch die Gase erzeugt. Darüber hinaus führt die geringe Bildung von flüchtigen Aschen, auch bei der Zuführung von brennbaren Materialien mit einem hohen Gehalt der Staubfraktion, zu der Annahme, obwohl diese Interpretation nicht als begrenzend betrachtet werden sollte, dass der hohe Strahlungsgrad des Verfahrens auch zu der Verflüssigung von flüchtigen Aschen führt, wo immer das Gas auch herkommt, und dass das Koaleszenzphänomen auf den flüssigen Teilchen wirkt; wobei es aufgrund der elektrischen Ladungen gut bekannt ist, dass dieses Phänomen nicht auf festen Teilchen von flüchtigen Aschen aktiv ist.
Um die Extraktion der geschmolzenen Schlacke von dem Reaktor zu erleichtern, ist es bevorzugt, jedoch nicht wesentlich, Verschlacker, wie Siliziumdioxid und/oder Alkalimetalloxide, zu dem zugeführten brennbaren Material hinzuzufügen, mit Prozentsätzen, die von dem Aschegehalt des zugeführten brennbaren Materials abhängen.
Die geschmolzene Schlacke wird vorzugsweise gekühlt und als Kugeln verfestigt, um zu sichern, dass die toxischen Schwermetalle, die in der nicht brennbaren Schlacke enthalten sind, vollständig inert gemacht werden, sodass die Freisetzung von Schwermetallen unterhalb der legalen Grenzen gemäß der Solubilisierung in dem Essigsäuretest ist.
Insgesamt kann das erfindungsgemäße Verfahren über einen breiten Bereich von Materialtypen in der physikalischen Form von Feststoffen, granulären Feststoffen, Flüssigkeiten und Schlämmen, die Herstellung an dem Mund des Reaktors von Verbrennungsrauch mit einem sehr niedrigen TOC (in der Größenordnung von Parts per million – ppm) und mit einem sehr niedrigen flüchtigen Aschegehalt sichern. Dies vereinfacht im Wesentlichen die Techniken für die Nachbehandlung des Verbrennungsrauchs, und macht die Entsorgung der flüssigen/festen Phasen aus, die in der Nachbehandlung verwendet werden, umweltmäßig weniger problematisch.
Mit Bezug auf eine weitere vorteilhafte Eigenschaft der vorliegenden Erfindung wurde beobachtet, dass im Allgemeinen die Leistung eines Verfahrens auch von einem wirksamen Kontroll- und Managementsystem abhängt. Insbesondere wurde es beobachtet, dass es ein unterscheidbares Merkmal von Abfallmaterialien und Müll ist, eine wirksame Charakterisierung zu umgehen bzw. nicht zuzulassen, die genau die Eigenschaften des Materials, das zu dem Reaktor zugeführt wird, wiedergeben kann. Bemühungen in dieser Richtung, insbesondere ausgedehnte Charakterisierungen, die durch statistisches Probennahme- und Bewertungsverfahren unterstützt werden, können dieses sich unterscheidende Merkmal von Abfallmaterial und Müll nicht überwinden. Im Ergebnis stellen insbesondere effiziente Optimierung und effizientes Kontrollverfahren, wie MIMO (Mehrfach-Input/Mehrfach-Output), nicht befriedigende Ergebnisse für die Leistung der Verfahren und für die Optimierung der Kosten, im Hinblick auf Unbestimmtheiten bezüglich der Eigenschaften des Materials, das Stück um Stück dem Reaktor zugeführt wird, bereit. Die Idee wurde deshalb beim Verschieben der Aufmerksamkeit der Inputparameter zu den Outputparametern des Reaktors aufgenommen. Es wurde in überraschender Weise – im Gegensatz zum Stand der Technik – gefunden, wenn Kontroll- und Optimierungsmodelle die Outputparameter des Reaktors in die Mitte gestellt haben, geeignet angepasst, zum Beispiel durch Beschleunigen der Reaktionszeiten der analytischen Sensoren, um dieselben mit den Zeiten vergleichbar zu machen, die charakteristisch für das Phänomen, das in die Reaktion einbezogen ist, sind, kann die Anzahl an effektiven Voraussagen für die Steuerung und für die Optimierung des Betriebs im Wesentlichen verbessert werden, während Efflutionsmittelqualität und Sicherheitsleistung vollständig damit übereinstimmen.
Grundsätzlich haben die Anlage und das erfindungsgemäße Verfahren verschiedene Vorteile, die sind: Die Bereitstellung eines Reaktors, der in der Regel isotherm oder quasi-isotherm bei hoher Temperatur ist; die Anwendung von Rezirkulationsgasen, die quantitativ minimiert werden, unter Minimieren der Temperatur, die jedoch als solche unter Druck ermöglichen, eine gleichförmig hohe Temperatur in dem Reaktor zu erreichen, wobei ein Druck, größer als Atmosphärendruck, vorzugsweise, jedoch in nicht begrenzter Weise, in dem Reaktor gehalten wird, um auch den maximalen Hold-up von Sauerstoff pro Einheitsvolumen anzuwenden, der ungesteuerte Fluktuationen in Verbrennungs-gestützter Anforderung absorbieren kann; sofortige Verschmelzung in dem Reaktor der Substanzen, die nicht gasförmig gemacht werden können, unter Bewahren derselben vor dem Zerfall als Staub, der in den Verbrennungsgasen mitgerissen wird; und Steuern der Outputparameter des Reaktors, um Fluktuationen aufgrund der Nicht-Homogenität der zu dem Reaktor zugeführten Materialien zu steuern.
Weitere Charakterisierungen und Vorteile werden aus der nachstehenden Beschreibung im Einzelnen von einer bevorzugten Ausführungsform deutlich, die mit Hilfe von nicht begrenzendem Beispiel, mit Bezug auf die beigefügte 1, angegeben wird, die einen erläuternden Entwurf des Reaktors und des grundsätzlichen Reaktionskreislaufes einer Anlage, die gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet wurde, zeigt.
Mit Bezug nun auf 1 umfasst eine Anlage für die Behandlung von Materialien einen Oxidationsreaktor oder eine Kammer 10 mit mindestens einer Inputöffnung 11, durch die das zu behandelnde Material zugeführt wird. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Anlage feste Materialien in groben Stücken behandeln, die mit Hilfe eines Zuführers 12 mit Hilfe einer Antriebskammer 13 beladen werden, sowie granuläre Materialien, die mit Hilfe eines Zuführers 14 beladen werden, und Flüssigkeiten, die im Allgemeinen sowohl Gemische von Wasser und suspendierten und sedimentierten Feststoffen und viskosem Pech und viskosen Schlämmen aus verschiedenen Dichten und Zusammensetzungen umfassen, die in den Reaktor mit Hilfe eines Zuführers 15 beladen werden. Gasförmige Materialien können auch in den Reaktor 10 mit Hilfe eines Beladers, der im Allgemeinen mit 16 bezeichnet wird, beladen werden.
Der Reaktor 10 kann auch einen Input 17 umfassen, durch den Sauerstoff, aus einer Leitung 18 kommend, zugeführt wird, mit einem Anteil von rezirkuliertem Rauch, der aus Leitung 19 gemäß Verfahren kommt, die aus dem nachstehenden Teil dieser Beschreibung deutlicher werden, vermischt wird. Ein vorbestimmter Dampfstrom kann auch zu der Leitung 19 in einem variablen Verhältnis gemäß dem behandelten Material zugesetzt werden. Die Fließrate von Sauerstoff wird automatisch auf der Grundlage des Voreinstellungsüberschusses in dem Strom 25, Output aus dem Reaktor 10, innerhalb vordefinierter Bereiche, auf der Grundlage der Menge und Qualität des zu dem Reaktor zugeführten Materials, das vorzugsweise, jedoch in nicht begrenzender Weise, zu dem Reaktor in kleinen und häufigen Beladungen hinzugefügt wird, reguliert werden.
Der Reaktor 10 umfasst eine Schale, vorzugsweise hergestellt aus Metall und ausgekleidet mit einer keramischen Beschichtung, und äußerlich durch Kühlwasser, das aus dem Zuführer 20 stammt, gekühlt. Die nicht brennbare Schlacke, die innerhalb des Reaktors erzeugt wird, sammelt sich auf seinem Boden 21, der gegen eine Output-Leitung 22 geneigt ist, die vorzugsweise, jedoch in nicht begrenzender Weise, ein Rohr, hergestellt aus einem Material mit einem hohen Schmelzpunkt (zum Beispiel Molybdän, Tantal oder Wolfram, behandelt, um oxidationsbeständig zu sein, oder Siliziumcarbid), das erhitzt wird, um die Schlacke flüssig zu halten, umfasst, und wird in der Nachbarschaft eines Verschlussendes 23 von dem Reaktor 10 abgeschieden. Die flüssige Schlacke wird in einem Wasserbad („gequencht") schnell gekühlt, mit der Bildung von festen bzw. kompakten Kugeln, um eine sehr verdünnte Schlacke in Wasser zu bilden, die dann kontinuierlich von einem Sammelbehälter 24 zur anschließenden Filtration und Entsorgung durch bekannte Mittel, zum Beispiel mit Hilfe eines Filters (nicht gezeigt), geschickt wird.
Eine Output-Leitung 25 wird an dem Verschlussende 23 von dem Reaktor 10 bereitgestellt und führt das Gas, das innerhalb des Reaktors 10 erzeugt wird, gegen Mittel zum Aufnehmen von Energie durch den Austausch von Wärme des Gas-Outputs aus dem Reaktor durch bekannte Systeme, wobei das Mittel nachstehend der Einfachheit halber der Beschreibung durch den Begriff „Kessel" identifiziert wird, welcher in seinem breitesten Sinne verstanden werden soll. Ein solcher Kessel 26, der vorzugsweise, jedoch in nicht begrenzender Weise von dem Typ mit Rauchröhren, ist, erzeugt und übererhitzt Dampf von dem Zuführungswasser, das aus einer Leitung 27 kommt. Der übererhitzte Dampf verlässt den Kessel 26 durch eine Leitung 35 und wird für allgemein bekannte Anwendungen, zum Beispiel für die Zuführung zu einer Turbine oder dergleichen, geschickt.
Vor dem Eintritt in den Kessel 26 wird der Gas-Output von dem Reaktor 10 durch die Leitung 25 mit dem Moderator Re cyclinggas, zugeführt durch eine Leitung 28, vermischt. Das Moderator Recyclinggas gibt einen Teil des Gas-Outputs von dem Kessel 26 durch eine Leitung 29 wieder, gegebenenfalls weiter gekühlt durch ein herkömmliches System (nicht gezeigt) und erneut unter Druck gesetzt mit Hilfe eines Gebläses 30. Der Teil des Moderator Recyclinggases, der nicht zu der Leitung 28, die mit dem Gas-Output aus dem Reaktor 10 zu vermischen ist, geschickt wird, wird gegen eine Leitung 31 geschickt, auf der ein Regulierungssystem 32 wirkt, unter Beisetzen einer gesteuerten Menge an Gas in die Leitung 19, um dasselbe zu vermischen, wie vorstehend beschrieben, mit dem zu dem Input des Reaktors 10 durch die Leitung 18 zugefügten Sauerstoff. Die Funktion des Stroms, der durch die Leitung 31 gelangt, ist auch, den Wärmeausgleich des Reaktors mit Hilfe eines nennenswerten Input/Output-Wärmeunterschieds zu sichern, um die Hauttemperatur der Beschichtung am Überschreiten der Grenzen, die für spezielle feuerfeste Materialien erlaubt sind (etwa 2130°K), zu hindern. Der Regulator 32 wird deshalb auf der Grundlage des Temperatursensors an dem Output von dem Reaktor 10 in dem Strom, der durch die Leitung 25 gelangt, moduliert.
Die Rezirkulationsgase, die den Wärmeausgleich der Anlage sichern, arbeiten kontinuierlich, durch Entfernen von überschüssiger Reaktionswärme, aufgrund des nennenswerten Wärmeunterschieds zwischen dem Input und dem Output von dem Reaktor und werden bei der minimalen Temperatur recycelt, die mit dem normalen Kühlmittel kompatibel ist und vorzugsweise gerade oberhalb des Taupunkts liegt.
Der Teil an Gas-Output von dem Kessel 26, der nicht zu der Leitung 29 recycelt wird, wird durch ein Ausdehnungsventil 33 ausgedehnt bzw. expandiert und anschließend zu einer Rauchleitung 34 von einem allgemein bekannten Typ geschickt. Ein Teil von diesem Output-Gas wird vorzugsweise durch eine Leitung 36 abgezogen, und verwendet, um die Brennkammer 13 für die periodische Zumischung des festen Materials in den Reaktor 10 unter Druck zu setzen.
Die verschiedenen Komponenten der vorstehend beschriebenen Anlage werden vorzugsweise auf einem oder mehreren Schlitten zum leichten Transport und Befestigen der Anlage am Anwendungsort befestigt.
Das Verfahren für die Behandlung der Materialien, das durch die vorstehend beschriebene Anlage implementiert ist bzw. ausgeführt wird, wird als ein Ganzes durch einen elektronischen Prozessor gesteuert, der sichert, dass die Verbrennungsgase innerhalb des Reaktors 10 für einen vorbestimmten Minimumzeitraum verbleiben, vorzugsweise, jedoch in nicht begrenzender Weise, von etwa 2 Sekunden, bei einer vorher bestimmten, garantierten gleichförmigen minimalen Temperatur, vorzugsweise, jedoch in nicht begrenzender Weise, von etwa 1500°C.
Insbesondere wird der Verbrennungshilfsstoff, der in den Reaktor 10 zugeführt wird, und der ein proportional vorbestimmtes Gemisch von Sauerstoff (Gas, transparent für IR) und Moderator Recyclinggas umfasst, wird sofort bestrahlt, weil er stark opak für Infrarot ist. Dieses Verhalten wird durch die Abwesenheit, oder geringe Konzentration, im Fall der Anwendung von angereicherter Luft, von Stickstoff (ein Gas, das für IR transparent ist), in dem Verbrennungshilfsstoffgemisch und durch das vorwiegende Vorliegen, anstelle von Kohlendioxid und von Wasser (in bemerkenswerter Weise das Letztere), woraus das Moderator Recyclinggas aufgebaut ist, gesichert. Bei den hohen Reaktorhaut-Arbeitstemperaturen werden das Wasser und das Kohlendioxid, die in das Verbrennungshilfsstoffgemisch zugeführt werden, zusammen mit dem Sauerstoff, vorzugsweise, jedoch in nicht begrenzender Weise, wenn das Verfahren unter Druck läuft, selbst optimale Absorptionsmittel von Infrarotenergie. Andererseits verhalten sich das recycelte Gas und der Rauch, die erzeugt werden, als effiziente Emittierer von Infrarotenergie, die, auch aufgrund der Arbeitsdrücke von dem Reaktor 10, die vorzugsweise, jedoch in nicht begrenzender Weise, zwi schen 0,5 und 6 bar, liegen, somit das Halten einer gleichförmigen Temperatur innerhalb des Reaktors 10 ermöglichen.
Das Kontrollsystem ist für die Implementierung einer ausgleichenden Regulierung angeordnet, welches eine Bestimmung anwendet, die nicht durch das Gewicht des zugeführten Materials gestaucht wird, mit Hilfe einer Messung in den Beladungssystemen, bei einer Position stromaufwärts von den Fortbewegungskammern. Das Kontrollsystem interveniert unverzüglich, um die Temperatur und die Zeit, die durch die Gase innerhalb des Reaktors 10 oberhalb vorbestimmter, minimaler Schwellenwerte verbraucht wird, zu halten, und zweitens, bei der Fließrate des Sauerstoffs und bei der Fließrate von dem Müll, das heißt, bei der Beladungshäufigkeit davon, um eine gute Qualität der Gas-Outputs aus dem Reaktor 10 zu sichern. Ein MIMO-(Mehrfach-Input/Mehrfach-Output)-Code verwendet andererseits einen breiteren Bereich von Betriebsdaten, und insbesondere Messungen der Zusammensetzung der Gase an dem Output des Reaktors, die mit charakteristischen Reaktionszeiten von etwa, jedoch in nicht begrenzender Weise, 2 Sekunden ausgeführt werden, und berechnet Strategien zum Optimieren des Betriebs für eine befriedigende Produktivität des Materialbehandlungsverfahrens und für die Verminderung von Einheits- und Laufkosten.
Natürlich können, sofern das Prinzip der Erfindung das Gleiche bleibt, die Ausführungsformen und Einzelheiten des Aufbaus von jenen, die beschrieben und erläutert wurden, variieren, ohne allerdings vom Umfang der vorliegenden Erfindung, wie sie in den Ansprüchen definiert wird, abzuweichen.

Claims

Verfahren zur Behandlung von Materialien, insbesondere Abfallmaterialien und Müll, wobei das zu behandelnde Material und ein Comburent bzw. Verbrennungshilfsstoff, umfassend Sauerstoff und recycelte Gase, einer Oxidationskammer oder einem Verbrennungsreaktor zugeführt werden, und während der Oxidation oder Verbrennung des vorstehend erwähnten Materials erzeugte Gase aus der Oxidationskammer oder dem Verbrennungsreaktor abgelassen werden, dadurch gekennzeichnet, dass das zu behandelnde Material, das in die Oxidationskammer oder in den Verbrennungsreaktor eingeführt wird, und die sich aus der Oxidation oder Verbrennung ergebenden Produkte gleichförmigen Temperaturbedingungen oder quasi gleichförmigen Temperaturbedingungen bei hoher oder sehr hoher Temperatur unterzogen werden, wobei Sauerstoff in einem beliebigen Teil der Kammer oder des Reaktors vorliegt; der Reaktionsdruck im Bereich von atmosphärischem Druck bis 600 kPa liegt, in die recycelten Gase Wasser eingespritzt wird, um die Konzentration an Wasser darin auf mehr als 10 Volumenprozent zu bringen.
Verfahren zur Behandlung von Materialien nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es die Zuführung von einem Comburent bzw. Verbrennungshilfsstoff, umfassend Sauerstoff, vermischt mit Gasen, die sich aus der Verbrennung ergeben, mit Wasser oder mit einer Kombination von Gasen und Wasser umfasst, um einen hohen Trübungsgrad des Verbrennungsträgers hervorzurufen, und, um fast sofortiges Erhitzen des Comburents bzw. Verbrennungshilfsstoffs zu sichern, das/der dem Reaktor zugeführt wird.
Verfahren zur Behandlung von Materialien nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die sich aus der Verbrennung ergebenden Rezirkulationsgase bei minimierter Fließrate und/oder Temperatur zugeführt werden, sodass das Gesamtvolumen an Gas in dem Reaktor für eine gegebene Gasverweilzeit in dem Reaktor klein gehalten wird, und die Abführung der Reaktionswärme von dem Reaktor gewährleistet wird.
Verfahren zur Behandlung von Materialien nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Vermischen des Sauerstoffs mit den Verbrennungsrauchgasen bei einer Konzentration der Letzteren von mehr als 10 Volumenprozent und vorzugsweise mehr als 60 Volumenprozent stattfindet.
Verfahren zur Behandlung von Materialien nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauschcharakteristik für IR-(Infrarot)-Strahlung in dem Reaktor (10) durch Erhöhen der Konzentration an Gasen, die für IR undurchsichtig sind, und der Volumendichte der Gase in dem Reaktor, insbesondere durch Erhöhen des Gesamtdrucks der Verbrennungskammer, verstärkt wird.
Verfahren zur Behandlung von Materialien nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rezirkulationsgase, die die Wärmebilanz einer kontinuierlich betriebenen Anlage sichern, durch Abführen der überschüssigen Reaktionswärme aufgrund eines nennenswerten Enthalpieunterschieds zwischen dem Input und dem Output des Reaktors, bei der minimalen Temperatur, die mit normalen Kühlmitteln kompatibel ist und vorzugsweise gerade oberhalb des Taupunktes liegt, recycelt werden.
Verfahren zur Behandlung von Materialien nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Recyclinggase, die die Wärmebilanz sichern, vollständig oder teilweise aus Dampf aufgebaut sind.
Verfahren zur Behandlung von Materialien nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktionsdruck, in Abhängigkeit von der Art des zu behandelnden Materials, das dem Reaktor zugeführt wird, moduliert wird.
Verfahren zur Behandlung von Materialien nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Substanzen, die in dem Reaktor nicht in Gas umgewandelt werden können, aufgrund der hohen Heizrate des Verbrennungsmaterials in dem Reaktor sofort geschmolzen werden, insbesondere seine feste Fraktion, sodass die Fraktion von Staub, der aus dem Reaktor mit den verbrannten Gasen mitgerissen wird, auf einen vernachlässigbaren Wert vermindert wird.
Verfahren zur Behandlung von Materialien nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die geschmolzene Schlacke gekühlt und zu Kugeln verfestigt wird, damit gesichert ist, dass toxische Schwermetalle, die in der nichtverbrennbaren Schlacke enthalten sind, vollständig inert gemacht werden.
Verfahren zur Behandlung von Materialien nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es einen MIMO-(Mehrfach-Input/Mehrfach-Output)-Steuerungs- und Optimierungsvorgang umfasst, der auf die Parameter beim Output des Reaktors und insbesondere bei bzw. nach der Messung der Gaszusammensetzung beim Output des Reaktors fokussiert wird.
Verfahren zur Behandlung von Materialien nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Messungen der Gas-Zusammensetzungsdaten mit charakteristischen Ansprechzeiten von etwa 2 Sekunden ausgeführt werden.
Anlage zur Behandlung von Materialien, insbesondere Abfallmaterialien und Müll, umfassend eine Oxidationskammer oder einen Verbrennungsreaktor (10), zu der/dem das zu behandelnde Material gegeben werden kann und die/der ein Input (17) für ein Comburent bzw. einen Verbrennungshilfsstoff, umfassend Sauerstoff und recycelte Gase, und ein Output (34) für die während der Oxidation oder Verbrennung des vorstehend erwähnten Materials in der Kammer oder dem Reaktor (10) erzeugten Gase, einschließt, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidationskammer oder der Verbrennungsreaktor im Wesentlichen bei gleichförmigen Temperaturbedingungen oder quasi gleichförmigen Temperaturbedingungen bei Anwendung bei hoher oder sehr hoher Temperatur betrieben wird, wobei Sauerstoff in einem beliebigen Teil des Reaktors vorliegt, der Reaktionsdruck im Bereich von Atmosphärendruck bis 600 kPa liegt, Wasser in die recycelten Gase eingespritzt wird, um die Konzentration an Wasser darin auf mehr als 10 Volumenprozent zu bringen.
Anlage zur Behandlung von Materialien nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände des Reaktors (10) ein keramisches Auskleidungsmaterial umfassen.
Anlage zur Behandlung von Materialien nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel (26) zum Kühlen der während der Verbrennung erzeugten Gase, Mittel (29, 30) zum Abziehen und Recyceln eines Teils der gekühlten Gase, die zum Vermischen des Sauerstoffs am Input zu dem Reaktor (10) bereitgestellt werden, und Er zeugen eines Comburent- bzw. Verbrennungshilfsstoffgemisches, das für Infrarot undurchsichtig ist, umfasst.
Anlage zur Behandlung von Materialien nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittel (26) Mittel zum Wiedergewinnen von Energie von dem hohen Enthalpiewert der Gase, die aus dem Reaktor (10) ausgegeben werden, umfassen.
Anlage zur Behandlung von Materialien nach Anspruch 15 oder Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel (28) zum Vermischen eines Teils der recycelten Gase mit den Gasen, die aus dem Reaktor ausgegeben werden, vor deren Eintritt in die Kühlmittel (26) umfasst.
Anlage zur Behandlung von Materialien nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel für das Beibehalten eines Drucks, mehr als Atmosphärendruck, in dem Reaktor (10) bei Anwendung umfasst.
Anlage zur Behandlung von Materialien nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel zum selektiven Modulieren des Drucks in dem Reaktor im Wesentlichen von Atmosphärendruck bis zu einem Druck mehr als Atmosphärendruck, in Abhängigkeit von der Art des in den Reaktor zugeführten Materials, umfasst, um bei Anwendung ein Aufrechterhalten von Sauerstoff pro Einheitsvolumen des Reaktors in jedem Teil des Reaktors zu gewährleisten.
Anlage zur Behandlung von Materialien nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Vielzahl von Zuführungen (12, 14, 15, 16) zum Zuführen verschiedener Materialien zu dem Reaktor (10), insbesondere feste Materialien in Stücken, granuläre Materialien, flüssige oder Schlammmaterialien und/oder gasförmige Materialien, umfasst.
Anlage zur Behandlung von Materialien nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens eine Antriebskammer (13) für die unter Druck gesetzte und diskontinuierliche Zuführung von festen Materialien in Stücken in den Reaktor (10) umfasst.
Anlage zur Behandlung von Materialien nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebskammer eine Leitung (36) für die Zuführung von Gas unter Druck, abgezogen von der Output-Leitung (34), umfasst.
Anlage zur Behandlung von Materialien nach einem der Ansprüche 13 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (10) einen Bodenteil (21) umfasst, der zum Sammeln von fluider bzw. fließfähiger, geschmolzener Schlacke zu einer erhitzten Leitung (22) geneigt ist und damit kommuniziert.
Anlage zur Behandlung von Materialien nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammelleitung (22) mit einem Behälter (24) zum Sammeln der flüssigen Schlacke kommuniziert, die schnell in einem Wasserbad zur Bildung von festen Kugeln gekühlt wird, sodass eine verdünnte Wasseraufschlämmung gebildet wird.
Anlage zur Behandlung von Materialien nach Anspruch 23 oder Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammelleitung (22) Heizmittel zum Fließfähig-Halten der Schlacke umfasst.
Anlage zur Behandlung von Materialien nach einem der Ansprüche 13 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass sie Sensormittel zum Messen von Output-Parametern des Reaktors (10), ein Steuerungs- und Verwaltungssystem, das die Signale der Sensormittel aufnimmt, um im Wesentlichen die Anzahl an wirksamen Vorhersagen für einen Eingriff in die Arbeitsbedingungen der Anlage zu verbessern, und um Fluktuationen aufgrund von Nicht-Homogenität der Materialien, die dem Reaktor zugeführt werden, zu steuern bzw. zu regeln.
Anlage zur Behandlung von Materialien nach einem der Ansprüche 13 bis 26, die nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 betrieben wird.