DE69627822T2

DE69627822T2 - Abstimmbarer, selbstangetriebener integrierter lichtbogenplasma-schmelzofen für abfallbehandlung und rohstoffrückgewinnung

Info

Publication number: DE69627822T2
Application number: DE69627822T
Authority: DE
Inventors: H. Charles TITUS; R. Daniel COHN; E. Jeffrey SURMA
Original assignee: Cohn Daniel R Chestnut Hill; Battelle Memorial Institute Inc
Current assignee: Cohn Daniel R Chestnut Hill; Battelle Memorial Institute Inc
Priority date: 1995-02-02
Filing date: 1996-02-02
Publication date: 2004-03-11
Anticipated expiration: 2016-02-03
Also published as: AU711952B2; US6127645A; EP0807154A2; ATE239067T1; US6160238A; EP0807154B1; US5756957A; US5811752A; DE69627822D1; NZ305522A; WO1996024441A3; AU6347096A; CN1130441C; CN1179172A; CA2212152A1; US5798497A; US6037560A; JPH10513255A; PT807154E; CA2212152C

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Systeme zur Abfallumwandlung und insbesondere auf unabhängig steuerbare Lichtbogenplasma-Schmelzofenkombinationen mit Stromheizung als integrierte Systeme, um eine einstellbare Abfallbehandlungs- und Stromerzeugungseinrichtung bereitzustellen.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die Entsorgung von städtischem Feststoffabfall (MSW) und anderem Abfall ist über die vergangenen Jahrzehnte wegen Platzbeschränkungen für Deponien und Problemen, die mit der Standortwahl für neue Verbrennungsöfen verbunden sind, ein bedeutendes Problem geworden. Außerdem führte ein erhöhtes Umweltbewußtsein zu einer größeren Sorge vieler großer Stadtgebiete und des Landes als Ganzes, sicherzustellen, daß die Entsorgung von Feststoffabfall richtig gehandhabt wird. Siehe z.B. USA EPA, The Solid Waste Dilemma: An Agenda for Action, EPA/530-SW-89-019, Washington, D.C. (1989).
Es wurden Versuche unternommen, das Volumen zu reduzieren und den Energieinhalt von MSW durch Verbrennung und gleichzeitige Energieerzeugung zurückzugewinnen. Der herkömmliche Müll-zu-Energie-Verbrennungsofen verarbeitet den festen brennbaren Anteil des Abfallstroms, erzeugt Dampf, um eine Dampfturbine anzutreiben, und erzeugt als Folge des Verbrennungsvorgangs ein Abfallaschematerial. Typischerweise wird die Asche auf einer städtischen Deponie vergraben. Derzeitige Entwicklungen und jüngere Verordnungen können jedoch fordern, daß solches Material auf Deponien verfrachtet wird, die für Sondermüll zugelassen sind. Dies erhöht die Ascheentsorgungskosten wesentlich. Darüber hinaus gibt es eine angestiegene öffentliche Sorge über Gasemissionen aus Deponien und die Möglichkeit der Grundwasserkontamination. Ein weiterer Nachteil, der mit Verbrennungsofensystemen verbunden ist, ist die Erzeugung großer Mengen an Gasemissionen, die in einem Versuch, die Emissionsniveaus zu verringern, um den durch Regulierungsbehörden auferlegten Anforderungen zu entsprechen, die Notwendigkeit für kostspielige Luftverschmutzungskontrollsysteme zur Folge haben.
Um die mit Verbrennungsofensystemen verbundenen Mängel zu überwinden, wurden im Stand der Technik Versuche unternommen, Lichtbogenplasmabrenner zu benutzen, um giftige Abfälle zu zerstören. Die Verwendung von Lichtbogenplasmabrennern liefert unter bestimmten Betriebsbedingungen einen Vorteil gegenüber herkömmlichen Verbrennungsofen- oder Verbrennungsvorgängen, weil das Volumen der gasförmigen Produkte, die durch den Lichtbogenplasmabrenner gebildet werden, deutlich geringer sein kann als das Volumen, das während typischer Veraschung oder Verbrennung erzeugt wird, es befinden sich weniger giftige Materialien sind in den gasförmigen Produkten und das Abfallmaterial kann unter einigen Verhältnissen verglast werden.
Zum Beispiel offenbart das US-Patent Nr. 5,280,757 für Carter et al. die Verwendung eines Plasmalichtbogenbrenners in einem Reaktorgefäß, um städtischen Feststoffabfall zu vergasen. Dadurch wird ein Produkt erzeugt, das ein Gas mittlerer Qualität und eine Schlacke mit einer niedrigeren Auslaugbarkeit von giftigen Elementen aufweist.
US-Patent Nr. 4,644,877 für Barton et al. bezieht sich auf die pyrolytische Zerstörung von polychlorierten Biphenylen (PCBs) unter Verwendung eines Plasmalichtbogenbrenners. Abfallmaterialien werden durch einen Plasmalichtbogenbrenner atomisiert und ionisiert und dann abgekühlt und in einer Reaktionskammer zu Gas und Feststoffteilchen rekombiniert. US-Patent Nr. 4,431,612 für Bell et al. diskutiert einen Transfer-Lichtbogenplasma-Brennofen mit hohler Graphitelektrode zur Behandlung von Sondermüll, wie PCBs.
Ein Vorgang zur Sanierung von mit Blei kontaminierter Erde und Abfallbatteriematerial wird in US-Patent Nr. 5,284,503 für Bitler et al. offenbart. Aus der Erde wird eine verglaste Schlacke gebildet. Brennbares Gas und verdampftes Blei, die aus den Abfallbatteriegehäusen gebildet werden, werden vorzugsweise zu einem herkömmlichen Schmelzbrennofen überführt und als Brennstoff für diesen verwendet.
Die Systeme, die von Barton et al., Bell et al., Carter et al. und Bitler et al. vorgeschlagen werden, haben bedeutende Nachteile. Zum Beispiel schließen solche Nachteile unzureichende Heiz-, Misch- und Verweilzeit ein, um eine Erzeugung von hochqualitativem, nichtauslaugbarem Glas für einen weiten Bereich von Abfallbeschickungen sicherzustellen. Außerdem sind Ofengröße und Gestaltung der Beschickungseinrichtung wesentlich beschränkt, da sich die Brennofenwände relativ nahe am Lichtbogenplasma befinden müssen, das die einzige Wärmequelle ist. Oft tritt als Folge der Beschränkung der. Ofengröße eine hohe thermische Beanspruchung an den Wänden des Brennofens auf.
Lichtbogenplasma-Brennöfen mit Metallelektroden aus dem Stand der Technik können ferner durch eine kurze Elektrodenlebensdauer beschränkt sein, wenn sie bei höherem Gleichstrom verwendet werden. Daher muss das Lichtbogenpotential durch Verlängern des Lichtbogens erhöht werden, um eine höhere Leistungsabgabe zu erreichen. Dies hat Wärmeverluste durch Strahlung an den Brennofenseitenwänden zur Folge und führt zur Ineffektivität der Metallelektrode (Brenner). Außerdem gibt es oft mit Transfer-Lichtbogen plasmen aus dem Stand der Technik verbundene Schwierigkeiten beim Hochfahren und Neustarten solcher Lichtbogenplasmasysteme, wenn kaltes, elektrisch nicht leitendes Material verarbeitet wird.
Wenn auch solche Versuche aus dem Stand der Technik nützlich waren, verbleibt somit in der Technik ein Bedarf nach einem robusten, einfach zu bedienenden Müllumwandlungssystem, das gefährliche, gasförmige Emissionen minimiert und das die Umwandlung eines weiten Bereichs an Feststoffabfall in nutzbare Energie maximiert und einen Produktstrom erzeugt, der in einer sicheren, stabilen Form für die kommerzielle Nutzung vorliegt oder der zur Entsorgung keine speziellen Sondermüllrücksichten erfordert. Es wäre daher wünschenswert, ein robustes, benutzerfreundliches und hoch flexibles Verfahren und eine Vorrichtung zum Verarbeiten und Umwandeln eines weiten Bereichs von Abfallmaterial in nutzbare Energie und stabile Produkte bereitzustellen, während gefährliche, gasförmige Emissionen minimiert werden, wodurch die mit dem Stand der Technik verbundenen Unzulänglichkeiten überwunden werden. US-A-3,995,150 ist für die vorliegende Erfindung Stand der Technik. US-A-3,841,239 offenbart eine Abfallumwandlungseinheit und ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Einheit gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche. Die vorliegende Erfindung ist durch die Merkmale der kennzeichnenden Teile dieser Ansprüche gekennzeichnet.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur erhöhten Umwandlung von Feststoffabfallmaterialien, wie städtischem oder industriellem Abfall, in nutzbare Energie mit stark verringerter Luftverschmutzung bereitzustellen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Umwandeln eines weiten Bereichs von Abfallmaterialien in nutzbare Handelsprodukte oder in ein sicheres, stabiles Produkt bereitzustellen, das zur Entsorgung geeignet ist.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Umwandeln von Abfallmaterialien bereitzustellen, die eine Kombination aus einem unabhängig steuerbaren Lichtbogenplasma und einem Schmelzofen mit Stromheizung als integriertes System verwendet.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Umwandeln von Abfallmaterialien bereitzustellen, die eine vollständig integrierte Einheit aus Schmelzofen mit Stromheizung und Lichtbogenplasma verwendet.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Umwandeln von Abfallmaterialien bereitzustellen, bei der ein Schmelzofen mit Stromheizung und ein Lichtbogenplasma in einem vollständig integrierten System mit einem gemeinsamen Schmelzbad und mit unabhängiger Steuerung der Leistung für jedes gleichzeitig betrieben werden.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verglasen von Abfallmaterialien bereitzustellen, die eine Kombination aus einem Schmelzofen mit Stromheizung und einem Lichtbogenplasma als integriertes System verwendet.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Umwandeln von Abfallmaterialien bereitzustellen, die eine schnelle Pyrolyse verwendet, wodurch ein Gas mit hoher Reinheit bereitstellt wird, das für die Verbrennung geeignet ist.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur hoch effektiven Umwandlung von Abfallmaterialien in gasförmigen Brennstoff bereitzustellen, das fähig ist, über eine kleine, hoch effiziente Gasturbine oder einen Verbrennungsmotor Elektrizität zu erzeugen.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Abfallumwandlungseinheit bereitzustellen, die einen Eigenantrieb hat oder ein gegebenes Niveau an Elektrizität für die externe Verwendung bereitstellen kann, indem ein Zusatzbrennstoff, wie Naturgas, Dieselkraftstoff oder irgendein anderer Brennstoff, in veränderlichen Mengen in der Gasturbine oder dem Verbrennungsmotor verwendet wird.
Diese und weitere Aufgaben der Erfindung werden durch ein System gelöst, das fähig ist, städtischen Feststoffabfall (MSW), Industrieabfall oder andere Abfallarten in ein stabiles, nichtauslaugbares Produkt zu verarbeiten, das für die kommerzielle Verwendung geeignet ist oder das ohne Gefahr für die Umwelt entsorgt werden kann. Das System minimiert auch Luftemissionen und maximiert die Erzeugung eines nutzbaren Gasprodukts für die Erzeugung von Elektrizität.
Die vorliegende Erfindung stellt ein kompaktes System für die Verarbeitung von Abfall zu Energie bereit, das den Vorteil vollständiger oder im wesentlichen vollständiger Umwandlung von Abfallmaterialien in nutzbares Gas und einen Produktstrom an einem einzigen Ort hat. Außerdem kann der Produktstrom bei einer Vielzahl kommerzieller Anwendungen verwendet werden. Alternativ erfordert der Produktstrom, der in einer sicheren, stabilen Abfallform vorliegt, keine speziellen Gefahrenbetrachtungen für die Entsorgung.
Die Kombination des Lichtbogenplasma-Brennofens und des Schmelzofens mit Stromheizung als integriertes System mit Gasturbinen- oder Verbrennungsmotor-Erzeugungsausrüstung stellt eine Abfallbehandlungs- und Stromerzeugungseinrichtung mit Eigenantrieb bereit, die in relativ kleinen modularen Einheiten eingesetzt werden kann, und die einfach. maßstäblich geändert werden kann, um große Volumina von städtischem Feststoffabfall zu handhaben.
Die primäre Verarbeitungseinheit umfaßt vorzugsweise ein Gleichstrom-Lichtbogenplasma zum Erhitzen des Abfallmaterials und weist auch Stromheizungsfähigkeit für das Schmelzbad auf. Vorzugsweise ist der Elektrodenlichtbogen oder – bögen ein Gleichstrom-Elektrodenlichtbogen oder -bögen mit Elektroden, die aus Graphit bestehen. Die Verwendung einer Gleichstrom-Lichtbogenelektrode in Kombination mit einer speziellen elektrischen Schaltung stellt die gleichzeitige, unabhängige Steuerung des Lichtbogenplasmas und des Schmelzofens mit Stromheizung sicher. Der primäre Betriebsmodus des Lichtbogenplasmas und des Schmelzofens mit Stromheizung ist die Pyrolyse (Betrieb mit Sauerstoff-Unterversorgung). In einer bevorzugten Ausführungsform wird das System so betrieben, daß eine schnelle Pyrolyse auftritt, wodurch verglichen mit anderen Pyrolyseverfahren ein Gas mit höherer Reinheit erzeugt wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Lichtbogenplasma- und die Schmelzofenkomponenten mit Stromheizung mit einem gemeinsamen Schmelzbad vollständig integriert, so daß das System zu einem gleichzeitigen, unabhängig steuerbaren, d.h. einstellbaren Betrieb dieser Komponenten fähig ist. Das Lichtbogenplasma tritt zwischen einer Graphitelektrode oder -elektroden und dem geschmolzenen Material auf. Graphit ist gegenüber Metall das bevorzugte Lichtbogenelektrodenmaterial, da Graphitelektroden den Vorgang vereinfachen und da Graphit eine viel höhere Stromfestigkeit (current capability) als eine Metallelektrode in einem Plasmabrenner hat. Außerdem erfordern Graphitelektroden relativ zu dem häufigen Spitzenaustausch der Metallelektroden-Plasmabrennersysteme weniger Wartung. Es sollte jedoch erkannt werden, daß weitere metallische Elemente, wie Wolfram oder dergleichen, als Elektrodenmaterial verwendet werden können.
Das einstellbare, vollständig integrierte System verwendet elektrische und mechanische Gestaltungsmerkmale, um die Flexibilität und Effektivität zu maximieren. Die Vorteile dieser Ausführungsform der Erfindung umfassen hohe Verarbeitungsraten zur Verglasung einer großen Vielfalt von Materialien zu hochqualitativem, stabilem, nichtauslaugbarem Glas und aufgrund des integrierten Systems reduzierte Volumenerfordernisse, sind aber nicht darauf beschränkt. Der Schmelzofen mit Stromheizung stellt eine Tiefenheizung breit und ist fähig, über das ganze Schmelzbad mit einheitlichen Mischcharakteristika eine konstante Temperatur aufrechtzuerhalten, was zu einem hochqualitativen, homogenen Glasprodukt führt. Das Lichtbogenplasma stellt die notwendige Strahlungsoberflächenheizung zur Verarbeitung von Zufuhrmaterial in hoch effizienter Weise und mit bedeutend höheren Raten als andere Technologien bereit. Der gleichzeitige, unabhängig steuerbare Betrieb des Lichtbogenplasmas und des Schmelzofens mit Stromheizung wird durch bestimmte Konfigurationen des Lichtbogen-Schmelzofens und elektrische Schaltungen. Wenn es auch nicht als Einschränkung gedacht ist, wird das Lichtbogenplasma vorzugsweise durch einen Gleichstromlichtbogen betrieben und wird der Schmelzofen mit Stromheizung mit Wechselstrom betrieben.
Die Anordnung aus Gleichstromlichtbogen und wechselstrombetriebenem Schmelzofen mit Stromheizung stellt die Fähigkeit zum unabhängigen Steuern und Betreiben jeder Komponente sicher.
Die Verwendung des Schmelzofens in Kombination mit dem Lichtbogenplasma stellt eine einheitlichere Heizung als Techniken aus dem Stand der Technik bereit. Außerdem fördert die Verwendung einer Tiefenheizung, die vom Glassschmelzofen mit Stromheizung bereitgestellt wird, eine Einfachheit des Betriebs. Sie stellt auch die konstante Wärmequelle bereit, die nötig ist, um eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit im Abfallmaterial zum schnellen Neustarten des Lichtbogenplasmas aufrechtzuerhalten, das einen elektrischen Leitungsweg durch das Abfallmaterial verwendet. Außerdem gestattet das vollständig integrierte System, daß die Brennofenwände weiter vom Lichtbogenplasma entfernt sind, da eine zusätzliche Wärmequelle bereitgestellt ist. Es können Spulen zum induktiven Heizen und/oder Mischen verwendet werden, um ein zusätzliches Heizen und/oder Mischen im Schmelzbad bereitzustellen. Die Erhöhung der Wandentfernung vom Lichtbogenplasma erhöht die Zufuhroptionen und verringert die thermische Beanspruchung an der Brennofenauskleidung. Die vorliegende Erfindung gestattet auch die Verwendung von Elektroden mit großer Lebensdauer und einem weiten Bereich an Stromversorungsniveaus für Lichtbogenplasma und Stromheizung.
Die unabhängige Steuerung der Stromversorung des Lichtbogenplasmas und des Schmelzofens mit Stromheizung stellt eine stufenlos einstellbare Mischung aus Oberflächen- und Tiefenheizung bereit, die für verschiedene Phasen des Betriebs optimiert werden kann. Zum Beispiel kann ein zusätzliches Heizen zum Gießen von Glas oder Aufrechterhalten der Glasbadtemperatur erforderlich sein, während ein zusätzli ches Oberflächenheizen während des Beginns der Zufuhr notwendig sein kann. Außerdem sind für verschiedene Abfallströme verschiedene Mischungen von Oberflächen- und Tiefenheizung angemessen. Das Verhältnis zwischen Oberflächen- und Tiefenheizen kann zum Beispiel für städtischen Abfall geringer sein als für Industrieabfall, der große Mengen an Metallen und Hochtemperaturmaterialien enthält.
Die hochqualitativen, verglasten Produkte, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, können bei einer Vielfalt von Anwendungen verwendet werden. Zum Beispiel können die verglasten Produkte zerkleinert und in Asphalt für die Verwendung bei Straßen und dergleichen aufgenommen werden. Alternativ können die verglasten Produkte verwendet werden, um Asche in Asche- oder Bausteinen zu ersetzen, wodurch die Aufnahme von Wasser im Stein minimiert wird. Weiterhin können die verglasten Produkte zu einer Endform verfestigt werden, die eine wesentliche Volumenverringerung gegenüber Verglasungsprodukten aus dem Stand der Technik zeigt. Die verfestigte Form ist für die Entsorgung ohne Gesundheitsrisiken oder Gefahren für die Umwelt geeignet.
Das Vorangehende hat einige der einschlägigeren Aufgaben der vorliegenden Erfindung umrissen. Diese Aufgaben sollten nur als Darstellung einiger der hervorstechenderen Merkmale und Anwendungen der Erfindung aufgefaßt werden. Durch Anwendung der offenbarten Erfindung in einer anderen Weise der Modifizierung der Erfindung können viele weitere vorteilhafte Ergebnisse erzielt werden, wie es beschrieben wird. Folglich können weitere Aufgaben und ein vollständigeres Verständnis der Erfindung durch Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen erhalten werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Für ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung wird auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in denen:
1(a) eine bevorzugte Ausführung des Lichtbogenplasma-Brennofens und Schmelzofens mit Stromheizung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, bei der Brennofen und Schmelzofen als vollständig integriertes System mit einem gemeinsamen Schmelzbad ausgebildet sind;
1(b) einen vollständig integrierten Lichtbogenplasma-Brennofen und -Schmelzofen zeigt, bei dem die Elektroden des Schmelzofenabschnitts in einem Winkel bezüglich dem vertikalen Abschnitt der Lichtbogenplasma-Schmelzofeneinheit angeordnet sind;
1(c) das vollständig integrierte System von 1(b) mit Magnetspulen für ein induktives Heizen und Mischen gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
1(d) das vollständig integrierte System von 1(c) darstellt, das eine sekundäre thermische Verstärkung gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung besitzt;
2 ein vollständig integriertes System aus Lichtbogenplasma-Brennofen und Schmelzofen mit Stromheizung mit unabhängig steuerbaren Leistungsabgabesystemen darstellt;
3(a) bzw. 3(b) ein Wechselstromsystem und ein Gleichstromsystem zur Verwendung mit den vollständig integrierten Systemen zeigen;
4(a) und 4(b) zwei Drauf sichten für Elektrodenkonfigurationen und -geometrien für die vollständig integrierten System zeigen;
5 ein Schaltbild mit der Fähigkeit darstellt, einen Abschnitt der Wechselstromelektroden anzuschließen, der sowohl Wechselstrom als auch Gleichstrom entsprechend dem integrierten System leitet; und
6(a) und 6(b) Gleichstrom-Systemanordnungen für den Lichtbogenplasmaabschnitt der Systeme der vorliegenden Erfindung darstellen.
Über die ganzen verschiedenen Ansichten der Zeichnungen beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Teile.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in 1-5 gezeigt. In dieser Ausführungsform sind die elektrischen Systeme mit dem Gleichstrom-Lichtbogen und der Wechselstromheizung vollständig integriert und werden gleichzeitig in einer einzigen Glasschmelze betrieben, sind aber durch die Verwendung einer speziellen Stromzufuhrschaltung elektrisch voneinander isoliert. Die Lichtbogenplasma-Schmelzofen-Kombinationen, die in 1(a)–1(d) und 2 dargestellt sind, sind beide thermisch und elektrisch integriert.
Die vollständig integrierten Plasmaschmelzofensysteme gemäß der vorliegenden Erfindung stellen den Vorteil bereit, stufenlos einstellbare Leistungsverhältnisse zwischen der Plasmaheizung und der Glasschmelzofenheizung zu besitzen. Zum Beispiel ist die stufenlos einstellbare, unabhängige Stromversorgung nützlich, wenn es wünschenswert ist, einen Abschnitt des Systems, z.B. das Lichtbogenplasma oder den Schmelzofen, zu verwenden. Die stufenlos einstellbare, unabhängige Stromversorgung liefert Robustheit und ermöglicht die Einfachheit des Betriebs unter sich verändernden Bedingungen. Die stufenlos einstellbare, unabhängige Stromversorgung verbessert zusätzlich die Effizienz und maximiert die Umweltattraktivität indem eine zusätzliche Kontrolle über Feststoffabfallprodukte, z.B. Glas, und Abgaserzeugung bereitgestellt wird.
Der stufenlos einstellbare, unabhängige Betrieb des Lichtbogenplasmas und des Schmelzofen gestattet dem Benutzer, verschiedene Arten des Heizens auszuwählen. Zum Beispiel stellt das Lichtbogenplasma (oder die -plasmen) eine Oberflächenstrahlungsheizung bereit. Zu Beginn der Zufuhr können große Mengen an Plasmastrom verwendet werden. Während der kontinuierlichen Zufuhr können etwas geringere, aber immer noch bedeutende Mengen an Plasmastrom verwendet werden. Eine Abfall-Oberflächenheizung mit hoher Temperatur ermöglicht eine Verarbeitung mit hohem Durchsatz sowie eine schnelle Pyrolyse, um hochqualitatives, brennbares Gas zu erzeugen. Eine hohe Oberflächenheizung wird auch für die Verarbeitung benötigt, wo das Material schwer zu schmelzen ist, oder wo das Material hoch leitfähig ist, wodurch die Wirksamkeit der Stromheizung bei Glas in Abwesenheit eines Lichtbogenplasmas beschränkt wird.
Eine Stromheizung mit Glasschmelzofenelektroden stellt eine volumetrische Tiefenheizung bereit. Diese Art der Heizung stellt die Erzeugung von hochqualitativem Glas durch Fördern des Mischens im gesamten Schmelzbad sicher. Sie stellt auch leitfähiges Material für einen Lichtbogenbetrieb mit stabiler Übertragung bereit. Die unabhängige Verwendung der volumetrischen Heizung kann auch genutzt werden, um den Afall bei niedrigen Stromanforderungen in einem geschmolzenen Zustand zu halten, wenn keine Zufuhr stattfindet. Ein volumetrisches Heizen ist auch für das Glasgießen wichtig.
Eine stufenlos einstellbare, unabhängige Stromversorgung der Plasmaheizung und der Glasschmelzofenheizung ermöglicht die Verwendung einer zusätzlichen volumetrischen Heizung für Zwecke des Glasgießens oder einer verbesserten Glaserzeugung, ohne die nachteiligen Wirkungen der alleinigen Plasmaheizung, wie übermäßige Verdampfung von Material und thermische Beanspruchung der Brennofenwände, zu erhöhen.
Zusätzlich zur stufenlos einstellbaren, unabhängigen Stromversorgung während der Verarbeitung einer gegebenen Abfallstromart können die einstellbaren Merkmale der integrierten Plasmaschmelzofeneinheit verwendet werden, um die Verarbeitung verschiedener Abfallstromarten zu optimieren. Zum Beispiel können städtische Abfallströme allgemein geringere relative Mengen an Plasmastrom benötigen als Ströme, die Materialien mit hoher Schmelztemperatur und größere Mengen von Metallen aufweisen, wie gefährliche und industrielle Abfälle, die großenteils aus anorganischen Substanzen zusammengesetzt sind.
Die Verwendung einer volumetrischem Schmelzofenheizung ermöglicht auch einen weiteren Bereich von Optionen für Plasmaelektrodenkonfigurationen. Da eine volumetrische Schmelzofenheizung das Material in einem im wesentlichen geschmolzenen und leitfähigen Zustand hält, kann ohne weiteres mehr als eine Plasmaelektrode verwendet werden. Dies geht teil weise aufgrund dessen, daß das geschmolzene Material den Leitungsweg zwischen den Elektroden bereitstellt. Es ist somit ohne weiteres möglich, den Betrieb stufenlos für die Verwendung einer oder mehrerer Plasmaelektroden einzustellen. Die erhöhte Flexibilität kann genutzt werden, um die Erzeugung von brennbarem Gas zu optimieren, die Teilchenemission zu minimieren und die Elektrodenabnutzung zu verringern.
Die stufenlos einstellbare, unabhängige Stromversorgung der Plasma- und Schmelzofenheizungssysteme stellt somit einen stark erweiterten Grad der Temperatursteuerung bereit. Die räumliche und zeitliche Temperatursteuerung, die vorher nicht verfügbar war, kann genutzt werden, um die praktische Anwendbarkeit und die Umweltattraktivität von kombinierten Lichtbogenplasma- und Schmelzofenverglasungssystemen zu verbessern.
Wie hier erörtert ermöglicht die vollständige Integration eines Schmelzofens mit Stromheizung mit dem Lichtbogenplasma gemäß der vorliegenden Erfindung auch die Verwendung einer verlängerten Schmelzkammer mit zwei Lichtbogenplasmaelektroden. Das geschmolzene Material kann einen Leitung- oder Stromweg zwischen den beiden Lichtbogenplasmaelektroden bereitstellen. Diese Konfiguration erhöht wesentlich die Flexibilität der Abfallzufuhr und des Abziehens der Schlacke und erhöht die Lebensdauer der Lichtbogenplasmaelektrode und die Robustheit. Die Anordnung mit zwei Lichtbogenelektroden und verlängerter Kammer wird durch den Schmelzofen mit Stromheizung ermöglicht, weil der Schmelzofen mit Stromheizung fähig ist, die notwendige Wärme bereitzustellen, um während der Leerlaufperioden des Brennofens einen Leitungsweg zwischen den beiden Lichtbogenplasma-Elektroden aufrechtzuerhalten, und stellt auch ein einheitliches Heizen in der verlängerten Schmelzkammer bereit.
Die Ausführungsformen der Erfindung, die in 1–5 gezeigt sind, umfassen eine Schaltungsanordnung, die den Durchfluß des benötigten Wechselstroms durch die Schmelze gestattet, wobei untergetauchte Elektroden wie in herkömmlichen, Standardschmelzöfen mit Stromheizung verwendet werden, und die ebenfalls den gleichzeitigen Betrieb einer Gleichstrom-Lichtbogenplasmaschaltung durch die Schmelze zwischen oberen beweglichen Elektroden, oder, wenn gewünscht, zwischen diesen Elektroden und/oder einer untergetauchten Gegenelektrode gestattet. Der Abfalltyp und die Eigenschaft der geschmolzenen Schlacke bestimmt den bevorzugten Betriebsmodus.
Die integrierte Lichtbogenplasma-Schmelzofen-Einheit 300 ist in 1(a)–1(d) gezeigt und umfasst das Reaktionsgefäß 302. Es sollte erkannt werden, daß der Schmelzofen mit Stromheizung die Erzeugung eines hochqualitativen Pyrolysegases ermöglicht, wobei eine minimale Energiezufuhr in den Vorgang verwendet wird. Diese Situation besteht, weil die Energiezufuhr zum Lichtbogen nicht größer sein muss, als die, die benötigt wird, um das Material in der Lichtbogenzone zu pyrolysieren und zu schmelzen. Das Schmelzbad unter dem ungeschmolzenen Zufuhrmaterial wird unter Verwendung einer Stromheizung im Gegensatz zur alleinigen Verwendung eines Lichtbogenplasma-Brennofens auf einer gewünschten Temperatur gehalten. Der Energiebedarf, um die Schlacke auf der richtigen Temperatur zu halten, ist gleich den Hitzeverlusten aus der äußeren Schmelzofen-Außenfläche. Es wird erwartet, daß diese sehr gering sind, d.h. ungefähr 20-30 kW/m² Schlacke- oder Glasoberfläche für eine geeignet entworfene Schmelzkammer. Luft/Sauerstoff und/oder eine Kombination von Luft und Dapmf wird hinzugefügt, um verkohltes Material auf der Schmelzeoberfläche zu beseitigen und den Redoxzustand des Glases einzustellen. Der Schmelzofen mit Stromheizung stellt Energie (d.h. heißes Glas) nahe der Seiten des Bads bereit, wo das Gas/Dampf-Gemisch eingelassen wird. Die integrierte Einheit 300 kann auch Hilfsheizer 320 umfassen.
Das Reaktionsgefäß 302 umfaßt das Oberteil 302a, den Boden 302b und die Seiten 302c und 302d. Der Boden 302b kann eine im allgemeinen V-förmige Konfiguration besitzen, wie in 1(a)–1(d) dargestellt. Das Reaktionsgefäß 302 umfaßt ferner wenigstens eine Öffnung oder ein Loch 304a zum Einführen von Abfallmaterial 330 in das Reaktionsgefäß 302. In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt das Reaktionsgefäß 302 eine Mehrzahl von Öffnungen oder Löchern 304a und 304b, wie in 1(a)–1(d) gezeigt. Das Zufuhrsystem kann von jedem herkömmlichen Zufuhrsystemtyp sein, der städtischen Feststoffabfall oder anderen Abfall, wie Sondermüll, Krankenhausabfall, Asche aus einem Verbrennungsofen oder dergleichen, dem Gefäß 302 zuführen kann, solange das Zufuhrsystem nicht gestattet, daß Luft über das Zufuhrsystem in das Gefäß eindringt. Die Öffnungen 304a und 304b können ein Durchflußsteuerventil oder dergleichen umfassen, um den Fluß des Abfallmaterials 330 in das Gefäß 302 zu steuern und zu verhindern, daß Luft darüber in das Gefäß 302 eindringt. Es ist auch bevorzugt, daß solche Öffnungen 304a und 304b gesteuert werden können, so daß einer oder mehrere selektiv getrennt oder gleichzeitig miteinander benutzt werden können. Das Reaktionsgefäß 302 umfaßt auch eine Gasöffnung oder -loch 306 und eine Metall/Schlacke-Ausgußöffnung oder -loch 310. Das Loch oder die Gasauslaßöffnung 306 kann aus jedem herkömmlichem Material bestehen, das einen kontrollierten Auslaß eines brennbaren Gases gestattet. Zum Beispiel und ohne beschränkend gemeint zu sein, kann die Öffnung 306 mit einem Durchflußsteuerventil oder dergleichen versehen sein, so daß im Reaktionsgefäß 302 gebildetes Gas selektiv in die Leitung 30 ausgelassen wird. Es ist be vorzugt, daß die Gasauslaßöffnung 306 am oder nahe dem Oberteil 302a des Gefäßes 302 angeordnet ist. Die Metall/Schlacke-Öffnung 310 gestattet Metall/Schlacke, das/die sich im Gefäß 302 bildete und sammelte, ausgelassen und von den Gasen und der Schlacke, die im Gefäß 302 gebildet wurden, getrennt wird. Die Auslaßöffnung 310 ist in irgendeiner Weise aufgebaut, die das Ablassen von geschmolzenem Material aus dem Gefäß 302 steuern kann. Insbesondere ist die Öffnung 310 so gestaltet, daß sie ein Durchflußsteuerventil oder dergleichen aufweist, so daß Metall und/oder Schlacke aus dem Metall/Schlacke-Sammler 312 zu vorbestimmten Zeitperioden während des Vorgangs entfernt oder in ihn eingeführt werden kann. Wenn Sondermüll verarbeitet wird, kann es wünschenswert sein, daß der Sammler 312 abdichtbar mit der Öffnung 310 in einer solchen Weise verbunden ist, daß Luft und/oder Gase nicht darüber in das System eindringen oder aus ihm entweichen.
Das Gefäß 302 kann zusätzliche Öffnungen, wie Luft- oder Gaseinlaßöffnungen 302e, umfassen, die in 1(a) gezeigt ist. Die Luft- oder Gaseinlaßöffnung 302e umfaßt eine Durchflußsteuerung, wie ein Durchflußsteuerventil oder dergleichen. Vorzugsweise ist die Öffnung 302e so angeordnet, daß sie durch die Brennofenwand in einer Höhe nahe dem Schlackematerial 332 eintritt, wie in 1(a) und 1(b) gezeigt. Auf diese Weise wird Luft 50b (die eine vorbestimmte Menge an Dampf 80 enthalten kann) in das Gefäß 302 mit einer kontrollierten Rate und Zeit während des Umwandlungsvorgangs eingespritzt, um die Zusammensetzung des Gases, das den Brennofen verläßt, zu steuern. Außerdem können Luft und/oder Dampf durch die Öffnung 302e eingeführt werden, um sicherzustellen, daß jeglicher Kohlenstoff im Zufuhrmaterial in kohlenstoffhaltige Gase, wie CO, CO₂, H₂, CH₄ und dergleichen, umgewandelt wurden. Dies verringert den Grad an Verkohlung während des Vorgangs, der sich erge ben kann, wenn der Kohlenstoff nicht vollständig in kohlenstoffhaltige Gase umgewandelt wird.
Wie ferner in 1(a) dargestellt, umfaßt das System 300 auch eine Turbine 56, einen Generator 60 und die notwendige Ausrüstung, die benötigt wird, um die Lichtbogenbrennofen-Schmelzofen-Einheit daran anzuschließen. Zum Beispiel umfaßt. das System 300 vorzugsweise Ausrüstung 40 zur Reinigung von heißem Gas, eine Einheit 72 zur Abwärmerückgewinnung und Luft- 48 und Wassereinspritzsysteme 68. Obwohl in 1(a) nicht gezeigt, kann auch ein Zufuhrkonditionierungsvorgang für das Abfallmaterial 330 benutzt werden, bevor dieses dem Gefäß 302 zugeführt wird. Zusätzlich zu den in 1(a) gezeigten Einheiten kann es wünschenswert sein, einen Abgaswaschvorgang für Gase, die die Reinigungseinheit 40 oder die gasbefeuerte Turbine verlassen, aufzunehmen, um jegliche sauren Gase daraus zu entfernen. Vorzugsweise ist die einzige Gaskonditionierung, die für die Gase benötigt wird, die das Lichtbogengefäß 302 verlassen, eine Gas-Feststoff-Trennung in der Reinigungseinheit 40 für heiße Gase, um die Menge an Teilchen zu minimieren, die in die Turbine 56 gelangen.
Die im Gefäß 302 erzeugten Gase sind brennbare Gase, die als eine Folge einer schnellen Pyrolyse gebildet werden. Wie hierin erörtert, führt eine schnelle Pyrolyse im allgemeinen zu einer mindestens 65%-igen Umwandlung des Abfallmaterials in ein nutzbares Gas zur Verbrennung. Obwohl es nicht als einschränkend aufgefaßt werden soll, wird von dem gemäß der vorliegenden Erfindung genutzten Gefäß 302 gedacht, daß ein Gas bereitgestellt wird, das aus 2% Kohlendioxid, 44% Kohlenmonoxid, 43% Wasserstoff, 2% Methan besteht und der Rest leichte Kohlenwasserstoffe sind. Das im Gefäß 302 erzeugte Gas wird durch die Leitung 30 zur Reini gungseinheit 40 für heißes Gas transportiert, wo Asche 42 entfernt und somit vom Brennstoffgas 44 getrennt wird.
Zustromluft 48 tritt in den Kompressor 46 ein und die Luft 50, die den Kompressor 46 verläßt, kann in mehrere Versorgungsströme geteilt werden. Zum Beispiel wird der Luftstrom 50a dem Brenner 52 zugeführt und kann der Luftstrom 50b dem Gefäß 302 zugeführt werden.
Brennstoffgas 44 tritt in den Brenner 52 ein und verbindet sich mit der Luft 50a. Im Brenner 52 erzeugte heiße Gase und Dampf 54 treiben die Turbine 56 an, die über 58 mit dem Generator 60 verbunden ist, so daß Elektrizität 64 erzeugt wird. Die Turbine 56 ist vorzugsweise eine hoch effiziente Gasturbine für Dampf/eingespritztes Gas. Solche Turbinen sind im Handel erhältlich.
Um den selbstangetriebenen Betrieb besonders während des Hochfahrens sicherzustellen, kann eine veränderliche Menge an Naturgas oder einem anderen Typ von Brennstoff 53 dem Brenner 52 (oder dem Verbrennungsmotor 55) zugeführt werden, wie in 1(b)–1(d) gezeigt.
Wasser 68 tritt in das System 300 über eine Pumpe 66 zum Dampfsystem 72 für die Wärmerückgewinnung, d.h. einen Wärmetauscher ein, wo Wärme vom heißen Turbinenabgas 62 in den Strom 70 übergeht. Abgas 74 wird im Dampfsystem 72 für die Wärmerückgewinnung vom Dampf 76 getrennt. Der Dampf 76 wird vorzugsweise als Dampf 78 zur Turbine 56 und als Dampf 80 zum Luftstrom 50b zurückgeführt, wie jeweils in 1(a) gezeigt.
Nun unter Bezugnahme auf 1(b)–1(d) ist ein Abgasvorgang ähnlich dem in 1(a) gezeigten dargestellt, außer daß der Kompressor 46, der Brenner 52 und die Gasturbine 56 durch einen Verbrennungsmotor 55 ersetzt sind. Der Verbrennungsmotor 55 kann einfacher zu benutzen und kosteneffizienter sein als eine Kompressor-Gasturbine, insbesondere für kleine, einstellbare Plasmaschmelzofen-Elektroumwandlungs-Einheiten. Die Luft 50a und der Zusatzbrennstoff 53 können dem Verbrennungsmotor 55 in einer vorbestimmten Weise zugeführt werden, die auf der Zusammensetzung des Brennstoffgas 44 basiert. Vorzugsweise stellt die Effizienz des Motors 55 genug Elektrizität für den ganzen oder im wesentlichen den ganzen benötigten elektrischen Strom bereit, der für die einstellbare Plasmaschmelzofen-Elektroumwandlungs-Einheit erforderlich.
Obwohl dies nicht einschränkend sein soll, wird der Verbrennungsmotor 55 vorzugsweise in einem sehr mageren Modus betrieben, d.h. in einem hohen Verhältnis von Luft zu Brennstoff mit Wasserstoff/Kohlenmonoxid-Gas als Brennstoff. Auf diese Weise kann aus wasserstoffreichem Gas Elektrizität erzeugt werden. Durch das Betreiben mit niedrigen Äquivalenzverhältnissen (Brennstoff/Luft-Verhältnisse relativ zu stöchiometrischen Verhältnissen) in einem Bereich von etwa 0,5-0,6 kann die Erzeugung von NO_x stark verringert werden, d.h. durch Faktoren größer als 100 relativ zum stöchiometrischen Betrieb. Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxidemissionen sollten ebenfalls sehr gering sein.
Verbrennungsmotoren mit Funkenzündung sind dadurch vorteilhaft, daß solche Motoren für sehr kleine Einheiten weniger teuer sind und einfacher zu starten und zu stoppen sind als Turbinen. Um die Erzeugung eines gewünschten Niveaus an elektrischem Strom, besonders während des Hochfahrens, zu ermöglichen, kann eine Zusatzenergie, wie wasserstoffreiches Gas, Propan, Naturgas oder Dieselkraftstoff verwendet werden, um den Verbrennungsmotor anzutreiben. Die Menge an Zusatzbrennstoff kann abhängig von der Zusamensetzung des Abfallstroms, d.h. vom Heizwert des hereinkommenden Abfallmaterials und der Menge an brennbarem Material im Abfallmaterial und den Stromerfordernissen für die Abfallverarbeitung variieren.
Die Kammer 320 umfaßt eine oder mehrere Heizer 322, einen Kanal 326, einen Schlackeausgußkanal 324, eine Öffnung 328 und einen Schlackesammler 336. Insbesondere aufgrund der Unterschiede bei der relativen Dichte bewegt sich das Metall in der Metall/Schlacke-Schicht 332 Richtung Boden 302b im Gefäß 302. Die Schlacke in der Metall/Schlacke-Schicht 332 tritt durch das Loch oder die Öffnung 326a in den Kanal 326 aus. Die Schlacke 334 wird von Kammer 322a und 322b für eine Zeit weiter erhitzt, die ausreicht, um ein homogenes Schlackeprodukt bereitzustellen. Die Schlacke 334 fließt dann durch den Schlackeausgießkanal 324 und die Öffnung 328, wodurch sie aus Kammer 320 in den Schlackesammler 336 austritt. Wenn Sondermüll verarbeitet wird, kann es wünschenswert sein, daß der Sammler 336 abdichtbar mit der Öffnung 328 auf eine Weise verbunden ist, so daß Luft und/oder Gase nicht dadurch in das System eindringen oder daraus entweichen. Die Öffnung 328 kann ein Durchflußsteuerventil oder dergleichen umfassen, um das Ablassen der Schlacke 334 aus dem Heizsystem 320 zu steuern. Das Zusatzheizersystem 320 wird benutzt, wenn es wünschenswert ist, die Viskosität der Schlacke zu verringern, um das Schlackeniveau im Gefäß aufrechtzuerhalten. Das Zusatzheizersystem gleicht auch den Wärmeverlust aus, wenn sich die Schlacke dem Schlackeauslaß nähert, bevor sie in den Schlackebehälter fällt.
Das Reaktionsgefäß 302 umfaßt auch eine Mehrzahl von Wechselstrom-Heizelektroden 308a und 308b. Wie ferner in 1(a) gezeigt, können die Elektroden 308a und 308b einander gegenüber auf den Seiten 302c bzw. 302d angeordnet sein.
Außerdem sind die Elektroden 308a-308b so angeordnet, daß sie in der Schlackemischung 332 eingetaucht sind, wenn der Vorgang im Gange ist.
1(b) stellt eine alternative Ausführung für die Anordnung der Elektroden 308a und 308b gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Die Anordnung der Elektroden 308a und 308b, wie in 1(b) dargestellt, vereinfacht den Austausch der Elektroden. Insbesondere gestattet diese Art der Ausführung einen Austausch von Elektroden ohne die Notwendigkeit, den Brennofenherd zu leeren. Das Leeren des Brennofenherdes ist unerwünscht, da es oft die Auskleidung des Brennofens verschlechtert. Folglich erleichtert das Anordnen der Elektroden 308a und 308b in den Winkeln 309a bzw. 309b, während gleichzeitig das Entweichen oder Ausströmen von Gas verhindert wird, den Austausch von Elektroden, wenn nötig. Obwohl dies nicht als einschränkend aufgefaßt werden soll, liegen die Winkel 309a und 309b der Elektroden 308a und 308b relativ zu den entsprechenden Innenseiten des Brennofens vorzugsweise zwischen ungefähr 30°-45°. Es kann auch wünschenswert sein, Metallelektroden oder ummantelte Graphitelektroden für den Schmelzofen mit Stromheizung zu verwenden. Die Elektroden 338 können in jedem Winkel angeordnet sein, solange sie an einer Innenfläche des Herdes angeordnet sind. Die Lichtbogenplasma-Elektrode oder -Elektroden bestehen vorzugsweise aus Graphit. Der Abschnitt der Elektrodenlänge gerade über dem Unterteil der Elektrode kann ummantelt sein, um die Erosionsrate zu verringern.
Wie ferner in 1(b), gezeigt, sind die wechselstrombetriebenen Stromheizungselektroden 308(a) und 308(b) vorzugsweise durch die Seiten 302c bzw. 302d des Brennofens 302 hindurch eingesetzt. Wie oben erwähnt liegen die Winkel 309a und 309b der Elektroden relativ zu den jeweiligen Innenseiten des Brennofens vorzugsweise zwischen ungefähr 30°-45°. Das obere Ende jeder Elektrode erstreckt sich vorzugsweise außerhalb des metallischen Brennofengehäuses und kann mit einer elektrischen Verbindung bedeckt werden, die vom elektrisch geerdeten Brennofengehäuse elektrisch isoliert ist. Das untere Ende jeder Elektrode wird bis zu einer gewünschten Tiefe in das Schmelzbad eingetaucht. Durch Wahl des richtigen Orts der Eintrittspunkts der Elektrode unter der Oberfläche des Schmelze wird kein Abschnitt der Elektrode dem Gleichstromlichtbogen oder Strahlung von diesem Lichtbogen ausgesetzt, wodurch die Lebensdauer dieser Elektrode erhöht wird.
Wenn es notwendig ist, die Elektrode 308a und/oder 308b auszutauschen, wird die verbrauchte Elektrode aus dem Schmelzbad herausgezogen. Wenn eine neue Elektrode ohne Vorheizen der Elektrode in das Bad eingeführt wird, kann die kalte Elektrode eine Erhöhung der Viskosität des Schmelzbads verursachen, wo die Elektrode mit dem Schmelzbad in Kontakt kommt, wodurch es schwer gemacht wird, diese neue Elektrode in das Schmelzbad einzuführen. Folglich kann es wünschenswert sein, dieser Elektrode ebenfalls elektrisch Energie zuzuführen, indem eine spezielle, elektrisch isolierte, strombegrenzte Stromversorgung verwendet wird, die sicher zusätzliche Wärme an der Grenze zwischen Bad und Elektrode bereitstellt, um das Eintauchen der neuen Elektrode in das Bad vollständig zu gestatten. In einer bevorzugten Ausführungsform kann ebenfalls für jede Elektrode eine geeignete elektrische und thermische Isolation bereitgestellt werden, so daß jede Elektrode während des normalen Betriebs vom metallischen Brennofengehäuse thermisch als auch elektrisch isoliert ist.
1(c) stellt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, bei der Magnetspulen 315a und 315b zum induktiven Heizen und/oder Mischen verwendet werden können. Um die optimale Schmelzrate bereitzustellen, die dem besonderen Abfallstrom entspricht, der in den kombinierten Gleichstrom-Lichtbogenplasma-Schmelzofen eingeführt wird, kann zusätzliches Rühren oder Mischen über das normalerweise durch den Schmelzofenabschnitt des Brennofens und den Gleichstrom-Lichtbogen-Abschnitts des Brennofens erzeugte hinaus wünschenswert sein. Dies kann durch Hinzufügen von strategisch angeordneten Magnetspulen, wie Spulen 315a und 315b erreicht werden, um größere J × B-Kräfte zu erzeugen, die wiederum ein zusätzliches Mischen und/oder Heizen im Schmelzbad bewirken. Die Spulen 315a und 315b können im Metallgehäuse des Brennofens angeordnet sein, aber hinter der feuerfesten Auskleidung des Schmelzbads. Wenn das Brennofengehäuse aus nichtmagnetischem, rostfreiem Stahl, wie Klasse 304L oder 316, gefertigt ist, können die Spulen alternativ der Außenseite des Gehäuses angeordnet sein. Die Spulen 315a und 315b sind an eine Wechselstromquelle angeschlossen. Die Frequenz der Stromquelle kann abhängig vom Material variieren. Diese Steigerung des Badmischens ist ein Beispiel für die Art des "Einstellens", das die Lebensdauer der Brennofenelektroden und den Abfalldurchsatz erhöhen kann.
1(d) stellt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, bei der eine alternative Konfiguration des Plasmaschmelzofenvorgangs ein sekundäres Temperaturerhöhungssystem 307 aufnimmt. Dieses System kann ein Lichtbogenplasma in einer Kammer sein, um die notwendige Wärme bereitzustellen, um kondensierbare Anteile weiter zu cracken, die den primären Plasmaschmelzofenvorgang verlassen. Wie beispielsweise in 1(d) gezeigt, kann das sekundäre Temperaturerhöhungssystem 307 nahe an oder in der Öffnung 306 angeordnet sein.
Die Umwandlung von Abfall in elektrische Energie hängt für den Plasmaschmelzofenvorgang von der maximalen Umwandlung von festen und flüssigen Abfällen in gasförmiges Produktgas ab. In Pyrolyseprozessen kann ein Teil des austretenden Gases kondensierbare Stoffe enthalten, die leichte bei mittelschwere Öle sind. Wenn gestattet wird, daß das Gas, das die primäre Plasmaschmelzofenkammer verläßt, abkühlt; kann sich eine Verflüssigung eines Teils des Abgases aufgrund der kondensierbaren Stoffe ergeben, die bei Brennofentemperaturen vorhanden sind. Die sekundäre Plasma-Abgas-Kammer stellt sicher, daß diese Öle in nichtkondensierbare, brennbare Gase umgewandelt werden, was zu einer verbesserten Rückgewinnung des Energiewerts aus den ankommenden Abfallmaterialien führt.
Wenn die sekundäre Plasmakammer 307 wie in 1(d) gezeigt angeordnet ist, nimmt die Temperatur des Gases, das die primäre Brennofenkammer verläßt, nicht ab, bevor es in die sekundäre Plasmakammer 307 eintritt, weil die beiden System direkt verbunden sind. Dies minimiert den Gesamtenergiebedarf für die Crack- und Vergasungsvorgänge.
Zusätzlich zur verbesserten Energierückgewinnung im gasförmigen Ausfluß des Lichtbogenplasma-Schmelzofen-Vorgangs beseitigt die Plasma-Abgas-Kammer 307 toxische Arten weiter, die nicht in der primären Brennofenkammer zerstört werden. Dies steigert die Wirksamkeit des Vorgangs, alle Vorläuferarten, wie die für die Bildung von Furanen und Dioxinen, zu zerstören. Außerdem kann die sekundäre Plasmakammer, wenn sie flüchtige und halbflüchtige, toxische, organische Stoffe verarbeitet, alle toxischen Arten wirksam zerstören. Da alle kondensierbaren Arten, die den Brennofen verlassen, in der sekundären Plasmakammer in ein brennbares Gas umgewandelt werden, wird die Sekundärabfallerzeugung minimiert. Es sollte erkannt werden, daß die Plasma-Abgas-Kammer viel leicht nicht immer benötigt wird, aber während des Vorgangs unabhängig gesteuert werden kann.
Die Gleichstromelektroden 314a und 314b, die vorzugsweise aus Graphit bestehen, sind im Reaktionsgefäß bereitgestellt, wie in 1(a)–1(d) gezeigt. Es ist bevorzugt, Graphit statt Metall als Elektrodenmaterial zu verwenden, da Graphitelektroden den Vorgang vereinfachen und eine viel höhere Stromtauglichkeit haben, als die, die in einem Metallbrenner verwendet werden. Außerdem benötigen Graphitelektroden weniger Wartung gegenüber zu dem häufigen Spitzenaustausch der Metallbrennersysteme. Aufgrund der erwarteten Bedingungen im Brennofenraum, die sowohl teilweise oxidierende Umgebungen als auch Bedingungen einschließen, die die Wasser-Gas-Reaktion: C + H₂O ? CO + H₂ bei 600-1000°C fördern, kann es ohne besondere Vorkehrungen einen unannehmbaren Verbrauch von Graphit geben. Deshalb ist die Graphitelektrode(n) 314 vorzugsweise mit Zirkonium, Siliziumcarbid, Bornitrid oder einer anderen Schutzummantelung ummantelt, um den Graphitverbrauch zu minimieren und die nutzbare Lebensdauer zu verlängern. Wenn zum Beispiel städtischer Feststoffabfall, der kohlenstoffhaltiges Material enthält, dem Gefäß 302 zugeführt wird, tritt eine stark endotherme Reaktion auf, die ungefähr 600 kWh/Tonne städtischen Feststoffabfalls benötigt, um brennbares Material in Brennstoffgas und nichtbrennbares Material in Schlacke umzuwandeln.
Die Elektrode oder Elektroden 314 können entweder mit einem Wechselstrom- oder einem Gleichstromlichtbogen im Gefäß 302 betrieben werden. Es ist jedoch bevorzugt, im Gefäß 302 einen Gleichstromlichtbogen statt einen Wechselstromlicht bogen zu verwenden, da die Verwendung eines Gleichstromlichtbogens die Stabilität steigert und den Elektrodenverbrauch reduzieren kann. Wie in 2 gezeigt, versorgt die Elektrode(n) 314 den Lichtbogen 344, der mit dem Zufuhrmaterial 330 in Kontakt kommt. Eine oder mehrere zusätzliche Elektroden 338 können, wie in den 1 oder 2 gezeigt, bereitgestellt sein, so daß dadurch negative (-) 340 und positive (+) 342 Ausgänge gebildet werden.
Zwei Arten von Stromversorungsanordnungen, die für die Verwendung bei der vorliegenden Erfindung geeignet sind, um einen Drei-Phasen-Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln, um einen stabilen Gleichstromlichtbogen (-bögen) zu initiieren und aufrechtzuerhalten, sind in 6(a) und 6(b) gezeigt. Wie in 6(a) gezeigt, ist ein herkömmlicher Gleichrichter 200 vom Typ einer Drei-Phasen-Thyristorbrücke 240 mit einer "Floating"- oder "Clamping"-Diode 212 dargestellt. Eine sekundäre Transformatorwicklung 204 stellt eine Wechselspannung für die Thyristoren 206a, 206b bereit, die die erste Phase 202a gleichrichten. Ebenso liefert die sekundäre Transformatorwicklung 204 eine Wechselspannung für die Thyristoren 206c, 206d, die die zweite Phase 202b gleichrichten, während die sekundäre Transformatorwicklung 204 eine Wechselspannung für die Thyristoren 206e, 206f liefert, die die dritte Phase 202c gleichrichten. Auf diese Weise wird über die Punkte 210a und 210b eine gleichgerichtete Phase bereitgestellt, die in 6(a) mit 208 bezeichnet wird.
Die "Clamping"-Diode 212 ist zwischen den (-) 218 und (+) 220 Ausgängen des Brückengleichrichters angeschlossen. Der Induktor 214 ist mit einem untergeordneten Ausgangskabel zwischen der "Clamping"-Diode 212 und dem Gefäß 302 in Reihe geschaltet. Der Induktor 214 wird verwendet, um die Übergangsspannung bereitzustellen, die oft erforderlich ist, um während des Betriebs des Gefäßes 302 einen stabilen Lichtbogen 344 aufrechtzuerhalten. Die Funktion der "Clamping"-Diode 212 ist es, einen Weg für den Stromfluß vom Induktor 214 bereitzustellen, wenn die Spannung des Gleichstromlichtbogens 344 die Spannung des offenen Stromkreises des Gleichrichters übersteigt.
Nun unter Bezugnahme auf 6(b) ist eine weitere herkömmliche Schaltung 230 zum Umwandeln eines Drei-Phasen-Wechselstroms in Gleichstrom gezeigt, die für die Verwendung bei der vorliegenden Erfindung geeignet ist. Dieser Schaltungstyp ist für die Verwendung zum Aufrechterhalten eines Gleichstromlichtbogens 344 im Gefäß 302 geeignet und wird oft in Gleichstrom-Lichtbogenschweißsystemen verwendet. In der in 6(b) gezeigten Schaltung sind die sättigbaren Reaktoren 232a, 232b und 232c mit jeder der drei sekundären Wechselstrom-Transformatorwicklungen und der Drei-Phasen-Dioden-Gleichrichterbrücke in Reihe geschaltet. Die Funktion der sättigbaren Reaktoren 232a, 232b und 232c ist es, die Impedanz des Wechselstromweges zwischen dem Transformator und dem Wechselstromeingang des Diodengleichrichters zu variieren, wodurch ein Mittel zum Aufrechterhalten der gewünschten Menge Gleichstrom im Lichtbogen 344 bereitgestellt wird, auch wenn die Lichtbogenspannung ziemlich schnell variieren kann.
Die sekundäre Transformatorwicklung 204 in der in 6(b) gezeigten Schaltung 230 kann ein Ypsilon oder Delta sein. Wenn die sekundäre Wicklung 204 ein Ypsilon ist, muß die primäre Wicklung (in 6(b) nicht gezeigt) ein Delta oder ein Ypsilon ohne neutrale Rückführung sein.
Eine "Clamping"-Diode ist bei dem in 6(b) gezeigten Schaltungstyp nicht notwendig, weil die Dioden im Brückengleichrichter diese Funktion bereitstellen. Der Induktor 214 wird verwendet, um die Übergangslichtbogenspannung zuzuführen, die nötig ist, um einen stabilen Gleichstromlichtbogen im Gefäß aufrechtzuerhalten.
Es ist wichtig, daß entweder der Gleichrichter vom Thyristortyp oder der vom Typ eines sättigbaren Reaktors eine ausreichend hohe Gleichspannung für den Strom im offenen Stromkreis besitzt, um normalerweise die Lichtbogen-Gleichspannung zu übersteigen. Es ist auch wichtig, daß jeder Typ der Stromversorgung fähig sein muß, eine voreingestellte Größe des Gleichstroms zu halten, während die Lichtbogenspannung von Null bis wenigstens 90% der normalen Leerlauf-Gleichrichterspannung reicht, sogar wenn die Lichtbogenspannung schnell variiert.
Wenn der Lichtbogenabschnitt des Gefäßes 302 mit Wechselstrom statt mit Gleichstrom versorgt wird, dann ist der Schaltungstyp mit sättigbarem Reaktor, der in 6(b) gezeigt ist, bevorzugt, da er einen höheren Grad an Lichtbogenstabilität als ein herkömmlicher Thyristortyp eines Wechselstromschalters bereitstellt.
Ein Kontakt mit dem Lichtbogen und der relativen Dichte von Metallen, die im Abfallmaterial 330 vorhanden sind, führt zur Bildung von drei Phasen oder Schichten im Gefäß 302: einer Metallschicht, einer Schlackeschicht und einer gasförmigen Schicht. Der primäre Betriebsmodus im Gefäß 302 ist die Pyrolyse. Jedoch kann der Betrieb in einem teilweisen Oxidationsmodus erforderlich sein, um die Verarbeitung von großen Mengen brennbarer Materialien zu unterstützen.
Eine Konfiguration des integrierten Systems 300 schließt die Verwendung von Kondensatoren 356 und eine spezifische Anordnung bei der Stromverteilung ein. Wie in 2 gezeigt, ist ein Ein-Phasen-Lichtbogenplasma-Schmelzofen 302 mit Stromheizung dargestellt, der ein einziges Paar Elektroden 314 und 338 für den Lichtbogen 344 besitzt. Vorzugsweise nutzt der Abschnitt des Schmelzofens 302 mit Stromheizung eine Wechselstromquelle 346, während der Lichtbogenabschnitt des Schmelzofens 302 eine Gleichstromquelle 348 nutzt.
Die in 2 gezeigte bevorzugte Ausführungsform verwendet die Kombination der Gleichstrom- und Wechselstromsysteme 348 bzw. 346, die den Elektroden im einzigen Gefäß oder Schmelzofenbehälter 302, in dem das Abfallmaterial 330 der Behandlung durch einen Umwandlungsvorgang einschließlich Verglasung unterzogen wird, Strom zuzuführen. Eine spezielle Schaltung ist notwendig, weil der Lichtbogen-Gleichstrom 314, 338 mit den Wechselstromelektroden 308a, 308b der Stromheizung wechselwirkt, wenn keine speziellen Schritte unternommen werden, um eine solche Wechselwirkung zu verhindern. Eine solche Wechselwirkung kann den Ausfall der Transformatoren bewirken, die Strom für die Stromheizungselektroden bereitstellen. Diese Schaltung gestattet eine vollständig unabhängige Steuerung des Lichtbogenplasmas und des Schmelzofens mit Stromheizung.
Wenn Ein-Phasen-, Zwei-Phasen- oder Drei-Phasen-Wechselstrom-Lichtbogenelektroden anstelle von Gleichstrom-Lichtbogenelektroden verwendet werden, kann es immer noch eine Wechselwirkung zwischen der Wechselstrom-Lichtbogenschaltung und der Wechselstromschaltung für die Stromheizung geben. Während die Wechselstrom-Wechselstrom-Wechselwirkung ziemlich komplex ist, gibt es viele abhängige Wechselwirkungen, die auftreten können, und unter diesen Umständen ist es oft schwierig, ein lokalisiertes Heizen und die Elektrodenerosion zu steuern. Folglich ist es bevorzugt, eine Gleichstrom-Lichtbogenschaltung in Kombination mit einer Wechselstromschaltung mit Stromheizung zu verwenden.
Die Gleichstromquelle 348 umfaßt den Induktor 360, die primäre Wicklung 3b2, die sekundären Wicklungen 366a, 366b und 366c und die sättigbaren Reaktoren 364a, 364b und 364c. Die primäre Wicklung 362 ist vorzugsweise ein Delta. Die sättigbaren Reaktoren 364a, 364b und 364c sind mit den sekundären Wicklungen 366a, 366b bzw. 366c in Reihe geschaltet.
Wenn der Gleichstrom 348 durch das Abfallmaterial 330 und das Schlacke/Metall-Schmelzbad 332 fließt, in das die Wechselstromheizungselektroden 308a, 308b eingetaucht sind, die mit den Anschlüssen des Transformators 352 ohne Mittel, die den Fluß des Gleichstroms 348 durch die Wicklungen des Transformators 352 verhindern, direkt verbunden sind, wird der Kern des Transformators 352 gesättigt. Dies führt zu einem erhöhten Strom in der primären Wicklung 350 des Transformators 352, was den Ausfall des Transformators 352 in einer sehr kurzen Zeitdauer bewirkt. Um das Lichtbogenplasma und den Schmelzofen mit Stromheizung im Gefäß 302 gleichzeitig zu betreiben, ist es deshalb notwendig, den Wechselstrom 346 weiterhin durch das Schmelzbad 332 zum Stromheizen fließen zu lassen, während gleichzeitig der Gleichstromfluß 348 unterbrochen wird. Der Kondensator 356 wird zum Unterbrechen des Gleichstroms 348 und Weitergeben des Wechselstroms 346 verwendet. Der Kondensator 356 ist vorzugsweise mit jeder sekundären Transformatorwicklung 354 in Reihe geschaltet, um den Strom in jeder Phase über einen weiten Bereich der Brennofen-Betriebsbedingungen auszugleichen. Wie ferner in 2 gezeigt, ist der Kondensator 356 mit der sekundären Wicklung 354 verbunden, die mit dem sättigbaren Reaktor 358 verbunden ist.
3(a) und 3(b) zeigen eine Schaltungsanordnung, die für die Verwendung bei der vorliegenden Erfindung beeignet ist. Insbesondere ist in 3(a) eine Drei-Phasen-Wechsel- Stromquelle 346 dargestellt, während in 3(b) eine Gleichstromquelle 348 dargestellt ist. Die Schaltung schließt die Induktivität jedes Wechselstromweges im Gefäß oder Schmelzofen 302, wie durch das gesamte Wechselstromsystem 346 widergespiegelt, den nicht-linearen Widerstand des Stromweges durch das Schmelzbad 332, die Elektrodenschnittstellen, die Stromzufuhrkabel, die sekundären Wicklungen 372a, 372b und 372c des Transformators 376 und die Größe der Kapazität des Kondensators 370a, 370b und 370c ein, der als ein Serienelement in der in der Schaltung des Brennofens mit Stromheizung angeschlossen ist. Der Wechselstrom 346 schließt auch die primäre Wicklung 350, die sättigbaren Reaktoren 374a, 374b, und 374c und die Elektroden 368a-368f ein. Die sättigbaren Reaktoren 374a-374c sind mit den jeweiligen sekundären Wicklungen 372a-372c verbunden.
Weil der Wechselstrom in einer Schaltung selten sinusförmig ist, bei der etwas wie die Schaltung des Brennofens mit Stromheizung mit einem nicht-linearen Widerstand in Reihe ist, ist es möglich, mehrere andere harmonische Frequenzen als 60 Hertz anzuregen, die mit der 60-Hertz-Sinuswelle überlagert sind, die vom Versorgungsbetrieb geliefert werden. Bei dieser Schaltung ist es wichtig, den nichtlinearen Widerstand zu erklären und die elektrischen Komponenten zu spezifizieren, um eine angemessene Dämpfung und daher einen stabilen Betrieb zu erreichen. Es ist ebenfalls wichtig, daß die Spannungs-, die Strom- und die Kapazitätsdaten des Kondensators so sind, daß die Resonanzfrequenz der Serie der gesamten Systeminduktivität an den Brennofenelektroden so ist, daß der niedrigste Widerstandswert, wie er an denselben Elektroden gesehen wird, wenn man in den Brennofen sieht, plus der effektive 60-Hertz-Widerstand gleich oder größer ist als 1,5- und vorzugsweise 2-mal größer als (L/C)^1/2, wobei L die Gesamtinduktivität des Stromsystems und C die Kapazität der Kondensatoren 370a, 370b und 370c ist. Der gesamte effektive Widerstand R sollte 2-mal (L/C)^1/2 betragen, aber jeder Resonanzanstieg im Strom ist vernachlässigbar, wenn dies 1,5-mal (L/C)^1/2 ist.
Wie in 3(b) gezeigt, kann das elektrische Gleichstromsystem 348 einen Stromtransformator mit einer sekundären Ypsilon- oder Deltawicklung 384a-384c besitzen. Die primäre Wicklung 382 ist vorzugsweise ein Delta. Wie ebenfalls in 3(b) gezeigt, ist der Stromgleichrichter vorzugsweise ein Drei-Phasen-Zweiweggleichrichter. Der Gleichrichter kann ein stromgesteuerter Thyristorgleichrichter, wie in 6(a) gezeigt, sein, d.h. ein siliziumgesteuerter Gleichrichter, bei dem der Anoden-Kathoden-Strom durch ein Signal gesteuert wird, das an eine dritte Elektrode angelegt wird. Alternativ kann der Gleichrichter ein Drei-Phasen-Zweiweg-Dioden-Gleichrichter mit der Wechselstromsteuerung sein, um den gewünschten Gleichstram, wie in 6(b) dargestellt, aufrechtzuerhalten. Wenn ein Thyristorgleichrichter verwendet wird, ist es wichtig, daß eine nicht geerdete Diode mit vollem Nennstrom (full-rated current floating diode) zwischen den Gleichstromausgangsanschlüssen 378a, 378b angeordnet ist. Es ist nicht notwendig, eine Gleichstrom-"Floating"- oder -"Clamping"-Diode hinzuzufügen, wenn ein Drei-Phasen-Gleichrichter verwendet wird, da die Dioden im Gleichrichter ausreichen.
Für einen Gleichstrom-Lichtbogenbrennofen ist es bevorzugt, einen Drei-Phasen-Zweiweg-Dioden-Gleichrichter mit sättigbarer Reaktorsteuerung 386a-386c zu verwenden. Ungeachtet dessen, welcher Stromquellentyp verwendet wird, ist es wichtig, daß ein Induktor mit der Gleichstromleitung in Reihe geschaltet wird, die nicht geerdet ist. Dieser Reaktor ist notwendig, um die Energie schnell zuzuführen, wenn die Brennofenbedingungen so sind, daß die Lichtbogen-Gleichspannung plötzlich ansteigt. Ein feuerfestes Material wird verwendet, um das Gefäß 302 auszukleiden. Das feuerfeste Material kann aus jedem geeigneten Material bestehen, das Temperaturen aushalten kann, die erforderlich sind, um das Abfallmaterial zu verarbeiten. Zum Beispiel und obwohl nicht einschränkend gemeint können das Gefäß 302 und Teile des feuerfesten Materials aus Keramik oder Graphit bestehen. Wenn der untere Teil der Innenseite des Brenn- oder Schmelzofens 302 aus einem geeigneten, feuerfesten Material, wie Keramik oder dergleichen, besteht und ein schlechter elektrischer Leiter ist, wenn er heiß ist, kann die Gegenelektrode 380 durch Vertiefung eines Abschnitts des Bodens des Brennofens 302 zwischen den Stromheizungselektroden 368a-368f. und anschließendes leichtes Anheben der Abflußröhre für das geschmolzene Metall gebildet werden, so daß ein Metallbad in dieser Vertiefung im Brennofenboden verbleibt, sogar nachdem das Metall abgelassen wurde. Dieses Metall kann als Gegenelektrode 380 für die Wechselstromheizungsschaltung wirken und gleichzeitig als Gleichstrom-Lichtbogenschaltungselektrode benutzt werden.
Die metallische Brennofenbodenelektrode 380 kann unter Verwendung verschiedener Konfigurationen, wie denen, die durch die Schaltpläne in 3(b) gezeigt sind, angeschlossen werden. Auf jeden Fall ist es bevorzugt, eine oder mehrere Elektroden durch den Boden des Brenn- oder Schmelzofens hindurch zu haben. Die Elektroden können Graphit oder Metall sein. Es sollte bemerkt werden, daß die Schaltungen in 3(b) bzw. 5 Schalter 388 und 436 in Reihe mit der elektrischen Verbindung zur Metallelektrode 380 und 426 einschließen. Die Funktion dieser Schalter ist es, zu gestatten, daß der Gleichstromlichtbogen oder die -bögen entweder im Transfer- oder Nicht-Transfermodus oder in einer Kombination aus beiden Modi gleichzeitig arbeiten.
Wenn die physikalische Konfiguration des Brennofens 302 (in 1–2 gezeigt) für die Verwendung von zwei unabhängig angeordneten, steuerbaren Elektroden geeignet ist, dann können die Gleichstrom-Lichtbogenelektroden und die Wechselstromheizungselektroden gleichzeitig ohne schädliche, elektrische Wechselwirkung, aber mit vorteilhafter Wechselwirkung für die Verglasung aller Abfallarten, einschließlich Sondermüll und Krankenhausabfall, betrieben werden.
Die Elektrodenkonfigurationen im Brennofen oder Gefäß 400, die in den Ausführungsformen der Erfindung in 4(a) und 4(b) gezeigt sind, sind für die Verwendung einer Fernbedienung der Installation. 4 stellt zwei Skizzen dar, die verschiedene Draufsichten für die Brennofenkonstruktion zeigen. 4(a) zeigt eine längliche Konstruktion, während 4(b) eine runde Konstruktion zeigt. Während beide Konfigurationen eine, zwei oder mehrere feste Graphitelektroden verwenden können, ist es bevorzugt, die längliche Konfiguration mit zwei Elektroden (wie in (a) gezeigt) zu verwenden, da diese Gestaltung sich für zwei getrennte Hubsysteme für Elektroden mit kleinem Durchmesser eignet, wovon jedes in seinem eigenen zylindrischen Gehäuse untergebracht ist. Jede oder alle der Stromheizungselektroden 402a-402f kann mit dem Reihenkondensator als Gegenelektroden 404a-404b für das Gleichstrom-Lichtbogensystem verbunden sein. Die Stromheizungselektroden 402a-402f können ebenfalls mit der Elektrode 406 in Reihe geschaltet sein. In diesem Fall wird auch der Schalter 388 eingeschlossen, wie in 3(b) gezeigt. Durch Einstellen der Menge an Wechselstrom, so daß sein Spitzenwert den Wert des Lichtbogen-Gleichstroms übersteigt, der von den Stromheizungselektroden 404a-404f getragen wird, gibt es immer eine Stromumkehr, die dazu beiträgt, die Polarisierung an diesen Elektroden zu minimieren. Abhängig von der Art des verarbeiteten Abfallmaterials kann es wünschenswert sein, das Gleichstromquellensystem 412 neutral 438 mit der Wechselstromheizungselektrode 422a, 422e und 422c zu verbinden, die die Elektroden sind, die entsprechend mit den Wechselstromkondensatoren 416a-416e verbunden sind und die verwendet werden, um den Gleichstromfluß durch die sekundären Wicklungen 418a-418c der Transformatoren zu unterbrechen, wie in 5 gezeigt. Die Verbindung der Gleichstromquelle 412 und der Wechselstromquelle 410 ist in 5 als Leitung 438 bezeichnet. Der Grund für die Verwendung dieser Verbindung ist das Bereitstellen dreier zusätzlicher Gleichstrom-Gegenelektroden näher an der Oberfläche des Schmelzbads 332 während des Aufwärmens des Brennofens, so daß neutraler Transfergleichstrom 428 fließen und helfen kann, die positiven (+) und negativen (-) Gleichstromlichtbögen zu stabilisieren, bevor das Material direkt über der Gegenelektrode auf dem Herd ausreichend heiß geworden ist, um ausreichend Gleichstrom zu leiten, um bei der Stabilisierung der Gleichstrom-Lichtbögen zu helfen.
Es ist auch wünschenswert, drei Schalter 434a-434c mit dem Neutralleiter und den Elektroden 422a, 422e und 422c in Reihe zu haben, um die Größe des Gleichstroms und des Wechselstroms zwischen den Elektroden 422a-422f zu steuern. Das Wechselstromversorgungssystem 410 umfaßt eine primäre Wicklung 414 und sekundäre Wicklungen 418a-418c, die entsprechend mit den sättigbare Reaktoren 420a-420c verbunden sind. Die Gleichstromversorgung 412 umfaßt die Induktoren 424a, 424b und die sekundären Wicklungen 430a-430c, die entsprechend mit den sättigbaren Reaktoren 432a-432c verbunden sind.
Die Wechselstromversorgung 410 für die Stromheizung eines Glasschmelzebehälters stellt beinahe konstante Schmelzetemperaturen über den gesamten Glasbehälter bereit, wodurch die Kalibrierungseinschränkungen für den Lichtbogen, d.h. Lichtbogenleistung, Elektrodendurchmesser und dergleichen, minimiert werden. Der Gleichstromlichtbogen ist im Brennofen/Schmelzofen primär für eine Zufuhrratensteigerung vorhanden. Dies macht diese neu konfigurierte Schmelzofentechnologie flexibler als jedes andere verfügbare Verglasungssystem. Der Lichtbogen führt die Energie der ungeschmolzenen Deckschicht (overburden) der ankommenden Zufuhr zu und der Abschnitt des Schmelzofensystems mit Stromheizung erhält das heiße Glasbad aufrecht, um ein vollständiges Auflösen und Mischen der Glasmischung sicherzustellen.
Wenn die Lichtbogentechnologie alleine verwendet würde, müßte das Verhältnis Elektroden-/Herddurchmesser groß sein, um sicherzustellen, daß der Inhalt im Herd nicht nur in der Mitte des Herdes ausreichend geschmolzen wird, sondern auch an den Wänden des Herdes. Die Herdgröße wäre deshalb aufgrund der praktischen Einschränkungen beim Elektrodendurchmesser beschränkt. Wenn der Herd oder Glasbehälter strombeheizt wird, besteht diese Einschränkung jedoch nicht mehr und die Größe des Behälters kann so bemessen werden, daß sichergestellt wird, daß die Aufenthaltszeit für ein vollständiges Mischen und Auflösen aller Glaskomponenten angemessen ist.
Wenn die Schmelzofentechnologie ohne den Lichtbogen verwendet würde, wären die Zufuhrraten aufgrund von Einschränkungen in der Wärmeübertragung vom Schmelzbad zur ungeschmolzenen Zufuhr über dem geschmolzenen Glas wesentlich geringer. Um sich großen Durchsatzanforderungen anzupassen, ist der Standardansatz, die Schmelzoberfläche zu erhöhen. Folg lich müßte für eine gegebene Verarbeitungsrate der Schmelz ofen mit Stromheizung viel größer sein, als das kombinierte Lichtbogenschmelzsystem der vorliegenden Erfindung. Die vorliegende Erfindung nutzt die Vorteile der Techniken sowohl des Gleichstromlichtbogens und des Schmelzofens mit Wechselstromheizung und tut dies in einem einzigen optimierten System.
Es können mehrere Lichtbogenelektroden verwendet werden, um dieses kombinierte System zu starten oder neuzustarten, aber wenn die Schmelze einmal erhitzt ist, kann die Stromheizung dazu verwendet werden, ein Schmelzbad während langer Leerlaufperioden aufrechtzuerhalten. Dies bedeutet, daß der Lichtbogen im überführten Modus zum Starten oder Neustarten von Lichtbogenoperationen sofort gestartet werden kann.
Die Kombination des Lichtbogenplasma-Brennofens und des Schmelzofens mit Stromheizung gemäß der vorliegenden Erfindung stellt ein Verfahren zum schnellen Erhitzen von Zufuhrmaterial bereit, das für einen Vorgang von gegebener Größe zu höheren Verarbeitungsraten führt. Die schnelle Heizgeschwindigkeit führt auch zur Erzeugung einer höheren Qualität des Pyrolysegases. Es wird mehr Energie zurückgewonnen und es gibt weniger Schadstoffe in den Gasemissionen. Außerdem stellt der Schmelzofen mit Stromheizung der vorliegenden Erfindung ein größeres Reservoir mit nachgewiesenem Mischen bereit, um ein homogenes Glasprodukt mit sehr hoher Stabilität zu erzeugen. Dies ist vorteilhaft, da das verglaste Glasprodukt über geologische Zeitrahmen stabil ist. Siehe z.B. Buelt et al., In Situ Vitrification of Transuranic Wastes: System Evaluation and Applications Assessment, PNL-4800 Supplement 1, Pacific Northwest Laboratory, Richland, WA. (1987). Außerdem stellt die vorliegende Erfindung eine weitere Volumenverringerung durch die Verglasung der Asche bereit, verglichen mit der Asche, die aus Verbrennung alleine erzeugt würde. Siehe Chapman, C., Evaluation of Vitrifying Municipal Incinerator Ash, Ceramic Nuclear Waste Management IV, Ceramic Transactions, G.G. Wicks, Hrsg., Bd. 23, S. 223-231, American Ceramic Society (1991).
Wie oben erörtert, stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren bereit, das die schnelle Pyrolyse ermöglicht. Die schnelle Pyrolyse führt zu einem Pyrolysegas mit höherer Reinheit als andere Mittel der Pyrolyse. Das Gas mit hoher Reinheit ermöglicht die Verwendung der kürzlich entwickelten Technologien der kleinen Gasturbinen mit hoher Effizienz, wodurch die Effizienz verglichen mit herkömmlichen Dampfturbinen deutlich gesteigert und die Einheitsgröße der erforderlichen Turbine verringert wird. Der Gleichstromlichtbogen stellt eine Hochtemperaturwärmequelle bereit, um die schnelle Pyrolyse effektiv durchzuführen. Graef et al., Product Distribution in the Rapid Pyrolysis of Biomass/Lignin for Production of Acetylene, Biomass as a Nonfossil Fuel Source, American Chemical Society (1981), haben gezeigt, daß unter Bedingungen wie denen, die in einem Plasmabrennofen vorgefunden werden, städtischer Feststoffabfall zu gasförmigen Produkten, wie in Tabelle 1 gezeigt, pyrolysiert werden kann.
Tabelle 1. Gaszusammensetzung von Pyrolyse von MSW in Plasmaschmelzofen.
Es ist wichtig zu bemerken, daß beim Vergleich der normalen Pyrolyse mit der schnellen Pyrolyse ein größerer Anteil des ankommenden Abfalls in Gas umgewandelt wird. Die thermische oder normale Pyrolyse fördert die Verflüssigung und ergibt nur eine 45-50%ige Umwandlung zu Pyrolysegasen, während die schnelle Pyrolyse Gasausbeuten von mehr als 65% aufweist. Eine schnelle Pyrolyse von städtischem Abfall wurde unter Verwendung eines wassergekühlten Metall-Plasmabrenners gezeigt. Siehe Carter et al., Municipal Solid Waste Feasibility of Gasification with Plasma Arc, Industrial and Environmental Applications of Plasma, Proceedings of the First International EPRI Plasma Symposium (Mai 1990). Im Betriebsmodus mit teilweiser Oxidation wird der Rückstand aus beiden Techniken oxidiert, um die Energieanforderungen der Pyrolyse zu versetzen.
Es wird erwartet, daß die Pyrolysegase, die gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt werden, für die Verbrennung in einem Gasturbinen-Generator mit hoher Effizienz aus dem Stand der Technik gut geeignet sind. Da sich die Effizienz neuer kombinierter Kreislauf-Systeme mit Gasturbinen 50% annähert, stellt das vorliegende Verfahren zur Umwandlung von Abfall in Energie eine effektive Alternative zu Standard-Abfallbrennöfen bereit. Unter günstigen Bedingungen erreichen die Brennofen/Dampfgenerator-Systeme eine Effizienz von 15-20% bei der Umwandlung der potentiellen Energie, die im Abfall enthalten ist, in nutzbare, elektrische Energie.
Ein prophetischer darstellender Vergleich des vollständigen Abfallumwandlungssystemes der vorliegenden Erfindung mit dem von Standard-Brennofen/Dampfgenerator-Systemen wird in Tabelle 2 zusammengefaßt.
Tabelle 2. Relative Energiebilanzen und Nettokosteninformationen für einen Lichtbogenbrennofen und Schmelzofen mit Stromheizung gegenüber der Standard-Brennofen/Dampfgenerator-Technologie (Basis = 1 Tonne MSW).

HV =: Heizwert,
MSW =: städtischer Feststoffabfall.

Für den Vergleich der beiden Technologien wird eine Annahme gemacht gemacht, nämlich daß das Glas- oder Schlackeprodukt, das im Lichtbogenbrennofen der vorliegenden Erfindung erzeugt wird, ein nutzbares Produkt ist, obwohl für diesen Vergleich dem Glas kein Wert zugeordnet wurde. Wenigstens ist dieses Material jedoch ein stabiles, nicht gefährliches Material, das einfach auf jeder Deponie für nicht gefährlichen Abfall entsorgt werden kann. Es wird auch angenommen, daß der Brennofen für städtischen Feststoffabfall (MSW) in einem dicht besiedelten Gebiet, wie den nordöstlichen Vereinigten Staaten, eingesetzt wird, das Asche erzeugt, die entweder auf eine Standard-Deponie oder eine Sondermülldeponie transportiert werden muß. Energie und Kosten sind pro verarbeiteter Tonne MSW angegeben, basierend auf gegenwärtig verfügbaren Daten.
Der Energiebedarf zum Betreiben des Systems ist auf einer relativen Basis angegeben, d.h. der Wert, der als "Energiebedarf zum Betreiben des Systems" für den Lichtbogenbrennofen/Schmelzofen gezeigt wird, ist der, der das übersteigt, was für den Brennofen erforderlich ist. Der Heizwert des ankommenden Abfalls ist ein zusammengesetzer Wert aus mehreren Quellen. Siehe z.B. Carter et al., Municipal Solid Waste Feasibility of Gasification with Plasma Arc, Industrial and Environmental Applications of Plasma, Proceedings of the First International EPRI Plasma Symposium (Mai 1990); Renewable Energy-Sources for Fuels and Energy, Johansson, Herausgeber, Island Press, Washington, D.C. (1993); und Clean Energy from Waste & Coal, Khan, Herausgeber, American Chemical Society Symposium Series, American Chemical Society, Washington, D.C. (Aug. 1991,. veröffentlicht 1993). Die Nettoenergie, die für jede Option erzeugt wird, wurde bestimmt, indem ein 40%iger bzw. 15%iger Wirkungsgrad für die Lichtbogenbrennofen/SchmelzofenlGasturbinengenerator- und Brennofen/Boiler/Dampfgenerator-Optionen verwendet wurde. Siehe Clean Energy from Waste & Coal, Khan, Herausgeber, Amercian Chemical Society Symposium Series, American Chemical Society, Washington, D.C. (Aug. 1991, veröffentlich 1993); und Perry's Chemical Engineers Handbook, 6, Aufl., Kap. 26. Die Verluste, die in Tabelle 2 dargelegt sind, sind die Differenz zwischen dem ankommendem Heizwert im Abfall und der Energiezufuhr minus der ausgehenden Nettoenergie. Die Verluste für die Brennofenoption sind aufgrund der Ineffi zienzen der Kambination des Boilers und des Dampfgenerators gegenüber den mit Pyrolysegas betriebenen Turbinengeneratoren höher. Siehe Perry's Chemical Engineers' Handbook, 6. Aufl., Kap. 26. Die Entsorgungskosten für die Asche stellen Werte dar, die aus der Literatur und gegenwärtig verfügbaren Daten von Abfallbehandlungsanstalten erlangt wurden. Siehe z.B. Recycling and Incineration, Dension et al., Hrsg., Island Press, Washington, D.C. (1990). Wenn sich neue Vorschriften und gegenwärtige Trends, die das Behandeln von Asche als Sondermüll einbeziehen, fortsetzen, würden die Entsorgungskosten am oberen Ende des Bereichs liegen, der in Tabelle 2 angegeben ist. Unter diesen Umständen liefert die vorliegende Erfindung der Verwendung der Lichtbogenbrennofen/Schmelzofen-Kombination einen zusätzlichen Vorteil gegenüber dem Stand der Technik.
Es sollte von Fachleuten auf dem Gebiet erkannt werden, daß die oben offenbarten spezifischen Ausführungsformen ohne weiteres als Basis zur Modifizierung oder Gestaltung weiterer Aufbauten zur Ausführung desselben Zwecks der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Es sollte von Fachleuten auf dem Gebiet ebenfalls erkannt werden, daß solche äquivalenten Konstruktionen nicht vom Umfang der Erfindung abweichen, wie er in den beigefügten Ansprüchen bekanntgemacht wird.

Claims

Abfallumwandlungseinheit (300) mit integriertem Lichtbogenplasma-Schmelzofen mit Stromheizung, welche umfasst: eine Einrichtung, die so angeordnet ist, dass auf oder in einem Schmelzbad (332) in der Einheit (300) ein Lichtbogenplasma (344) erzeugt wird; und eine Einrichtung, die so angeordnet ist, dass ein volumetrisches Stromheizen im Schmelzbad (332) bereitgestellt wird, wobei die Einrichtung zum Erzeugen des Lichtbogenplasmas (344) und die Einrichtung, die so angeordnet ist, dass ein volumetrisches Stromheizen bereitgestellt wird, so konfiguriert sind, dass jede unabhängig steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass beide Einrichtungen zum Heizen während des gleichzeitigen Betriebs unabhängig steuerbar sind, um stufenlos abstimmbare Verhältnisse der Heizleistung durch das Lichtbogenplasma und das volumetrische Stromheizen bereitzustellen.
Abfallumwandlungseinheit (300) mit integriertem Lichtbogenplasma-Schmelzofen mit Stromheizung nach Anspruch 1, bei der: die Einrichtung zur Erzeugung des Lichtbogenplasmas wenigstens eine Lichtbogenplasmaelektrode (314) oder wenigstens eine Übertragungslichtbogenplasmaelektrode umfasst; die Einrichtung zum Bereitstellen des volumetrischen Stromheizens eine Mehrzahl von Stromheizelektroden (308) umfasst; eine erste Stromquelle (348), die mit wenigstens einer Lichtbogenplasmaelektrode (314) verbunden ist, wobei das Lichtbogenplasma (344) zwischen der wenigstens einen Lichtbogenplasmaelektrode (314) und dem Schmelzbad (332) erzeugt wird; eine zweite Stromquelle (346), die mit der Mehrzahl von Stromheizelektroden (308) verbunden und so konfiguriert ist, dass das volumetrische Strombeizen im Schmelzbad (332) bereitgestellt wird; und worin die erste (348) und die zweite (346) Stromquelle so konfiguriert sind, dass (i) jede ohne nachteilige elektrische Wechselwirkung miteinander unabhängig steuerbar ist.
Abfallumwandlungseinheit (300) mit integriertem Lichtbogenplasma-Schmelzofen mit Stromheizung nach Anspruch 2, worin entweder die Einheit (300) weiterhin eine Mehrzahl von Spulen (315) für das induktive Heizen und/oder Mischen in einer vorbestimmten Postition relativ zur Einheit (300) umfasst, oder die Mehrzahl von Stromheizelektroden (308) in vorbestimmten Abständen von einer Bodenfläche (302B) der Einheit (300) angeordnet sind.
Abfallumwandlungseinheit (300) mit integriertem Lichtbogenplasma-Schmelzofen mit Stromheizung nach Anspruch 2, worin die Einheit weiterhin umfasst: eine erste Auslassöffnung (306), die so angeordnet ist, dass Gase aus der Einheit abgelassen werden; eine zweite Auslassöffnung (310), die so angeordnet ist, dass Metall aus der Einheit abgegeben wird; und eine dritte Auslassöffnung (326), die so angeordnet ist, dass Schlacke aus der Einheit abgegeben wird; eine Einrichtung zum Zuführen von Abfallmaterial (330) in die Abfallumwandlungseinheit (300), sodass in der Einheit (300) eine Metallschicht, eine Schlackeschicht und eine Gasphase gebildet wird; eine Gasreinigungseinheit (40), die an der Einheit (300) angebracht ist, wobei die Gasreinigungseinheit (40) so konfiguriert ist, dass die Gase, die aus der Einheit (300) abgelassen werden, in Brenngas (44) und Feststoffe getrennt werden; entweder eine Elektrizität erzeugende Einheit (52) mit Gasturbine oder Generatoreinheit (55) mit Verbrennungsmotor, die an der Reinigungseinheit (40) angebracht ist, worin jede Generatoreinheit so konfiguriert ist, dass das Brenngas (44) aus der Reinigungseinheit (40) genutzt wird, um Elektrizität (64) zu erzeugen; und eine Einrichtung zur Zufuhr von Zusatzbrennstoff (53) mit einer vorbestimmten Rate in die jeweilige Generatoreinheit.
Abfallumwandlungseinheit mit integriertem Lichtbogenplasma-Schmelzofen mit Stromheizung nach Anspruch 4, worin der Generator so ausgewählt ist, dass als Zusatzbrennstoff (53) irgendeines aus Heizöl, Dieselkraftstoff oder Erdgas verwendet wird.
Abfallumwandlungseinheit (300) mit integriertem Lichtbogenplasma-Schmelzofen mit Stromheizung nach Anspruch 2 oder 4, worin die zweite Stromversorgungsquelle (346) eine Wechselstromquelle ist, welche umfasst: einen Transformator (376) mit einer Primärwicklung (350) und wenigstens einer Sekundärwicklung (372); wenigstens einen Kondensator (370), der mit der Sekundärwicklung (372) des Transformators in Reihe geschaltet und mit einer ersten aus der Mehrzahl von Stromheizelektroden (308) verbunden ist; und wenigstens eine Sättigungsdrossel (374), die mit der Sekundärwicklung (372) des Transformators (376) in Reihe geschaltet und mit einer zweiten aus der Mehrzahl von Stromheizelektroden (308) verbunden ist, worin die erste Stromquelle (348) eine Gleichstromquelle ist.
Abfallumwandlungseinheit (300) mit integriertem Lichtbogenplasma-Schmelzofen mit Stromheizung nach Anspruch 2 oder 4, die weiterhin wenigstens eine Metallauslassöffnung (310) und wenigstens eine Schlackeauslassöffnung (326) in vorbestimmten Positionen im System umfasst.
Abfallumwandlungseinheit (300) mit integriertem Lichtbogenplasma-Schmelzofen mit Stromheizung nach Anspruch 7, worin entweder die Metallauslassöffnung (310) nahe einer Bodenfläche (302B) der Einheit angeordnet ist oder sich die Schlackeauslassöffnung (326) sich in einem vorbestimmten Winkel relativ zu einer Seitenfläche der Einheit (302D) aufwärts erstreckt und worin die Schlackeauslassöffnung über einer Bodenfläche (302B) der Einheit und unter einer Oberfläche des Schmelzbades (332) angeordnet ist.
Abfallumwandlungseinheit (300) mit integriertem Lichtbogenplasma-Schmelzofen mit Stromheizung nach Anspruch 7, die weiterhin eine Hilfsheizkammer (320) umfasst, die an der Schlackeauslassöffnung (326) angebracht ist.
Abfallumwandlungseinheit (300) mit integriertem Lichtbogenplasma-Schmelzofen mit Stromheizung nach Anspruch 2 oder 4, worin die Einheit (300) die Form einer länglichen Kammer hat.
Abfallumwandlungseinheit (300) mit integriertem Lichtbogenplasma-Schmelzofen mit Stromheizung nach Anspruch 2, 4 oder 10, worin die Zahl der Lichtbogenplasmaelektroden (314) wenigstens zwei beträgt.
Abfallumwandlungseinheit (300) mit integriertem Lichtbogenplasma-Schmelzofen mit Stromheizung nach Anspruch 2 oder 4, worin sechs Stromheizelektroden (308) in der Einheit (300) angeordnet sind, wobei die sechs Stromheizelektroden (308) jeweils mit der zweiten Stromquelle (346) verbunden und so konfiguriert sind, dass ein volumetrisches Strombeizen im Schmelzbad (332) bereitgestellt wird.
Abfallumwandlungseinheit (300) mit integriertem Lichtbogenplasma-Schmelzofen mit Stromheizung nach Anspruch 2 oder 4, worin die wenigstens eine Lichtbogenplasmaelektrode (314) eine Graphitelektrode ist.
Abfallumwandlungseinheit (300) mit integriertem Lichtbogenplasma-Schmelzofen mit Stromheizung nach Anspruch 2, worin die wenigstens eine Lichtbogenplasmaelektrode (314) eine Schutzschicht umfasst.
Abfallumwandlungseinheit mit integriertem Lichtbogenplasma-Schmelzofen mit Stromheizung nach Anspruch 2, worin die Stromheizeinrichtung so konfiguriert ist, dass das Schmelzbad (332) in einem geschmolzenen Zustand gehalten wird.
Abfallumwandlungseinheit (300) mit integriertem umkehrbarem Lichtbogenplasma-Schmelzofen mit Stromheizung nach Anspruch 2, worin die erste Stromquelle eine Gleichstromquelle ist, welche umfasst: einen Transformator mit wenigstens einer Sekundärwicklung; wenigstens eine Sättigungsdrossel mit einem ersten und einem zweiten Ende, wobei das erste Ende der Sättigungsdrossel mit der wenigstens einen Sekundärwicklung verbunden ist; eine Gleichrichtungseinrichtung mit einem Wechselstromeingang und einem Gleichstromausgang, wobei sich der Wechselstromeingang mit dem zweiten Ende der we nigstens einen Sättigungsdrossel in elektrischem Kontakt befindet; eine Drosselspule mit einem ersten und einem zweiten Ende, wobei sich das erste Ende mit dem Gleichstromausgang der Gleichrichtungseinrichtung in elektrischem Kontakt befindet; und wenigstens eine Lichtbogenplasmaelektrode mit einem Lichtbogenende und einem Anschlussende, wobei sich das Anschlussende mit dem zweiten Ende der Drosselspule in elektrischem Kontakt befindet und das Lichtbogenende so angeordnet ist, dass es fähig ist, das Lichtbogenplasma auf oder im gewöhnlichen Schmelzbad zu erzeugen.
Abfallumwandlungseinheit (300) mit integriertem Lichtbogenplasma-Schmelzofen mit Stromheizung nach Anspruch 1, bei dem die Einrichtung zum Erzeugen des Lichtbogenplasmas umfasst wenigstens eine Übertragungslichtbogenplasmaelektrode (314); wenigstens eine Gegenelektrode (338); eine Gleichstromquelle (348), die mit der wenigstens einen Übertragungslichtbogenplasmaelektrode (314) so verbunden ist, dass ein stabiles Lichtbogenplasma (344) zwischen der wenigstens einen Lichtbogenplasmaelektrode (314) und einem Schmelzbad (332) erzeugt werden kann; und die Einrichtung zum Bereitstellen des volumetrischen Stromheizens umfasst: eine erste, zweite, dritte, vierte, fünfte und sechste Stromheizelektrode (368); und eine Wechselstromquelle (346), die mit den Stromheizelektroden (368) verbunden und so konfiguriert ist, dass das volumetrische Stromheizen im Schmelz bad bereitgestellt wird, wobei die Wechselstromquelle (346) umfasst: eine Transformatoreinrichtung (376) mit drei Primärwicklungen (350) und einer ersten, zweiten und dritten Sekundärwicklung (372); einen ersten, zweiten und dritten Kondensator (370), die mit der ersten, zweiten bzw. dritten Sekundärwicklung (372) der Transformatoreinrichtung (376) in Reihe geschaltet sind und mit der ersten, zweiten bzw. dritten Stromheizelektrode (368a, b, c) verbunden sind; und eine erste, zweite und dritte Sättigungsdrossel (374), die mit der ersten, zweiten bzw. dritten Sekundärwicklung (372) der Transformatoreinrichtung (376) in Reihe geschaltet und mit der vierten, fünften bzw. sechsten Stromheizelektrode (368d, e, f) verbunden sind; worin die Gleichstrom- und Wechselstromquellen so konfiguriert sind, dass jede ohne nachteilige elektrische Wechselwirkung miteinander gleichzeitig betrieben wird; und worin die Gleichstrom- und Wechselstromquellen während des Betriebs unabhängig gesteuert werden, um vorbestimmte Mengen an Lichtbogenplasmawärme und Stromhitze bereitzustellen, sodass in die Einheit eingeführtes Abfallmaterial (330) ein Gas, verglasbare Schlacke und Metall bildet, wenn es der Lichtbogenplasmawärme ausgesetzt wird, und dass die Stromhitze so konfiguriert wird, dass das Schmelzbad (332) in einem geschmolzenen Zustand gehalten wird.
Abfallumwandlungseinheit (300) mit integriertem Lichtbogenplasma-Schmelzofen mit Stromheizung nach Anspruch 17, worin die Gleichstromquelle (412) so konfiguriert ist, dass ein stabiler Übertragungslichtbogen-Betrieb bereitgestellt wird.
Verfahren zum Betreiben einer Abfallumwandlungseinheit mit integriertem Lichtbogenplasma-Schmelzofen mit Stromheizung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, welche umfasst: unabhängiges Steuern der Einrichtung, die so angeordnet ist, dass ein Lichtbogenplasma erzeugt wird, und der Einrichtung, die so angeordnet ist, dass ein volumetrisches Stromheizen bereitgestellt wird und das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass beide Einrichtungen zum Heizen unabhängig gesteuert werden, während sie gleichzeitig betrieben werden.