PROCESS AND APPARATUS FOR THE THERMAL DESTRUCTION OF ORGANIC AND INORGANIC SUBSTANCES

Abstract: 1. A process for the thermal decomposition and reaction of organic and inorganic substances in a bed consisting of mechanically agitated filling material, which is located in a heated upright cylindrical reactor, characterised in that the filling material (4) is passed along the reactor wall (7) in an axial direction and is passed back in an opposite direction into the centre of the reactor.

Description: Verfahren und Vorrichtung zur thermischen Zersetzung von organischen und anorganischen Substanzen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen Zersetzung und Umsetzung von organischen und anorganischen Substanzen in einem aus mechanisch bewegten Füllkörpern bestehenden Bett, das sich in einem beheizten, aufrechtstehenden zylinderförmigen Reaktor befindet, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. In der Kerntechnik fallen einelReihe von festen und flüssigen organischen und anorganischen Abfällen an, die meist radioaktiv oder sonst hochgiftig sind und sicher beseitigt werden müssen, Diese Beseitigung erfolgt normalerweise durch Verbrennung oder pyrolytische Zersetzung unter Beachtung zahlreicher sicherheitstechnischer Erfordernisse, wie Abgasbehandlung, Reparaturfreundlichkeit und Betriebssicherheit der verwendeten Anlagen. In der DE-OS 26 41 264 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur pyrohydrolytischen Zersetzung von Abfallstoffen beschrieben, wobei die Reaktion bei Temperaturen zwischen 600 und 1000 C stattfindet. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass durch die unterschiedlichen Zersetzungsvorgänge von flüssigen und festen Stoffen unterschiedliche thermische Belastungen auftreten, die zu unterschiedlich heissen und kalten Stellen im Reaktor führen. Dadurch läuft auch die Zersetzungsreaktion unterschiedlich schnell ab, je nachdem, an welcher Stelle im Reaktor sich das Reaktionsgemisch befindet. Da die Verweilzeit durch die Dosierleistung und das Volumen des Reaktors vorgegeben wird, entstehen örtlich unterschied- liche Zersetzungswirkungsgrade, die insgesamt den Anteil an höheren Kohlenwasserstoffen (Teer, Russ) im Abgas ansteigen lassen. Darüberhinaus ist auch die Korrosion nur sehr eingeschränkt beherrschbar, da die Zersetzungsprodukte nur unvollständig durch beigemischte basische Zu schlägeCaROH)2gebunden werden können. Dies liegt vor '2 allem daran, dass die Vermischungsgüte der zu zersetzenden flüssigen Substanz mit dem vorhandenen festen organischen Abfall und dem in fester Form vorliegenden basischen Zuschlag sehr gering ist. Aus der DE-OS 28 55 650 ist es bekannt, die pyrolytische Zersetzungsreaktion für flüssige Abfälle in einem Wirbelschichtreaktor auszuführen. Der Nachteil des Wirbelbett Verfahrens liegt jedoch in seinem kleinem Leistungsbereich und im grossen Staubaustrag begründet. Der Leistungsbereich wird dadurch begrenzt, dass bei zu kleiner Leistung das Wirbelbett zusammenbricht und bei zu grosser Leistung Unzersetztes in den Austrag gerät. Weiterhin führt die Anwendung der Wirbeltechnik auf die Schadstoffbeseitigung zu grossen Abgasmengen, die technisch und wirtschaftlich sehr aufwendig gereinigt werden müssen. In der DE-OS 30 28 193 wird ein Verfahren zur pyrolytischen Zersetzung von organischen Substanzen in einem Reaktor beschrieben, wobei diese Substanzen mit basischen Verbindungen gemischt in einem Festbett-Reaktor eingebracht werden, dessen kugelförmigen Füllkörper mechanisch bewegt werden. Der Reaktor wird dabei von aussen beheizt. Bei diesem Verfahren werden die Füllkörper mittels eines Rührers so bewegt, dass sie durch die abgeschiedenen Zer setzungsprodukte nicht zusammenbacken. Es können hierbei allerdings nur relativ kleine Abfallmengen in der Grössenordnung von 1 kg/h verarbeitet werden, da bei grösseren Ofendurchmessern Probleme bei der Wärmeübertragung auftreten. Bet einem Ofendurchmesser von mehr als 15 cm reicht im allgemeinen die integrale Wärmeleitfahigkeit der Füllkörperschüttung nicht mehr aus, um ein Durchbrechen von unzersetzten Abfallprodukten in der Ofenmitte zu verhindern. Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Ver-- fahren und eine Vorrichtung zur thermischen Zersetzung und Umsetzung von organischen und anorganischen Substanzen in einem aus mechanisch bewegten Füllkörpern bestehenden Bett zu finden, das sich in einem beheizten, aufrechtstehenden zylinderförmigen Reaktor befindet, die technisch und wirtschaftlich einfach und unweltfreundlich arbeiten und einen erhöhten Durchsatz erlauben. Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Füllkörper an der Reaktorwandung in axialer Richtung entlanggeführt und im Reaktorzentrum entgegengesetzt zu- ' rückgeführt werden. Durch gezieltes Rührern der FüllkörperschUttung werden die Füllkörper in einem speziellen Umlauf innerhalb des Reaktors bewegt. Dadurch wird einerseits Energie von der Haubenwand des Reaktors gleichmäBig nach innen transportiert und andererseits ein Schichtaufbau von füllkörperfremden Substanzen auf den Füllkörpern und auf der Reaktorinnenwand vermieden. Gleichzeitig entsteht ein relativ grobkörniger Staub als festes Reaktionsprodukt, der mit dem Abgas ausgetragen wird. Das Abgas wird anschliessend auf bekannte Weise entstaubt. Das erfindungsgemässe Verfahren verhindert unterschiedliche thermische Belastungen des Reaktors sowie unterschiedlich schnell ablaufende Zersetzungsreaktionen. Die Abgasmenge wird lediglich durch den minimal notwendigen SpUlgasstrom, z.B. Stickstoff, vergrössert. Das erfindungsgemässe Verfahren ist weitgehend unempfindlich gegen Uber- und Unterdosierungen. Vorübergehende Überdosierungen sind. problemlos, stochiometrische Mischungen der zu zersetzenden Stoffe mit Zuschlagstoffen müssen nur über grÏssere Zeitr ume stimmen. Es ist von besonderem Vorteil, wenn die Füllkörper an der Reaktorwandung von unten nach oben geführt werden. Mit dem erfindungsgemässen Verfahren lassen sich auch grössere spezifische Abfallmengen durchsetzen, ohne dass es zu einem Durchbrechen von unzersetzten Produkten in der Reaktormitte kommt. Zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens wird vorzugsweise eine Vorrichtung verwendet, bestehend aus einem beheizten, aufrechtstehenden zylinderförmigen Reaktor mit Füllkörpern und einem Rührer aus Rührerachse, Tragarmen und einem oder mehreren Wendeln, wobei die Steigung der Wendeln zwischen 10 und 45 beträgt, die Wendeln mit der Wandung des Reaktors einen Winkel t zwischen 45 und 85 bilden, die Tragarme in Drehrichtung gesehen nach vorne unten um einen Winkel < zwischen 5 und 45 geneigt J sind und die Breite der Wendeln und Tragarme grösser ist als der Füllkörperdurchmesser bzw. der hydraulische Durchmesser der FUllkörper. Die Abbildungen I und II zeigen schematisch eine beispielhafte Ausführungsform: Innerhalb eines beheizten, aufrechtstehenden,zylinderför- migen Reaktors mit der Reaktorwand t7) und der Reaktorbodenplatte (10) ist ein Rührer (1) aus RUhrerachse (8), e' Tragarmen (9) und Rührerwendeln (2) angeordnet. Der RUh- rer bewegt die im Reaktorinnern (3) vorhandenen Füllkör- per (4), beispielsweise mit einer Drehzahl von 0,1 bis 2/min, in einenlangsame Umlaufbewegung in axialer Richtung an der Reaktorwand (7) entlangssmit Rückführung im Reaktorzentrum. Die Steigung der Wendeln (2) beträgt zwischen 10 und 45 . Die Wendeln (2) bilden mit der Wand 43 (7) des Reaktors einet Winkel t zwischen 45 und 85 . Die Tragarme (9), in Drehrichtung gesehen, sind nach vorn unten um einen Winkel µ zwischen 5 und 45 geneigt. Weiterhin ist die Breite der Wendeln (2) und der Tragarme (9) grösser als der FUllkörperdurchmesser bzw. der hydraulische Durchmesser der FUllkörper. Es ist besonders günstig, wenn die Steigung der Wendeln (2) zwischen 20 und 30 beträgt, die Wendeln (2) mit der Wandung (7) des Reaktors einen Winkel t zwischen 65 und 75 bilden und die Tragarme (9) um einen Winkel f zwi J schen 15 und 25 geneigt sind. Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Wendeln (2) mindestens eingängig sind, ebenso, wenn der Abstand zwischen der Aussenkante (6) der Wendeln (2) und der Wandung (7) höchstens 75 % des Durchmessers der kleinsten Füllkörper beträgt. Das gilt auch für den Abstand des untersten Tragarmes (9) vom Boden (10) des Reaktors, der höchstens 75 % des Durchmessers der kleinsten Füllkörper betragen soll. Zur besseren Bewegung der Füllkörper ist es günstig, wenn die Vorderkante (5) des Tragarmes (9) schaufel- oder keilförmig ausgebildet ist. Es hat sich gezeigt, dass die erfindungsgemässe Vorrichtung am günstigsten arbeitet, wenn die Füllkörperschüttung (4) im Reaktor ein Verhältnis von H8he zu Breite zwischen 0,75 und 1,5 einnimmt, wobei ein Höhen- zu Breitenverhältnis der Füllkörperschüttung (4) fUr die FUllkörperbewegung besonders vorteilhaft ist. Der Rührer ist zweckmässigerweise aus einem metallischen Material gefertigte das härter als die Füllkörper sowie korrosions- und hochwarmfest ist. Um Unwuchten zu vermeiden, können auch zwei und mehr Wendeln (2) auf der Rührerachse (8) angeordnet werden. Durch die definierte Steigung der Wendeln (2) und den definierten Anstellwinkel von Wendeln (2) und Träger warmen (9) wird eine gerichtete Füllkörperbewegung an der Reaktorwand (7) und im Reaktorinnern erzeugt. Damit entsteht aber in den oberen und unteren FUllkörperschichten auch ein gerichteter Strom von aussen nach innen bzw. umgekehrt, der die Wärmestromdichte von der Aussenheizung zum Reaktorinnern wesentlich erhöht. Die Reaktionsvorgänge und Stofftransportmechanismen werden dadurch beschleunigt, so dass Reaktordurchmesser von 0,S bis 1,5 m verwendet werden können, die spezifische Durchsätze von 10 bis 100 kg Abfallsubstanzen pro Stunde gestatten, ohne dass es zu Durchbrüchen im Reaktorinnern kommt.

Claims: PatentansprEche 1. Verfahren zur thermlschen Zersetzung und Umsetzung von organischen und anorganischen Substanzen in einem aus mechanisch bewegten Füllkörpern bestehen den Bett, das sich in einem beheizten, aufrecht stehenden zylinderförmigen Reaktor befindet, dadurch qekennzeichnet dass die Füllkörper an der Reaktor wandung in axialer Richtung entlanggeführt und im Reaktorzentrum entgegengesetzt zurückgeführt werden. 2. Verfahren zur thermischen Zersetzung nach Anspruch 1, dadurch qekennzeichnet, dass die Füllkörper an der Reaktorwandung von unten nach oben geführt werden. 3. Vorrichtung zur thermischen Zersetzung und Umsetzung von organischen und anorganischen Substanzen nach Anspruch 1 und 2, bestehend aus einem beheizten, aufrechtstehenden zylinderförmigen Reaktor mit Füllkorpern und einem Rührer aus Rührerachse, Trag armen und einem oder mehreren Wendeln, dadurch qe- kennzeichnet, dass die Steigung der Wendeln (2) zwischen 10 und 45 beträgt, die Wendeln (2) mit der Wandung (7) des Reaktors einen Winkel # zwischen 45 und 85 bilden, die Tragarme (9) in Drehrichtung gesehen nach vorne unten um einen Winkel P zwischen 5 und 45 geneigt sind und die Breite der : Wendeln (2) und Tragarme (9) grösser ist als der FUllkorperdurch- messer bzw. der hydraulische Durchmesser der Füll- körper. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch qekenn- zeichnet. dass die Steigung der Wendeln (2) zwischen 20 und 30 beträgt, die Wendeln (2) mit der Wandung (7) des Reaktors einen Winkel t zwischen 65 und 75 bilden und die Tragarme (9) um einen Winkel t zwischen v 15 und 25 geneigt sind. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch qekenn- zeichnet, dass die Wendeln (2) mindestens eingängig sind. 6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bus 5, dadurch qekenn- zeichnet, dass der Abstand zwischen der Aussenkante (6) der Wendeln (2) und der Wandung (7) des Reaktors höchstens 75 X des Durchmessers der kleinsten FUll- körper beträgt. 7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch qekenn- zeichnet, dass der Abstand des untersten Tragarmes (9) vom Boden (10) des Reaktors höchstens 75 X des Durch messers der kleinsten Füllkörper beträgt. 8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch qekenn- zeichnet, dass die Vorderkante (5) der Tragarme (9) schaufel- oder keilförmig ausgebildet ist. 9. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch aekenn- zeichnet, dass die F0llkörperschUttung (4) im Reaktor ein Verhaltnis von Höhe zu Breite zwischen 0,75 und 1,5 einnimmt. 10. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9 , dadurch qekenn- zeichnet, dass die FUllkorperschüttung (4) im Reaktor ein Höhen/Breitenverhältnis zwischen 0,9 und 1,1 einnimmt.

Inventors: BASTIAN, HEINRICH, DIPL.-ING., HUSCHKA, HANS, DR. DIPL. CHEM., KEMMLER, GERHARD, DR. DIPL. CHEM., SCHLICH, ELMAR, DR. DIPL.-ING.
Applicants: NUKEM GMBH
Application year: 1983
Main classification: B01J8
IPC codes: B01J8, B01F7, G21F9, B01F15, F23G7, C10B47