SE440946B - Forfarande och utrustning for forstoring av avfall med plasmateknik - Google Patents

Description

40 8201010-9 2 Ändamålet med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en tekno- logi, som möjliggör förstöring av sådant avfall, ej endast på till- förlitligt sätt, utan även på ekonomiskt sätt.

Förfarandet enligt uppfinningen baseras på det faktum, att i hög- temperaturstrâlen i en högeffektiv industriell plasmaanläggning förstoftar lågan praktiskt taget varje känt material fullständigt och bringar detta till plasmatillstånd. Om matningen av plasma- strålen riktas så att materialet som skall sönderdelas och ett tillsatsmaterial med en oxiderande effekt - vanligtvis luft, ånga, etc. - är närvarande i lämpliga proportioner vid varje punkt i utrustningen, är det möjligt att i plasmastrålens rekombinerings- zon endast sådana molekylförhållanden åstadkommes, vid vilka kol- halten i matarmaterialet lämnar reakticnszonen i form av vatten- haltig ånga, respektive som H-halogenider, varvid dess övriga ele- ment utströmmar därifrån i ett tillstånd av maximal oxidation. Ar- betsângan i plasmageneratorn kan vara luft, luft anrikad på syre eller även ånga från avfallet som skall förstöras.

Ett annat faktum, som utnyttjas i uppfinningen, är att plasmaför- störingsanordningen - på grund av dess operationssätt - kan an- vändas för varje slag av material. För bränning finns inget behov av ett extra material - t.ex. en katalysator - vilket gör driften universell och minskar kostnaderna.

Baserat på ovanstående är uppfinningstanken att tekniska plasma bildas av avfall och att denna överföres till stabila förbrännings- produkter genom införande av extra syremängder.

Förfarandet enligt uppfinningen för förstöring av flytande avfall, som innehåller organiska material, på sådant sätt, att teknisk plasma bildas från avfallet, varvid avfallsmaterialet under plasma- framställningen uppdelas i sina atomer, kännetecknas i huvudsak av att det till plasmatillstånd förstoftade avfallet i närvaro av en överskottsmängd av syre omvandlas till stabila förbränningsproduk- ter i en reaktor, som är inkopplad efter plasmageneratorn.

Med teknisk plasma avses härvid det material, vari åtminstone 0,15% av materialpartiklarna är i joniserat tillstånd, så att de kan ut- föra olika teknologiska uppgifter. åèàà 40 'lÜ-9 Föifarandet har den fördelen, att al slag av industriellt or~ ganiskt avfallsmaterial, speciellt de med hög halogenhalt, kan förstöras - oberoende av materialets kemiska sammansättning ~ i en utrustning avsedd för en given kapacitet och att värmehalten i de utgående slutprodukterna i ângform samt de individuella kom» ponenterna (t.ex.klorgas) kan utnyttjas inom den kemiska industrin genom välkända förfaranden.

Det är lämpligt att införa den extra syremängden, som är nödvänfl dig för förfarandet, i form av luft, eftersom denna lösning är mer ekonomisk än införande av rent syre, både med avseende på in~ vesteringskostnader och driftskostnader.

Det är vidare lämpligt att anrika luften med syre, om avfallsma~ terialets kemiska sammansättning erfordrar en relativt större sy- reproportion för fullständig förstöring, då detta möjliggör använd ning av en mindre anläggning med mindre energibehov eller ökning av den specifika uteffekten för en given anläggning.

Det är lämpligt att för den tekniska plasman använda plasma från luft, då på detta sätt de syrejoner, som är nödvändiga för oxide- ringsreaktionen i högtemperaturutrymmet, direkt finns tillgängliga för förstöring av avfallsmaterialet, som införes i plasmastrålen.

Denna lösning innebär samtidigt ett mer ekonomiskt utförande av plasmabildningen.

Det är vidare fördelaktigt att framställa den tekniska plasman direkt från avfallet, då detta är det snabbaste, mest fullständiga och mest effektiva sättet för upphettning av avfallsom skall oxide ras till plasmatillståndet, vilket säkerställer förfarandets pro~ duktivitet.

Vid förstöring av avfall med en halogenhalt är det lämpligt att förutom syre även införa vatten, då absorption av de bildade väte" halogeniderna frân teknologisk synpunkt är mer effektiv under den följande gasbehandlingen.

Plasmans energihalt kan användas i en magnetohydrodynamisk gene~ rator. I detta fall finns det genom separering av katjonerna och anjonerna en möjlighet till kemisk separation, eventuellt till och 90011 GUI - 8201010-9 med till en överskottsvärmeproduktion med hjälp av efterföljande kemiska reaktioner.

Värmehalten i gasen, som härrör från plasmat och som innehåller heta förbränningsprodukter, kan utvinnas genom användning av vär- meväxlare - huvudsakligen återvinnande eller tvärflödesvärmeväx- lare. I båda fallen kan syrehalten i de frigjorda gaserna justeras genom tvättning med en svagt sur tvättlösning innan gaserna ledes utomhus.

För utförande av förfarandet användes en utrustning, som - i upp- finningens betydelse - har en plasma-generator, en efter denna in- kopplad reaktor och en tillförselanordning för tillförsel av det flytande avfallsmaterialet och oxidationsmedlet, kännetecknad av att reaktorn är försedd med ett gasgenomsläppligt inre hölje, var- vid det inre höljet är utformat såsom rör, i vars inre utrymme plasmastrâlen är anordnad, och vars yttre rum står i förbindelse med oxidationsmedeltillförseln.

I en föredragen utföringsform står tillförselledningen för oxida- tionsmedlet i förbindelse med det yttre rummet ireaktornöver en värmeväxlare, varvid värmeväxlaren är förbunden med reaktorn med hjälp av en rörledning.

Uppfinningen beskrives närmare med hänvisning till ritningen, som visar ett exempel på en utrustning, som kan användas för utförande av förfarandet enligt uppfinningen. _ Den beskrivna utrustningen tjänar till förstöring av kemiskt av- fall, som kan indunstas - dvs klorerade kolväten - i vilken ut- rustning för åstadkommande av plasmatillståndet användes luftplasma som bildats av en plasmagenerator 2, som drives genom elektrisk ur- laddning.

Utrustningen är ansluten till sådan ytterligare teknisk utrustning, som på känt sätt kan åstadkomma elektrisk energitillförsel, till- försel av kylvatten, komprimerad luft och avfallsmaterial, samt tillförsel av tvättvätskor till systemet och som åstadkommer av- rinning av det uppvärmda kylvattnet, det bildade utloppsvattnet 40 och bildade gaser samt eventuellt åstadkommer omvandling därav.

Anordningen är konstruerad enligt följande: Plasmagenerator :mticiiiïïwjdwl 40 8201010-9 2, som bildar luftplasma, erhåller likström genom ledare 4 och 6. För kylning av plasmageneratorn kan kylvatten in- föras genom rörförgrening 8. Uppvärmt kylvatten utströmmar genom rörförgrening 10. Komprimerad luft respektive arbets- gas införes genom rörförgrening 12 i plasmageneratorn 2.

Plasmageneratorn 2 är ansluten till en dubbelväggig plasma- reaktor 14 med vertikal axel så att plasmastrålen, som lämnar plasmageneratorn 2, införes i reaktionsutrymmet 26 i den övre delen av plasmareaktorn 14. Plasmageneratorn 2 och plasmareaktorn 14 har gemensam axel i utföringsformen som visas på ritningen. I den övre delen av plasmareaktorn 14 är matarorganen 16 utförda, vilka tjänar för införande av organiskt material i plasmastrâlen 24. Under matarorganen kan ett annat matarorgan bestående av gasfördelningsring 18 återfinnas. Plasmareaktorn 14 är försedd med ett inre hölje , vars övre del utgöres av ett rör med urborrningar 21 för gasintag eller som är gjort av av gasgenomtränglig keramik.

Anordningen omfattar även värmeväxlare 34 och 36, som tjänar till förupphettning av det organiska materialet och luften, som införes i plasmareaktorn 14. Kall luft införes genom rörförgrening 40 i värmeväxlare 34, som över rörför- grening 30 är ansluten till den dubbelväggiga plasmareak- torn 14.

Organiskt material införes i värmeväxlare 36 genom rörför- grening 42, varifrån det utströmmar genom rörledning 28 och inströmmar i plasmastrålen 24 genom matarorgan 16 i plasmareaktorn 14.

Het gas, som lämnar plasmareaktorn 14, inströmmar i värme- växlare 34 genom rörledning 32, varifrån den inströmmar i värmeväxlare 36 genom anslutande rörledning 38. Gas, som utströmmar från värmeväxlare 36 genom rörledning 44, in- föres i gastvättningsapparat 46, därefter i gastvättnings- apparat 48 genom anslutande rörledning 50 och återstående gas utströmmar från systemet genom rörledning 58. De två gastvättningsapparaterna bör förses med tvättvätska genom PÛOR QUAL 40 8201-010-9 6 rörförgrening 52. Utloppsvatten erhållet genom bindning av förorenande gaskomponenter kan utströmma genom rörförgre- ningar 54 och 56.

Den teknologiska process, som kan utföras i den beskrivna, utrustningen, kan sammanfattas enligt följande: Plasmagene- ratorn 2, som över ledningar 4 och 6 matas med elektrisk kraft, bildar luftplasma genom upphettning av komprimerad luft, som inströmmar genom rörförgrening 12. Införande och avrinning av kylvatten, som är nödvändigt för drivning av plasmageneratorn 2, utföres genom rörförgreningar 8 och 10.

-Luftplasma strömmar in i den inre delen av den dubbelväggiga plasmareaktorn 14. Värmeväxlaren 36, som är upphettad av varma gaser, som lämnar plasmareaktorn 14, indunstar det flytande organiska avfallet, som införes genom rörförgrening 42. Den erhållna ångan införes i matarorgan 16 genom rörled- ning 28, varigenom införande av det organiska materialet i plasmastrålen 24 âstadkommes, liksom dess effektiva om- blandning. Härigenom äger fullständig dissociering och partiell jonisering av det organiska materialet respektive dess bildning till plasma rum. Syre, som är nödvändigt för oxidation av elementen i det organiska avfallsmaterialet, skall införas i form av förupphettad luft i det inre av plasmareaktorn 14 genom gasfördelare 18, varvid oxidations- processerna äger rum i reaktionsrummet 26. Förupphettning av luften, som inströmmar i reaktionsrummet 26, äger rum partiellt i värmeväxlare 34. Luft, som lämnar värmeväxlare 34 genom rörledning 30, inströmmar i rummet mellan det yttre höljet av rostfritt stål i den dubbelväggiga plasma- reaktorn 14 och det inre höljet 20 gjort av värme- och värmechockbeständig keramik och strömmar uppåt, dvs. i mot- satt riktning mot plasmaflödet. En del av den strömmande luften strömmar, innan den när gasfördelningsring 18 genom hål 21 i den inre delen av det inre höljet 20 och strömmar framåt längs med innerväggen på det keramiska röret enligt plasmats flödesriktning såsom ett kylgasskikt, som beteck- nas med pilar 22. Denna luftmängd utför - även om den genom blandning med plasmat kan bidraga till oxidationen - i första hand värme- och korrosionsskyddande arbete på den mest använda delen av plasmareaktorn 14. nißtfigg 40 8261010-9 Slutprodukterna,som är i det heta gastillstándet efter plasmats kemiska reaktion åstadkommer förupphettning av luften genom att strömma genom rörledning 32 in i värme- växlare 34, varefter de strömmar genom anslutande rörled- ning 38 in i värmeväxlare 36 och åstadkommer indunstning av det organiska avfallet. För att binda de för miljön skadliga komponenterna i den kylda reaktionsprodukten användes gas- tvättningsutrustning 46 och 48, som är serieanslutna över rörledning 50, i vilka användes en basisk tvättvätska. In- förande därav äger rum genom rörförgrening 50. Utloppsvatten anrikat på förorenande föreningar avrinner genom rörför- greningar 54 och 56.

Gasblandning, som renats från de för miljön skadliga kompo- nenterna, dvs. som innehåller de förorenande föreningarna i en tillâtlig koncentration, införes i gastvättare genom rörledning 44 och lämnar denna genom rörledning 58. Om så är nödvändigt kan slutgaserna införas i en skorsten efter att på känt sätt inom kemin ha transformerats (t.ex. genom torkning, upphettning).

Exempel på förstörande av organiska föreningar med olika sammansättning genom förfarandet enligt uppfinningen ges i det följande: 1. Kolväten: n = E a./ CmHn+/m+z/. 02 m Co2+ H 0 2 2 b./ C2H6+3,5 . 02 = 2C02 + 3H2O 3,502 Massförhållande i utgångsmaterialen C H = 3,7 2 6 c./ C6H6+7,5 . 02 = 6CO2 + 3H20 7,502 Massförhâllande i utgångsmaterialen C H = 3,07 6 6 Av formlerna framgår att vid ökning av kolhalten i det in- matade materialet minskas den mängd syre, som är nödvändig för reaktionen. I allmänhet är massförhållandet för utgångs- materialen ca 3. spoon Qvifffwm 40 8201010-9 2. Föreningar innehållande kol, väte och syre: E _ R. = E a_/ CmHn0p+/m+4 2/ . 02 mC02+2 H20 b./ c6H12o6+6o2=6co2+6H2o Massförhâllande = 1,6 COOH + 1,50 = ZCO +2H O c./ Hocfl 2 2 2 2 Massförhållande = 0,6 Vid förstöring av föreningar innehållande syre kan den mängd syre, som är nödvändig för fullständig förbränning, märkbart minskas och massförhållandet kan även falla under 1. 3. Föreningar innehållande kol, väte och kväve: E = E E a./ CmHnNp+jm+4 / .O2 mC02+2 H2O+2 N2 b./ cmHnNP+/m+%+p/.oz = mco +2 H o + pNo2 2 2 2 c./ c4H12N2 + 702 = 4co2+6H2o+N2 Massförhâllande = 2,55 d./ c4H12N2+9o2 = 4co2+eH2o+2No2 Massförhållande = 3,27 Ifråga.om kvävehalten kan de mest extrema variationerna av de möjliga oxidationsprocesserna kännetecknas av två slags ' reaktioner. Den maximala syrehalten kan överskrida 3, men kan ej vara högre än 3,5. 4. Föreningar innehållande kol, väte och svavel: a./ cmfinsp +/m+%+p /.oz = mco2+%H2o+pso2 b./ cmfinsp +/m+%+1,5 p/ .oz = mco2+§H2o+pso3 c./ CZHGS + 4,5.O2 = 2C02 + 3 H20 + SO Massförhållande = 2,32 2 40 8201010-9 d./ C2H6S+5.O2 = 2CO2+3H2O+S03 Massförhâllande = 2,58 Ifråga om föreningar innehållande svavel finns likaledes flera möjliga reaktioner beroende på utgângsförhållandet mellan molekylerna. Massförhållandet för syre kan ej över- skrida 3.

. Föreningar innehållande kol, väte och halogenid: a./ cmH ß/mfi-*åïï/.oz = mco2+/ï;l3/.H2o+pnx+5 x nx/p+r 2 2 där X betecknar en valfri halogenid b./ cH3c1+1,5 02 = co2+H2o+HC1 Massförhållande = 1,19 0./ CH2Cl2+O2 = CO2+2HCl Massförhâllande = 0,38 d./ CH C13+02 = CO2+HCl+C12 Massförhållande = 0,27 +O = CO +2Cl e./ cc14 2 2 2 Massförhâllande = 0,21 Ifrâga om organiska halogenider kan massförhållandet även vara mycket lågt; syrekravet är speciellt litet då huvud- sakligen halogenmolekyler bildas. 6. Vid förstöring av organiska halogenider kan avsikten vara att dessa skall behandlas tillsammans med övriga material som skall förstöras. I sådant fall är det fördel- aktigt om gasblandningen, som utströmmar från plasmastrålens utrymme, innehåller huvudsakligen vätehalogenider, t.ex. väteklorid, då dessa produkter kan absorberas effektivt i PooR QUALITY i1o 8201010-9 10 tvättvätskan. Om vätehalten i avfallet som skall förstöras är låg, gynnas bildningen av vätehalogenider genom till- försel av vatten, då vatten sönderdelas till sina element vid plasmats temperatur och det bildade vätet huvudsakligen gär i reaktion med närvarande halogenatomer. a./ 2CHCl +2H2O+O2 = 2C0 +6HCl 4 3 2 1 b./ CCl4+2H2O = CQ2+4HCl 7. Pâ grundval av ovanstående exempel kan sägas, att in- ställning av ett massförhållande av 4:1 för syrezavfalls- material är tillräckligt för förstöring av avfall av prak- tiskt taget vilket slag som helst, då det redan i alla händelser innebär förstöring i en överskottsmängd av syre. 8. Om avfallets sammansättning är känd och dess förstöring erfordrar ett relativt stort överskott av syre, är det tillràdligt att under förstöringen använda rent syre eller luft anrikad på syre, då senare en mindre gasvolym kan be- handlas och kostnaderna för driften minskar.

Beträffande ytterligare känneteckning av förfarandet kan följande angivas: Plasmastrålen, som åstadkommer reaktionsutrymmet, kan bildas genom samtidig drift av tvâ respektive flera plasma- generatorer. I dessa fall monteras plasmageneratorerna i de anslutna reaktionerna på sådant sätt att hela volymen av plasmastrålarna åstadkommer ett större och kontinuerligt reaktionsutrymme, som möjliggör längre uppehållstid för ~ avfallsmaterialets partiklar i den högre temperaturzonen, varigenom den önskade sönderdelningsprocessen blir full- ständig, samtidigt som produktiviteten ökas. Genom anord- ning av plasmageneratorerna cirkelformigt är det möjligt att bilda en s.k. "plasmaridâ", genom vilken varje partikel av materialet, som skall sönderdelas, bringas att passera.

Genom att anordna plasmageneratorerna i sick-sack är det möjligt att styra och påverka de individuella faserna i de avsedda kemiska reaktionerna. 8201010-9 11 Plasmareaktorn kan anordnas vertikalt, horisontalt eller lutande. Vid inmatning av avfallsmaterialet kan t.ex. genom förstoftning säkerställas en hög grad av finfördelning och de dispergerade partiklarna införes med hjälp av sprutmun- stycken i den lämpliga zonen i plasmastrålen.

Utrustningen kan ~ om den är byggd av lämpliga värme- och korrosionsbeständiga material - överföras till sådan för helt sluten drift och uppfyller i denna form väsentligen reglerna för miljöskydd.

En sådan förbränningsanordning erfordrar i jämförelse med traditionella anordningar ett mycket mindre utrymme och den kan eventuellt även utföras i rörlig form, t.ex. liknande en container. Värmets tröghet för systemet är liten, vilket är speciellt fördelaktigt då systemet ofta måste startas och stoppas. För drift därav erfordras elektrisk ström, som lätt och ekonomiskt kan bildas och hanteras.

Plasmabrännaren kan användas ej endast i det oberoende för- farandet enligt uppfinningen, utan även beroende på dess till 100% förstörande effektivitet och universella karaktär, såsom efterbrännare i traditionella brännare, såsom nämnts tidigare, även såsom "stödbrännare". Då brännaren drives på detta sätt är det även av fördel, att den ej ökar bränsle- förbrukningen av de traditionella brännbara kolvätena.

POÛR QUALITY

Claims (5)

1. 0 15 20 25 30 35 4. Förfarande enligt krav 2 eller 3. 8201010-9 lå» Patentkrav l. Förfarande för förstöring av flytande avfall. som innehål- ler organiska material. på sådant sätt. att teknisk plasma bildas från avfallet. varvid avfallsmaterialet under plasma- framställningen uppdelas i sina atomer. k ä n n e t e c k - n a t av att det till plasmatillstånd förstoftade avfallet i närvaro av en överskottsmängd av syre omvandlas till stabila förbränníngsprodukter i en reaktor. som är inkopplad eftert plasmageneratorn.

2. Förfarande enligt krav l. k ä n n e t e c k n a t av att överskottsmängden syre införes i form av luft.

3. Förfarande enligt krav 2. k ä n n e t e c k n a t av att luften anríkas på syre. för höjning av reaktionsförmågan. k ä n n e t e c k n a t av att den tekniska plasman framställes av luft och avfalls- material. S. Förfarande enligt något av kraven l -

4. k ä n n e - t e c k n a t av att man vid förstöring av avfall innehål- lande halogen inför vatten förutom syre. 6. Förfarande enligt något av kraven l -

5. k ä n n e - t e c k n a t av att energihalten i plasman användes i en magnetohydrodynamisk generator. 7. Förfarande enligt något av kraven l - 5. k ä n n e - t e c k n a t av att värmehalten i förbränningsprodukterna utnyttjas genom växmeväxlíng. 8. Anordning för genomförande av förfarandet enligt något av kraven l - 7. vilken omfattar en plasmagenerator. en efter _ denna_inkopp1ad reaktor. en tillförselanordning för tillförsel 10 8201010-9 [3 av det flytande avfallsmateríalet och oxidatíonsmedlet, k ä n n e t e c k n a d av att reaktorn (14) är försedd med ett gasgenómsläppligt inre hölje (20). varvid det inre höljet (20) är utformat såsom rör. i vars inre utrymme plasmastrålen (24) är anordnad. och vars yttre rum står í förbindelse med oxídatíonsmedeltíllförseln. 9. Anordning enligt krav 8. k ä n n e t e c k n a d av att tíllförselledníngen (30) för oxídatíonsmedlet står i för- bindelse med det yttre rummet i reaktorn (14) över en värme- växlare (34) och att värmeväxlaren (34) är förbunden med reaktorn (14) med hjälp av en rörledning (32). Qïïíšïw