WO1991013532A1 - Plasmatron mit wasserdampf als plasmagas und verfahren zum stabilen betrieb des plasmatrons - Google Patents

Plasmatron mit wasserdampf als plasmagas und verfahren zum stabilen betrieb des plasmatrons Download PDF

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WO1991013532A1
WO1991013532A1 PCT/EP1991/000348 EP9100348W WO9113532A1 WO 1991013532 A1 WO1991013532 A1 WO 1991013532A1 EP 9100348 W EP9100348 W EP 9100348W WO 9113532 A1 WO9113532 A1 WO 9113532A1
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plasma
water vapor
plasmatron
gas
plasma gas
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PCT/EP1991/000348
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Hans-Ulrich Dummersdorf
Dietrich Hebecker
Dirk Von Lengerken
Carsten Winter
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Maschinen- Und Anlagenbau Grimma Gmbh
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    • 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
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    • A62—LIFE-SAVING; FIRE-FIGHTING
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    • A62D2101/20—Organic substances
    • A62D2101/22—Organic substances containing halogen

Definitions

  • the present invention relates to plasma cartridges which are operated with water vapor as the plasma gas, and to a method for the stable operation of such plasma cartridges.
  • Plasma cartridges that are used for chemical material conversion are mainly operated with a gas that is chemically inert to the piasmatron materials as the plasma gas.
  • processes of plasma pyrolysis work with hydrogen as the plasma gas.
  • Steam plasmas have the advantage of being high at relatively low temperatures of around 3000 ° K To have a concentration of chemically reactive, highly excited oxygen and hydrogen species and thus to be particularly suitable for a number of material conversion processes.
  • the thermal load is high in all plasmatrons, so that there are downtimes as a result of thermal and / or chemical erosion, which prevent continuous operation of a plasmatron without intensive cooling. This applies primarily to the electrodes, but also to the gas chamber, the piasmatrone housing, the connecting pieces and, depending on the design, other components. Water with a temperature of approximately 20 ° C. is usually used as a coolant for such plasma cartridges.
  • 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 is therefore based on the object of improving a plasmatron which is operated with water vapor as the plasma gas in such a way that the service life of the parts of the plasmatron which are subject to thermal stress is prolonged and stable, low-fluctuation or free operation of the plasmatron without substantial increase operating expenses can be achieved.
  • the " differences that exist in plasmatons with water vapor plasmas compared to other gas plasmas with regard to significantly higher electrode erosion and strong, disadvantageous operating fluctuations are to be eliminated with the same thermal process conditions and intensive cooling of all thermally highly stressed parts, in particular electrodes.
  • the invention is also based on the object of specifying a method for the stable operation of a plasma cartridge, which is operated with water vapor as the plasma gas, by means of which, with intensive cooling, all parts subject to high thermal stress, in particular the electrodes of the plasma cartridge, and in the other conventional thermal process conditions Continuous operation by increasing the service life of parts of the plasmatron that are subject to high thermal stress and by reducing or avoiding fluctuations in the operating parameters of the plasmatron can be achieved.
  • 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.
  • a plasmatron with water vapor as the plasma gas and a cooling device with a coolant for thermally highly stressed parts, in particular the electrodes in that by controlling the operating parameters, in particular the temperature of the thermally highly stressed parts and / or the condensation temperature of the Plasma gas condensation of the plasma gas is avoided on the thermally highly stressed and therefore cooled parts.
  • a plasmatron is used for chemical substance treatment, in particular for total destruction of toxic products, in particular chlorinated or fluorinated hydrocarbons, which works with a water vapor plasma as the plasma gas and whose thermally highly stressed parts, in particular electrodes, are used as coolants by hot water a temperature of at least about 80 ° C is operated.
  • a method for the stabilized operation of a plasma cartridge working with water vapor as a plasma gas which permits an increase in the electrode service life and an essentially fluctuation-free operation with a high degree of efficiency of the desired chemical substance conversion
  • a method is provided according to the invention such that operating parameters , in particular the temperature of the coolant and / or the composition of the plasma gas can be controlled in such a way that condensation of the plasma gas consisting at least essentially of water vapor on the cooled parts of the plasma cartridge is avoided.
  • hot water is preferably used as the coolant, the cooling temperature of which is preferably at least 80 ° C.
  • 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 Condensation temperature of
  • Water vapor plasma gas partial component in e.g. 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.
  • the solution to the problems on which the invention is based consists in a plasmatron that works with at least essentially water vapor as the plasma gas and in a method for stable operation thereof with a limitation of the cooling of the thermally highly stressed and therefore cooled parts of the plasmatron by using hot water as a coolant a temperature of at least approx. 80 ° C.
  • the limitation of the cooling is «only by reducing the thermal driving force. reached between the electron 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 that of 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 contain from 10 plasmatron of 30 -kw power to the respective reactors and the necessary auxiliary equipment in a conventional manner.
  • the system is operated with 25 kg / h of steam at a temperature of 300 ° C. at 0.1 Pa as the 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 cooling water temperature which is normally kept at room temperature, only insignificantly reduces the thermal driving force due to the 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 ⁇ o at least 80 ° C cooled plasma cartridges for the destruction of toxic waste products by chemical conversion, the fluctuations in the operating mode of the plasma cartridges that may still remain despite the reduction of the electrode cooling through the use of hot water cooling are not justifiable, as this, though to a small extent, still results in the leakage toxic pollutants could occur.
  • the thermally particularly stressed Piasmatronmaschine in particular the electrode, with hot water combined with a lowering of the condensation temperature to apply the water-steam plasma gas ".
  • the condensation temperature may be those with over by admixing a foreign gas lower water vapor condensation temperature In this case, for example, 62.5 m 3 / h of air are preferably mixed into the plasma vapor after the evaporation stage
  • the condensation temperature of the water vapor plasma partial component is now 80 ° C.
  • the electrode temperature with the electrode cooling after the In the present invention is preferably slightly above 80 ° C., so that condensation of water vapor can be completely prevented, so that the cause of fluctuations in the operation of the plas matrons 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 of the ⁇
  • Water vapor plasma atmosphere can be additionally increased by adding a gas to the water vapor at a lower condensation temperature than the water vapor, so that the condensation temperature of the plasma gas mixture corresponding to the current water vapor partial pressure is below the temperature, even at the most cooled points of the plasmatron, the electrodes, as the surface temperature is held so that condensation and resulting
  • Cooling is used, was achieved and a particularly complete solution to the condensation problem can be achieved by additionally adding air to the water vapor to form the plasma gas atmosphere in order to lower the condensation temperature of the water vapor plasma gas, the invention is not restricted to this. Rather, taking into account the heat dissipation capacity of the cooling medium, the pressure conditions in the plasma reactor and the respective phase transition points, deviations and modifications can be carried out, with the aim of solving the problems of plasmatron parts which result from the condensation of water vapor on cooled piasmatron parts and which essentially contain water vapor as plasma gas, to be avoided 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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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Plasmatron sowie ein Verfahren zum stabilen Betrieb von Plasmatrons mit Wasserdampf als Plasmagas, wobei die für Wasserdampfplasmen typischen Fluktuationen im Betrieb und die erhöhte Elektrodenerosion vermieden werden sollen. Erfindungsgemäß wird dies erreicht durch eine Begrenzung der Kühlung der Elektroden durch Verwendung von Heißwassser als Kühlmittel mit einer Temperatur von zumindest 80 °C. Gegebenenfalls kann zusätzlich zur Heißwasserkühlung die Kondensation des Wasserdampfes an den Elektroden durch Beimischung eines die Kondensationstemperatur des Wasserdampfes erniedrigenden Gases ausgeschlossen werden.

Description

Plasmatron mit Wasserdampf als Plasmagas und Verfahren zum stabilen Betrieb des Plasmatrons
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft Plasmatrons, die mit Wasserdampf als Plasmagas betrieben werden, sowie ein Verfahren zum stabilen Betrieb derartiger Plasmatrons.
Plasmatrons, die für die chemische StoffWandlung eingesetzt werden, werden überwiegend mit einem gegenüber den Piasmatronmaterialien 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 aus Plasmagas einzusetzen, z.B. bei der Kohlevergasung (DD-PS 215 325, DE-OS 3 330 750, DE-OS 3 605 715).
Es wurde auch bereits vorgeschlagen, toxische Abprodukte, insbesondere Abprodukte, die flourierte oder chlorierte Kohlenwasserstoffe enthalten, durch chemische Reaktion in einem Wasserdampfplasmastrahl zu vernichten.
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 niedtigen 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 Piasmatrongehäuse, 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 daher die Aufgabe zugrunde, ein Plasmatron, das mit Wasserdampf als Plasmagas betrieben wird, derart zu verbessern, daß die Standzeit der thermisch .. hpchbeanspruchten Teile des Plasmatrons verlängert wird und ein stabiler, fluktuationsarmer oder -freier Betrieb des Plasmatrons ohne wesentliche Erhöhung der BetriebsaufWendungen erreicht werden kann. Insbesondere sollen die"Unterschiede, die bei Plasmatrons mit Wasserdampfplasmen im Vergleich zu anderen Gasplasmen im Hinblick auf wesentlich höhere Elektrodenerosion sowie starke, nachteilige Betriebsschwankungen bestehen, bei gleichen thermischen Prozeßbedingungen und intensiver Kühlung aller thermisch hoch beanspruchten Teile, insbesondere Elektroden, beseitigt werden.
Der Erfindung liegt ferner 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.
Die vorgenannten Aufgaben werden erfindungsgemäß bei einem Plasmatron mit Wasserdampf als Plasmagas sowie einer Kühleinrichtung mit einem Kühlmittel für thermisch hochbeanspruchte Teile, insbesondere die Elektroden, dadurch gelöst, daß durch Steuerung der Betriebsparameter, -insbesondere der Temperatur der thermisch hochbeanspruchten Teile und/oder der Kondensationstemperatur des Plasraagases eine Kondensation des Plasmagases an den thermisch hochbeanspruchten und daher gekühlten Teilen vermieden ist.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist zur chemischen Stoff andlung, insbesondere zur TotalVernichtung toxischer, insbesondere chlorierte oder luorierte Kohlenwasserstoffe enthaltende Abprodukte ein Plasmatron verwendet, das mit einem Wasserdampfplasma als Plasmagas arbeitet und dessen thermisch hochbelastete Teile, insbesondere Elektroden, durch Heißwasser als Kühlmittel mit einer Temperatur von zumindest ca. 80°C betrieben wird.
Gemäß einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können Durchbrüche toxischer Schadstoffe bei deren Behandlung im Plasmatron mit noch größerer Effizienz unterbunden werden, wenn die erfindungsgemäße Kühlung mit Heißwasser bzw. Wasser erhöhter Temperatur kombiniert wird mit einer Senkung der Kondensationstemperatur des Wasserdampfplasmas. Hierzu wird vorzugsweise Luft als Mischgas verwendet, das in den Plasmadampf des Wasserdampfplasmas eingemischt wird.
Zur Lösung der obigen 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, derart, daß Betriebsparameter, insbesondere die Temperatur des Kühlmittels und/oder die Zusammensetzung des Plasmagases derart gesteuert werden, daß eine Kondensation des » zumindest im wesentlichen aus Wasserdampf bestehenden .Plasmagases an den gekühlten Teilen des Plasmatrons vermieden wird. Vorzugsweise wird wegen seiner hohen Wärmekapazität und Wärmeabführungsleistung als Kühlmittel Heißwasser verwendet, dessen Kühltemperatur vorzugsweise zumindest 80°C beträgt.
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-Plasmagaspartialkoiφonente 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 Piasmatronteile, 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 schlagartiger, in schneller Folge auftretender Störungen in der Betriebsweise wie Schwankungen oder Unterbrechungen des Dampfdurchsatzes, Änderung der Lichtbogenlänge, stark schwankender Lichtbogenspannung und -Stromstärke sowie damit eingehender fluktuierender 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 der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben besteht in einem Plasmatron, das mit zumindest im wesentlichen Wasserdampf als Plasmagas arbeitet und in einem Verfahren zum stabilen Betrieb desselben mit einer 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 Elektronenoberfläche, 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 derjenigen 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 Plasmatrons sowie i 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 Pa 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 Piasmatronanode 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 Kühlwasseraustrittetemperatur von 81 bis 82°C ein. Eine derartige, gegenüber der normalerweise auf Raumtemperatur gehaltenen Kühlwassertemperatur, reduziert die thermische Triebkraft aufgrund der 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 Λo 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 Piasmatronteile, 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 ΛΛ
Betriebsbedingungen sowie erhöhte Elektrodenerosion vermieden werden. Dies wird durch eine Begrenzung der Kühlung der thermisch hochbelasteten Piasmatronteile, 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 Elektronenoberfläche zur Elektronenerosion 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 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 ΛZ
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 Phasenumwandlungspunkte Abweichungen und Modifikationen vorgenommen werden, mit dem Ziel, die aus der Kondensation des Wasserdampfes an gekühlten Piasmatronteilen resultierenden Probleme bei Plasmatrons, die im ^wesentlichen Wasserdampf als Plasmagas enthalten, zu vermeiden, indem durch Wahl der Kühlungsund/oder Kondensationsbedingungen dafür Sorge getragen wird, daß eine Kondensation des Plasmagases oder Gasgemisches oder Teilen desselben an den gekühlten Bereichen, insbesondere den Elektroden des Plasmatrons, unterbleibt.

Claims

Λ2>Patentansprüche:
1. Plasmatron mit zumindest im wesentlichen Wasserdampf als Plasmagas sowie mit einer Kühleinrichtung zur Kühlung thermisch beanspruchter Teile, wie z.B. von Elektroden, durch ein Kühlmittel, gekennzeichnet durch eine Steuerung von Betriebsparametern und/oder einer Zusammensetzung des Plasmagases derart, daß eine Kondensation des Plasmagases an den gekühlten Teilen vermieden ist.
2. Plasmatron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel der Kühleinrichtung Heißwasser vorgesehen ist.
3*. Plasmatron nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Kühlmittels, insbesondere Heißwassers, zumindest ca. 80° C beträgt.
4. Plasmatron nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Plasmagas im wesentlichen reiner Wasserdampf vorgesehen ist.
5. Plasmatron nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Plasmagas ein Gasgemisch im wesentlichen bestehend aus Wasserdampf in Verbindung mit einer Beimischung zumindest eines Gases mit gegenüber Wasserdampf niedrigerer Kondensationstemperatur verwendet ist.
6. Plasmatron nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Plasmagas ein Wasserdampf/Luft-Gemisch verwendet ist.
7. Plasmatron für die chemische StoffWandlung, insbesondere zur Totalvernichtung toxischer, insbesondere chlorierte oder fluorierte Kohlenwasserstoffe enthaltende Abprodukte, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Plasmagas zumindest im wesentlichen Wasserdampf und als Kühlmittel für gekühlte Teile des Plasmatrons Heißwasser mit einer Temperatur von zumindest ca. 80° C vorgesehen ist.
8. Plasmatron nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine chemische StoffWandlung mittels chemisch reaktiver, hochangeregter Sauerstoff- und Wasserstoffspezies, insbesondere Sauerstoff- und Wasserstoffionen, des Wasserdampfplasmas in einem Wasserdampfplasmastrahl erfolgt.
9. Plasmatron nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, -daß als Plasmagas im wesentlichen Wasserdampf, dem ein die -Kondensationstemperatur erniedrigendes Gas, insbesondere Luft, beigemischt ist, vorgesehen ist.
10. Verfahren zum stabilen Betrieb eines Plasmatrons mit zumindest im wesentlichen Wasserdampf als Plasmagas, wobei inbesondere thermisch beanspruchte Teile, wie Elektroden etc. , durch ein Kühlmittel gekühlt werden, dadurch gekennzeichnet, daß Betriebsparameter, insbesondere die Temperatur des Kühlmittels und/oder die Zusammensetzung des Plasmagases gesteuert werden derart, daß eine Kondensation des Plasmagases an den gekühlten Teilen vermieden wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung der gekühlten Teile des Plamatrons begrenzt und/oder eine Kondensationstemperatur des Plasmagases erniedrigt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel Heißwasser mit einer Temperatur von zumindest ca. 80° C als Kühlmittel verwendet wird. AS
13. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensationstemperatur des Wasserdampfplasmas durch Beimischung zumindest eines Gases mit niedrigerer Kondensationstemperatur vermindert wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß im Anschluß an eine Wasserdampf-Verdampfungsstufe Luft in den Plasmadampf eingemischt wird.
15. Verfahren zum stabilen Betrieb eines Plasmatrons für die chemische StoffWandlung, insbesondere zur Totalvernichtung -toxischer, insbesondere chlorierte oder fluorierte Kohlenwasserstoff enthaltende Abprodukte, insbesondere nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Plasmagas zumindest im wesentlichen Wasserdampf und als Kühlmittel Heißwasser"mit einer Temperatur von zumindest ca. 80° C verwendet wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, 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.
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