EP0517735B1 - Verfahren zum stabilen betrieb eines plasmatrons mit wasserdampf als plasmagas - Google Patents

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EP0517735B1
EP0517735B1 EP91904221A EP91904221A EP0517735B1 EP 0517735 B1 EP0517735 B1 EP 0517735B1 EP 91904221 A EP91904221 A EP 91904221A EP 91904221 A EP91904221 A EP 91904221A EP 0517735 B1 EP0517735 B1 EP 0517735B1
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EP
European Patent Office
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temperature
plasma
plasmatron
steam
plasma gas
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EP91904221A
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English (en)
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EP0517735A1 (de
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Hans-Ulrich Dummersdorf
Dietrich Hebecker
Dirk Von Lengerken
Carsten Winter
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MASCHINEN- und ANLAGENBAU GRIMMA GmbH
Original Assignee
MASCHINEN- und ANLAGENBAU GRIMMA GmbH
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Publication date
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A62—LIFE-SAVING; FIRE-FIGHTING
    • A62D—CHEMICAL MEANS FOR EXTINGUISHING FIRES OR FOR COMBATING OR PROTECTING AGAINST HARMFUL CHEMICAL AGENTS; CHEMICAL MATERIALS FOR USE IN BREATHING APPARATUS
    • A62D3/00—Processes for making harmful chemical substances harmless or less harmful, by effecting a chemical change in the substances
    • A62D3/10—Processes for making harmful chemical substances harmless or less harmful, by effecting a chemical change in the substances by subjecting to electric or wave energy or particle or ionizing radiation
    • A62D3/19—Processes for making harmful chemical substances harmless or less harmful, by effecting a chemical change in the substances by subjecting to electric or wave energy or particle or ionizing radiation to plasma
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/28—Cooling arrangements
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A62—LIFE-SAVING; FIRE-FIGHTING
    • A62D—CHEMICAL MEANS FOR EXTINGUISHING FIRES OR FOR COMBATING OR PROTECTING AGAINST HARMFUL CHEMICAL AGENTS; CHEMICAL MATERIALS FOR USE IN BREATHING APPARATUS
    • A62D2101/00—Harmful chemical substances made harmless, or less harmful, by effecting chemical change
    • A62D2101/20—Organic substances
    • A62D2101/22—Organic substances containing halogen

Definitions

  • the present invention relates to a method for the stable operation of a plasmatron with initially essentially water vapor as the plasma gas according to the preamble of claim 1.
  • Plasmatrons which are used for chemical material conversion, are mainly operated with a gas that is chemically inert to the plasmatron materials as the plasma gas.
  • processes of plasma pyrolysis work with hydrogen as the plasma gas.
  • the erosion of the parts which are exposed to or are in contact with the arc is particularly high in the case of plasmatrons which are operated using water vapor as the plasma gas.
  • This high erosion load therefore affects in particular the cathode and the anode.
  • the relatively high loss of electrode mass leads to a short service life of the electrodes of the plasmatron, which is operated with water vapor as the plasma gas, so that continuous operation is practically impossible due to the frequently necessary change of electrodes.
  • the invention has for its object to provide a method for stable operation of a plasmatron, which is operated with water vapor as the plasma gas, by a continuous with intensive cooling of all thermally highly stressed parts, in particular the electrodes of the plasmatron, and in the other conventional thermal process conditions Operation by increasing the service life of thermally highly stressed parts of the plasmatron and by reducing or avoiding fluctuations in the operating parameters of the plasmatron can be reached.
  • the causes are to be eliminated, which lead to a substantially higher electrode erosion and to fluctuations in the operating parameters in the case of plasmatrons with water vapor as plasma gas in comparison with plasmatrons with other gas plasmas, without, on the other hand, disadvantageous changes in the thermal process conditions or in the cooling area.
  • the cooling of the cooled parts of the plasma cartridge is preferably limited and / or a condensation temperature of the plasma gas is lowered.
  • a further improvement of the method according to the invention for reducing condensation problems with regard to the water vapor plasma on the hot water-cooled parts of the plasmatron, in particular the anode and cathode thermally acted upon by the arc, is achieved according to a further preferred embodiment of the method according to the invention in that the cooling of the thermally highly stressed parts of the plasma cartridge, in particular the electrodes, are combined by hot water with a temperature of at least 80 ° C. with a lowering of the condensation temperature of the plasma gas by admixing a gas with a low condensation temperature.
  • Air is preferably added to the plasma vapor after the evaporation stage to lower the condensation temperature of the plasma gas mixture, the
  • the condensation temperature of the water vapor plasma gas component is, for example, 80 ° C., while in this case the electrode cooling according to the invention by means of hot water maintains an electrode temperature of more than 80 ° C.
  • This problem is preferably solved by limiting the cooling of the thermally highly stressed and therefore cooled parts of the plasmatron by using hot water as a coolant with a temperature of at least approximately 80 ° C.
  • the limitation of the cooling is achieved by only reducing the thermal driving force between the electrode surface, preferably the anode inner wall, and the cooling water.
  • a particularly effective solution is achieved according to an advantageous embodiment of the invention by a combination of the limitation of cooling in conjunction with the use of hot water as a coolant and the simultaneous lowering of the condensation temperature of the water vapor plasma by admixing a gas with a condensation temperature lower than that of water vapor, the Cooling water inlet temperature is controlled so that the surface temperature of the cathode and anode of the plasma cartridge is at least close to the condensation temperature of the plasma gas mixture corresponding to the new water vapor partial pressure.
  • Air is preferably additionally mixed into the water vapor as the gas reducing the condensation temperature of the water vapor plasma.
  • the invention is explained in more detail below on the basis of an exemplary embodiment for the destruction of toxic waste products with the aid of a chemical substance conversion by treatment in plasma cartridges which are operated essentially with water vapor as the plasma gas.
  • a plasma system for the destruction of toxic waste products preferably for the chemical conversion of waste products containing chlorinated or fluorinated hydrocarbons, consists of 10 plasma cartridges, each with a power of 30 kW, with the corresponding reactors and necessary additional units in a conventional manner.
  • the system is operated with 25 kg / h of steam at a temperature of 300 ° C at 0.1 mPa as plasma gas.
  • the plasmatron has a cooling device which uses cooling water as a coolant for cooling the thermally highly stressed parts of the plasmatron, in particular the anode and cathode.
  • the cooling water inlet temperature at the anode and increased the cathode by reducing the cooling in the cooling water circuits of the system to preferably 80 ° C., so that the thermally highly stressed parts of the plasmatons are subject to hot water cooling.
  • a cooling water speed of 50 to 70 m / s a cooling water outlet temperature of 81 to 82 ° C is reached.
  • Such a temperature control only insignificantly reduces the thermal driving force compared to the cooling water temperature, which is normally kept at room temperature, due to the (considerable) temperature difference between the surface temperature of the electrode and the original cooling water temperature, ie sufficient cooling of the electrodes can also be achieved with hot water.
  • a second preferred embodiment of the invention in the form of the use of hot water according to the invention with a temperature of preferably At least 80 ° C cooled plasmatrons for the destruction of toxic waste products by chemical conversion, the fluctuations in the operation of the plasmatrons that may still remain despite the reduction of the electrode cooling through the use of hot water cooling are not justifiable, since this, even if to a small extent, makes the leakage more toxic Pollutants could occur.
  • the cooling according to the invention of the thermally particularly stressed plasmatron parts, in particular the electrodes with hot water combined with a reduction in the condensation temperature of the water vapor plasma gas.
  • the condensation temperature can be reduced by admixing a foreign gas with a condensation temperature lower than that of water vapor to the water vapor. In this case, e.g. 62.5 m3 / h of air mixed into the plasma vapor after the evaporation stage.
  • the condensation temperature of the water vapor plasma component is now 80 ° C.
  • the electrode temperature with the electrode cooling according to the present invention is at least in this case preferably slightly more than 80 ° C., condensation of water vapor can be completely prevented in this way, so that the cause of fluctuations in the operation of the plasmatons are completely eliminated and a continuous flow of the material conversion processes is guaranteed. In this way, breakthroughs of toxic substances through a water vapor plasmatron can be completely avoided.
  • the invention provides a plasmatron and a method for the stable operation of a plasmatron with water vapor as the plasma gas, in which the fluctuations typical of water vapor plasmas, sudden fluctuations in the Operating conditions and increased electrode erosion can be avoided.
  • This is achieved by limiting the cooling of the thermally highly stressed plasmatron parts, in particular electrodes, as a result of using hot water as the coolant, which is used at a temperature of at least 80 ° C. most preferably.
  • the condensation of water vapor at strongly cooled areas of the plasmatron which leads to severe disturbances or interruptions of the plasma jet as a result of the arc and explosive evaporation of the condensate, and to material erosion from the electrode surface, leads to electrode erosion.
  • the invention not only brings about stable operation and long electrode life, but also improves the efficiency of the plasmatron and the yield of the plasma chemical processes.
  • the effect of the hot water cooling of the plasmatron electrodes can preferably be additionally increased by lowering the condensation point of the water vapor plasma atmosphere by adding a gas to the water vapor with a condensation temperature which is lower than that of water vapor, so that the latter now Water vapor partial pressure corresponding condensation temperature of the plasma gas mixture is below the temperature which is maintained as the surface temperature even at the most cooled points of the plasmatron, the electrodes, so that condensation and resulting condensate evaporation phenomena in the arc area of the plasmatron are actually avoided.
  • the pressure conditions in the plasma reactor and the respective phase conversion products, deviations and modifications can be carried out with the aim of avoiding the problems with plasmatron parts resulting from the condensation of the water vapor on cooled plasmatron parts, which essentially contain water vapor as plasma gas by ensuring, by choosing the cooling and / or condensation conditions, that condensation of the plasma gas or gas mixture or parts thereof does not occur at the cooled areas, in particular the electrodes of the plasmatron.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum stabilen Betrieb eines Plasmatrons mit zunächst im wesentlichen Wasserdampf als Plasmagas nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
  • Plasmatrons, die für die chemische Stoffwandlung eingesetzt werden, werden überwiegend mit einem gegenüber den Plasmatronmaterialien chemisch inerten Gas als Plasmagas betrieben. Beispielsweise arbeiten Verfahren der Plasmapyrolyse mit Wasserstoff als Plasmagas.
  • Es ist auch bereits bekannt, für verschiedene chemische Stoffwandlungen und in verschiedenen Leistungsgrößen Wasserdampf als Plasmagas einzusetzen, z.B. bei der Kohlevergasung (DD-A 215 325, DE-A-3 330 750, DE-A-3 605 715).
  • Es wurde auch bereits vorgeschlagen, toxische Abprodukte, insbesondere Abprodukte, die fluorierte oder chlorierte Kohlenwasserstoffe enthalten, durch chemische Reaktion in einem Wasserdampfplasmastrahl zu vernichten (DE-A-39 22 383).
  • In Verbindung mit Untersuchungen zu den chemischen Prozessen auf bestimmten Anwendungsgebieten chemischer Stoffwandlung in einer Wasserstoffplasmaathmosphäre wurde festgestellt, daß diese chemischen Prozesse zum einen durch die Wasserstoffionen und zum anderen durch die Sauerstoffionen des Wasserdampfplasmas bewirkt werden. Wasserdampfplasmen haben den Vorteil, bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen um ca. 3000 K eine hohe Konzentration an chemisch reaktiven, hoch angeregten Sauerstoff- und Wasserstoffspezies zu besitzen und dadurch für eine Reihe von Stoffwandlungsprozessen eine besondere Eignung zu besitzen. Bei allen Plasmatrons ist die thermische Belastung hoch, so daß sich infolge thermischer und/oder chemischer Erosion Standzeiten ergeben, die einen kontinuierlichen Betrieb eines Plasmatrons ohne intensive Kühlung verhindern. Dies betrifft in erster Linie die Elektroden, aber auch die Gaskammer, das Plasmatrongehäuse, die Anschlußstutzen und, je nach konstruktiver Ausführung, weitere Bauteile. Als Kühlmittel für derartige Plasmatrons wird üblicherweise Wasser mit einer Temperatur von ca. 20°C verwendet.
  • Bei Plasmatrons, die unter Verwendung von Wasserdampf als Plasmagas betrieben werden, ist im Unterschied zur Verwendung anderer Plasmagase die Erosion an den Teilen, die dem Lichtbogen ausgesetzt sind bzw. mit diesem in Kontakt stehen, besonders hoch. Diese hohe Erosionsbelastung betrifft also insbesondere die Kathode und die Anode. Der verhältnismäßig hohe Verlust an Elektrodenmasse führt zu niedrigen Standzeiten der Elektroden des Plasmatrons, das mit Wasserdampf als Plasmagas betrieben wird, so daß infolge des häufig notwendigen Elektrodenwechsels ein kontinuierlicher Betrieb praktisch nicht möglich ist.
  • Für den industriellen Einsatz von Wasserdampf-Plasmatrons ist außerdem die für derartige Plasmatrons spezifische Erscheinung nachteilig, daß in schneller Folge schlagartige Störungen in der Betriebsweise des Plasmatrons auftreten. Diese äußern sich in Schwankungen oder Unterbrechungen des Dampfdurchsatzes, Änderungen der Lichtbogenlänge, stark fluktuierender bzw. schwankender Lichtbogenspannung und -stromstärke und einer damit einhergehenden, stark schwankenden Plasmaenthalpie. Dies führt im Plasmareaktor zu Schwankungen in der chemischen Umsetzung, d.h. zu Beeinträchtigungen in der Produktqualität sowie des Wirkungsgrades und der Effizienz des Plasmatrons. Bisher haben auch Maßnahmen, die bei Plasmatrons üblicherweise beschritten werden, nämlich durch Verstärkung der Kühlung die Erosion an den Elektroden zu senken, üblicherweise bei Plasmatrons, die mit Wasserdampf als Plasmagas arbeiten, keine oder jedenfalls keine hinreichende Wirkung gezeigt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum stabilen Betrieb eines Plasmatrons, das mit Wasserdampf als Plasmagas betrieben wird, anzugeben, durch das bei intensiver Kühlung aller thermisch hochbeanspruchten Teile, insbesondere der Elektroden des Plasmatrons, und bei im übrigen herkömmlichen thermischen Prozeßbedingungen ein kontinuierlicher Betrieb durch Erhöhung der Standzeiten thermisch hochbeanspruchter Teile des Plasmatrons sowie durch Verringerung oder Vermeidungen von Schwankungen der Betriebsparameter des Plasmatrons erreicht werden kann. Insbesondere sollen die Ursachen beseitigt werden, die bei Plasmatrons mit Wasserdampf als Plasmagas im Vergleich zu Plasmatrons mit anderen Gasplasmen zu einer wesentlichen höheren Elektrodenerosion und zu Schwankungen in den Betriebsparametern führen, ohne daß andererseits nachteilige Veränderungen der thermischen Prozeßbedingungen oder im Kühlbereich auftreten.
  • Zur Lösung der vorgenannten Aufgabe, ein Verfahren zum stabilisierten Betrieb eines mit Wasserdampf als Plasmagas arbeitenden Plasmatrons anzugeben, das eine Erhöhung der Elektrodenstandzeiten sowie einen im wesentlichen fluktuationsfreien Betrieb bei hohem Wirkungsgrad der gewünschten chemischen Stoffwandlung gestattet, ist erfindungsgemäß ein Verfahren vorgesehen, bei dem die Temperatur des Kühlmittels und/oder die Zusammensetzung des Plasmagases derart gesteuert werden, daß die Kondensationstemperatur des Plasmagases zumindest im wesentlichen geringer ist als die durch die Kühlmitteltemperatur bestimmte Oberflächentemperatur der von dem Kühlmittel durchflossenen, gekühlten Teile des Plasmatrons. Hierdurch wird eine Kondensation der Plasmagasatmosphäre an den gekühlten Teilen des Plasmatronbs vermieden.
  • Vorzugsweise wird die Kühlung der gekühlten Teile des Plasmatrons begrenzt und/oder eine Kondensationstemperatur des Plasmagases erniedrigt.
  • Eine weitere Verbesserung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herabsetzung von Kondensationsproblemen in bezug auf das Wasserdampfplasma an den heißwassergekühlten Teilen des Plasmatrons, insbesondere der vom Lichtbogen thermisch beaufschlagten Anode und Kathode, wird nach einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch erreicht, daß die Kühlung der thermisch hochbeanspruchten Teile des Plasmatrons, insbesondere der Elektroden, durch Heißwasser mit einer Temperatur von zumindest 80°C kombiniert wird mit einer Senkung der Kondenstionstemperatur des Plasmagases durch Beimischung eines Gases mit niedriger Kondensationstemperatur. Vorzugsweise wird dem Plasmadampf im Anschluß an die Verdampfungsstufe Luft beigemischt zur Erniedrigung der Kondensationstemperatur des Plasmagasgemisches, wobei die Kondensationstemperatur der Wasserdampf-Plasmagaspartialkomponente bei z.B. 80°C liegt, während in diesem Fall durch die erfindungsgemäße Elektrodenkühlung mittels Heißwasser eine Elektrodentemperatur von mehr als 80°C gehalten wird.
  • Überraschenderweise wurde gefunden, daß die für Wasserdampfplasmen typische, stark erhöhte Elektrodenerosion und damit einhergehende Schwankungen in der Arbeitsweise des Plasmareaktors, die bisher einem kontinuierlichen Betrieb von Wasserdampf-Plasmatrons im Wege stehen, dadurch beseitigt werden können, daß anstelle einer Verstärkung der Kühlung der thermisch hochbeanspruchten Plasmatronteile, insbesondere der Elektroden, gerade der entgegengesetzte Weg beschritten wird, nämlich eine Begrenzung der Kühlung vorgenommen wird. Es wurde gefunden, daß die bisherigen Probleme in bezug auf die Elektrodenerosion sowie schlagartige, in schneller Folge auftretende Störungen in der Betriebsweise, wie Schwankungen oder Unterbrechungen des Dampfdurchsatzes, Änderung der Lichtbogenlänge, stark schwankende Lichtbogenspannung und -stromstärke sowie damit einhergehende fluktuierende Plasmaenthalpie ihre Ursache in einer explosionsartigen Verdampfung von Wasserdampfkondensat an den stark gekühlten Teilen (Elektroden) unter Einwirkung des Lichtbogens haben. Untersuchungen der Erfinder und Anmelderin haben ergeben, daß diese explosionsartige Verdampfung von durch Kondensation gebildeten Wassertröpfchen unter mechanischem Herausreißen von Material und chemisch-physikalischer Wechselwirkung der flüssigen Wasserphase mit der Elektrodenwandung unter initiierender Einwirkung des Lichtbogens zu kraterartigen Vertiefungen in der Elektrodenoberfläche führt, die bevorzugte Angriffspunkte für die weiteren Erosionen bilden. Überdies wird durch die schlagartige Verdampfung des Kondensats der kontinuierliche Dampfdurchsatz stark gestört oder kurzzeitig unterbrochen, wodurch es zu den beschriebenen Fluktuationen und Betriebsstörungen des Plasmatrons kommt.
  • Die Lösung dieses Problemes erfolgt vorzugsweise durch Begrenzung der Kühlung der thermisch hochbelasteten und daher gekühlten Teile des Plasmatrons durch Verwendung von Heißwasser als Kühlmittel mit einer Temperatur von zumindest ca. 80°C. Die Begrenzung der Kühlung wird hierbei durch alleinige Verminderung der thermischen Triebkraft zwischen der Elektrodenoberfläche, vorzugsweise der Anodeninnenwand, und dem Kühlwasser erreicht.
  • Eine besonders wirksame Lösung wird nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung durch eine Kombination der Begrenzung der Kühlung in Verbindung mit der Verwendung von Heißwasser als Kühlmittel und der gleichzeitigen Senkung der Kondensationstemperatur des Wasserdampfplasmas durch Beimischung eines Gases mit niedrigerer Kondensationstemperatur als derjenigen von Wasserdampf erreicht, wobei die Kühlwassereintrittstemperatur so gesteuert wird, daß die Oberflächentemperatur von Kathode und Anode des Plasmatrons zumindest nahe der der dem neuen Wasserdampfpartialdruck entsprechenden Kondensationstemperatur des Plasma-Gasgemisches liegt. Vorzugsweise wird als die Kondensationstemperatur des Wasserdampfplasma verminderndes Gas zusätzlich Luft in den Wasserdampf gemischt.
  • Weitere, bevorzugte Ausgestaltungen des Verfahrens zum Betrieb desselben nach der vorliegenden Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen dargelegt.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles zur Vernichtung toxischer Abprodukte mit Hilfe einer chemischen Stoffwandlung durch Behandlung in Plasmatrons, die im wesentlichen mit Wasserdampf als Plasmagas betrieben werden, näher erläutert.
  • Nach dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht eine Plasmaanlage zur Vernichtung toxischer Abprodukte, vorzugsweise zur chemischen Umwandlung von Abprodukten, die chlorierte oder fluorierte Kohlenwasserstoffe enthalten, aus 10 Plasmatrons von je 30 kW Leistung mit den entsprechenden Reaktoren und notwendigen Zusatzaggregaten in herkömmlicher Weise. Die Anlage wird mit 25 kg/h vorgelegtem Dampf mit einer Temperatur von 300°C bei 0,1 mPa als Plasmagas betrieben.
  • Normalerweise treten trotz intensiver Kühlung der Elektroden bei einer derartigen Anlage erhebliche Schwankungen der Betriebs- und Qualitätsparameter im Plasmatron auf und die Plasmatronanode ist nach verhältnismäßig kurzer Zeit infolge starker Abtragungen nicht mehr verwendbar.
  • Nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Plasmatron eine Kühleinrichtung auf, die Kühlwasser als Kühlmittel zur Kühlung der thermisch hochbeanspruchten Teile des Plasmatrons, insbesondere der Anode und Kathode, verwendet.
  • Zur Vermeidung von Kondensationserscheinungen aus dem Wasserdampfplasma an den gekühlten Elektroden, insbesondere der Anode, wird die Kühlwassereintrittstemperatur an Anode und Kathode durch Verringerung der Kühlung in den Kühlwasserkreisläufen der Anlage auf vorzugsweise 80°C erhöht, so daß die thermisch hochbeanspruchten Teile der Plasmatrons einer Heißwasser-Kühlung unterliegen. Bei einer Kühlwassergeschwindigkeit von 50 bis 70 m/s stellt sich eine Kühlwasseraustrittstemperatur von 81 bis 82°C ein. Eine derartige Temperaturführung reduziert gegenüber der normalerweise auf Raumtemperatur gehaltenen Kühlwasserwassertemperatur die thermische Triebkraft aufgrund der (beträchtlichen) Temperaturdifferenz zwischen der Oberflächentemperatur der Elektrode und der ursprünglichen Kühlwassertemperatur nur unwesentlich, d.h. auch mit Heißwasser kann eine hinreichende Kühlung der Elektroden erreicht werden. Zugleich wird aber die Kondensation von Wasserdampf aus der Wasserdampfplasmaathmosphäre an den erfindungsgemäß in begrenzterem Maße gekühlten Elektroden auf ein geringes Maß vermindert, das bei vielen plasmachemischen Prozessen hingenommen werden kann. Diese vorteilhafte Wirkung wird ohne einen erhöhten apparativen oder verfahrenstechnischen Aufwand erreicht. Es tritt im Gegenteil eine Verringerung des Kühlaufwandes für die Plasmatrons ein. Zugleich ergibt sich eine Erhöhung des Wirkungsgrades des jeweiligen Plasmatrons, und zwar durch dessen kontinuierlichen, fluktuationsarmen Betrieb sowie durch Verminderung der erforderlichen Kühlleistung. Gleichzeitig wird die Produktqualität verbessert und die Ausbeute des Verfahrens erhöht. Ein besonderer Vorteil besteht in der Erhöhung der Standzeit der Elektroden durch die drastische Verminderung bzw. Beseitigung der Elektrodenerosion, durch die Elektrodenmaterial eingespart und der Verfügungsgrad der Anlagen beträchtlich erhöht wird.
  • Nach einem zweiten, bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung in Gestalt der Verwendung von erfindungsgemäß durch Heißwasser mit einer Temperatur von vorzugsweise zumindest 80°C gekühlten Plasmatrons zur Vernichtung toxischer Abprodukte durch chemische Umwandlung, sind die gegebenenfalls trotz der Reduzierung der Elektrodenkühlung durch Einsatz einer Heißwasserkühlung noch verbleibenden Schwankungen in der Betriebsweise der Plasmatrons nicht vertretbar, da hierdurch, wenn auch in geringem Maße, noch der Austritt toxischer Schadstoffe erfolgen könnte.
  • Insbesondere für derartige Anwendungen wird daher bevorzugt, die erfindungsgemäße Kühlung der thermisch besonders belasteten Plasmatronteile, insbesondere der Elektroden, mit Heißwasser kombiniert mit einer Senkung der Kondensationstemperatur des Wasserdampf-Plasmagases anzuwenden. Die Kondensationstemperatur kann durch Zumischen eines Fremdgases mit gegenüber derjenigen von Wasserdampf niedrigerer Kondensationstemperatur zu dem Wasserdampf vermindert werden. Vorzugsweise werden daher in diesem Fall z.B. 62,5 m³/h Luft nach der Verdampfungsstufe in den Plasmadampf eingemischt. Die Kondensationstemperatur der Wasserdampfplasma-Partialkomponente liegt nun bei 80°C. Da die Elektrodentemperatur mit der Elektrodenkühlung nach der vorliegenden Erfindung zumindest in diesem Fall bei vorzugsweise geringfügig mehr als 80°C liegt, kann auf diese Weise eine Kondensation von Wasserdampf vollständig unterbunden werden, so daß die Ursache von Fluktuationen in der Betriebsweise der Plasmatrons vollständig beseitigt sind und ein kontinuierlicher Ablauf der Stoffwandlungsprozesse gewährleistet wird. Auf diese Weise lassen sich Durchbrüche toxischer Stoffe durch ein Wasserdampf-Plasmatron vollständig vermeiden.
  • Die Erfindung gibt ein Plasmatron sowie ein Verfahren zum stabilen Betrieb eines Plasmatrons mit Wasserdampf als Plasmagas an, bei denen die für Wasserdampfplasmen typischen Fluktuationen, stoßartige Schwankungen der Betriebsbedingungen sowie erhöhte Elektrodenerosion vermieden werden. Dies wird durch eine Begrenzung der Kühlung der thermisch hochbelasteten Plasmatronteile, insbesondere Elektroden, infolge Verwendung von Heißwasser als Kühlmittel erreicht, das mit einer Temperatur von höchst vorzugsweise zumindest 80°C verwendet wird. Auf diese Weise wird die Kondensation von Wasserdampf an stark gekühlten Stellen des Plasmatrons, die unter Einwirkung des Lichtbogens und explosionsartigem Verdampfen des Kondensats zu starken Störungen oder Unterbrechungen des Plasmastrahles sowie durch Herausreißung von Material aus der Elektrodenoberfläche zur Elektrodenerosion führt, vermieden. Die Erfindung bewirkt dabei nicht nur einen stabilen Betrieb und lange Elektrodenstandzeiten, sondern verbessert auch den Wirkungsgrad des Plasmatrons sowie die Ausbeute der plasmachemischen Verfahren. Vorzugsweise kann für bestimmte plasmachemische Prozesse, insbesondere für die Behandlung toxischer Abprodukte, die Wirkung der Heißwasserkühlung der Plasmatronelektroden durch Erniedrigen des Kondensationspunktes der Wasserdampfplasmaatmosphäre zusätzlich erhöht werden, indem dem Wasserdampf ein Gas mit gegenüber derjenigen von Wasserdampf niedrigerer Kondensationstemperatur beigemengt wird, so daß die dem nunmehrigen Wasserdampfpartialdruck entsprechende Kondensationstemperatur des Plasmagasgemisches unter der Temperatur liegt, die selbst an den am stärksten gekühlten Stellen des Plasmatrons, den Elektroden, als Oberflächentemperatur gehalten wird, so daß Kondensations- und hieraus resultierende Kondensatverdampfungserscheinungen im Lichtbogenbereich des Plasmatrons tatsächlich vermieden sind.
  • Obwohl eine besonders günstige Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Probleme mit Hilfe von Kühlwasser als Kühlmittel, das mit einer Temperatur von zumindest 80°C zur Kühlung verwendet wird, erzielt wurde und eine besonders vollständige Lösung des Kondensationsproblemes durch zusätzliche Beimengung von Luft zum Wasserdampf zur Bildung der Plasmagasatmosphäre für eine Herabsetzung der Kondensationstemperatur des Wasserdampf-Plasmagases erreichbar ist, ist die Erfindung hierauf nicht beschränkt. Vielmehr können unter Berücksichtigung der Wärmeabführungskapazität des Kühlmediums, der Druckverhältnisse im Plasmareaktor sowie der jeweiligen Phasenumwandlungsprodukte Abweichungen und Modifikationen vorgenommen werden mit dem Ziel, die aus der Kondensation des Wasserdampfes an gekühlten Plasmatronteilen resultierenden Probleme bei Plasmatrons, die im wesentlichen Wasserdampf als Plasmagas enthalten, zu vermeiden, indem durch Wahl der Kühlungs- und/oder Kondensationsbedingungen dafür Sorge getragen wird, daß eine Kondensation des Plasmagases oder Gasgemisches oder von Teilen desselben an den gekühlten Bereichen, insbesondere den Elektroden des Plasmatrons, unterbleibt.

Claims (7)

  1. Verfahren zum stabilen Betrieb eines Plasmatrons mit zumindest im wesentlichen Wasserdampf als Plasmagas, wobei insbesondere thermisch hoch beanspruchte Teile, wie Elektroden etc., durch ein Kühlmittel gekühlt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Kühlmittels und/oder die Zusammensetzung des Plasmagases gesteuert werden, derart, daß die Kondensationstemperatur des Plasmagases zumindest im wesentlichen geringer ist als die durch die Kühlmitteltemperatur bestimmte Oberflächentemperatur der von dem Kühlmittel durchflossenen, gekühlten Teile des Plasmatrons.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung der gekühlten Teile des Plasmatrons begrenzt und/oder eine Kondensationstemperatur des Plasmagases erniedrigt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel Heißwasser mit einer Temperatur von zumindest ca. 80°C als Kühlmittel verwendet wird.
  4. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensationstemperatur des Wasserdampfplasmas durch Beimischung zumindest eines Gases mit niedrigerer Kondensationstemperatur vermindert wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Anschluß an eine Wasserdampf-Verdampfungsstufe Luft in den Plasmadampf eingemischt wird.
  6. Verfahren zum stabilen Betrieb eines Plasmatrons für die chemische Stoffwandlung, insbesondere zur Totalvernichtung toxischer, insbesondere chlorierte oder fluorierte Kohlenwasserstoffe enthaltende Abprodukte, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Plasmagas zumindest im wesentlichen Wasserdampf und als Kühlmittel Heißwasser mit einer Temperatur von zumindest ca. 80°C verwendet wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Plasmagas im wesentlichen Wasserdampf, dem ein die Kondensationstemperatur erniedrigendes Gas, insbesondere Luft, beigemischt wird, verwendet wird und als Kühlmittel Heißwasser mit einer Temperatur von zumindest 80°C verwendet wird.
EP91904221A 1990-02-26 1991-02-26 Verfahren zum stabilen betrieb eines plasmatrons mit wasserdampf als plasmagas Expired - Lifetime EP0517735B1 (de)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
DD90338145A DD299613A7 (de) 1990-02-26 1990-02-26 Verfahren zum stabilen betrieb von plasmatrons mit wasserdampf als plasmagas
DD338145 1990-02-26
PCT/EP1991/000348 WO1991013532A1 (de) 1990-02-26 1991-02-26 Plasmatron mit wasserdampf als plasmagas und verfahren zum stabilen betrieb des plasmatrons

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EP0517735A1 EP0517735A1 (de) 1992-12-16
EP0517735B1 true EP0517735B1 (de) 1995-12-27

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ID=5616667

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