ES2310245T3 - Horno y procedimiento de vitrificacion con medio de calentamiento doble. - Google Patents

Abstract

Horno de vitrificación que comprende un crisol (1, 2, 3) y medios de calentamiento, que comprenden al menos un soplete (5) de plasma en una parte superior del crisol y al menos un bobinado (4) inductor fuera del crisol, caracterizado porque el bobinado inductor está dispuesto bajo el crisol y porque el plasma es un plasma de oxígeno que crea una atmósfera oxidante en el horno.

Description

Horno y procedimiento de vitrificación con medio de calentamiento doble.

La invención expuesta en el presente documento hace referencia a un horno y a un procedimiento de vitrificación con medio de calentamiento doble, y se refiere al tratamiento por combustión y vitrificación de una gran variedad de desechos en un aparato de metal refrigerado. Las funciones del procedimiento son garantizar la incineración completa de los materiales combustibles y confinar la fracción mineral del producto tratado en una matriz elaborada mediante fusión a alta temperatura. El desecho obtenido es un vidrio (o un cuerpo vitrocristalino) que encierra en su estructura atómica los elementos tóxicos que han de confinarse.

Desde hace varios años, numerosos trabajos de investigación tratan de la inmovilización de la fracción tóxica de desechos combustibles variados en una matriz de tipo vítrea, vitrocristalina o cristalina, pudiendo ser la toxicidad química (como metales pesados) o radioactiva. El interés suele ser múltiple: estabilizar los desechos, lograr una matriz de confinamiento a toda prueba y duradera, reducir el volumen inicial de desechos, etc.

La búsqueda de un procedimiento industrial que permita realizar a la vez la combustión y la vitrificación en un único aparato, sencillo y que genere pocos desechos secundarios presenta un interés económico evidente.

Se han explorado diversas vías en los laboratorios de investigación o a escalas industriales. Pueden citarse esencialmente el uso de plasmas térmicos, variantes que utilizan electrodos sumergidos o no y la fusión mediante inducción directa.

Por lo que respecta a los tratamientos con plasma, se han desarrollado varios procedimientos, sin embargo presentan inconvenientes que han hecho difícil su aplicación industrial. En efecto, construidos con materiales refractarios, los crisoles se desgastan rápidamente, al mismo tiempo por el contacto del vidrio fundido (por corrosión en un medio agresivo complejo) y por la irradiación intensa de plasma. La capacidad de tratamiento de desechos combustibles en estos hornos de plasma también está limitada con el fin de disponer los revestimientos de materiales refractarios.

Los gases de plasma utilizados habitualmente son el nitrógeno o el aire. En el primer caso, el plasma generado se utiliza únicamente como fuente de calor y no como elemento de combustión, lo que lleva al sencillo craqueo de las moléculas orgánicas. Esto hace compleja la composición química y el tratamiento de los humos que contienen numerosos elementos no quemados, hollín y polvo y a menudo óxidos de nitrógeno. El caso del uso del aire como gas de plasma resuelve parcialmente los inconvenientes anteriores, sin embargo el 80% de los gases son entonces inútiles y, no obstante, se llevan a alta temperatura, lo que requiere un sobredimensionamiento de las unidades de tratamiento de gases.

Se han probado también realizaciones de fusión por plasma en crisoles refrigerados con el fin de superar el problema de los materiales refractarios. Se propone el cobre como material de construcción de crisoles, pero tiene el mismo inconveniente de ser sensible a la corrosión, en particular en medio nítrico; es preferible al mismo el acero inoxidable noble. No obstante, las transferencias térmicas del material fundido en el crisol hacia las paredes son tales que la fusión resulta siempre difícil, lo que es perjudicial para el establecimiento de un baño suficientemente extenso y para el vaciado del crisol.

También se conoce la técnica de fusión por inducción directa a alta frecuencia en un crisol metálico del que al menos una parte es transparente a los campos electromagnéticos. Con esta técnica se controlan la fusión, el establecimiento de un baño de vidrio suficiente y la colada. Se conocen usos en el campo de la elaboración de vidrios o de materiales cerámicos de gran pureza o en el campo de la vitrificación de desechos radioactivos de gran actividad. Se encuentran descripciones pertinentes en las solicitudes de patentes francesas FR 91 02596 o FR 96 09382. Sin embargo, al aplicar este procedimiento a la fusión de una matriz de confinamiento sobre la cual se echan elementos combustibles, se ponen de manifiesto inconvenientes. Especialmente la interacción química del desecho que ha de tratarse con el material fundido es grande y lleva a modificaciones importantes de su composición y de su homogeneidad. La reducción hasta la fase metálica de un material a base de óxido (vidrio) es por ejemplo casi inevitable cuando el desecho contiene carbono o hidrógeno o azufre, incluso poniendo en práctica medios de soplado de aire u oxígeno en o sobre el baño. Este resultado altera las propiedades buscadas para la matriz de confinamiento de las cenizas así como el buen funcionamiento electromagnético del procedimiento. Por lo que respecta a la combustión en superficie, según el poder calorífico de los desechos tratados, la temperatura (por tanto la fusión) de la capa superficial del material fundido no siempre está garantizada, y puede aparecer un enfriamiento asociado a una acumulación de material que ha quedado en estado sólido. Ha de indicarse que el inicio de los procedimientos de fusión por inducción directa en crisol frío necesita siempre la puesta en práctica de un procedimiento específico (susceptor, metalotermia, etc.) cuando el material fundido no es conductor eléctrico a baja temperatura, lo que es el caso del vidrio.

El objetivo de la invención es solucionar el conjunto de estos inconvenientes presentando un procedimiento híbrido que permite desacoplar las funciones de combustión y vitrificación en un mismo aparato. La función de combustión con control de la atmósfera oxidante se garantiza por un plasma de oxígeno en la superficie del material fundido mientras que la función de fusión se lleva a cabo mayoritariamente por un calentamiento inductivo directo en el material fundido. Las dos funciones se vuelven complementarias en el procedimiento. El plasma permite iniciar la fusión, la combustión completa en superficie, el control de la atmósfera oxidante, el aumento de la capacidad, la no acumulación de desechos en superficie, mientras que la inducción directa permite obtener simultáneamente una fusión homogénea del material en la estructura refrigerada y permite la colada. En fases particulares de funcionamiento, si la temperatura en superficie debe moderarse (reciclaje de elementos volátiles) o el producto alimentado no precisa combustión, puede utilizarse únicamente el calentamiento por inducción.

La invención es una instalación y un procedimiento de combustión-vitrificación de desechos incinerables o minerales, instalación denominada en lo sucesivo horno. El horno está caracterizado porque se utilizan dos modos de calentamiento, de manera asociada o disociada. El primer modo de calentamiento es un plasma térmico de oxígeno. El medio de generación del plasma se encuentra por encima de la superficie de un material fundido que se encuentra en un crisol refrigerado mediante fluidos circulantes. El plasma térmico puede generarse mediante un soplete de alta frecuencia, un soplete de arco soplado o un soplete de arco transferido. En el modo de realización preferido descrito más adelante, el plasma es un plasma de arco generado entre dos sopletes aéreos móviles que cubren toda o parte de la superficie del material fundido.

El segundo modo de calentamiento utiliza un inductor que permite el calentamiento por inducción directa del material contenido en el crisol. El crisol está constituido por una carcasa externa y una solera, ambas refrigeradas por fluidos circulantes. Al menos una de las dos partes del crisol debe ser transparente a la radiación electromagnética (es decir, estar sectorizada si está realizada en un material conductor eléctrico) con el fin de permitir la creación de corrientes inducidas en el material fundido contenido. El inductor puede ser un bobinado helicoidal situado en el exterior de una carcasa o un bobinado plano bajo una solera.

El inductor se encuentra bajo la solera y el crisol comprende una carcasa no sectorizada. Esto se justifica por el hecho de que durante la combustión en superficie puede haber formación de polvos conductores que creen cortocircuitos entre los sectores aislados (fenómeno que se da hasta el deterioro de los sectores) o capas de sales no disueltas, que perturban la forma del campo electromagnético. Además, la inducción por las paredes laterales favorece el calentamiento del baño de vidrio en superficie, mientras que la inducción bajo la solera favorece el calentamiento del fondo del crisol. Este último modo es ideal en el caso de la invención ya que el plasma calienta la superficie del vidrio. La solera puede ser de metal sectorizado, pero en el modo preferido no está sectorizada al realizarse en material aislante eléctrico y buen conductor térmico. El desgaste de tales materiales refractarios ha de temerse menos en este caso puesto que bajo el baño, la superficie de la solera no experimenta agresiones del plasma y los gases y polvos corrosivos. La continuidad de estructura, contraria a la sectorización, es evidentemente ventajosa ya que proporciona además un material fundido homogéneo de naturaleza vítrea, una gran facilidad de fabricación y una mejor resistencia al desgaste debido, entre otras cosas, a la ausencia de juntas de estanqueidad entre los sectores.

La atmósfera oxidante en el horno permite ante todo evitar la formación de una fase metálica en el baño fundido y obtener un material fundido homogéneo de naturaleza vítrea en el que la combustión de los materiales orgánicos es completa y el tratamiento posterior es más sencillo.

La técnica anterior comprende un documento US 5 750 822 que describe también un doble calentamiento, por una bobina inductora que rodea la pared lateral y por un soplete de plasma. A diferencia de la invención, los dos medios de calentamiento sirven para favorecer la aparición y la separación de dos fases de naturaleza diferente (metálica y vítrea) en el baño fundido, que se calientan y funden por los dos medios respectivamente, estando asignado el plasma a la fase vítrea y la inducción a la fase metálica. También se menciona en esta patente que un cuerpo oxidante como el oxígeno puede inyectarse en el material fundido para favorecer la oxidación de los cuerpos tóxicos y orgánicos con el fin de incorporar los primeros a la fase vítrea y transformar los segundos en gases inofensivos.

La patente francesa 96 09382 ya citada menciona un inductor situado bajo la solera de un horno de vitrificación, pero único medio de calentamiento.

La combinación de los dos medios de calentamiento según la invención y el uso de plasma de oxígeno (mientras que la introducción de oxígeno en otras formas se ha demostrado que es insuficiente) permite por tanto obtener una única fase, no metálica, del baño fundido, y un calentamiento bastante uniforme muy apropiado para la única fase.

La invención se describirá ahora con ayuda de la figura 1, que se adjunta a título ilustrativo y no limitativo y que representa el modo preferido de realización de la invención.

El horno según la invención cuenta con seis partes principales que son una carcasa 1, una solera 2, una bóveda 3, un inductor 4, un soplete 5 de plasma cátodo, un soplete 6 de plasma ánodo, una válvula 7 de vaciado.

El crisol frío está constituido por carcasa 1, la solera 2 y la bóveda 3. La carcasa 1 es una carcasa vertical de metal refrigerado, y está situada sobre la solera horizontal refrigerada 2. La carcasa 1 comprende en su parte inferior un orificio 8 de vaciado obturado por la válvula 7 de vaciado, que es deslizante y está refrigerada. En una variante, el orificio 8 de vaciado puede situarse sobre la solera 2. Ni la carcasa 1 ni la solera 2 están sectorizadas, lo que significa que son continuas en su circunferencia, y la solera 2 es de material aislante eléctrico, siendo metálica la carcasa 1. También podría emplearse una solera 2 metálica y sectorizada, por tanto transparente a los campos magnéticos.

El crisol está formado en su parte superior por la bóveda 3 que aloja el soplete 5 de plasma cátodo emparejado con el soplete 6 de plasma ánodo, un orificio 9 de introducción del material que ha de fundirse y un orificio 10 del desecho que ha de tratarse. Los gases de combustión se encaminan hacia la continuación de su tratamiento a través de un orificio 11 situado en la parte superior del crisol 1 refrigerado. En una variante, el orificio 11 puede estar situado sobre la bóveda 3.

Las caras internas metálicas del crisol pueden estar revestidas por una débil capa de tipo cerámico.

En esta realización, el inductor 4 está situado bajo la solera y comprende al menos un bobinado plano.

En el modo de realización descrito, el crisol y especialmente la carcasa 1 y la solera 2 son de forma circular con un inductor central 4, si bien pueden adoptar otras formas, en particular elípticas. En este caso de realización particular, el inductor 4 puede no estar situado en vertical con respecto a los sopletes 5 y 6 de plasma sino, por el contrario, estar desviado lateralmente de éstos para favorecer dos zonas en el horno, una más caliente en atmósfera oxidante con los sopletes de plasma y la otra de temperatura más moderada, más propicia para un reciclado continuo de elementos volátiles por ejemplo.

En el modo de realización preferido descrito en el presente documento, el plasma se genera mediante un sistema de dos sopletes de plasma emparejados; podría generarse por un sistema de soplete único de tipo de arco transferido sencillo o arco soplado.

Los sopletes 5 y 6 de plasma están destinados a funcionar de manera emparejada, uno como ánodo y otro como cátodo tras haber recibido una polarización eléctrica apropiada. Los dos están constituidos por un electrodo metálico refrigerado rodeado por un primer manguito interior alimentado con gas de plasma fuente que protege el electrodo de su oxidación y un segundo manguito externo alimentado con gas de plasma de recubrimiento. En este caso el gas de recubrimiento es oxígeno. Los sopletes se montan sobre rótulas 12 y 13 instaladas a través de la pared de la bóveda 3, lo que los hace móviles en el crisol y permite ajustar su distancia. Un dispositivo mecánico cualquiera, por ejemplo de tornillo de ajuste, permite también modificar la inmersión de los sopletes 5 y 6 de plasma en el crisol haciendo que se deslicen verticalmente (o sensiblemente) y así aproximarlos o alejarlos de la superficie del material fundido. Estos movimientos posibles de los sopletes 5 y 6 permiten evidentemente, de manera ventajosa, ajustar la forma y la situación del arco intermedio.

El arco eléctrico se inicia por una descarga de alta tensión y alta frecuencia entre los dos sopletes 5 y 6. A continuación puede mantenerse o bien circulando a través del material fundido según el camino 15 o bien únicamente de forma aérea según el camino 14. Son las posiciones geométricas de los sopletes 5 y 6 entre sí, así como los parámetros eléctricos del arco y el caudal de gas de plasma, lo que permite imponer uno u otro de estos modos de funcionamiento. En el caso en el que la corriente de arco circula a través del material fundido, contribuye en gran medida a su fusión; de forma aérea por el contrario, el plasma se utiliza sólo para su función química.

Al arrancar el aparato, los sopletes 5 y 6 se aproximan lo suficiente al material contenido en el crisol para comenzar su fusión. En cuanto una cantidad reducida de material se ha fundido y se ha vuelto conductora, los parámetros se adaptan para forzar la corriente de arco a pasar a través del baño fundido para extenderlo más rápidamente. Cuando el tamaño del baño formado lo permite, la corriente a alta frecuencia se aplica al inductor 4 y la fusión del material por inducción directa puede tomar el relevo.

A continuación los dos modos de calentamiento pueden usarse, según la aplicación, en común o por separado. En la fase de afinado de una matriz vítrea, por ejemplo antes de la colada, el plasma puede no ser necesario, como si existiera un periodo durante el cual la atmósfera por encima del baño debe ser menos oxidante. Utilizando de forma permanente los dos modos de calentamiento, se buscará evitar la formación de una fase metálica que imponga un potencial redox que pueda favorecer la volatilidad de ciertos elementos que han de confinarse.

En este párrafo se retoman las ventajas que proporciona la invención en su modo de realización preferido.

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inicio con plasma de arco independientemente del estado del material que ha de fundirse (conductor eléctrico o no),

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ausencia de contraelectrodo colector de corriente sumergido en el material fundido (ausencia de contaminación y de material consumible sumergido),

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flexibilidad de funcionamiento dada por las diferentes posibilidades de modo de arco (totalmente aéreo o circulando en parte en el material),

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configuración del plasma de arco (chorro catódico y chorro anódico) más apropiada para la combustión con respecto a una columna sencilla de plasma: volumen de plasma más grande, irradiación más importante,

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la aplicación de la combustión - vitrificación de material orgánico en la superficie de un baño de vidrio, contenido en una estructura fría, calentado únicamente por plasma está limitada a un pequeño diámetro de crisol debido a las pérdidas térmicas hacia las paredes. La invención propuesta, al acoplar a un medio de calentamiento distinto, permite constituir un baño de material fundido de gran tamaño, siempre en estructura totalmente fría, conservando las ventajas del plasma de oxígeno (buena combustión) y limitando los efectos negativos de volatilización (el plasma ya no se utiliza para fundir tras el inicio, sin sólo para quemar),

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por los mismos motivos anteriores, se solucionan los problemas de fusión no homogénea del material y de vaciado del crisol de paredes frías,

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la aplicación de un plasma de oxígeno en la superficie de un material fundido limita, incluso suprime, las interacciones entre este material y los elementos del desecho tratado (oxidorreducción, inclusión, etc.),

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el control separado de las dos funciones del procedimiento aporta una flexibilidad de funcionamiento sin precedente, permitiendo prever ciclos mixtos de combustión-vitrificación, o de vitrificación sólo, adaptando los parámetros de cada uno de los medios de calentamiento (aplicación a desechos de naturalezas diferentes, al reciclado de cuerpos volátiles, etc.),

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el acoplamiento "combustión por plasma - calentamiento por inducción" permite además aportar una solución al inicio de la fusión de vidrio en un crisol frío sin utilizar medios anexos (metalotermia, suscepción, etc.).

Única y exclusivamente a título de ejemplo, se describe brevemente una aplicación experimental de la invención: la combustión-vitrificación de resinas de intercambio iónico (RII) contaminadas por radioelementos sobre un vidrio de la familia de las nefelinas (SiO_{2}, Na_{2}O, Al_{2}O_{3}). Las RII tratadas son una mezclad a partes iguales de amberlita ácida IRN77 y básica IRN78 (que tiene como composición en masa: C = 69%, G = 7%, O = 14%, N = 3%) conteniendo un 50% de agua en masa. La instalación experimental funciona por lotes; está dotada de un crisol de 60 cm de diámetro relleno de 50 kg de frita de vidrio y funciona en régimen nominal con aproximadamente 25 kW de potencia de plasma y 50 kW de potencia eléctrica inductiva. El caudal de desechos tratados en las condiciones citadas anteriormente es de media 10 kg/h aproximadamente durante un periodo de alimentación, y no hay acumulación de desechos en superficie sino una incorporación inmediata. Estos valores de tiempo de funcionamiento y de capacidad no representan los límites máximos de la instalación experimental. La combustión perfecta de las resinas se obtiene con un exceso de oxígeno limitado al 20%.

Se constata una ausencia de humos opacos en el horno, una cantidad muy reducida de monóxido de carbono producido, una ausencia de hollín. El vidrio obtenido no presenta un carácter reducido y ha integrado la casi totalidad de los elementos minerales contenidos en los desechos.

Un procedimiento de este tipo, compacto, que permite simplificar las etapas del tratamiento de un desecho, disminuir el número y el tamaño de los equipos, puede encontrar aplicación mayoritariamente en el campo del tratamiento de desechos radiactivos combustibles. La flexibilidad ofrecida por la complementariedad de los modos de calentamiento puestos en práctica de este modo y los escasos desechos secundarios generados confieren a la invención auténticas ventajas para el tratamiento de desechos variados de tipo B (celulosa, plástico, RII, fangos, bitumen, grafito, etc.).

Por extensión, pueden concebirse aplicaciones para desechos industriales especiales.

Claims (9)

1. Horno de vitrificación que comprende un crisol (1, 2, 3) y medios de calentamiento, que comprenden al menos un soplete (5) de plasma en una parte superior del crisol y al menos un bobinado (4) inductor fuera del crisol, caracterizado porque el bobinado inductor está dispuesto bajo el crisol y porque el plasma es un plasma de oxígeno que crea una atmósfera oxidante en el horno.

2. Horno de vitrificación según la reivindicación 1, caracterizado porque el crisol comprende una solera (2) de fondo de material refractario y una carcasa (1) levantada sobre la solera (2), teniendo la carcasa (1) una estructura continua sobre la circunferencia y siendo de material metálico.

3. Horno de vitrificación según la reivindicación 1, caracterizado porque los medios de calentamiento comprenden un segundo soplete de plasma, estando los sopletes de plasma en polarización eléctrica para crear un arco entre los mismos, comprendiendo el crisol una carcasa lateral refrigerada.

4. Horno de vitrificación según la reivindicación 3, caracterizado porque los sopletes son móviles en el crisol.

5. Horno de vitrificación según la reivindicación 4, caracterizado porque los sopletes son móviles deslizándose verticalmente.

6. Horno de vitrificación según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el soplete está desviado lateralmente con respecto al bobinado inductor.

7. Procedimiento de vitrificación realizado con un horno según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende una etapa de combustión de una carga del horno utilizando el soplete (5) de plasma de oxígeno, creando la atmósfera oxidante en el horno, para evitar que se forme una fase metálica en la carga del horno.

8. Procedimiento de vitrificación según la reivindicación 7, caracterizado porque comprende una etapa de inicio con un calentamiento exclusivo por el soplete, y una etapa de régimen permanente con un calentamiento simultáneo por el soplete y el bobinado inductor.

9. Procedimiento de vitrificación según la reivindicación 7, con un horno según la reivindicación 5, caracterizado porque los sopletes se aproximan al contenido del horno para la etapa de régimen permanente.